采用干气密封淘汰落后的密封油密封

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司炼油厂 作者:陈春生

  随着石油化工及能源工业的发展,对离心压缩机的性能要求越来越高,对轴封的要求也越来越严格。离心压缩机传统的轴封形式及发展过程是:迷宫密封、浮环密封、接触式机械密封,非接触式密封。迷宫密封及浮环密封因气体泄漏量太大,已逐渐停止使用。目前,国内使用较多的是机械浮环组合密封,或者是双端面机械密封,它们都是通过密封润滑油来达到密封气体的目的。这类密封有一个很大的缺点,即要求有复杂的密封油系统,能耗较大,而且必然有少量的密封油泄漏后进入工艺气体。干气密封的出现,是密封技术的一次革命,气体密封的难题得以解决,而不会再受到密封润滑油的限制。干气密封所需的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多[1]

  辽阳石化分公司炼油厂加氢裂化和加氢精制装置中使用的离心压缩机,采用了两种不同类型的密封形式。加氢裂化的离心压缩机C1101 ,采用的是TBS(阻抗套密封) 密封,密封介质为密封油;加氢精制装置的离心压缩机C5102 ,采用的是干气密封。下面对干气密封的先进性做一个浅显的分析。

1、采用密封油为密封介质的密封

  浮环密封、机械浮环组合式密封、机械密封、阻抗套密封等都是采用密封油为密封介质的密封。以浮环密封为例,其主要由内浮环、外浮环、弹簧、密封圈和防转销等元件组成。机组正常运行过程中,密封系统提供高于入口气体压力0.05~0.07MPa 的密封气,同时还提供比密封气高0.05~0.07MPa 的密封油。密封油注入浮环密封腔后,沿浮环间隙向内浮环里侧和外浮环外侧泄漏。由于转子高速旋转,流入浮环间隙内的封油形成了油膜,一方面将浮环抬起,使浮环与轴颈间实现液体润滑;另一方面由于油膜充满整个浮环间隙,所以可阻止气体介质的外漏,起到了密封的作用。经内浮环间隙流至内浮环腔的封油与气体的混合物,沿封油内回油管路流至油气分离器,分离后的油返回油箱,气体放火炬。经外浮环间隙流至外浮环腔的封油,直接回油箱[2] 。密封油系统主要由油箱、油泵、过滤器、冷却器、高位油箱、管路、阀门和控制仪表等组成。由于浮环密封属于非接触式密封,寿命长,可靠性较高,适用于高速和各种压力等级的工况,应用范围广,正是这样使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统形式。

  加氢裂化装置的离心压缩机上使用的TBS(阻抗套密封) 密封,比浮环密封在性能上要先进得多,但是仍然采用密封油作为密封介质,也存在着与浮环密封相似的特点,尤其是在开机前、后和开机过程中,内封油泄漏量很大,只有在转速达7000r/ min 后才完全起作用, 内漏量大大减小。另外,还有机械浮环组合式密封、机械密封等,这种以密封油为密封介质的密封发展到现在,虽然通过不断地改进和发展,但始终还在着以下的

缺点:

  (1) 占地面积大,投资大。由于内泄漏量较大,回收处理内泄漏油的设备复杂,包括油气分离器、脱气槽等控制系统。整个密封油系统的价格约占压缩机总价的30 % 左右(国内外的统计均是如此)。

  (2) 故障多,增大了计划外维修费用和生产停车,密封油控制系统复杂。据国外统计,离心压缩机失效原因中,封油和润滑油系统的故障占55 %~65 %。加氢裂化装置在首次开工期间,就是由于密封油系统故障,使压缩机无法开机,导致装置不能如期开工,造成很大损失。

  (3) 密封油系统能耗高,维护费用高。加氢裂化装置压缩机每次开、停,需密封油5 桶之多,近万元。

  (4) 操作和维护工作量大,给操作人员带来不便。

2、干气密封的结构及工作原理

  加氢精制装置循环氢压缩机C5102 为美国进口的361B9 离心压缩机,由汽轮机带动,其配套轴封选用John Crame 公司的T28 型干气密封系统。

  典型的干气密封结构如图1 所示,由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。

干气密封结构示意

图1  干气密封结构示意

  图2 所示为干气密封旋转环示意图,旋转环密封面经过研磨、抛光处理,并加工出有特殊作用的流体动压槽。

  干气密封旋转环旋转时,密封气体被吸入动压槽内,由外径朝着中心。径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用,进入密封面的气体被压缩,压力升高。在该压力作用下,密封面被推开,流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜,此气膜厚度一般在3μm 左右。气体动力学研究表明,当干气密封两端面间的间隙在2~3μm 时,通过间隙的气体流动层最为稳定。这也就是为什么干气密封气膜厚度设计值选定在2~3μm 的主要原因。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时,该气膜厚度稳定。正常条件下,作用在密封面上的闭合力(弹簧力和介质力) 等于开启力(气膜反力) ,密封工作间隙为设计间隙。当受到外部干扰,气膜厚度减小,则气膜反力增加,开启力大于闭合力,迫使密封工作间隙增大,恢复到正常值。相反,若密封气膜厚度增大,则气膜反力减小,闭合力大于开启力,密封面合拢恢复到正常值。因此,只要在设计间隙范围内,当外部干扰消失以后,气膜厚度就可以恢复到设计值[1]

