胡久林 王芳 桂徳米（黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551500）

干氣密封在CO2壓縮機(jī)中的應(yīng)用

胡久林 王芳 桂徳米（黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551500）

本文主要介紹了干氣密封在黔西縣黔希煤化工氣化廠離心式CO2壓縮機(jī)中的成功應(yīng)用。經(jīng)由干氣密封的作用原理、典型的干氣密封布置形式、動(dòng)環(huán)密封端面流槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及一級(jí)單面干氣密封氣系統(tǒng)、二級(jí)隔離密封氣系統(tǒng)及排放氣控制系統(tǒng)的作用，以及其穩(wěn)定的運(yùn)行效果，認(rèn)識(shí)到干氣密封比其他密封，在很多方面有很大的優(yōu)勢(shì)，擁有很高的使用推廣價(jià)值[1-2]。

干氣密封;CO2壓縮機(jī);應(yīng)用

黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司是年產(chǎn)30萬(wàn)噸乙二醇項(xiàng)目，煤氣化裝置采用航天爐粉煤加壓煤氣化工藝技術(shù)。從生產(chǎn)成本、一次性投入成本及對(duì)環(huán)境污染等方面綜合考慮，在煤氣化裝置，CO2壓縮機(jī)高壓缸軸端密封采用單端面干氣密封。干氣密封是采用氣膜潤(rùn)滑的非接觸式機(jī)械密封，可簡(jiǎn)稱為“氣膜密封”。機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn)，但干氣密封利用表面改形技術(shù)，通過(guò)表面蝕刻的流體動(dòng)壓槽在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)，使兩個(gè)密封環(huán)分離，這樣在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中動(dòng)靜環(huán)不僅不直接接觸，而且被密封介質(zhì)泄漏量很少，這就實(shí)現(xiàn)了既能密封氣體又能干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。相比其他密封，其損壞幾率小、能量消耗少、使用壽命長(zhǎng)、泄漏量小以及維修工作量低等優(yōu)點(diǎn)，由于它是非接觸式密封，不受PV值限制，所以干氣密封能夠適用于高壓、高速及易燃易爆、有毒有害氣體條件下的離心式壓縮機(jī)。

1 干氣密封工作原理

干氣密封從實(shí)際來(lái)看是一種機(jī)械密封，其與普通機(jī)械密封的不同之處就在，它是通過(guò)密封氣經(jīng)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的徑向接合面上的唯一通路來(lái)達(dá)到密封效果的。密封表面被研磨得十分平滑,在動(dòng)環(huán)的端面上加工了一系列的流槽。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后與轉(zhuǎn)子相連的動(dòng)環(huán)也隨著轉(zhuǎn)動(dòng),這樣密封氣被泵入動(dòng)環(huán)流槽的底部,在此密封面形成屏障,此屏障阻止介質(zhì)流動(dòng),并提高密封壓力,使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間產(chǎn)生大約幾微米的空隙,這就使得兩個(gè)端面不接觸[3]。這又提高了干氣密封的使用時(shí)長(zhǎng),且在工作面上沒(méi)有磨損。

圖1 干氣密封工作原理

當(dāng)靜止時(shí)，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)在彈簧的作用力下，兩個(gè)密封端面是貼合在一起的，而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封氣被泵入流槽的根部，形成密封氣壩，由于氣壩的阻擋作用，使氣體的壓力上升，這個(gè)力將動(dòng)靜環(huán)推離開(kāi)，當(dāng)彈簧作用力和閉合氣體作用力等于兩環(huán)之間的氣體開(kāi)啟力時(shí)，在動(dòng)靜環(huán)之間就形成了幾微米厚度的氣膜。當(dāng)存在外界干擾時(shí)，如密封面間隙減小，在流槽中氣膜產(chǎn)生的壓力將急劇增大，即氣膜推離作用力增加，開(kāi)啟作用力大于閉合作用力，迫使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的密封間隙增加，隨著密封間隙的增大，兩密封端面間的氣膜推離作用力又減小，直至開(kāi)啟作用力與閉合作用力又重新相等，這時(shí)密封端面間隙又恢復(fù)到正常值。當(dāng)所遇工況相反時(shí)，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的間隙增大，兩環(huán)間氣膜推離作用力減小，開(kāi)啟作用力小于閉合作用力，又迫使動(dòng)靜環(huán)之間的密封間隙減小，氣膜推離作用力增大，直至開(kāi)啟作用力與閉合作用力又重新相等，這時(shí)兩密封端面間隙又恢復(fù)到正常值。如圖2所示

圖2 三種間隙下的氣膜壓力

從以上可知，在動(dòng)環(huán)流槽中氣膜生成的流體動(dòng)壓力總是可以適應(yīng)外界對(duì)動(dòng)靜環(huán)密封端面之間的間隙大小的干擾，故干氣密封運(yùn)行非常平穩(wěn)。由于氣膜的作用，迫使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間產(chǎn)生間隙，兩密封端面不直接接觸，因此密封面無(wú)磨損，運(yùn)行可靠、使用壽命可以認(rèn)為無(wú)限長(zhǎng)。

2 干氣密封的典型結(jié)構(gòu)

從需壓縮氣體組份、壓縮機(jī)入口壓力、工藝對(duì)壓縮機(jī)出口介質(zhì)壓力要求以及從環(huán)保、安全等方面的考慮來(lái)講,壓縮機(jī)可采用多種干氣密封結(jié)構(gòu)。常用的干氣密封結(jié)構(gòu)形式有單端面、雙端面及串聯(lián)式三種。

