BCL405/A循環氫壓縮機高壓干氣密封改造

柴連滿

（中石油錦西石化分公司機械動力處，遼寧 葫蘆島 125001）

BCL405/A循環氫壓縮機是中石油錦西石化分公司加氫改質裝置的關鍵動力設備，機組原軸封為兩級浮環的組合式密封。BCL405/A循環氫壓縮機主要技術參數見表1。

表1

最大連續轉速12075r/min、工作轉速10321r/min、啟機轉速1000r/min、密封軸徑105mm、旋向CW(從驅動機側看)。

一、機械浮環組合密封結構分析

BCL405/A循環氫壓縮機原軸封采用的是兩級浮環密封的組合密封。它靠介質側為內浮環，大氣側為外浮環。在內外浮環之間引入高于工藝氣一定壓力(約50kPa)的封油，通過旋轉時浮環與軸之間產生的微小間隙變化形成的壓力油膜產生節流降壓作用，達到密封目的。

浮環密封屬于液體節流式非接觸密封，雖可用于高速高壓條件，但它的封液系統較復雜，輔助設備以及電、儀等自控元件多，造成可靠性下降，維護、維修工作量大，而且停車時密封作用較差,內漏量較大。同時，浮環對軸表面有磨損，維修不便。

浮環密封泄漏的少量密封油與工藝氣混合后被送入到酸性油收集器，氣體從油中分離出來，回到壓縮機入口，油被排放到脫氣槽處理后返回到油箱。在允許最大泄漏量范圍內，密封油均可通過處理后返回油箱，超過該范圍的密封油將往壓縮機缸體里泄漏，對工藝影響較大。

二、干氣密封原理

干氣密封在運轉時是利用流體動壓槽產生的流體動壓力與流體靜壓力和彈簧元件彈力之合力的平衡，在動靜環摩擦副之間形成一定厚度的氣膜，達到密封的目的。

氣膜剛度是衡量干氣密封穩定性的技術指標。氣膜剛度是指氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗波動、抗外界干擾能力越大，密封運行越穩定。氣體密度越大、溫度越高、軸轉速越高、氣膜剛度越大。

干氣密封設計就是以獲得最大的氣膜剛度為目的(圖1）。

圖1 壓縮機干氣密封受力分析圖

影響干氣密封性能的主要因素如下。

(1)動壓槽形狀及深度：理論研究表明，對數螺旋槽產生的流體動壓效應最強，氣膜剛度最大，穩定性最好。因此，絕大多數干氣密封都以深度為3～10μm的對數螺旋槽作為密封動壓槽。

(2)動壓槽數量、寬度及長度：干氣密封動壓槽數量越多，動壓效應越強。但當動壓槽達到一定數量后再增加槽數時，對干氣密封性能影響已經很小。此外，動壓槽的寬度、長度對密封性能都有一定的影響。

(3)操作參數對密封泄漏量的影響：軸徑越大、轉速和壓力越高，干氣密封的泄漏量越大。此外，介質溫度對密封泄漏量的影響是通過溫度對介質黏度影響而形成的，其對密封泄漏量的影響不大。

三、循環氫壓縮機干氣密封改造方案

1.干氣密封結構

符合API617標準的離心式壓縮機干氣密封常用結構有單端面密封、雙端面密封、串聯式密封以及帶有迷宮的串聯式密封。分析以上幾種干氣密封結構特點，結合BCL405/A循環氫壓縮機具體工作條件及機組結構特點，把其軸封型式設計成串聯式封結構，其結構簡圖見圖2。

