馬光華

摘 要：合成氣壓縮機(jī)是現(xiàn)代氨合成生產(chǎn)工藝核心機(jī)組，合成氣壓縮機(jī)的主要工作是接受合格的合成氣新鮮期，并將其壓縮后送至后續(xù)氨合成工段，在現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)中必不可少。合成氣壓縮機(jī)密封裝置采用干氣密封裝置，干氣密封屬于新技術(shù)，有良好的密封效果、極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，具有操作簡單可靠，維修質(zhì)量低，被密封的介質(zhì)不受油污染等特點(diǎn)。隨著干氣密封技術(shù)的日趨成熟，目前國內(nèi)化工行業(yè)中壓縮機(jī)采用的浮環(huán)密封、機(jī)械接觸式密封已逐步被先進(jìn)的干氣密封所取代，所以對于這項(xiàng)新技術(shù)我們消化吸收的同時要很好的總結(jié)與摸索，力求將這項(xiàng)操作方便、安全可靠的干氣密封技術(shù)為我公司各壓縮機(jī)密封進(jìn)一步改造提供一些有價值的操作經(jīng)驗(yàn)和維護(hù)思路。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī);合成氣壓縮機(jī);密封;干氣密封

1 概述

山西中煤平朔能源化工有限公司是由一套年產(chǎn)30萬t合成氨裝置、兩套年產(chǎn)18萬t硝酸裝置、兩套年產(chǎn)20萬t硝酸銨裝置組成。其中的核心設(shè)備為西門子工業(yè)透平機(jī)械（葫蘆島）有限公司生產(chǎn)的合成氣壓縮機(jī)，此設(shè)備為兩缸三段結(jié)構(gòu)，型號為STC-SV10-08-B、STC-SV10-08-A，由一臺中壓抽凝式汽輪機(jī)驅(qū)動，壓縮機(jī)分低壓缸和高壓缸，其中低壓缸為一段8級結(jié)構(gòu)，高壓缸為兩段8級結(jié)構(gòu)。

由于壓縮機(jī)在正常的運(yùn)行中含有約75%的H2氣，25%的N2氣，以及部分NH4氣，不能排放在大氣中，故其密封采用的是博格曼公司雙旋向干氣密封。

2 干氣密封的原理結(jié)構(gòu)

干氣密封在結(jié)構(gòu)上與普通機(jī)械密封基本相同，也由靜環(huán)和動環(huán)組成，其中：靜環(huán)由彈簧加載，并靠O型圈輔助密封。典型的干氣密封結(jié)構(gòu)包含有靜環(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）等零部件。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(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動環(huán)組件配合。（如圖）端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬質(zhì)合金或石墨。與普通機(jī)械密封重要區(qū)別在于，干氣密封其中的一個密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽。運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環(huán)之間形成局部的高壓區(qū)，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)密封。下面是典型干氣密封剖面圖：

干氣密封屬于非接觸式密封，干氣密封無接觸無磨損的運(yùn)行操作是靠穩(wěn)定的氣膜來保證的，穩(wěn)定的氣膜是由密封墻的節(jié)流效應(yīng)和所開動壓槽的泵效應(yīng)得到的。它不需要密封潤滑油，其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封（機(jī)械或浮環(huán)密封）的油系統(tǒng)要簡單得多。與普通的油膜密封相比，它更適合作為高速高壓下的大型離心壓縮機(jī)的軸封。

2.1 干氣密封的主要優(yōu)點(diǎn)

①去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動密封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷;②大大減少了計(jì)劃外維修費(fèi)用和生產(chǎn)停車;③干氣密封具有膜式密封和機(jī)械密封兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免了工藝氣體被油污染的可能性（工藝氣泄漏量<2Nm3/h）;④密封氣體泄漏量?。ㄖ髅芊獾?dú)庀牧?2Nm3/h;隔離氮?dú)庀牧?15Nm3/h）;⑤維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好;⑥密封驅(qū)動功率消耗?。?1.2kW/套）;⑦密封壽命長，運(yùn)行可靠（連續(xù)使用壽命>三年）。

