淺談離心式壓縮機干氣密封裝置結構原理及應用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 魏 星

隨著天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣場站中離心式壓縮機的應用越來越廣泛。干氣密封裝置作為離心式壓縮機軸封的關鍵部件，在壓縮機實際運行中起到至關重要的作用。如西氣東輸沿線壓氣站廣泛使用的GE壓縮機、RR壓縮機，以及上海天然氣管網(wǎng)公司白鶴壓氣站等場站使用的索拉(Solar)壓縮機都屬于離心式壓縮機，其內(nèi)部都利用干氣密封裝置進行密封。下面以GE公司生產(chǎn)的PCL804系列壓縮機為例，詳細闡述離心式壓縮機干氣密封裝置的結構原理，并對應用過程中出現(xiàn)的故障進行分析，總結出相應的解決方案。

1 干氣密封裝置概述

干氣密封是20世紀60年代末期在氣體動壓軸承的基礎上，通過對機械密封進行根本性改進而發(fā)展起來的一種新型非接觸式密封。主要通過在機械密封動環(huán)上增開動壓槽以及隨之設置相應輔助系統(tǒng)而實現(xiàn)密封端面的非接觸式運行。由于密封端面實現(xiàn)了非接觸式運行，特別適合作為高速高壓設備的軸端密封。

干氣密封主要用來密封旋轉(zhuǎn)增壓機械中的工藝介質(zhì)氣體，防止工藝氣沿著壓縮機軸向外界泄漏。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長、能耗低、操作簡單可靠、維修量低、被密封的氣體不受油污染等特點。因此，在壓縮機應用領域，干氣密封逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤滑機械密封等密封裝置。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟性已經(jīng)被許多工程應用實例所證實。

約翰克蘭(John Crane)公司是當今世界上最著名的干氣密封裝置的設計者、制造商和供貨商。該公司于 70年代末期率先將干氣密封應用到海洋平臺的氣體輸送設備上并獲得成功。目前GE公司、RR公司、Solar公司為我國許多天然氣管道工程提供的壓縮機都采用約翰克蘭公司的干氣密封裝置。

2 干氣密封裝置結構原理

2.1 干氣密封結構原理

典型的干氣密封結構包含有靜環(huán)、動環(huán)組件(旋轉(zhuǎn)環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動環(huán)組件配合，如圖1所示。

圖1 干氣密封結構剖面示意

在動環(huán)組件和靜環(huán)配合表面處的氣體徑向密封有其先進獨特的方法。配合表面平面度和光潔度很高，動環(huán)組件配合表面上有一系列的螺旋槽，如圖2所示。

圖2 干氣密封結構示意

當端面外側加工有流體動壓槽(2.5～10 μm)的動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，流體動壓槽把外徑側(稱之為上游側)的高壓密封氣體(干氣)泵入密封端面之間。旋轉(zhuǎn)的動壓槽將干氣吸入并使干氣沿淺淺的槽道向內(nèi)徑方向流動。由于密封壩的阻擋，從動壓槽外徑至動壓槽內(nèi)徑，密封端面之間的壓力逐漸增加。動、靜環(huán)之間的動壓推開靜環(huán)，在密封端面之間形成很薄的一層氣膜(1～3 μm)。這樣動、靜環(huán)的密封端面工作在非接觸狀態(tài)下，密封端面之間的氣膜完全阻塞了壓力相對較低的工藝介質(zhì)的泄漏通道，理論上實現(xiàn)了工藝介質(zhì)的零泄漏。

