李亞軍，尤文卿，王國(guó)清

（塔里木油田公司石化分公司，新疆 塔里木 841000）

一、概述

中國(guó)石油塔里木石化分公司尿素裝置中的核心設(shè)備二氧化碳?jí)嚎s機(jī)軸封裝置選型時(shí)，在外商及設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)文件中，提出采用干氣密封，考慮到干氣密封的高投入、高運(yùn)行成本、高維護(hù)技術(shù)性等問(wèn)題，在技術(shù)談判中改用傳統(tǒng)的迷宮密封加抽氣回注的密封形式不僅減少了投資，降低了維護(hù)技術(shù)要求，也提高了機(jī)組的運(yùn)行平穩(wěn)性。

二、軸端密封選型經(jīng)濟(jì)分析

1.迷宮密封加抽氣回注密封形式經(jīng)濟(jì)分析

（1） 能耗計(jì)算

從高壓缸三段出口引出的CO2（1 040kg/h、8.1MPa、188℃） 氣體進(jìn)入高壓缸高壓側(cè)軸端，該密封型式存在少量泄漏，依據(jù)斯托道拉公式

式中：QT——通過(guò)迷宮密封的氣體泄漏量；

S——疏齒縫隙斷面積；

pi——間隙入口處密封介質(zhì)壓力；

p0——間隙出口處密封介質(zhì)壓力；

Ti——間隙出口處密封介質(zhì)的絕對(duì)溫度；

z——疏齒數(shù)目。

R——理想氣體狀態(tài)參數(shù)。可得漏氣量=1 290.08kg/h（0.09MPa、 76℃）。

以上漏氣量引到壓縮機(jī)入口，可把此能量損失過(guò)程近似為恒溫壓縮及恒壓升溫兩個(gè)過(guò)程需消耗的能量，依據(jù)恒溫壓縮需消耗的能量分別為1 290kgCO2氣體的摩爾數(shù)，在0.09MPa、76℃時(shí)的體積，在8.1MPa、76℃時(shí)的體積） 和恒壓升溫過(guò)程中需消耗的能量分別為76℃、 188℃， Cp.m為CO2氣體定壓摩爾熱容），可計(jì)算出每小時(shí)能耗損失為3.186×108J，折算耗電88.5kW·h，折合人民幣為1 062元。

（2） 一次性投入費(fèi)用計(jì)算

依據(jù)廠商提供設(shè)計(jì)文件，迷宮密封加抽氣回注一次性投入約需4萬(wàn)美元。

（3） 檢修費(fèi)用計(jì)算

依據(jù)設(shè)備使用維護(hù)要求，檢修周期為4年，需更換全部迷宮密封疏齒，疏齒費(fèi)用為4萬(wàn)美元，檢修作業(yè)費(fèi)用暫忽略不計(jì)。

依據(jù)以上估算，CO2壓縮機(jī)采用迷宮密封加抽氣回注的方式，在1天內(nèi)因軸端密封需消耗27.4美元+1 062元人民幣，約為1 248元/天。

2.干氣密封經(jīng)濟(jì)分析

（1） 能耗計(jì)算

以合成氣壓縮機(jī)K-431為例，依據(jù)PID圖及設(shè)備使用維護(hù)說(shuō)明手冊(cè)，可知需要消耗16.36m3/h合成氣 （0.1MPaG、25℃） 、 21.98m3/h合成氣 （0.11MPaG、 25℃） 、 39.6m3/h氮?dú)猓?.000 39MPaG、 25℃）、 53.6m3/h氮?dú)?（0.12MPaG、 25℃） ，一次密封氣供氣能量損失暫忽略不計(jì)。按標(biāo)態(tài)下每立方米氮?dú)?.5元計(jì)算，能耗費(fèi)用為1 566元/天。

（2） 一次性投入費(fèi)用計(jì)算

K-431合成氣壓縮機(jī)需要使用兩套密封裝置，單套干氣密封需要23萬(wàn)美元，按使用壽命20年折算，單個(gè)檢修周期（4年） 折算費(fèi)用為9.2萬(wàn)美元。

（3） 檢修費(fèi)用計(jì)算

依據(jù)設(shè)備使用維護(hù)要求，檢修周期為4年，需更換軸端干氣密封，暫不考慮干氣密封控制系統(tǒng)、密封氣體過(guò)濾器、緩沖氣體過(guò)濾器、漏氣處理單元、閘閥、球閥、密封氣升壓裝置的檢修，軸端干氣密封備件的更換預(yù)計(jì)需消耗6萬(wàn)美元。

依據(jù)以上估算，K-431在1天內(nèi)因軸端干氣密封需消耗2 273元/天。

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)出口壓力高于合成氣壓縮機(jī)，采用干氣密封所消耗費(fèi)用定比合成氣壓縮機(jī)高。

三、影響密封選型的其他因素分析

1.密封性能對(duì)比分析

迷宮密封加抽氣回注的密封型式大約有1%的漏氣量，采有串級(jí)式干氣密封可以達(dá)到零泄漏。

2.可靠性對(duì)比分析

迷宮密封加抽氣回注密封型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)任何輔助裝置，正常運(yùn)行時(shí)相當(dāng)可靠平穩(wěn)，因密封失效導(dǎo)致機(jī)組停車(chē)的情況較小。

干氣密封結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)需有控制系統(tǒng)、密封氣體過(guò)濾器、緩沖氣體過(guò)濾器、漏氣處理單元、密封氣升壓裝置等輔助系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)越多，可靠性越差。

