干气密封技术在离心压缩机中的应用 -工程

    摘要：通过对干气密封在120万吨/年加氢裂化装置中循环压缩机上的应用，阐述了干气密封的工作原理及在装置中的运行情况，

干气密封技术在离心压缩机中的应用

。

关键词：干气密封；工作原理；控制原理

The Application of Dry Gas Seal Technology in Centrifugal Compressor

Abstract: Through the application of dry gas seal technology in circulation compressor of 1.2 million tons/year hydrocracking installation, the working principle of dry gas seal and its operating status in installation are specified in this paper.

Key words: dry gas seal; working principle; control principle

0 引言

随着石油化工、能源工业的发展以及人们安全环保意识的提高，对各类转动设备轴封的要求也越来越高。目前，国内绝大多数石化企业转动设备轴封型式采用的是单端面机械密封或双端面机械密封。单端面机械密封结构简单，但存在工艺介质易泄漏的问题，不适合输送易挥发介质；双端面机械密封用外引密封液做润滑冷却介质，密封结构及辅助系统较为复杂。由于机械密封为接触式密封，其使用寿命已经不能满足石化企业长周期运行的要求。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，它具有使用寿命长、无介质泄漏、轴功率消耗低等优点，因此，得到广泛应用。

该离心式压缩机由沈阳鼓风机集团有限公司制造，型号BCL406/A离心压缩机，是我厂加氢裂化装置的核心设备，其能否长周期运转关系到装置能否正常运行。

1 干气密封工作原理

典型的干气密封结构如图1 所示，由旋转环、静环、弹簧、密封圈、弹簧座和轴套组成。图 2 为干气密封旋转环示意图，旋转环密封面经过研磨、抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。

干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3μm左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时，通过间隙的气体流动层最为稳定。 这也就是为什么干气密封气膜厚度设计值选定在2～3μm的主要原因。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定。

1.弹簧座  2.弹簧  3.静环  4.旋转环  5.密封环  6.轴套

图1 干气密封结构图

1.动压槽   2.密封坝  3.密封堰  4.密封旋向

图2 干气密封端面动压槽示意图

正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力）等于开启力（气膜反力），密封工作在设计工作间隙。当受到外部干扰，气膜厚度减小，则气膜反力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。

相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力，密封面合拢恢复到正常值。因此，只要在设计范围内，当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复到设计值。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰能力越强，密封运行越稳定。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标。

干气密封是采用机械密封和气体密封的结合，是一种非接触端部密封，它是在机械密封的动环或静环（一般在动环上）的密封面上开有密封槽（本密封为T形槽），当动静环高速旋转时，在两端面间形成一层气膜，在气体泵送效应产生的推力作用下把动静环推开，使两密封端面不接触，但在压缩机刚开机阶段，由于转速较低，动静密封面形成的动压力也较低，动静环是接触摩擦的，所以采用干气密封的压缩机，低速运行时间不宜过长[1]。

摘要：通过对干气密封在120万吨/年加氢裂化装置中循环压缩机上的应用，阐述了干气密封的工作原理及在装置中的运行情况。

关键词：干气密封；工作原理；控制原理

The Application of Dry Gas Seal Technology in Centrifugal Compressor

Abstract: Through the application of dry gas seal technology in circulation compressor of 1.2 million tons/year hydrocracking installation, the working principle of dry gas seal and its operating status in installation are specified in this paper.

Key words: dry gas seal; working principle; control principle

0 引言

随着石油化工、能源工业的发展以及人们安全环保意识的提高，对各类转动设备轴封的要求也越来越高。目前，国内绝大多数石化企业转动设备轴封型式采用的是单端面机械密封或双端面机械密封。单端面机械密封结构简单，但存在工艺介质易泄漏的问题，不适合输送易挥发介质；双端面机械密封用外引密封液做润滑冷却介质，密封结构及辅助系统较为复杂。由于机械密封为接触式密封，其使用寿命已经不能满足石化企业长周期运行的要求。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，它具有使用寿命长、无介质泄漏、轴功率消耗低等优点，因此，得到广泛应用。

该离心式压缩机由沈阳鼓风机集团有限公司制造，型号BCL406/A离心压缩机，是我厂加氢裂化装置的核心设备，其能否长周期运转关系到装置能否正常运行。

1 干气密封工作原理

典型的干气密封结构如图1 所示，由旋转环、静环、弹簧、密封圈、弹簧座和轴套组成。图 2 为干气密封旋转环示意图，旋转环密封面经过研磨、抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。

干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3μm左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时，通过间隙的气体流动层最为稳定。 这也就是为什么干气密封气膜厚度设计值选定在2～3μm的主要原因。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定。

1.弹簧座  2.弹簧  3.静环  4.旋转环  5.密封环  6.轴套

图1 干气密封结构图

1.动压槽   2.密封坝  3.密封堰  4.密封旋向

图2 干气密封端面动压槽示意图

正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力）等于开启力（气膜反力），密封工作在设计工作间隙。当受到外部干扰，气膜厚度减小，则气膜反力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。

