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离心压缩机干气密封应用及典型故障分析

离心压缩机干气密封应用及典型故障分析

  前言

  近年来,随着人们安全、环保意识的提高,对石油化工及煤化工等能源行业的生产运行提出了更高的要求。据不完全统计,在炼油化工、煤化工、制药等行业的生产装置中,因旋转机械的轴封泄漏引起的安全、环保事故占了非常大的比例,严重影响生产装置长周期、稳定、安全生产运行。因此,解决旋转机械轴封泄漏问题,特别是大型机组轴封向实现无泄漏、无污染、长寿命及运维费用低发展,已成为业内重要的共识和急需解决的问题。

  随着20世纪60年代末气体润滑轴承技术的发展,一种新型的、可靠的、轴封技术——干气密封应运而生,它是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封,具有无介质泄漏、安全可靠、使用寿命长、功耗低等优点,在石油化工、煤化工等工业行业的离心压缩机等关键设备上得到广泛的应用。然而在生产运行中,因干气密封控制系统的设计、选型及运行使用不到位,引起的干气密封泄漏、失效等故障屡见不鲜。因此依据生产装置的工艺操作工况及机组的运行情况,设计出一套可靠、合适的干气密封控制系统,对确保机组的长周期、稳定、安全生产运行起着举足轻重的作用。

  1、干气密封基本结构及工作原理

  1.1 干气密封基本结构

  干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封。如图1-1所示,包含有静环、动环组件(动环)、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座(腔体)等零部件。干气密封的结构设计特点为在密封端面上开设动压浅槽,其转动形成的气膜厚和流槽槽深均属微米级,并采用润滑槽、径向密封坝和周向密封堰组成密封和承载部分。可以说是开面密封和开槽轴承的结合。

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  干气密封动压槽有单旋向和双旋向,一般单旋向为螺旋槽,双旋向常见有T型槽、枞树槽和U型槽。如图1-2所示,单旋向螺旋槽干气密封不能反转,反转则产生负气膜反力,导致密封端面压紧,致密封损坏失效。而双旋向枞树槽则无旋向要求,正反转都可以。单向槽相对于双向槽,具有较大的流体动压能,产生更大的气膜反力和气膜刚度,产生更好的稳定性。

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  1.2 干气密封工作原理

  如图1-3,对于螺旋槽干气密封,其工作原理是靠流体静压力、弹簧力与流体动压力之间的平衡。当密封气体注入密封装置时,使动、静环受到流体静压力的作用。而流体的动压力只是在转动时才产生。如图1-2所示,当动环随轴转动时,螺旋槽里的气体被剪切从外缘流向中心,产生动压力,而密封堰对气体的流出有抑制作用,使得气体流动受阻,气体压力升高,这一升高的压力将挠性安装的静环与配对动环分开,当气体压力与弹簧力恢复平衡后,维持一最小间隙,形成气膜,膜厚一般为3-5μm,使旋转环和静止环脱离接触,从而端面几乎无磨损,同时密封工艺气体。

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  1.3干气密封的类型

  干气密封基本结构类型有单端面密封、串联式密封、带中间迷宫串联式密封和双端面密封。

  (1)单端面密封

  适用于没有危害、允使微量的工艺气泄漏到大气的工况。如N2压缩机、CO2压缩机、空气压缩机等。

  (2)串联式密封

  适用于允许少量工艺气泄漏到大气的工况。一般采用两级串联布置方式,一级为主密封,二级为备用密封。正常工况下,全部或大部分负荷由主密封承担,而二级备用密封不承受或承受小部分的负荷和压力降。泄漏的主密封工艺气被引入火炬系统燃烧,泄漏的极少量的工艺气通过二级密封由二级放空引入安全地带排放。当主密封失效时,二级备用密封起到辅助安全密封的作用,确保工艺气不大量外漏。