3.檢修安裝難易程度對(duì)比

迷宮密封加抽氣回注密封型式相對(duì)干氣密封而言，檢修相對(duì)簡(jiǎn)單，即更換疏齒或調(diào)整與軸之間的間隙即可，干氣密封結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有一級(jí)進(jìn)氣、一級(jí)漏氣、二級(jí)進(jìn)氣、二級(jí)漏氣、隔離氣進(jìn)出、內(nèi)部更類(lèi)似有兩套機(jī)械密封和一套迷宮密封，更換時(shí)要求較高，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間與保證足夠精度的間隙，避免雜質(zhì)進(jìn)入，端面加工精度較高，對(duì)安裝人員的要求較高。

四、密封系統(tǒng)綜合評(píng)判模型的建立與求解

影響密封選型的主要因素有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、密封性能、可靠性、檢修難易程度；依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，引入密封選型綜合評(píng)判模型

AR=B= （ b1， b2， …， bn）

由于各因素地位未必相等，所以需對(duì)各因素加權(quán)，用模糊集A=(a1，a2，…，an)表示各因素的權(quán)數(shù)分配，它與評(píng)判矩陣R的合成（實(shí)數(shù)的加乘運(yùn)算），就是對(duì)各因素的綜合評(píng)判。其中A表示各因素的權(quán)數(shù)分配，即經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、密封性能、可靠性、檢修難易程度這四種因素在綜合評(píng)判一種密封型式時(shí)所占的權(quán)重B表示綜合評(píng)判結(jié)果矩陣。

R由如下方式確定

綜合評(píng)判有三要素：

（1） 因素集U= ｛ u1， …，un｝， 被評(píng)判對(duì)象的各因素組成的集合。

（2） 判斷集V= ｛ v1， …，vn｝， 評(píng)語(yǔ)組成的集合。

（3） 單因素判斷，即對(duì)單個(gè)因素ui(i=1，…，n)的評(píng)判，得到V上的模糊集 (ri1，ri2，…，rim)，所以它是從U到V的一個(gè)模糊映射

模糊映射f可以確定一個(gè)模糊關(guān)系R∈μn×m，稱(chēng)為評(píng)判矩陣。

其中rnm表示第n個(gè)因素第m個(gè)評(píng)語(yǔ)所占的權(quán)重。

B是由所有對(duì)單因素評(píng)判的模糊集組成的。

這里bj是r1j，r2j，…，rnj的函數(shù)，也就是評(píng)判函數(shù)。

依據(jù)以上模型，可得

U={經(jīng)濟(jì)性，密封性能，可靠性，安裝檢修}

V={優(yōu)，良，中，差}

對(duì)迷宮密封加抽氣回注密封結(jié)構(gòu)型式而言，單年所耗費(fèi)用折算為1 248元，相對(duì)較低，故經(jīng)濟(jì)性│→（0.9，0.1，0，0）。

該種密封型式泄漏量約為總氣量的1%，密封性能相對(duì)較差， 故密封性能│→ （ 0，0.1，0.8，0.1） 。

此種密封型式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需操作過(guò)程中有特殊的操作控制手段，相對(duì)穩(wěn)定可靠，故可靠性│→（0.1，0.8，0.1，0） 。

此種密封型式檢修過(guò)程中只需檢查輸齒是否損壞、是否需要更換、間隙是否符合要求即可，安裝過(guò)程中只需嚴(yán)格測(cè)量疏齒與軸之間間隙即可，故安裝維修│→（0.8，0.1，0，0）。

所用單因素評(píng)判組成評(píng)判矩陣

對(duì)于二氧化碳?jí)嚎s機(jī)而言，因二氧化碳?xì)怏w為非易燃易爆氣體，對(duì)于軸端密封可允許一定的泄漏，同時(shí)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)為尿素裝置關(guān)鍵核心設(shè)備，一旦停機(jī)，將導(dǎo)致整個(gè)尿素裝置停車(chē)，故對(duì)密封可靠性要求很高，一旦軸端密封出現(xiàn)故障，也要求在最短時(shí)間內(nèi)能檢修完成，故得到其經(jīng)濟(jì)性、密封性、可靠性和維修性方面的權(quán)重A=（0.3，0.1，0.5，0.1）。用權(quán)重向量作用于綜合評(píng)價(jià)矩陣，則可得到迷宮密封加抽氣回注密封形式的綜合評(píng)判值B= （ 0.4，0.42，0.13，0.05）。同理，計(jì)算得出干氣密封的綜合評(píng)判值B=（0.25，0.2，0.45，0.1）。顯然，迷宮密封加抽氣回注密封形式明顯優(yōu)于干氣密封。

五、結(jié)論

對(duì)于二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，軸端密封選型時(shí)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、密封性能、可靠性、安裝檢修難易程度等方面因素，建立了密封綜合評(píng)價(jià)模型，得出：選用迷宮密封加抽氣回注的密封結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)良率為82%，干氣密封的優(yōu)良率為45%，故針對(duì)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，其軸端密封結(jié)構(gòu)型式選用迷宮密封加抽氣回注的方式更科學(xué)合理。

[1]呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù) [M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[2]尤文卿，呂瑞典.墊片密封綜合評(píng)價(jià)方法研究 [J].石油化工設(shè)備， 2007， 36 （2）.