離心壓縮機干氣密封用氣需求及保障措施

余 化，徐建民

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

離心壓縮機干氣密封用氣需求及保障措施

余 化，徐建民

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

介紹了離心壓縮機干氣密封的工作原理和優點，闡述了干氣密封工作流程和用氣需求，提出了保障干氣密封穩定運行的安全措施。

離心壓縮機；干氣密封；安全措施

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

隨著國內石油化工的蓬勃發展，越來越多的離心式壓縮機被用于壓縮各種介質組成的氣體，非接觸式的干氣密封因其密封性能好、壽命長、無需密封油系統、功耗低、操作簡單及運行維護費用低等優點，逐漸成為離心壓縮機密封形式的主流。鑒于干氣密封對密封氣的潔凈度和干燥度的要求，工廠正常生產時通常采用壓縮機出口工藝氣作為干氣密封一級密封氣，而采用氮氣作為干氣密封二級密封氣和隔離氣；開、停車時全部采用氮氣作為干氣密封用氣來源。密封氣如果斷供將引起干氣密封失效甚至損毀，影響壓縮機的可靠性，并造成重大經濟損失。某煤制燃料項目凈化裝置CO2壓縮機和丙烯壓縮機均采用約翰克蘭公司生產的干氣密封，本文以該干氣密封為例說明其工作原理、工作流程、氣源要求及采取的保障措施。

1　干氣密封工作原理及優點

1.1干氣密封工作原理

干氣密封是采用“以氣封氣”、流體動靜壓結合的非接觸式機械密封，其在密封面上加工出一定形式的淺槽，槽深一般在3～10μm之間，當兩個密封面做相對轉動時，通過淺槽產生流體動壓效應，在密封端面間形成一層厚度為2～5μm的氣膜，從而使密封工作在非接觸狀態下，干氣密封工作原理見圖1［1］。干氣密封的氣膜厚度雖然很薄，但剛度很大，一旦出現外界干擾使密封面間隙變化時，能迅速恢復到原來的平衡位置，具有很強的抗外界干擾能力。

圖1　干氣密封工作原理

1.2 干氣密封結構形式

常見的干氣密封根據被密封工藝介質的性質，可采用單級密封或者兩級密封串聯的結構形式。

（1）單級密封。只使用一個干氣密封抑制被密封介質的泄漏，結構簡單。采用這種結構會有少量被密封介質向大氣泄漏，泄漏量的大小與氣體溫度、轉速、壓力、密封軸徑等有關系。該結構多用于那些被壓縮介質允許直接向大氣排放，對環境無任何污染的場合，如空氣、氮氣等。

（2）兩級密封串聯。串聯式干氣密封由兩組單端面干氣密封同向串聯布置。串聯式干氣密封使用壓縮機出口工藝氣作為一級密封氣，會有少量的工藝氣從一級密封泄漏，泄漏的少量工藝氣經由二級密封腔的泄漏排放口被引入火炬燃燒掉或通過回收裝置回收。二級密封泄漏到大氣中的工藝氣體幾乎為零。在二級干氣密封與軸承側之間設計迷宮密封，并通入隔離氣，隔離氣可以將二級密封泄漏的、含極其微量的工藝氣體進行稀釋，并引到高點排放，防止微量有害氣體直接泄漏到現場。

隔離氣的另外一個作用就是阻止軸承潤滑油進入干氣密封，確保干氣密封正常運行。

1.3干氣密封優點

干氣密封的工作原理決定了其有如下優點。

（1）運轉時密封面不直接接觸，避免了摩擦，所以密封面基本沒有磨損，發熱量小，使用壽命長。

（2）同其他非接觸式密封相比，干氣密封端面會形成氣體膜并有一定的硬度，從而阻止介質泄漏，可以實現介質對大氣的零泄漏。特別適用于高速、高壓和有毒有害環境下的氣體密封。

