BCL405/A循环氢压缩机高压干气密封改造

2012-10-21柴连满

中国设备工程 2012年11期

关键词：干气动压气膜

柴连满

（中石油锦西石化分公司机械动力处，辽宁葫芦岛 125001）

BCL405/A循环氢压缩机是中石油锦西石化分公司加氢改质装置的关键动力设备，机组原轴封为两级浮环的组合式密封。BCL405/A循环氢压缩机主要技术参数见表1。

表1

最大连续转速12075r/min、工作转速10321r/min、启机转速1000r/min、密封轴径105mm、旋向CW(从驱动机侧看)。

一、机械浮环组合密封结构分析

BCL405/A循环氢压缩机原轴封采用的是两级浮环密封的组合密封。它靠介质侧为内浮环，大气侧为外浮环。在内外浮环之间引入高于工艺气一定压力(约50kPa)的封油，通过旋转时浮环与轴之间产生的微小间隙变化形成的压力油膜产生节流降压作用，达到密封目的。

浮环密封属于液体节流式非接触密封，虽可用于高速高压条件，但它的封液系统较复杂，辅助设备以及电、仪等自控元件多，造成可靠性下降，维护、维修工作量大，而且停车时密封作用较差,内漏量较大。同时，浮环对轴表面有磨损，维修不便。

浮环密封泄漏的少量密封油与工艺气混合后被送入到酸性油收集器，气体从油中分离出来，回到压缩机入口，油被排放到脱气槽处理后返回到油箱。在允许最大泄漏量范围内，密封油均可通过处理后返回油箱，超过该范围的密封油将往压缩机缸体里泄漏，对工艺影响较大。

二、干气密封原理

干气密封在运转时是利用流体动压槽产生的流体动压力与流体静压力和弹簧元件弹力之合力的平衡，在动静环摩擦副之间形成一定厚度的气膜，达到密封的目的。

气膜刚度是衡量干气密封稳定性的技术指标。气膜刚度是指气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗波动、抗外界干扰能力越大，密封运行越稳定。气体密度越大、温度越高、轴转速越高、气膜刚度越大。

干气密封设计就是以获得最大的气膜刚度为目的(图1）。

图1 压缩机干气密封受力分析图

影响干气密封性能的主要因素如下。

(1)动压槽形状及深度：理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，气膜刚度最大，稳定性最好。因此，绝大多数干气密封都以深度为3～10μm的对数螺旋槽作为密封动压槽。

(2)动压槽数量、宽度及长度：干气密封动压槽数量越多，动压效应越强。但当动压槽达到一定数量后再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，动压槽的宽度、长度对密封性能都有一定的影响。

(3)操作参数对密封泄漏量的影响：轴径越大、转速和压力越高，干气密封的泄漏量越大。此外，介质温度对密封泄漏量的影响是通过温度对介质黏度影响而形成的，其对密封泄漏量的影响不大。

三、循环氢压缩机干气密封改造方案

1.干气密封结构

符合API617标准的离心式压缩机干气密封常用结构有单端面密封、双端面密封、串联式密封以及带有迷宫的串联式密封。分析以上几种干气密封结构特点，结合BCL405/A循环氢压缩机具体工作条件及机组结构特点，把其轴封型式设计成串联式封结构，其结构简图见图2。

图2 改造后干气密封结构简图

该串联式干气密封由两级干气密封一前一后串联组成，前后干气密封之间设有中间梳齿。干气密封正常工作时密封气为压缩机出口的工艺气，氮气作为开车气体。前密封承受工艺的绝大部分压力，密封介质为工艺气；后密封承受很小的压力，密封介质为氮气。前密封失效时后密封可以承受全部系统压力，起到备用密封的作用。串联式干气密封的前密封工作气体为经过过滤的工艺气，经过一级干气密封，只有很微量的氢气随同绝大部分的二级密封气(氮气)经一级泄漏出口排向火炬。中间二级密封气采用氮气。在大气侧有隔离气保护，防止轴承润滑油窜入，影响干气密封性能，隔离气采用氮气。

