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浮环密封和双端面干气密封在富气压缩机上的应用【关键词】压缩机【论文摘要】浮环密封和双端面干气密封在富气压缩机上的应用 1 前言 目前，石化行业普遍应用透平压缩机来输送各种气体，为了防止或限制这些气体沿压缩机轴端部泄露，必须采用轴端密封装置，以便维持主机的正常运转，降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证人身及设备安全。对于输送危险性工艺气体的压缩机则必须采用密封性能良好的密封形式。浮环密封是离心式富气压缩机轴端密封的常见型式，沈阳鼓风机厂生产的2MCL系列压缩机采用的就是浮环密封，该系列压缩机是沈阳鼓风机厂引进意大利新比隆公司专利技术制造的。沧州炼油厂现有2MCL系列富气压缩机三台，分别用于渣油催化裂化装置和延迟焦化装置。 机组曾经多次因为浮环密封失效而停机检修，造成很大的经济损失。因此，弄清浮环密封失效的各种原因以及新的密封型式的设计选用是设计人员的重要责任。下表为我厂2MCL456机组浮环密封运行故障及解决方法。日期 检修 原因 89年10月11日 更换两套浮环密封 浮环与轴间隙大，密封油泄露量大 95年7月18日 更换两套浮环密封 密封油泄露量大，内浮环抱轴 96年12月3日 更换两套浮环密封 浮环与轴间隙大，密封油泄露量大 98年9月15日 更换两套浮环密封 浮环与轴间隙大，密封油泄露量大 2000年6月9日 更换两套浮环密封 浮环与轴间隙大，密封油泄露量大 随着干气密封技术的日趋成熟，目前国内石化行业中透平压缩机采用的浮环密封已被先进的干气密封所取代，干气密封中双端面干气密封型式能适应各种操作工况，与浮环密封相比更加方便和安全。双端面干气密封的控制系统比浮环密封简单，系统操作方便且安全可靠。尽管双端面干气密封本身比浮环密封的成本高，但从总的经济技术特性分析，其优越性是明显的。目前国内大部分炼油厂富气压缩机都采用双端面干气密封。在我厂延迟焦化富气压缩机的设计改造中，决定将浮环密封改造为TM02B型双端面干气密封。下面就两种密封型式及应用特点做一分析对比。 2 浮环密封 2.1 浮环密封的结构和原理 密封油从内外环之间注入，注入的密封油压力比气体介质高0.04MPa0.06MPa。当轴旋转时，由于浮环只能浮动不能转动，根据滑动轴承工作原理，在偏心圆柱间将形成油膜，产生流体压力将浮环托起，因此说浮环密封是一种液体节流式非接触密封，密封油通过浮环与轴之间很小的间隙，沿轴向左右流动，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，故内泄漏远较外泄露为小 ，一般为20003000mL/h。流经气体介质侧形成油气混合物，将其引入油气分离器分离，再经脱气槽脱出腐蚀性气体，剩下的密封油流回油箱。流经大气侧的密封油没有与工艺介质接触，因此是干净的，可以通过回油管直接返回油箱，浮环密封产生的热量也主要靠这部分回油带走。浮环密封的内外环之间装有弹簧，它使浮环端面与浮环座压盖端面接触紧，防止机组在启动或停车过程中，密封油从浮环端面泄露。 2.2 浮环密封失效型式 a) 密封油窜入轴承箱污染润滑油 b) 浮环与轴摩擦，巴氏合金融化抱轴 c) 密封油泄漏量大，油气分离器分离效果差，污染密封油 d) 密封油从浮环端面泄露走短路 e) 浮环与轴偏磨，间隙变大 2.3 浮环密封失效原因 a) 密封油与密封气压差失控 我厂延迟焦化富气压缩机对原浮环密封有所改进，密封油控制系统原理如图2。在二段入口气封到一段入口处之间增设了一平衡管，并将二段入口处设置一兼做二段入口和平衡管气封的特殊结构的气封，使压缩机两端介质压力基本相同，密封气从两端梳齿气封上部注入，经过梳齿后的密封气压力称为参考气压力。控制原则是：平衡管压力作为密封气压力的控制依据；参考气压力作为密封油压力的控制依据。平衡管压力取决于一二段入口压力；参考气压力取决于密封气压力。 密封油与密封气的压差控制是通过控制高位油罐液位间接地控制高位油 罐的微压差，压差的大小取决于转子中心线到高位油罐的高度。油气压差控制值为(0.050.002)MPa，密封油压力控制值为0.2MPa0.25MPa，密封油压力比密封气压力高0.05MPa。油气压差太小，密封气则会冲破油膜进入浮环座和轴承箱，造成密封油和润滑油污染，使之酸值增高，粘度下降，腐蚀性增加。结果导致调速系统零部件腐蚀，失去灵活性，调速系统失灵。