圖2 改造后干氣密封結構簡圖

該串聯式干氣密封由兩級干氣密封一前一后串聯組成，前后干氣密封之間設有中間梳齒。干氣密封正常工作時密封氣為壓縮機出口的工藝氣，氮氣作為開車氣體。前密封承受工藝的絕大部分壓力，密封介質為工藝氣；后密封承受很小的壓力，密封介質為氮氣。前密封失效時后密封可以承受全部系統壓力，起到備用密封的作用。串聯式干氣密封的前密封工作氣體為經過過濾的工藝氣，經過一級干氣密封，只有很微量的氫氣隨同絕大部分的二級密封氣(氮氣)經一級泄漏出口排向火炬。中間二級密封氣采用氮氣。在大氣側有隔離氣保護，防止軸承潤滑油竄入，影響干氣密封性能，隔離氣采用氮氣。

一般情況下，密封氣都采用從壓縮機出口引出的介質氣體，可以保證密封的壓力始終高于密封腔壓力，密封氣任何時候都能注入密封端面，避免密封面之間出現干摩擦現象。從壓縮機出口引出的介質氣體作氣源，壓力、流量都比較穩定，受外界因數影響很小，不會出現達不到要求的情況。但是BCL405/A循環氫壓縮機干氣密封改造時，由于從壓縮機出口引出的循環氫氣中含水蒸氣、油霧等，會加快密封失效，因此必須進行清除。

2.端面材料選擇

干氣密封啟動和停車過程中，或者在運行過程中受到某些干擾時，會發生端面短暫的接觸，因此要求密封端面材料在短暫接觸時不會損壞。由于密封元件要與介質接觸，因此要求選擇的材料具有耐介質的腐蝕、耐熱與抗熱裂性能好、導熱性系數高、熱膨脹系數小、能承受短時間干摩擦的良好的綜合性能。旋轉件材料如動環材料還要求能承受高速離心力的作用。

高速旋轉的動環離心應力很大，材料密度大制成的動環離心應力相對大，而小密度材料制成的動環離心應力相對較小。碳化硅密度小（約為硬質合金1/4）離心應力小，還具有優良的耐熱沖擊性能、高導熱系數、在工藝介質中耐腐蝕、與其他材料配對具有極小的摩擦系數等優點，所以選用無壓燒結碳化硅作動環。靜環選用進口重載碳石墨，這種材料在介質中耐腐蝕、具有較高的抗壓強度、孔隙率小、導熱系數高、熱膨脹系數小、與碳化硅組對摩擦系數小，具有良好的摩擦相容性。

3.干氣密封控制系統

控制系統是干氣密封的重要組成部分，其主要作用是為干氣密封提供干凈的氣體(過濾精度1μm)和監視干氣密封的運轉情況，確保干氣密封長周期運行。循環氫壓縮機采用獨立的干氣密封控制系統，系統由以下五個部分組成(見圖3)。

過濾及調節單元。由于干氣密封工作時形成的氣膜厚度在3μm左右，氣體中如果含有顆粒雜質會損壞密封面，對干氣密封的正常運轉產生很大的影響。因此，供給干氣密封的氣體需要非常干凈，通常用高精度過濾器來達到這一目的。精過濾器帶有壓差高值報警指示。干氣密封密封氣的控制采用壓差控制，密封氣控制的目的是防止工藝介質中的顆粒介質竄入干氣密封而造成密封失效。采用壓差控制的辦法最直接有效，自動化程度更高，氣動薄膜調節閥可以始終保證密封氣與平衡管保持設定的壓差，防止缸體內介質反竄進入干氣密封。

監控單元。采用監測孔板前后壓差來對干氣密封一次泄漏進行監測。

二級密封氣單元。二級密封氣(氮氣)從兩級干氣密封之間注入，保證串聯式干氣密封泄漏出的介質氣全部通過一次泄漏排放到火炬，后密封泄漏出的氣體僅僅是氮氣，則可直接排空。二級密封氣為氮氣，其用量控制在每套密封5m3/h左右。

