CO2壓縮機高壓缸軸封及軸封系統的選型與改進

賈先權中國成達工程有限公司 成都610041

CO2壓縮機是尿素裝置中的核心設備，在實際運行中，低壓缸壓力較低，都采用迷宮密封，本文不作討論，而高壓缸的軸封型式有干氣密封和迷宮密封兩種，如:在20世紀70年代，我國引進的13套大型化肥裝置中大部分CO2壓縮機高壓缸都采用迷宮密封;20世紀80年代到90年代，隨著干氣密封技術的逐漸成熟，我國引進的大型化肥裝置中部分CO2壓縮機高壓缸開始采用干氣密封，但干氣密封都普遍出現過失效故障的問題，造成了重大的經濟損失［1～3］。進入21世紀后，因高壓缸干氣密封故障率偏高，改進型迷宮密封重新作為被選擇的方案之一。如:2003年建成投產的中海油某800kt/a尿素裝置，采用三菱的CO2壓縮機，高壓缸軸端密封為迷宮密封;2006年建成投產的江蘇靈谷520kt/a尿素裝置，采用新錦化機的CO2壓縮機，高壓缸軸端密封為迷宮密封［4］;2010年建成投產的塔里木800kt/a尿素裝置，采用意大利新比隆的CO2壓縮機，業主將專利商和設計院建議的高壓缸干氣密封更換成迷宮密封等［5］。

這樣，對于CO2壓縮機高壓缸軸端密封型式，就出現了干氣密封和迷宮密封兩種方案的選擇問題，究竟選用干氣密封還是迷宮密封?本文進行比較分析，供選用時參考。

1 干氣密封和迷宮密封的比較

CO2壓縮機分低壓缸和高壓缸兩個缸，由于CO2氣體允許少量的泄漏，同時為了避免能耗過高，工藝要求CO2壓縮機的氣體泄漏量控制在出口質量流量的0.5%之內，低壓缸壓力較低，都采用迷宮密封;而高壓缸因壓力很高，為延長密封壽命，減少外泄漏量，出現了迷宮密封和干氣密封兩種軸封型式，下面僅針對高壓缸的軸封型式進行比較分析。

1.1 經濟性

以我公司承接的各800kt/a尿素裝置用CO2壓縮機高壓缸軸封型式的廠商報價為例進行比較分析，見表1，其中迷宮密封和干氣密封均采用國內成熟技術。

表1 迷宮密封和干氣密封的經濟對比表

由表1可知:從一次性投資費用看，干氣密封比迷宮密封高很多，近6倍;從檢維修費用和操作損耗費用看，干氣密封也高很多，干氣密封比迷宮密封年費用合計高了近84萬元，隨著壓縮機運行時間的延長，干氣密封比迷宮密封的運行費用會成倍的增長。總之，干氣密封不僅投資費用高，運行費用也相對較高。

如果采用進口品牌的干氣密封，干氣密封的投資和運行費用將更高。

1.2 可靠性

迷宮密封結構簡單，無任何輔助裝置，采用自身平衡軸封系統，不需緩沖氣，易損件也較少(主要是密封梳齒)，能較大程度的承受密封件和軸的相對軸向熱變形和位移，因密封失效導致機組停車的可能性小，所以迷宮密封可靠性高。

干氣密封結構較復雜，需要復雜的密封氣控制系統，密封氣增壓裝置及輔助系統較多，還需要清潔度相當高的儀表空氣或氮氣作為緩沖氣，系統復雜，易損件也較多(如:整套干氣密封、主密封氣過濾器濾芯、緩沖氣過濾器濾芯、密封用O型圈和墊片等)，因密封失效導致機組停車的可能性大，所以干氣密封比迷宮密封可靠性低。

1.3 密封性能

干氣密封系統可以達到0.096%的外泄漏量，密封性能較好。由于迷宮密封是利用節流原理實現密封和減少外泄漏量的，因其結構的特點，迷宮密封本身的泄漏不可避免，但由于迷宮密封采用自身平衡軸封系統，可以滿足小于0.5%的外泄漏量，進行優化設計后，可以達到0.16%的外泄漏量，甚至更低的外泄漏量。