2.2 干氣密封運(yùn)行的主要注意事項(xiàng)

①雖然運(yùn)行中體現(xiàn)了其較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，但在國內(nèi)外的采購價格是一筆巨大的支出。因此精心維護(hù)是增加經(jīng)濟(jì)效益的良好手段;②屬于較精密的設(shè)備，零部件表面加工精度高，所以對密封氣的質(zhì)量要求相當(dāng)嚴(yán)格。要求密封氣體雜質(zhì)顆粒最大不超過5μm，防止密封氣中出現(xiàn)油和其他液體、雜質(zhì)以及酸性氣體等，以防對密封體造成損害和腐蝕。所以保證密封氣體的潔凈、防止雜質(zhì)和腐蝕性氣體的進(jìn)入應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測;③干氣密封本身可靠性很高，但控制參數(shù)較多，全面掌握熟練操作需要有一個學(xué)習(xí)的過程。參數(shù)中設(shè)置了許多啟動聯(lián)鎖和停車聯(lián)鎖，控制要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，避免假信號出現(xiàn)，否則稍有不慎將導(dǎo)致機(jī)組的停車和其他故障。因此對操作人員的綜合素質(zhì)要求比較高;④盡可能避免機(jī)組的喘振事故和頻繁開停車操作。喘振會造成壓縮機(jī)振動過大，使干氣密封的使用壽命縮短，頻繁的開停車會導(dǎo)致摩擦，特別是處于動壓效應(yīng)不是很好的二級密封極容易發(fā)生接觸造成密封的損害;⑤杜絕機(jī)組倒轉(zhuǎn)事故的發(fā)生。根據(jù)干氣密封螺旋槽的設(shè)計(jì)方向，氣體只有沿著設(shè)計(jì)方向進(jìn)入螺旋槽，密封面之間才能形成氣膜，脫離接觸;如果機(jī)組倒轉(zhuǎn)會倒轉(zhuǎn)動靜環(huán)直接接觸發(fā)生干摩擦，密封會很快燒毀，所以機(jī)組停車時一定保證正常的惰走，絕對不允許發(fā)生機(jī)組倒轉(zhuǎn)事故。

3 合成氣壓縮機(jī)干氣密封

3.1 合成氣壓縮機(jī)干氣密封簡介

合成氣壓縮機(jī)干氣密封采用了德國博格曼公司的產(chǎn)品，配套設(shè)計(jì)和輔助設(shè)備由德國西門子負(fù)責(zé)提供。由于壓縮氣體屬于不允許泄漏到大氣中的N2/H2氣體，當(dāng)然也不允許密封氣泄漏到工藝介質(zhì)中，所以采用了帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣密封，這種密封方式在兩級密封間加了迷宮密封，可以做到完全無外漏。它除了做為主密封的工藝氣還單獨(dú)引入低壓氮?dú)庾鳛檩o助密封（我們習(xí)慣稱為二次密封）氣體。帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣密封的布置方式如圖：

從上圖中可以清楚地看出干氣密封由內(nèi)側(cè)密封和外側(cè)密封組成。合成氣壓縮機(jī)干氣密封密封氣體的布置，可分為內(nèi)側(cè)密封也就是我們說的主密封、外側(cè)密封也就是二次密封和隔離氣三路。而排放部分主要是排放主密封和二次密封泄漏的主排風(fēng)和排放二次密封氮?dú)夂蜕倭扛綦x氮?dú)獾亩闻棚L(fēng)。