干气密封端面动压槽结构示意

图2  干气密封端面动压槽结构示意

3、干气密封的气体工艺流程及控制系统

  干气密封的气体工艺流程如图3 所示。排气端的密封口N1 通过平衡管连接到进气端的密封口N1 ,这样两个密封装置(进气端、排气端) 内侧有相似的截面压力。密封口D1 通过管子连接,将密封参考气压力引到密封气压差控制器(现密封控制台上) ,控制口应保持密封口A1 处密封气压力高于D1 处压力69kPa 。压缩机排出气体以压力不大于9500kPa 、温度为121 ℃的条件,进入密封控制台,该气体按550m3/h 的设计流量通过3μm 的双向过滤器,然后经控制阀将压力调至参考值69kPa 。B1 为一级泄漏口,由管线引出后分两路:一条通过流量测量原件(为密封泄漏量报警提供一次参数) ,并排放至公用放空管线;另一条通过一个防爆膜亦排放至公用放空管线,该管线内压力信号引至控制台上的压力开关,压力超高机组停车。该防爆膜在22. 2 ℃下,破裂压力为(145 ±21) kPa ,放空线背压小于等于34. 5kPa 。密封口E1 与从密封控制台来的隔离氮气管线相连接,隔离氮气以高于C1 口20. 7kPa 的压差,由E1 口注入,氮气分两路走:一部分由C1 口随二级泄漏线排至大气中;另一部分沿轴向窜出,随轴承处润滑油呼吸口排至大气中。

干气密封的气体工艺流程

 

图3  干气密封的气体工艺流程

4、干气密封的操作

  (1) 离心压缩机的有关工艺参数型号:361B9 ;介质:氢气、烃混合物;流量(标准状态) :110000m3/h ;转数:9831r/min ;入口压力:7.2MPa ;出口压力:9.05MPa ;入口温度:40.0 ℃;出口温度:65.0 ℃。

  (2) 干气密封的操作控制

  在机组开机前首先引入压力为690kPa ,温度小于66 ℃且干燥清洁的氮气,经调节器PDI2954调节后进入压缩机,氮气流量(标准状态) 在47~94m3 /h ,压差值控制在20. 7kPa ,此压差值低至6. 9kPa 报警,然后引密封气(由机组的出口管线上) 至过滤处,并检查过滤器压差,若该压差大于138kPa 则过滤器压差高报警,密封气经调节器PDIC2952 调节后进入压缩机密封腔,压差值控制在69kPa ,此压差值低于20. 7kPa 则报警。观察FE2955 ,FE2956 所示密封气排气流量(标准状态) ,正常情况下为3. 7m3 / h ,流量(标准状态) 高于17m3 / h 则报警,压差值达到6. 9kPa 也报警。另外当PSHH2955 , PSHH2956 处的排气压力高至104kPa 则联锁停机。

5、干气密封维护的注意事项

  (1) 密封气必须保持干净、干燥;

  (2) 密封气的压力必须高于被密封介质的压力;

  (3) 润滑油运行前必须先投隔离氮气和密封气;

  (4) 应避免转子在低于1000r/ min 的转速下连续转动,以保证在动、静环间形成一个稳定的气体膜;

  (5) 防止机组转子倒转,螺旋槽的设计具有方向性。气体只有沿螺旋槽设计方向进入,才能产生开启力,使动、静环脱离接触。如果机组转子倒转,则会导致动、静环直接接触发生干摩擦,产生大量的热,很快就会把密封烧坏。

6、干气密封的优点

  (1) 除去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷;

  (2) 大大减少了计划外维修费用和生产停车;

  (3) 避免了工艺气体被油污染的可能性;

  (4) 密封气体泄漏量小;

  (5) 维护费用低,经济实用性好;

  (6) 操作和维护简单;

  (7) 密封系统使用寿命长,运行可靠。

参考文献:

  1、赵佰超. 离心压缩机干气密封的研制与应用[J] . 化工设计,2002 , (5)
  2 、王书敏,何可禹. 离心压缩机技术问答[M] . 北京:中国石化出版社,2005

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