采用干氣密封淘汰落后的密封油密封

2010-03-10 陳春生中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼陽(yáng)石化分公司煉油廠

　　隨著石油化工及能源工業(yè)的發(fā)展,對(duì)離心壓縮機(jī)的性能要求越來(lái)越高,對(duì)軸封的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。離心壓縮機(jī)傳統(tǒng)的軸封形式及發(fā)展過(guò)程是:迷宮密封、浮環(huán)密封、接觸式機(jī)械密封,非接觸式密封。迷宮密封及浮環(huán)密封因氣體泄漏量太大,已逐漸停止使用。目前,國(guó)內(nèi)使用較多的是機(jī)械浮環(huán)組合密封,或者是雙端面機(jī)械密封,它們都是通過(guò)密封潤(rùn)滑油來(lái)達(dá)到密封氣體的目的。這類密封有一個(gè)很大的缺點(diǎn),即要求有復(fù)雜的密封油系統(tǒng),能耗較大,而且必然有少量的密封油泄漏后進(jìn)入工藝氣體。干氣密封的出現(xiàn),是密封技術(shù)的一次革命,氣體密封的難題得以解決,而不會(huì)再受到密封潤(rùn)滑油的限制。干氣密封所需的氣體控制系統(tǒng)比接觸式密封的油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多^[1]。

　　遼陽(yáng)石化分公司煉油廠加氫裂化和加氫精制裝置中使用的離心壓縮機(jī),采用了兩種不同類型的密封形式。加氫裂化的離心壓縮機(jī)C1101 ,采用的是TBS(阻抗套密封) 密封,密封介質(zhì)為密封油;加氫精制裝置的離心壓縮機(jī)C5102 ,采用的是干氣密封。下面對(duì)干氣密封的先進(jìn)性做一個(gè)淺顯的分析。

1、采用密封油為密封介質(zhì)的密封

　　浮環(huán)密封、機(jī)械浮環(huán)組合式密封、機(jī)械密封、阻抗套密封等都是采用密封油為密封介質(zhì)的密封。以浮環(huán)密封為例,其主要由內(nèi)浮環(huán)、外浮環(huán)、彈簧、密封圈和防轉(zhuǎn)銷(xiāo)等元件組成。機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中,密封系統(tǒng)提供高于入口氣體壓力0.05～0.07MPa 的密封氣,同時(shí)還提供比密封氣高0.05～0.07MPa 的密封油。密封油注入浮環(huán)密封腔后,沿浮環(huán)間隙向內(nèi)浮環(huán)里側(cè)和外浮環(huán)外側(cè)泄漏。由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),流入浮環(huán)間隙內(nèi)的封油形成了油膜,一方面將浮環(huán)抬起,使浮環(huán)與軸頸間實(shí)現(xiàn)液體潤(rùn)滑;另一方面由于油膜充滿整個(gè)浮環(huán)間隙,所以可阻止氣體介質(zhì)的外漏,起到了密封的作用。經(jīng)內(nèi)浮環(huán)間隙流至內(nèi)浮環(huán)腔的封油與氣體的混合物,沿封油內(nèi)回油管路流至油氣分離器,分離后的油返回油箱,氣體放火炬。經(jīng)外浮環(huán)間隙流至外浮環(huán)腔的封油,直接回油箱^[2] 。密封油系統(tǒng)主要由油箱、油泵、過(guò)濾器、冷卻器、高位油箱、管路、閥門(mén)和控制儀表等組成。由于浮環(huán)密封屬于非接觸式密封,壽命長(zhǎng),可靠性較高,適用于高速和各種壓力等級(jí)的工況,應(yīng)用范圍廣,正是這樣使浮環(huán)密封成為危險(xiǎn)性工藝氣體壓縮機(jī)軸端密封的傳統(tǒng)形式。

　　加氫裂化裝置的離心壓縮機(jī)上使用的TBS(阻抗套密封) 密封,比浮環(huán)密封在性能上要先進(jìn)得多,但是仍然采用密封油作為密封介質(zhì),也存在著與浮環(huán)密封相似的特點(diǎn),尤其是在開(kāi)機(jī)前、后和開(kāi)機(jī)過(guò)程中,內(nèi)封油泄漏量很大,只有在轉(zhuǎn)速達(dá)7000r/ min 后才完全起作用, 內(nèi)漏量大大減小。另外,還有機(jī)械浮環(huán)組合式密封、機(jī)械密封等,這種以密封油為密封介質(zhì)的密封發(fā)展到現(xiàn)在,雖然通過(guò)不斷地改進(jìn)和發(fā)展,但始終還在著以下的

