采用干氣密封淘汰落后的密封油密封

2010-03-10 陳春生 中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司煉油廠

  隨著石油化工及能源工業的發展,對離心壓縮機的性能要求越來越高,對軸封的要求也越來越嚴格。離心壓縮機傳統的軸封形式及發展過程是:迷宮密封、浮環密封、接觸式機械密封,非接觸式密封。迷宮密封及浮環密封因氣體泄漏量太大,已逐漸停止使用。目前,國內使用較多的是機械浮環組合密封,或者是雙端面機械密封,它們都是通過密封潤滑油來達到密封氣體的目的。這類密封有一個很大的缺點,即要求有復雜的密封油系統,能耗較大,而且必然有少量的密封油泄漏后進入工藝氣體。干氣密封的出現,是密封技術的一次革命,氣體密封的難題得以解決,而不會再受到密封潤滑油的限制。干氣密封所需的氣體控制系統比接觸式密封的油系統要簡單得多[1]。

  遼陽石化分公司煉油廠加氫裂化和加氫精制裝置中使用的離心壓縮機,采用了兩種不同類型的密封形式。加氫裂化的離心壓縮機C1101 ,采用的是TBS(阻抗套密封) 密封,密封介質為密封油;加氫精制裝置的離心壓縮機C5102 ,采用的是干氣密封。下面對干氣密封的先進性做一個淺顯的分析。

1、采用密封油為密封介質的密封

  浮環密封、機械浮環組合式密封、機械密封、阻抗套密封等都是采用密封油為密封介質的密封。以浮環密封為例,其主要由內浮環、外浮環、彈簧、密封圈和防轉銷等元件組成。機組正常運行過程中,密封系統提供高于入口氣體壓力0.05~0.07MPa 的密封氣,同時還提供比密封氣高0.05~0.07MPa 的密封油。密封油注入浮環密封腔后,沿浮環間隙向內浮環里側和外浮環外側泄漏。由于轉子高速旋轉,流入浮環間隙內的封油形成了油膜,一方面將浮環抬起,使浮環與軸頸間實現液體潤滑;另一方面由于油膜充滿整個浮環間隙,所以可阻止氣體介質的外漏,起到了密封的作用。經內浮環間隙流至內浮環腔的封油與氣體的混合物,沿封油內回油管路流至油氣分離器,分離后的油返回油箱,氣體放火炬。經外浮環間隙流至外浮環腔的封油,直接回油箱[2] 。密封油系統主要由油箱、油泵、過濾器、冷卻器、高位油箱、管路、閥門和控制儀表等組成。由于浮環密封屬于非接觸式密封,壽命長,可靠性較高,適用于高速和各種壓力等級的工況,應用范圍廣,正是這樣使浮環密封成為危險性工藝氣體壓縮機軸端密封的傳統形式。

  加氫裂化裝置的離心壓縮機上使用的TBS(阻抗套密封) 密封,比浮環密封在性能上要先進得多,但是仍然采用密封油作為密封介質,也存在著與浮環密封相似的特點,尤其是在開機前、后和開機過程中,內封油泄漏量很大,只有在轉速達7000r/ min 后才完全起作用, 內漏量大大減小。另外,還有機械浮環組合式密封、機械密封等,這種以密封油為密封介質的密封發展到現在,雖然通過不斷地改進和發展,但始終還在著以下的

缺點:

  (1) 占地面積大,投資大。由于內泄漏量較大,回收處理內泄漏油的設備復雜,包括油氣分離器、脫氣槽等控制系統。整個密封油系統的價格約占壓縮機總價的30 % 左右(國內外的統計均是如此)。

  (2) 故障多,增大了計劃外維修費用和生產停車,密封油控制系統復雜。據國外統計,離心壓縮機失效原因中,封油和潤滑油系統的故障占55 %~65 %。加氫裂化裝置在首次開工期間,就是由于密封油系統故障,使壓縮機無法開機,導致裝置不能如期開工,造成很大損失。

  (3) 密封油系統能耗高,維護費用高。加氫裂化裝置壓縮機每次開、停,需密封油5 桶之多,近萬元。

  (4) 操作和維護工作量大,給操作人員帶來不便。

2、干氣密封的結構及工作原理

  加氫精制裝置循環氫壓縮機C5102 為美國進口的361B9 離心壓縮機,由汽輪機帶動,其配套軸封選用John Crame 公司的T28 型干氣密封系統。

  典型的干氣密封結構如圖1 所示,由旋轉環、靜環、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成。

干氣密封結構示意

圖1  干氣密封結構示意

  圖2 所示為干氣密封旋轉環示意圖,旋轉環密封面經過研磨、拋光處理,并加工出有特殊作用的流體動壓槽。

  干氣密封旋轉環旋轉時,密封氣體被吸入動壓槽內,由外徑朝著中心。徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節流作用,進入密封面的氣體被壓縮,壓力升高。在該壓力作用下,密封面被推開,流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜,此氣膜厚度一般在3μm 左右。氣體動力學研究表明,當干氣密封兩端面間的間隙在2~3μm 時,通過間隙的氣體流動層最為穩定。這也就是為什么干氣密封氣膜厚度設計值選定在2~3μm 的主要原因。當氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時,該氣膜厚度穩定。正常條件下,作用在密封面上的閉合力(彈簧力和介質力) 等于開啟力(氣膜反力) ,密封工作間隙為設計間隙。當受到外部干擾,氣膜厚度減小,則氣膜反力增加,開啟力大于閉合力,迫使密封工作間隙增大,恢復到正常值。相反,若密封氣膜厚度增大,則氣膜反力減小,閉合力大于開啟力,密封面合攏恢復到正常值。因此,只要在設計間隙范圍內,當外部干擾消失以后,氣膜厚度就可以恢復到設計值[1] 。

