干气密封在合成气压缩机上的应用

马光华

摘 要：合成气压缩机是现代氨合成生产工艺核心机组，合成气压缩机的主要工作是接受合格的合成气新鲜期，并将其压缩后送至后续氨合成工段，在现代煤化工生产中必不可少。合成气压缩机密封装置采用干气密封装置，干气密封属于新技术，有良好的密封效果、极强的经济性，具有操作简单可靠，维修质量低，被密封的介质不受油污染等特点。随着干气密封技术的日趋成熟，目前国内化工行业中压缩机采用的浮环密封、机械接触式密封已逐步被先进的干气密封所取代，所以对于这项新技术我们消化吸收的同时要很好的总结与摸索，力求将这项操作方便、安全可靠的干气密封技术为我公司各压缩机密封进一步改造提供一些有价值的操作经验和维护思路。

关键词：压缩机;合成气压缩机;密封;干气密封

1 概述

山西中煤平朔能源化工有限公司是由一套年产30万t合成氨裝置、两套年产18万t硝酸装置、两套年产20万t硝酸铵装置组成。其中的核心设备为西门子工业透平机械（葫芦岛）有限公司生产的合成气压缩机，此设备为两缸三段结构，型号为STC-SV10-08-B、STC-SV10-08-A，由一台中压抽凝式汽轮机驱动，压缩机分低压缸和高压缸，其中低压缸为一段8级结构，高压缸为两段8级结构。

由于压缩机在正常的运行中含有约75%的H2气，25%的N2气，以及部分NH4气，不能排放在大气中，故其密封采用的是博格曼公司双旋向干气密封。

2 干气密封的原理结构

干气密封在结构上与普通机械密封基本相同，也由静环和动环组成，其中：静环由弹簧加载，并靠O型圈辅助密封。典型的干气密封结构包含有静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合。（如图）端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬质合金或石墨。与普通机械密封重要区别在于，干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行，实现密封。下面是典型干气密封剖面图：

干气密封属于非接触式密封，干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的，稳定的气膜是由密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的。它不需要密封润滑油，其所需的气体控制系统比油膜密封（机械或浮环密封）的油系统要简单得多。与普通的油膜密封相比，它更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。

2.1 干气密封的主要优点

①去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷;②大大减少了计划外维修费用和生产停车;③干气密封具有膜式密封和机械密封两者的优点，避免了工艺气体被油污染的可能性（工艺气泄漏量<2Nm3/h）;④密封气体泄漏量小（主密封氮气消耗量<2Nm3/h;隔离氮气消耗量<15Nm3/h）;⑤维护费用低，经济实用性好;⑥密封驱动功率消耗小（<1.2kW/套）;⑦密封寿命长，运行可靠（连续使用寿命>三年）。

2.2 干气密封运行的主要注意事项

①虽然运行中体现了其较强的经济性，但在国内外的采购价格是一笔巨大的支出。因此精心维护是增加经济效益的良好手段;②属于较精密的设备，零部件表面加工精度高，所以对密封气的质量要求相当严格。要求密封气体杂质颗粒最大不超过5μm，防止密封气中出现油和其他液体、杂质以及酸性气体等，以防对密封体造成损害和腐蚀。所以保证密封气体的洁净、防止杂质和腐蚀性气体的进入应该重点监测;③干气密封本身可靠性很高，但控制参数较多，全面掌握熟练操作需要有一个学习的过程。参数中设置了许多启动联锁和停车联锁，控制要根据实际情况综合考虑，避免假信号出现，否则稍有不慎将导致机组的停车和其他故障。因此对操作人员的综合素质要求比较高;④尽可能避免机组的喘振事故和频繁开停车操作。喘振会造成压缩机振动过大，使干气密封的使用寿命缩短，频繁的开停车会导致摩擦，特别是处于动压效应不是很好的二级密封极容易发生接触造成密封的损害;⑤杜绝机组倒转事故的发生。根据干气密封螺旋槽的设计方向，气体只有沿着设计方向进入螺旋槽，密封面之间才能形成气膜，脱离接触;如果机组倒转会倒转动静环直接接触发生干摩擦，密封会很快烧毁，所以机组停车时一定保证正常的惰走，绝对不允许发生机组倒转事故。

3 合成气压缩机干气密封

3.1 合成气压缩机干气密封简介

合成气压缩机干气密封采用了德国博格曼公司的产品，配套设计和辅助设备由德国西门子负责提供。由于压缩气体属于不允许泄漏到大气中的N2/H2气体，当然也不允许密封气泄漏到工艺介质中，所以采用了带中间进气的串联式干气密封，这种密封方式在两级密封间加了迷宫密封，可以做到完全无外漏。它除了做为主密封的工艺气还单独引入低压氮气作为辅助密封（我们习惯称为二次密封）气体。带中间进气的串联式干气密封的布置方式如图：