缺點(diǎn):

　　(1) 占地面積大,投資大。由于內(nèi)泄漏量較大,回收處理內(nèi)泄漏油的設(shè)備復(fù)雜,包括油氣分離器、脫氣槽等控制系統(tǒng)。整個(gè)密封油系統(tǒng)的價(jià)格約占?jí)嚎s機(jī)總價(jià)的30 % 左右(國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)均是如此)。

　　(2) 故障多,增大了計(jì)劃外維修費(fèi)用和生產(chǎn)停車(chē),密封油控制系統(tǒng)復(fù)雜。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì),離心壓縮機(jī)失效原因中,封油和潤(rùn)滑油系統(tǒng)的故障占55 %～65 %。加氫裂化裝置在首次開(kāi)工期間,就是由于密封油系統(tǒng)故障,使壓縮機(jī)無(wú)法開(kāi)機(jī),導(dǎo)致裝置不能如期開(kāi)工,造成很大損失。

　　(3) 密封油系統(tǒng)能耗高,維護(hù)費(fèi)用高。加氫裂化裝置壓縮機(jī)每次開(kāi)、停,需密封油5 桶之多,近萬(wàn)元。

　　(4) 操作和維護(hù)工作量大,給操作人員帶來(lái)不便。

2、干氣密封的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　加氫精制裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)C5102 為美國(guó)進(jìn)口的361B9 離心壓縮機(jī),由汽輪機(jī)帶動(dòng),其配套軸封選用John Crame 公司的T28 型干氣密封系統(tǒng)。

　　典型的干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示,由旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成。

干氣密封結(jié)構(gòu)示意

圖1 　干氣密封結(jié)構(gòu)示意

　　圖2 所示為干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖,旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面經(jīng)過(guò)研磨、拋光處理,并加工出有特殊作用的流體動(dòng)壓槽。

　　干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí),密封氣體被吸入動(dòng)壓槽內(nèi),由外徑朝著中心。徑向分量朝著密封堰流動(dòng)。由于密封堰的節(jié)流作用,進(jìn)入密封面的氣體被壓縮,壓力升高。在該壓力作用下,密封面被推開(kāi),流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜,此氣膜厚度一般在3μm 左右。氣體動(dòng)力學(xué)研究表明,當(dāng)干氣密封兩端面間的間隙在2～3μm 時(shí),通過(guò)間隙的氣體流動(dòng)層最為穩(wěn)定。這也就是為什么干氣密封氣膜厚度設(shè)計(jì)值選定在2～3μm 的主要原因。當(dāng)氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時(shí),該氣膜厚度穩(wěn)定。正常條件下,作用在密封面上的閉合力(彈簧力和介質(zhì)力) 等于開(kāi)啟力(氣膜反力) ,密封工作間隙為設(shè)計(jì)間隙。當(dāng)受到外部干擾,氣膜厚度減小,則氣膜反力增加,開(kāi)啟力大于閉合力,迫使密封工作間隙增大,恢復(fù)到正常值。相反,若密封氣膜厚度增大,則氣膜反力減小,閉合力大于開(kāi)啟力,密封面合攏恢復(fù)到正常值。因此,只要在設(shè)計(jì)間隙范圍內(nèi),當(dāng)外部干擾消失以后,氣膜厚度就可以恢復(fù)到設(shè)計(jì)值^[1] 。

干氣密封端面動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)示意

圖2 　干氣密封端面動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)示意

3、干氣密封的氣體工藝流程及控制系統(tǒng)

