（机械工程专业论文）焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用.pdf

工程硕士学位论文 摘要 本文以目前国内外石油化工行业普遍使用的离心式压缩机的轴端密封为研究 对象，对高速离心压缩机轴封的发展概况进行了回顾，总结了在各个阶段使用的 密封形式及其优缺点，结合国内外最新发展动态，论述了石化行业工艺气体高速 透平压缩机轴端密封的发展趋势，针对兰州石化延迟焦化装置离心式富气压缩机 选择轴端密封形式的问题，首先通过改变干气密封主要结构参数：槽深、螺旋角、 槽宽堰宽比、槽数的条件下，计算其各个状况对密封性能的影响，其次对结构参 数优化后的干气密封，分析计算了不同操作工况下，干气密封性能状况的变化， 然后通过试验和现场实际使用，印证了所作的计算和分析，最终总结出干气密封 主要结构参数以及操作条件对密封性能和状况的影响规律，为干气密封技术的应 用，进步进行理论研究和实践探索打下良好基础。 关键词：轴封气膜螺旋槽密封密封特眭 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 a b s t r a c t t h eo b i e c to f t h i ss t u d vi sa b o u tt h es h a rs e a l so fh i g h s p e e dt u r b i n e sw i d e l vu s e da t h o m ea n da b r o a df i r s t 】v t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fh i 2 h s p e e dt u r b i n e s s h a f ts e a l s ，s u m su pt h ea d v a n t a p 旧sa n dd i s a d v a m a g e so f e a c hs e a 】su s e di ne v e r vs t a g e a n dt h e np r e s e n t st h ed e v e i o p i n gt r e n do fs h a f ts e a j si n2 a st u r b i n e ss e c o n d ly 1t h i s p a p e ra n a l v z e st h es t m c t u r e ，p r i n c i p a la n dc h a r a c t e ro ft h eg a sh v d r o d v n a m i c n o n c o n t a 吐i n gf a c es e a l s ，s t a t e st h a tt h eu s eo ft h i sn e wt y p ei sm a t u r ea n dr e l i a b l e t h e n ，t h em a i ns e a lp e r f b r m a n c ep a r a m c t e r s ，s u c ha sb e a r i n gc a p a c i ty f r i c t i o nf o r c eo f t h ef h c e ，厅i c t i o n a lp o w e rl o s s ，a n dl e a k a 窖er a t ew e r ec a l c u l a t e d t h ei n n u e n c eo ft h e o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h es p i r a lg r o o v e sg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ns e a lp e r f o r m a n c e w a sa l s oa i l a l v z e d f i n a l l v t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tt h es t u d vo ft h el a t e s tg a s h y d r o d y n a m i cn o n c o n t a c t i n gf a c es e a l sw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ra p p l y i n gi t i ns e a l i n gt h eh a z a r d o u sa n dt o x i cf l u i d si np e t r o l c h e m i c a li n ( i u s t r v t h er e s e a r c h r e s u l t sp r o v i d e dv a l u a b l er e f e r e n c ef o rd e s i g no f t h es p i r a l 灯o o v ed r yg a ss e a