淺談離心式壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與要點(diǎn)

石芝鋒

（廣西華誼能源化工有限公司，廣西 欽州 535000）

干氣密封是一種干運(yùn)轉(zhuǎn)、氣體潤(rùn)滑、無(wú)接觸軸封，具有無(wú)介質(zhì)泄漏、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、煤化工等離心壓縮機(jī)組獲得廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)運(yùn)行中，因干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型及運(yùn)行使用不到位，引起干氣密封泄漏、失效等故障，嚴(yán)重影響機(jī)組安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。因此對(duì)離心壓縮機(jī)組軸封設(shè)計(jì)出一套可靠、合適的干氣密封控制系統(tǒng)，對(duì)確保機(jī)組安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行起著舉足輕重的作用。

1 干氣密封工作原理

干氣密封是一種氣膜潤(rùn)滑、流體動(dòng)靜壓結(jié)合、非接觸式機(jī)械密封，具有無(wú)介質(zhì)泄漏、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。典型的干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含有靜環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)、O形圈密封、彈簧和彈簧座等零部件。

與其他機(jī)械密封相比，干氣密封主要區(qū)別是在動(dòng)環(huán)表面上刻有淺槽，動(dòng)環(huán)槽一般有單向槽型和雙向槽型。一般單向槽型為螺旋槽結(jié)構(gòu)，雙向槽型有T型槽、樅樹(shù)槽等。如圖2干氣密封動(dòng)環(huán)槽為單向、螺旋槽結(jié)構(gòu)，每個(gè)槽寬自內(nèi)向外逐漸增大，槽深一般為2.5-10μm。

螺旋槽干氣密封工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動(dòng)壓力之間的平衡。當(dāng)密封氣體注入密封裝置時(shí)，使動(dòng)、靜環(huán)受到流體靜壓力的作用。而流體的動(dòng)壓力只是在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生。如圖2，當(dāng)動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動(dòng)壓力，而密封堰對(duì)氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動(dòng)受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對(duì)動(dòng)環(huán)分開(kāi)，當(dāng)氣體壓力與彈簧力恢復(fù)平衡后，維持一最小間隙，形成氣膜，膜厚一般為3-5μm，使旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)脫離接觸，從而端面幾乎無(wú)磨損，同時(shí)密封工藝氣體。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 動(dòng)環(huán)端面上的螺旋槽結(jié)構(gòu)示意圖

2 CO2壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

某煤化工企業(yè)甲醇裝置低溫甲醇洗工段CO2壓縮機(jī)額定流量23887 m3/h，出口壓力2.599/7.35 MPa，用于把低溫甲醇洗單元解析出的二氧化碳加壓后返回粉煤氣化裝置作為輸煤用氣。該離心壓縮機(jī)型號(hào)為2MCL525+3BCL404，單軸，2缸、五段壓縮，其中低壓缸為水平剖分2段5級(jí)，高壓缸為垂直剖分3段4級(jí)。該機(jī)組軸封采用約翰克蘭單向螺旋槽干氣密封，低壓缸為TMO2B型集裝式單端面干氣密封，高壓缸為TMO2D型集裝式帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封。該壓縮機(jī)組干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有過(guò)濾單元、調(diào)節(jié)控制單元和密封泄漏監(jiān)測(cè)單元。其主要的控制流程有主密封氣、隔離氣和排放氣泄漏監(jiān)測(cè)控制流程，干氣密封控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度、潔凈度及泄漏量等進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

2.1 密封氣的設(shè)計(jì)

（1）密封氣選取

CO2壓縮機(jī)密封氣的選取結(jié)合了裝置工況、機(jī)組特性，及綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，密封氣采用高壓缸壓縮機(jī)出口工藝氣作為低壓缸和高壓缸干氣密封的一級(jí)主密封氣；在機(jī)組開(kāi)停機(jī)或發(fā)生故障時(shí)，采用管網(wǎng)中壓氮?dú)庾鳛檩o助密封氣。同時(shí)在干氣密封后置隔離腔，為防止軸承箱潤(rùn)滑油進(jìn)入，污染密封面，機(jī)組隔離腔設(shè)計(jì)了一套后置隔離氣密封系統(tǒng)，隔離氣采用管網(wǎng)低壓N2。

