BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)高壓干氣密封改造

柴連滿(mǎn)

（中石油錦西石化分公司機(jī)械動(dòng)力處，遼寧 葫蘆島 125001）

BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)是中石油錦西石化分公司加氫改質(zhì)裝置的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，機(jī)組原軸封為兩級(jí)浮環(huán)的組合式密封。BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

最大連續(xù)轉(zhuǎn)速12075r/min、工作轉(zhuǎn)速10321r/min、啟機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min、密封軸徑105mm、旋向CW(從驅(qū)動(dòng)機(jī)側(cè)看)。

一、機(jī)械浮環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)分析

BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)原軸封采用的是兩級(jí)浮環(huán)密封的組合密封。它靠介質(zhì)側(cè)為內(nèi)浮環(huán)，大氣側(cè)為外浮環(huán)。在內(nèi)外浮環(huán)之間引入高于工藝氣一定壓力(約50kPa)的封油，通過(guò)旋轉(zhuǎn)時(shí)浮環(huán)與軸之間產(chǎn)生的微小間隙變化形成的壓力油膜產(chǎn)生節(jié)流降壓作用，達(dá)到密封目的。

浮環(huán)密封屬于液體節(jié)流式非接觸密封，雖可用于高速高壓條件，但它的封液系統(tǒng)較復(fù)雜，輔助設(shè)備以及電、儀等自控元件多，造成可靠性下降，維護(hù)、維修工作量大，而且停車(chē)時(shí)密封作用較差,內(nèi)漏量較大。同時(shí)，浮環(huán)對(duì)軸表面有磨損，維修不便。

浮環(huán)密封泄漏的少量密封油與工藝氣混合后被送入到酸性油收集器，氣體從油中分離出來(lái)，回到壓縮機(jī)入口，油被排放到脫氣槽處理后返回到油箱。在允許最大泄漏量范圍內(nèi)，密封油均可通過(guò)處理后返回油箱，超過(guò)該范圍的密封油將往壓縮機(jī)缸體里泄漏，對(duì)工藝影響較大。

二、干氣密封原理

干氣密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是利用流體動(dòng)壓槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力與流體靜壓力和彈簧元件彈力之合力的平衡，在動(dòng)靜環(huán)摩擦副之間形成一定厚度的氣膜，達(dá)到密封的目的。

氣膜剛度是衡量干氣密封穩(wěn)定性的技術(shù)指標(biāo)。氣膜剛度是指氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗波動(dòng)、抗外界干擾能力越大，密封運(yùn)行越穩(wěn)定。氣體密度越大、溫度越高、軸轉(zhuǎn)速越高、氣膜剛度越大。

干氣密封設(shè)計(jì)就是以獲得最大的氣膜剛度為目的(圖1）。

圖1 壓縮機(jī)干氣密封受力分析圖

影響干氣密封性能的主要因素如下。

(1)動(dòng)壓槽形狀及深度：理論研究表明，對(duì)數(shù)螺旋槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)，氣膜剛度最大，穩(wěn)定性最好。因此，絕大多數(shù)干氣密封都以深度為3～10μm的對(duì)數(shù)螺旋槽作為密封動(dòng)壓槽。

(2)動(dòng)壓槽數(shù)量、寬度及長(zhǎng)度：干氣密封動(dòng)壓槽數(shù)量越多，動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)。但當(dāng)動(dòng)壓槽達(dá)到一定數(shù)量后再增加槽數(shù)時(shí)，對(duì)干氣密封性能影響已經(jīng)很小。此外，動(dòng)壓槽的寬度、長(zhǎng)度對(duì)密封性能都有一定的影響。

(3)操作參數(shù)對(duì)密封泄漏量的影響：軸徑越大、轉(zhuǎn)速和壓力越高，干氣密封的泄漏量越大。此外，介質(zhì)溫度對(duì)密封泄漏量的影響是通過(guò)溫度對(duì)介質(zhì)黏度影響而形成的，其對(duì)密封泄漏量的影響不大。

三、循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封改造方案

1.干氣密封結(jié)構(gòu)