3.2 合成氣壓縮機(jī)干氣密封流程

為了更直觀的看出合成氣壓縮機(jī)流程的布置方式我們采用從外方提供的工藝流程圖中截取密封和排風(fēng)的布置部分，如下圖：

主密封氣體供給來自壓縮機(jī)的輸出，按設(shè)計(jì)要求輸出溫度最大不允許超過干氣密封的設(shè)計(jì)溫度160℃。因此，主密封氣體又高壓缸出口接出的工藝氣體管線接入外部供氣控制閥與雙聯(lián)過濾器之間，工藝氣體經(jīng)過過濾器（過濾精度3μm）低壓缸和高壓缸主密封氣體。雙聯(lián)過濾器都裝有一個壓差測量裝置，在壓差達(dá)到0.05MPa時報(bào)警。連接壓縮機(jī)二段入口的排放口可以使泄漏氣體和分離的液體返入工藝系統(tǒng)。輔助密封也就是二次密封氣體和隔離氣來自低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。供應(yīng)壓力大于0.2MPa的低壓氮?dú)饨?jīng)雙聯(lián)過濾器（過濾精度3μm）過濾后分為兩路，一路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)為0.28MPa供壓縮機(jī)的LP、HP兩個缸做輔助密封使用。另一路是經(jīng)過自立式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)為0.12MPa成為兩個缸的隔離氣體。如下圖：

雙聯(lián)過濾器是過濾低壓氮?dú)夤┹o助密封和隔離氣體而設(shè)計(jì)的，比較雙聯(lián)過濾器耐壓小，配置也簡單一些，但同樣設(shè)置有壓差報(bào)警信號，切換時沒有排放這一項(xiàng)，其操作步驟基本是一樣的。

3.3 干氣密封控制

干氣密封的控制主要分為密封氣體（含主密封、輔助密封、隔離氣密封氣體）控制部分、排（放）風(fēng)（含主排風(fēng)、二次排風(fēng)）控制部分和安全防護(hù)控制部分?？刂剖峭ㄟ^儀表調(diào)節(jié)閥、帶電磁閥的控制閥、聯(lián)鎖報(bào)警信號、普通報(bào)警信號和機(jī)械止逆閥來實(shí)現(xiàn)對干氣密封的運(yùn)行控制和保護(hù)的。下面就以上三部分控制的實(shí)現(xiàn)手段，控制目的和相關(guān)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行分析說明。

3.3.1 密封氣體控制部分

3.3.1.1 主密封氣控制

主密封氣體考慮了正常運(yùn)行和事故停車時的情況，有兩路氣體進(jìn)入雙聯(lián)過濾器前。一路是正常運(yùn)行或停車但缸體壓力大于中壓氮?dú)鈮毫r的工藝氣體，它們來的壓縮機(jī)出口管線。另一路是來自低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力大于3.3MPa的氮?dú)狻９に嚉馀c氮?dú)獾那袚Q，也就是機(jī)組正常和事故狀態(tài)下是通過工藝氣出口管線的止逆閥與中壓氮?dú)夤芫€的止逆閥以及閘閥進(jìn)行切換的。

需要指出的是這種指令性控制是和安裝在外部供氣和安裝在主密封工藝氣供給管線上的單向閥的動作相互配合的，因此單向閥動作的靈活好用是十分重要的。

3.3.1.2 輔助密封氣控制

輔助密封氣是為干氣密封內(nèi)的中間迷宮提供二次密封氣體的。來自低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)大于0.2MPa的氣體，在雙聯(lián)過濾器前設(shè)置了自力式調(diào)節(jié)閥PCV630123，調(diào)節(jié)閥它用于調(diào)節(jié)向壓縮機(jī)兩個缸傳動端與非傳動端供應(yīng)輔助密封氣壓力。設(shè)定壓力0.28MPa是通過閥門后PIT630135這個信號輸出的。PIT630135不但測量輔助密封氣壓力還對的調(diào)節(jié)輸出壓力信號用于二級密封氣自力式調(diào)節(jié)閥自動狀態(tài)下的調(diào)節(jié)。所以此信號是機(jī)組啟動聯(lián)鎖之一，在啟動聯(lián)鎖部分會提到。干氣密封的設(shè)計(jì)要求在壓縮機(jī)缸體沒有壓力時，無論采用那種方式都不允許打開此閥，以免造成密封腔形成負(fù)壓。機(jī)組正常運(yùn)行和壓縮機(jī)缸體有足夠壓力的停車狀態(tài)下自力式調(diào)節(jié)閥應(yīng)持續(xù)投用，雖然閥門可以通過“手動”控制，但如果非緊急情況閥門要長期保持 “自動”狀態(tài)。