  (3)带中间迷宫的串联式密封

  它的结构特点为在串联式密封的两级之间加入迷宫密封结构。其中一级主密封气为工艺气,中压N2为开停机辅助气;二级密封和中间迷宫间、隔离气都使用氮气。当一级主密封失效时,二级密封起到辅助安全阻封和密封作用。适用于易燃、易爆、危险性大、不允许泄漏到大气中、也不允许阻封气进入到机内的工况。如氢气压缩机、CO压缩机、乙烯、丙烯压缩机等。

  (4)双端面密封

  双端面密封适用于没有火炬条件,不允使工艺气泄漏到大气中,但允使阻封气进入机内的工况。其结构布置相当于面对面布置两套单端面密封,有时两个密封共用一个动环。一般采用氮气作为阻塞气体,控制阻密封气(N2)的压力始终维持在比工艺气体压力高于0.2~0.3MPa 。

  2、离心式压缩机干气密封控制系统的组成

  如图2-1所示,某离心式压缩机组干气密封系统流程简图,该机组干气密封控制系统由工艺气密封气系统、隔离气密封系统、放火炬及高位放空监测系统组成,其中密封气和隔离气设计有气源过滤处理单元、气体压力和流量调节控制单元,排放气设置有火炬排放和高位放空,并设计有密封气泄漏监测。

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  该机组干气密封控制系统的控制流程:

  (1)一级主密封气由压缩机出口气和管网中压氮提供,经过滤器处理,调节阀、流量计、节流阀控制密封气的压力和流量;而管网中压氮气作为开停机时一级密封气备用气源。

  (2)二级密封气和后置隔离气由管网低压氮气提供,经过滤处理、调压和流量控制作为二级密封气和后置隔离气气源。机组设计后置隔离气密封系统目的是为防止轴承箱润滑油进入,污染密封面。

  (3)同时设计有密封气放火炬和缓冲、隔离气高位防空系统。即在泄漏口和火炬线或高位放空管线之间设置限流孔板和流量计,通过排放气的压力、流量来监测干气密封的泄漏情况。

  因此,为了确保干气密封控制系统可靠、长寿命稳定安全生产运行,应根据系统对密封介质质量、压力、流量、温度及生产运行工况的要求,机组干气密封控制系统设计有过滤单元、调节控制单元和密封泄漏监测单元,对系统中的密封气、隔离气、排放气的流量、压力、温度及洁净度等方面进行控制和监测,监测干气密封运行状况。干气密封控制系统设计选型要注意以下几个要点:

  (1)一般情况下,对于输送介质为富气或气体内含烃类物质较多的气体则常采用N2作为密封气;而对于输送CO2、N2、H2、CO以及空气等气体则采用压缩机出口工艺气+氮气备用气方案为密封气,同时应提供清洁和干燥的密封气体,密封气不得含固体颗粒、粉尘和液体,应保持合适的压力、温度和流量。密封气的过滤精度应达到3um以下,温度应至少高于露点温度10℃以上。

  (2)密封气、缓冲气、隔离气进行控制的系统,以满足密封缓冲、隔离对气体压力、流量和温度的要求。一般可采用气体压力控制、流量控制、压力与流量组合控制方式。控制设计的要求一般为密封气应保持与平衡管的压差在 0.3 MPa以上,机内迷宫间隙最大时最小气流速度为5 m/s。同时为了防止密封工艺气压力低,一般密封气与平衡管压差设计有低报警和低低报警联锁,启用管网中压氮气进行补气,以满足密封气密封压力的要求。

  (3) 一般在干气密封火炬排放或高位放空管路设计密封泄漏监测。即在泄漏口和火炬线或高位放空管线之间设设置限流孔板和流量计,通过排放气的压力、流量来监测干气密封的泄漏情况。流量由限流孔板前后压差实现,设计有流量低报警、高报警和高高报警停机联锁;压力由孔板前压力的变化实现,设计有压力高报警和高高报警停机联锁。可采取3取2的联锁逻辑方式。

  (4) 为了确保机组的安全运行,防止机组损坏,在机组开停车及密封失效故障紧急停车工况,干气密封控制系统可设计有以下的联锁:

  ①各干气密封一级排放气流量正常的开机联锁。

  ②后置隔离气压力低开机前禁止润滑油泵启动联锁,防止轴承箱润滑油污染干气密封。

  ③一级排放气压力高高报警停机联锁和流量高高报警停机联锁。

  3、离心式压缩机干气密封常见典型故障

  离心式压缩机干气密封控制系统是离心式压缩机非常重要的辅助系统,干气密封可靠、稳定、长寿命运行是确保机组安、稳、长、满、优运行的关键。因此了解和掌握干气密封常见典型故障,对快速判断和解决干气密封故障,确保机组安全稳定运行。

  (1)后置隔离密封失效,外侧密封被污染

  机组设计后置隔离气密封系统目的为防止轴承箱润滑油进入,污染密封面。在使用过程中,可能会因为设计或操作方面的原因导致润滑油污染密封端面。例如:轴承腔排空不畅(呼吸帽过滤网堵塞)、气体设计流速低造成气量过小、迷宫齿数或间隙不合适、孔板设计过小、系统控制问题、氮气波动或供气中断、开停车操作顺序错误、误操作等等。

  为了避免开车误操作,一般设计后置隔离气压力低开机前禁止润滑油泵启动联锁,防止轴承箱润滑油污染干气密封。

  (2)单向槽反转

  对于单旋向螺旋槽干气密封不能反转,反转则产生负气膜反力,导致密封端面压紧,致密封损坏失效。在干气密封使用过程中由于安装错误导致驱动端与非驱动端装反、机组停车不可避免存在反转工况等存在,导致密封损坏,严重时环直接碎裂。

  (3)低速工况长时间运行

  在开机或低速暖机工况过程中,由于机组长时间低转速运行,干气密封没有产生足够的流体动压力,没有形成气膜,容易导致密封磨损,严重时环直接碎裂。

  因此,在开机过程中,不宜长时间低转速运行,在正常运转中,应该保持转速恒定,调转速时尽可能缓慢操作,以避免转速波动太大对干气密封产生不良的影响。

  (4)开停车处理不当,密封污染

  在开停车过程中,一级密封气流量不容易保证,机内气体容易反窜,造成一级密封端面的污染,因此可能在初试开车增压过程中,压力较低,泄漏量偏大。在对机组准备开车,进行冲压前,必须先通过控制系统注入开车用密封气,避免工艺气反窜造成密封的污染;在停车过程中,应及时切换气源,避免造成工艺气反窜污染密封;停车期间,避免因操作等原因造成密封污染。

  (5)正常运行时,过滤系统失效,密封污染

  在干气密封现场运行中可能出现密封气严重带液,超出过滤器处理能力;过滤器堵塞后未及时切换,造成滤芯破损;气源中含大量的细粉,其粒度小于过滤器的精度,超出了过滤器的处理能力,但总量大,对密封及系统均会造成影响等情况导致过滤系统失效,从而污染密封导致失效。因此,要定期检查和清理过滤器,确保过滤器完好,达到过滤精度的要求,一般密封气的过滤精度应达到3um以下。

  (6)机组原因造成的密封失效

  因机组故障,产生强烈振动,振动过大,并超出了密封能够承受的范围,引发密封损坏。因此,平常应加强机组的运行维护保养,特别是加强机组运行振动状态监测,防止因机组振动过大导致干气密失效。

  4、结语

  综上,通过选型设计一套合适、完整、可靠的干气密封控制系统,对于离心式压缩机安、稳、长、满生产运行起着非常重要的作用。同时机组在生产运行中,应加强机组的运行维护,时刻监测干气密封系统的运行情况和泄漏状况,及时的发现、消除和处理机组故障,确保装置安、稳、长、满、优生产运行。

  参考文献
  [1] 中国石油化工集团公司人事部,中国石油天然气集团公司人事服务中心.北京:中国石化初版社,2007
  [2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械T业出版社,200l:277—285.
  [3]李香. 干气密封控制系统设计[C]// 齐鲁研究生学术论坛——化学工程与技术分论坛. 2007.
  [4]石芝锋.浅谈离心式压缩机干气密封控制系统的设计要点.中国设备工程,2020.7(上)总第449期.

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