GB-701離心式壓縮機干氣密封改造

蔣小東

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

項目評價

GB-701離心式壓縮機干氣密封改造

蔣小東

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

介紹了芳烴裝置GB-701離心式壓縮機軸封采用的機械密封加浮環密封的組合式密封方式，針對該密封方式在裝置生產運行工況發生變化時適應能力較差的問題，為確保機組長周期運行，減少運行成本，在裝置大修期間將GB-701軸封改為干氣密封，取得了良好的運行效果。

離心式壓縮機 軸封 節能 干氣密封

石油化工行業機械設備的密封都存在泄漏問題，造成能源浪費，產品質量下降，環境污染，甚至會釀成火災，引起爆炸，帶來巨大的經濟損失。離心式壓縮機作為化工裝置的重要設備，其運行情況直接影響整個企業。因此，逐步采用先進密封技術，提升密封性能，確保機組的安穩運行是勢在必行的。

1 改造背景

中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部4#芳烴裝置1#異構化GB-701循環氫壓縮機為透平驅動的多級離心式壓縮機，由DEMAG公司制造，型號為08MV2A。原軸封為機械密封和浮環密封的組合并帶有密封油的系統，生產商是德國太平洋公司。1995年4月密封系統以國產替代進口，采用四川日機密封件有限公司的同類型產品。機組正常工作時轉速超過10 000 r/min，而且工藝介質氫氣易燃易爆，危險性大，這就要求壓縮機組軸封可靠性高，使用壽命長，密封泄漏量少，才能保證裝置安全生產和穩定長周期運行。

1.1 原密封缺陷

GB-701循環氫壓縮機原軸封型式為機械密封加浮環密封的組合式密封，靠工藝氣側為機械密封，大氣側為浮環密封。在兩道密封之間引入高于被密封的工藝氣壓力0.2～0.3 MPa的密封油，通過“液封氣”來實現密封目的。機組軸封系統自1995年以國產代進口后，平均使用壽命僅為1～2年，而現在裝置檢修的周期已延長至5年以上，這勢必會嚴重影響裝置的穩定長周期運行。而且該軸封系統適應裝置生產運行變工況能力較差，特別是在大修后開車初期，工藝波動較大。由于機械密封動環的追隨性較差，常常會發生密封面打開后不能自動閉合的情況，使密封油泄漏量大增，影響機組穩定運行。如2003年大修后開車期間，由于工藝參數波動大，使機械密封的密封面打開后沒能自動閉合，密封油泄漏嚴重，酸油量大增，最大時酸油量多達5 000 L/d，而設計值是小于7.2 L/d。后經反復變動壓力和轉速，歷時一個多月才使密封面閉合。

另外，原有機械密封加浮環密封的組合式密封系統相對較復雜，輔助設備和電、儀等自控元件多，造成使用可靠性下降，維護、維修任務較重,運行和維護費用較高。

1.2 干氣密封的優勢

干氣密封是20世紀60年代末期以氣體潤滑軸承概念為基礎發展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型。經過數年的研究，美國約翰·克蘭公司率先推出干氣密封產品并投入工業使用，它是一種新型的非接觸式軸封，適應開停車等變化工況能力強，密封運轉穩定性非常好，具有5年以上的使用壽命，因此能保證裝置安全生產和穩定長周期運行。

針對裝置現場條件和生產工藝要求，再結合當今的密封技術發展態勢，采用串聯式干氣密封是性價比較高的選擇。串聯式干氣密封“以氣封氣”，不需要密封油和冷卻水，省去了封油系統及用于驅動封油系統運轉的附加功率負荷，控制系統也比封油系統簡單，泄漏量小，壽命長，運行和維護費用低，更適應裝置長周期運行的需要。從實施“低成本戰略”角度出發， GB-701機組原軸封系統改為干氣密封是可行的,也是十分必要的。

