二氧化碳压缩机组高压缸梳齿密封系统改进

周文博 李维特

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

1 设备简介

某80万t/a合成氨尿素装置，引进某国外制造厂生产的蒸汽轮机驱动离心式二氧化碳压缩机组，低压缸为水平中分式，转子由装配于轴上的叶轮、推力盘、半联轴器组成；主轴材质为JIS G4053 SNCM439(AISI4304)，叶轮过度配合并加键装配于主轴上，叶轮材质为JIS G4303 SUS403(AISI403)；高压缸共7级背对背布置，叶轮直径最小335 mm、最大400 mm。两端轴封均采用梳齿密封，并配有轴封喷射器回收泄漏工艺气。径向轴承为五油叶可倾瓦，直径100 mm，推力轴承为双端面金斯伯利型轴承。工艺流程为：来自合成两洗的0.103 MPa、13 ℃的CO2气体，经二氧化碳压缩机组加压至14.6 MPa、117 ℃，送入汽提塔。设计正常工况流量47694 m3/h，一段入口压力0.103 MPa，四段出口压力14.6 MPa，气体分子量42.69；低压缸转速6782 r/min，轴功率7501 kW；高压缸转速9182 r/min，轴功率3522 kW；整机轴功率11076 kW。二氧化碳压缩机组于2012年6月完成安装，2012年7月2日进行无负荷机械联动试车，低压缸流量为45122 N·m3/h，低压缸转速6626 r/min，高压缸转速 8971 r/min。

2 设备运行情况

二氧化碳压缩机组调试联动调试后，进入带负荷连续运行时发生了轴承放空管线内带油过多的现象。汽轮机、低压缸、齿轮箱、高压缸的轴承放空管线接入4寸总管进行放空，油雾会在总管内形成冷凝润滑油。油站油箱总容积为23000 L，截止2013年1月轴承放空平均每天损失润滑油50～60 L，油箱液位每天下降0.3%～0.4%，机组无法长周期运行。现场尝试回收此部分润滑油以循环利用，但是化学分析后发现存在水分、酸碱值超标的情况，不能回收利用；此外在现场观察轴封抽气器入口压力过高，现场读数为0.014 MPa(G)(设计值为0.003 MPa(G))，在现场将梳齿隔离气关闭后仍不能解决此问题。

3 现场检查情况和初步分析

根据上述情况，对机组的轴承和梳齿密封系统进行了中修检查，检查结果如下：(1)轴封梳齿间隙0.30 mm符合设计值(设计值0.25～0.35 mm)；(2)梳齿密封背部O型环完好无破损；(3)测量径向轴承间隙为0.15 mm符合设计值(设计值0.12～0.18 mm)，径向轴承运行时温度正常为105 ℃(高报警120 ℃、跳车125 ℃)；(4)此外更改了放空管线的连接方式便于故障诊断，轴承放空管线由并入总管排放的连接方式，改为每个轴承座单独放空。中修完后再次起动机组单独检查每个轴承座放空管线，高压缸非联轴节端的带油最为严重。

通常引起轴承放空带油的主要因素为搅拌风压和压力，其中搅拌风压与转子的直径、腔室容积、旋转速度有关系，以上因素在连续运行过程中为恒定值；另一方面，在现场观察到轴封抽气器入口压力有超过设计值的情况，梳齿密封泄漏量过大也会引起此类问题，因此进一步检查分析梳齿密封的工作情况。

4 梳齿密封结构和运行参数

齿顶宽度0.3 mm，齿面角度15°，齿顶间距2.5 mm，齿深度2.9 mm，齿根处有R0.8圆角。在主轴梳齿的外径上有3组O型环安装槽，隔离气梳齿的外径上有2组O型环安装槽。

梳齿密封半剖图参见图1，总有五组密封齿组成分割为5个密封区域，每个密封区域有气孔与缸体上的铸造孔连接通向指定的目标，连续运行时每个气孔的功能作用[1]如下：孔1：热气供给，供给压力2.7597 MPa(A)、温度184.4 ℃，作用为通入高温防止CO2气体产生相变生成固体CO2干冰； 孔2：压力平衡管，管道背压0.4500 MPa(A)、温度65 ℃，作用为与低压缸梳齿密封连接平衡密封压力； 孔3：低压缸入口回流，管道背压0.1047 MPa(A)、温度13.7 ℃，作用为回收梳齿内的气体通入低压缸入口； 孔4：轴封抽气器，设计流量41.8 N·m3/h、管道背压0.117 MP(A)、温度20 ℃，作用为回收梳齿内的气体加速后通入低压缸入口；孔5：隔离气入口，供给压力0.1014 MPa(A)、温度40 ℃， 作用为防止轴承润滑油进入梳齿密封。

图1 梳齿密封半剖图

5 CFD分析前处理

5.1 模型的建立和计算域

分析模型的建立参见图2，用于分析的零部件包括：缸体、梳齿密封、主轴。分析前处理对零部件进行了适当简化以降低计算量，被简化部件包括螺栓、定位销、O型环、以及其他不影响流动的腔室[2]。计算域X方向起始位置位于高压缸1级叶轮衬套处，X方向结束位置位于轴承座出口处；Y方向的起始位置位于缸体流道出口，Y方向的结束位置包裹住了缸体流道的下半部分。