（3）省去了價格昂貴、操作復雜、維修不便的密封油設備；具有質量輕、占地面積小的特點。

（4）消除了密封油對工藝回路污染的可能性，可確保被密封介質不受潤滑油污染。

（5）操作簡單可靠，設計不同的密封結構可適用于不同轉速、不同壓力下的工況條件，運行和維護費用低。

2　干氣密封工作流程

以該項目丙烯壓縮機為例，干氣密封采用串聯密封，包括兩級密封氣、隔離氣和一級火炬氣工作流程，見圖2［2］。

圖2　干氣密封工作流程

2.1一級密封氣流程

丙烯壓縮機正常運行時，采用壓縮機出口丙烯氣作為一級密封氣源，該氣源經一開一備的兩臺過濾器過濾，達到1μm精度。然后經調壓閥將其壓力調整高于機組平衡管和火炬系統壓力后進入一級密封腔腔體。

一級密封氣主要作用是阻止壓縮機內不潔凈氣體外竄污染密封端面。絕大部分密封氣經機組迷宮返回到壓縮機內，少量密封氣經密封端面泄漏至一級密封排氣腔去火炬排放。

機組開停車時將8.1 MPa（g）高壓氮氣減壓至3.0MPa（g），作為一級密封氣的備用氣源。

2.2二級密封氣流程

二級密封氣和隔離氣的氣源均為8.1 MPa（g）高壓氮氣。8.1 MPa（g）高壓氮氣經減壓閥調整壓力至3.0MPa（g），再經自力式減壓閥再次減壓到0.7 MPa（g），經過濾器過濾達到1μm精度，然后分為4路，其中2路作為二級密封氣進入二級密封腔體。

二級密封氣主要作用是阻止從一級密封端面泄漏的工藝氣進入二級密封端面，其絕大部分氣體經中間迷宮與一級密封泄漏氣混合后放火炬，少量經二級密封端面泄漏后安全放空。

2.3隔離氣流程

從8.1MPa（g）減壓至0.7MPa（g）的氮氣經過濾后，通過孔板限流減壓，進入隔離密封腔體。進入隔離密封腔體內的氮氣一部分與二級密封端面泄漏的氣體混合后引至安全地點放空；另一部分通過軸承呼吸帽放空孔就地放空，此部分氣體是為了阻止潤滑油污染密封端面。

2.4火炬氣流程

一級密封泄漏氣與大部分二級密封氣混合后放火炬。通常設有流量計用于檢測放火炬氣的流量。如果流量持續高報警說明一級密封泄漏量大，需停車檢查干氣密封是否損壞。

3　干氣密封氣源要求

3.1潔凈度

干氣密封運轉時，其密封面的間隙很微小，如果有異物混入密封部位，將導致密封面不能保持應有的間隙而產生接觸，從而損傷密封面。若有液滴混入密封氣，則高速噴射的密封氣會加劇密封面的磨損，并最終導致密封面失效。因此，要求密封氣體是潔凈和干燥的，通常需設過濾器，過濾精度要求達到≤3μm。對可能帶液的密封氣，還需設專用氣液分離器將液滴分離后使用。

3.2氣源穩定性

干氣密封對密封氣要求是穩定、不間斷供應的。

在壓縮機組潤滑油泵投用前至少10 min，必須先通隔離氣，且在正常運行中不可中斷。壓縮機停車后，隔離氣必須在潤滑油停止供給且回油管路無油流動至少10min后才可停止供應。

為防止機內氣體反竄污染一級密封端面，機內進氣前必須先投入一級密封氣。開車前或機組盤車時，壓縮機應帶壓啟動，一級密封氣壓力必須高于火炬管網壓力，否則一級密封上下游可能會形成負壓差，啟動后下游工藝氣可能會反竄進干氣密封進而損壞密封。

一級密封氣供氣需時間與壓縮機系統停車后是否需保壓有關，如壓縮機系統需保壓，則一級密封氣在壓縮機停車時仍需連續供應；如壓縮機系統不保壓，則供氣時間與工藝系統卸壓時間相關，供氣時間應比系統泄壓時間延長至少15min。

4　干氣密封氣源保障措施

4.1干氣密封用氣來源

化工項目配套空分裝置生產的氮氣可滿足干氣密封氣潔凈度要求和穩定性要求，因此常常被用來作為干氣密封氣源。根據氮氣壓力等級不同，干氣密封用氣常規有3種配置方法。

（1）全高壓氮氣配置方案。由空分裝置提供一股高壓氮氣至干氣密封系統盤，經不同調壓閥調壓至所需壓力并過濾后分為3路：一路作為一級密封氣備用氣源，一路作為二級密封氣氣源，剩下部分作為隔離氣氣源。