从上图中可以清楚地看出干气密封由内侧密封和外侧密封组成。合成气压缩机干气密封密封气体的布置，可分为内侧密封也就是我们说的主密封、外侧密封也就是二次密封和隔离气三路。而排放部分主要是排放主密封和二次密封泄漏的主排风和排放二次密封氮气和少量隔离氮气的二次排风。

3.2 合成气压缩机干气密封流程

为了更直观的看出合成气压缩机流程的布置方式我们采用从外方提供的工艺流程图中截取密封和排风的布置部分，如下图：

主密封气体供给来自压缩机的输出，按设计要求输出温度最大不允许超过干气密封的设计温度160℃。因此，主密封气体又高压缸出口接出的工艺气体管线接入外部供气控制阀与双联过滤器之间，工艺气体经过过滤器（过滤精度3μm）低压缸和高压缸主密封气体。双联过滤器都装有一个压差测量装置，在压差达到0.05MPa时报警。连接压缩机二段入口的排放口可以使泄漏气体和分离的液体返入工艺系统。辅助密封也就是二次密封气体和隔离气来自低压氮气管网。供应压力大于0.2MPa的低压氮气经双联过滤器（过滤精度3μm）过滤后分为两路，一路经调节阀调节为0.28MPa供压缩机的LP、HP两个缸做辅助密封使用。另一路是经过自立式调节阀调节为0.12MPa成为两个缸的隔离气体。如下图：

双联过滤器是过滤低压氮气供辅助密封和隔离气体而设计的，比较双联过滤器耐压小，配置也简单一些，但同样设置有压差报警信号，切换时没有排放这一项，其操作步骤基本是一样的。

3.3 干气密封控制

干气密封的控制主要分为密封气体（含主密封、辅助密封、隔离气密封气体）控制部分、排（放）风（含主排风、二次排风）控制部分和安全防护控制部分。控制是通过仪表调节阀、带电磁阀的控制阀、联锁报警信号、普通报警信号和机械止逆阀来实现对干气密封的运行控制和保护的。下面就以上三部分控制的实现手段，控制目的和相关监控设备进行分析说明。

3.3.1 密封气体控制部分

3.3.1.1 主密封气控制

主密封气体考虑了正常运行和事故停车时的情况，有两路气体进入双联过滤器前。一路是正常运行或停车但缸体压力大于中压氮气压力时的工艺气体，它们来的压缩机出口管线。另一路是来自低压氮气管网压力大于3.3MPa的氮气。工艺气与氮气的切換，也就是机组正常和事故状态下是通过工艺气出口管线的止逆阀与中压氮气管线的止逆阀以及闸阀进行切换的。

需要指出的是这种指令性控制是和安装在外部供气和安装在主密封工艺气供给管线上的单向阀的动作相互配合的，因此单向阀动作的灵活好用是十分重要的。

3.3.1.2 辅助密封气控制

辅助密封气是为干气密封内的中间迷宫提供二次密封气体的。来自低压氮气管网大于0.2MPa的气体，在双联过滤器前设置了自力式调节阀PCV630123，调节阀它用于调节向压缩机两个缸传动端与非传动端供应辅助密封气压力。设定压力0.28MPa是通过阀门后PIT630135这个信号输出的。PIT630135不但测量辅助密封气压力还对的调节输出压力信号用于二级密封气自力式调节阀自动状态下的调节。所以此信号是机组启动联锁之一，在启动联锁部分会提到。干气密封的设计要求在压缩机缸体没有压力时，无论采用那种方式都不允许打开此阀，以免造成密封腔形成负压。机组正常运行和压缩机缸体有足够压力的停车状态下自力式调节阀应持续投用，虽然阀门可以通过“手动”控制，但如果非紧急情况阀门要长期保持 “自动”状态。

3.3.1.3 隔离密封气控制

隔离密封气是向隔板密封供给隔离气体的，用来保护润滑油不窜入密封区域，同时也防止密封泄露气体进入轴承区。隔离气接自供二次密封使用的低压氮气管线上，引来的氮气通过自立式调节阀PCV630143进行设定后的调节。正常的设计值是0.12MPa，两个缸向两端供气之前共设置有一块压力监测仪表PIT630145仪表向系统发出隔离气的高低报警信号，而且也是润滑油泵和机组的启动联锁，所以低报警器是变量的，具体表现为两个作用：一是停车状态当压力低于0.02MPa时，控制系统SCAUT的指令会使润滑油小透平的蒸汽切断阀关闭，无法启动主油泵，辅助油泵此时也无法启动。这种设计主要是保护干气密封不会窜入润滑油，从而保护干气密封。压力一旦高于0.02MPa时油泵的启动联锁既破坏。二是正常运行时隔离气压力低报警，是监测隔离气压力的。高报警的作用可判断自立式调节阀调节有问题。

