茂名石化火炬氣回收螺桿壓縮機(CB500A)干氣密封改造研究

黃明智

摘 要：分析了茂名石化加氫裝置CB500A螺桿壓縮機機械密封存在問題，并根據(jù)CB500A螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)特點和使用工況，對其機械密封實施干氣密封技術(shù)改造。介紹了CB500A螺桿壓縮機干氣密封的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、材料與試驗。

關(guān)鍵詞：CB500A;雙端面機械密封;螺桿壓縮機干氣密封

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0165-02

0 前言

螺桿式壓縮機屬容積式壓縮機，隨著石油行業(yè)的迅猛發(fā)展，螺桿式壓縮機用量大大增加。螺桿壓縮機在全國火炬回收裝置中得到了廣泛應用，其作用原理是通過陰陽轉(zhuǎn)子相互嚙合，在密封機殼內(nèi)作反方向旋轉(zhuǎn)，達到提高火炬氣壓的目的。火炬氣主要化學成分多種，如泄露到大氣中會造成安全隱患，故對火炬氣螺桿壓縮機的軸封必須保證安全可靠。

CB500A螺桿壓縮機是茂名石化加氫裝置的主要設(shè)備，其原配機械密封在使用過程中，逐步暴露出密封泄漏量大，使用壽命短等現(xiàn)象。就此，茂名石化與成都一通密封股份有限公司經(jīng)過深入的分析討論，最終將原機械密封改造為雙端面干氣密封。

CB500A螺桿壓縮機干氣密封主要參數(shù)如表1。

1 原雙端面機械密封結(jié)構(gòu)分析和存在問題

1.1 結(jié)構(gòu)分析與影響

螺桿壓縮機使用雙端面機械密封，需要在密封腔中通入密封液，對密封進行冷卻沖洗。這樣就會有少量封液進入工藝流程，需要進行油氣分離操作，當機封損壞時，油氣分離量大。

對輔助系統(tǒng)的要求高。螺桿壓縮機機械密封大部分密封的是氣體，端面摩擦發(fā)熱較大，介質(zhì)溫度超過50℃就要冷卻。密封端面無論采用單端面或雙端面密封結(jié)構(gòu)，其密封液的壓力都要高于介質(zhì)壓力，這必然影響介質(zhì)的純度。

螺桿壓縮機用機械密封相對容易泄漏。因為螺桿壓縮機振動較大，而接觸式運行機械密封又對振動敏感，密封因振動引起的泄漏造成機封檢修頻繁，維護費用較高。

此外，如果因機械密封與密封系統(tǒng)使用故障造成螺桿壓縮機停車、系統(tǒng)停產(chǎn)等連帶影響，所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失是無法估計的。

1.2 存在問題和解決方案

原機組高低壓端機械密封的前置密封氣是為防止粉塵影響密封動環(huán)的浮動性而設(shè)計。主機廠將出口端密封腔引入φ10mm管至機組的入口，以達到平衡兩端壓力效果。而實際運行中沒有使密封腔壓力降低，導致外引前置密封氮氣無法進入。降低機組高壓端密封腔的壓力，成為本次干氣密封改造成功的關(guān)鍵所在。

通過對工藝的特點分析，在不影響機組性能情況下，與生產(chǎn)裝置工藝專業(yè)協(xié)商，從平衡管、主密封氣方面考慮，對機組高低壓端平衡管進行了一定的改動，為干氣密封改造創(chuàng)造了前提條件。

2 干氣密封的工作原理

2.1 端面槽型選擇

螺桿壓縮機的干氣密封主要由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧和輔助密封圈等元件組成。其特點是在動環(huán)密封面上加工出均勻分布的淺槽，槽型有單向螺旋槽型、雙向旋轉(zhuǎn)T型槽等。考慮到較低轉(zhuǎn)速下能產(chǎn)生較強的流體動壓效應，采用性能更為穩(wěn)定的單向螺旋槽（見圖1）。

2.2 干氣密封作用原理

密封端面主要由螺旋槽、密封堰和密封壩組成，在密封環(huán)端面部分區(qū)域加工出產(chǎn)生動壓效應的螺旋槽，在螺旋槽之間的平臺稱為密封堰，它起到加大升壓的作用。密封壩保證螺旋槽產(chǎn)生足夠的流體動壓泄漏，產(chǎn)生流體膜承載能力;密封堰產(chǎn)生流體膜靜，密封壩產(chǎn)生流體膜靜壓承載能力，這種密封副的端面密封實質(zhì)上是由軸承與密封部分組成的流體靜、動壓氣體端面機械密封。

該螺桿壓縮機雙端面干氣密封采用的密封端面槽線是對數(shù)螺旋線。氣體進入收斂形螺旋槽內(nèi)，最終達到密封壩，氣體隨著螺旋槽形狀的變化被壓縮，在槽根部產(chǎn)生局部高壓區(qū)，此壓力是動環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體動壓力。作用于補償環(huán)上的流體動壓力稱為開啟力，它把動環(huán)與靜環(huán)分開，而作用于補償環(huán)上的介質(zhì)力和彈簧力使動環(huán)與靜環(huán)貼合，稱為閉合力。在一定條件下開啟力與閉合力相等時，流動的氣體在動靜環(huán)的兩個密封面間形成一層厚度約3微米的氣膜。當干氣密封兩端面間的間隙在2～3mm時，通過間隙的氣體流動層最為穩(wěn)定。

