干气密封技术在氨气压缩机组中的应用

任浩

摘 要：干气密封是从气体润滑轴承的基础上发展起来的，适合于任何输送气体的压缩机组。干气密封属于非接触式动密封，是压缩机密封领域的一次技术革新。干气密封在压缩机轴封应用方面相比传统机械密封优势明显，更适合作为高速高压等工况。同时，由于其不再受到密封润滑油的限制，省去了复杂的密封油系统，彻底杜绝了工艺气体被密封油污染的可能性。这就使得干气密封在氨气压缩机组中得到了广泛的应用。

关键词：干气密封技术;氨气压缩机组;应用;分析

1干气密封装置简介

干气密封是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封，通过在密封端面上设置动压槽而实现密封端面的非接触运行。与传统机械密封相比，干气密封有对机械的磨损小、机械寿命长、消耗能量低、操作简单、不易损坏、被密封气体不易受污染等优势。因此，干气密封被越来越广泛地应用于压缩机领域。

氨压缩机组使用的干气密封流程主要由一级密封气、二级密封气和隔离气三部分组成。中压氮气或压缩机三段出口氨气经过止逆阀、过滤器、调节阀后，进入干气密封装置，通过一级密封气与平衡管、密封气泄漏气的压差实现一级密封气的有效控制，泄漏气送至火炬系统。二级密封气和隔离气由低压氮气管网供给，泄露气直接高点放空。目前，氨气压缩机正常运行时的干气密封一级密封气主要是由压缩机出口的工艺气提供，停车期间一级密封气则用中压氮气。压缩机在开车过程中，当三段出口达到一定压力时，就需要及时将一级密封气切换为压缩机出口的工艺气，以减少进人压缩机系统的氮气量;当压缩机停车时，需要及时将一级密封气切换为中压氮气，尤其是在紧急停车时，一级密封气需要短时间内完成切换，防止由于压缩机出口压力降低或失压造成一级密封气中断，损坏干气密封。

2干气密封的发展现状及优势

干气密封属于非接触式密封，其理论基础是气体潤滑、冷却轴承。干气密封的摩擦副由动环、静环、弹簧、O型圈等组成，静环密封面均匀分布形状特殊的流体动压槽，螺旋槽密封应用较为广泛，此外还有圆弧槽、T型槽等。干气密封技术第一次得到应用是在1962年。由NALCo公司制造的一台CVS-20型单级压缩机。二十世纪七十年代末，JoHnCRAne在天然气输送设备领域成功应用干气密封。干气密封技术的发展及应用得到了石油化工等行业的广泛认可并纳入API617标准中。

随着石油化工行业的快速发展，干气密封技术的发展也实现了质的飞跃。高压力、大轴径、多种密封槽型成为干气密封技术研究发展的主要方向。近年来我国在干气密封领域取得了长足的进步，一大批国内企业攻坚克难，成功自主设计及研发了多种型式的干气密封，成功应用于各个领域，极大的降低了企业的成本。四川日机密封经过多年的不懈努力，自主研发的J20密封槽型成功应用在乙烯三机，打破国外垄断的壁垒。轴径方面，350MM的大轴径干气密封在国内也成功应用。密封压力方面，其国内有业绩的干气密封压力最高可达15.8MPA。干气密封技术不断的发展进步，目前大多数离心压缩机组都优先选用干气密封。干气密封在离心压缩机组中的主要优势如下：

1）基本不受设备PV值的限制，更适合于高速、高压工况。2）省去了复杂密封油系统，经济性好。3）干气密封的隔离气隔绝了油箱及密封腔，使润滑油及油雾等不能够进入工艺介质，保证了介质的清洁度。4）非接触式密封，密封面磨损小，抗干扰能力强、工况适应性强。

3干气密封的工作原理

3.1非接触性

干气密封的摩擦副与机械密封相似，同样是由动环、静环、弹簧等组成，动环表面有均匀分布的密封槽，深度为3μM～15μM，密封槽之间，起到节流作用的叫做密封堰。密封坝的作用是阻止气体径向向轴心运动，产生动压，增加气膜刚度。另外，密封坝在压缩机组停机时还起到静密封的作用。

干气密封的工作原理是气流压力的平衡，压缩机高速旋转，密封气进入螺旋槽，气体被压缩，压力升高，密封面逐渐分离，形成一定厚度的气膜。当作用在静环上，由气膜产生的开启力大于流体静压力与弹簧弹力的合力时，密封面间隙逐渐增大并趋于稳定，一定刚度气膜的存在，使得干气密封的摩擦副得到了润滑及冷却。

3.2自平衡性

压缩机正常运转时，弹簧弹力与流体静压力的合力等于由气膜产生的开启力。当工艺或操作波动时，若摩擦副间隙变小，气膜厚度变小，密封槽的容积减小，密封气气剪力增大，流体动压增强，促使气膜开启力增加，摩擦副间隙增大并趋于工作间隙;若密封受到干扰，摩擦副间隙增大，气膜厚度增大，密封槽容积增加，流体动压减弱，气膜开启力变小，密封恢复到工作间隙。因此，当工艺波动在允许范围内，干气密封的间隙实现自动调节，保证密封的稳定运行。

