趙春光

(安徽理工大學機械工程學院 ,安徽淮南 232001)

干氣密封技術在離心壓縮機中的應用

趙春光

(安徽理工大學機械工程學院 ,安徽淮南 232001)

通過對干氣密封在 30萬 t/a合成氨裝置中氨壓縮機上的應用,闡述了干氣密封的工作原理及在裝置中的運行情況。

離心壓縮機 ;干氣密封 ;工作原理

1概述

隨著石油化工及能源工業(yè)的發(fā)展,離心壓縮機的性能要求越來越高,對壓縮機軸封的要求也越來越嚴。離心壓縮機傳統(tǒng)的軸封型式及發(fā)展過程是:迷宮密封、浮環(huán)密封、接觸式機械密封、非接觸式密封。迷宮密封及浮環(huán)密封因氣體泄漏量太大,已逐漸停止使用。目前,國內(nèi)使用較多的是機械浮環(huán)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。這類密封的缺點是:要求有復雜的封油系統(tǒng),能耗較大,而且必然有少量的密封油泄漏進入工藝氣體。干氣密封的出現(xiàn),是密封技術的一次革命,氣體密封的難題從此得以解決,而不再會受到密封潤滑油的限制。由于干氣密封屬于非接觸式密封,適合在高速高壓條件下的大型離心壓縮機,而且其所需的氣體控制系統(tǒng)比接觸式密封的油系統(tǒng)要簡單得多。與機械密封相比干氣密封具有如下優(yōu)點:①省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動密封油系統(tǒng)的附加功率負荷;②大大減少了維修費用和停車次數(shù);③避免了工藝氣體被油污染;④密封氣體泄漏量小;⑤密封運行費用極低;⑥密封驅(qū)動功率消耗小;⑦密封壽命長,運行穩(wěn)定可靠。

干氣密封是采用機械密封和氣體密封的結(jié)合,是一種非接觸端部密封,它是在機械密封的動環(huán)或靜環(huán)的密封面上開有密封槽,當動靜環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時,在兩端面間形成一層氣膜,在氣體泵送效應產(chǎn)生的推力作用下把動靜環(huán)推開,使兩密封端面不接觸。

2工作原理

一般來講,典型的干氣密封包含了靜環(huán)、動環(huán)組件 (旋轉(zhuǎn)環(huán))、副密封 O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等,靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi),用副密封 O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在軸上的旋轉(zhuǎn)環(huán)——動環(huán)組件閉合如圖 1所示。

動環(huán)組件和靜環(huán)構(gòu)成的氣體徑向密封有其先進獨特的運行方式。配合表面平面度和光潔度很高,動環(huán)組件配合表面上有一系列的螺旋槽如下頁圖 2所示。

隨著動環(huán)組件的旋轉(zhuǎn),氣體被向內(nèi)泵送到螺旋槽的根部。根部以外的一段無槽區(qū)稱為密封壩。密封壩對氣體流動產(chǎn)生阻力作用,增加氣體膜壓力。該密封壩的內(nèi)側(cè)還有一系列的反向螺旋槽,這些反向螺旋槽反向泵送氣體以改善配合表面壓力分布,從而加大開啟靜環(huán)與動環(huán)組件的能力。反向螺旋槽的內(nèi)側(cè)還有一段密封壩,對氣體流動產(chǎn)生阻力作用,增加氣體膜壓力。配合表面間的壓力使靜環(huán)表面與動環(huán)組件脫離,保持一個很小的間隙,一般為 3μm左右。當由氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣體膜的開啟壓力相等時,便建立了穩(wěn)定的平衡間隙。

圖 1干氣密封組件圖

圖 2動環(huán)組件螺旋槽

干氣密封工作時,作用在密封上的力處于動平衡狀態(tài)如圖 3所示。

圖 3干氣密封受力平衡圖

閉合力 FC,是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力 FO是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下FC=FO,運行間隙大約為3μm。由于某種干擾使密封間隙減小,則端面間的壓力升高,開啟力 FO大于閉合力 FC,使得端面間隙加大,從而使 FO減小,直至平衡為止,如圖 4所示。

圖 4密封間隙減小后的受力平衡圖

如果擾動使密封間隙增大,端面間的壓力就會降低,閉合力 FC大于開啟力 FO,使得端面間隙減小,從而使 FO增大,密封會很快達到新的平衡狀態(tài),如圖 5所示。

圖 5密封間隙增大后的受力平衡圖

這種機制將在靜環(huán)和動環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當高的氣體薄膜,使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損,延長了使用壽命。

3影響參數(shù)

我們將影響干氣密封性能的參數(shù)分為端面結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)。端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封的穩(wěn)定性影響較大,操作參數(shù)對密封的泄漏量影響較大。

3.1端面結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1.1動壓槽形狀

從流體動力學角度來講,在干氣密封端面開任何形狀的溝槽,都能產(chǎn)生動壓效應。理論研究表明,對數(shù)螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應最強,用其作為干氣密封動壓槽而形成的氣膜剛度最大,密封的穩(wěn)定性最好。

3.1.2動壓槽深度

理論研究表明,干氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時密封的氣膜剛度最大。實際應用中,干氣密封的動壓槽深度一般在 3～10μm。在其余參數(shù)確定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。

3.1.3動壓槽數(shù)量、寬度和長度

理論研究表明,干氣密封動壓槽數(shù)量趨于無限時,動壓效應最強。不過,當動壓槽達到一定數(shù)量后,再增加槽數(shù)時,對干氣密封性能影響已經(jīng)很小。此外,干氣密封動壓槽寬度、動壓槽長度對密封性能都有一定的影響。

3.2操作參數(shù)

3.2.1密封直徑和轉(zhuǎn)速

密封直徑越大,轉(zhuǎn)速越高,密封環(huán)線速度越大,干氣密封的泄漏量就越大。

3.2.2密封介質(zhì)壓力

不難想象,在密封工作間隙一定的情況下,密封氣壓力越高,氣體泄漏量越大。

3.2.3介質(zhì)溫度和黏度

介質(zhì)溫度對密封泄漏量的影響是由于溫度對介質(zhì)黏度有影響而造成的。介質(zhì)黏度增加,動壓效應增強,氣膜厚度增加,但同時流經(jīng)密封端面間隙的阻力增加。因此,其對密封泄漏量的影響不是很大。

4結(jié)論

在大型機組關鍵設備如離心式壓縮機或輸送有毒、有害、易氣化介質(zhì)的離心泵上采用不同型式的干氣密封,可以實現(xiàn)工藝介質(zhì)零泄漏,甚至零溢出,完全滿足環(huán)境保護法對該類介質(zhì)日益苛刻的泄漏排放要求,同時實現(xiàn)機組長周期、低能耗、安全、可靠運轉(zhuǎn)。

[1] 顧永泉.機械密封實用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001:1-3

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TQ051.21

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1003-3467(2010)24-0047-03

2010-12-31

趙春光 (1982-),男,工程師,在讀工程碩士,現(xiàn)主要從事化工機械類設備的技術管理工作,電話:13855487498。