3.3.2 排风控制

排风只涉及到主排风的控制，因为二次排风的排放氮气直接通到大气之中，所以没有设计什么控制原件。而主排风不但设计有复杂的控制系统，也是干气密封部分唯一出现机组停车联锁的地方。从每个缸驱动端和非驱动端主排风排出的混合气体（氮气和工艺气）首先经过联锁信号的检测经过主排风压力调节阀PCV630156（设定0.1MPa）排放至火炬管线。目前合成气压缩机干气密封可分两路排放，一是火炬，二是大气。排放到大气，主要是考虑火炬排放压力控制难度较大、火炬排放管线气体成分复杂等方面原因而设计的。

主排风每个缸的两端都设置有联锁信号，驱动端、非驱动端分别设有三个联锁监测，高联锁与低联锁均为三取二联锁（见表1）。表1列表中各参数是干气密封和机组的保护参数，也可以分析主密封、二次密封的运行状态，是保护机组和判断问题的重要参数控制。

3.4 安全保护

安全控制部分，实际上主排风控制的机组联锁保护是V-901干气密封最为重要的安全防护措施。我们在排风控制中已经涉及到，但在主排风排放调节阀作为机组的启动联锁和其他为安全而设置的启动联锁并没有讲到。所以，下面就安全保护中启动联锁部分进行说明。干气密封设置有十个启动联锁，其目的是保护干气密封的运行安全，确保干气密封在洁净、密封完全、无任何超标参数的情况下长周期稳定运行。

3.4.1 主排风压力调节阀

排风压力调节阀，是在压缩机复位时，以投“自动”的形式参与机组保护的。调节压力设定为0.1MPa，由调节阀前取样的压力控制仪表给定调节压力，当给定压力大于0.1MPa时调节阀开大，当给定压力小于0.1MPa时调节阀关小。设置压力调节阀的目的是，借助火炬管线或者大气排放压力所形成的控制回路，防止主通风管路出现高压或低压，保持主排风有恒定的压力，这样在外侧密封产生足够的压差，从而保护外侧密封。在压缩机复位启动时主排风压力调节阀必须为自动方式，采用正确的设定值。而正常运行时虽然可以以“手动”的方式运行，但是，非事故状态下严禁以“手动”的方式长期运行。当遇到主排风压力高联锁事故可以“手动”全开压力调节阀。

3.4.2 外部供气

外部供气压力做为压缩机启动联锁是通过测量信号输送到控制系统来实现的。设置目的是在机组启动前确保有足够的外部供气，一是保护干气密封，二是对于机组启动前的准备工作提供时间。

3.4.3 隔离气体

隔离气体压力PIT630145是压缩机的启动联锁信号，正常的调节阀设定压力是0.12MPa。同时在信号中设计在低于0.02MPa时不允许启动润滑油泵，所以也做为机组润滑油泵的启动联锁信号。还设计有0.12MPa的高报警信号，是监测自力式调节阀和串联密封故障的检测信号。当三个测量压力达到（大于等于0.02MPa）时满足润滑油泵和机组的启动要求，此时机组可以复位开车。但在机组升速过程中如果未达到最低工作转速，这个信号的报警将导致机组开车过程中断而停车，这和所有启动联锁信号的保护概念是一样的。PIALH具体显示为：PAL--密封的泄露过大，PAL或PAH--自力式调节阀门调节、串联密封故障，PAL有两个调定值：a≤0.05MPa（机组运行大于1h后报警显示氮气不足），b≤0.02MPa（机组运行不足1h报警联锁保护动作）。

4 结论

干气密封已经运行5年多了，各参数和控制指标完全达到了设计要求。实践中我们看到它良好的密封效果及稳定可靠运行优势。但同时对于运行中一些影响其使用安全和使用寿命的因素还是处于摸索阶段。如工艺气的流量和压力失衡问题、工艺系统稳定控制问题、透平事故状态下的反转问题、压缩机喘振对其造成的影响等等。但干气密封在合成气压缩机上的运用是成功的，杜绝了工艺气被润滑油污染的可能。减少了润滑油脂的消耗和庞杂的密封油系统的辅助设备。所以我们要发挥这种先进密封的优势就必须认真学习压缩机和干气密封的运行原理，熟悉操作控制程序，积累操作经验，严格、准确无误地操作，保证干气密封良好运行。

参考文献：

[1]李桂芹，王玉华.压缩机干气密封基本原理及使用分析[J].风机技术，2000.

[2]德国西门子.压缩机操作说明[Z].