l 矗m ，d 譬：s h a f ts e a i s g a s - f i l ms p i r a lg r o o v ef a c es e a ls e a lp e r f o r m a c e t t 工程硕士学位论文 插图索引 图1 1 迷宫式抽充气密封2 图1 2 浮环密封3 图1 3 蒸汽阻塞密封4 图l _ 4 胜利炼厂的蒸汽阻塞密封5 图1 5 机械一浮环组合密封6 图1 6 双端面机械密封7 图1 7 螺旋槽端面密封的结构7 图1 8 干气密封端面的螺旋槽示意图8 图1 9 双端面干气密封结构图1 2 图2 1 双环带螺旋槽密封环1 3 图2 2 干气密封动环的基本构成1 6 图2 3 干气密封系统常规的测控系统简图1 7 图3 1 干气密封受力分析1 8 图3 2 螺旋槽干气密封数学模型2 0 图3 3 计算区域2 l 图3 4 计算流程图2 3 图4 1 4 4 干气密封特性随螺旋槽槽深变化的曲线2 5 图4 5 4 8 干气密封特性随螺旋槽数变化的曲线2 7 图4 9 4 1 2 干气密封特性随螺旋槽螺旋角变化的曲线2 9 图4 1 3 4 1 6 干气密封特性随螺旋槽槽宽堰宽比变化的曲线3 l 图5 1 各转速下气膜厚度与密封气压力的关系3 6 图5 2 各转速下泄漏量与密封气压力的关系3 7 图5 3 各转速下摩擦功耗与密封气压力的关系3 7 图6 1 机组总貌图4 3 图6 2 干气密封现场控制板4 3 t t t 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 表l - 表1 表4 表4 表4 表4 表4 表5 表5 表5 表5 表6 表6 表6 表6 附表索引 离心压缩机轴端密封对比9 压缩机k 一7 2 0 1 ( 2 m c l 4 5 8 2 ) 运行参数1 0 干气密封特性随螺旋槽槽深变化的数据2 5 干气密封特性随螺旋槽数变化的数据2 7 干气密封特性随螺旋槽螺旋角变化的数据2 9 干气密封特性随螺旋槽槽宽堰宽比变化的数据3 1 优化确定的密封参数3 3 转速为1l o l or p m 时，随外压变化各性能数据3 4 转速为9 0 0 0 r p m 时，随外压变化各性能数据3 4 转速为3 0 0 0 r p m 时，随外压变化各性能数据3 5 转速为1 5 0 0 r p m 时，随外压变化各性能数据3 5 动平衡试验数据3 8 静态试验数据3 9 动态试验数据4 0 确认试验数据4 2 v 工程硕士学位论文 符号说明 r 半径方向 r 。外半径，l i l f n r i 内半径，m k 槽底半径，m r b 平衡半径， e 圆周方向 o 螺旋角，( 。) n 。槽数 b 1 螺旋槽周向宽度 b ：等直径处密封堰周向宽度 y 槽堰宽比( y = b l b 2 ) h 。槽深，um h l 气膜厚度，um p 。外压力，m p a p ；内压力，m p a p 气膜压力，m p a u 动力粘度系数，k g ( m s ) ( i ) 轴角速度，r a d s r p m 转速，r m i n r 无量纲半径，r = ，r 0 p 无量纲压力，p = p p 。 h 无量纲7 i 膜厚度，日= h h a 压缩数，a 一6 甜暗p 。h ； v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：诲吮昀日期：矿彩年多月，乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交沧文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以i 二相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名 许帆 i 望磊o ( 、 日期：弦衫年月l 日 同期：跏f 年，月，明 j 二程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的目的和意义 1 1 1 背景情况及目的 离心式压缩机是压缩和输送气体介质的设各，它通过高速旋转的叶轮把原动 机的能量传递给气体，使气体的压力和流动速度升高，并在机内的固定元件中将 速度能转换为压力能。目前国内外石化行业普遍采用离心压缩机，主要用来输送 具有易燃、易爆、有毒特性的危险性工艺气体，如瓦斯、氢气等。机组的轴端密 封，简称轴封，其主要作用是为防止或限制被输送气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到 大气中，以维护主机的正常运转，降低所输送物料的消耗，提高效率节约能源， 防止泄漏出的气体造成环境污染和保证人身及设备安全。 几十年来随着石油化工等能源工业的发展以及全球日益对环境保护的要求， 工业化生产对危险性工艺气离心压缩机的性能要求越来越高，对压缩机轴封的要 求也越来越严。国内许多企业要求机械密封的工作寿命由一年延长到两年，国外 已提出由两年延长到三年，美国石油学会a p i 一6 8 2 中明确规定压缩机按照连续运 行至少三年来设计和制造。