氣相加氫壓縮機軸封改造

李欣

中石化齊魯股份有限公司第二化肥廠（山東淄博　255400）

Li Xin

化工設備

氣相加氫壓縮機軸封改造

李欣

中石化齊魯股份有限公司第二化肥廠（山東淄博255400）

介紹了氣相加氫壓縮機浮環+機械密封的組合式密封與干氣密封的結構及工作原理，并比較了二者的優缺點，提出了干氣密封的改造方案。最后，提出了干氣密封系統在維護操作中的注意事項，分析了改造后產生的經濟效益。

壓縮機浮環密封干氣密封螺旋槽

0　前言

丁辛醇車間氣相加氫壓縮機機組3141/3741的軸封設計原為浮環+機械密封的組合式密封，其密封液系統較為復雜，輔助設備以及電器、儀表等自控元件比較多，造成使用可靠性下降，維護、維修任務重。該機組的密封使用效果不理想，封油泄漏量較大。所以，借2013年機組大修之機，對干氣密封進行了改造。

干氣密封是一種新型的非接觸式軸封，適用于任何輸送氣體的系統，目前在我國的石化、煉油、化工、制藥等行業相關裝置中的壓縮機上得到了越來越廣泛的使用。實踐表明，干氣密封在很多方面的性能均優于普通接觸式機械密封。由于干氣密封屬于非接觸式密封，其基本不受PV值（密封流體壓力與密封端面的平均滑移速度的乘積）的限制。與普通接觸式機械密封相比，干氣密封更適合作為高速、高壓下的大型離心壓縮機的軸封，而且其不需要密封潤滑油，所需的氣體控制系統比接觸式密封的油系統要簡單得多。

1　氣相加氫壓縮機簡介

中石化齊魯股份有限公司第二化肥廠丁辛醇車間的氣相加氫壓縮機3141為透平驅動的多級離心壓縮機，由日本MITSUI公司制造，機組型號為4B26。其主要工況如下：

介質為H2，CH4等；相對分子質量為55；入口壓力為0.427MPa(G)；出口壓力為0.55MPa(G)；入口溫度為41℃；出口溫度為65℃；額定轉速為12300 r/min；跳車轉速為14469 r/min。

該機組轉速高且需連續運轉，工藝介質氣體易燃易爆，危險性大。這就要求壓縮機軸封可靠性高，密封泄漏小，壽命長。原密封型式為浮環+機械密封的組合式密封，在機械密封和浮環密封之間引入密封油，通過“液封氣”來達到密封目的。在原設計中，泄漏的密封油因溶有介質醛、醇，被送入污油箱，不再回收利用，從而造成較大的經濟損失。另外，原密封型式的密封液系統較復雜，輔助設備以及電器、儀表等自控元件較多，造成使用可靠性下降，維護、維修任務重。該機組的密封使用效果不理想，封油內漏量較大，造成大量的潤滑油浪費，此時必須進行停車檢修，這將對下游的生產造成不利影響。如果能將軸封型式改造為干氣密封，將會完全消除這種現象，同時還可明顯降低運行和檢修費用，延長機組的大修周期。

1.1原密封簡介

將1.00g沉積物樣品放于50mL三角瓶中，然后加入0.2mL甲苯、4mL pH=11的緩沖溶液和1mL對硝基苯磷酸二鈉溶液，輕搖混勻塞上瓶蓋，在37℃下培養1h。加入1mL CaCl2溶液和4mL NaOH溶液，輕搖幾秒鐘后，鋁制過濾。用分光光度計在400～420nm進行比色，測定溶液的吸光值。同時測定無泥及無底物對照。實際APA用每小時每千克干重沉積物產生對硝基苯酚的毫克數計算。

干氣密封的密封性能可根據泄漏的趨勢進行監測。泄漏量的變化直接反映出干氣密封的運行狀態。引起泄漏量變化的因素有很多，如工藝氣的波動，軸竄，壓力、溫度和速度的變化等。只要泄漏量不持續上升，則認為密封運行正常；但如果泄漏量出現不斷上升的趨勢，則表明干氣密封出現了故障。因此，每日對泄漏量進行測量和記錄，有助于預測和判斷干氣密封的故障。

