壓縮機潤滑油密封系統的實用改造技術

周 強，方建宇，莊春龍

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油 621700）

壓縮機潤滑油密封系統的實用改造技術

周 強，方建宇，莊春龍

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油 621700）

潤滑油密封技術始終是壓縮機技術的難題，影響著壓縮機的正常運行和壓縮空氣的質量。通過對兩臺不同密封形式壓縮機密封系統的改造和調試的過程，采用干氣密封和氣封氣等新技術，取得良好試驗效果。本文通過對調試過程的分析，為以后出現相似問題提供一種解決思路。

壓縮機；滑油泄漏；干氣密封；調試技術

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.63

0 引言

某氣源為中國航發四川燃氣渦輪研究院十一五氣源擴容重點建設項目。在壓縮機組的調試過程中，出現了機組軸承座中潤滑油泄漏至壓縮機氣缸的現象，嚴重影響機組調試的進度。

1 氣源機組簡介

某氣源共有2MCL805，MCL404和MCL354等3臺不同型號機組（編號為11#，12#，13#），都為知名廠商成型產品。11#機組設計進口容積流量為1100 m3/min，工作壓比7.5，作為一級供抽氣機組使用；12#機組作為11#機組的二級增壓機組，工作壓比3.5，與11#機組串聯形成二級供抽氣機組使用；13#機組為12#機組增壓機組，工作壓比3.5，與11#，12#串聯形成三級供氣機組。

2 12#機組壓縮空氣含有油煙

12#機組作為11#機組的增壓機組使用，在2級串聯調試中，發現放空塔有很濃的青煙，且有滑油的味道。證明12#軸承端的潤滑油通過了密封系統泄漏至氣缸中。12#機組軸端密封設計為干氣密封，在機組調試階段采用了試車密封。試車密封為迷宮密封，通過曲折的密封齒，減小流體的泄漏量達到密封的效果。但從調試的結果看試車密封效果不好。需要更換為干氣密封進行下一步的調試。

2.1 干氣密封簡介

目前國內大型離心壓縮機軸端密封形式主要包括迷宮密封，碳環密封，機械密封以及目前較先進的干氣密封。干氣密封是20世紀60年代末以氣體潤滑軸承的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，其結構與普通機械密封類似。

2.2 干氣密封的工作原理

圖1 干氣密封件裝配簡圖

圖2 動環螺旋槽示意

干氣密封的結構和樣式多種多樣，主要防止壓縮介質泄漏至大氣和潤滑油泄漏至壓縮介質中。公司使用的為單級密封產品，主要防止滑油進入氣缸中對用氣試驗設備產生危險影響。干氣密封件結構如圖1，有兩路氣體進入軸承座內。由于軸承端有潤滑油，為保證干氣密封在潔凈、干燥的環境中運行，E路為經過濾凈化后的隔離氣體，進入機組的密封件腔體內，控制其壓力稍高潤滑油壓力，可阻擋潤滑油進入密封端。一部分從D路排入大氣，一部分進入軸承端從排煙孔排出。A路氣體進入干氣密封件動環上端，動環的端面從外徑均布著螺旋槽，而外徑螺旋槽至內徑又均布旋向相反的螺旋槽（圖2）。動環與主軸固定連接。主軸旋轉后，帶動動環高速旋轉，A路氣體從動環外徑流入螺旋槽，形成高壓區，而內徑螺旋槽高速旋轉氣流向高壓區匯聚，形成低壓區。在動環的高速旋轉下，形成了剛度極高，厚度為3～5 μm的氣膜。推動浮動環作用到安裝在殼體上的推力盤，推力盤產生移動，后端彈簧受到擠壓對推力盤產生彈力。當彈簧彈力與氣膜推力相等后，系統處于平衡，切斷了泄漏通路，阻隔滑油向氣缸中泄漏。

2.3 干氣密封的控制原理

干氣密封除了其干氣密封件外，外部還有一套提供密封氣的控制系統（圖3）。干氣密封有空壓泵和機組出口兩路氣源，并聯經過單向閥，過濾器，壓力控制閥，分為A，E的2路，其中A路為主密封氣，E路為阻隔氣，E路經壓力控制閥后，又分為E1，E2兩路通往靠機組兩軸承端的進口。A路又分為2路，一路經過壓力控制閥（抽氣工況使用）與另一路不經壓力控制閥（供氣工況使用）經1個三通球閥分為A1，A2兩路通往靠近壓縮機的進口。