1.3 干氣密封原理

與普通機械密封相比，干氣密封在結構上基本相同，主要區別在于干氣密封中的一個密封面上有均勻分布的淺槽，深度在8～15 μm。密封旋轉時，由動環產生的黏性剪切力帶動被密封氣體進入螺旋槽內，由外徑朝中心，氣體被壓縮，壓力升高，密封面分開，形成一定厚度的氣膜。由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質作用力形成的閉合力達到平衡，密封面分開3～5 μm[1]，實現非接觸運轉。

采用帶中間迷宮的串聯式干氣密封，第一級干氣密封為主密封，從機組出口端引出工藝氣體(氫氣)經氣液分離、過濾后(精度為1 μm)成為潔凈的氣體作為一級緩沖氣,通過調節閥維持與參考氣0.05 MPa的壓差。大部分一級緩沖氣回流到壓縮機機體內，少量通過第一級干氣密封的端面漏出。第二級干氣密封為輔助安全密封，氮氣經過濾調壓后作為二級緩沖氣,大部分經迷宮密封與由一級密封泄漏過來的工藝氣混合，引入火炬燃燒。剩余少量氮氣由二級密封端面漏出。另引一路氮氣為隔離氣，經過濾調壓后引入后置的梳齒密封，控制其壓力稍高于軸承箱油壓30 kPa，保證干氣密封在潔凈、干燥的環境中運行。該氣體一部分進入軸承箱，另一部分與從第二級密封泄漏的少量氮氣混合，引入安全場所排放。

1.4 改造內容

2012年3月4#芳烴裝置大檢修期間，對GB-701密封系統進行改造，具體實施內容有： 拆除機組原有的軸封系統和相關的油、氣管線； 對機體上所有油、氣通道作清洗、脫脂、吹掃、干燥處理； 重新配制密封氣體管線，不銹鋼管酸洗； 安裝干氣密封組件； 安裝干氣密封系統儀表控制柜，控制系統改造。

2 干氣密封系統的安裝

2.1 現場配管

由于干氣密封采用氣封氣原理，因此連接管路的清潔工作極其重要，尤其是一、二級緩沖氣進氣管道。先用蒸汽吹掃，每根管道的吹掃時間不低于4 h，隨后用沾有丙酮的綢布反復拖拉管道內壁，再用蒸汽吹掃，最后用氮氣吹掃干凈，保證每一根與干氣密封有關的管路清潔，不含有任何顆粒雜質、銹斑、油污。清潔檢驗方法是將白布放在管線出口1 min，觀察白布表面有無黑色的雜質。

此次改造中，所有氣路管線都采用不銹鋼，焊接時采用氬弧焊，所有管線都按照酸洗、蒸汽吹掃、風吹干的順序進行處理，由于一級緩沖氣管路介質為氫氣，還對新配管線進行打壓以及探傷處理。

2.2 本體安裝

機組停機拆解，在推力盤未拆卸時，配合密封廠家技術人員測量機組轉子的工作位置，從而確定干氣密封的工作位置。仔細檢查安裝密封位置的轉子表面以及腔體，確保表面沒有毛刺、劃痕等缺陷。

拆除原密封油系統管路，配合密封廠家技術人員確定改造后各個管路的作用，并用記號筆標出相對應干氣密封控制系統的法蘭編號以及中文名稱，方便配管工作的進行。針對該機組密封位置的腔體的結構，將原密封的內漏油出口作為干氣密封的一級緩沖氣入口，原密封油入口作為一級泄漏氣出口，原密封油出口作為二級緩沖氣入口，原密封的外漏油出口作為二級泄漏氣出口，原密封的氮氣入口不變，作為干氣密封的后置隔離氣入口。

為保證密封的可靠性，安裝工作放在控制系統配管結束后進行，并且管線已經進行了相關處理，與機組連接，控制系統吹掃后進行。該干氣密封為集裝式結構，出廠前已精密地裝配成一體，安裝時整體從軸端裝入機組殼體內，便捷且軸向定位準確，避免了現場重新拆卸組裝時引起的裝配精度下降以及環境中的粉塵等雜質對密封的影響。安裝時在密封系統廠家技術人員的指導下對各檔尺寸進行測量，通過調整墊確定密封的工作位置。

