离心压缩机干气密封的应用

离心压缩机干气密封的应用

1干气密封介绍1.1动环密度和槽型干气压由旋转环（动环）、静环、弹簧、弹簧座、线圈、轴和轴罩组成。如图1所示。动环和静环配合表面具有很高的平面度和光洁度，并在动环密封面上刻有微米量级的螺旋槽，密封面分为槽区和坝区两部分。螺旋槽型分为单向槽和双向槽，见图2。单向槽流体动压效应强，气膜厚度较大，散热效果好，气膜刚度大、抗干扰能力强、但不能反转；双向槽流体动压效应较弱，气膜厚度较小，散热效果相对较差，气膜刚度较小，抗干扰能力较差，但可以双向旋转。1.2气膜厚度设计范围干气密封动环旋转时，密封气体被切入槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动，见图3。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3～5μm。当气体静压力和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，具有良好的气膜刚度，保证密封运转稳定可靠，实现非接触密封。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），密封工作在设计工作间隙。当受到外部干扰，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，密封面合拢恢复到正常值。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。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，气膜刚度越大，干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定可靠。1.3化钒耐腐蚀性好动环通常采用碳化钨（钴基和镍基）、碳化硅和氮化硅材料。碳化钨韧性好、强度高，钴基碳化钨不耐腐蚀，镍基碳化钨耐腐蚀性较好；碳化硅易碎，怕磕碰，耐腐蚀性好。静环通常采用浸金属石墨、浸树脂石墨和碳化硅表面涂覆DLC(类金刚石镀膜)材料。1.4空气/氮气密封根据被密封介质、介质压力以及工作转数的不同，干气密封布置方式分为单端面干气密封、双端面干气密封、串联式干气密封以及带中间迷宫的串联式干气密封。1）单端面干气密封主要用于中低压条件下，允许少量工艺气泄漏到环境中的场合。优点是密封及控制系统结构简单；缺点是少量工艺气直接漏入大气，可靠性不够高，仅适用于空气、氮气、二氧化碳等对环境无污染介质，其结构见图4。2）双端面干气密封适用于有毒、可燃或含有颗粒的气体，密封气为外部引入的非工艺气（一般为氮气），密封气压力应高于工艺气压力0.2～0.3MPa。优点是该结构可做到工艺气的零泄漏，且不需要火炬条件；缺点是使用压力不高，有少量氮气内漏进入工艺气中，结构见图5。3）串联式干气密封适用于允许少量工艺气泄漏到大气的工况，一级密封承担全部或大部分载荷，二级密封作为保护密封在低压下运行，一级密封失效后，二级密封可起到主密封的辅助安全作用。优点是安全性、可靠性较高，工艺气泄漏至大气中的量极少，同时也可保证引入的外部气源（一般为氮气）不会内漏入工艺气中；缺点是会有少量工艺气泄漏至大气中，且需要火炬条件，其结构见图6。4）带中间迷宫的串联式干气密封适用于不允许工艺气泄漏到大气的工况，优点是安全性可靠性最高，可使工艺气完全不泄漏至大气中，同时也可保证引入的外部气源（通常为氮气）不会内漏进入工艺介质中；缺点是结构较复杂，成本较高，且需要火炬条件，其结构见图7。2串联式干气密封炼化装置离心压缩机工作介质为易燃、易爆、有毒、有害气体，通常采用带中间迷宫的串联式干气密封。密封系统流程分为一级密封气流程、二级密封气和后置隔离气流程、放火炬流程三部分，见图8。2.1进入一级密封腔体高、低压端正常运行时，采用压缩机出口气作为一级密封气的气源，该气源通过气液分离器（或聚结器除液）、过滤器（粗、精过滤）、调节阀（减压）、流量计（高、低压端）后进入一级密封腔体（高、低压端）。开、停车时，采用氮气作为一级密封气的临时气源，通过增压泵升压后进入气液分离器，之后流程同上。一级密封气的主要作用是防止机内不洁净气体污染一级密封面，同时随着压缩机的高速旋转，通过一级密封面螺旋槽泵送到一级密封放火炬腔体，并在密封面形成气膜，起到润滑、冷却作用，该气体绝大部分通过压缩机轴端迷宫进入机内，只有极少部分通过一级密封面进入一级放火炬腔体。2.2级密封气排放采用常温、低压氮气作为二级密封气和后置隔离气的气源，通过过滤器、流量计、限流孔板（减压）后分别进入二级密封腔体（高、低压端）和后置隔离密封腔。二级密封气的主要作用是阻止从一级密封面泄漏的少量介质气体进入二级密封面，并保证二级密封安全可靠运行，其大部分气体与一级密封面泄漏的少量介质气体，通过一级放火炬腔体进入放火炬管线，只有少部分气体通过二级密封面进入二级放火炬腔体后，与部分后置隔离气高点排放。