（2）全低壓氮氣配置方案。由空分裝置提供一股低壓氮氣至干氣密封系統盤，分為2路：一路作為二級密封氣和隔離氣氣源；另一路作為一級密封氣備用氣源，配備1臺氣動增壓泵，開停車時利用氣動增壓泵將低壓氮氣增壓至所需壓力后，送一級密封腔。

（3）混合配置方案。由空分裝置分別提供一股高壓氮氣，作為一級密封氣備用氣源；另提供一股低壓氮氣作為二級密封氣和隔離氣氣源。

4.2氮氣保障措施

該煤制燃料項目配套的空分裝置正常生產時，可連續、穩定地提供氮氣供干氣密封用，其中高壓氮氣是液氮經液氮泵增壓后，經板式換熱器復熱汽化后送出，低壓氮氣直接從下塔頂部抽取，經板式換熱器復熱后送出。當空分裝置發生事故時，其后備系統設有備用液氮泵和汽化器，可將液氮儲槽內的液氮增壓汽化，達到持續提供氮氣的目的，供應時間的長短取決于液氮儲槽容積和干氣密封用氮氣耗量。

該項目凈化裝置CO2壓縮機和丙烯壓縮機的干氣密封氣源采用全高壓氮氣配置方案，由空分裝置提供一股8.1 MPa（g）高壓氮氣供CO2壓縮機和丙烯壓縮機用。干氣密封工作流程如上文所述。丙烯壓縮機干氣密封各工況用氣量見表1，CO2壓縮機干氣密封各工況用氣量見表2。

表1　丙烯壓縮機干氣密封用氣量

表2　CO2壓縮機干氣密封用氣量

為保障壓縮機干氣密封用氣的穩定和持續，結合工廠實際布置，考慮到CO2壓縮廠房和丙烯壓縮廠房距離較近，在CO2壓縮廠房外設有一臺高壓氮氣緩沖罐。8.1 MPa（g）高壓氮氣進入高壓氮氣緩沖罐后，分兩路分別直接接入CO2壓縮機干氣密封系統盤和丙烯壓縮機干氣密封系統盤。根據干氣密封廠家提供的最低氮氣壓力需求，CO2壓縮機干氣密封要求氮氣壓力不低于5.2 MPa（g），丙烯壓縮機干氣密封要求氮氣壓力不低于3.0MPa（g）。氮氣緩沖罐的緩沖容積按照CO2壓縮機和丙烯壓縮機同時事故時總最大需求量，1 h從8.1 MPa（g）降壓至5.2MPa（g）計算，約35m3。在此期間，空分裝置需啟動后備系統的液氮泵，將液氮增壓至8.1MPa（g）并汽化后通過高壓氮氣管網送至氮氣緩沖罐，從而達到持續供應氮氣，滿足機組干氣密封需要的目的。

5　結語

干氣密封的安全運行對離心壓縮機的運轉至關重要，也直接影響到化工廠的穩定生產。因此，正確認識干氣密封，深入了解干氣密封工作原理，合理有效地設置干氣密封用氣緩沖備用系統尤為必要。

［1］王玉華，姜大任.螺旋槽干氣密封和雙向槽干氣密封的簡要比較［J］.風機技術，2008（2）：40.

修改稿日期：2016-04-15

Seal Gas Demand and Safeguard M easure for Dry Gas Seal of Centrifugal Com pressor

YU Hua，XU Jian-min
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

This paper has introduced theworking principle andmeritsof dry gas seal of centrifugal compressor and illuminated itsworking processand seal gas demand and lodged a safeguard measure to ensure dry gas sealworking stably.

centrifugal Compressor；dry gas seal；safeguard measure

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

TH 452

B

1004-8901（2016）04-0037-04

余化（1978年-），男，湖北羅田人，2006年畢業于華中科技大學制冷及低溫工程專業，碩士研究生，高級工程師，注冊化工工程師，現主要從事化工項目工藝專業設計工作。