另外，浮环密封油膜被破坏后，还会造成浮环与轴摩擦，巴氏合金融化，发生抱轴事故。油气压差太大，则内、外回油量剧增。内回油剧增，则会有部分密封油窜入机内，同时还会造成油气分离器、脱气槽负荷增大，油气分离效果差，这部分密封油流回油箱又污染了整个封油系统。外回油剧增，则回油腔充满，密封油就会窜入润滑油中污染润滑油。 b) 密封气质量不合格 我厂压缩机密封气是来自吸收稳定的干气，干气中含有硫化氢等酸性气体，就会腐蚀浮环密封零部件，腐蚀脱落的金属颗粒随密封油进入浮环与轴的间隙，划伤浮环和轴。长时间的腐蚀还会使浮环失去浮动性，与轴摩擦而停机。 c) 安装检修质量不好 浮环端面、浮环座端面、压盖端面需进行研磨，否则端面接触面达100%，严密性降低；内外浮环之间的弹簧弹力需一致，高度相同；组装过程 中应保持清洁，各密封表面、轴表面不允许有浮尘、锈斑；组装时各密封面不被撞击或划伤；控制好浮环与轴的间隙，内浮环与轴的间隙为0.06mm0.09mm，外浮环与轴的间隙为0.23mm0.26mm，保证浮环座与轴的垂直度，浮环座内圆与轴的同心度。 2.4 浮环密封的优缺点 由以上论述可知，浮环密封有两大主要优点： 1） 属于非接触式密封，寿命长，可靠性较高 2） 适应于高速和各种压力等级，工况范围广 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的传统型式。然而浮环密封也有三大缺点： 1） 内泄漏较大，回收处理内泄漏油的设备复杂，包括油气分离器、脱气槽等控制系统。整个密封油系统价格约占压缩机总价的30% 左右，国内外的统计均是如此。浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。 2） 浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。根据国外统计的离心压缩机失效原因中，封油和润滑油系统的故障占55%65%。 3） 密封油系统能耗高，维护费用高，为操作带来困难。正是这三大缺点，富气压所机浮环密封已被更先进的双端面干气密封型式所取代。 3. 双端面干气密封 3.1 双端面干气密封的结构和原理 TM02A干式气体密封为天津鼎名公司生产的螺旋槽端面密封，密封结构如图3。从图3可以看出双端面干气密封与普通多弹簧平衡型机械密封类似，它也由静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、精密封、弹簧和弹簧座（腔体）等组成。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上的动环组件配合。不同的是干气密封的密封面宽，动环或静环端面上（或者同时在两个端面上）开有螺旋槽，其加工精度高、测试手段复杂。对于这次我厂焦化富气压缩机浮环密封的改造，动环采用的是单向双列螺旋槽。如图4所示。根据泵送原理，随着动环的转动，密封气被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启静环与动环组件的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3微米左右。当由气体静压力和弹簧力产生的闭合力等于气体膜压力时，便建立了稳定的平衡间隙。密封气压力始终比富气压力高0.20.3MPa，这样密封气泄漏的方向总是朝着富气和大气，从而保证富气不会向大气泄漏。干气密封要取得优化的性能需要保持间隙稳定，同时为减小泄漏又希望间隙很小，但又能使密封面不会发生接触，即使是因各种原因发生轴向位移时，也要能够保持这个间隙。干气密封是通过开启力和闭合力之间的动力平衡来实现这一功能的。在动力平衡下，作用在密封上的力如图6所示。 如果某种因素使密封间隙减小，则密封间的气膜压力就会升高，开启力F2 大于闭合力F1 ，端面间隙自动增大，直至平衡为止。相反的，如果某种因素使密封间隙增大，端面间的气膜压力下降，闭合力F1大于开启力F2，端面间隙自动减小，密封很快达到新的平衡状态。这种在静环和动环组件之间产生的稳定性相当高的气膜，使得在一般的 动力运行条件下，端面始终能保持分离、不接触、不磨损，使用寿命更长。 3.2 双端面干气密封控制系统 双端面干气密封控制系统结构如图7。 