干氣密封端面動壓槽結構示意

圖2  干氣密封端面動壓槽結構示意

3、干氣密封的氣體工藝流程及控制系統

  干氣密封的氣體工藝流程如圖3 所示。排氣端的密封口N1 通過平衡管連接到進氣端的密封口N1 ,這樣兩個密封裝置(進氣端、排氣端) 內側有相似的截面壓力。密封口D1 通過管子連接,將密封參考氣壓力引到密封氣壓差控制器(現密封控制臺上) ,控制口應保持密封口A1 處密封氣壓力高于D1 處壓力69kPa 。壓縮機排出氣體以壓力不大于9500kPa 、溫度為121 ℃的條件,進入密封控制臺,該氣體按550m3/h 的設計流量通過3μm 的雙向過濾器,然后經控制閥將壓力調至參考值69kPa 。B1 為一級泄漏口,由管線引出后分兩路:一條通過流量測量原件(為密封泄漏量報警提供一次參數) ,并排放至公用放空管線;另一條通過一個防爆膜亦排放至公用放空管線,該管線內壓力信號引至控制臺上的壓力開關,壓力超高機組停車。該防爆膜在22. 2 ℃下,破裂壓力為(145 ±21) kPa ,放空線背壓小于等于34. 5kPa 。密封口E1 與從密封控制臺來的隔離氮氣管線相連接,隔離氮氣以高于C1 口20. 7kPa 的壓差,由E1 口注入,氮氣分兩路走:一部分由C1 口隨二級泄漏線排至大氣中;另一部分沿軸向竄出,隨軸承處潤滑油呼吸口排至大氣中。

干氣密封的氣體工藝流程

 

圖3  干氣密封的氣體工藝流程

4、干氣密封的操作

  (1) 離心壓縮機的有關工藝參數型號:361B9 ;介質:氫氣、烴混合物;流量(標準狀態) :110000m3/h ;轉數:9831r/min ;入口壓力:7.2MPa ;出口壓力:9.05MPa ;入口溫度:40.0 ℃;出口溫度:65.0 ℃。

  (2) 干氣密封的操作控制

  在機組開機前首先引入壓力為690kPa ,溫度小于66 ℃且干燥清潔的氮氣,經調節器PDI2954調節后進入壓縮機,氮氣流量(標準狀態) 在47~94m3 /h ,壓差值控制在20. 7kPa ,此壓差值低至6. 9kPa 報警,然后引密封氣(由機組的出口管線上) 至過濾處,并檢查過濾器壓差,若該壓差大于138kPa 則過濾器壓差高報警,密封氣經調節器PDIC2952 調節后進入壓縮機密封腔,壓差值控制在69kPa ,此壓差值低于20. 7kPa 則報警。觀察FE2955 ,FE2956 所示密封氣排氣流量(標準狀態) ,正常情況下為3. 7m3 / h ,流量(標準狀態) 高于17m3 / h 則報警,壓差值達到6. 9kPa 也報警。另外當PSHH2955 , PSHH2956 處的排氣壓力高至104kPa 則聯鎖停機。

5、干氣密封維護的注意事項

  (1) 密封氣必須保持干凈、干燥;

  (2) 密封氣的壓力必須高于被密封介質的壓力;

  (3) 潤滑油運行前必須先投隔離氮氣和密封氣;

  (4) 應避免轉子在低于1000r/ min 的轉速下連續轉動,以保證在動、靜環間形成一個穩定的氣體膜;

  (5) 防止機組轉子倒轉,螺旋槽的設計具有方向性。氣體只有沿螺旋槽設計方向進入,才能產生開啟力,使動、靜環脫離接觸。如果機組轉子倒轉,則會導致動、靜環直接接觸發生干摩擦,產生大量的熱,很快就會把密封燒壞。

6、干氣密封的優點

  (1) 除去了密封油系統及用于驅動密封油系統運轉的附加功率負荷;

  (2) 大大減少了計劃外維修費用和生產停車;

  (3) 避免了工藝氣體被油污染的可能性;

  (4) 密封氣體泄漏量小;

  (5) 維護費用低,經濟實用性好;

  (6) 操作和維護簡單;

  (7) 密封系統使用壽命長,運行可靠。

參考文獻:

  1、趙佰超. 離心壓縮機干氣密封的研制與應用[J] . 化工設計,2002 , (5)
  2 、王書敏,何可禹. 離心壓縮機技術問答[M] . 北京:中國石化出版社,2005