我公司2 ( ) 0 4 年丌始建设的延迟焦化装置，其核心设 备焦化富气压缩机，根据其所输送的富气介质特点，须慎重考虑选用可靠的轴端 密封形式，来确保机组及环境的安全，达到设备长周期运行、安全、清洁生产要 求。本课题以该压缩机应用新型国产化干气密封及其参数性能优化为研究对象。 1 1 2 本课题的意义 1 ) 选择符合现场需要的密封形式，提高设备可靠性； 2 ) 通过对密封特性参数的影响分析及试验，总结结构参数和操作参数对密 封性能的影响规律。 3 )对于危险性工艺气体离心压缩机轴封系统的使用提供经验； 1 2 危险性工艺气体离心压缩机轴封的发展概况 焦化寓气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 1 2 1 迷宫式抽充气密封 在石化行业广泛采用的危险性工艺气体压缩机，所使用的第一代轴端密封是 迷宫式抽充气封，沈阳鼓风机厂在二十世纪6 0 年代到7 0 年代采用的就是这类密 封，如图1 1 所示。 幽 肌 图1 1 迷宫式抽充气密封 从该密封的密封原理上分析，属于导引式非接触密封。它的工作过程是将梳 齿密封轴封处的泄漏介质引导至压力较低或安全的场所。其优点是结构简单，密 封件无磨损，使用寿命长。最大的缺点是能耗大，抽出的危险性工艺气体如瓦斯 通过放空或燃烧方式处理，污染环境并危及安全生产。一般机组配备两组抽气器， 正常生产用一组，另一组备用。根据石油大学做的测试，当用蒸汽做动力时，消 耗蒸汽5 0 0 k g h ，排放瓦斯2 0 0 k g h ，每年按8 0 0 0 小时开工时间计算，消耗蒸汽 4 0 0 0 t y ，折价1 8 4 万元，每年放空瓦斯1 6 0 0 t ，折价2 2 2 0 8 万元，两者合汁2 4 0 4 8 万元，不仅能耗高，而且污染环境。这种密封结构国外在早期使用，自从7 0 年代 中期后，从国外进口的石化行业危险性工艺气体压缩机未再采用这类密封，沈阳 鼓风机厂自二十世纪8 0 年代引进意大利新比隆公司的浮环密封技术之后，就将此 淘汰，。 1 2 2 浮环密封 工程硕士学位论文 浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式，到目前 为止，在各种实践应用的密封型式中仍占据相当地位。 图1 2 给出了新比隆公司的浮环密封结构示意图。主要由内浮环和外浮环组 成，其密封原理如下：在内、外浮环之间引入其压力稍高于被密封气体压力( 一 般o 0 3 一o 0 5 m p a ) 的密封油。内、外浮环通过小间隙节流分别限制内泄漏和外泄 漏，内浮环压差小，通常间隙也较外浮环小些，故内泄漏远较外泄漏为小。为了 图12 浮环密封 使密封得到充分的冷却，外浮环的间隙较内浮环大些，以加大外泄的循环量。当 密封高压气体时，由于外浮环的压差过大，为了限制外泄漏量通常采用多级外浮 环。由此可见，浮环密封是一种液体( 润滑油) 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，避免固体问的直接接触，通过 封油来达到封气的目的。 由以上论述可知，浮环密封有两大主要优点：第一属于非接触式密封，寿命 长，可靠性高；第二适应于高速和各种压力等级，【：况范围广。正是这两点使浮 环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封所采用的传统型式。 然而，浮环密封也有两大缺点：第一，内泄漏仍然较大，回收处理内泄漏油 ( 污油) 的设备比较复杂庞大，包括油7i 分离器、脱气槽及控制系统，需要与压 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 缩机压力系统同等级，特别是当内泄漏过大或该系统失灵时便存在密封油污染工 艺回路的危险。第二，浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。正是 由于上述两大缺点，浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。 我公司于1 9 9 6 年开工的4 0 万吨年润滑油高压加氢装置，其核心设备离心式 循环氢压缩机( 日本荏藤公司产品) 、1 9 9 9 年开工的连续重整循环氢离心压缩机( 沈 阳鼓风机厂产品) 均采用的浮环密封，密封系统前期投入都较大，在近几年的开 工生产中分别出现由于密封系统浮环磨损、控制油路故障问题，导致机组非计划 停车和检修的增多。 1 2 3 新一代蒸汽阻塞密封 近年来在国内外出现一种新型蒸汽阻塞密封，这是用蒸汽做阻塞流体的一种 阻塞密封方法，国外蒸汽阻塞密封的出现迟于气体机械密封。其实现方法如图1 3 所示f3 】： 崭封平衡管 抽气器阻塞蒸汽抽气器 赢吲。广( 1 ，c j n u a u 蚴lt 。挺嘲羰 o 空气 图1 3 蒸汽阻塞密封 在轴封处注入蒸汽( 图1 3 中的b 室) ，经梳齿密封蒸汽分为两路，一路进入 c 室和机内瓦斯混合，用一只以气压机出口气体做动力的抽气器抽出并打回压缩机 入口，另一只抽气器用蒸汽做动力从a 腔抽出蒸汽和空气的混合物排大气，既阻 止了瓦斯的泄漏又避免丁蒸汽进入轴承箱污染润滑油。