可見，在進行優化設計軸封系統后，迷宮密封系統的密封性能(外泄漏量)可以接近、甚至可以達到干氣密封的密封性能。

1.4 操作和檢修

由于迷宮密封結構簡單，操作和檢修相對簡單，更換密封梳齒，檢查與軸的對中，并調整梳齒與軸之間的間隙即可，對安裝人員的技術要求相對較低。

干氣密封結構較復雜，需要復雜的密封氣控制系統、密封氣增壓裝置，輔助系統較多，操作要求高(如避免負壓操作)，檢修和安裝技術要求高(軸與干氣密封的內徑應保證足夠精度的間隙，各密封圈的安裝位置保證精確到位等)，為避免雜質進入，安裝程序多，對安裝人員的技術要求較高。

2 迷宮密封軸封系統設計選型

對于迷宮密封，由于其自身結構特點，迷宮密封本身的泄漏是不可避免的，對軸封系統設計應注意兩個問題:一是選擇軸封系統方案，二是應考慮軸封系統的內泄漏功耗損失問題。

2.1 軸封系統方案選擇

下面介紹常用的3種迷宮密封軸封系統，便于分析技術上比較可靠的軸封系統。

為便于說明，結合實際項目的情況，規定3種方案的操作條件都一樣，見表2。

表2 CO2壓縮機操作條件參數

2.1.1 A方案

A方案軸封系統是GE新比隆比較早期的方案，是70年代引進大化肥裝置時典型的軸封系統，現在仍在使用。各段的氣體入口都在缸體的兩端，高壓氣體出口位于缸體的中間;一、二段密封為A、B兩組，三段密封為A、B、D三組，而四段密封為A、B、C、D四組［6］。A方案軸封系統見圖1。

圖1 A方案—迷宮密封軸封系統

二段進口壓力約為6.5bar(A)，經過二段B組密封后壓力降低至約0.4bar(A)，將二段B組密封后引出的0.4bar(A)氣體接入一段的B組密封。此0.4bar(A)壓力的氣體再經過一、二段的A組密封后，只微帶正壓，放入大氣。

三段出口的高溫高壓(72bar(A)，140℃)氣體通過節流閥控制壓力，使其略高于三段進口壓力通入D組密封，再經過B組密封后壓力降至約7bar(A)，引入一段出口水冷器之前的氣體管，與一段出口氣體合并冷卻后進二段回收利用。經A組密封泄漏氣體與一、二段的A組合并放入大氣。

三段出口的高溫高壓氣體直接引入E組密封，經C組密封后壓力降至約26bar(A)，與二段出口氣體合并進入水冷卻器后再進入三段回收，經B組密封后壓力降至約7bar(A)，與三段B組合并進一段出口回收。A組密封泄漏氣體與其它各段的A組合并放入大氣。

2.1.2 B方案

B方案軸封系統是日立壓縮機的軸封系統方案，低壓缸的氣體入口都在缸體的兩端，氣體出口位于缸體的中間;高壓缸葉輪采用單向排列，三段入口位于缸體的一端，四段出口位于缸體的外端;一段密封為E、C兩組，二、三段密封分別為A、B、D和H、K、J三組，而四段密封為I、G、K、J四組。B方案軸封系統見圖2。

圖2 B方案—迷宮密封軸封系統

一段出口壓力約為7bar(A)，一部分經二段A組密封后進入二段入口，另一部分經過二段B組密封后約2.5bar(A)的氣體通入一段E組密封后進入一段進口，將二段C組密封后引出的氣體接入一段的C組密封后，進行高點放空。

三段出口的高溫高壓(72bar(A)，140℃)氣體通過節流閥控制壓力，一部分使其略高于三段進口壓力通入H組密封，另一部分經過K組密封后壓力降至約2bar(A)，引入一段入口氣體管，經J組與一、二段的C組密封泄漏氣體合并排入大氣。

三段出口的高溫高壓氣體經過閥門調壓后引入G組密封，一部分與四段出口氣體經I組密封后的氣體匯合后引入三段進口;另一部分經K組密封后壓力降至約2bar(A)，引入一段入口氣體管。J組密封泄漏氣體與三段J組，一、二段的C組密封泄漏氣體合并排入大氣。