(1)單端面干氣密封適用于當(dāng)密封損壞時(shí)介質(zhì)氣可以輕微泄漏到大氣中的情況。

一般用于工廠風(fēng)、氮?dú)狻⒍趸嫉葔嚎s機(jī)組。

(2)雙端面干氣密封一般用在壓力等級(jí)不高的有毒有害、易燃易爆等危險(xiǎn)氣體的壓縮機(jī)組。適用機(jī)組入口壓力較低的情況，允許少量密封氣流進(jìn)機(jī)組。一般用在甲烷、一氧化碳?jí)嚎s機(jī)組中。

(3)串聯(lián)式干氣密封一般用在壓力較高，微量介質(zhì)可以泄漏進(jìn)大氣中的情況。串聯(lián)式干氣密封采用兩級(jí)串聯(lián)布置方式,一級(jí)為主密封,承受全部或大部分工作載荷,而另一級(jí)作為輔助密封,不承受或承受小部分工作載荷。兩級(jí)密封間通入緩沖流體,防止工藝氣泄漏出去。

3 流槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

動(dòng)環(huán)密封端面流槽是干氣密封的核心部分，流槽結(jié)構(gòu)有很多種，常用的有螺旋槽、T型槽、燕尾槽、人字型槽、傘型槽等。按旋向分類干氣密封可以分為兩類，單旋向和雙旋向。單旋向動(dòng)環(huán)只有在旋向按規(guī)定方向旋轉(zhuǎn)時(shí)才能起密封作用，一旦反轉(zhuǎn)則干氣密封失效，而且會(huì)損壞干氣密封；雙旋向干氣密封則沒(méi)有旋向要求，無(wú)論正旋還是反旋密封都能起作用。對(duì)于氣化二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，考慮介質(zhì)的性質(zhì)、危險(xiǎn)性、成本等的因素，最終選擇了單旋向的單端面螺旋槽干氣密封。

常見(jiàn)流槽結(jié)構(gòu)

4 干氣密封系統(tǒng)

氣化廠二氧化碳?jí)嚎s機(jī)高壓缸為兩段壓縮，一段3個(gè)葉輪，二段2個(gè)葉輪，為平衡軸向推力葉輪采用背靠背排列形式。正常生產(chǎn)時(shí)一級(jí)密封氣采用一段出口氣，壓力為4.73MPa，開(kāi)停車時(shí)采用0.4MPa的低壓氮?dú)狻?/p>

4.1 一級(jí)密封流程

一級(jí)密封氣體在壓縮機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，采用壓縮機(jī)排出的部分工藝氣體(在開(kāi)停車過(guò)程中采用界區(qū)來(lái)的0.4MPaG低壓氮?dú)?，經(jīng)過(guò)第一級(jí)密封氣過(guò)濾器（F1、F2）后，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥25PD?CV-401將壓力穩(wěn)定在高于平衡管壓力0.3MPaG以上，密封氣進(jìn)入壓縮機(jī)兩側(cè)的密封端面，在密封面上形成密封氣膜。

4.2 二級(jí)隔離氣密封流程

自界區(qū)來(lái)的0.40MPaG的低壓氮?dú)猓?jīng)第二級(jí)密封氣過(guò)濾器(F3、F4)過(guò)濾后，再經(jīng)過(guò)自立式調(diào)節(jié)閥V21控制壓力為0.30MPaG，經(jīng)限流孔板后送入第二級(jí)隔離氣密封腔。隔離氣的作用是避免潤(rùn)滑油污染干氣密封的密封端面。

4.3 排放氣控制流程

一級(jí)干氣密封氣大部分返回機(jī)組內(nèi)，阻止壓縮機(jī)內(nèi)的工藝氣體外漏，少量氣體經(jīng)密封端面泄漏至一級(jí)密封排氣腔，經(jīng)流量計(jì)（25FT-401/402）后去高點(diǎn)放空。大部分二級(jí)密封氣經(jīng)中間迷宮室與干氣密封泄漏氣混合后至高點(diǎn)放空。一小部分通過(guò)后置梳齒密封的后端，經(jīng)過(guò)軸承回油放空點(diǎn)排放。

5 結(jié)語(yǔ)

干氣密封作為一種非接觸式機(jī)械密封,是當(dāng)前非常先進(jìn)的密封技術(shù),它可以有效的提高密封運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及長(zhǎng)久性。從二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)際運(yùn)行的情況,可以發(fā)現(xiàn)干氣密封具有故障率低、使用壽命長(zhǎng)、一次性投入成本低等優(yōu)點(diǎn),能夠保證工藝介質(zhì)零泄漏、零溢出,并且滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。大量的實(shí)踐證明了在當(dāng)下工藝條件、環(huán)保要求日益嚴(yán)格的情況下,干氣密封具有極大的優(yōu)點(diǎn),其一定能在旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸端密封上獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。

[1]干氣密封技術(shù)在大機(jī)組上的運(yùn)用及故障分析.張錫德.通用機(jī)械.2014.

[2]攪拌器機(jī)械密封故障分析及技術(shù)改造.張海峰.科學(xué)時(shí)代.2013.

[3]離心式壓縮機(jī)密封技術(shù)的應(yīng)用綜述.李燕坡.風(fēng)機(jī)技術(shù).2011.