《干气密封在氢气压缩机中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《干气密封在氢气压缩机中的应用（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、- 50 -安全密封石油与化工设备2010年第13卷干气密封在氢气压缩机中的应用朱 良（中石化北京燕山分公司聚酯事业部 北京 102500）摘 要 对压缩机由原机械密封改造为干气密封的可能性做了分析，并介绍了具体的方法。关键词 机械密封；浮环密封；干气密封作者简介： 朱良（1971），男，湖南汝城人，研究生学历，高级工程师。表1 压缩机主要参数表循环氢气压缩机由德国 DEMAG公司 1978年生产， 1980年投产使用。该机组由电机驱动，经过VOITH联轴节无级调速，齿轮箱变速后将动能传于主机，压缩机本体为单缸三级径向透平压缩机。该压缩机密封系统为机械密封加浮环密封组成，工艺侧为机械密封，大气
2、侧为浮环密封，机组下层的油站为机封系统提供密封油及润滑油。项目 单位 参数介质 氢气型号 06MV3A叶轮数 3工艺段数 1正常转速 r/min 11650最大速度 r/min 11650第一临界速度 r/min 5770入口流量 M3/h 3483入口压力 MPa 1.275入口温度 49该机组具有高转速，介质易燃易爆等特点，对于此特点要求压缩机密封系统有非常高的可靠性，尽可能少的泄漏量，能够长周期连续运转，轴封的寿命也要足够长，目前密封形式为机械密封加浮环密封的组合型密封，两道密封间的密封油总保持比工艺气体高 0.2-0.3MPa以油封气来达到密封目的。其特点是密封结构简单，技术成熟，内泄
3、漏量小，曾经是压缩机上应用较广泛的一种轴封形式。浮环密封是径向间隙和轴向间隙的组合，是依靠密封间隙内的流体阻力效应达到阻漏的目的。当轴运转时，由于轴与浮环之间有一定间隙，浮环能自由浮动，其间隙内形成一层流体油膜，产生很大的流体动力，其压力高于介质压力，从而可阻止工作介质向外泄漏1。1 存在的问题在使用过程中主要存在以下几方面的问题。（ 1）由于其属于接触式密封，功耗及摩擦热较大，适用的压力及转速条件较低；（ 2）封液系统较复杂，辅助设备以及电、仪等自控元件多，造成使用可靠性下降，维护、维修任务较重；（ 3）浮环密封稳定性较差，调节难度大，造成工艺气易泄漏；（ 4）工艺气污染润滑油，使润滑油内的
4、胶质成分增加， pH值呈弱酸性，对仪表探头及引线造成腐蚀，影响仪表控制系统的准确性和可靠性；（ 5）封油和润滑油互串，使封油和润滑油闪点下降，粘度下降，导致机组封油和润滑油质量不合格，影响机组的正常润滑和调节系统的正常调节；（ 6）封油质量不稳定，浮环密封面出现磨损现象，影响浮环的密封效果和使用寿命；（ 7）封油与工艺气互串，若差压调节不好，封油有串至机内或工艺气泄漏至封油箱挥发至大气中的可能，会造成压缩机转子损坏、环境污染，甚至威胁到装置的安全生产。鉴于以上原因，使用浮环密封不仅对该机组的长周期平稳运行有较大影响，维修工作量大，费用高，也不适应现代企业对环保及节能降耗越来越高的要求。2 密封
5、系统特点根据压缩机的情况，要求其密封系统具备以- 51 -第2期 朱良 干气密封在氢气压缩机中的应用下特点：（ 1）工艺介质不向大气泄漏；（ 2）密封寿命长；（ 3）受工艺波动影响小；（ 4）密封辅助系统简单可靠；（ 5）开停车程序简单，使用方便；（ 6）检修维护容易，无需在线检修维护。鉴于以上要求， J-101压缩机应选用技术先进、工艺成熟的干气密封。3 干气密封的工作原理干气密封是上世纪 60年代末期以气体润滑轴承的概念为基础发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究，美国约翰 克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。它是一种新型的非接触式轴封。其结构与普通机械密封类似。但重