用减压阀将1 o m p a 的蒸汽 降至需要压力，再用差压控制阀将注汽压力调节到高j 二轴封压力0 0 5 m p a 左右。 4 工程硕士学位论文 经过对国外的蒸汽阻塞密封进行认真研究和分析，我国齐鲁石化胜利炼油厂 在此基础上开发了用于催化气压机的蒸汽阻塞密封2 1 ，如图1 4 所示。它取消了一 个用于循环的抽气器同时改用限流孔板控制注汽量和压力( 由于气压机运行工况 抽气器 图1 4 胜利炼厂的蒸汽阻塞密封 一般均较稳定) ，注入的蒸汽量随孔板两侧压差增大而增大，当孔板前后的压力比 超过1 9 时，通过孔板的流速达到音速，流量保持恒定，而注汽压力则自动跟随 轴封压力实现随动调节，实际工作中可将孔板前后的压力比控制在2 5 3 之间。 实践证明该厂开发的蒸汽阻塞密封具有很强的实用性，密封性能良好，工艺气泄 漏量为“零”，可靠性高，使用寿命长，结构简单( 由限流孔板一梳齿密封一抽 气器三个简单而又成熟的技术组合构成) ，维修和操作方便。 总之，蒸汽阻塞密封属于非接触式密封，密封件无磨损，结构简单，密封性 能好，使用寿命长，辅助设备少，可靠性高，缺点是适用范围窄，适用压力低， 只限于允许机内进入适量蒸汽的工艺条件下。 1 2 4 机械浮环组合密封与双端面机械密封 在中低压工艺气体透平压缩机领域，用机械一浮环组合密封或双端面机械密 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 封替代传统的浮环密封是当今国际上一个重要的技术发展趋势。在二十世纪7 0 年 代从国外引进的大型石化装置中，只有8 套美荷型大化肥在原料气压缩机和氨冷 冻机上采用了由美国k o p p e r s 公司生产的这类密封，自二十世纪8 0 年代到9 0 年 代，从国外引进的石化装置中这类密封越来越多，不仅涉及化肥，而且涉及炼油、 乙烯、化工等领域，这类密封的生产厂家主要有美国的k a y d o n 、d r e s s e r _ r a n d ， 德国的p a c i f i c 、b u rg i i i a n n 等，美国公司一般采用表面硬化钢做旋转环，而德国 公司一般采用碳化钨或碳化硅做旋转环，图1 5 给出了美国k a y d o n 公司生产的机 械一浮环组合密封，图1 6 给出了德国b u r 鲫a n n 公司生产的带停车密封的双端面 机械密封示意图。 图1 5 机械一浮环组合密封 这类密封在低中压透平压缩机领域之所以逐步替代传统的浮环密封，主要有 以下两方面原因：( 1 ) 克服了浮环密封内泄漏量过大和辅助系统复杂两大缺点：( 2 ) 在技术上已经成熟到其寿命和可靠性并不亚于浮环密封的程度。与浮环密封相比， 这类密封的内泄漏量由2 0 0 0 3 0 0 0 m 1 h 降低到1 0 0 一5 0 0 m 1 h ，这样不仅减少了密 封油污染工艺回路的危险性，而且污油回收设备的重量和占地面积均减少 r 。 其次，这类密封的油气压差由浮环密封的o 0 5 m p a 提高到o 1 5 一o 3 0 m p a ，控 制的安全可靠性提高，系统也变得简单一些。这类密封与浮环密封相比，密封本 体投资加大，系统投资减少，设备总投资相差1 i 多，但更加安全可靠，运行维护 上程硕士学位论文 费用有所降低。 图16 双端面机械密封 1 2 5 油膜螺旋槽端面密封 早在二十世纪7 0 年代末，国内就有人致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开 发。目前该技术已经完全成熟，此类密封的端面线速可达1 2 0 s ，内泄漏量接近 于零，该密封及其系统在试验室和工业现场均实现了高周速、微泄漏、微磨损、 长寿命，其性能全面超过了进口的机械密封产品，具有十分显著的经济和社会效 益，图1 7 给出了螺旋槽端面密封的结构示意图。 图17 螺旋槽端面密封的结构 我公司一套催化裂化离心气压机( 型号：2 m c i 。一4 j 6 ，沈阳鼓风机厂1 9 8 8 年 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 产品) ，原为浮环密封，因前述原因产生的故障极为频繁，成为装置生产的瓶颈， 2 0 0 0 年5 月改造为液膜螺旋槽密封结构，投用后完全满足生产。一方面控制了润 滑油消耗量降低了运行成本，另一方面极大的减少了故障次数，确保装置的平稳 运行。国内石化企业类似这样的改造也很多，如大庆石化进口烃压机4 1 、天津石化 重整氢压机1 5 】等都由浮环密封改造成油膜螺旋槽密封，均取得了成功。 1 2 6 气膜螺旋槽端面密封 美国的j o h nc r a n e 公司从二十世纪6 0 年代末就开始研究气膜螺旋槽端面密 封( 干气密封) 技术，到二十世纪8 0 年代初已完全达到实用化的程度，发明者为 服务于该公司的美籍捷克人j o e s e d y 。螺旋槽端面机械密封归类于干式气膜非接触 型机械密封f 6 】，设计技术主要是基于端面具有螺旋槽，它既能产生流体动压润滑、 冷却，又能起密封作用，在高p v 值下运行，寿命以万小时计，密封性能好，功耗 小，无油、气污染问题。图1 8 给出了这种密封旋转环端面上螺旋槽的示意图。 