圖3 干氣密封控制系統

機組啟車后，由于進口為節流狀態，進口壓力低于大氣壓，屬于抽氣工況，因此預先把A路三通設置為抽氣工況，空壓泵的壓縮空氣通過中間閥，走A路抽氣工況后，壓力大概為0.027 M～0.033 MPa（G）進入密封腔體，起阻隔作用。當機組并網完成后，機組出口壓力升高，把A路三通設置為供氣工況，機組出口壓力高于空壓泵，氣體經單向閥頂住空壓機進氣，走供氣工況后，壓力使其維持在比壓縮機壓力稍高（0.05 M～0.1 MPa）進入密封腔密封。由于氣體進入密封腔后只有通過密封面分別向壓縮機端和軸承端泄漏，故流量為兩端密封的泄漏量，在22～24 m3/h之內。如果A路流量顯著增大，表示干氣密封故障失效。E路進入迷宮密封中的密封腔，控制其進口壓力稍高于軸承座滑油壓力，形成一個可靠的阻塞密封，可保證軸承端中的潤滑油不進入干氣密封。該氣體流量不超過26～28 m3/h，一部分進入軸承端從排煙孔排出，一部分從D路直接排入大氣。

2.4 調試過程

前期經過大量的準備過程，包括干氣密封廠家對12#機組密封件的安裝和調試密封控制系統后，在具備了調試條件后，于2010年6月1日對某廠房12#機組進行了調試，調試主要的目的是檢驗12#機組的干氣密封系統是否能達到理想效果。先進行了12#機組的抽氣工況調試。隨后啟動11#機組，配合12#機組進行串聯供氣工況調試，期間為了保護干氣密封件，在機組出口壓力逐級增加中，對密封控制系統進行了微調。供氣工況時采集的數據見表1，從中可以看出，干氣密封件工作良好。但是從機組排入放空塔的空氣煙霧很大，從試驗的效果來看并不理想。調試結束后，干氣密封廠家技術人員和筆者進行了技術交流，對影響試驗效果的多種因數進行分析。

表1 供氣工作過程中A路各指示儀表的參考值

2.5 結果分析

從結構上分析，干氣密封件大致分為兩部份，一部份為與主軸連接的轉套，轉動環及定位套等。另一部份為與機殼連接，相對靜止的座套，推力盤，圓柱彈簧等。因此沿主軸外徑泄漏的通路被轉套的O形密封圈與彈性應變環切斷。而沿機殼內壁泄漏的通路被座套的O形密封圈切斷。唯一的通路為轉套與座套間的空隙，但是這條泄漏的通路被高速旋轉的動環產生的氣膜所切斷。所以從結構上分析，不存在潤滑油泄漏的條件。

而且廠家的安裝人員都是經驗豐富的技師，安裝時都是按照干氣密封件的結構特點，有條不紊的進行安裝，因此安裝問題也被排除。唯一存在的可能就是干氣密封件故障失效，無法切斷潤滑從轉套與座套間隙泄漏的通路。但是從調試中A路流量計測得的流量為22～24 m3/h，在干氣密封正常的泄漏量范圍內，不存在無法形成氣膜的條件。面對擺在眼前沒法解釋的現象，只有通過觀察A路口中是否有滑油，如果有滑油的痕跡則表明干氣密封失效，滑油從該路徑通過。由于A路進口的孔徑只有Φ16 mm，為此使用內窺探測儀對干氣密封A路進氣口和出氣口進行成像，由于密封件結構復雜，成像條件差，沒有發現有用的圖像。隨后采用干氣密封進氣口A用絲綢塞入擦拭，絲綢上沒有油跡，只有些許污物。證明干氣密封產生作用，滑油無法從此路徑通過。

為了找出原因，在6月3日再次對12#機組進行調試。先對11#機組進行調試，放空塔處沒有油煙。啟動12#機組，與11#機組串聯后，調試中放空塔煙霧又出現，較之上次調試煙霧有所減少。但仍無法達到試驗供氣的標準。根據以往在機組出口管道死腔中發現有積油的現象，而排氣放空沒有經過冷卻器，溫度在180℃左右，推測該次試驗為以往的積油被帶出所致。立即組織人員進行查找，最后在機組出口補償器底部死腔鉆了一個小孔，有污濁的滑油流出，最后接了小半桶的油。在6月5日的調試中，從排氣放空塔出來的空氣很潔凈，沒有明顯的青煙，證明油煙為以前積油所致，也證明了干氣密封的密封效果較好。