6、要区别在于，干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行，实现密封2。干气密封基本结构由旋转环，静环，弹簧，密封圈以及弹簧座和轴套组成。旋转环密封面经过研磨，抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的液体动压槽。干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高，在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3 m左右。根据气体动力学研究表明，当干气密封气膜
7、层厚度为 2-3 m时，流过间隙的气体流动层最为稳定，这也就是干气密封气膜厚度设计值选定在 2-3 m的原因。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定，干气密封密封面间的气膜具有良好的气膜刚度，保证密封运转稳定可靠。正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力 )等于开启力（气膜反力 )，密封间隙为设计工作间隙。当受外部干扰，气膜厚度减小，则气膜反力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力。密封面间隙恢复到正常值。因此，只要在设计范围内，当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复到设计值
8、。可见，干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的气膜刚度，气膜刚度大，干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标而进行的。干气密封技术用“气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念，可保证任何密封介质实现零逸出。由于它不需要密封润滑油，省去了封油系统及用于驱动封油系统运转的附加功率负荷。其所需的气体控制系统也比封油系统简单得多。而且泄漏量小，寿命长，维护费用低，密封驱动功率消耗小。所以，干气密封更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。目前已在我国的石化、炼油、化工等行业的引进装置中越来越多地得到应用。与普通接触式机械密封相比，干气密封具
9、有以下优点：省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。大大减少了计划外维修费用和生产停车。避免了工艺气体被油污染的可能性。密封气体泄漏量小。维护费用低，经济实用性好。密封驱动功率消耗小。密封寿命长，运行可靠。4 干气密封改造可行性分析4.1 干气密封选型常用的密封形式有单端面干气密封、双端面干气密封、串联干气密封、带中间进气的串联干图1 干气密封旋转环示意图- 52 -安全密封石油与化工设备2010年第13卷气密封。鉴于 J-101循环氢气压缩机介质易燃易爆的特点，改造应选用安全性、可靠程度相对较高的串联式干气密封。该结构由串联式干气密封和干气密封前置的梳齿密封和后置的碳环密封组
10、合而成。串联式干气密封可看作是两套或更多套干气密封按照相同的方向首尾相连而构成。采用两级结构，第一级上密封承担全部或大部分负荷，而另外一级作为备用密封不承受或承受小部分压力降，通过主密封泄漏出的工艺气体被引入火炬。剩余少量的工艺气通过二级密封漏出，引入安全地带放空。当主密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不向大气泄漏。4.2 改造原则改造应以不改动原有压缩机结构，不损坏原压缩机部件为前提，以保证万一发生不正常运行情况时能够立即恢复原轴封状态，该工程应使用压缩机的现有结构进行无损改造。4.3 改造条件4.3.1 气源一般干气密封所需要开车气体和运行气体，开车气需要中压