由于供入干氣密封的干氣壓力大于葉輪組件兩端的工藝氣壓力(平衡管壓力)，所以供入干氣約85%經(jīng)內(nèi)側迷宮流進工藝氣流之中，阻擋工藝氣不能流進干氣密封。理論上實際內(nèi)側迷宮裝置并不能完全阻斷工藝氣外漏。剩余15%的密封干氣和很少一點內(nèi)側迷宮沒有擋住的工藝氣混合，從動、靜環(huán)密封端面之間流過。經(jīng)過動、靜環(huán)之后的干氣，由排放口和配套的管道、壓力開關、限流孔板、流量計后排放到火炬燃燒區(qū)燒掉。在干氣密封的外側也有一道迷宮封嚴裝置，供入干氣密封的緩沖空氣與這道密封相配合，阻擋外側軸承的滑油向干氣密封一側流動，保護干氣密封。供入干氣密封的密封干氣不但能起密封作用，而且能起動、靜環(huán)的冷卻作用。

2.2 常用干氣密封型式

2.2.1 單端面干氣密封

單端面干氣密封示意，如圖3所示。

圖3 單端面干氣密封

2.2.2 串聯(lián)式干氣密封

串聯(lián)式干氣密封示意，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)式干氣密封

一套串聯(lián)式干氣密封可看作是兩套或更多套干氣密封按照相同的方向首尾相連而構成的，與單端面結構相同，密封所用氣體為工藝氣本身。通常情況下采用兩級結構，第一級(主密封)密封承擔全部或大部分負荷，而另外一級作為備用密封不承受或承受小部分壓力降，通過主密封泄漏出的工藝氣體被引入火炬燃燒。剩余極少量的未被燃燒的工藝氣通過二級密封漏出，引入安全地帶排放。當主密封失效時，第二級密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不會大量向大氣泄漏。

除此之外，干氣密封常用型式還包括帶中間進氣的串聯(lián)式干氣密封和雙端面干氣密封。

3 干氣密封裝置的應用

干氣密封裝置在離心式壓縮機系統(tǒng)中使用非常廣泛。離心式壓縮機的基本工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使葉輪出口的氣流達到很高的流速，然后在擴壓室內(nèi)將高速氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而使壓縮機出口的氣體達到較高的壓力。下面以GE公司生產(chǎn)的PCL804離心式壓縮機為例，介紹干氣密封裝置在其中的應用。

3.1 離心式壓縮機基本結構和原理

GE公司生產(chǎn)的PCL804離心式壓縮機為4級葉輪結構，主要由葉輪、擴壓器、彎道、回流器等組成。離心式壓縮機增壓是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪上的葉片對連續(xù)流動的氣體作功，將葉輪的機械能傳給氣體。旋轉(zhuǎn)的氣體在離心力作用下沿著葉輪的擴散式通道由中心向外緣流動。在流動的過程中壓力升高絕對速度增加。從葉輪流出的氣體在流經(jīng)靜子(擴壓器)的擴散形通道時，一部分速度動能轉(zhuǎn)換成壓力能，使氣體的絕對速度降低，壓力進一步提高。

圖5 離心式壓縮機結構

3.2 干氣密封安裝位置

干氣密封裝置安裝在壓縮機主軸兩端，緊靠進、排氣端位置，起到避免壓縮機腔體內(nèi)天然氣往軸端泄漏的作用。如圖6所示。主軸兩端靠近干氣密封處安裝了軸承，其中進氣端安裝徑向軸承和止推軸承，排氣端安裝徑向軸承。在壓縮機運行時干氣密封與徑向軸承間不斷注入隔離氣(氮氣)以避免軸承中的潤滑油通過軸端進入到干氣密封組件中。

圖6 干氣密封安裝位置示意

3.3 干氣密封系統(tǒng)工藝流程

干氣密封系統(tǒng)工藝流程見圖7。

圖7 干氣密封系統(tǒng)工藝流程

3.3.1 密封氣(干氣)供給流程

為達到密封效果，進入干氣密封組件中的密封氣必須潔凈、干燥，且要求壓力稍高于腔體內(nèi)部天然氣壓力。干氣的供給途徑可以有三種來源：從壓縮機出口匯管中引來的天然氣；備用氮氣系統(tǒng)來氣；機組運行后從壓縮機出口處引來的壓縮天然氣。