图1 8 干气密封端面的螺旋槽示意图 由于该公司对这类密封进行了长时间的研究开发，加之密封性能极为先进， 故技术附加值高，售价也因之很高。目前国内许多压缩机采用此类密封，除j o h n c r a n e 公司的2 8 系列千气密封外，还有个别用户采用德国b u r g a n n 公司的干气密 封。我公司2 0 0 2 年开始建设投产的3 0 0 万吨年重油催化装置气压缩机组( 美国 德莱塞兰公司产品) 采用j o h nc r a n e 公司干气密封，白2 0 0 3 年投产后一直运行 t 程硕士学位论文 正常。为了发展民族高科技和民族工业，国内研究者也在这方面进行了不懈的努 力，并取得了初步的成功。 1 3 离心压缩机轴端密封的对比【8 】( 见表1 1 ) 综上所述，可得出结论，石化行业危险眭工艺气体高速透平压缩机轴端密封 的发展趋势是：迷宫式抽充气密封一浮环密封一机械浮环组合密封或双端面机械 密封一油膜螺旋槽端面密封一气膜螺旋槽端面密封( 干气密封) 。在可以预知一段 时间动压型密封的应用领域将会更加扩大【7 l 。 表1 1 离心压缩机轴端密封对比 类别 优点 缺点 迷宫 1 、非接触式，寿命长。2 、结构简单，制 l 、泄漏量大，运行维护费用高。2 、有环境污染 造成本低，维护方便。3 、采用抽气式、充 的危险。3 、向机内充水蒸汽的方案会加剧中冷器 密封 腐蚀，抽气强度控制不好会使轴承油进水或抽走 气式，或抽充气式，可密封危险性气体。 润滑油。 1 、密封油内泄漏量大( 一般q = 2 0 0 0 3 0 0 0 m 1 h ) 。 浮环1 、非接触式，寿命长。2 、对转速和压力 2 、阻封气体消耗量大( 0 = 2 0 0 3 0 0 n m h ) 。3 、油 系统复杂、投资人，占地面积极大，辅助设备多， 密封的使用范围大( v = 1 0 0 m s ，p = 1 2 0 3 0 m p a ) 运行维护费用高。4 、密封油污染工艺回路的危险 性大。 机械 1 、内泄漏较低( q = 1 0 0 5 0 0 l h ) ，污油1 、属接触式，极限速度v = 1 0 0 m s 。2 、仍然存在 处理系统较简单。2 、汕气压差较人，控制 内泄漏和污染工艺回路的危险。3 、阻封气体消耗 密封 较容易，可取消高位油罐。量人( q = 2 0 0 3 0 0 n m h ) 。 油膜 1 、1 f 接触式，寿命k 。2 、极限速度高 螺旋v = 1 2 0 m s 。3 、承压能力高p = 2 0 m p a 。4 、内 l 、制造精度高。2 、尚朱系列化、标准化。 槽密 泄漏降低1 0 0 倍左右，q 1 m 1 h 。j 、阻封气 封体消耗量降低1 0 倍以上，一般0 l o n m h 。 气膜 螺旋 1 、非接触式，寿命长，可靠性高。2 、极 槽密 限速度高v = 1 5 0 m s 。3 、不需要油系统。4 、1 、进口价格贵。2 、国产基本应h j 在低压领域。 消耗量低。 封 1 4 延迟焦化富气压缩机简况。9 1 兰州石化公司1 2 0 万吨年延迟焦化装置于2 0 0 d 年5 月破一l ：动工，2 ( ) 0 5 年7 月建成投产。延迟焦化i ：艺基本原王甲就足以渣油为原料，经加热炉加热到高温( 5 ( ) o 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 左右) ，迅速转移到焦炭塔中进行深度热裂化反应，即把焦化反应延迟到焦炭塔 中进行，减轻炉管结焦程度，延长装置运行周期。焦化过程产生的油气从焦炭塔 顶部出来到分馏塔中进行分馏，获得焦化干气、汽油、柴油、蜡油产品；留在焦 炭塔中的焦炭经除焦系统处理，可获得焦炭产品( 也称石油焦) 。 装置设一台离心式富气压缩机k 一7 2 0 l ( 沈阳气体鼓风机厂制造，运行参数见 表l 2 ) ，由变频电机驱动( 佳木斯电机股份公司制造) ，压缩机由一缸两段八级组 成( 一，二段各四级) ，压缩机、变速箱与原动机由膜片联轴器联结，共同安装在 同一个底座上，整个机组由润滑油站供油。从分馏塔顶来的焦化富气( 4 0 ， o 1 4 m p a g ) 经入口分液罐分液后，进入富气压缩机，经一段压缩后，由级问冷却 器和级间分离器冷却分离后进入二段压缩，升压至1 4m p a g 后，再进入吸收稳定 部分。 表1 2 压缩机k 一7 2 0 1 ( 2 m c l 4 5 8 2 ) 运行参数 压缩机运行参数止常额定工况a 介质焦化富气焦化富气焦化富气 分子量 2 8 3 7 82 8 3 7 82 4 6 6 6 流量( n m 3 h ) 1 6 5 0 02 1 6 0 02 1 6 0 0 转速( r p m ) 1 0 3 1 81 1 0 1 01 1 6 1 3 入口温度( ) 1 04 04 0 入口压力( m p a g ) o 1 4 2 8 o 1 4 2 80 1 4 2 8 出口温度( )1 1 6 21 1 8 31 2 7 4 出口压力( m p a g ) 1 4 2 81 4 2 81 4 2 8 压缩机轴功率( 研) 1 9 3 02 5 3 22 5 3 0 1 5 焦化压缩机应用干气密封分析 基于以上对各种密封的分析，根据石化行业国内外使用经验，我公司延迟焦 化装置富气压缩机决定选用干气螺旋槽密封为其轴封形式，并与天津鼎名密封有 限公司合作，采用国产技术。 