经过过滤的密封气（一般为氮气）分为三部分：一部分经节流孔板进入 缓冲气腔，这部分缓冲气经迷宫后全部进入压缩机内，其作用是阻止了机内富气向外扩散污染密封端面，影响密封正常运行；另一部分经流量计后进入主密封腔，这部分主密封气全部经端面形成气膜，对端面起润滑冷却作用，向内侧泄漏的主密封气和 缓冲气混合进入机内，向外侧泄漏的主密封气和隔离气混合放空；第三部分经孔板限流后进入隔离气腔，其中一部分隔离气经轴承箱放空，用来阻止润滑油进入干气密封，另一部分与向外侧泄漏的主密封气混合放空。双端面干气密封正常运行的主要条件是确保主密封腔与缓冲气腔压差大于0.2MPa，当压差小于0.03MPa时，应准备停车。另外，可以对重要的流量计和差压变送器信号进行组态，装入DCS仪表控制系统以提高双端面干气密封的可靠性和自动化程度。 3.3 双端面干气密封的优点 1） 端面非接触，寿命长，气膜厚度和刚度更大，可靠性更高； 2） 极限速度高，最大达150m/s180m/s，适应各种工况； 3） 密封消耗的功率与密封介质的密度和粘度有很大关系，液体和气体的密度和粘度几乎相差两个数量级，干气密封消耗的功率仅为浮环密封的5%左右，因此说双端面干气密封功耗低，节省能源； 4） 省去了庞大的密封油系统，密封系统总投资比浮环密封低，重量轻，占地面积小； 5） 消除了密封油污染润滑油的可能性； 6） 控制系统比浮环密封简单，运行和维护费用低。 3.4 双端面干气密封使用中的注意事项 a） 双端面干气密封零部件表面加工精度高，因此要求密封气必须清洁，允许杂质最大颗粒尺寸为5m，同时要防止密封面带油或其它液体，单向双列的双端面干气密封要严禁倒转，否则干气密封将失效甚至损坏。 b） 机组在开机时，尽量加大至低速暖机目标转速的启动速率，使双端面干气密封在机组启动时能够迅速脱开，减少启动时的磨损，这样将提气密封的使用寿命。 c） 密封气的流量是双端面干气密封运行好坏的晴雨表，流量稳定则说明干气密封使用情况良好。双端面干气密封使用时如出现密封气流量渐渐增大，说明干气密封的零部件出现了问题，应引起重视，尽快解决。 d） 一般来讲双端面干气密封盒需定期检修，更换O形圈。 e） 根据天津石化、大连石化、燕化等兄弟厂家的使用经验，密封气压力可以控制在较宽的范围内而不影响干气密封的性能。 4 结束语 根据以上对比分析对比，对于工艺气不允许泄漏到大气中，但允许密封气进入机内的工况时，宜采用双端面干气密封双端面。由于双端面干气密封独特的结构和先进的控制系统，达到了无泄漏，与浮环密封相比，从根本上解决原浮环密封污油量大、跑油、窜油等问题，并且密封功耗低，省去了庞大的密封油系统，运行和维护费用低。我厂焦化富气压缩机每年跑损污油和动力水电消耗以及各种维护费用，折合人民币共30多万元。因此我厂焦化富气压缩机浮环密封的改造选用双端面干气密封。这样不但减少了经济损失，也为装置的“安、稳、长、满、优”生产创造了良好的条件。现在常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机，螺杆式空气压缩机，(螺杆空气压缩机又分为双螺杆空气压缩机和单螺杆空气压缩机)，离心式压缩机以及滑片式空气压缩机，涡旋式空气压缩机。下面是各种压缩机的定义。凸轮式，膜片式和扩散泵等压缩机没有列入其中，是因为它们用途特殊而尺寸相对较小。 ; p9 * J# a d9 ? 容积式压缩机-是将一定量的连续气流限制于一个封闭的空间里，使压力升高。7 W X6 U& ) 0 R8 % . Y?9 E 往复式压缩机-是容积式压缩机，其压缩元件是一个活塞，在气缸内作往复运动。! X8 n+ O0 C 回转式压缩机-是容积式压缩机，压缩是由旋转元件的强制运动实现的。! 6 o! F) ) x! M) M7 ! i% e9 T0 q 滑片式压缩机-是回转式变容压缩机，其轴向滑片在同圆柱缸体偏心的转子上作径向滑动。截留于滑片之间的空气被压缩后排出。0 x/ Q) v/ Y( B0 2 - _$ W 液体-活塞式压缩机-是回转容积式压缩机，在其中水或其它液体当作活塞来压缩气体，然后将气体排出。1 q& G0 B( g/ c9 1 I 罗茨双转子式压缩机-属回转容积式压缩机，在其中两个罗茨转子互相啮合从而将气体截住，并将其从进气口送到排气口。没有内部压缩。4 N3 V8 F/ r+ f 螺杆压缩机-是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，从而将气体压缩并排出。 速度型压缩机-是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转化为压力。这种转化部分发生在旋转叶片上，部分发生在固定的