機械密封屬于接觸式密封，由動環和靜環組成，動環固定在軸上，靜環固定在機封座上；浮環密封屬于液體節流式非接觸密封,浮升性是浮環獨有的特性，流體通過浮環與機械密封動環的楔形間隙時，如同軸承那樣產生流體動壓效果而獲得浮升力。動環不轉動時，由于浮環自身的重力作用，環內壁貼在動環上，并形成一偏心間隙；當動環轉動時，動環表面的封液被帶入偏心的楔形間隙內，在楔形間隙內產生流體動壓效應，使浮環浮升，浮環內壁與動環脫離，變為非接觸狀態。浮升性使浮環具有自動對中性能，能適應動環的偏擺，以避免浮環與動環之間發生固相摩擦。浮升性還可使軸與浮環的間隙盡量減小，以增強節流效果，減少泄漏量。引入浮環的密封液少部分通過機械密封泄漏并與氣相介質混合，引出后需進行氣液分離，并對液體進行循環使用。

圖1　浮環+機械密封的組合式密封

1.2壓縮機原軸封存在的問題

（1）機組運行一段時間后，組合式密封會出現封油大量內漏的情況，需要經常補充潤滑油，造成大量浪費。

（2）密封油系統復雜，輔助設備以及電器、儀表等自控元件較多，導致密封系統的使用可靠性下降，維護、維修任務重。

（3）油氣分離槽放空，造成介質氣體浪費。

（3）通過分析可知，120例患者中共發現143處病變節段，其中44處為無狹窄節段，27處為輕度狹窄節段，62處為中度狹窄節段，10處為重度狹窄節段。

（4）浮環+機械密封的組合式密封更換頻繁,從 2009年5月機組大修至2013年，因組合式密封的泄漏量大而導致的密封更換次數為8次，共更換密封17套。

2　干氣密封簡介

該壓縮機所采用的帶中間迷宮的串聯式干氣密封為干氣密封中安全性、可靠性最高的一種結構，可完全避免工藝介質泄漏至大氣中，同時也可保證密封引入的外部氣源（通常為氮氣）不會內漏入工藝介質中。圖2為串聯式干氣密封的結構。

圖2　串聯式干氣密封的結構

串聯式干氣密封相當于前后串聯布置的兩組單端面干氣密封。第一級干氣密封為主密封，基本上承受全部的壓差，其工藝氣體為從機組出口端引出的工藝氣體。第二級干氣密封為輔助安全密封，通常在很低的壓差下工作；由于其摩擦副始終保持在非接觸狀態下運行，沒有任何磨損，故能夠一直處于理想的運轉狀態。在第一級密封失效時，第二級密封會迅速地作出反應，起到密封作用，從而避免因密封失效導致的工藝氣的現場外泄。

2.1干氣密封的工作原理

干氣密封的密封面上有一定數量的螺旋槽（見圖3），其深度小于10μm。密封運轉時，被密封氣體環向吸入螺旋槽內，徑向分量由外徑向中心（即低壓側）流動，而密封壩限制氣體流向低壓側。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮，在槽根部形成局部的高壓區，使端面分開幾微米而形成一定厚度的氣膜。在此厚度的氣膜下，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，于是密封實現非接觸運轉。

柑橘缺鎂癥狀。缺鎂時果實附近的葉片和老葉首先出現癥狀。缺鎂初期，葉片先沿葉脈兩側產生不規則的黃色斑塊，逐漸向兩側擴展，使葉脈間呈肋骨狀黃化。后黃斑相互聯合，葉片大部分為黃色，僅中脈及其基部的葉組織保持一塊倒“V”形的綠色區。嚴重缺鎂時，全葉變黃，遇不良條件時容易脫落，落葉枝條常在第二年春天枯死。癥狀全年均可發生，但以夏末或秋季果實近成熟時發生最多。缺鎂在老葉上發生，葉片黃化呈肋骨狀，葉片基部常保持較久的綠色呈倒“三角型”。柑橘缺鎂時，冬季落葉嚴重。