3 CB500A螺桿壓縮機干氣密封分析

3.1 總體結(jié)構(gòu)

干氣密封常用結(jié)構(gòu)有雙端面干氣密封、串聯(lián)式干氣密封。通過對多種形式的密封結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合CB500A螺桿壓縮機具體工作條件和結(jié)構(gòu)特點，將軸封型式設(shè)計成2套結(jié)構(gòu)相同的密封組成的雙端面結(jié)構(gòu)干氣密封。

改造后，干氣密封具有以下優(yōu)點：“氣體阻塞”代替原有的“液體阻塞”，工藝上只有少量密封氣進入工況;整套密封為非接觸運行，能耗小，使用壽命長;輔助系統(tǒng)比原機械密封油系統(tǒng)簡單，且端面不會產(chǎn)生摩擦熱，200℃可不用冷卻、潤滑系統(tǒng);擺脫了雙端面機械密封對油系統(tǒng)的依賴，杜絕了密封油進入工藝介質(zhì);抗軸擺動性能優(yōu)良;運行費用低，使用過程基本不需要維護。

3.2 干氣密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

干氣密封內(nèi)部氣體流動的氣膜平衡間隙為微米級。過大過小都影響氣膜的穩(wěn)定性，因而，保證氣膜穩(wěn)定性是干氣密封可靠運行的關(guān)鍵。為此，采用流體動壓效應最強、氣膜剛度最大的螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)。并運用有限元計算程序優(yōu)化干氣密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算干氣密封的剛漏比，將干氣密封的最大剛漏比作為優(yōu)化的參考目標，使密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。

3.3 干氣密封材料

摩擦副等密封元件材料是保證密封正常運行的重要條件。螺桿壓縮機干氣密封摩擦副材料一般選用碳化硅與浸金屬碳石墨配對，碳化硅具有優(yōu)良的耐熱沖擊性能、高導熱系數(shù)和耐腐蝕性;浸金屬碳石墨有較高的抗壓強度、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小，與碳化硅配對具有極小的摩擦系數(shù)。

3.4 干氣密封系統(tǒng)

螺桿壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)由過濾單元、密封氣調(diào)節(jié)單元、泄漏監(jiān)測單元組成，向干氣密封提供干凈的氣體，以及監(jiān)測干氣密封運行情況。密封氣調(diào)節(jié)的目的是保證凈化的密封氣壓力始終高于密封腔中介質(zhì)壓力，防止機組內(nèi)介質(zhì)反竄進入干氣密封，造成密封損壞。系統(tǒng)配置壓力變送器、轉(zhuǎn)子流量計等監(jiān)控儀表，監(jiān)測密封泄漏量情況，保證密封的正常運行。

4 試驗驗證和現(xiàn)場日常維護

在完成了干氣密封的設(shè)計制造后，下廠家密封試驗臺上進行了干氣密封的性能模擬試驗。試驗結(jié)果表明，新設(shè)計的螺桿壓縮機干氣密封具有很好的密封性能，各參數(shù)滿足現(xiàn)場運轉(zhuǎn)要求。

干氣密封投入運行后，機組和密封系統(tǒng)各個參數(shù)良好。干氣密封維護簡單，只需監(jiān)測和記錄密封泄漏量。值得注意的是干氣密封在安裝、操作時應找準密封的旋轉(zhuǎn)方向，避免安裝錯錯誤，并在機組操作過程中避免機組回流反轉(zhuǎn)。同時，干氣密封在壓縮機啟動時，必須保證控制系統(tǒng)供給密封工作壓力高于介質(zhì)壓力0.3Mpa，日常巡檢中發(fā)現(xiàn)泄漏量超2Nm3·h-1時，表明摩擦副損壞，應停機檢修更換。

5 密封性能對比（表2）

6 結(jié)語

CB500A螺桿壓縮機雙端面機械密封改為雙端面干氣密封后運行穩(wěn)定，且干氣密封為非接觸式運行，具有很長的使用壽命。干氣密封只有少量惰性氮氣泄漏到大氣，基本可以做到對大氣的零泄漏，有效避免含介質(zhì)氣體對環(huán)境的污染。

（1）干氣密封實驗室試驗表明，用計算機優(yōu)化設(shè)計出的螺桿壓縮機干氣密封完全能夠?qū)崿F(xiàn)密封的非接觸運行，密封性能穩(wěn)定可靠。（2）設(shè)計制造出的干氣密封控制系統(tǒng)簡單可靠，完全能滿足螺桿壓縮機干氣密封長周期運行的要求。（3）改造為干氣密封后，能耗和物料消耗大大降低，計劃外停車次數(shù)減少，可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。（4）干氣密封在螺桿壓縮機上的成功應用，進一步擴大了干氣密封的應用領(lǐng)域，有利于促進新技術(shù)的進一步開發(fā)。

參考文獻

[1] 陳德才，崔德容.機械密封設(shè)計制造與使用[M].機械工業(yè)出版社，1993.

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

[3] 顧永泉.機械密封實用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2002.

[4] 丁雪興，王悅，張偉政，等.螺旋槽干氣密封潤滑氣膜角向渦動的穩(wěn)定性分析[J].北京化工大學學報，2008，35（2）：82-86.