符合API617標(biāo)準(zhǔn)的離心式壓縮機(jī)干氣密封常用結(jié)構(gòu)有單端面密封、雙端面密封、串聯(lián)式密封以及帶有迷宮的串聯(lián)式密封。分析以上幾種干氣密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)具體工作條件及機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把其軸封型式設(shè)計(jì)成串聯(lián)式封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 改造后干氣密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該串聯(lián)式干氣密封由兩級(jí)干氣密封一前一后串聯(lián)組成，前后干氣密封之間設(shè)有中間梳齒。干氣密封正常工作時(shí)密封氣為壓縮機(jī)出口的工藝氣，氮?dú)庾鳛殚_(kāi)車(chē)氣體。前密封承受工藝的絕大部分壓力，密封介質(zhì)為工藝氣；后密封承受很小的壓力，密封介質(zhì)為氮?dú)狻Ｇ懊芊馐r(shí)后密封可以承受全部系統(tǒng)壓力，起到備用密封的作用。串聯(lián)式干氣密封的前密封工作氣體為經(jīng)過(guò)過(guò)濾的工藝氣，經(jīng)過(guò)一級(jí)干氣密封，只有很微量的氫氣隨同絕大部分的二級(jí)密封氣(氮?dú)?經(jīng)一級(jí)泄漏出口排向火炬。中間二級(jí)密封氣采用氮?dú)狻Ｔ诖髿鈧?cè)有隔離氣保護(hù)，防止軸承潤(rùn)滑油竄入，影響干氣密封性能，隔離氣采用氮?dú)狻?/p>

一般情況下，密封氣都采用從壓縮機(jī)出口引出的介質(zhì)氣體，可以保證密封的壓力始終高于密封腔壓力，密封氣任何時(shí)候都能注入密封端面，避免密封面之間出現(xiàn)干摩擦現(xiàn)象。從壓縮機(jī)出口引出的介質(zhì)氣體作氣源，壓力、流量都比較穩(wěn)定，受外界因數(shù)影響很小，不會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到要求的情況。但是BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封改造時(shí)，由于從壓縮機(jī)出口引出的循環(huán)氫氣中含水蒸氣、油霧等，會(huì)加快密封失效，因此必須進(jìn)行清除。

2.端面材料選擇

干氣密封啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中，或者在運(yùn)行過(guò)程中受到某些干擾時(shí)，會(huì)發(fā)生端面短暫的接觸，因此要求密封端面材料在短暫接觸時(shí)不會(huì)損壞。由于密封元件要與介質(zhì)接觸，因此要求選擇的材料具有耐介質(zhì)的腐蝕、耐熱與抗熱裂性能好、導(dǎo)熱性系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、能承受短時(shí)間干摩擦的良好的綜合性能。旋轉(zhuǎn)件材料如動(dòng)環(huán)材料還要求能承受高速離心力的作用。

高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)離心應(yīng)力很大，材料密度大制成的動(dòng)環(huán)離心應(yīng)力相對(duì)大，而小密度材料制成的動(dòng)環(huán)離心應(yīng)力相對(duì)較小。碳化硅密度小（約為硬質(zhì)合金1/4）離心應(yīng)力小，還具有優(yōu)良的耐熱沖擊性能、高導(dǎo)熱系數(shù)、在工藝介質(zhì)中耐腐蝕、與其他材料配對(duì)具有極小的摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，所以選用無(wú)壓燒結(jié)碳化硅作動(dòng)環(huán)。靜環(huán)選用進(jìn)口重載碳石墨，這種材料在介質(zhì)中耐腐蝕、具有較高的抗壓強(qiáng)度、孔隙率小、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、與碳化硅組對(duì)摩擦系數(shù)小，具有良好的摩擦相容性。

3.干氣密封控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是干氣密封的重要組成部分，其主要作用是為干氣密封提供干凈的氣體(過(guò)濾精度1μm)和監(jiān)視干氣密封的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確保干氣密封長(zhǎng)周期運(yùn)行。循環(huán)氫壓縮機(jī)采用獨(dú)立的干氣密封控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由以下五個(gè)部分組成(見(jiàn)圖3)。

過(guò)濾及調(diào)節(jié)單元。由于干氣密封工作時(shí)形成的氣膜厚度在3μm左右，氣體中如果含有顆粒雜質(zhì)會(huì)損壞密封面，對(duì)干氣密封的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的影響。因此，供給干氣密封的氣體需要非常干凈，通常用高精度過(guò)濾器來(lái)達(dá)到這一目的。精過(guò)濾器帶有壓差高值報(bào)警指示。干氣密封密封氣的控制采用壓差控制，密封氣控制的目的是防止工藝介質(zhì)中的顆粒介質(zhì)竄入干氣密封而造成密封失效。采用壓差控制的辦法最直接有效，自動(dòng)化程度更高，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可以始終保證密封氣與平衡管保持設(shè)定的壓差，防止缸體內(nèi)介質(zhì)反竄進(jìn)入干氣密封。

監(jiān)控單元。采用監(jiān)測(cè)孔板前后壓差來(lái)對(duì)干氣密封一次泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