圖3 干氣密封系統（P&ID）

隔離氣單元。隔離氣的作用是防止潤滑油竄入密封腔對后密封造成影響，對干氣密封起保護作用。該控制系統每套干氣密封隔離氣(氮氣)的用量控制在10m3/h。

除濕單元。一級密封氣是工藝氣，氣體中含有水蒸氣、油霧等有害物質，盡管在上述的控制系統中有1～3μm的精過濾器，但任何專門設計的凝聚式過濾器也不能除去超過0.1%的水蒸氣和其他凝聚物。這些物質是干氣密封長期運行的極大隱患，必須利用除濕系統除去。為了給干氣密封提供干凈、干燥的密封氣，壓縮機出口工藝氣進入系統后首先經過氣液分離器。氣液分離器能將氣體中的液體(如凝縮油、水等)和固體顆粒除去。

四、計算結果(引用成都一通密封有限公司計算程序包)

干氣密封動壓槽采用對數螺旋槽。

螺旋槽數：12 螺旋角：16°

端面比壓 Pb=14.57207bar

干氣密封平衡系數 BALANCE=6.500000×10-1

內徑（半徑）Ri=0.05950m

外徑（半徑）Ro=0.07750m

密封內徑處壓力Pi=1.00000bar

密封外徑處壓力Po=99.50bar

轉速=10321.00000r/min

氣膜厚度H0=0.470000×10-5m

密封端面上平均氣膜反力Pm=79.659520bar

密封端面氣膜承載力W=62958.34000N

泄漏量Q=0.364810×10-4L/h

干氣密封彈簧力Fspring=133.333600N

扭矩M=0.6106154N·m

消耗功率=65.99607000W

摩擦系數FRICTION=0.387675×10-4

五、模擬試驗結果

設計的BCL405/A循環氫壓縮機干氣密封在試驗臺上進行了旋轉組件的動平衡試驗；對SiC環作了超速試驗；密封組件在模擬條件下進行了靜態、動態試驗。

干氣密封模擬靜態試驗泄漏量(15.7MPa)：一級≤6.0m3/h，二級≤0.15m3/h。

模擬動態試驗在正常工作狀況(9.95MPa、轉速12075r/min、室溫)，一級密封泄漏量為：一級≤10.0m3/h，二級≤0.2m3/h。一級密封泄漏量與理論計算基本吻合。

試驗完畢，對干氣密封解體檢查，摩擦副完好、端面無任何接觸痕跡。試驗證明，設計的循環氫壓縮機干氣密封能滿足現場使用要求。

2011年7月，利用加氫改質裝置停工檢修的機會，干氣密封安裝在循環氫壓縮機上進行應用考核，7月20日開機至今，干氣密封一直運轉穩定、干氣密封系統完全可靠，運行參數達到設計要求。壓縮機密封成功改造成干氣密封為壓縮機的穩定運行消除了隱患。

六、效益分析

BCL405/A循環氫壓縮機干氣密封改造成功后，將實現如下效益。

1.直接效益

(1)密封油泵停用，年節電37kW×24×365×0.5=16.2萬元。

(2)密封油濾油機給其他裝置使用，節省費用15萬元。

(3)運轉周期長、故障少，每年減少維修0.5次，合計20萬元。

(4)每年節省密封油8t，合計5.6萬元。

每年直接效益合計56.8萬元。

2.間接效益

(1)故障率低，杜絕裝置非計劃停車。

(2)干氣密封壽命長，確保裝置長周期運行。

七、結束語

中石油錦西石化分公司BCL405/A循環氫壓縮機高壓干氣密封的成功改造，建立了適合循環氫壓縮機軸封的干氣密封及其控制系統，為干氣密封在高壓循環氫壓縮機上的進一步應用奠定了基礎，填補了國產高壓干氣密封的空白。

[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].機械工業出版社，2001.

[2]王汝美.實用機械密封技術問答(第二版)[M].中國石化出版社，2004.

[3]陳匡民.董宗玉.陳文梅.流體動密封[M].成都科技大學出版社，1990.

[4]陳德才.崔德容.機械密封設計制造與使用[M].機械工業出版社，1993.

[5]成大先.機械設計手冊單行本，潤滑與密封[M].化學工業出版社，2004.