2.1.3 C方案

C方案軸封系統是在三菱重工軸封系統上改進的方案，各段的氣體入口都在缸體的兩端，高壓氣體出口位于缸體的中間;一、二段密封為A、B、C三組，三段密封為A、B、C、D四組，而四段密封為A、B、C、D、E五組。C方案軸封系統見圖3。

圖3 C方案—迷宮密封軸封系統

一、二段A組密封氣來自三段B組密封后氣體與四段C組密封后氣體經閥門調壓后的匯合氣，再經過一、二段B組密封后閥門調壓后引入一段入口;一、二段C組密封后氣體匯合引入噴射器單元再(動力源采用一段出口氣體)引入一段進口，進行回收。

三段的A組密封氣采用二段出口高溫高壓閥門調壓后氣體(26bar(A)，175℃)，經三段B組密封后與四段C組密封后氣體匯合，再經閥門調壓后引入一、二段B組密封;三段C組密封后氣體與四段D組密封后氣體匯合，經閥門調壓后引入一段入口;三段D組密封后氣體與一、二段C組密封后氣體匯合引入噴射器單元后再引入一段進口，進行回收。

三段出口的高溫高壓(72bar(A)，140℃)氣體通過節流閥控制壓力，使其略高于四段進口壓力通入四段A組密封，經過四段B組密封后與三段入口壓力相通;四段C組密封后，與三段B組密封后氣體匯合，經閥門調壓后引入一、二段B組密封;四段D組密封后氣體與三段C組密封后氣體匯合，經閥門調壓后引入一段入口;四段E組密封后氣體與三段D組密封后氣體，一、二段C組密封后氣體匯合引入噴射器單元再進入一段進口，進行回收。

高壓缸各組密封腔壓力分布，見圖4。

圖4 C方案—高壓缸各組密封腔壓力分布圖

在每組密封前后都增加了壓力表或壓力變送器，必要時可以增加壓差高/低報警，監視密封壓差是否過大或密封是否損壞，可以在線監視迷宮密封運行情況，有利于延長密封的壽命。

2.1.4 三種迷宮密封軸封系統方案的比較分析

CO2的臨界溫度為31.3℃，臨界壓力為73.8bar(G)，CO2的壓力－比焓曲線見圖5。

圖5 CO2的壓力－比焓曲線圖

CO2在一定條件下易結冰［7］，密封設計有一定特殊性，CO2壓縮機軸封系統設計的密封原則是:①使CO2在一定壓力下能夠保持一定的溫度，防止泄漏時凝結成干冰;②密封性能滿足工藝要求，使CO2外部泄漏量小于0.5%;③ 盡量減少密封氣的使用量，減少內泄漏量，因為作為密封氣和內泄漏的高溫、高壓氣體是經過壓縮機做過功的;④泄漏氣(或泄漏氣與密封氣的混合氣)通過后一級密封后，壓力必須有所下降，但壓差又不能太大，如果壓差太大，泄漏量將增大，且密封梳齒的壽命將受影響。⑤ 必須將潤滑油及油氣與CO2壓縮機缸體內的工藝氣體進行隔離;⑥ 操作維護應簡單［4］。

根據密封的原則，從密封布置型式、密封性能、可靠性、投資費用、操作費用、維護費用、備件等方面，對三種軸封系統進行比較分析，見表2。

從表2可以明顯看出:

(1)A、C兩種方案，高壓氣體出口位于缸體的中間，各段的氣體入口都在缸體的兩端，有利于密封的布置，減少了密封的壓差，有利于延長梳齒密封的壽命。

(2)C方案較A、B兩種方案的密封組數多，各組密封壓差相對最小，特別是容易泄漏的高壓缸密封組數達到5組，平均各組壓差較低，有利于延長梳齒密封的壽命。

(3)從密封性能來看，C方案采用噴射器回收，CO2氣體外部泄漏量可以保證為零。A、B兩種方案都需要排放泄漏氣，特別是A方案，高壓缸體的最外端密封壓差為6.5bar(G)，在三種方案中壓差最高，泄漏氣量最大，噪音也最大。

