CO2压缩机高压缸轴封及轴封系统的选型与改进

2014-10-11贾先权中国成达工程有限公司成都610041

化工设计 2014年1期

贾先权中国成达工程有限公司成都610041

CO2压缩机是尿素装置中的核心设备，在实际运行中，低压缸压力较低，都采用迷宫密封，本文不作讨论，而高压缸的轴封型式有干气密封和迷宫密封两种，如:在20世纪70年代，我国引进的13套大型化肥装置中大部分CO2压缩机高压缸都采用迷宫密封;20世纪80年代到90年代，随着干气密封技术的逐渐成熟，我国引进的大型化肥装置中部分CO2压缩机高压缸开始采用干气密封，但干气密封都普遍出现过失效故障的问题，造成了重大的经济损失［1～3］。进入21世纪后，因高压缸干气密封故障率偏高，改进型迷宫密封重新作为被选择的方案之一。如:2003年建成投产的中海油某800kt/a尿素装置，采用三菱的CO2压缩机，高压缸轴端密封为迷宫密封;2006年建成投产的江苏灵谷520kt/a尿素装置，采用新锦化机的CO2压缩机，高压缸轴端密封为迷宫密封［4］;2010年建成投产的塔里木800kt/a尿素装置，采用意大利新比隆的CO2压缩机，业主将专利商和设计院建议的高压缸干气密封更换成迷宫密封等［5］。

这样，对于CO2压缩机高压缸轴端密封型式，就出现了干气密封和迷宫密封两种方案的选择问题，究竟选用干气密封还是迷宫密封?本文进行比较分析，供选用时参考。

1 干气密封和迷宫密封的比较

CO2压缩机分低压缸和高压缸两个缸，由于CO2气体允许少量的泄漏，同时为了避免能耗过高，工艺要求CO2压缩机的气体泄漏量控制在出口质量流量的0.5%之内，低压缸压力较低，都采用迷宫密封;而高压缸因压力很高，为延长密封寿命，减少外泄漏量，出现了迷宫密封和干气密封两种轴封型式，下面仅针对高压缸的轴封型式进行比较分析。

1.1 经济性

以我公司承接的各800kt/a尿素装置用CO2压缩机高压缸轴封型式的厂商报价为例进行比较分析，见表1，其中迷宫密封和干气密封均采用国内成熟技术。

表1 迷宫密封和干气密封的经济对比表

由表1可知:从一次性投资费用看，干气密封比迷宫密封高很多，近6倍;从检维修费用和操作损耗费用看，干气密封也高很多，干气密封比迷宫密封年费用合计高了近84万元，随着压缩机运行时间的延长，干气密封比迷宫密封的运行费用会成倍的增长。总之，干气密封不仅投资费用高，运行费用也相对较高。

如果采用进口品牌的干气密封，干气密封的投资和运行费用将更高。

1.2 可靠性

迷宫密封结构简单，无任何辅助装置，采用自身平衡轴封系统，不需缓冲气，易损件也较少(主要是密封梳齿)，能较大程度的承受密封件和轴的相对轴向热变形和位移，因密封失效导致机组停车的可能性小，所以迷宫密封可靠性高。

干气密封结构较复杂，需要复杂的密封气控制系统，密封气增压装置及辅助系统较多，还需要清洁度相当高的仪表空气或氮气作为缓冲气，系统复杂，易损件也较多(如:整套干气密封、主密封气过滤器滤芯、缓冲气过滤器滤芯、密封用O型圈和垫片等)，因密封失效导致机组停车的可能性大，所以干气密封比迷宫密封可靠性低。

1.3 密封性能

干气密封系统可以达到0.096%的外泄漏量，密封性能较好。由于迷宫密封是利用节流原理实现密封和减少外泄漏量的，因其结构的特点，迷宫密封本身的泄漏不可避免，但由于迷宫密封采用自身平衡轴封系统，可以满足小于0.5%的外泄漏量，进行优化设计后，可以达到0.16%的外泄漏量，甚至更低的外泄漏量。

可见，在进行优化设计轴封系统后，迷宫密封系统的密封性能(外泄漏量)可以接近、甚至可以达到干气密封的密封性能。

1.4 操作和检修

由于迷宫密封结构简单，操作和检修相对简单，更换密封梳齿，检查与轴的对中，并调整梳齿与轴之间的间隙即可，对安装人员的技术要求相对较低。

干气密封结构较复杂，需要复杂的密封气控制系统、密封气增压装置，辅助系统较多，操作要求高(如避免负压操作)，检修和安装技术要求高(轴与干气密封的内径应保证足够精度的间隙，各密封圈的安装位置保证精确到位等)，为避免杂质进入，安装程序多，对安装人员的技术要求较高。