二級(jí)密封氣單元。二級(jí)密封氣(氮?dú)?從兩級(jí)干氣密封之間注入，保證串聯(lián)式干氣密封泄漏出的介質(zhì)氣全部通過(guò)一次泄漏排放到火炬，后密封泄漏出的氣體僅僅是氮?dú)猓瑒t可直接排空。二級(jí)密封氣為氮?dú)猓溆昧靠刂圃诿刻酌芊?m3/h左右。

圖3 干氣密封系統(tǒng)（P&ID）

隔離氣單元。隔離氣的作用是防止?jié)櫥透Z入密封腔對(duì)后密封造成影響，對(duì)干氣密封起保護(hù)作用。該控制系統(tǒng)每套干氣密封隔離氣(氮?dú)?的用量控制在10m3/h。

除濕單元。一級(jí)密封氣是工藝氣，氣體中含有水蒸氣、油霧等有害物質(zhì)，盡管在上述的控制系統(tǒng)中有1～3μm的精過(guò)濾器，但任何專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的凝聚式過(guò)濾器也不能除去超過(guò)0.1%的水蒸氣和其他凝聚物。這些物質(zhì)是干氣密封長(zhǎng)期運(yùn)行的極大隱患，必須利用除濕系統(tǒng)除去。為了給干氣密封提供干凈、干燥的密封氣，壓縮機(jī)出口工藝氣進(jìn)入系統(tǒng)后首先經(jīng)過(guò)氣液分離器。氣液分離器能將氣體中的液體(如凝縮油、水等)和固體顆粒除去。

四、計(jì)算結(jié)果(引用成都一通密封有限公司計(jì)算程序包)

干氣密封動(dòng)壓槽采用對(duì)數(shù)螺旋槽。

螺旋槽數(shù)：12 螺旋角：16°

端面比壓 Pb=14.57207bar

干氣密封平衡系數(shù) BALANCE=6.500000×10-1

內(nèi)徑（半徑）Ri=0.05950m

外徑（半徑）Ro=0.07750m

密封內(nèi)徑處壓力Pi=1.00000bar

密封外徑處壓力Po=99.50bar

轉(zhuǎn)速=10321.00000r/min

氣膜厚度H0=0.470000×10-5m

密封端面上平均氣膜反力Pm=79.659520bar

密封端面氣膜承載力W=62958.34000N

泄漏量Q=0.364810×10-4L/h

干氣密封彈簧力Fspring=133.333600N

扭矩M=0.6106154N·m

消耗功率=65.99607000W

摩擦系數(shù)FRICTION=0.387675×10-4

五、模擬試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)組件的動(dòng)平衡試驗(yàn)；對(duì)SiC環(huán)作了超速試驗(yàn)；密封組件在模擬條件下進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

干氣密封模擬靜態(tài)試驗(yàn)泄漏量(15.7MPa)：一級(jí)≤6.0m3/h，二級(jí)≤0.15m3/h。

模擬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在正常工作狀況(9.95MPa、轉(zhuǎn)速12075r/min、室溫)，一級(jí)密封泄漏量為：一級(jí)≤10.0m3/h，二級(jí)≤0.2m3/h。一級(jí)密封泄漏量與理論計(jì)算基本吻合。

試驗(yàn)完畢，對(duì)干氣密封解體檢查，摩擦副完好、端面無(wú)任何接觸痕跡。試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

2011年7月，利用加氫改質(zhì)裝置停工檢修的機(jī)會(huì)，干氣密封安裝在循環(huán)氫壓縮機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用考核，7月20日開(kāi)機(jī)至今，干氣密封一直運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、干氣密封系統(tǒng)完全可靠，運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。壓縮機(jī)密封成功改造成干氣密封為壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行消除了隱患。

六、效益分析

BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封改造成功后，將實(shí)現(xiàn)如下效益。

1.直接效益

(1)密封油泵停用，年節(jié)電37kW×24×365×0.5=16.2萬(wàn)元。

(2)密封油濾油機(jī)給其他裝置使用，節(jié)省費(fèi)用15萬(wàn)元。

(3)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、故障少，每年減少維修0.5次，合計(jì)20萬(wàn)元。

(4)每年節(jié)省密封油8t，合計(jì)5.6萬(wàn)元。

每年直接效益合計(jì)56.8萬(wàn)元。

2.間接效益

(1)故障率低，杜絕裝置非計(jì)劃停車(chē)。

(2)干氣密封壽命長(zhǎng)，確保裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

七、結(jié)束語(yǔ)

中石油錦西石化分公司BCL405/A循環(huán)氫壓縮機(jī)高壓干氣密封的成功改造，建立了適合循環(huán)氫壓縮機(jī)軸封的干氣密封及其控制系統(tǒng)，為干氣密封在高壓循環(huán)氫壓縮機(jī)上的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)高壓干氣密封的空白。

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