考虑该危险工艺气不允许泄露到大气中，但允许少量密封气泄露到介质侧的 工况，并且介质压力并不太高，选川双动环结构的双端面干气密封。结构见图1 9 。 工程硕士学位论文 图1 9 双端面干气密封结构图 1 锁紧螺母2 外腔体 3 推环4 静环5 动环 6 轴套7 副密封0 形圈8 弹簧9 防转销1 0 内腔体 1 6 本文的主要研究内容 1 ) 分析现场该机组密封采崩螺旋槽干气密封结构的可行性； 2 ) 从理论上分析主要结构参数对螺旋槽干气密封效果的影响，进行优化； 3 ) 根据优化计算结果对焦化富气压缩机轴封的应用提供理论依据和指导： 4 ) 针对试验及现场投用试车后密封的运行情况，进行评价，总结结构参数和 操作参数对密封性能的影响规律。 5 ) 本论文只研究操作参数和端面槽形几何参数对密封性能的影响，动静环配 对材料的物理特性等其他因素的影响不计。 6 ) 对于焦化富气压缩机，由于内侧和外侧密封面的压差相差小大，可以近似 认为密封总的泄漏量是单侧泄漏量的2 倍，本论文计算研究单个密封面的情况。 7 ) 从流体动力学角度来讲，在干气密封端而开任何形状的沟槽，都能产生动 压效应。理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为干气密 封动压槽而形成的气膜刚度最大，密封的稳定性最好。本论文只研究对数螺旋槽。 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 第二章干气密封的国内外发展及现状 2 1 干气密封的发展历程 干气密封是一种新型的非接触式机械密封。干气密封的概念是六十年代末期 从气体润滑轴承的基础上发展起来的1 1 0 】，其中以螺旋槽干气密封最为典型。1 9 4 7 年惠普尔解决了对数( 等角) 螺旋槽止推轴承的原理问题( 后人把它叫做惠普尔 螺旋槽) ，研制并试验了螺旋槽止推轴承。1 9 6 4 年穆德曼解决了螺旋槽轴承的理论 计算，并于1 9 6 6 年出版了螺旋槽轴承一书，为发展螺旋槽机械密封奠定了基础f “】。 1 9 6 8 年约翰克兰公司伽德纳研制并试验出圆弧面螺旋槽非接触式机械密封， 并获得美国专利3 4 9 9 6 5 3 。于1 9 6 9 年在第四届国际流体密封会议上发表用于非接 触式端面密封的流体静动压混合原理。1 9 7 4 年获热变形与力变形补偿的气体端面 密封美国专利3 8 0 4 4 2 4 。1 9 7 0 1 9 7 5 年约翰克兰公司做出平面螺旋槽非接触式气 体端面密封，并在现场应用。 1 9 7 9 年伽布利尔做出平面惠普尔螺旋槽气体密封，并发表非接触式螺旋槽端 面密封原理的文章。该文章作为重要文章于1 9 9 4 年重新又在润滑工程杂志上发表。 1 9 8 0 年塞德提出自定中心原理，发表螺旋槽气体密封稳定性用自定中心新机理和 加强流体动压效应改进可控浮动膜气体密封两篇文章，并获白定中心螺旋槽密封 美国专利4 2 1 2 4 7 5 。 1 9 7 0 1 9 8 9 年约翰克兰公司先后研制出2 8 型干运转气体密封，在现场用于第 一台涡轮膨胀机、射流压缩机、北海近海平台无油润滑管路压缩机( 螺旋槽密封 与磁力轴承结合) 、循环氢压缩机、乙烯深冷和过饱和二氧化碳高压密封等【“i 。后 来还研制了泵用2 8 0 0 和2 8 0 0 e 系列干运转气体端面密封。 国内1 9 8 8 1 9 9 0 年石油大学( 华东) 顾永泉、王建荣等首先研制和试验了 泵入式圆弧槽气体端面密封获我国国家实用型专利9 2 2 0 3 1 5 9 2 。 1 9 9 0 年日本横山英二首先研制了带中问环双向螺旋槽端面密封。并获日特开 平2 2 3 6 0 6 8 专利。1 9 9 1 年美国西乐公司巴苏等和日本伊格尔公司伊藤正伸、古贺 工程硕士学位论义 忠等首先研制了径向直线槽【i 副气体端面密封和克兰公司生产b d 型双向的单、双梯 形槽、倒t 形和倒v 形槽气体端面密封。1 9 9 2 年美国约翰克兰公司获美国双向气 体端面密封专利0 9 0 7 1 2 和德国博格曼公司诺索维奇和蔡斯等研制了d g s 型中间环 圆弧槽双向气体端面密封和径向直线槽、倒t 形、v 形槽和交叉圆弧槽等气体端面 密封。1 9 9 5 年日本伊格尔公司首先生产了n f 9 0 0 系列斜平面双向气体端面密封。 1 9 9 5 年美国杜拉密泰列克公司生产了泵用圆弧槽气体端面密封，可用做零逸出密 封。 实践汪明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于 管线、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。由于 干气密封属于非接触式密封，基本上不受p v 值的限制，因此，干气密封特别适合 作为高速、高压条件下的大型离心式压缩机轴封。干气密封的出现，是密封技术 的一次革命，解决了以往气体密封受到密封润滑油限制的问题，因为干气密封本 身所需要的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多。