圖3　干氣密封端面

（2）設置一級泄漏氣的體積流量qV報警，qV≥3 Nm3/h時，高報警；qV≥24Nm3/h時，超高報警即聯鎖停車；qV≤0.5Nm3/h時，低報警；qV=6Nm3/h為參考正常體積流量值。

2.2干氣密封的結構說明

該干氣密封由前置（工藝氣側）梳齒密封、帶中間迷宮的串聯式干氣密封和干氣密封后置的碳環密封組合而成。

圖4　螺旋槽干氣密封的作用力圖

在兩級密封動環的端面上均勻分布有流體動壓槽。特殊設計的槽型結構在使用條件下運轉時所產生的流體動壓效應，使動、靜環間形成一層具有極高剛度的氣膜。由氣膜作用力形成的開啟力，與由彈簧和介質作用形成的閉合力達到平衡，使密封面分開3～5μm，從而在非接觸狀態下實現密封。

干氣密封前端（工藝氣端）的梳齒密封將重新設計制造，可減少進入干氣密封的干凈氣體內漏量。在其大氣端（軸承端）的碳環密封，可避免軸承箱中的潤滑油進入干氣密封內，保證干氣密封在潔凈、干燥的環境中運行。由于漏入大氣的工藝氣量極少，該結構具有極高的可靠性，在石化及化工工業的引進機組中得到了廣泛的應用。

觀察組產婦的產后出血率、剖宮產率、巨大兒率、早產兒率均低于對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05），見（表1）。

4.5振動

3　氣相加氫循環壓縮機干氣密封改造

3.1機組干氣密封系統工作原理

該密封正常運行時，由該機組出口端引出一路工藝氣，經過濾器（過濾精度為1μm）后成為干燥、潔凈的氣體并作為干氣密封的密封氣，以稍高于正常運行時的機組平衡管壓力的壓力，進入干氣密封的一級密封腔；其作用是阻擋未凈化工藝氣中的粉塵、凝縮油等雜質進入密封端面，進而避免雜質對干氣密封的正常工作產生不利影響。密封氣與平衡管之間的壓差由一差壓變送器測量，該壓差值遠傳至機組控制系統DCS/ITCC（分散型控制系統/綜合透平壓縮機組控制），并控制安裝在一級密封氣入口處的氣動薄膜差壓調節閥，以調節密封氣的入口壓力，使其維持與平衡管的恒定壓差。進入機組前的密封氣可以分別調節每一套密封的進氣量，氣量分配互不影響，在確保機組內未凈化的工藝氣不倒灌的前提下，又可保證密封和機組運行的經濟性。進入兩端密封腔的潔凈工藝氣體積流量均為40 Nm3/h左右，其中絕大部分經機組內側軸端迷宮密封回流到壓縮機機體內，剩余的一小部分（＜1 Nm3/h）通過第一級干氣密封（主密封）的端面漏出。

另引一路氮氣經過濾、調壓后作為二級密封氣進入二級干氣密封腔，其中的大部分氮氣經迷宮密封與由一級密封泄漏過來的工藝氣體混合，形成一級泄漏氣，該泄漏氣被引入火炬點燃，剩余的少量氮氣由二級密封端面漏出。

機組未啟動時，來自機組出口端的工藝氣壓力還未建立，故開車時需先用氮氣作為一級密封氣。隨著機組轉速的升高，出口端引出的工藝氣壓力逐漸升高，當機組正常運行時，將氮氣切換為工藝氣。判斷密封是否正常工作主要通過對一級泄漏氣的監測來進行。一級干氣密封出現意外失效時，一級泄漏氣出口端壓力和流量會急劇增大。二級干氣密封出現意外失效時，壓力和流量則會急劇減小。其信號均可通過壓力和流量變送器傳至控制室，從而發出報警信號。

