串聯式干氣密封在離心壓縮機上的應用

姚圣兵

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

中國石油廣西石化公司20萬t·a-1聚丙烯裝置中的循環氣壓縮機組采用美國GE公司生產的DH7型離心式壓縮機和RLHA24型透平機組成。該壓縮機的軸端密封采用的是約翰克蘭公司的28XP BD型串聯式干氣密封。該機組為低轉速連續運轉設備，工藝介質為易燃易爆的丙烯氣，危險性大。這就要求壓縮機軸端密封系統可靠性好，密封泄漏小，壽命長。該機組于2010年7月1號一次試車成功，運轉至今，密封性能良好，保證了設備的長周期運行。

機組參數如下：流量9100~19000m3·h-1，轉速1491r·min-1，電機功率：900kW，入口壓力 2.639~3.379MPa，出口壓力 2.669~3.489MPa，工藝介質：丙烯氣。

1 密封的結構特點

目前國內大型離心壓縮機軸端密封型式主要包括迷宮密封﹑浮環密封﹑機械密封以及目前最為先進的干氣密封。干氣密封是20世紀60年代末期以氣體潤滑軸承的概念為基礎發展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型。經過數年的研究，美國約翰克蘭公司率先推出干氣密封產品投入工業使用。它是一種新型的非接觸式軸封。其結構與普通機械密封類似。但重要區別在于，干氣密封其中的一個密封環上面加工有均勻分布的淺槽。運轉時進入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環之間形成局部的高壓區，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態下運行，實現密封。將干氣密封技術和阻塞密封原理有機結合，用“氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統的“液封氣或液封液”觀念，可保證任何密封介質實現零逸出，故更適合作為高速高壓下的大型離心壓縮機的軸封。由于它不需要密封潤滑油，省去了封油系統及用于驅動封油系統運轉的附加功率負荷。其所需要的氣體控制系統比封油系統要簡單得多。而且泄漏量小，壽命長，維護費用低，密封驅動功率消耗小。

2 干氣密封的工作原理

干氣密封是一種非接觸式端面密封[1]，密封單元由2個環組成。第1個環稱為旋轉環或動環，其密封端面上刻有許多槽，槽下的光滑區域稱為密封壩，它是真正起密封作用的部分并形成密封壓力到大氣壓力之間的壓力梯度。第2個環其端面為光滑面，稱為主環或靜環，并安裝于彈簧調節負載的腔內，如圖1所示。在轉子靜止且機內已泄壓狀態下，主環后的彈簧將使其與旋轉環（動環）貼合。當機內常壓時，氣壓產生了流體靜壓，該力使得動環與靜環分開，在兩環間產生非常薄的間隙。

圖1 干氣密封結構

一旦機組轉動，由于動環端面上槽的泵效應，氣體朝里被吸至凹槽的根部，形成密封壩。密封壩對流動產生阻力，從而增加了壓力。這樣產生的壓力對靜環產生頂升作用，使其以一個精確的量（通常為3μm）脫離與動環的接觸。當閉合力、流體靜壓力和彈簧負載力等于流體膜中產生的張開力時，在徑向面之間的間隙是固定的。如果發生了使密封間隙變窄的擾動，螺旋形凹槽產生的壓力就會明顯地增加，如圖2所示。

圖2 密封機理1

類似的，如果某個擾動引起間隙增大，則產生的壓力會有一個減小，這樣密封又很快重新獲得平衡，如圖3所示。

圖3 密封機理2

這一機理的結果使得在靜態面和旋轉面之間存在著一個高度穩定但是很薄的流體界面。這樣就使得這兩個面在正常的動態操作條件下保持分開且不會相互接觸。從另一方面來說，這將使密封件在界面上沒有磨損，使其獲得較長的壽命，且性能相當可靠。串聯式干氣密封則由上述兩對密封環或二級組成。它既可以作為整體也可以作為兩部分使用。分級使用時，第一級密封起主導作用，承擔密封全部過程壓力，而第二級密封作為第一級密封的備用安全措施。作為整體密封時，允許第一級密封的泄漏引入到第二級，作為二級密封的工作氣源。

3 該串聯式干氣密封的流程

干氣密封系統主要由一級密封、二級密封、隔離氣系統、軸承氮封，以及密封氣泄漏監測系統組成。

（1）一級密封氣系統。生產中采用丙烯氣作為密封氣，從精制系統過來的丙烯經過丙烯蒸發器后形成丙烯氣，丙烯氣的壓力要比工藝氣高0.2~0.3MPa，丙烯氣經過過濾器過濾，目的是防止密封氣中的粉塵油霧等對密封有傷害的雜質進入密封端面，通過壓差表監測過濾器的運行狀況，當壓差出現高報時及時切換。過濾后的丙烯氣經過流量調節閥進入一級密封，管線必須帶有電伴熱，溫度保持在120℃左右，目的是防止丙烯氣冷凝產生的凝液進入密封室損壞密封環。高壓氮作為丙烯氣的備用氣源，在機組開車前和特殊情況下切換作為密封氣。

