高压干气密封数值模拟及其在加氢精制循环氢压缩机中的应用

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1、2009年 第2期 通用机械48石油/化工通用机械GM in Petroleum & Chemical Industry【摘 要】 采用固体有限元（FEM）、计算流体力学（CFD）和试验经验相结合的机械密封性能分析高级专用软件Cstedy，模拟了某炼油厂加氢精制装置循环氢压缩机轴封改造用高压干气密封的性能，包括密封环的变形、密封面压力分布和温度分布。同时，介绍了该机组轴端密封从浮环密封到干气密封升级改造的整体技术方案、现场实际应用情况。【关键词】 离心压缩机 轴端密封 干气密封 数值模拟 改造 一、前言1机组概况某炼油厂50万t/a全馏分加氢精制装置循环氢离心压缩机，为国外公司设计制造，原轴端

2、密封采用油膜润滑浮环密封。在机组制造厂方技术人员的现场指导下，完成了机组的安装、单机试车和装置的联动试车。机组运行10多年，经过多次的大检修，也多次更换浮环密封，总的来说，机组总体运行基本平稳，但也存在一些问题和隐患。为了进一步实现装置的长周期安全运行，同时减少现场的运行维护工作量，压缩机轴端密封的可靠性还有待进一步提高。为消除原浮环密封系统可能存在的事故隐患，在装置大检修期间，对机组的轴端密封系统成功地进行了技术改造，将原浮环密封系统升级为当今高速离心压缩机最先进的轴端密封形式干气密封1。机组的主要性能参数如表1所示。2浮环密封的基本原理及原密封运行中存在的问题浮环密封是采用“以油封气”的原

3、理来实现被密高压干气密封数值模拟高压干气密封数值模拟及其在加氢精制循环氢压缩机中的应用约翰克兰鼎名密封 （天津 300384） 杨惠霞 张瑞祥 郝 峰 冯向忠 段雪梅封气体介质的零泄漏。从原理上来说，浮环密封是一种组合密封。在径向，浮环密封是一种液体（密封油）节流式非接触密封，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触。在轴向，浮环端面与端盖接触，密封面虽没有相对的转动，但存在小幅度的径向相对滑动，属于端面密封。某炼油厂50万t/a全馏分加氢精制装置循环氢压缩机， 装置投料 开车以来，压缩机总体运行基本平稳。但在实际运行和在历次的大检修中，浮环密封也存在一些问题

4、，如内侧浮环 出现铵盐堵塞；检修发现浮环有磨损；密封油压差控制要求较严， 控制不好时曾出现密封油进入机组内部，或有时少量介质气窜入密封油箱使密封油出现酸化。另外，整个密封油系统 比较复杂，能耗大，而且封油系统运行到后期设备故障逐渐增多，这些都是影响装置长周期安全运行的隐患，必须尽快加以消除。3干气密封基本原理干气密封是采用“以气封气”，流体动静压结合的非接触式机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封形式1。其密封结构与普通机械密封所不同的是：动、静环密封端面较宽，在动环压缩机型号规格 361B7轴功率 /kW 487介质 氢气、烃类、硫化氢等流量 /（m3/h） 42 031进

5、/出口的压力 /MPa 9.6/11.4进/出口的温度 / 50/76额定转速 /(r/min) 11 012表1 机组的主要性能参数2009年 第2期 49通用机械石油/化工通用机械GM in Petroleum & Chemical Industry用；当一级密封失效时，二级密封瞬时承受全压，确保危险性工艺介质不会大量泄漏到环境中去。原浮环密封与改造后的干气密封孔口对应关系如表2所示。表2 压缩机孔口对应表图1 压缩机密封框架图图2 干气密封结构图3密封旋转组件轴向定位方式的确定由于不能在转子上加工锁母连接螺纹，因此干气密封旋转组件的轴向定位只能采用图2所示的轴卡环限定轴向位置，旋转组件与