另外，干气密封的 出现，也改变了传统的密封观念，即：将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合， “用气封液或用气封气”的新观念替代了传统的“用液封气或用液封液”的观念， 可保证任何密封介质实现零逸出，这就使干气密封在旋转轴用轴封领域有着广阔 的发展前景。动压型密封技术是当前国内外密封技术研究应用的热点，可以胜任 普通密封难以达到的高参数工况，这一技术将极大地延长密封寿命【l 。 2 2 干气密封的应用现状 尽管在国外，干气密封已经运行多年，但在我国大量使用干气密封还是在2 0 世纪9 0 年代初期，进【_ | 的人型化肥装置中部分透平式压缩机以及大型高压离心泵， 开始采用以英国j o h nc r a n e 的2 8 型为代表的干气密封，替代了传统的迷宫式密 封和接触式机械密封。我公司1 9 9 5 年针对4 0 万吨年润滑用高压加氢循环氢压机 密封形式决策时，国外公司建议使用干。i 密封，当时调研仍认为浮环更为安全。 这是由于应片j 之初，大家对干气密封的认识不够，出现异常情况后，没能及时排 除干扰凼素，做m 准确、及时的判断和处理，因此，普遍都出现过于气密封短期 失效的殴备事故，而且，究其原因，大部分都跟阻封气源介质不清清或过滤精度 不够有着直接的关系。后来，经过事故的处理以及和兄弟厂家、制造厂商的多次 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 技术交流后，大家重新对症下药，进一步改善了密封的运行条件，使干气密封运 行情况得到改善。 2 3 干气密封的国产化研究 2 0 世纪8 0 年代初，自从干气密封技术引进国内化工行业后，一批有志之士着 手进行干气密封技术的理论研究。近几年除出进口机型、特殊工况外，国产离心 压缩机大量的使用国产干气密封，或对以前进口压缩机进行国产化改造1 1 5 jf 1 6 j ，极 大的推动了国内干气密封技术的发展，加快了我国研制和开发干气密封的进程。 1 9 8 8 1 9 9 0 年石油大学( 华东) 顾永泉、王建荣等首先研制和试验了泵入式 圆弧槽气体端面密封。1 9 9 2 1 9 9 4 年，国内一些机械密封生产厂家开始试制干气 密封产品，并通过上机试验合格后投放市场并获得成功。其中，天津鼎名密封公 司利用王玉明的专利技术研制了第一台国产干气密封，于1 9 9 6 年底在巴陵石化燕 山石化首次应用成功，替代了原来从国外进口的密封，然后通过改造传统气体密 封的应用途径，使干气密封得到了进一步的推广应用。到今天，我国已经开发出 一系列在国际、国内拥有发明专利的多项干气密封技术，具有自主知识产权的一 系列干气密封产品。 目前，干气密封技术的研究、开发主要体现在两个方面。一方面，体现在提 供流体动压的槽型参数设计上，如圆弧槽、螺旋楠、f 1 。w s e r v e 的t 形槽【1 7 1 、v 形 槽、u 形槽等1 8 】。但目前应用比较成熟的是，单向旋转采用的螺旋槽，双向旋转采 用的t 形槽。单就螺旋槽的设计而言，槽的型式、数量、氏度、宽度以及距离中 心的位置等等，都将视具体设计而定。特别值得一提的是，天津鼎铭公司开发的 图2 1 双环带螺旋槽密封环 t 程硕士学位论文 双环带螺旋槽端面密封技术( 见图2 1 ) ，在美国、中国均取得了2 0 年的发明专利， 产品经过实际的测试，其性能己超过国外同类型的干气密封产品。 另一方面，干气密封技术的研究、开发体现在以干气密封技术为依托，进一 步改进传统的浮环密封、接触式机械密封以及干气密封和传统气体密封技术的组 合应用上。如天津鼎铭公司将螺旋槽技术应用到对浮环密封的改造，即：在内浮 环孔径表面刻上一组特定螺旋槽，当轴运转时，螺旋槽对密封流体起泵汲作用， 阻止它向介质侧泄漏，从而巧妙地将螺旋密封和浮环密封的优点结合在一起，把 浮环单纯的节流作用变成了主动泵送加节流作用，使内漏大大降低。可以说，前 者是对干气密封技术内涵的深化，后者是对干气密封技术外延的进一步扩展。 近年来，由于干气密封技术发展很快，已经实现了计算机程序设计，随着材 料的冶炼水平以及加工技术水平的不断提高，产品越来越成熟，可以说，在我国 的石油、化工行业，干气密封已经不再依赖于国外进口，而且正在推广应用到泵、 反应釜等设备上，不仅用于密封气体，也用于液体介质。 2 4 干气密封的的基本构成和作用原理 2 4 1 基本构成 干气密封属端面螺旋槽气体密封，其基本结构与普通机械端面密封相同，主 要由静、动环组成密封副，只是在动环的密封端面开有螺旋线槽，而且密封端面 1 i l k 橙雁角 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 b 1b z 损。厂 一 图22 千气密封动环的基本构成 主要由螺旋槽、密封堰和密封坝三部分组成( 见图2 2 ) ，其中：螺旋槽起着泵送 作用，形成流体膜，产生流体膜承载能力( 螺旋槽产生流体膜静、动压承载能力) ； 密封堰产生流体膜静、动压承载能力，阻止流体圆周方向的泄漏；密封坝产生流 体膜静压承载能力，阻止流体半径方向的泄漏，另一方面也很重要，即停车时密 封能力的需要。