相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力，密封面合拢恢复到正常值。因此，只要在设计范围内，当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复到设计值。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰能力越强，密封运行越稳定。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标。

干气密封是采用机械密封和气体密封的结合，是一种非接触端部密封，它是在机械密封的动环或静环（一般在动环上）的密封面上开有密封槽（本密封为T形槽），当动静环高速旋转时，在两端面间形成一层气膜，在气体泵送效应产生的推力作用下把动静环推开，使两密封端面不接触，但在压缩机刚开机阶段，由于转速较低，动静密封面形成的动压力也较低，动静环是接触摩擦的，所以采用干气密封的压缩机，低速运行时间不宜过长[1]。

图3 T型槽

本装置双向串联干气密封特点：密封型式为双向串联干气密封；密封槽为T形槽，见图3；旋转环材料为碳化硅；静环为涂DLC工业金刚石碳化硅；辅助密封元件采用填充PTFE，弹簧（ALLOYC40）加载。采用T形槽密封端面，可以避免压缩机正反转造成密封损坏或减少使用寿命。

干气密封的密封气采用差压控制，利用启动薄膜式调节阀使平衡管气与密封气保持一定压差，隔离气和级间密封气分别利用自力式调节阀保持压力恒定。

装置开工和停车时，压缩机出入口压力相等，此时增压泵启动，保证密封气压力比平衡管气压力高0.3～0.4MPa（G）,增压泵驱动气源工业风为0.35～0.4 MPa（G），密封气密封室压力比一级排气压力高0.03 MPa以上，级间密封比二级排气压力高0.03 MPa以上。

2 影响干气密封性能的主要参数

将影响干气密封性能的参数分为密封端面结构参数和密封操作参数。端面结构参数对密封的稳定性影响较大，操作参数对密封的泄漏量影响较大。

2.1 密封端面结构参数对气膜刚度的影响

2.1.1 干气密封动压槽形状

从流体动力学角度来讲，在干气密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应，

工程

《干气密封技术在离心压缩机中的应用》(https://www.unjs.com)。理论研究表明，螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大，即干气密封的稳定性最好。

2.1.2 干气密封动压槽深度

理论研究表明，干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时，密封的气膜刚度最大。实际应用中，干气密封的动压槽深度一般在3～10μm。在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。

2.1.3 干气密封动压槽数量、动压槽宽度和动压槽长度

理论研究表明，干气密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强。不过在实际应用中，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，干气密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。

2.2 操作参数对密封泄漏量的影响

2.2.1 密封直径、转速对泄漏量的影响。密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，干气密封的泄漏量就越大。

2.2.2 密封介质压力对泄漏量的影响。在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。

2.2.3 介质温度、介质粘度对泄漏量的影响。介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的。介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此，其对密封泄漏量的影响不是很大。

3 干气密封的控制系统

3.1 主要控制流程

3.1.1  主密封气控制流程

从压缩机出口来的密封气，首先经过除雾器V-3840除雾，然后进入密封气过滤器（精度3μm）FL-3841A/B进行过滤。如果密封气的压力与平衡管压力差低于0.345MPa（G）(设定值),则增压泵B-3840自启,给密封气提压。提压后的密封气进入储液罐D-3840A/B进行气液分离，再经过过滤器（精度3μm）FL-3842过滤后进入密封气调节阀PDCV-3840。调节阀调节进气流量为1614-5663NL/min,密封气经调节阀后分两路并经过流量孔板进入一级密封腔。然后泄漏气经一级密封气泄漏线并经过孔板FE-3846/3847排入火炬。

3.1.2 辅助密封气控制流程

级间密封氮气从氮气区来的氮气经过滤器（精度1μm）FL-3840A/B过滤后，级间密封气经调节阀PCV-3840调节流量控制在65～100NL/min后，又分两路经流量孔板FE-3842/3843进入级间密封气密封腔，级间密封起辅助密封作用。然后氮气经二级泄漏线进入火炬。需要注意的是：二级密封进气流量应略小于一级密封放入火炬的流量。

3.1.3 隔离密封控制流程

隔离氮气从氮气区来的氮气经过滤器（精度3μm）FL-3840A/B过滤后，经隔离气经调节阀PCV-3841调量110—174NL/min后，又分两路经流量孔板FE-3844/3845进入隔离气密封腔，隔离润滑油。其中一部分经过密封进入二级密封排气腔；另一部分由端面进入轴承箱，高点放空。

3.2 主要控制系统参数设置

主密封气过滤器设有差压变送器PDIT-3841，并设定压力0.138MPa（G）的高报警值，当过滤器差压变大时，必须切换进行清理或更换滤芯。主密封气与平衡管设有差压表PDIT-3840，当压差小于0.345 MPa（G）时，增压泵B-3840自启，给主密封气增压，当差压高于0.52 MPa（G）时，增压泵B-3840自动关闭。增压泵漏气压力PSA3842＞0.1MPa（G）时高报警，PSA3842＞0.14MPa（G）时停增压泵。