第二級干氣密封作為輔助安全密封，雖然不承受介質的壓力，但只有在適當的壓差下，端面才可形成穩定的氣膜而長期理想地運行，系統通過在一級泄漏氣出口端設置節流閥，使其保持一定的背壓來滿足運行要求。節流閥同時還具有在一級密封失效時限制泄漏量的作用。節流閥旁路的爆破片可將失效時大量的泄漏氣引入火炬點燃，并可在一級干氣密封完全失效時對二級密封起到卸壓作用。

按偏差的比例P（Proportional）、積分I（Integral）和微分D（Derivative）進行控制的調節器（簡稱為PID調節器），它是一種成熟技術的調節器，最廣泛應用于連續控制系統。在長期應用中已積累了豐富的經驗。隨著微機技術的發展，微控制器可以很容易地實現PID控制算法。在模擬調整系統中，PID算法的表達式為：

3.2機組干氣密封的改造方案

針對該機組密封位置的腔體結構，擬將原密封的緩沖氣入口作為干氣密封的一級密封氣入口；原密封內漏油出口作為一級泄漏氣出口；原密封的密封油出口作為二級密封氣入口，原密封進油口盲死。密封二級泄漏氣管和隔離氣進氣管可從密封與機組軸承座之間的間隙引入，到達密封位置后與接頭固定好即可。由于機組的高低壓端有平衡管連接，兩端壓力可實現內部平衡，其密封腔壓力近似等于壓縮機的進氣壓力，故兩端干氣密封的使用條件基本相同，因此可以采用相同的結構及控制系統。

根據氨基酸序列不同，可將殼聚糖酶分為5個糖苷水解酶家族，分別為:GH-5、GH-8、GH-46、GH-75和GH-80。在這些家族中，GH-75的成員主要來自真菌和放線菌，GH-46家族來自于Bacillus和Streptomyces的殼聚糖酶，其催化特性、酶反應機理和蛋白結構已被廣泛研究。

開水沖服，每日2次。1歲以內每次6克（半袋），1～3歲每次6～12克（半袋至1袋），4～7歲每次12～18克（1～1.5袋），8～12歲每次24克（2袋）。

在第一個話題的語料中，戀愛架構出現的次數非常引人注意，包含了“國家是個人”“國際關系是人際關系”“親密的國際關系是親密的人際關系”三個層次的隱喻。例如文中出現的約會(date)、訂婚(engagement)等表達。該架構出現頻率之高反應了報道對美俄關系的重視。此外與之相反的戰爭架構也出現了三次；對弈架構出現了兩次，反應了英國媒體視角下美俄兩國親密中又包含對立的關系，也透露將美國視為重要盟國的英國的微妙心態。

3.3機組干氣密封的監控系統

改造為串聯式干氣密封以后，系統的測量儀表在進行現場檢測的同時，還將在重要測量點采集的信號輸出至中控室，并設置高低限位報警，具體設置如下：

（1）設置一級泄漏氣的出口壓力p報警，p≥0.1MPa(G)時，高報警；p≥0.2MPa(G)時，超高報警即聯鎖停車；p=0.06MPa(G)為參考正常壓力值。

圖4為螺旋槽干氣密封的作用力圖，可以看出氣膜剛度是如何保證密封運轉的穩定性的。在正常情況下，密封的閉合力等于開啟力。當受到外來干擾（如工藝或操作波動）時，氣膜厚度變小，從而使氣體的黏性剪力增大，螺旋槽產生的流體動壓效應增強，促使氣膜壓力增大，開啟力隨之增大，為保持力的平衡，密封恢復到原來的間隙；反之，密封受到干擾，氣膜厚度增大，則螺旋槽產生的動壓效應減弱，氣膜壓力減小，開啟力變小，密封恢復到原來的間隙。因此，只要在設計范圍內，當外來干擾消除后，密封總能恢復到設計的工作間隙，即干氣密封具有自我調節的功能，可保證運行穩定可靠[1]。