一般情况下，密封气都采用从压缩机出口引出的介质气体，可以保证密封的压力始终高于密封腔压力，密封气任何时候都能注入密封端面，避免密封面之间出现干摩擦现象。从压缩机出口引出的介质气体作气源，压力、流量都比较稳定，受外界因数影响很小，不会出现达不到要求的情况。但是BCL405/A循环氢压缩机干气密封改造时，由于从压缩机出口引出的循环氢气中含水蒸气、油雾等，会加快密封失效，因此必须进行清除。

2.端面材料选择

干气密封启动和停车过程中，或者在运行过程中受到某些干扰时，会发生端面短暂的接触，因此要求密封端面材料在短暂接触时不会损坏。由于密封元件要与介质接触，因此要求选择的材料具有耐介质的腐蚀、耐热与抗热裂性能好、导热性系数高、热膨胀系数小、能承受短时间干摩擦的良好的综合性能。旋转件材料如动环材料还要求能承受高速离心力的作用。

高速旋转的动环离心应力很大，材料密度大制成的动环离心应力相对大，而小密度材料制成的动环离心应力相对较小。碳化硅密度小（约为硬质合金1/4）离心应力小，还具有优良的耐热冲击性能、高导热系数、在工艺介质中耐腐蚀、与其他材料配对具有极小的摩擦系数等优点，所以选用无压烧结碳化硅作动环。静环选用进口重载碳石墨，这种材料在介质中耐腐蚀、具有较高的抗压强度、孔隙率小、导热系数高、热膨胀系数小、与碳化硅组对摩擦系数小，具有良好的摩擦相容性。

3.干气密封控制系统

控制系统是干气密封的重要组成部分，其主要作用是为干气密封提供干净的气体(过滤精度1μm)和监视干气密封的运转情况，确保干气密封长周期运行。循环氢压缩机采用独立的干气密封控制系统，系统由以下五个部分组成(见图3)。

过滤及调节单元。由于干气密封工作时形成的气膜厚度在3μm左右，气体中如果含有颗粒杂质会损坏密封面，对干气密封的正常运转产生很大的影响。因此，供给干气密封的气体需要非常干净，通常用高精度过滤器来达到这一目的。精过滤器带有压差高值报警指示。干气密封密封气的控制采用压差控制，密封气控制的目的是防止工艺介质中的颗粒介质窜入干气密封而造成密封失效。采用压差控制的办法最直接有效，自动化程度更高，气动薄膜调节阀可以始终保证密封气与平衡管保持设定的压差，防止缸体内介质反窜进入干气密封。

监控单元。采用监测孔板前后压差来对干气密封一次泄漏进行监测。

二级密封气单元。二级密封气(氮气)从两级干气密封之间注入，保证串联式干气密封泄漏出的介质气全部通过一次泄漏排放到火炬，后密封泄漏出的气体仅仅是氮气，则可直接排空。二级密封气为氮气，其用量控制在每套密封5m3/h左右。

图3 干气密封系统（P&ID）

隔离气单元。隔离气的作用是防止润滑油窜入密封腔对后密封造成影响，对干气密封起保护作用。该控制系统每套干气密封隔离气(氮气)的用量控制在10m3/h。

除湿单元。一级密封气是工艺气，气体中含有水蒸气、油雾等有害物质，尽管在上述的控制系统中有1～3μm的精过滤器，但任何专门设计的凝聚式过滤器也不能除去超过0.1%的水蒸气和其他凝聚物。这些物质是干气密封长期运行的极大隐患，必须利用除湿系统除去。为了给干气密封提供干净、干燥的密封气，压缩机出口工艺气进入系统后首先经过气液分离器。气液分离器能将气体中的液体(如凝缩油、水等)和固体颗粒除去。