图2 用于分析的模型(纵剖图上半部分)

5.2 网格的划分

参与计算的流体网格数量2070078，固体边界网格1089797。全局网格参见图3、4，对计算域的进出口、梳齿内部、缸体流道、气孔分别进行了网格细化，保证通道内拥有4层以上网格[3]更好的捕捉气体流动梯度。进行了局部细化，让齿顶的轴向剖面和横切面上均有4层以上的网格更好的捕捉气体在齿顶处的流动梯度。

图3 全局网格轴向切面上半部分

图4 全局网格轴向切面下半部分

5.3 边界条件的设置

齿顶处的网格参见图5，对梳齿齿顶细小区域边界条件按照实际工况上述梳齿密封运行参数进行设置参见图6，其中压力开口包括：孔1热气供给，供给压力2.7597 MPa(A)、温度184.4 ℃；孔2：压力平衡管，管道背压0.4500 MPa(A)、温度65 ℃；孔3：低压缸入口回流，管道背压0.1047 MPa(0.0037 MPa(G))、温度13.7 ℃； 孔4：轴封抽气器，设计流量41.8 N·m3/h、管道背压0.1170 MP(A)(0.014 MPa(G))、温度20 ℃；孔5：隔离气入口，供给压力0.1017 MPa(A)、温度40 ℃；密封盖板1[4]：一级叶轮衬套与缸体间隙，压力2.6117 MPa(A)，温度34 ℃；密封盖板2：轴承座腔室压力0.1013 MPa(A)；真实壁面，主轴转速9182 r/min。

图5 齿顶处的网格(轴向切面)

图6 边界条件的设置

6 CFD计算过程与分析

迭代完全收敛[5]之后得到以下结果(图7)。其中正数代表进入计算域，负数代表流出计算域：孔1热气供给482.0440 kg/h，孔2压力平衡管流-292.7590 kg/h，孔3低压缸入口回流量-84.0220 kg/h，孔4轴封抽气器入口流量-6.5223 kg/h，孔5隔离气流量0，一级叶轮衬套入口-93.5062 kg/h，轴承室入-5.2279 kg/h。

图7 全局计算结果和收敛曲线

孔1热气供给进入计算域之后沿压力变化方向流动，由于热气供给压力高于1级叶轮衬套处压力，热气通过右侧梳齿进入1级叶轮衬套；热气的左侧流动依次进入压力平衡管、低压缸入口、轴封抽气器；当进入到孔5时，分析测得孔5表面的平均静压为0.1046 MPa(A)(计算结果和收敛曲线参见图8)，已经高于隔离气管道压力0.1014 MPa(A)，导致隔离气管道止回阀关闭隔离气流量为0；结合上述情况分析隔离气并没有进入到梳齿密封内，孔5腔室内压力过高导致了止回阀关闭，梳齿末端的压力气体进入到轴承室。

图8 孔5表面静压计算和收敛曲线

7 改进建议与预期效果

综合分析和现场情况，为降低梳齿末端进入轴承室的泄漏量提出以下改进措施：(1)在热气供给管道上安装压差控制阀，降低热气供给压力，同时又保证热气能够进入梳齿密封内，防止高压低温下的干冰形成。改进后的数值如下：梳齿热气供给管道与3段入口设定压差△0.02 MPa(A)，正常工况时3段入口压力为2.6117 MPa(A)，梳齿热气供给压力2.6317 MPa(A)，以减小梳齿密封内的工作压力，参见图9；(2)增大轴封抽气器工作能力由当前设计值：额定流量41.8 N·m3/h、抽气器入口压力0.1140 MPa(A)(0.014 MPa(G))，更改为设计值：额定流量62.7 N·m3/h、抽气器入口压力0.1013 MPa(ATM)，参见图10。

图9 梳齿热气供给的压差控制

图10 改造前后抽气器性能对比

改造前后抽气器性能；上述2个步骤中的更改参数代入分析后，预期的结果见图11：热气供给流量由482.0440 kg/h，降低为405.5940 kg/h；孔2压力平衡管流量由-292.7590 kg/h，降低为-281.1070 kg/h；孔3低压缸入口回流量由-84.0220 kg/h，降低为-82.7381 kg/h；孔4轴封抽气器入口流量由-6.5223 kg/h，增加为-11.5776 kg/h；孔5隔离气流量由0，增加为0.8160 kg/h，一级叶轮口环入口流量由-93.5062 kg/h，降低为-29.3129 kg/h；轴承室入口流量由-5.2279 kg/h，降低为-1.6614 kg/h。

图11 改造预估性能计算结果与收敛曲线

8 结语

针对工厂出现的轴承放空带油的问题，按照现场工况和零部件实际尺寸建立三维模型，并运用流体仿真技术对压缩机组梳齿密封系统工况进行分析，从而提出改进理论依据。改造后，轴承放空平均每天损失润滑油3～5 L，油箱总容积为23000 L，油箱液位每年下降量6%～8%，机组恢复长周期运行。