煤層氣壓縮機干氣密封結構的優化

胡秀文

（華陽集團煤層氣開發利用分公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤層氣在我國經濟和能源結構中處于轉型的關鍵期，我國煤層氣開采主要集中在河南、山西等地。在煤層氣運輸過程中，為了防止煤層氣出現泄露而導致事故的發生，對煤層氣壓縮機的密封性能提出了較高的要求。對于壓縮機的軸密封技術而言，早期以單端面密封技術為主，后期發展有雙端面和多端面等多種機械密封方式[1]。從原理上講干氣密封由于動壓效應的基礎，其靜環和動環之間不接觸，從而有效防止了煤層氣的泄露。本文將重點開展干氣密封在煤層氣壓縮機端面密封中的應用。

1 干氣密封原理分析

可應用于干氣密封的結構主要包括有動靜環、支座、O 型圈和彈簧軸套等組成。具體工作原理如下：當壓縮機不工作時，靜環和動環在流體靜壓力和彈簧擠壓力的作用下達到緊密結合目的，從而避免了氣體泄露。當壓縮機處于工作狀態時，動環和靜環的密封斷面中間不斷聚集阻隔氣體，同時彈簧在壓縮作用下達到新的平衡狀態；此時，在靜環和動環之間形成一個相對穩定的氣膜，在此密封間隙內所形成的氣膜使得靜環和動環處于非接觸狀態也可實現密封的效果[2]。

從理論上講，影響干氣密封效果的主要參數包括有氣膜的剛度、端面的開啟力、泄露量以及摩擦功耗。具體分析如下：

1.1 氣膜剛度

氣膜剛度指的是，壓縮機在實際工作中在靜環和動環之間所形成氣膜厚度會發生變化，從而使得端面開啟力發生變化。氣膜剛度是決定壓縮機密封效果受到外界干擾影響的衡量指標[3]。氣膜剛度越大，說明其密封效果受外界干擾的影響較小。

1.2 泄漏量

對于任意密封技術而言，做到氣體或液體零泄漏是不可能的。因此，將泄漏量降為零或降至可控的范圍是干氣密封的主要目標。影響干氣密封下煤層氣泄漏量的主要因素包括有壓縮機主軸的轉速、氣體的黏度、煤層氣的壓力等。

本文將從數值模擬和實驗兩個層面對影響干氣密封效果的因素展開研究，為后續壓縮機干氣密封結構的有優化提供支撐。

2 干氣密封的數值模擬研究

基于SolidWorks 軟件構建煤層氣壓縮機干氣密封結構模型，將模型導入ANSYS 軟件中對影響干氣密封效果的因素，重點對內在和外在兩方面的因素對干氣密封效果的影響展開研究[4]。對構建完成后的模型進行網格劃分和邊界條件設置完畢后開始分析。

本文所研究煤層氣壓縮機干氣密封結構的關鍵參數如表1 所示。

表1 煤層氣壓縮機干氣密封結構參數

分別對壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa，轉速分別為1 900 r/min、2 100 r/min、2 300 r/min、2 500 r/min和2 700 r/min多種情況下干氣密封結構的密封效果展開研究。上述多種情況下對應的溫度為303.15 K。

2.1 外在因素對干氣密封效果的影響

設定壓縮機工作轉速為2 000 r/min，對不同壓力下對應的泄漏量、開啟力、摩擦功耗和剛漏比進行對比，對比結果如表2 所示，隨著壓力地增加，對應的泄漏量、開啟力、摩擦功耗等均處于增長的趨勢；而對應剛漏比處于減小變化趨勢。詳細分析可知，泄漏量、開啟力以及摩擦功耗與壓力之間關系近似為線性變化。

表2 不同工作壓力下干氣密封效果對比

同理，得出隨著轉速的增加，對應泄漏量、開啟力、摩擦功耗以及剛漏比均處于增長的趨勢。導致上述的主要原因為當轉速增大時對應的氣膜厚度發生變化，在此期間會在靜環和動環之間形成一定的縫隙，從而導致泄漏量增加[5]。其中，泄漏量、開啟力和剛漏比與轉速呈線性變化的關系。

2.2 內在因素對密封效果的影響

對于煤層氣壓縮機的干氣密封結構而言，其涉及到的核心結構尺寸包括有槽臺寬比、槽長壩長比、槽數、槽深以及螺旋角等。本文通過數值模擬方式對上述結構參數對干氣密封效果展開研究。以槽臺寬比為例，對應的數值模擬結果如表3 所示。

表3 不同槽臺寬比對干氣密封效果的影響

如表3 所示，隨著槽臺寬比增大，對應的泄漏量、開啟力增加；摩擦功耗呈現為減小的變化趨勢；剛漏比呈現為先增大后減小的變化趨勢。綜合對比槽臺寬比對泄漏量、開啟力、摩擦功耗和剛漏比的影響，最終確定將槽臺比控制在0.5～0.7 之間最佳。

同理得出，綜合考慮干氣密封結構的密封效果將螺旋槽的槽長壩長比控制在0.5～0.7 之間；將槽數控制在8～14 之間，一般取12 為最佳；將槽深度控制在4～8 μm 之間；將螺旋角控制在17°～28°之間。

3 干氣密封結構的實驗研究

本章節通過搭建實驗平臺，對外界因素對干氣密封效果的影響開展試驗研究。所搭建的實驗平臺如圖1 所示，以不同工作壓力下，干氣密封結構對應的泄漏量數據進行統計，得出如圖2 所示的曲線，在同一轉速下，隨著工作壓力的增加對應的泄漏量增加；導致上述現象的主要原因為當工作壓力增加時，對應的密封結構的動壓效應明顯，對應的斷面開啟力、密封間隙以及氣膜厚度均增加。在同一工作壓力下，隨著轉速的增加，對應的泄漏量減小。

圖1 干氣密封效果實驗平臺

圖2 不同工作壓力下干氣密封結構的泄漏量

實驗結果與數值模擬結果相近，說明通過數值模擬分析所得到的結論可指導對干氣密封結構尺寸進行優化，并可指導壓縮機工作參數的設計。

4 結論

壓縮機為對煤層氣進行傳輸的核心設備，在傳輸過程中尤其需要關注煤層氣的泄漏問題。傳統機械密封存在摩擦損耗較大、密封件磨損嚴重、更換頻繁等問題。因此，干氣密封技術為壓縮機未來端面密封的主流技術。本文主要通過數值模擬手段對不同因素影響密封效果展開研究，并得出如下結論：

1）轉速、壓力為影響密封效果的外在因素；槽臺寬比、槽長壩長比、槽數、槽深以及螺旋角為影響密封效果的內在因素。

2）干氣密封結構的密封效果將螺旋槽的槽長壩長比、槽臺寬比控制在0.5～0.7 之間；將槽數控制在8～14 之間，一般取12 為最佳；將槽深度控制在4～8 μm之間；將螺旋角控制在17°～28°之間。