3 13#機組漏油

13#機組作為11#，12#的第三級串聯增壓機組，在完成12#機組密封系統的改造調試后，在2010年6月10日進行13#機組的調試。11#機組出口與12#機組進口串聯，12#機組出口與13#三級機組進口串聯，并網完成后，13#機組出口壓縮空氣通過放空總管從放空塔放空排入大氣。

從放空塔排出的空氣有很大的煙霧，且有滑油的味道。說明放空空氣中的煙霧為13#機組壓縮機軸承座的潤滑油通過密封件泄露至壓縮空氣中所致。含有油氣的壓縮空氣不僅會影響到后面設備的試驗，還會危害到試驗的安全。

3.1 結構分析

從圖4中可以看出，軸承端的潤滑油要漏至氣缸內，必須要經過這兩道篦齒密封，其中根據圖紙查得C的間隙值在0.20～0.35 mm，D的間隙值在 0.20～0.45 mm。在對機組開蓋檢查其密封間隙時，測量其間隙都在允許范圍之內。不存在裝配問題。但是在機組啟車階段，機組節流啟動，進口壓力為50 kPa左右。主軸低壓側處于抽真空狀態。而供油壓力為150 kPa左右，在氣缸與軸承間形成壓差，滑油在此階段被吸入至氣缸隨壓縮空氣排入大氣。

圖4 壓縮機軸端密封

3.2 前期改造方案

結合機組密封件的結構特點，于7月1日制定出改造方案。從11#機組的出口引出一趟Φ48 mm的不銹鋼管道分成Φ27 mm的2路至13#機組高低壓側軸承座端密封件的進氣口。當使用3臺機組3級串聯供氣時，先啟動11#機組，12#機組，11#機組進口節流，先把兩臺機組串聯并網，保持11#機組出口壓力為250 kPa（A）左右。壓縮空氣從Φ27 mm的不銹鋼管道供往軸承密封件，在密封腔內形成氣環，由于進氣壓力大于供油壓力150 kPa，所以氣環產生阻隔滑油朝缸體內泄漏的作用。

3.3 調試現象

改造完成后，在11月2日針對13#機組漏油的問題專門進行了新一輪的調試。啟動13#機組前，向機組供入壓力為250 kPa的密封氣，機組上端蓋上排氣孔有氣流流出，然后啟動機組油泵。機組啟動期間，排氣孔有倒吸現象（啟動機組采用進口節流，壓力為50 kPa）。當3臺機組串聯后，13#機組進口加壓到 300 kPa左右時，關閉密封氣，繼續加壓到進口壓力1.2 MPa左右，出現以下情況：

（1）低壓端排煙罩往外冒油，泄漏量較大（圖5）。

圖5 13#機組密封示意

（2）打開回油窺視鏡上端有氣流流出。

（3）排氣孔氣壓很大，密封氣管路壓力表顯示為0.5 MPa。（4）放空的空氣中含有很重的油煙。

機組共運行5 h，停機前，放空的空氣中的油煙有了很大減少，但依然有青煙存在。

3.4 現象分析

調試過程中，針對以上出現的現象，查閱了圖紙，通過分析得出以下結論。

（1）機組氣封效果差，低壓端密封比高壓端差。當機組啟動時，滑油通過兩道密封吸入氣缸混入空氣中，同時從排氣口吸入部分空氣，因此，排氣孔有倒吸現象。

（2）將機組轉入供氣流程后，缸內泄漏的氣體通過兩級密封進入軸承腔，將滑油從排煙罩壓出，隨著機組進出口空氣壓力的增加，泄漏的氣體壓力隨之增加，冒油更加嚴重，排氣孔氣壓也急劇增大。

（3）排氣孔孔徑偏小，當機組氣封效果差時，缸內泄漏的氣體無法通過排氣孔有效泄壓，造成壓縮空氣進入軸承腔，導致滑油從排煙罩壓出；當機組啟動時，由于排氣孔補氣量不足，造成兩道密封間（泄壓腔）較大的負壓，將軸承腔滑油吸入泄壓腔，當泄壓腔積存的滑油超過篦齒密封最低點后，滑油被吸入氣缸內。

（4）11#機組泄壓腔底部有獨立的回油管，機組啟動時，泄漏的滑油不會在泄壓腔積存，因此，無空氣冒煙的現象；12#，13#機組泄壓腔底部均無獨立的回油管，12#在加裝干氣密封前也存在空氣冒煙的現象。

