干氣密封技術在離心壓縮機中的應用

tags: 壓縮 壓縮機    時間:2014-03-07 10:57:14
干氣密封技術在離心壓縮機中的應用簡介
摘要:通過對干氣密封在120萬噸/年加氫裂化裝置中循環壓縮機上的應用,闡述了干氣密封的工作原理及在裝置中的運行情況。 關鍵詞:干氣密封;工作原理;控制原理 The Applicatio……
干氣密封技術在離心壓縮機中的應用正文

摘要通過對干氣密封在120萬噸/年加氫裂化裝置中循環壓縮機上的應用,闡述了干氣密封的工作原理及在裝置中的運行情況。

關鍵詞干氣密封;工作原理;控制原理

The Application of Dry Gas Seal Technology in Centrifugal Compressor

Abstract: Through the application of dry gas seal technology in circulation compressor of 1.2 million tons/year hydrocracking installation, the working principle of dry gas seal and its operating status in installation are specified in this paper.

Key words: dry gas seal; working principle; control principle 

0  引言

隨著石油化工、能源工業的發展以及人們安全環保意識的提高,對各類轉動設備軸封的要求也越來越高。目前,國內絕大多數石化企業轉動設備軸封型式採用的是單端面機械密封或雙端面機械密封。單端面機械密封結構簡單,但存在工藝介質易泄漏的問題,不適合輸送易揮發介質;雙端面機械密封用外引密封液做潤滑冷卻介質,密封結構及輔助系統較為複雜。由於機械密封為接觸式密封,其使用壽命已經不能滿足石化企業長周期運行的要求。干氣密封的出現,是密封技術的一次革命,它具有使用壽命長、無介質泄漏、軸功率消耗低等優點,因此,得到廣泛應用。

該離心式壓縮機由瀋陽鼓風機集團有限公司製造,型號BCL406/A離心壓縮機,是我廠加氫裂化裝置的核心設備,其能否長周期運轉關係到裝置能否正常運行。

1  干氣密封工作原理

典型的干氣密封結構如圖1 所示,由旋轉環、靜環、彈簧、密封圈、彈簧座和軸套組成。圖 2 為干氣密封旋轉環示意圖,旋轉環密封面經過研磨、拋光處理,並在其上面加工出有特殊作用的流體動壓槽。

干氣密封旋轉環旋轉時,密封氣體被吸入動壓槽內,由外徑朝向中心,徑向分量朝著密封堰流動。由於密封堰的節流作用,進入密封面的氣體被壓縮,氣體壓力升高。在該壓力作用下,密封面被推開,流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜,此氣膜厚度一般在3μm左右。氣體動力學研究表明,當干氣密封兩端面間的間隙在2~3μm時,通過間隙的氣體流動層最為穩定。 這也就是為什麼干氣密封氣膜厚度設計值選定在2~3μm的主要原因。當氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時,該氣膜厚度十分穩定。

1.彈簧座   2.彈簧   3.靜環   4.旋轉環   5.密封環   6.軸套

1  干氣密封結構圖

1.動壓槽    2.密封壩   3.密封堰   4.密封旋向

2  干氣密封端面動壓槽示意圖

正常條件下,作用在密封面上的閉合力(彈簧力和介質力)等於開啟力(氣膜反力),密封工作在設計工作間隙。當受到外部干擾,氣膜厚度減小,則氣膜反力增加,開啟力大於閉合力,迫使密封工作間隙增大,恢復到正常值。

相反,若密封氣膜厚度增大,則氣膜反力減小,閉合力大於開啟力,密封面合攏恢復到正常值。因此,只要在設計範圍內,當外部干擾消失以後,氣膜厚度就可以恢復到設計值。衡量密封穩定性的主要指標就是密封產生氣膜剛度的大小,氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比,氣膜剛度越大,表明密封的抗干擾能力越強,密封運行越穩定。干氣密封的設計就是以獲得最大的氣膜剛度為目標。

干氣密封是採用機械密封和氣體密封的結合,是一種非接觸端部密封,它是在機械密封的動環或靜環(一般在動環上)的密封面上開有密封槽(本密封為T形槽),當動靜環高速旋轉時,在兩端面間形成一層氣膜,在氣體泵送效應產生的推力作用下把動靜環推開,使兩密封端面不接觸,但在壓縮機剛開機階段,由於轉速較低,動靜密封面形成的動壓力也較低,動靜環是接觸摩擦的,所以採用干氣密封的壓縮機,低速運行時間不宜過長[1]

 

 

3  T型槽

本裝置雙向串聯干氣密封特點:密封型式為雙向串聯干氣密封;密封槽為T形槽,見圖3;旋轉環材料為碳化硅;靜環為塗DLC工業金剛石碳化硅;輔助密封元件採用填充PTFE,彈簧(ALLOYC40)載入。採用T形槽密封端面,可以避免壓縮機正反轉造成密封損壞或減少使用壽命。

