淺談離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)設計原理與要點

石芝鋒

（廣西華誼能源化工有限公司，廣西 欽州 535000）

干氣密封是一種干運轉、氣體潤滑、無接觸軸封，具有無介質(zhì)泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點，在石油化工、煤化工等離心壓縮機組獲得廣泛的應用。在生產(chǎn)運行中，因干氣密封控制系統(tǒng)的設計、選型及運行使用不到位，引起干氣密封泄漏、失效等故障，嚴重影響機組安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。因此對離心壓縮機組軸封設計出一套可靠、合適的干氣密封控制系統(tǒng)，對確保機組安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行起著舉足輕重的作用。

1 干氣密封工作原理

干氣密封是一種氣膜潤滑、流體動靜壓結合、非接觸式機械密封，具有無介質(zhì)泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點。典型的干氣密封結構如圖1所示，包含有靜環(huán)、旋轉環(huán)、O形圈密封、彈簧和彈簧座等零部件。

與其他機械密封相比，干氣密封主要區(qū)別是在動環(huán)表面上刻有淺槽，動環(huán)槽一般有單向槽型和雙向槽型。一般單向槽型為螺旋槽結構，雙向槽型有T型槽、樅樹槽等。如圖2干氣密封動環(huán)槽為單向、螺旋槽結構，每個槽寬自內(nèi)向外逐漸增大，槽深一般為2.5-10μm。

螺旋槽干氣密封工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動壓力之間的平衡。當密封氣體注入密封裝置時，使動、靜環(huán)受到流體靜壓力的作用。而流體的動壓力只是在轉動時才產(chǎn)生。如圖2，當動環(huán)隨軸轉動時，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動壓力，而密封堰對氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對動環(huán)分開，當氣體壓力與彈簧力恢復平衡后，維持一最小間隙，形成氣膜，膜厚一般為3-5μm，使旋轉環(huán)和靜止環(huán)脫離接觸，從而端面幾乎無磨損，同時密封工藝氣體。

圖1 干氣密封結構示意圖

圖2 動環(huán)端面上的螺旋槽結構示意圖

2 CO2壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的設計

某煤化工企業(yè)甲醇裝置低溫甲醇洗工段CO2壓縮機額定流量23887 m3/h，出口壓力2.599/7.35 MPa，用于把低溫甲醇洗單元解析出的二氧化碳加壓后返回粉煤氣化裝置作為輸煤用氣。該離心壓縮機型號為2MCL525+3BCL404，單軸，2缸、五段壓縮，其中低壓缸為水平剖分2段5級，高壓缸為垂直剖分3段4級。該機組軸封采用約翰克蘭單向螺旋槽干氣密封，低壓缸為TMO2B型集裝式單端面干氣密封，高壓缸為TMO2D型集裝式帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封。該壓縮機組干氣密封控制系統(tǒng)設計有過濾單元、調(diào)節(jié)控制單元和密封泄漏監(jiān)測單元。其主要的控制流程有主密封氣、隔離氣和排放氣泄漏監(jiān)測控制流程，干氣密封控制系統(tǒng)是通過對系統(tǒng)中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度、潔凈度及泄漏量等進行控制和監(jiān)測。

2.1 密封氣的設計

（1）密封氣選取

CO2壓縮機密封氣的選取結合了裝置工況、機組特性，及綜合考慮安全、經(jīng)濟性。在機組生產(chǎn)運行時，密封氣采用高壓缸壓縮機出口工藝氣作為低壓缸和高壓缸干氣密封的一級主密封氣；在機組開停機或發(fā)生故障時，采用管網(wǎng)中壓氮氣作為輔助密封氣。同時在干氣密封后置隔離腔，為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面，機組隔離腔設計了一套后置隔離氣密封系統(tǒng)，隔離氣采用管網(wǎng)低壓N2。

（2）氣體的預處理

CO2壓縮機干氣密控制封系統(tǒng)設計有預處理過濾單元，設置有并聯(lián)可切換的精密過濾器，一開一備，過濾精度達到2μm。過濾器前后設置有壓差變送器，監(jiān)測過濾器堵塞情況。對進入密封控制系統(tǒng)的密封氣和隔離氣進行過濾處理，除去固體、粉塵及液體等雜質(zhì)，以獲得干燥、潔凈的密封氣和隔離氣，避免動靜環(huán)密封面受污染磨損；同時控制氣體的溫度，防止氣體低于露點溫度，形成液滴，導致密封面磨損。

2.2 氣體的調(diào)節(jié)控制

（1）密封氣壓力控制

CO2壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)低、高壓缸一級密封氣壓力采用壓差控制。如圖3所示，取自壓縮機平衡管和密封氣進氣管的壓差，通過壓差變送器遠傳到DSC差壓控制器，由差壓控制器下指令給執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥進行密封氣進氣壓力的調(diào)節(jié)控制，將壓力穩(wěn)定在高于高壓缸平衡管壓力0.3MPa（G）。同時高壓缸二級密封氣壓力經(jīng)減壓閥減壓到 0.3MPa(G)供二級密封。

（2）氣體壓力報警和聯(lián)鎖設計

為了確保機組密封氣的穩(wěn)定控制，低、高壓缸一級密封氣與平衡管壓差設計有低報警和低低報聯(lián)鎖控制，當壓差≦0.1MPa為低報警；壓差≦0.05MPa為低低報聯(lián)鎖啟用中壓氮氣進行補氣，以滿足密封氣密封壓力的要求。