該密封安裝尺寸完全根據原密封尺寸設計，與密封相關部分不做任何修改，可保證萬一發生不正常運行情況時能夠立即恢復原軸封狀態。

2.3 質量保證

在氣源與干氣密封控制系統儀表柜間有一工藝氣預處理系統，作用是除去因溫度降低而冷凝的烴類凝縮物以及水氣，提高密封可靠性。

干氣密封雖然在工作時端面為非接觸，但在開停車時仍會有短暫的接觸而產生輕微磨損，這就對密封材料提出了很高的要求。此次GB-701干氣密封采用進口高致密浸漬金屬石墨作為摩擦副的靜環材料，國產優質高強度硬質合金作為動環材料，該兩種材料具有很高的抗拉強度、彈性模量、熱導率及硬度，較低的線膨脹因子，可保證機械變形和熱變形極小，該組對應用于高參數干氣密封已有成熟的經驗。

密封的動、靜環經嚴格粗磨、精磨、研磨、拋光、控制端面平面度小于0.6 μm[2]，所有零件的尺寸、形狀、位置公差均要求比普通機械密封標準高1～2個等級。動環轉子做動平衡試驗，達到平衡品質等級G1.0[3]。動、靜環均作探傷檢測及摩擦磨損試驗，靜環作氣密性試驗，另外還進行了彈簧的疲勞性以及橡膠的耐蝕性等若干相關性能檢測試驗,提高了密封組件的質量保證水平。

3 干氣密封運行維護

3.1 控制系統

GB-701改為干氣密封以后，將原軸封的控制系統全部取消。干氣密封系統測量儀表在現場檢測的同時，對重要測量點采集的信號輸出至控制室，并設置相應高低限位報警，使操作人員能及時了解密封的運行情況，確保該系統的可靠運行。安裝在現場的儀表全部為本質安全型，并帶防浪涌功能，防爆等級iaⅡCT4，接線盒為隔爆型，防爆等級dⅡCT4。壓力、流量、差壓變送器均輸出4～20 mA模擬信號送入集散控制系統(DCS)，信號超限時，DCS輸出報警信號進行聲光報警，達到連鎖停車值時，即時停車。

GB-701干氣密封系統測量、報警及聯鎖如下。

(1)過濾器壓差

PDT7404測量一級緩沖氣過濾器前后差壓，PDT7406測量氮氣過濾器前后差壓，高報值為0.08 MPa。

(2)一級緩沖氣與參考氣差壓

由差壓變送器PDT7402測量，設計正常值0.1 MPa，低報值為0.02 MPa。

(3)氮氣壓力

由壓力變送器PT7410進行測量，正常值為0.6 MPa，低報值為0.3 MPa。

(4)一級泄漏氣壓力

由壓力變送器PT7411、PT7413分別測量進口端和出口端一級泄漏氣壓力，設計正常值為0.06 MPa，高報值為0.1 MPa,高高報值為0.2 MPa。

(5)一級泄漏氣流量

由金屬管浮子流量計FT7412、FT7414分別測量進口端和出口端一級泄漏氣流量，設計正常值6.5 m3/h，高報值為13 m3/h，高高報值為26 m3/h，低報值為3 m3/h。

(6)聯鎖停車

一級泄漏氣流量FT7412、FT7414的高高報值26 m3/h與一級泄漏氣壓力PT7411、PT7413的高高報值0.2 MPa二取二作為聯鎖停車信號。

3.2 啟動程序

(1)機組潤滑油系統投用前，先開啟干氣密封控制系統，并按照先投用一級緩沖氣，再投用二級緩沖氣、最后隔離氣的順序開啟。停機時先停機組潤滑油系統，約20 min后停先隔離氣，后停二級緩沖氣，最后停一級緩沖氣。

(2)在壓縮機出口關閉的前提下，通入開機氮氣作為一級緩沖氣，關閉二級緩沖氣，對一級密封進行靜壓試驗。此時流量計FT7412、FT7414讀數應為0。如流量超過0.2 m3/h，應查找原因。