2 迷宫密封轴封系统设计选型

对于迷宫密封，由于其自身结构特点，迷宫密封本身的泄漏是不可避免的，对轴封系统设计应注意两个问题:一是选择轴封系统方案，二是应考虑轴封系统的内泄漏功耗损失问题。

2.1 轴封系统方案选择

下面介绍常用的3种迷宫密封轴封系统，便于分析技术上比较可靠的轴封系统。

为便于说明，结合实际项目的情况，规定3种方案的操作条件都一样，见表2。

表2 CO2压缩机操作条件参数

2.1.1 A方案

A方案轴封系统是GE新比隆比较早期的方案，是70年代引进大化肥装置时典型的轴封系统，现在仍在使用。各段的气体入口都在缸体的两端，高压气体出口位于缸体的中间;一、二段密封为A、B两组，三段密封为A、B、D三组，而四段密封为A、B、C、D四组［6］。A方案轴封系统见图1。

图1 A方案—迷宫密封轴封系统

二段进口压力约为6.5bar(A)，经过二段B组密封后压力降低至约0.4bar(A)，将二段B组密封后引出的0.4bar(A)气体接入一段的B组密封。此0.4bar(A)压力的气体再经过一、二段的A组密封后，只微带正压，放入大气。

三段出口的高温高压(72bar(A)，140℃)气体通过节流阀控制压力，使其略高于三段进口压力通入D组密封，再经过B组密封后压力降至约7bar(A)，引入一段出口水冷器之前的气体管，与一段出口气体合并冷却后进二段回收利用。经A组密封泄漏气体与一、二段的A组合并放入大气。

三段出口的高温高压气体直接引入E组密封，经C组密封后压力降至约26bar(A)，与二段出口气体合并进入水冷却器后再进入三段回收，经B组密封后压力降至约7bar(A)，与三段B组合并进一段出口回收。A组密封泄漏气体与其它各段的A组合并放入大气。

2.1.2 B方案

B方案轴封系统是日立压缩机的轴封系统方案，低压缸的气体入口都在缸体的两端，气体出口位于缸体的中间;高压缸叶轮采用单向排列，三段入口位于缸体的一端，四段出口位于缸体的外端;一段密封为E、C两组，二、三段密封分别为A、B、D和H、K、J三组，而四段密封为I、G、K、J四组。B方案轴封系统见图2。

图2 B方案—迷宫密封轴封系统

一段出口压力约为7bar(A)，一部分经二段A组密封后进入二段入口，另一部分经过二段B组密封后约2.5bar(A)的气体通入一段E组密封后进入一段进口，将二段C组密封后引出的气体接入一段的C组密封后，进行高点放空。

三段出口的高温高压(72bar(A)，140℃)气体通过节流阀控制压力，一部分使其略高于三段进口压力通入H组密封，另一部分经过K组密封后压力降至约2bar(A)，引入一段入口气体管，经J组与一、二段的C组密封泄漏气体合并排入大气。

三段出口的高温高压气体经过阀门调压后引入G组密封，一部分与四段出口气体经I组密封后的气体汇合后引入三段进口;另一部分经K组密封后压力降至约2bar(A)，引入一段入口气体管。J组密封泄漏气体与三段J组，一、二段的C组密封泄漏气体合并排入大气。

2.1.3 C方案

C方案轴封系统是在三菱重工轴封系统上改进的方案，各段的气体入口都在缸体的两端，高压气体出口位于缸体的中间;一、二段密封为A、B、C三组，三段密封为A、B、C、D四组，而四段密封为A、B、C、D、E五组。C方案轴封系统见图3。

图3 C方案—迷宫密封轴封系统

一、二段A组密封气来自三段B组密封后气体与四段C组密封后气体经阀门调压后的汇合气，再经过一、二段B组密封后阀门调压后引入一段入口;一、二段C组密封后气体汇合引入喷射器单元再(动力源采用一段出口气体)引入一段进口，进行回收。

三段的A组密封气采用二段出口高温高压阀门调压后气体(26bar(A)，175℃)，经三段B组密封后与四段C组密封后气体汇合，再经阀门调压后引入一、二段B组密封;三段C组密封后气体与四段D组密封后气体汇合，经阀门调压后引入一段入口;三段D组密封后气体与一、二段C组密封后气体汇合引入喷射器单元后再引入一段进口，进行回收。

三段出口的高温高压(72bar(A)，140℃)气体通过节流阀控制压力，使其略高于四段进口压力通入四段A组密封，经过四段B组密封后与三段入口压力相通;四段C组密封后，与三段B组密封后气体汇合，经阀门调压后引入一、二段B组密封;四段D组密封后气体与三段C组密封后气体汇合，经阀门调压后引入一段入口;四段E组密封后气体与三段D组密封后气体，一、二段C组密封后气体汇合引入喷射器单元再进入一段进口，进行回收。