后置隔离气的主要作用是保证二级密封面不受机组轴承润滑油窜入造成污染。该气体一部分与二级密封面泄漏的少部分氮气高点排放，另一部分通过后置密封迷宫经呼吸帽放空。2.3火炬喷射工艺进入二级密封腔体的大部分氮气与一级密封面泄漏的少量介质气体混合后，分别进入高、低压端放火炬系统。3干气密封损失分析干气密封运行中由于液体（润滑油和液态烃）、固体杂质进入密封面，压缩机反转、低速运行等都会造成干气密封失效。3.1干气密封的密封由于液体粘度远大于气体，密封面对液体的搅拌与切割将产生大量热量，使干气密封温度急剧升高，不能形成气膜而损坏。液体进入密封面主要有两个来源：3.1.1干气密封失效机理油运开启前未投用隔离气，隔离气波动、中断或压力低，轴承腔排空不畅（呼吸帽过滤网堵塞）等均能使润滑油（或油气）进入干气密封内，造成密封失效。3.1.2级密封气受压群密封气中的烃类物质（或水蒸气）温度低于露点温度凝结成液体进入密封，同样会造成密封失效。例如加氢装置循环氢压缩机干气密封，由于一级密封气多数来自于循环氢压缩机出口，因此，循环氢的纯度、气液分离器分离效果以及管线伴热的恒温情况都会造成干气密封带液，直接影响干气密封的使用寿命。通过调研了解到，云南石化加氢裂化、惠州石化加氢裂化、长庆石化加氢裂化、锦西石化柴油加氢精制等装置循环氢压缩机干气密封在装置开工及正常运行过程中均有不同程度的带液情况，对干气密封的长周期可靠运行造成不利影响。3.2固体杂质进入密封面密封面打开间隙很小，固体杂质进入后会在密封面上产生划痕，密封面的严密性受破坏，泄漏量增加。同时，长期使用不洁密封气，微小的颗粒会填平螺旋槽，影响气膜形成，最终使端面损坏。固体杂质进入密封面主要有三个方面原因：1）密封气和隔离气过滤精度不够或过滤器损坏，粉尘或颗粒进入密封面，导致密封失效。2）开工或检修时气体管路吹扫清理不彻底，杂质进入密封面，导致密封失效。3）一级密封气压力不足或前置迷宫梳齿磨损严重，压缩机缸体内部的工艺气体反串到密封腔中，工艺气体中夹带的固体杂质颗粒进入密封面，导致密封失效。3.3密封面干失效机理对于单向槽设计的干气密封，严禁反转，因为反转时密封面不但打不开，反而会越转越紧，密封面会由于干摩擦温度升高而损坏。密封面干摩擦主要有两个方面原因：1）压缩机停机时，由于出口蓄存过高的压力气体势能所致，出口气体通过转子反向流动致使轴反转，干气密封动静环密封面间不能形成刚性气膜，密封面干摩擦，如果持续时间较长，导致密封失效；2）压缩机开机或停机，盘车转速过低，达不到形成动压气膜的速度，会使干气密封动静环密封面间不能形成刚性气膜，密封面干摩擦，导致密封失效。3.4密封压力如果密封面上游压力低于下游，则气体不能进入动压槽内，不能形成刚性气膜，端面打不开，密封面干摩擦，导致密封失效。4确保气体密封长循环的实施4.1防止液体进入密封面1压力波动a.装置设计时隔离气使用的氮气必须是专用氮气管线，不能与其他用途氮气管线混用，避免压力波动影响干气密封正常运行；b.设置隔离气气源压力低报警提示；c.至少油运开始前10分钟投用隔离气，同样至少油泵停止后10分钟，回油管线无油流动后，且高位油箱的润滑油完全退净，压缩机回油视窗无油流时才可关闭隔离气；d.油运开始后，隔离气就不能中断。2气液分离器除液a.尽量选择不易产生凝液的干燥、洁净的压缩机出口工艺气，如加氢装置新氢压缩机出口工艺气，作为一级密封气气源；b.在过滤器前设置气液分离器（或聚结器）除液；c.流程设计上先将压缩机出口至干气密封系统盘这段气体管线中的饱和烃类（或水蒸气）进行冷却，使其达到露点析出，然后再经过设置的气液分离器（或聚结器）分离、过滤器过滤，最后将过滤器后至一级密封腔这段相对干净的气体管线设置恒温电伴热（超过露点温度20℃）和保温设施，确保提供干燥、洁净的一级密封气。4.2干气密封系统1）设置两粗过滤器（并联）和两精过滤器（并联），正常情况下一开一备，过滤精度1μm，保证过滤后的气体不会对密封面造成损伤，过滤器压差达到设定值，及时切换；2）所有进气管线采用316L及以上奥氏体不锈钢材质，首次投用前，将干气密封系统盘至压缩机的所有进气管线都拆下，进行酸洗钝化、蒸汽吹扫达到合格，防止气路中的杂质进入密封，造成失效；3）压缩机进工艺气或做气密试验之前，先投用一级密封气，使一级密封气的压力比平衡管管线、放火炬管线的压力高，以防压缩机内工艺气污染一级密封面；当压缩机停运时，应尽快将机体内的压力卸掉，同时应及时将一级密封气切换为氮气，并保证一级密封气源压力大于平衡管压力，避免对密封产生静态污染。4.3压缩机出口带压压1）设计上采用双向槽干气密封，设置单向阀，可以克服反转带来的影响。2）压缩机出口设计快开阀门，停机后，阀门迅速打开均压，防止压差过大带来的压缩机反转。3）严控停机频次和每次开机的盘车时间，减少由此造成磨损的机会。4.4