氨压缩机干气密封泄漏气压差高原因分析及对策

吴志强/新疆奎屯锦疆化工有限公司



氨压缩机干气密封泄漏气压差高原因分析及对策

吴志强/新疆奎屯锦疆化工有限公司

Abstract

首先对氨压缩机工艺流程、干气密封流程进行介绍，然后通过数据进行对比分析，找出影响氨压缩机干气密封泄漏气压力高的原因，避免以后同类现象引起的跳车。

氨压缩机；工艺流程；干气密封；迷宫密封；泄漏

0 引言

随着科技发展，为保证设备安全、稳定、可靠运转及连续生产，防止易燃易爆、腐蚀性及毒性流体的泄漏，大多数机组、泵都采用不同形式的密封来降低危害，从而预防设备火灾、爆炸事故和人身伤亡等重大事故，取得了较好的使用效果。尤其在近几十年来，密封技术经历了相当大的发展，适应了大型机组、泵高转速和大流量，而设备的泄漏量逐渐降低，使得设备安全环保运转，提高了设备效率及可靠性。

奎屯锦疆化工有限公司40、70万吨合成氨尿素项目氨压缩机额定转速8 526r/min，压缩机有低压缸和高压缸组成，型号是MCL606+3MCL608，两缸三段14级压缩，其干气密封是带中间梳齿的串联式干气密封。从3月24日开车以来运行比较稳定，但在5月12日3：04：33跳车，跳车原因为高压缸高压端一级泄漏气压差高（低报：0.03MPa，高报：0.09MPa，跳车：0.12MPa）跳车。

就目前压缩机跳车原因有两种：一种是公用工程系统跳车，或是前部工序跳车引起，二是仪表故障误显示或是断线引起。

此次跳车原因引起了大家注意：因为泄漏气压差确实高而引起压缩机跳车。首先怀疑是干气密封损坏或是其他密封损坏，在询问厂家后这种可能性较小，随后开车密封系统正常，说明相关操作方式有问题，值得操作人员和管理人员的注意，查清原因，避免下次跳车，在事后的案例分析中尤为重要。

1 氨压缩机工艺流程简介

氨压缩机工艺流程见图1。

图1　氨压缩机工艺流程图

2 氨压缩机干气密封的流程介绍

如图2氨压缩机干气密封控制图，在开车时，0.12MPa三级隔离气、0.15MPa二级缓冲气由0.42MPa低压氮气（N3）减压供应，一级主密封由0.42MPa低压氮气（N3）供应，正常运行时，一级主密封气体由压缩机三段经过后冷器（E1861）冷却过的气体减压供应，温度由后冷器（E1861）控制，温度在50℃左右（在冬季时投运蒸汽伴热防止密封气带液）。压力大于0.42MPa时自动切换成工艺气。

图2　氨压机干气密封控制图

此次跳车相关数据见表1。

表1　5月12日机组运行相关数据表

同样的情况在5月10日也发生，由于处理及 时，氨压缩机未跳车，数据见表2。

表2　5月10日机组运行相关数据

3 干气密封性能的影响因素及分析

对于干气密封来讲，其密封性能的影响因素有很多，主要包括结构参数［3］和操作参数［4-5］两个方面。对于结构参数来讲，端面结构参数作为一个重要影响因素，对干气密封性能影响很大。对于气膜刚度来说，该参数对其的影响主要表现在以下三个方面：1）动压槽数量；2）动压槽形状；3）动压槽尺寸（长、宽、深）。然而对当前的压缩机而言，相对来说，其干气密封性能往往是确定的，因此端面结构参数对其干气密封的影响就可以忽略。

对于操作参数来讲，因为系统工况变化具有很大的不确定性，因此对干气密封性能的影响也相对比较大。其影响主要表现在以下几个方面：1）工作介质的压力；2）干气密封的密封直径与转速；3）工作介质的粘度、温度等物理参数。然而对于干气密封的密封直径与转速，由于其在设计过程中，已充分考虑其承受的极限，因此可忽略。