3.3.2 密封氣(干氣)氣質(zhì)要求

上述三種氣體中的任一種氣體都要先經(jīng)過濾器濾去其中的雜質(zhì)，再通過加熱器將其溫度加熱到適合范圍(高于露點溫度 20 ℃，大約為 80～120 ℃)，確保天然氣中易凝結物質(zhì)烴以氣態(tài)存在。因為任何進入干氣密封的液態(tài)物質(zhì)對干氣密封的功能和工作壽命都不利，所以必須避免。最后經(jīng)過調(diào)壓閥調(diào)壓后(大于壓縮機平衡管壓力100 kPaG)才能供入干氣密封。總之，干氣密封要求密封氣的壓力、流量適當，并且干凈、干燥。

3.3.3 干氣密封維護

干氣密封維護是對密封氣供氣系統(tǒng)的維護。干氣密封對密封氣的氣質(zhì)要求很高，水分、顆粒雜質(zhì)、滑油進入干氣密封都會對干氣密封造成損害。供入干氣密封的密封氣必須經(jīng)外部的干氣系統(tǒng)處理成符合要求的密封氣。為了得到潔凈、干燥的密封氣，目前普遍的做法是在干氣密封系統(tǒng)中安裝前置凝結過濾器和前置電加熱器。部分索拉機組的設計采用啟/停機組過程中切換成供入氮氣作密封氣，對減少干氣密封損壞很有好處。

4 干氣密封裝置常見故障及處理

4.1 干氣密封裝置常見故障

干氣密封裝置常見故障表現(xiàn)在運行過程中一級放空壓差逐步升高，而且機組每一次起停都會造成放空壓差增大，最終導致干氣密封的一級放空壓差達到停機值，使機組停機。即使在干氣密封系統(tǒng)中已經(jīng)安裝了前置凝結過濾器和前置電加熱器，也會出現(xiàn)上述問題。原因主要為：

(1)電加熱器的加熱溫度控制偏低，經(jīng)過調(diào)壓閥節(jié)流后溫度會更低。在冬季運行時，由于密封氣管線未進行保溫處理，密封氣在進入干氣密封裝置時，溫度可能已經(jīng)低于“露點”溫度，凝結成液態(tài)，并隨著密封氣進入干氣密封裝置使其失效。

(2)當壓縮機組處于停止狀態(tài)時，由于壓縮機進出口的天然氣壓力相等，密封氣體不流動，密封氣電加熱器也不會投用，是的溫度逐步降低，可能達到“露點”溫度以下，從而析出液體。待下次機組啟動時進入干氣密封裝置使其失效。

4.2 干氣密封裝置常見故障的處理

針對該類故障，約翰克蘭(John Crane)公司設計了相應的氣體處理裝置 GCU(Gas Conditioning Unit)，其主要組成部件就是凝結過濾器、氣體增壓裝置和電加熱器，以改善現(xiàn)有干氣密封裝置的工作條件。與之前的氣體處理裝置相比，增加了一個依靠壓縮空氣驅(qū)動的增壓裝置。該裝置主要特點為：

(1)在壓縮機組正常運行時，氣體增壓裝置不工作。

(2)在壓縮機帶壓停機期間，氣體增壓裝置投入運行，使得密封氣流動起來，以保證電加熱裝置投用，提高密封氣的溫度。防止析出液體。

(3)當壓縮機組放空后啟動時，當壓縮機系統(tǒng)壓力到達0.1 MPa時，氣體增壓裝置就投入運行，以保證干氣密封裝置處的氣體不產(chǎn)生倒流，防止干氣密封裝置被天然氣中固體顆粒污染。

5 結語

本文對離心壓縮機干氣密封的結構和原理進行了詳細的闡述，并對其在離心壓縮機中的應用進行了說明。最后針對運行過程中容易出現(xiàn)的故障進行了分析，并介紹了相關解決方案。為今后天然氣管道上壓縮機組的采購選型、故障分析及干氣密封系統(tǒng)維護改造等方面提供了借鑒。