同時為了防止機組在開機前軸承箱潤滑油污染干氣密封，設計了后置隔離氣壓力低報警聯(lián)鎖，當后置隔離氣壓力≦0.17MPa時，低報警聯(lián)鎖禁止?jié)櫥捅玫膯印?/p>

圖3 一級密封氣進氣壓力控制

（3）氣體流量控制

CO2壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)密封氣的流量通過流量計節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)，隔離氣流量則通過限流孔板進行調(diào)節(jié)，以滿足干氣密封所需密封氣和隔離氣設計的要求。其中高壓缸一級密封氣流量控制在50Nm3/h，二級密封氣將流量調(diào)整到6Nm3/h；低壓缸一級密封氣流量控制在9.5Nm3/h；低、高壓缸隔離氣供給量分別控制在14 Nm3/h。

2.3 密封泄漏監(jiān)測設計

為了及時監(jiān)控機組干氣密封運行狀況，CO2壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)設計了一級火炬（或高位）排放系統(tǒng)，通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。即在火炬（或高位）放空線上設置限流孔板和流量計，通過孔板前壓力的變化監(jiān)測密封的泄漏量；同時通過限流孔板前后壓差實現(xiàn)泄漏量監(jiān)測。其中本機組高壓缸在限流孔板前設計有密封氣泄漏壓力高報警和高高報停機聯(lián)鎖，采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制；孔板后流量計設計有低報警、高報警和高高報警。低壓缸通過限流孔板前后壓差實現(xiàn)泄漏量的監(jiān)測，設計有流量低報警、高報警和高高報停機聯(lián)鎖，采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制。

3 離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的設計要點

通過對甲醇裝置低溫甲醇洗工段CO2壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的設計，從中總結出離心壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的設計要點和基本技術要求：

（1）干氣密封控制系統(tǒng)的布置方式應根據(jù)機組干氣密封的結構型式、密封氣的壓力、流量、潔凈度等進行干氣密封系統(tǒng)的配置。干氣密封控制系統(tǒng)布置方式可參考表1。

表1 干氣密封控制系統(tǒng)布置方式

（2） 密封氣的選擇，應結合生產(chǎn)裝置的工況和機組特性，且綜合考慮安全、經(jīng)濟性進行選取。一般情況下，對于輸送介質(zhì)為富氣或氣體內(nèi)含烴類物質(zhì)較多的氣體則常采用N2；對于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機出口工藝氣+氮氣備用氣方案。同時應提供清潔、干燥的密封氣，不得含固體顆粒、粉塵和液體，且應保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過濾精度應≦3μm，溫度應高于露點溫度10℃以上。

（3）為了確保密封氣、緩沖氣、隔離氣的壓力、流量滿足干氣密封控制系統(tǒng)的要求，應設計有氣體壓力、流量調(diào)節(jié)控制、報警、聯(lián)鎖系統(tǒng)。通過管路調(diào)節(jié)閥、減壓閥、流量計節(jié)流閥、孔板等調(diào)節(jié)和控制密封氣、隔離氣及排放氣的壓力、流量。一般可采用氣體壓力控制、流量控制、壓力與流量組合控制方式。一級密封氣壓力可采用壓差控制，設計要求為一級密封氣與平衡管壓差≥0.3 MPa，同時為了防止密封工藝氣壓力低，一般密封氣與平衡管壓差設計有低報警和低低報警聯(lián)鎖，啟用管網(wǎng)中壓氮氣進行補氣，以滿足密封氣密封壓力的要求。同時系統(tǒng)設計有流量計和流量控制閥，以便通過流量控制閥調(diào)節(jié)密封腔的流量，流量計則監(jiān)測密封氣的流量，需滿足機內(nèi)迷宮間隙最大時最小氣流速度為5 m/s。

（4）為了及時監(jiān)控機組干氣密封運行狀況，應設計有干氣密封一級密封氣火炬（或高位）排放泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。即在火炬（或高位）排放管線上設置限流孔板和流量計，通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實現(xiàn)，設計有流量低報警、高報警和高高報警停機聯(lián)鎖；壓力由孔板前壓力的變化實現(xiàn)，設計有壓力高報警和高高報警停機聯(lián)鎖。可采用3取2的聯(lián)鎖邏輯控制方式。

（5）為了確保機組的安全運行，防止機組損壞，在機組開停車及密封失效故障緊急停車工況，干氣密封控制系統(tǒng)可設計有以下的聯(lián)鎖：①各干氣密封一級排放氣流量正常的開機聯(lián)鎖。②后置隔離氣壓力低開機前禁止?jié)櫥捅脝勇?lián)鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。③一級排放氣壓力高高報警停機聯(lián)鎖和流量高高報警停機聯(lián)鎖。

4 結語

一套完整、可靠的離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)由氣體過濾處理單元，壓力和流量控制單元，及密封泄漏監(jiān)測單元組成。其包括對系統(tǒng)氣體的潔凈度、壓力、流量進行控制調(diào)節(jié)，以滿足干氣密封運行的要求，同時設計有密封泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，時刻監(jiān)測和掌握干氣密封的泄漏情況。干氣密封控制系統(tǒng)設計有密封泄漏高報警和高高報聯(lián)鎖停車，能及時提醒操作人員進行處理，當氣體泄漏量超過一定值以后，表明干氣密封已經(jīng)失效，系統(tǒng)連鎖停車，保證機組不受損壞。因此，在生產(chǎn)運行過程中，生產(chǎn)操作人員和設備管理技術人員可通過干氣密封控制系統(tǒng)，來監(jiān)控機組的運行狀況，指導機組的操作、運行和檢維修，同時根據(jù)干氣密封控制系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和處理現(xiàn)場事故。