对于氨压缩机来说，其干气密封主密封与平衡管之间的压差通过气膜调节阀保持恒定，二级密封气和缓冲气压力也是恒定的，而转速通常保持在8 300r/min，而通过表1和表2分析得知，三段进口分离罐带液，导致三段气体进口温度下降，甚至带液，导致高压缸高压端干气密封一级泄漏气压差高，甚至高高跳车。

也就是说，介质温度本身对干气密封的密封泄漏量影响不大，只是进口气体温度急剧降低甚至带液，造成压缩机的内泄漏量增大，（即轴封迷宫密封的泄漏量增大），从而导致高压缸高压端干气密封一级泄漏气压差高，甚至高高跳车。

将小麦酱油的pH值稳定在6.5，导致酱油的总氮和氨基酸态氮含量略有下降，但酱油中游离谷氨酸含量上升38.56%。

4 迷宫密封的工作原理及影响因素［6］

迷宫密封主要借助于迷宫效应来实现密封，所谓迷宫效应，其指的是流体流经迷宫时，因为流动阻力的增加而使得流体流量减少的现象。当流体是液体时，迷宫效应中主要涉及流束收缩效应、水力磨阻效应等流体力学效应；当流体是气体时，迷宫效应中主要涉及热力学效应和“透气效应”等，对于热力学效应而言，其主要指的是流体通过迷宫时，由于流体的膨胀或压缩而引发的效应。上面所述各种效应的综合就是迷宫效应。

在迷宫密封转子和压缩机机壳之间有一定的间隙，间隙使得转子和机壳之间没有直接接触，运转过程中就不用采用润滑措施，还可以容忍一些热膨胀的存在。以上的密封特点使得迷宫密封适用于高压、高速和高温的工作环境。因此，迷宫密封在汽轮机、鼓风机和压缩机中应用广泛，其主要用于这些设备的级间和轴端的密封。图3是迷宫密封的结构图。

图3　迷宫密封结构图

而Witting等人［7］试验研究结果表明：迷宫密封的泄漏量主要与密封的几何结构、压比、雷诺数、物理特性（粘度）、湍流度有关。这几个因素中，因氨压缩机后面开车正常，干气密封泄漏气压差和以前几乎一样，对于迷宫密封的几何结构及损坏不予考虑，而要充分考虑流体的静压效应［8-10］。针对上面提到的影响迷宫密封的因素，下面进行详细探讨。

1）在分析压比这一影响因素时，要考虑介质粘度和温度对压比的影响。介质温度［11-12］与粘度对压力的的影响显而易见，在同体积下，气体分子间距大彼此较独立，温度升高增加分子动能，但也增加了分子间碰撞度，反而增加气体动力粘度，气体的粘度随温度升高而增大，气体的压力随温度的升高而增大。通过以上分析，我们可以得出：在静态下，迷宫密封的泄漏量会随着压比的增大而增大；而在动态下，这个泄漏量会趋于平衡，在可控状态。当工作介质是液体时，液体分子的间距会随着压力的增大而不断减小，而液体分子的动能会随着温度的升高也不断增大，分子动能的增加会使得液体流动性增强，动力粘度就会相应的减小。通过以上分析，我们可以得出：随着液体温度的升高，液体压力会增加，而液体的粘度会降低。

根据前面论述，迷宫密封有许多膨胀间隙和截流间隙，其主要通过上述间隙的节流效应实现密封，因此，迷宫密封会存在一定的泄漏，而这种情况也比较正常。对于氨压缩机进口气体，温度急剧下降甚至带液，其动力粘度总体在增大，同时迷宫密封也伴随一定的热胀冷缩，影响其泄漏量的质量增大（随着粘度的增大，密度也在增大）。作为干气密封的前置密封，其泄漏量增加，进而对干气密封的气膜稳定性则造成了一定的影响，进而在干气密封的泄漏气压差中表现为高，比起平时大了许多。