6、轴的径向定位采用对中能力强的两道波纹带来实现。由于现有的轴环槽尺寸受限，必须通过计算校核其能否满足强度要求。这也是本方案能否采用的关键点之一。通过受力分析和强度计算，轴卡环和轴环槽都能满足强度要求。三、高压干气密封稳态下综合性能数值模拟1性能数值模拟基本方法在高压高速离心压缩机干气密封的摩擦副中存在多个物理过程： 密封动环的热变形和力变形、密封静ABC D浮环密封 内泄漏口 进油口 回油口 外泄漏口干气密封一级密封气入口一级泄漏出口二级放空出口后置隔离气入口或静环的端面上加工出特殊形状的型槽，槽深一般在3 10m之间，一般将槽刻在硬质的动环上。动环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在两

7、密封端面间形成一层厚度为25m的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触运转。干气密封的膜厚虽然很小，但气膜刚度很大，一旦出现外界干扰使两密封面间隙增大或减小时，它能迅速回到原来的平衡位置附近，即具有很强的抗外界干扰的能力。这类密封有以下突出优点：端面非接触，寿命长，可靠性高；密封功耗低，节约能源；省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小；消除了密封油对工艺回路污染的可能性；运行和维护费用低。二、干气密封本体改造方案1 密封改造基本要求1）采用气膜润滑的干气密封装置替换原来的油膜润滑浮环密封。2）要求改造前后密封腔尺寸不变，以保证干气密封与原来的浮环密封具有互换性。3）由于装置检修时间短，为减

8、小工作量，按期完成装置检修任务，用户要求不能对压缩机转子做任何修改，包括加工螺纹和磨削转子台阶等都不允许。2干气密封布置方式选型干气密封按照不同的布置方式，可分为单端面、双端面、串联和带中间进气的串联干气密封等4种结构。一般来讲，对于密封易燃、易爆、有毒等危险性工艺流程介质，从安全性来讲，最好采用串联式干气密封。该压缩机上安装密封处密封腔和转子部分结构如图1所示，在密封腔上共有4排孔口，分别为： A为密封油内泄漏口， B为密封油进油口， C为密封油回油口，D为密封油外泄漏口。带中间进气的串联式干气密封因为有二级密封气，所以需要5排孔口，即一级密封气入口、一级泄漏出口、二级进气入口、二级放空出口

9、和后置隔离气入口，而该压缩机只有4排孔口可用。而普通的串联式干气密封，由于没有二级进气，4排孔口即可满足要求，因此密封选用不带中间进气的串联式干气密封，其结构如图2所示。正常运行时，一级密封承受全压，二级密封只承受很小的压力，起着备用密封的作2009年 第2期 通用机械50石油/化工通用机械GM in Petroleum & Chemical Industry环的热变形和力变形、密封动环的热传导、密封静环的热传导、密封面螺旋槽的流体动压润滑效应、密封面的摩擦学效应以及密封补偿环静环的轴向力平衡等。所有这些过程是相互作用、互相耦合的。例如，密封环的变形影响密封面气膜厚度，而密封面气膜厚度又影响密

10、封面 气膜压力分布；反过来，密封面气膜压力分布影响密封环的变形，而密封环的变形又影响密封面的气膜厚度。另一方面，密封面的气膜厚度也影响密封面的摩 擦生热，而密封面的摩擦生热又影响密封环的热传导及密封面温度分布，密封面的温度分布又影响密封面的气膜压力分布，进而影响补偿环的气膜开启力和 平衡膜厚。要同时求解这些物理过程，是相当复杂和困难的。Cstedy是约翰克兰专有的机械密封稳态下综合性能高级分析软件，该软件综合考虑了密封环的变形和热传导（固体有限元FEM）、密封面的流体动压润滑效应（计算流体力学CFD）和大量的试验经验2。实际使用时，只要输入密封动静环几何结构参数、动环密封面螺旋槽参数、密封动静

11、环材料特性参数以及密封的实际使用工况如压力、温度、转速和密封介质特性等，通过软件的自动耦合迭代计算，就能计算出密封的综合性能，如密封泄漏量、密封摩擦功耗、密封工作膜厚、密封气膜刚度、密封端面温度分布和膜压分布。2密封综合性能数值模拟结果图3图5是根据某炼油厂加氢精制装置循环氢压缩机轴端密封的实际使用工况（密封压力9.6MPa、密封腔温度76、主轴转速11 012r/min、密封介质循环氢、密封平衡直径123mm）计算得出的密封端面变形、密封面径向平均膜压分布和密封面径向温度分布。密封出厂试验时采用过滤后的压缩空气作为介质，在密封压力9.6MPa、主轴转速11 897（r/min）（机组最大连续