　　干氣密封的氣體工藝流程如圖3 所示。排氣端的密封口N1 通過(guò)平衡管連接到進(jìn)氣端的密封口N1 ,這樣兩個(gè)密封裝置(進(jìn)氣端、排氣端) 內(nèi)側(cè)有相似的截面壓力。密封口D1 通過(guò)管子連接,將密封參考?xì)鈮毫σ矫芊鈿鈮翰羁刂破?現(xiàn)密封控制臺(tái)上) ,控制口應(yīng)保持密封口A1 處密封氣壓力高于D1 處壓力69kPa 。壓縮機(jī)排出氣體以壓力不大于9500kPa 、溫度為121 ℃的條件,進(jìn)入密封控制臺(tái),該氣體按550m3/h 的設(shè)計(jì)流量通過(guò)3μm 的雙向過(guò)濾器,然后經(jīng)控制閥將壓力調(diào)至參考值69kPa 。B1 為一級(jí)泄漏口,由管線引出后分兩路:一條通過(guò)流量測(cè)量原件(為密封泄漏量報(bào)警提供一次參數(shù)) ,并排放至公用放空管線;另一條通過(guò)一個(gè)防爆膜亦排放至公用放空管線,該管線內(nèi)壓力信號(hào)引至控制臺(tái)上的壓力開(kāi)關(guān),壓力超高機(jī)組停車(chē)。該防爆膜在22. 2 ℃下,破裂壓力為(145 ±21) kPa ,放空線背壓小于等于34. 5kPa 。密封口E1 與從密封控制臺(tái)來(lái)的隔離氮?dú)夤芫€相連接,隔離氮?dú)庖愿哂贑1 口20. 7kPa 的壓差,由E1 口注入,氮?dú)夥謨陕纷?一部分由C1 口隨二級(jí)泄漏線排至大氣中;另一部分沿軸向竄出,隨軸承處潤(rùn)滑油呼吸口排至大氣中。

圖3 　干氣密封的氣體工藝流程

4、干氣密封的操作

　　(1) 離心壓縮機(jī)的有關(guān)工藝參數(shù)型號(hào):361B9 ;介質(zhì):氫氣、烴混合物;流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) :110000m3/h ;轉(zhuǎn)數(shù):9831r/min ;入口壓力:7.2MPa ;出口壓力:9.05MPa ;入口溫度:40.0 ℃;出口溫度:65.0 ℃。

　　(2) 干氣密封的操作控制

　　在機(jī)組開(kāi)機(jī)前首先引入壓力為690kPa ,溫度小于66 ℃且干燥清潔的氮?dú)?經(jīng)調(diào)節(jié)器PDI2954調(diào)節(jié)后進(jìn)入壓縮機(jī),氮?dú)饬髁?標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 在47～94m3 /h ,壓差值控制在20. 7kPa ,此壓差值低至6. 9kPa 報(bào)警,然后引密封氣(由機(jī)組的出口管線上) 至過(guò)濾處,并檢查過(guò)濾器壓差,若該壓差大于138kPa 則過(guò)濾器壓差高報(bào)警,密封氣經(jīng)調(diào)節(jié)器PDIC2952 調(diào)節(jié)后進(jìn)入壓縮機(jī)密封腔,壓差值控制在69kPa ,此壓差值低于20. 7kPa 則報(bào)警。觀察FE2955 ,FE2956 所示密封氣排氣流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ,正常情況下為3. 7m3 / h ,流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 高于17m3 / h 則報(bào)警,壓差值達(dá)到6. 9kPa 也報(bào)警。另外當(dāng)PSHH2955 , PSHH2956 處的排氣壓力高至104kPa 則聯(lián)鎖停機(jī)。

5、干氣密封維護(hù)的注意事項(xiàng)

　　(1) 密封氣必須保持干凈、干燥;

　　(2) 密封氣的壓力必須高于被密封介質(zhì)的壓力;

　　(3) 潤(rùn)滑油運(yùn)行前必須先投隔離氮?dú)夂兔芊鈿?

　　(4) 應(yīng)避免轉(zhuǎn)子在低于1000r/ min 的轉(zhuǎn)速下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),以保證在動(dòng)、靜環(huán)間形成一個(gè)穩(wěn)定的氣體膜;

　　(5) 防止機(jī)組轉(zhuǎn)子倒轉(zhuǎn),螺旋槽的設(shè)計(jì)具有方向性。氣體只有沿螺旋槽設(shè)計(jì)方向進(jìn)入,才能產(chǎn)生開(kāi)啟力,使動(dòng)、靜環(huán)脫離接觸。如果機(jī)組轉(zhuǎn)子倒轉(zhuǎn),則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)、靜環(huán)直接接觸發(fā)生干摩擦,產(chǎn)生大量的熱,很快就會(huì)把密封燒壞。