（3）設置緩沖氣與參考氣的壓差△p報警，△p≤0.02MPa時，低報警；參考正常壓差值為0.05 MPa，同時以該條件作為開機條件。

（4）設置緩沖氣過濾器的壓差△p報警，設定為△p≥0.08MPa時，高報警。

（5）設置隔離氣過濾器的壓差△p報警，設定為△p≥0.08MPa時，高報警。

（6）設置隔離氣的壓力p報警，設定為p≤0.15 MPa(G)時，低報警。

4　干氣密封在氣相加氫壓縮機中使用的注意事項

4.1旋轉方向與轉速

該干氣密封的旋轉方式為單向旋轉，因此一定要避免反向旋轉；同時，該壓縮機是由蒸汽透平驅動的，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，因此必須確保轉速能瞬間達到密封的開啟轉速。

4.2緩沖氣

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引一路氮氣為隔離氣，引入后置的碳環阻隔密封中間。在啟動滑油系統之前先啟動隔離氣，通過壓力調節閥和孔板控制，使其壓力稍高于軸承箱油壓（通常為大氣壓）20～30 kPa，形成一個性能可靠的阻塞密封系統，以保證軸承箱中的潤滑油不進入干氣密封，并避免殘余的工藝氣進入軸承區域污染潤滑油。該氣體一部分進入軸承箱，另一部分與從第二級密封泄漏過來的極少量工藝氣混合，形成二級泄漏氣。由于該氣體流量不大且主要成分為氮氣，可作為對環境無害的氣體引入安全場所排放。

維持緩沖氣的穩定是干氣密封正常運行的基本條件，可阻擋未凈化工藝氣中的粉塵、液體等雜質進入密封端面，進而避免雜質對干氣密封的正常工作產生不利影響。維持緩沖氣穩定的關鍵在于對過濾器壓差的日常檢查與及時的切換清理。

4.3隔離氣

隔離氣可保證軸承箱中的潤滑油不進入干氣密封，也可避免殘余的工藝氣進入軸承區域污染潤滑油；其關鍵是采用壓力穩定的氮氣源，并注意對過濾器壓差的檢查，同時要及時切換清理。

4.4泄漏的趨勢

該氣相加氫壓縮機原密封型式為浮環+機械密封的組合式密封（見圖1）。靠工藝氣側為機械密封，大氣側為浮環密封，在機械密封與浮環密封之間引入壓力高于被密封的工藝氣壓力約0.35MPa的密封油。壓縮機工作時，殼體內的工藝氣通過機械密封來密封，由于密封油壓力比機組內介質壓力高，泄漏進機組的微量潤滑油通過污油排放系統被回收至廢液槽；同時，密封油通過旋轉時浮環與軸之間產生的微小間隙變化形成壓力油膜，產生節流降壓作用，從而達到密封目的。其中，機械密封的動環與浮環密封的內浮環共用。

乙組 40 例患者年齡為 40～79（56.59±2.79）歲，男女分別為 34例（85.00%）、6例（15.00%）例；病理類型：鱗癌23例，腺癌13例，其他4例；TNM分期：Ⅱ期6例，Ⅲ期24例，Ⅳ期10例。

該密封安裝尺寸完全根據壓縮機浮環+機械密封的組合式密封的實際安裝尺寸設計，與密封相關部分（機殼及轉子）不作任何修改；僅需在軸承箱上蓋上鉆出兩孔引入兩進氣管即可，對壓縮機的正常使用不會造成任何影響，同時也可保證在發生不正常運行情況時能夠立即恢復原軸封狀態。

該密封為整體集裝式結構，出廠前已精密地裝配成一體，通過定位塊板將動、靜部分連接在一起，防止運輸過程中零件之間相互碰撞造成損壞。同時，安裝時不需要分解，將密封整體直接裝入機組殼體后取下定位板即可，安裝便捷且軸向定位準確，避免了現場重新拆卸組裝引起的裝配精度下降問題，以及環境中的粉塵等雜質對密封的影響，使用效果能得到充分保證。

