王剛，張建，唐振，裴鯤鵬，張祥申，王強

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222000；2.聯(lián)泓新材料科技股份有限公司，山東 滕州 277500；3.章丘秦風(fēng)氣體股份有限公司，山東 濟南 250200；4.山東方明化工股份有限公司，山東 菏澤 274500）

隨著國內(nèi)煉化一體化的快速發(fā)展，煤制氣制甲烷工藝也隨之快速發(fā)展，甲烷化循環(huán)氣壓縮機屬于甲烷化工藝的核心設(shè)備，因工藝氣體分的特殊性，目前絕大部分采用進(jìn)口設(shè)備，機組中干氣密封部件又屬于裝置的重要部件，對機組的安全穩(wěn)定運行和密封性能至關(guān)重要。

1 甲烷化裝置概況和甲烷化循環(huán)機組簡介

盛虹煉化1600萬噸煉化一體化項目甲烷化裝置單元設(shè)計兩個相同的系列，主要是將低溫甲醇洗送來的雙系列合格凈化氣716366Nm3/h（H/C=3.0），通過精脫硫脫除硫（總硫≤6μL/m3），在甲烷化催化劑的作用下反應(yīng)生成甲烷，反應(yīng)后的富甲烷氣經(jīng)換熱、冷凝、分離、洗滌，最終得到高熱值富甲烷氣（CH4≥95.5%），每年可以生產(chǎn)富甲烷氣15億Nm3，合格的富甲烷氣送往燃料氣管網(wǎng)和IGCC燃?xì)廨啓C，同時，利用廢熱鍋爐回收甲烷化反應(yīng)熱，并將副產(chǎn)的高壓過熱蒸汽送入管網(wǎng)，甲烷化反應(yīng)所產(chǎn)生的工藝凝液經(jīng)蒸汽汽提處理后送出界區(qū)。裝置操作彈性：30%～110%，年開工時數(shù)：8400h，裝置規(guī)模：年產(chǎn)15億Nm3富甲烷氣。

裝置的核心設(shè)備為2臺甲烷化循環(huán)氣壓縮機，2019年按照托普索工藝包技術(shù)指標(biāo)，溝通設(shè)計院確定機組招標(biāo)數(shù)據(jù)表，進(jìn)行供應(yīng)商招商，因機組工藝條件要求較高，參與投標(biāo)的企業(yè)只有沈陽鼓風(fēng)機集團有限公司和1家外資公司（涉及保密，不便明寫），圖1為機組要求數(shù)據(jù)表。

圖1 機組數(shù)據(jù)表

2 投標(biāo)企業(yè)方案分析

2家循環(huán)氣壓縮機投標(biāo)企業(yè)均采用電機+變速箱+單葉輪離心壓縮機模式，因機組內(nèi)介質(zhì)特殊性，軸封配置方面，2家供應(yīng)商均配置2套串聯(lián)式干氣密封，總體布置配置上基本一致，通過多次交流溝通，因國內(nèi)機組在此領(lǐng)域基本無業(yè)績，為降低運行風(fēng)險和后續(xù)裝置運行的穩(wěn)定性，公司領(lǐng)導(dǎo)決定選用進(jìn)口供應(yīng)商。機組布置圖如圖2。

圖2 機組布置圖

3 進(jìn)口機組設(shè)計存在問題的優(yōu)化考慮

進(jìn)口甲烷化循環(huán)氣壓縮機設(shè)計為多軸單級離心式壓縮機，機組采用電機+齒輪箱+壓縮機的布置模式，為節(jié)約占地空間，齒輪箱和壓縮機采用整撬設(shè)計，使機組整體更加緊湊。供應(yīng)商在軸封設(shè)計采用對稱布置，雙套串聯(lián)式干氣密封加碳環(huán)密封（圖3）。

圖3

對于供應(yīng)商雙套干氣密封的設(shè)計，我方認(rèn)為：（1）變速箱驅(qū)動側(cè)干氣密封功能非常雞肋，軸向力平衡的輔助功能可以通過其他部件實現(xiàn)，本套干氣密封整體可以優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行取消。（2）變速箱驅(qū)動側(cè)軸封設(shè)計影響機組整體密封性能，增加泄漏風(fēng)險。（3）變速箱驅(qū)動側(cè)設(shè)計增加了機組運行成本，增加機組維保工作量。（4）變速箱驅(qū)動側(cè)設(shè)計造成高速轉(zhuǎn)子的整體長度較長，高速運轉(zhuǎn)撓度增加。