主密封气的流量表（标准状态）FIT-3840、FIT-3841设有＞5663NL/min高报警、设有＜1614NL/min低报警，此时需要调节流量，泄漏气和Ｎ2通过迷宫密封释放到火炬，流量计流量FA3846/3847＞164.2NL/min高报警；流量计流量FA3846/3847＞235NL/min停机。

级间密封气通过自立式调节阀PCV-3840调节压力，控制级间密封气压力＞0.0655 MPa（G）高报警，＜0.0193 MPa（G）低报警。

隔离气通过自立式调节阀PCV-3841调节压力，隔离气压力PIA-3840＜90kPa（G）低报警。隔离气供气流量表（标准状态）FIT-3844、FIT-3845设有＞184NL/min高报警、设有＜99NL/min低报警。

以上主要参数全部经组态并入ESD系统，可以实现对该密封系统进行监控。

3.3 几点整改

3.3.1 增压泵驱动气源由仪表风改为氮气，因为设计仪表风从管网引来，没有经过过滤和缓冲罐，压力可能会有波动或带液，不利于密封系统的稳定，所以经研究决定改为氮气，并经氮气过滤器过滤后进入密封腔，此氮气是从稳压氮气管网引出，这样既保证了驱动气源清洁度又保证了气源的稳定性。

3.3.2 对所有密封辅助系统工艺管线增加了电伴热线，有效防止了密封气中大分子量气在低温下凝液造成损坏密封的后果。

3.3.3 改造密封气放空系统，原设计排气到火炬，由于火炬有时候有背压，给排出气体造成一定的堵塞，改造后，把气体直接排向大气。

4 运行情况

干气密封投用以来，经历了空负荷试车，氮气负荷试车，两次开停工及仪表假指示造成连锁停车等多种考验，表1是干气密封运行情况，从表中可以看出密封性能稳定，可靠，机组运行平稳，事实证明了干气密封的优越性。

表1 干气密封运行参数

时间

转速/（r/min）

平衡管/密封气差压/MPa

主密封气过滤器差压/MPa

隔离气压力/MPa

二级密封气压力/MPa

增压泵排放压力/MPa

驱动/非驱动端密封气流量/(NL/min)

驱动/非驱动端一级密封气流量/(NL/min)

PDIA3840

PDIA3841

PIA3840

PIA3841

PIA3842

FIA3840

FIA3841

FIA3846

FIA3847

0：00

9401

0.442

0.062

0.112

0.102

0.054

3765.12

3729.68

122.32

112.36

2：00

9398

0.442

0.062

0.112

0.102

0.056

3765.12

3733.25

121.36

111.23

4：00

9400

0.443

0.062

0.111

0.103

0.048

3768.34

3728.34

124.11

113.92

6：00

9403

0.441

0.061

0.113

0.101

0.047

3763.25

3731.86

123.56

114.15

8：00

9402

0.338

0.062

0.114

0.102

0.057

3761.32

3728.49

123.76

113.26

10：00

9402

0.337

0.062

0.099

0.099

0.061

3764.69

3729.67

124.62

112.89

12：00

9399

0.339

0.061

0.100

0.103

0.043

3760.58

3730.47

120.86

112.48

14：00

9397

0.339

0.063

0.100

0.103

0.051

3761.43

3734.26

121.71

111.87

16：00

9401

0.441

0.063

0.098

0.102

0.063

3761.36

3735.29

122.38

111.32

18：00

9401

0.440

0.063

0.114

0.102

0.045

3769.98

3726.15

121.35

112.36

20：00

9403

0.441

0.064

0.108

0.098

0.051

3768.61

3728.19

122.64

112.67

22：00

9499

0.338

0.062

0.102

0.099

0.049

3761.47

3729.92

123.14

113.05

    5 应用过程中注意事项

(1)密封系统在安装时，必须保证管线、梯形槽清洁。

(2)密封气密封室压力至少大于一级排气压力0.03 MPa（G）；级间密封室压力至少大于级间排气压力0.03 MPa（G）。

(3)开机前必须投用干气密封，停机时先停润滑油，后停干气密封，防止润滑油进入干气密封系统中，停机时，密封腔降压速度不超过0.5MPa/min。

(4)在开机过程中，不宜低转速运行时间太长，在正常运转中，应该保持转速恒定，调转速时尽可能缓慢操作，以避免转速波动太大对干气密封产生不良的影响。

6  结束语

该套干气密封的成功应用，证明了干气密封技术是目前最先进的密封技术，寿命可达20000h以上，可靠性高，密封消耗低，避免了密封油系统所特有的缺点，此密封系统操作简单，运行和维护费用较低。

参 考 文 献

[1] 杨富来.干气密封技术及实际应用[J].石油化工设备技术，2004，25（3）：63-66.