（2）氣體的預(yù)處理

CO2壓縮機(jī)干氣密控制封系統(tǒng)設(shè)計(jì)有預(yù)處理過(guò)濾單元，設(shè)置有并聯(lián)可切換的精密過(guò)濾器，一開(kāi)一備，過(guò)濾精度達(dá)到2μm。過(guò)濾器前后設(shè)置有壓差變送器，監(jiān)測(cè)過(guò)濾器堵塞情況。對(duì)進(jìn)入密封控制系統(tǒng)的密封氣和隔離氣進(jìn)行過(guò)濾處理，除去固體、粉塵及液體等雜質(zhì)，以獲得干燥、潔凈的密封氣和隔離氣，避免動(dòng)靜環(huán)密封面受污染磨損；同時(shí)控制氣體的溫度，防止氣體低于露點(diǎn)溫度，形成液滴，導(dǎo)致密封面磨損。

2.2 氣體的調(diào)節(jié)控制

（1）密封氣壓力控制

CO2壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)低、高壓缸一級(jí)密封氣壓力采用壓差控制。如圖3所示，取自壓縮機(jī)平衡管和密封氣進(jìn)氣管的壓差，通過(guò)壓差變送器遠(yuǎn)傳到DSC差壓控制器，由差壓控制器下指令給執(zhí)行器氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥進(jìn)行密封氣進(jìn)氣壓力的調(diào)節(jié)控制，將壓力穩(wěn)定在高于高壓缸平衡管壓力0.3MPa（G）。同時(shí)高壓缸二級(jí)密封氣壓力經(jīng)減壓閥減壓到 0.3MPa(G)供二級(jí)密封。

（2）氣體壓力報(bào)警和聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

為了確保機(jī)組密封氣的穩(wěn)定控制，低、高壓缸一級(jí)密封氣與平衡管壓差設(shè)計(jì)有低報(bào)警和低低報(bào)聯(lián)鎖控制，當(dāng)壓差≦0.1MPa為低報(bào)警；壓差≦0.05MPa為低低報(bào)聯(lián)鎖啟用中壓氮?dú)膺M(jìn)行補(bǔ)氣，以滿足密封氣密封壓力的要求。

同時(shí)為了防止機(jī)組在開(kāi)機(jī)前軸承箱潤(rùn)滑油污染干氣密封，設(shè)計(jì)了后置隔離氣壓力低報(bào)警聯(lián)鎖，當(dāng)后置隔離氣壓力≦0.17MPa時(shí)，低報(bào)警聯(lián)鎖禁止?jié)櫥捅玫膯?dòng)。

圖3 一級(jí)密封氣進(jìn)氣壓力控制

（3）氣體流量控制

CO2壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)密封氣的流量通過(guò)流量計(jì)節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，隔離氣流量則通過(guò)限流孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足干氣密封所需密封氣和隔離氣設(shè)計(jì)的要求。其中高壓缸一級(jí)密封氣流量控制在50Nm3/h，二級(jí)密封氣將流量調(diào)整到6Nm3/h；低壓缸一級(jí)密封氣流量控制在9.5Nm3/h；低、高壓缸隔離氣供給量分別控制在14 Nm3/h。

2.3 密封泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了及時(shí)監(jiān)控機(jī)組干氣密封運(yùn)行狀況，CO2壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一級(jí)火炬（或高位）排放系統(tǒng)，通過(guò)排放氣的壓力、流量來(lái)監(jiān)測(cè)干氣密封的泄漏情況。即在火炬（或高位）放空線上設(shè)置限流孔板和流量計(jì)，通過(guò)孔板前壓力的變化監(jiān)測(cè)密封的泄漏量；同時(shí)通過(guò)限流孔板前后壓差實(shí)現(xiàn)泄漏量監(jiān)測(cè)。其中本機(jī)組高壓缸在限流孔板前設(shè)計(jì)有密封氣泄漏壓力高報(bào)警和高高報(bào)停機(jī)聯(lián)鎖，采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制；孔板后流量計(jì)設(shè)計(jì)有低報(bào)警、高報(bào)警和高高報(bào)警。低壓缸通過(guò)限流孔板前后壓差實(shí)現(xiàn)泄漏量的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)有流量低報(bào)警、高報(bào)警和高高報(bào)停機(jī)聯(lián)鎖，采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制。

3 離心式壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)對(duì)甲醇裝置低溫甲醇洗工段CO2壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從中總結(jié)出離心壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和基本技術(shù)要求：