气膜刚度的大小是维持干气密封稳定运行的关键。气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。

4氨气压缩机干气密封运行过程中存在的问题

在氨气压缩机停车检修后开车过程中，需要提前投用密封气再投用油系统，一般情况下，开车前的一级密封气使用中压氮气作为气源，待压缩机开车正常后，氨气压缩机出口的压力保持稳定后就及时将一级密封气切换为压缩机出口的氨气。氨气压缩机开车前一级密封气的投用，会使大量氮气进入压缩机系统，氮气加压后无法液化，同时在系统停留循环会造成系统压力、温度升高，增加了汽轮机的运行负荷，增加蒸汽消耗，也会增加压缩机的开车难度。另外，投用干气密封产生的惰性气体必须通过放空阀不断置换的方式排出系统，这样就增加了开车过程中的气氨消耗，大量的气氨排放至火炬，燃烧产生的氮氧化物会造成一定的环境污染。由于开车过程中的压缩机出口气体的压力稳定性差，干气密封一级密封气的切换，容易因出口压力不稳定或者切换过程中操作衔接不好的原因，造成一级密封气临时中断，最终会造成干气密封设备的损坏或者减少其使用寿命。在压缩机停车过程中，需要紧急将一级密封气切换为中压氮气，以防止一级密封气中断损坏干气密封设备。

但是，在生产装置的正常运行过程中，若氨气压缩机系统遇无需检修的临时停车、或者由于其它系统停车导致的短期停车，停车期间需要保持系统微正压，压缩机开车就不需要氮气置换。在这种情况下，氨气压缩机的开、停车过程中仍然使用氮气作为一级密封气，系统中就会进人大量惰性气体，造成系统压力升高、温度升高，大大增加了开车难度，甚至导致系统超压超温，造成压缩机及零部件受损、严重影响压缩机使用寿命。

5干气密封的布置方案及氨气压缩机的常用布置方式

5.1干气密封的布置方案

干气密封的布置方式可以分为单端面密封、双端面、串联式密封、带中间迷宫密封的串联式密封。对于不同的工况条件，可以选用不同的干气密封结构。干气密封的布置方式应用占比，带中间迷宫的串联式干气密封应用非常广泛。

5.1.1单端面干气密封

单端面干气密封布置方式允许少量工艺气泄漏到大气中，工艺介质应无毒无害，对周围环境无污染。如，CO2机、空压机、氮压机等。

5.1.2双端面干气密封

双端面干气密封适用于输送低压、有毒有害及介质较脏的工艺状况，而且允许密封氮气体向工艺介质侧泄漏。该种密封布置方式需控制密封气压力始终维持在比工艺气体压力高0.2MPa～0.3MPa。

5.1.3串联式干气密封

串联式干气密封适用于易燃易爆、有毒有害氣体介质的输送，泄漏气体需火炬焚烧或回收。

5.1.4带中间迷宫密封的串联式干气密封

带中间迷宫密封的串联式干气密封基本适用于所有易燃、易爆、危险的流体介质。安全性、可靠性最高。工艺气不会泄漏至大气环境中，密封氮气不会污染工艺介质，一级泄漏气体需排向火炬焚烧。该种密封方案广泛应用于氨气压缩机、天然气压缩机、循环气压缩机等。

5.2氨气压缩机组干气密封的选择

氨气压缩机具有转速高、压力高、系统对压缩机稳定运行要求高等特点，氨气介质具有渗透性强，有强烈的刺激性气味，能够灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜、易燃易爆、火灾危险性大、对环境危害性大，因此需要严格控制氨气压缩机密封的泄漏。由此可见，氨气压缩机组的密封布置方式应该选择零泄漏、不污染介质组分的带中间迷宫密封的串联式干气密封。

6干气密封控制系统

氨气压缩机组干气密封控制系统的功能主要包括密封气及隔离气过滤、流量及压力控制、一级泄漏气压力及流量检测、隔离气控制、联锁报警及停车等。1）密封气及隔离气过滤单元：过滤密封气及隔离气，除去颗粒和液体，过滤精度可达到1μM，保障密封气及隔离气的干燥清洁。2）流量及压力控制单元：控制密封气及隔离气的流量及压力，保证密封气及隔离气的流量及压力满足要求。3）泄漏检测单元：通过监测一级密封气泄漏的流量及压力来预测干气密封的运行状况，并联锁报警及停车，保护干气密封。

7干气密封的使用维护注意事项

1）密封气和隔离气的压力和流量稳定，气源洁净、干燥。2）在密封气投用前，应保证排液完全，防止密封气带损坏密封。3）确保开车气体的及时投用。干气密封辅助系统设计有开车气体。当压缩机开机或停车阶段，由于压缩机出口工艺气体的压力与机组的压差较低，工艺气作为密封气不能够进入密封腔形成气膜，因此需要在压缩机转速较低的阶段引入开车气体。4）润滑油系统开车前或停运后10Min才能停用隔离气，润滑油系统开始运行后，后置隔离气必须连续运行，否则将造成密封带液导致损坏密封。5）定期检查干气密封辅助系统，如过滤器压差，一级密封气泄漏压力、流量等。6）不得频繁非计划启停压缩机组。7）对密封气管线增加电伴热线及保温措施，防止密封气冷凝而造成密封损坏。

8结语

本文通过对干气密封技术在氨气压缩机中成功应用的分析，介绍了干气密封的发展及现状、干气密封的结构及工作原理、布置方式。了解了氨气压缩机组常用的干气密封方案及氨气压缩机干气密封控制系统的组成及作用并总结出干气密封的使用及维护注意事项。为氨气压缩机组密封方案的选择提供建议，同时也为设备管理人员使用及维护干气密封提供了经验保障了生产的稳定。

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