     干氣密封的密封氣採用差壓控制,利用啟動薄膜式調節閥使平衡管氣與密封氣保持一定壓差,隔離氣和級間密封氣分別利用自力式調節閥保持壓力恆定。

     裝置開工和停車時,壓縮機出入口壓力相等,此時增壓泵啟動,保證密封氣壓力比平衡管氣壓力高0.3~0.4MPa(G),增壓泵驅動氣源工業風為0.35~0.4 MPa(G),密封氣密封室壓力比一級排氣壓力高0.03 MPa以上,級間密封比二級排氣壓力高0.03 MPa以上

2  影響干氣密封性能的主要參數

將影響干氣密封性能的參數分為密封端面結構參數和密封操作參數。端面結構參數對密封的穩定性影響較大,操作參數對密封的泄漏量影響較大。

2.1  密封端面結構參數對氣膜剛度的影響

2.1.1  干氣密封動壓槽形狀

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,都能產生動壓效應。理論研究表明,螺旋槽產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,即干氣密封的穩定性最好。

2.1.2  干氣密封動壓槽深度

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。在其餘參數確定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。

2.1.3  干氣密封動壓槽數量、動壓槽寬度和動壓槽長度

理論研究表明,干氣密封動壓槽數量趨於無限時,動壓效應最強。不過在實際應用中,當動壓槽達到一定數量后,再增加槽數時,對干氣密封性能影響已經很小。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。

2.2  操作參數對密封泄漏量的影響

2.2.1  密封直徑、轉速對泄漏量的影響。密封直徑越大,轉速越高,密封環線速度越大,干氣密封的泄漏量就越大。

2.2.2  密封介質壓力對泄漏量的影響。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。

2.2.3 介質溫度、介質粘度對泄漏量的影響。介質溫度對密封泄漏量的影響是由於溫度對介質粘度有影響而造成的。介質粘度增加,動壓效應增強,氣膜厚度增加,但同時流經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。

3  干氣密封的控制系統

3.1  主要控制流程

3.1.1   主密封氣控制流程

從壓縮機出口來的密封氣,首先經過除霧器V-3840除霧,然後進入密封氣過濾器(精度3μm)FL-3841A/B進行過濾。如果密封氣的壓力與平衡管壓力差低於0.345MPa(G)(設定值),則增壓泵B-3840自啟,給密封氣提壓。提壓后的密封氣進入儲液罐D-3840A/B進行氣液分離,再經過過濾器(精度3μm)FL-3842過濾後進入密封氣調節閥PDCV-3840。調節閥調節進氣流量為1614-5663NL/min,密封氣經調節閥後分兩路並經過流量孔板進入一級密封腔。然後泄漏氣經一級密封氣泄漏線並經過孔板FE-3846/3847排入火炬。

3.1.2  輔助密封氣控制流程

級間密封氮氣從氮氣區來的氮氣經過濾器(精度1μm)FL-3840A/B過濾后,級間密封氣經調節閥PCV-3840調節流量控制在65~100NL/min后,又分兩路經流量孔板FE-3842/3843進入級間密封氣密封腔,級間密封起輔助密封作用。然後氮氣經二級泄漏線進入火炬。需要注意的是:二級密封進氣流量應略小於一級密封放入火炬的流量。

3.1.3  隔離密封控制流程

   隔離氮氣從氮氣區來的氮氣經過濾器(精度3μm)FL-3840A/B過濾后,經隔離氣經調節閥PCV-3841調量110—174NL/min后,又分兩路經流量孔板FE-3844/3845進入隔離氣密封腔,隔離潤滑油。其中一部分經過密封進入二級密封排氣腔;另一部分由端面進入軸承箱,高點放空。

 

3.2  主要控制系統參數設置

主密封氣過濾器設有差壓變送器PDIT-3841,並設定壓力0.138MPa(G)的高報警值,當過濾器差壓變大時,必須切換進行清理或更換濾芯。主密封氣與平衡管設有差壓表PDIT-3840,當壓差小於0.345 MPa(G)時,增壓泵B-3840自啟,給主密封氣增壓,當差壓高於0.52 MPa(G)時,增壓泵B-3840自動關閉。增壓泵漏氣壓力PSA3842>0.1MPa(G)時高報警,PSA3842>0.14MPa(G)時停增壓泵。

主密封氣的流量表(標準狀態)FIT-3840、FIT-3841設有>5663NL/min高報警、設有<1614NL/min低報警,此時需要調節流量,泄漏氣和N2通過迷宮密封釋放到火炬,流量計流量FA3846/3847>164.2NL/min高報警;流量計流量FA3846/3847>235NL/min停機。