(3)靜壓試驗通過后，按照前述的控制系統操作步驟將控制系統投入使用，檢查各測點參數情況，應在正常工作范圍內，此時密封及系統準備就緒。

(4)按照機組操作說明啟動潤滑油系統。

(5)按壓縮機操作規程啟動壓縮機。由于干氣密封是以動壓力迫使密封面脫離接觸，而低速旋轉產生的動壓力卻不能使密封面分離。因此在壓縮機暖機時，應注意轉速不低于1 000 r/min，并且盡可能縮短暖機時間，以避免因壓力過低導致動靜環密封面發生摩擦損傷。

3.3 日常維護

每天觀察一級泄漏氣流量，如有增加的趨勢，可能預示著密封有失效的可能。通常應注意以下幾點：

(1)因為密封的流體動壓槽為單向螺旋槽，密封單向旋轉，禁止反向旋轉；

(2)確保緩沖氣穩定，維持氣源穩定是干氣密封正常運行的基本條件；

(3)正常運轉時關閉開車氮氣的總閥門，防止工藝氣滲漏到氮氣管道中；

(4)過濾器壓差達到報警值時應及時切換，并更換濾芯；

(5)當聚結器液位報警時對聚結器里的液體進行排放。

4 改造效果

從2012年4月密封改造開車以來，GB-701干氣密封系統運行情況一直保持平穩狀態：進口端一級泄漏氣流量為7 m3/h，壓力為0.057 MPa，出口端一級泄漏氣流量為8 m3/h，壓力為0.056 MPa，各值均在正常范圍內，并未出現因機組軸封系統出現故障而導致的機組停車情況，干氣密封系統的良好運行確保了GB-701機組的長周期運轉。

項目實施后，在節能方面也取得不小的成績。壓縮機密封油系統取消后，密封油冷卻器停用，按冷卻器用水量為1 t/h計算，循環冷卻水按0.4元/t價格計算，機組密封油系統可以每年節約循環水費用1×24×365×0.4=3 504元。

密封油泵停用，原密封油泵驅動汽輪機消耗1.3 MPa蒸汽(按0.75 t/h計算)，干氣密封改造后，每年節約蒸汽6 570 t。蒸汽按38元/GJ計算, 全年共節約蒸汽成本：0.75×24×365×3.176 8×38=793 120元。

采用干氣密封以后，不再消耗密封油，按GB-701原使用密封油(32#汽輪機油)每月消耗4.5桶，每桶1 495.75元計算，全年節約密封油成本：4.5×12×1 495.75=80 770元。

新增干氣密封系統消耗氮氣約40 m3/h，按491.84元/t價格計算，每1 m3氮氣單價為0.615元，每年消耗氮氣費用40×24×365×0.615=215 496元。

使用干氣密封一年可節約3 504+793 120+80 770-215 496=600 698元。

5 結語

GB-701密封形式改為干氣密封以來，不僅保證機組密封質量，確保機組平穩運行，還在節能 “低成本戰略”有良好表現，此次 GB-701干氣密封改造比較成功。

[1] 王金剛．石化裝備流體密封技術[M] ．北京：中國石化出版社，2007．

[2] 王福利．壓縮機組[M]. 北京：中國石化出版社，2012．

[3] 王書敏．離心式壓縮機技術問答[M] ．北京：中國石化出版社，2012．

Dry Gas Seal Transformation for GB-701 Centrifugal Compressor

Jiang Xiaodong

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

The combined seal manner of mechanical seal plus modular floating ring seal for shaft of GB-701 centrifugal compressor in aromatics plant was introduced. In view of the poor adaptability of this seal manner in changing of plant production operating conditions, in order to ensure the long-term operation of unit and reduce operating cost, the shaft seal manner of GB-701 was transformed to dry gas seal during the overhaul, which achieved good operating results.

centrifugal compressor, shaft seal, energy conservation, dry gas seal

2015-08-24。

蔣小東，男，1986年出生，2009年畢業于江蘇工業學院過程裝備與控制工程專業，學士學位，工程師，長期從事化工機械設備管理工作。

1674-1099 (2015)05-0014-04

TH452

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