（1）干氣密封控制系統(tǒng)的布置方式應(yīng)根據(jù)機(jī)組干氣密封的結(jié)構(gòu)型式、密封氣的壓力、流量、潔凈度等進(jìn)行干氣密封系統(tǒng)的配置。干氣密封控制系統(tǒng)布置方式可參考表1。

表1 干氣密封控制系統(tǒng)布置方式

（2） 密封氣的選擇，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)裝置的工況和機(jī)組特性，且綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選取。一般情況下，對(duì)于輸送介質(zhì)為富氣或氣體內(nèi)含烴類物質(zhì)較多的氣體則常采用N2；對(duì)于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機(jī)出口工藝氣+氮?dú)鈧溆脷夥桨浮Ｍ瑫r(shí)應(yīng)提供清潔、干燥的密封氣，不得含固體顆粒、粉塵和液體，且應(yīng)保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過(guò)濾精度應(yīng)≦3μm，溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度10℃以上。

（3）為了確保密封氣、緩沖氣、隔離氣的壓力、流量滿足干氣密封控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)設(shè)計(jì)有氣體壓力、流量調(diào)節(jié)控制、報(bào)警、聯(lián)鎖系統(tǒng)。通過(guò)管路調(diào)節(jié)閥、減壓閥、流量計(jì)節(jié)流閥、孔板等調(diào)節(jié)和控制密封氣、隔離氣及排放氣的壓力、流量。一般可采用氣體壓力控制、流量控制、壓力與流量組合控制方式。一級(jí)密封氣壓力可采用壓差控制，設(shè)計(jì)要求為一級(jí)密封氣與平衡管壓差≥0.3 MPa，同時(shí)為了防止密封工藝氣壓力低，一般密封氣與平衡管壓差設(shè)計(jì)有低報(bào)警和低低報(bào)警聯(lián)鎖，啟用管網(wǎng)中壓氮?dú)膺M(jìn)行補(bǔ)氣，以滿足密封氣密封壓力的要求。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有流量計(jì)和流量控制閥，以便通過(guò)流量控制閥調(diào)節(jié)密封腔的流量，流量計(jì)則監(jiān)測(cè)密封氣的流量，需滿足機(jī)內(nèi)迷宮間隙最大時(shí)最小氣流速度為5 m/s。

（4）為了及時(shí)監(jiān)控機(jī)組干氣密封運(yùn)行狀況，應(yīng)設(shè)計(jì)有干氣密封一級(jí)密封氣火炬（或高位）排放泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。即在火炬（或高位）排放管線上設(shè)置限流孔板和流量計(jì)，通過(guò)排放氣的壓力、流量來(lái)監(jiān)測(cè)干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有流量低報(bào)警、高報(bào)警和高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖；壓力由孔板前壓力的變化實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有壓力高報(bào)警和高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖。可采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制方式。

（5）為了確保機(jī)組的安全運(yùn)行，防止機(jī)組損壞，在機(jī)組開(kāi)停車及密封失效故障緊急停車工況，干氣密封控制系統(tǒng)可設(shè)計(jì)有以下的聯(lián)鎖：①各干氣密封一級(jí)排放氣流量正常的開(kāi)機(jī)聯(lián)鎖。②后置隔離氣壓力低開(kāi)機(jī)前禁止?jié)櫥捅脝?dòng)聯(lián)鎖，防止軸承箱潤(rùn)滑油污染干氣密封。③一級(jí)排放氣壓力高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖和流量高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖。

4 結(jié)語(yǔ)

一套完整、可靠的離心式壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)由氣體過(guò)濾處理單元，壓力和流量控制單元，及密封泄漏監(jiān)測(cè)單元組成。其包括對(duì)系統(tǒng)氣體的潔凈度、壓力、流量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以滿足干氣密封運(yùn)行的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)有密封泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)和掌握干氣密封的泄漏情況。干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有密封泄漏高報(bào)警和高高報(bào)聯(lián)鎖停車，能及時(shí)提醒操作人員進(jìn)行處理，當(dāng)氣體泄漏量超過(guò)一定值以后，表明干氣密封已經(jīng)失效，系統(tǒng)連鎖停車，保證機(jī)組不受損壞。因此，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，生產(chǎn)操作人員和設(shè)備管理技術(shù)人員可通過(guò)干氣密封控制系統(tǒng)，來(lái)監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行狀況，指導(dǎo)機(jī)組的操作、運(yùn)行和檢維修，同時(shí)根據(jù)干氣密封控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理現(xiàn)場(chǎng)事故。