3.3.1.3 隔離密封氣控制

隔離密封氣是向隔板密封供給隔離氣體的，用來保護(hù)潤滑油不竄入密封區(qū)域，同時也防止密封泄露氣體進(jìn)入軸承區(qū)。隔離氣接自供二次密封使用的低壓氮?dú)夤芫€上，引來的氮?dú)馔ㄟ^自立式調(diào)節(jié)閥PCV630143進(jìn)行設(shè)定后的調(diào)節(jié)。正常的設(shè)計(jì)值是0.12MPa，兩個缸向兩端供氣之前共設(shè)置有一塊壓力監(jiān)測儀表PIT630145儀表向系統(tǒng)發(fā)出隔離氣的高低報(bào)警信號，而且也是潤滑油泵和機(jī)組的啟動聯(lián)鎖，所以低報(bào)警器是變量的，具體表現(xiàn)為兩個作用：一是停車狀態(tài)當(dāng)壓力低于0.02MPa時，控制系統(tǒng)SCAUT的指令會使?jié)櫥托⊥钙降恼羝袛嚅y關(guān)閉，無法啟動主油泵，輔助油泵此時也無法啟動。這種設(shè)計(jì)主要是保護(hù)干氣密封不會竄入潤滑油，從而保護(hù)干氣密封。壓力一旦高于0.02MPa時油泵的啟動聯(lián)鎖既破壞。二是正常運(yùn)行時隔離氣壓力低報(bào)警，是監(jiān)測隔離氣壓力的。高報(bào)警的作用可判斷自立式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)有問題。

3.3.2 排風(fēng)控制

排風(fēng)只涉及到主排風(fēng)的控制，因?yàn)槎闻棚L(fēng)的排放氮?dú)庵苯油ǖ酱髿庵?，所以沒有設(shè)計(jì)什么控制原件。而主排風(fēng)不但設(shè)計(jì)有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，也是干氣密封部分唯一出現(xiàn)機(jī)組停車聯(lián)鎖的地方。從每個缸驅(qū)動端和非驅(qū)動端主排風(fēng)排出的混合氣體（氮?dú)夂凸に嚉猓┦紫冉?jīng)過聯(lián)鎖信號的檢測經(jīng)過主排風(fēng)壓力調(diào)節(jié)閥PCV630156（設(shè)定0.1MPa）排放至火炬管線。目前合成氣壓縮機(jī)干氣密封可分兩路排放，一是火炬，二是大氣。排放到大氣，主要是考慮火炬排放壓力控制難度較大、火炬排放管線氣體成分復(fù)雜等方面原因而設(shè)計(jì)的。

主排風(fēng)每個缸的兩端都設(shè)置有聯(lián)鎖信號，驅(qū)動端、非驅(qū)動端分別設(shè)有三個聯(lián)鎖監(jiān)測，高聯(lián)鎖與低聯(lián)鎖均為三取二聯(lián)鎖（見表1）。表1列表中各參數(shù)是干氣密封和機(jī)組的保護(hù)參數(shù)，也可以分析主密封、二次密封的運(yùn)行狀態(tài)，是保護(hù)機(jī)組和判斷問題的重要參數(shù)控制。

3.4 安全保護(hù)

安全控制部分，實(shí)際上主排風(fēng)控制的機(jī)組聯(lián)鎖保護(hù)是V-901干氣密封最為重要的安全防護(hù)措施。我們在排風(fēng)控制中已經(jīng)涉及到，但在主排風(fēng)排放調(diào)節(jié)閥作為機(jī)組的啟動聯(lián)鎖和其他為安全而設(shè)置的啟動聯(lián)鎖并沒有講到。所以，下面就安全保護(hù)中啟動聯(lián)鎖部分進(jìn)行說明。干氣密封設(shè)置有十個啟動聯(lián)鎖，其目的是保護(hù)干氣密封的運(yùn)行安全，確保干氣密封在潔凈、密封完全、無任何超標(biāo)參數(shù)的情況下長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4.1 主排風(fēng)壓力調(diào)節(jié)閥