(4)C方案高壓缸低壓端密封氣采用二段出口的高溫中壓氣(26bar(A)，175℃)，高壓缸高壓端密封氣采用三段出口的高溫高壓氣(72bar(A)，140℃);而A、B兩種方案高壓缸低、高壓端密封氣都采用三段出口的高溫高壓氣(72bar(A)，140℃)，并通過節流閥減壓。C方案總體上消耗的高溫高壓密封氣量少，能耗低。

(5)C方案在每組密封前后都增加了必要的儀表，可以在線監視迷宮密封運行情況，有利于延長密封的壽命。A，B兩種方案操作性都較盲目。

(6)操作費用上，由于C方案梳齒密封壽命最長，備件費用相應較低。

總之，采用改進型軸封系統C方案，在技術和經濟上都優于A，B兩種方案。

2.2 迷宮密封系統的內泄漏功耗損失問題

2.2.1 壓縮機技術參數

鑒于迷宮密封自身結構特點，迷宮密封本身的泄漏是不可避免的，在進行CO2壓縮機熱力計算時，還應考慮迷宮密封系統的內泄漏功耗損失問題。下面根據成達總承包項目中的CO2壓縮機為例進行說明，迷宮密封軸封系統B方案中表示了內泄漏點和方向，見圖2。

表2 A、B、C三種迷宮密封軸封系統對比表

該CO2壓縮機進口壓力為1.451bar(A)，進口溫度為40℃，進口流量為23000m3/h;出口壓力為147bar(A)，出口溫度為119℃，出口流量為54606kg/h;正常工況下的軸功率為6292kW。

各段的流量(包括內泄漏量)和軸功率分別為:一段:54928kg/h，2143kW;二段:55970kg/h，1891kW;三段:58137kg/h，1265kW;四段:57900kg/h，779kW。

2.2.2 內泄漏功率損耗計算

根據斯托道拉公式和馬丁公式［8］，可以計算各組密封的泄漏量。

密封氣回注1段入口流量:1973kg/h;E點泄漏量:14kg/h;A點泄漏量:116kg/h;H點泄漏量:207kg/h;G點泄漏量:207kg/h;F點泄漏量:1082kg/h;1段出口引出密封氣:416kg/h;3段出口引出密封氣:1562kg/h;I點泄漏量:3327kg/h;密封氣回注3段入口流量=I點泄漏量+G點泄漏量=3534kg/h。

由于壓縮機是采用各段分別回流的方式，所以內泄漏功率損耗量應分段計算，由于功率與質量流量成正比，可按下列方式估算內泄漏功率損耗量。

一段:2143×(密封氣回注1段入口流量+E點泄漏量)/一段入口流量=78kW。

二段:1891×(A點泄漏量+F點泄漏量)/二段入口流量=41kW。

三段:1265×(密封氣回注3段入口流量+H點泄漏量)/三段入口流量=81.4kW。

四段:779×I點泄漏量/四段入口流量=45kW。

故:總的內泄漏功率損耗為:

總的內泄漏功率損耗約占壓縮機正常軸功率的比例約為3.9%，所占比例是相當大的。根據API 617－2002，第7版第2章第2.1.1.3條，關于壓縮機性能保證的要求，正常工況下壓縮機的軸功率不得超過設計值的4%，且驅動機功率在壓縮機額定工況下，應有10%的裕量。由此可見，在進行壓縮機的熱力計算中，應考慮密封系統的內泄漏功率損耗，以保證壓縮機設計、汽輪機或電機的選型設計有合理的裕量。

3 結語

通過本文的比較分析，CO2壓縮機高壓缸的軸封型式采用迷宮密封更經濟合理。

對迷宮密封軸封系統，一是應采用技術先進、運行可靠的改進型C方案軸封系統，利于機組的平穩運行;二是在進行壓縮機的熱力計算中，應考慮密封系統的內泄漏功率損耗，以保證壓縮機設計、汽輪機或電機的選型設計有合理的裕量。

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6 大連工學院.年產三十萬噸合成氨廠離心式壓縮機［M］.化學工業出版社，1982.

7 吳正業.制冷與低溫技術原理［M］.北京:高等教育出版社，2004.

8 呂瑞典.化工設備密封技術［M］.北京:石油工業出版社，2006.