11、氮气或同等压力的工艺气体，运行气体则需要工艺气压力大于 0.6MPa以及流量大于 50m3/h，而我车间的新鲜氢气压力为2.5 3.0Mpa，符合改造所必须气源条件，这样可将开车气体和运行气体合二为一，因此气源条件满足改造要求。4.3.2 排放一级干气密封泄漏气为工艺气体，不可以对大气直接排放，需向火炬系统排放，我车间也具备此条件。4.3.3 密封腔体尺寸及气路J-101压缩机的原机械密封加浮环密封的结构为改造干气密封提供了足够的腔体空间，能够改为干气密封。气路方面，与原机械密封相通的油路及工艺气孔可改为气路，干气密封所需的缓冲气入口、一级泄漏气出口、二级泄漏气出口、隔离气入口以及干气密封控制
12、系统参考气正好可利用原机械密封的工艺吹扫气口、原内漏油孔、机械密封进油孔、机械密封回油孔以及原机械密封控制系统参考气，因此在腔体及气路方面也具备改造条件。改造情况详见图 2。5 改造方法将裂解来的中压氢气（不低于 1.5MPa），经过滤后成为干燥、洁净的气体，其作用是阻挡未净化工艺气中的粉尘、凝缩油等杂质进入密封端面对干气密封正常工作造成不利的影响，然后经过气动调节阀分为两路，作为干气密封的缓冲气进入两端密封腔，其压力稍高于正常运行时的平衡管工艺气压力（压差为 50kPa），系统设置一差压变送器测量缓冲气与参考气之间的差压，信号通过电气转换控制安装在缓冲气入口处的气动薄膜调节阀，以调节缓冲气的
13、入口压力使其维持与参考气的恒定压差。进入密封腔的缓冲气流量大约在 80Nm3 h之内，其中的绝大部分经梳齿进入机组腔体，剩余的一小部分（ 4Nm3/h）通过第一级干气密封（主密封）的端面漏出。其中的大部分被引入火炬燃烧掉，极少部分经二级密封的端面漏出。泄漏气出入口端设有爆破片，若一级干气密封失效，发生大量泄漏，其压力超过 0.5MPa时，爆破片爆破能将氢气迅速排至火炬燃烧。作为辅助安全密封，第二级干气密封虽然不承受介质的压力，但需要在适当的压差（大于20kPa）下密封端面才可形成稳定的气膜而长期理想地运行，系统在一级泄漏气出口端设置节流阀，通过调节其开度使一级泄漏气保持约 60kPa的图2 干
14、气密封改造方法- 53 -第2期 背压来满足要求。设置在节流阀旁路上的泄压阀可将失效时大量的泄漏气引入火炬燃烧。再引一路氮气作为隔离气，经过滤器、减压阀后进入后置的碳环密封中间。在启动滑油系统之前必须先启动隔离气，通过节流孔板使其压力稍高于轴承箱回油压力（通常为 30kPa），形成一个性能可靠的阻塞密封系统。该路气体一部分进入轴承箱，防止轴承箱中的润滑油反窜入干气密封，另一部分与从第二级密封泄漏的微量工艺气混合，称为二级泄漏气。由于其流量不大（通常低于 2Nm3 h），且主要成分为氮气（工艺气组分 5%），可作为对环境无害的气体引入安全场所排放。为防止密封在运转过程中隔离气气源出现压力不足甚至
15、中断现象发生，在隔离气入口处设置了压力变送器对隔离气压力进行监控，如隔离气压力下降至设定值，其信号可远传至控制室，发出报警信号，以便操作人员及时采取应对措施。判断密封是否正常工作，主要通过对一级泄漏气的监测来进行。一级干气密封如出现意外失效时，泄漏气出口端压力和流量会急剧增大。如二级干气密封出现意外失效时，一级泄漏气压力和流量会急剧减小。其信号均可通过压力和流量变送器传至控制室，发出报警信号。当压力达到联锁值时，压缩机即停车。6 机组改造为干气密封后的经济效益6.1节约水、电费用改用干气密封，取消了密封油系统，原密封油冷却器用于降低冷却水用量。按冷却器节省用水量为 8t/h，年运行 365天，
16、循环水单价 2元 /t计算，年节约水费约 14万元。原浮环密封（两端）功耗约 15kw，而干气密封功耗仅 1kw，比浮环密封节约 14kw。按年运行 365天，电单价 0.61元 / kwh计算，年节约电费约 7.5万元。6.2 节约润滑油费用改造后，每年节约润滑油 14桶，每桶润滑油按 3000元计算，每年节约 4.2万元。6.3 降低停机损失费用改造后，可避免密封系统故障造成的被迫停车。按一年避免一次计算，可降低停机损失费用88万元。6.4 减少维修费用原浮环密封辅助设备多，包括油系统及相应的电气设备、自控仪表、油过滤器、冷却器、油气分离器、脱气槽、油箱及高位油罐等，维修工作量较大。改造后，每年可减少维修费用约 19万元。以上各项合计每年可节约 132万元以上，而
