柴油加氫精制裝置汽輪機軸封改造

李偉英

(錦西石化分公司)

錦西石化分公司80萬t/a柴油加氫精制裝置于1994年8月20日投產運行，并于2004年擴能改造為100萬t/a。該裝置主要任務是通過中壓加氫工藝精制焦化汽、柴油及部分直餾柴油和催化柴油。通過加氫，脫除油品中的硫、氮、氧和部分金屬雜質，同時使烯烴和部分芳烴飽和，從而達到提高柴油的貯存安定性和十六烷值的目的。裝置共設有一組循環氫壓縮機組，無備用機組，由B4- R1汽輪機作為原動機，其運轉狀況直接影響到裝置的平穩操作和長周期運行。該汽輪機在過去近一年的運行過程中，出現了軸封蒸汽泄漏逐漸加重的問題。筆者介紹了利用裝置停車大檢修的機會對汽輪機軸封裝置進行改造的過程。

1 汽輪機的基本情況

B4- R1汽輪機是由日本三菱公司生產的單級沖動背壓式汽輪機。該汽輪機利用3.5MPa蒸汽作為動力，帶動MTV- 27離心壓縮機高速運轉，確保反應系統的循環氫氣量。汽輪機的主要性能參數為：

蒸汽入口壓力 3.5MPa(表壓)

背壓 1.2MPa(表壓)

蒸汽入口溫度 400℃

蒸汽出口溫度 310℃

軸功率 1 295kW

工作轉速 8 250～9 330r/min

2 改造前汽輪機軸封運行情況

汽輪機原軸封為雙螺旋密封形式，密封原理為：在軸表面和密封體內表面上車制相互配合的螺旋槽和螺套，具有與軸相反的螺紋旋向，轉子高速旋轉使軸與螺套間的流動蒸汽形成強烈的紊流[1]。螺旋槽作為推進裝置與介質發生能量交換，產生泵送作用(泵送壓頭)，與被密封介質的壓力相平衡，從而阻止泄漏。螺旋密封間隙的大小對密封性能起著至關重要的作用，間隙越小對密封越有利。為了盡可能減小密封間隙，又要避免碰到密封體的孔壁而磨損轉子，通常在密封體內孔表面涂一層石墨，這樣可以防止軸變形時與密封體孔壁接觸而磨損。

該機組汽輪機在長期運行過程中，軸封暴露出以下問題：

a. 由于機組運轉周期較長且無備用機組，軸封裝置在蒸汽長期沖刷下，密封間隙不斷增大，導致密封效果變差，軸封蒸汽泄漏量增大，汽輪機效率降低；

b. 由于泄漏蒸汽量大，泄漏蒸汽不能全部排放入軸封冷凝器和乏汽線內，部分蒸汽竄入軸承箱混入潤滑油中，使潤滑油乳化速度加快，潤滑和冷卻效果變差；

c. 由于排放到軸封冷凝器的蒸汽量增大，軸封冷凝器的換熱面積有限，泄漏蒸汽并未完全冷凝成水，直接排入大氣，存在嚴重的環境安全隱患。

3 汽輪機軸封裝置改造

目前，國內外汽輪機軸封應用最為廣泛的是高低齒型迷宮密封。由于迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，無固體接觸，無需潤滑，允許有熱膨脹，維修簡單，使用壽命長，適用于高溫、高壓、高轉速的場合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風機的軸端和級間的密封以及其他動密封的前置密封。為此，筆者決定將汽輪機原有的雙螺旋密封改造為高低齒型迷宮密封。

迷宮密封也叫梳齒密封，是在轉軸周圍設若干個依次排列的環狀密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質在通過曲折迷宮齒與轉軸截流間隙時產生節流效應而達到阻漏的目的。氣體每經過一次截流間隙和隨后的齒與齒之間的較大空腔，就受到一次節流和擴容作用。氣流通過齒與轉軸截流間隙時，壓力減小，速度增加。氣流通過齒與轉軸截流間隙進入空腔內時，速度突然減小，而壓力不變，動能轉化為熱能。氣流每經過齒與轉軸截流間隙便重復上述變化過程，氣流的壓力越來越小，最后壓力趨近于背壓排出。

經迷宮密封的氣體泄漏量計算公式為[2]：

M=αDmSm[(1+p/pa)/Z]×[(pa-p)/ρ]

式中Dm——密封直徑，m；

M——氣體流量，kg/s；

p——密封后絕對壓力；

pa——密封前絕對壓力；

Sm——密封梳齒下徑向間隙，mm；

Z——密封齒數；

ρ——密封后氣體密度，kg/m3；

α——與密封結構特點有關的修正系數。

可以看出，根據已知的密封前后絕對壓力、密封后氣體密度和密封直徑，選擇合適的密封齒數、密封梳齒下徑向間隙和相關的結構修正系數，可以計算出允許的理論泄漏量，確定改造后的迷宮密封結構尺寸。改造后的迷宮密封形式為高低齒型曲折式迷宮密封，該密封形式增加了流動阻力，提高了密封效能。迷宮密封結構形式如圖1所示。

圖1 改進后的迷宮密封形式

4 改造后汽輪機軸封使用情況

改造軸封后的汽輪機正常投入生產，經過3個月的運行考核，汽輪機在正常工作轉速下，軸封泄漏蒸汽量大的問題得到了解決。軸封改造后與改造前相比較,具體解決了如下問題：

a. 解決了軸封泄漏蒸汽竄入軸承箱的問題，避免了潤滑油乳化嚴重的現象，改造后潤滑油相關技術指標均有了明顯改善，潤滑油質量提高，損耗量減少；

b. 解決了總集油箱濾油機底部排污處頻繁脫水的問題，減輕了崗位人員的工作量；

c. 軸封泄漏蒸汽排入軸封冷凝器后幾乎全部冷凝成水，并直接排入地漏，排除了環境安全隱患；

d. 水蒸氣消耗量明顯減少，降低了能耗，提高了汽輪機的效率。

5 結束語

通過詳細的計算論證和科學合理的設計，對汽輪機軸封裝置進行了技術改造，由迷宮密封裝置代替原雙螺旋密封裝置，解決了汽輪機軸封泄漏蒸汽嚴重的問題，提高了汽輪機的效率，確保了汽輪機在生產周期內的安全穩定運轉。

[1] 王汝美.離心壓縮機技術問答[M].北京：中國石化出版社，2007:41～42．

[2] 宋天民.煉油廠動設備[M].北京：中國石化出版社，2009:313～315.