3.5 改造措施

針對上述問題，采取以下臨時措施，以保證現階段的試驗供氣。

（1）加大機組密封氣流量，加大滑油泄漏的阻力。

（2）去掉低壓端排煙罩，改接一段Φ25 mm金屬軟管至回油總管，將泄漏的潤滑油和油煙引入油箱。

（3）在回油管窺視鏡上方的排氣螺母上鉆眼，使泄漏的氣體泄壓，以免影響回油。

改造完成后，在11月8日再次進行3臺機組串聯調試。在5 h的運行中，壓縮空氣中沒有油煙出現，機組漏油的問題得到了有效的解決。機組在穩定正常的工況下能夠投入試驗運行。

3.6 工藝流程優化（圖6）

如果按照以往機組多級串聯并網的方式，3臺機組同時啟動，然后再逐級串聯這種模式。由于啟車時11#機組進口節流，出口壓力不大起不到密封油泄漏的問題。因此必須對11#，12#，13#串聯并網工藝流程進行改進。改進程序：先啟動11#，12#機組，串聯11#，12#機組。然后根據13#機組氣封氣壓力需求調節11#機組出口壓力為300 kPa左右，同時打開13#機組氣封氣供氣閥門，啟動13#機組。串聯12#，13#機組，當13#機組進口壓力達到500 kPa左右后，關閉氣封氣，防止機組進口氣流與氣封氣合流把滑油吹出排煙罩。最后繼續并網，根據試驗設備需求供氣。

圖6 3臺機組串聯搭配流程

（1）串聯供氣并網程序。①啟動11#，13#機組油泵，開啟輔助空壓機后，啟動12#機組油泵。②按規程啟動11#、12#機組。③慢開110閥，慢關114閥至全關，110閥一定開度，進口保持30 kPa左右。④慢開119閥至全開。⑤慢開122閥至全開，同時慢關124閥至全關，調節127閥保持機組壓比2.0左右，調節117閥，使11#機組壓比≥3.5。⑥慢開110閥，至進口壓力為45 kPa左右，調節117閥，出口壓力為250kPa左右。⑦打開13#機組密封氣閥門，氣封氣供往13#機組。⑧慢開129閥至全開。⑨啟動13#機組。⑩慢開133閥至全開，同時慢關130閥至全關，調節137閥保持壓比不低于2，待進口壓力＞200 kPa時，關閉氣封氣，同時注意調節127閥，保持12#機組壓比2.0左右。[11]慢關127閥至全關。[12]調節137閥，保持13#機組壓比2左右。[13]通知用氣設備后慢開138-1閥，同時慢關137閥至全關。[14]慢關117閥（保持壓比≤7.2），同時慢開110閥保持進口壓力在60～62 kPa左右。供氣并網程序完畢。

（2）串聯退網流程。①慢開137閥，同時慢關138-1至全關，137閥一定開度保持13#機組壓比不低于2。②慢開117閥一定開度，保持11#機組壓比降為5.0左右。③慢關110閥至，機組進口壓力為50 kPa左右。開13#機組氣封氣閥門。④慢開127閥至壓比2。⑤慢關133閥，同時慢開130閥，調節127閥，保證12#機組壓比2.0左右，至133閥全關，130閥全開。⑥通知電氣人員停13#機組。⑦慢關129閥至全關。⑧待13#機組進口壓力恢復至大氣壓時，慢關110閥保持機組進口壓力為30 kPa左右。⑨慢開117閥至全開。⑩慢關122閥，同時慢開124閥，至122閥全關，124閥35°開度，全開127閥。[11]慢關119閥至全關。[12]通知電氣人員停11#，12#機組。[13]停12#機組油泵后5 min，停12#機組空壓機。[14]按規程恢復各系統設備。

因為某廠房3臺機組串聯并網，牽連到機組氣封運行流程和機組試驗供氣流程兩個相對獨立的系統，因此該工藝流程從全局出發，分析兩系統的相關聯性，把2套系統合理的整合到一起。簡化了操作步驟，避免了繁瑣、重復的操作。保障機組正常、安全地投入試驗運行。

4 總結

經過共同努力，對某氣源不斷調試改造，已經正式投入試驗運行。但是氣源機組還有許多的瑕疵影響著試驗運行。如干氣密封氣體中含水分較多，會減少干氣密封件使用壽命等，還需要一步一步去完善、改進，使設備更加科學高效地發揮作用。

TK478 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：B

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〔編輯 凌 瑞〕