2）针对雷诺数这一影响因素，雷诺数主要用来反应流体的流动情况。其计算公式为：

式中，v为流体的流速，η为流体的粘度系数；ρ为流体的密度；L为特征长度。在实际计算过程中，主要分为两种情况：对于内流问题，公式中的v，L分别取为通道内的的流体的流速和通道的直径；对于外流问题，公式中的v，L要由外部流体的流速和特征尺寸确定。雷诺数Re作为流体流动状况的重要参数，反应了流体微团粘性力和惯性力之比，如果两个流场几何相似，并且Re的值相同，就表示两个流场流体微团粘性力和惯性力之比相同。此外，根据成膜理论［13］，我们可以得出：Re越大，惯性力对流体的影响越大，粘性力对流体的影响越小；Re越小，惯性力对流体的影响越小，粘性力对流体的影响越大。

当压缩机的进口温度发生变化时，流体的粘度与密度都会随着发生相应的变化。具体来讲，当流体为气体时，随着温度的升高，其粘度会增加，而其密度会降低；当流体为液体时，随着温度的升高，其粘度会降低，并且其密度也会相应降低。

对于湍流度这一概念，其也用于描述流体流动情况，其也成为湍流水平。计算公式为：

式中，U为湍流脉平均速度；v'为湍流脉动速度的均方根。

其中，U可以向x，y，z三个方向进行分解，分解为Ux，Uy，Uz。因此可以得到湍流脉动速度为：

此外，如果假定湍流动能为K，则可以得到湍流脉动速度的均方根为：

从以上两个公式我们可以看出，湍流脉动速度U与流体的粘度有关系，因此湍流脉动速度U也与雷诺数也有关系。而雷诺数作为反映流体流动的湍流程度成正比，同时其内摩擦力也增大，进而影响粘度。

综上，为提高压缩机的性能，可以控制高的压比，提供高的动能；但凡事有度，不能为追求高性能而单纯提高压比，这样将会造成压缩机的爆振，也就是气体紊乱，将会影响压缩机的运行工况。而气体的紊乱，就意味着雷诺数将会很大幅度的变化，对机组的振动频次产生骤变，从而影响机组的密封状况。为应对以上现象，我们在日常的操作中，尽量稳定操作，按照“升压先升速，降速先降压”的原则，对防喘振阀和转速配合调节，达到机组调优状态。此次氨压缩机跳车原因值得操作人员的重视，同时搞清楚影响迷宫密封、干气密封的因素，在以后的操作中如何避免此类跳车，加强学习。

5 建议

综上所述，对氨压缩机来讲，为了保证其密封性能，在氨压缩机实际运转过程中要严格监控其每一段的压力大小、温度高低及其各氨冷器液位的变化，出现异常后要及时采用相应的措施。以免在某一压力和温度下，达到流体的饱和蒸汽压，进而使得氨压缩机出现积液现象。此外，还要尽量避免氨压缩机各段的进口处带液，进口处带液严重时，不但会损坏氨压缩机的密封，而且也可能损坏压缩机的叶轮；带液不严重时，也会导致氨压缩机因密封泄漏而出现跳车现象，影响氨压缩机的正常工作。

［1］陈敏恒.化工原理（第三版）上册［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［2］王树术，刘春艳.离心压缩机干气密封损坏原因分析［J］.风机技术，2009（2）：4-6.

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［6］李志刚，李军，丰镇平.迷宫密封泄漏特性影响因素的研究［J］.2010（3）：44-45.

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［9］顾永泉.流体动密封［M］.山东：石油大学出版社，1990.

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［12］顾永泉.机械密封实用技术［M］.北京：中国石化出版社，2001.

The Analysis and Solution of the Leakage Gas of Dry Gas Seal w ith High Differential Pressure in Ammonia Com pressor

Wu Zhi-qiang/Kuitun Jin Jiang Chemical Co.，Ltd.，

The introduction to technical processes and dry gas seal of ammonia compressor is presented.According to the comparison and analysisof thedata，find out the reason of leakage gas with high differential pressure from ammonia compressor dry gas seal.It was avoided stopping problems caused by similar phenomenon in the future.

ammonia compressor；technical process；dry gasseal；labyrinth seal；leakage

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）01-0085-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0035

2015-08-10 新疆 奎屯市 833200