12、转速）下的实测泄漏量为4.7 m3/h；而根据Cstedy软件的计算结果为5.2 m3/h，可见二者吻合非常好。图4 密封面径向平均压力分布图5 密封面径向温度分布四、干气密封的控制系统方案改造后的干气密封控制系统包括三个模块：一级密封进气、一级密封放火炬、隔离气进气，其控制系统原理图如图6所示。其主要功能为：提供洁净、干燥和稳定的气源。监控密封的工作条件和运行状况。当密封运行出现异常时，提供报警和联锁功能。（1）一级密封气流程 正常运行时，采用机组出口气作为一级密封气源，经过粗过滤器和精过滤器两级过滤后达到1 m精度，除去其中含有的固体微粒和液滴；再经气动薄膜调节阀将压力控制在高于高压端处平

13、衡管0.2MPa，后经流量计进入低、高压端一级密封腔，由流量计下游的节流阀将流量控制在300Nm3/h左右。在开停车工况或主密封气与平衡管的压差小于0.05MPa时，差压低低报，自控系统自动打开电磁阀，增压泵起动，对密封气进行增压；当二者压差高于0.11 MPa时，自控系统自动关闭电磁阀，增压泵停止工作。压力 / MPa温度 /Temp/图3 密封端面变形2009年 第2期 51通用机械石油/化工通用机械GM in Petroleum & Chemical Industry增压系统仅在机组开车、停车和循环气进出口压差较低工况时启用。一级密封气体绝大部分经机组迷宫返回到机内，阻止机内气体向外扩散

14、污染密封，少量气体经过密封端面泄漏至第一级密封排气腔。（2）一级泄漏放火炬气流程 一级密封泄漏气经流量计后放火炬。孔板起节流作用，当一级密封出现故障气体泄漏量增大时，流量计输出增加，达到20m3/h时高报，达到30m3/h时高高报，如泄漏量继续增加，使孔板前的压力达到0.4 MPa时，压力变送器高报并联锁停机。（3）后置隔离密封隔离气流程 0.6MPa氮气经过滤器过滤，经声速孔板后，进入低、高压端隔离气室，一部分经后置迷宫的前端后与二级密封端面泄漏的气体混合，引至安全地点放空；另一部分经后置迷宫的后端，通过轴承回油放空孔就地放空，此部分气体是为了阻止润滑油污染密封端面。五、现场使用情况改造的干

15、气密封加工完成后首先在制造厂作出厂试验，试验合格后密封运抵现场进行安装调试。密封一次性试车成功。自C102压缩机干气密封改造完成以来，经过几个月的实地运行考察，干气密封运转平稳，达到了设计要求。六、结束语1）采用最新的密封技术对加氢精制循环氢压缩机的轴端密封进行了成功的改造，将油膜润滑的浮环密封改造成非接触、气体润滑的干气密封，消除了原浮环密封存在的问题，达到了预期的效果，为装置实现长周期安全高效运行打下坚实的基础。2）采用综合考虑密封环的变形和热传导（固体有限元FEM）、密封面的流体动压润滑效应（计算流体力学CFD）和试验修正的干气密封性能分析软件，可以在设计时就能预测密封的综合性能，并据此就密封动静环结构、密封面螺旋槽参数进行优化，以期取得最优的密封性能。3）在改造方案中，通过对轴卡环图6 干气密封控制系统原理图和轴环槽强度的校核，确保了采用的密封旋转组件轴向分瓣卡环定位的可行性，同时对压缩机转子的改动最小，使得这一难度很大的改造任务在预定的时间内顺利完成。4）在该机组轴端密封改造过程中取得的一些经验可为石化行业其他类似机组轴端密封的改造提供参考。参考文献1 王玉明，杨惠霞，姜南，等. 透平机械密封装置J. 通用机械，2003(7). 2 杨惠霞，冯向忠. 大尺寸泵用干气密封数值模拟及工业应用 J. 通用机械，2007（S1）。