干氣密封是端面密封，承受的徑向振動值可以大一些，在多數場合徑向振動值均超過了機器的極限值。相關資料顯示，只要徑向振動的最高值不超過100μm，便能保證良好的密封效果。

4.6機組開機

建功新時代，揚帆新征程。當前，蘇州正在以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，自覺用新思想定向領航，以新思想對標找差，從新思想尋策問道，按照省委決策部署和對蘇州工作提出的新要求，圍繞推動高質量發展，深化實施十二項“三年行動計劃”，為再創新輝煌夯實堅固基礎、注入強勁活力、再添秀美氣質、繪就艷麗華章。

在機組未啟動時，先投用隔離氣，再投用潤滑油系統，此時緩沖氣的壓力還未產生，故啟動前需外引氮氣建立緩沖氣。隨著機組轉速的增加，由出口端引出的緩沖氣壓力逐漸升高。

4.7機組停機

機組停機時，必須等待機組完全停止運行，同時潤滑油系統停止運行且系統潤滑油全部返回油箱后，才能關閉干氣密封控制系統。

5　干氣密封改造后的經濟效益

5.1節約潤滑油

底部引入的空氣流將輕纖維與較重的污染物分離，這些污染物通過旋轉閥排出。將纖維流和輸送空氣分離，使大多部分氣流可以立即返回到精選機。這是通過使用具有關閉葉輪功能的特殊風扇來實現的，從而實現了高效率，同樣顯著提高了分選機的能效。

從2009年開始統計：2009年度，補油11 500 kg；2010年度，補油7 290 kg；2011年度，補油10 800 kg；2012年度，補油16 070 kg；累計補油45 660 kg。一年正常最大補油量按20 L/24 h計，為6120 kg。改造后，每年可節約潤滑油費用約5萬～10萬元。

5.2避免停機損失,提高產品的邊際利潤

每年因密封泄漏量大無法堅持運行，造成的機組停車時間共229.83 h，影響辛醇產量2 314 t。改造后，可減少此項損失70萬元。此外，機組內的氣體介質隨密封油經油氣分離器進入火炬系統，造成工藝介質的浪費，而干氣密封則會減少工藝氣體排放,提高經濟效益。

結合中英建筑工程管理專業培養方案比較研究的結果來看，我國建筑工程管理專業教育在許多方面仍舊存在一定的不足，對此，可以從以下幾個方面入手做出改革：

5.3減少維修費用

原浮環密封輔助設備多，包括油系統及相應的電氣設備、自控儀表、油過濾器、冷卻器、油氣分離器、脫氣槽、油箱及高位油罐等，維修工作量較大。改造后，每年可減少維修費用約27萬元。

改造后，以上各項費用合計每年可節約100萬元以上，而一套雙端面干氣密封及其系統的投資遠低于此，且故障率低、維修頻率低。

6　結語

與機械密封+浮環密封的組合密封相比，串聯式干氣密封取消了密封油控制系統，避免了由此引起的故障，使密封的可靠性大大增強，同時減少了工作量，且具有磨損小、功耗低、泄漏小、壽命長、可靠性高、運行維護簡單等優點，可廣泛推廣使用。

該氣相加氫壓縮機密封改造方案，為國內同類機組密封形式由機械密封＋浮環密封改造為干氣密封，提供了詳細的改造數據。

[1]胡國楨,石流,閻家賓.化工密封技術[M].北京:化學工業出版社,1990.

M odification of Shaft Seal for Hydrogenization Com pressor

The structures and workingmechanisms of floating ring+mechanical seal and dry gas seal for hydrogenization compressor were introduced,and the advantages and disadvantages of them were compared.Besides,themodification scheme of dry gas sealwas put forward.At last,precautions in themaintenance operation of dry gas seal system were presented,and the economic benefits achieved aftermodification were analyzed.

Compressor;Floating ring seal;Dry gas seal;Spiral groove

Li Xin

TH 452

李欣男1979年生本科工程師現從事設備技術管理工作

2016年5月