由此可见，这种密封副的端面密封实质上是由轴承部分( 承载部 分) 与密封部分( 阻漏部分) 组成的流体静、动压气体端面机械密封。 这种气体端面密封的螺旋槽型线采用的是对数螺旋线，其螺旋线的矢径为 占t a n 口 r 2 r g e 式中，r g 槽底半径；o 为螺旋槽角，即螺旋槽切线与圆周切线的夹角；o 为 转角。 由于对数螺旋线的螺旋角为常数，故这种螺旋线称之为等角螺旋线。也有的 密封采用阿基米德螺旋线，但其螺旋角是变化的，螺旋线较长、压力较高，但效 率较低；而对数螺旋线较短、压力较低，但效率较高。另外，采用对数螺旋线， 螺旋角为常数，有利于求解和性能预计。 2 4 2 作用原理 干气密封的工作原理实际上是利用流体动压力与流体静压力和弹簧元件弹力 之合力的平衡，在动静环摩擦副之问形成一定厚度的气膜，从而达到密封的目的。 在静止状态，当密封腔内存在介质压力的情况下，作用在摩擦副上的闭合力是流 体静压力和弹簧力，促使动静密封面贴合；当轴开始旋转，气体介质经螺旋槽泵 汲作用，进入收敛形螺旋槽，气体介质被引向中心，在被压缩的同时因密封坝的 阻碍，气体压力逐渐增大而推开挠性定位的静环，此时，形成的流体动压力即为 摩擦副的开启力。 上程硕士学位论文 2 5 干气密封的测控系统 干气密封的控制系统由监控密封气体供应的流量控制功能和泄漏气体功能的 两部分组成。其中，密封气体供应管路，其流量由流量计检测，自动差压式调节 阀控制；气体泄漏管路，其流量由流量计进行监测，并有压力开关进行控制。整 个控制系统应能反映出稳定运行的流量监控和变工况运行的压力监控。图2 3 为 常规干气密封系统的测控系统简图。 图2 3 干气密封系统常规的测控系统简图 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 第三章干气密封的受力分析及计算数学模型 3 1 干气密封的受力分析 当压缩机轴开始旋转，气体介质经螺旋槽泵汲作用，进入收敛形螺旋槽，气 体介质被引向中心，在被压缩的同时因密封坝的阻碍，气体压力逐渐增大而推开 挠性定位的静环，此时，形成的流体动压力即为摩擦副的开启力，其受力分析见 图3 1 。 甩吉力f pp 气瞠目覃 开启力f 1 p 营置力t 释压力气瞳墨力甘靠 正霹r 是 fc f 口 目覃甚1 、 fc f 口 闻搴均太 fc ，f0 图3 1 干气密封受力分析 从图3 1 可以看出，气膜刚度是如何形成以及如何保持密封运转的稳定性的。 当受到外来因素干扰，气膜厚度减小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流 体动压效应增强，促使气膜压力增人，开启力随之增大，为保持力的平衡，密封 恢复到原来的间隙；反之，密封受到外来因素干扰，气膜厚度增大，螺旋槽产生 【 莎掣匿掣廖圉。囡豳一豳 目脚目擀围 j = 程硕士学位论文 的流体动压效应削弱，气膜压力减小，开启力变小，密封恢复到原来的间隙。因 此，只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙， 亦即干气密封运行稳定可靠。气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之 比，因此，衡量干气密封稳定性的指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度 越大，表明密封的抗波动能力越强，密封运行越稳定。就干气密封而言，正常 工况下，气膜是一个动态稳定的薄流体层，约为3 1 0 微米厚1 9 1 。 3 1 1 闭合力分析 f c = f c p o + f c p i + f s p = p on ( r 0 2r b 2 ) 十p i ( r b 2 一r i 2 ) + f s p 上式中：f c p o ：由外径r o 处介质压力p o 产生的闭合力； f c p i ：由内径r i 处介质压力p i 产生的闭合力： f s p ： 由弹簧产生的闭合力： “： 密封的平衡半径； 可见，弹簧作用力因弹簧特性、数量和压缩量相对固定，随着介质压力的增 大，闭合力f c 增大。 3 1 2 开启力分析 开启力由螺旋槽部分流体膜的丌启力和密封坝部分流体膜的开启力组成，该 开启力可以通过计算流体膜压力分布在整个密封面上的积分而获得口0 1 ，即： r r 0 f 0 2 jr i p ( r ) 2 “r - d r 当r i r r g ( 密封坝部分) 时，p ( r ) 可以按下式积分求得： 咖6 掣 ，6 g ( 1 + ，) 9 7 万一一丁刚一面石丽 当r g r r o( 螺旋槽部分) 时，p ( r )可以按下式积分求得： 勿一 6 g ，。 出d h 3 3 1 3 力的平衡 当气膜产生的开启力等于介质及弹簧产生的闭合力，密封开启，形成一定的 焦化富气压缩机螺旋槽干气密封参数研究及应用 工作间隙，密封开始正常运转。 3 2 千气密封的性能计算2 1 】 3 2 1 假设 根据研究内容对密封端面问的气体流动和密封结构进行如下假设： ( 1 ) 连续、完全的气体流动； ( 2 ) 等温等粘条件，密封非接触，热量产生非常少，温度变化忽略，而且气 体粘度相对于温度和压力的变化不敏感； (