我方論據(jù)如下：

（1）變速箱驅(qū)動側(cè)干氣密封建議取消原因：因壓縮機只有單蝸殼單葉輪，所以機組軸封只需要在蝸殼同齒輪箱一側(cè)設(shè)置，對蝸殼內(nèi)介質(zhì)實現(xiàn)密封和對齒輪側(cè)油污實現(xiàn)隔離功能，而齒輪箱另一側(cè)無壓縮介質(zhì)，不存在泄漏隱患，無須布置干氣密封。供應(yīng)商解釋驅(qū)動側(cè)干氣密封設(shè)計是為提供軸端充壓輔助實現(xiàn)軸向力平衡的作用。我方再次建議，此輔助功能完全可以通過平衡盤改造增加平衡盤和推力軸瓦接觸面進(jìn)而增加軸向平衡力的方案進(jìn)行取代。

（2）變速箱驅(qū)動側(cè)軸封設(shè)計影響機組整體密封性能，增加泄漏風(fēng)險：干氣密封屬于動密封，相對于靜密封，動密封失效泄漏的概率更高。如采用我方建議方案，取消掉這套干氣密封，在高速齒輪驅(qū)動端就只存在靜密封，密封泄露概率將降為零，徹底杜絕泄漏。

（3）變速箱驅(qū)動側(cè)設(shè)計增加了機組運行成本，增加機組檢修工作量：按照目前市場平均價格，干氣密封30萬元/套，如采用我方方案，直接成本節(jié)約30萬元/套，后續(xù)運行維護費每年節(jié)約10萬元左右/套，以機組設(shè)計壽命15年計算，1套機組共節(jié)約費用180萬左右，裝置2套機組共節(jié)約費用360萬左右（不含機組正常運行期間的氣體消耗成本），另外，干氣密封運行期間對氣體介質(zhì)有持續(xù)的消耗。干氣密封消耗見圖4。

圖4 干氣密封消耗

（4）變速箱驅(qū)動側(cè)設(shè)計造成高速轉(zhuǎn)子的整體長度較長，建議縮短：變速箱驅(qū)動側(cè)干氣密封取消后，高速端轉(zhuǎn)子自然縮短，提升了高速軸轉(zhuǎn)子運行的穩(wěn)定性。

總結(jié)：通過對變速箱驅(qū)動側(cè)軸封設(shè)計的更改，將動密封改為靜密封，提高機組整體密封效果，降低機組整體成本，降低機組運行維護成本，提升運行的穩(wěn)定性。通過多輪談判溝通，供應(yīng)商無充分依據(jù)對我方提出方案進(jìn)行反駁，最終做出讓步，同意按照我方意見進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計方案。

4 循環(huán)氣壓縮機變速箱驅(qū)動側(cè)軸封設(shè)計優(yōu)化前后對比

2套方案優(yōu)化前后對比（表1和圖5、圖6），方案1設(shè)計特點：傳統(tǒng)成熟設(shè)計，已在多個裝置中投入運行，節(jié)約設(shè)計費用，機組密封性偏差，機組成本偏高，運行成本消耗高，故障率偏高。方案2設(shè)計特點：針對多軸單級循環(huán)氣壓縮機在布置結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，減少1套干氣密封配置，通過設(shè)計優(yōu)化提高機組密封性，機組成本降低，運行成本降低，故障率降低。

圖5 優(yōu)化前方案

圖6 優(yōu)化方案

表1 方案性能比較表

5 改造主要部件干氣密封介紹

本次優(yōu)化改造的重點部件是齒輪箱驅(qū)動端干氣密封，干氣密封（DGS)英文Dry Running gas seals屬于機械軸封的一種形式，是將開槽密封技術(shù)用于氣體密封的一種軸端密封，屬于非接觸密封，旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光處理，并在其上面加工出特殊作用的流體動壓槽。在運轉(zhuǎn)設(shè)備中運用非常廣泛，價格相對昂貴。干氣密封是通過動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，有外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封堰的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩密封面形成一層氣膜，厚度3um左右。氣體靜壓力、彈簧力、氣膜返力形成平衡狀態(tài)。動靜環(huán)密封面依靠氣膜實現(xiàn)對機組內(nèi)介質(zhì)的密封作用。本機組采用的串聯(lián)式干氣密封加碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)。本機組密封結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 本機組密封結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

通過對進(jìn)口機組廠家要求的設(shè)計優(yōu)化，一方面改進(jìn)了甲烷化循環(huán)機的設(shè)計構(gòu)造，對甲烷化裝置發(fā)展是一項非常大的進(jìn)步；另一方面，通過我們自身對機組的吸收和研究，增加了我們對進(jìn)口設(shè)備的談判籌碼，推動進(jìn)口機組廠家按照我方理念設(shè)計起到了積極作用。在國內(nèi)機組發(fā)展方面，如國內(nèi)機組供應(yīng)商能按照最優(yōu)方案設(shè)計和改進(jìn)機組，相信在同進(jìn)口供應(yīng)商的競爭中將能爭取更多籌碼，提升國內(nèi)產(chǎn)品的競爭力。