排風(fēng)壓力調(diào)節(jié)閥，是在壓縮機(jī)復(fù)位時，以投“自動”的形式參與機(jī)組保護(hù)的。調(diào)節(jié)壓力設(shè)定為0.1MPa，由調(diào)節(jié)閥前取樣的壓力控制儀表給定調(diào)節(jié)壓力，當(dāng)給定壓力大于0.1MPa時調(diào)節(jié)閥開大，當(dāng)給定壓力小于0.1MPa時調(diào)節(jié)閥關(guān)小。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥的目的是，借助火炬管線或者大氣排放壓力所形成的控制回路，防止主通風(fēng)管路出現(xiàn)高壓或低壓，保持主排風(fēng)有恒定的壓力，這樣在外側(cè)密封產(chǎn)生足夠的壓差，從而保護(hù)外側(cè)密封。在壓縮機(jī)復(fù)位啟動時主排風(fēng)壓力調(diào)節(jié)閥必須為自動方式，采用正確的設(shè)定值。而正常運(yùn)行時雖然可以以“手動”的方式運(yùn)行，但是，非事故狀態(tài)下嚴(yán)禁以“手動”的方式長期運(yùn)行。當(dāng)遇到主排風(fēng)壓力高聯(lián)鎖事故可以“手動”全開壓力調(diào)節(jié)閥。

3.4.2 外部供氣

外部供氣壓力做為壓縮機(jī)啟動聯(lián)鎖是通過測量信號輸送到控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置目的是在機(jī)組啟動前確保有足夠的外部供氣，一是保護(hù)干氣密封，二是對于機(jī)組啟動前的準(zhǔn)備工作提供時間。

3.4.3 隔離氣體

隔離氣體壓力PIT630145是壓縮機(jī)的啟動聯(lián)鎖信號，正常的調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力是0.12MPa。同時在信號中設(shè)計(jì)在低于0.02MPa時不允許啟動潤滑油泵，所以也做為機(jī)組潤滑油泵的啟動聯(lián)鎖信號。還設(shè)計(jì)有0.12MPa的高報(bào)警信號，是監(jiān)測自力式調(diào)節(jié)閥和串聯(lián)密封故障的檢測信號。當(dāng)三個測量壓力達(dá)到（大于等于0.02MPa）時滿足潤滑油泵和機(jī)組的啟動要求，此時機(jī)組可以復(fù)位開車。但在機(jī)組升速過程中如果未達(dá)到最低工作轉(zhuǎn)速，這個信號的報(bào)警將導(dǎo)致機(jī)組開車過程中斷而停車，這和所有啟動聯(lián)鎖信號的保護(hù)概念是一樣的。PIALH具體顯示為：PAL--密封的泄露過大，PAL或PAH--自力式調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)、串聯(lián)密封故障，PAL有兩個調(diào)定值：a≤0.05MPa（機(jī)組運(yùn)行大于1h后報(bào)警顯示氮?dú)獠蛔悖?，b≤0.02MPa（機(jī)組運(yùn)行不足1h報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)動作）。

4 結(jié)論

干氣密封已經(jīng)運(yùn)行5年多了，各參數(shù)和控制指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐中我們看到它良好的密封效果及穩(wěn)定可靠運(yùn)行優(yōu)勢。但同時對于運(yùn)行中一些影響其使用安全和使用壽命的因素還是處于摸索階段。如工藝氣的流量和壓力失衡問題、工藝系統(tǒng)穩(wěn)定控制問題、透平事故狀態(tài)下的反轉(zhuǎn)問題、壓縮機(jī)喘振對其造成的影響等等。但干氣密封在合成氣壓縮機(jī)上的運(yùn)用是成功的，杜絕了工藝氣被潤滑油污染的可能。減少了潤滑油脂的消耗和龐雜的密封油系統(tǒng)的輔助設(shè)備。所以我們要發(fā)揮這種先進(jìn)密封的優(yōu)勢就必須認(rèn)真學(xué)習(xí)壓縮機(jī)和干氣密封的運(yùn)行原理，熟悉操作控制程序，積累操作經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格、準(zhǔn)確無誤地操作，保證干氣密封良好運(yùn)行。

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