級間密封氣通過自立式調節閥PCV-3840調節壓力,控制級間密封氣壓力>0.0655 MPa(G)高報警,<0.0193 MPa(G)低報警。

隔離氣通過自立式調節閥PCV-3841調節壓力,隔離氣壓力PIA-3840<90kPa(G)低報警。隔離氣供氣流量表(標準狀態)FIT-3844、FIT-3845設有>184NL/min高報警、設有<99NL/min低報警。

以上主要參數全部經組態併入ESD系統,可以實現對該密封系統進行監控。

3.3  幾點整改

3.3.1  增壓泵驅動氣源由儀錶風改為氮氣,因為設計儀錶風從管網引來,沒有經過過濾和緩衝罐,壓力可能會有波動或帶液,不利於密封系統的穩定,所以經研究決定改為氮氣,並經氮氣過濾器過濾後進入密封腔,此氮氣是從穩壓氮氣管網引出,這樣既保證了驅動氣源清潔度又保證了氣源的穩定性。

3.3.2  對所有密封輔助系統工藝管線增加了電伴熱線,有效防止了密封氣中大分子量氣在低溫下凝液造成損壞密封的後果。

3.3.3  改造密封氣放空系統,原設計排氣到火炬,由於火炬有時候有背壓,給排出氣體造成一定的堵塞,改造后,把氣體直接排向大氣。

4  運行情況

干氣密封投用以來,經歷了空負荷試車,氮氣負荷試車,兩次開停工及儀錶假指示造成連鎖停車等多種考驗,表1是干氣密封運行情況,從表中可以看出密封性能穩定,可靠,機組運行平穩,事實證明了干氣密封的優越性。

1  干氣密封運行參數

時間

轉速/(r/min)

 

平衡管/密封氣差壓/MPa

主密封氣過濾器差壓/MPa

隔離氣壓力/MPa

二級密封氣壓力/MPa

增壓泵排放壓力/MPa

驅動/非驅動端密封氣流量/(NL/min)

驅動/非驅動端一級密封氣流量/(NL/min)

PDIA3840

PDIA3841

PIA3840

PIA3841

PIA3842

FIA3840

FIA3841

FIA3846

FIA3847

0:00

9401

0.442

0.062

0.112

0.102

0.054

3765.12

3729.68

122.32

112.36

2:00

9398

0.442

0.062

0.112

0.102

0.056

3765.12

3733.25

121.36

111.23

4:00

9400

0.443

0.062

0.111

0.103

0.048

3768.34

3728.34

124.11

113.92

6:00

9403

0.441

0.061

0.113

0.101

0.047

3763.25

3731.86

123.56

114.15

8:00

9402

0.338

0.062

0.114

0.102

0.057

3761.32

3728.49

123.76

113.26

10:00

9402

0.337

0.062

0.099

0.099

0.061

3764.69

3729.67

124.62

112.89

12:00

9399

0.339

0.061

0.100

0.103

0.043

3760.58

3730.47

120.86

112.48

14:00

9397

0.339

0.063

0.100

0.103

0.051

3761.43

3734.26

121.71

111.87

16:00

9401

0.441

0.063

0.098

0.102

0.063

3761.36

3735.29

122.38

111.32

18:00

9401

0.440

0.063

0.114

0.102

0.045

3769.98

3726.15

121.35

112.36

20:00

9403

0.441

0.064

0.108

0.098

0.051

3768.61

3728.19

122.64

112.67

22:00

9499

0.338

0.062

0.102

0.099

0.049

3761.47

3729.92

123.14

113.05

 

 5  應用過程中注意事項

(1)密封系統在安裝時,必須保證管線、梯形槽清潔。

(2)密封氣密封室壓力至少大於一級排氣壓力0.03 MPa(G);級間密封室壓力至少大於級間排氣壓力0.03 MPa(G)。

(3)開機前必須投用干氣密封,停機時先停潤滑油,后停干氣密封,防止潤滑油進入干氣密封系統中,停機時,密封腔降壓速度不超過0.5MPa/min。

(4)在開機過程中,不宜低轉速運行時間太長,在正常運轉中,應該保持轉速恆定,調轉速時儘可能緩慢操作,以避免轉速波動太大對干氣密封產生不良的影響。

6   結束語

該套干氣密封的成功應用,證明了干氣密封技術是目前最先進的密封技術,壽命可達20000h以上,可靠性高,密封消耗低,避免了密封油系統所特有的缺點,此密封系統操作簡單,運行和維護費用較低。

  考  文  獻

[1] 楊富來.干氣密封技術及實際應用[J].石油化工設備技術,2004,25(3):63-66.

 

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