（2）二級密封氣和隔離氣系統。二級緩沖氣采用0.7MPa氮氣作為密封氣源。二級密封的目的是防止工藝氣進一步泄漏。公用工程過來的過濾氮經過減壓閥保證注入氮氣壓力在0.5MPa，經過進一步過濾后通過流量調節閥控制二級密封的流量。

隔離氣也是采用0.7MPa氮氣作為氣源，通過減壓閥減壓到0.5MPa后進入隔離腔。其目的是避免壓縮機軸承的潤滑油竄入干氣密封，損壞密封環。注入壓力由自立式調節閥控制，注入到壓縮機密封腔兩側，通過一個壓差計監測隔離腔的壓力，這是潤滑油泵的啟動條件，潤滑油泵在啟動之前壓差必須保證在低報之上才允許啟動潤滑油泵，否則潤滑油泵無法啟動。

軸承氮封的作用是防止外界空氣進入軸承箱，污染潤滑油，通入的氮氣通過軸承箱頂部的呼吸閥排向大氣。

（3）密封氣泄漏監測系統。主密封氣除部分進入機體外，一小部分仍將經過一級密封環泄漏出，和二級緩沖氣混合排放至火炬系統。在排放線上通過3塊在線儀表同時檢測密封氣的排放量，減少由于1塊儀表的不準確和偶然性帶來的誤差，根據3選2邏輯發出停車信號，從而產生伴隨壓縮機停車動作。二級密封泄漏和隔離氮氣一起排向火炬，同樣在排放線上安裝有流量計，檢測二級密封的泄漏量。

4 該套密封系統的優點

該套串聯式干氣密封適合于中高壓型氣體密封。動環槽采用了單向旋轉的對數螺旋形槽。單向螺旋槽具有動壓效應強，氣膜剛度大，抗外界抗擾能力強等特點。為了更好地滿足較高壓力的工況條件，在易損件上采用了更高級的材料，如O形圈采用了聚合物密封材料（四氟和金屬彈簧），可以更有效地避免在減壓時出現的爆裂現象。

工藝流程上，主密封氣采用與工藝氣相同的丙烯氣，在全程進行電伴熱保溫，在進入密封室前經過過濾保證了密封氣的清潔，電伴熱保證了密封氣溫度的恒定，防止隨壓力下降造成的液體冷凝，更好地降低了因降壓降溫導致凝液生成的可能性。在隔離氣系統中，隔離氣有效地防止了潤滑油進入干氣密封系統，避免了因潤滑油進入密封端面而使密封損壞的現象。

儀表控制上，對密封泄漏量進行3取2設置，避免因儀表故障導致壓縮機聯鎖動作，有效地避免了單一儀表故障引起的不必要麻煩，從而有效避免了因循環氣壓縮機停機造成裝置停工的嚴重局面。

5 注意事項

（1）投用前必須徹底吹掃，保證密封氣管線清潔無雜質。在設備安裝完成后，斷開密封氣與壓縮機連接的管線，在壓縮機一端用白布包好，防止外界雜質進入，密封氣一端對大氣，在密封氣主管線上通入0.7MPa的氮氣，持續吹掃管線，吹掃一定時間后，用白布在排放口檢測，看白布上是否有異物，如發現有黑點繼續吹掃，直到白布上無任何污跡為止。進入密封腔的每條管線都必須保證吹掃干凈，否則將嚴重影響密封系統的性能和壽命。

（2）在投用密封氣系統之前，所用的儀表調試都已完成，邏輯調試完成，具備投用條件。投用密封系統遵循由內而外的原則，將污染物往外吹，投用前反應器不能用壓力。首先投用一級密封，在投用一級密封前，確認高壓氮系統已經運轉正常，按照流程逐漸引入壓縮機，一級密封流量正常后，投用二級密封氣，二級密封流量穩定后，投用隔離氮氣，確認隔離腔壓力在低報之上，壓力正常，投用完成后密切監視密封的排放量，投用軸承氮封系統。

（3）在密封氣系統穩定10min以上后，啟動潤滑油系統，待壓力流量穩定后，反應器開始升壓。壓縮機運轉中，如果一級密封排放量大，那證明一級密封泄漏，如果二級密封排放量大，有2種可能，一是二級密封泄漏，二是隔離氮氣流量太大，可以通過稍微調小隔離氮氣的量來確認是否是二級密封泄漏，如果調小隔離氮氣的量，排放量明顯減少，那就是隔離氮氣流量設定不合適，需要重新設定。平時的巡檢中要重點檢查伴熱系統是否正常，是否有泄漏，密切關注密封排放量。

（4）密封系統在安裝時,必須保證管線清潔。機組進行油循環前,必須先投隔離氣；開機前必須投用干氣密封,停機時先停潤滑油,后停干氣密封,防止潤滑油進入干氣密封系統。

6 結語

該套密封的成功應用,證明了干氣密封技術是目前最先進的密封技術,具有密封系統操作簡單、運行和維護費用較低、可靠性高、密封消耗低的特點，避免了密封油系統所特有的缺點，保證了壓縮機組安全、穩定、長周期的運行。

[1] 顧永泉.流體動密封[M].北京：中國石化出版社，1992.

[2] 顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業出版社，2004.