高压缸各组密封腔压力分布，见图4。

图4 C方案—高压缸各组密封腔压力分布图

在每组密封前后都增加了压力表或压力变送器，必要时可以增加压差高/低报警，监视密封压差是否过大或密封是否损坏，可以在线监视迷宫密封运行情况，有利于延长密封的寿命。

2.1.4 三种迷宫密封轴封系统方案的比较分析

CO2的临界温度为31.3℃，临界压力为73.8bar(G)，CO2的压力－比焓曲线见图5。

图5 CO2的压力－比焓曲线图

CO2在一定条件下易结冰［7］，密封设计有一定特殊性，CO2压缩机轴封系统设计的密封原则是:①使CO2在一定压力下能够保持一定的温度，防止泄漏时凝结成干冰;②密封性能满足工艺要求，使CO2外部泄漏量小于0.5%;③ 尽量减少密封气的使用量，减少内泄漏量，因为作为密封气和内泄漏的高温、高压气体是经过压缩机做过功的;④泄漏气(或泄漏气与密封气的混合气)通过后一级密封后，压力必须有所下降，但压差又不能太大，如果压差太大，泄漏量将增大，且密封梳齿的寿命将受影响。⑤ 必须将润滑油及油气与CO2压缩机缸体内的工艺气体进行隔离;⑥ 操作维护应简单［4］。

根据密封的原则，从密封布置型式、密封性能、可靠性、投资费用、操作费用、维护费用、备件等方面，对三种轴封系统进行比较分析，见表2。

从表2可以明显看出:

(1)A、C两种方案，高压气体出口位于缸体的中间，各段的气体入口都在缸体的两端，有利于密封的布置，减少了密封的压差，有利于延长梳齿密封的寿命。

(2)C方案较A、B两种方案的密封组数多，各组密封压差相对最小，特别是容易泄漏的高压缸密封组数达到5组，平均各组压差较低，有利于延长梳齿密封的寿命。

(3)从密封性能来看，C方案采用喷射器回收，CO2气体外部泄漏量可以保证为零。A、B两种方案都需要排放泄漏气，特别是A方案，高压缸体的最外端密封压差为6.5bar(G)，在三种方案中压差最高，泄漏气量最大，噪音也最大。

(4)C方案高压缸低压端密封气采用二段出口的高温中压气(26bar(A)，175℃)，高压缸高压端密封气采用三段出口的高温高压气(72bar(A)，140℃);而A、B两种方案高压缸低、高压端密封气都采用三段出口的高温高压气(72bar(A)，140℃)，并通过节流阀减压。C方案总体上消耗的高温高压密封气量少，能耗低。

(5)C方案在每组密封前后都增加了必要的仪表，可以在线监视迷宫密封运行情况，有利于延长密封的寿命。A，B两种方案操作性都较盲目。

(6)操作费用上，由于C方案梳齿密封寿命最长，备件费用相应较低。

总之，采用改进型轴封系统C方案，在技术和经济上都优于A，B两种方案。

2.2 迷宫密封系统的内泄漏功耗损失问题

2.2.1 压缩机技术参数

鉴于迷宫密封自身结构特点，迷宫密封本身的泄漏是不可避免的，在进行CO2压缩机热力计算时，还应考虑迷宫密封系统的内泄漏功耗损失问题。下面根据成达总承包项目中的CO2压缩机为例进行说明，迷宫密封轴封系统B方案中表示了内泄漏点和方向，见图2。

表2 A、B、C三种迷宫密封轴封系统对比表

该CO2压缩机进口压力为1.451bar(A)，进口温度为40℃，进口流量为23000m3/h;出口压力为147bar(A)，出口温度为119℃，出口流量为54606kg/h;正常工况下的轴功率为6292kW。

各段的流量(包括内泄漏量)和轴功率分别为:一段:54928kg/h，2143kW;二段:55970kg/h，1891kW;三段:58137kg/h，1265kW;四段:57900kg/h，779kW。

2.2.2 内泄漏功率损耗计算

根据斯托道拉公式和马丁公式［8］，可以计算各组密封的泄漏量。

密封气回注1段入口流量:1973kg/h;E点泄漏量:14kg/h;A点泄漏量:116kg/h;H点泄漏量:207kg/h;G点泄漏量:207kg/h;F点泄漏量:1082kg/h;1段出口引出密封气:416kg/h;3段出口引出密封气:1562kg/h;I点泄漏量:3327kg/h;密封气回注3段入口流量=I点泄漏量+G点泄漏量=3534kg/h。

由于压缩机是采用各段分别回流的方式，所以内泄漏功率损耗量应分段计算，由于功率与质量流量成正比，可按下列方式估算内泄漏功率损耗量。

一段:2143×(密封气回注1段入口流量+E点泄漏量)/一段入口流量=78kW。

二段:1891×(A点泄漏量+F点泄漏量)/二段入口流量=41kW。

三段:1265×(密封气回注3段入口流量+H点泄漏量)/三段入口流量=81.4kW。

四段:779×I点泄漏量/四段入口流量=45kW。

故:总的内泄漏功率损耗为:

总的内泄漏功率损耗约占压缩机正常轴功率的比例约为3.9%，所占比例是相当大的。根据API 617－2002，第7版第2章第2.1.1.3条，关于压缩机性能保证的要求，正常工况下压缩机的轴功率不得超过设计值的4%，且驱动机功率在压缩机额定工况下，应有10%的裕量。由此可见，在进行压缩机的热力计算中，应考虑密封系统的内泄漏功率损耗，以保证压缩机设计、汽轮机或电机的选型设计有合理的裕量。