超大尺寸干气密封在冶金行业原料气压缩机上的应用

1超大尺寸干气密封在冶金行业原料气压缩机上的应用姜南，杨惠霞，冯向忠，吕秋斌，周振铸（约翰克兰鼎名密封（天津）有限公司，天津，300384）摘要：介绍了超大尺寸干气密封在冶金行业原料气压缩机上的应用，包括密封与控制系统设计方案以及现场安装调试情况。提出了超大尺寸干气密封设计、制造、检验和试验，以及现场安装、拆卸的技术难点，并指出了使用中应注意的问题。关键词：干气密封；透平压缩机；应用；超大尺寸ApplicationofSuper-SizeDryGasSealinChargeGasCentrifugalCompressorofMetallurgicalIndustryJiangNan,YangHuixia,FengXiangzhong,LvQinbin,ZhouZhenzhu（JohnCraneTimingSealsCo.,Ltd.,Tianjin,300384）Abstract：Theapplicationofsuper-sizedrygassealinchargegascentrifugalcompressorofmetallurgyindustryisintroduced,includinggassealbody,itssupportingsystemandtheinstallationandcommissionaswell.Furthermore,thetechnicaldifficultiesindesign,manufacturing,checkandtest,andinstallationandcommissionaswellarepresented.Andtheaspectsneededtobepaidattentiontoareputforward.Keywords:drygasseal,turbo-compressor,application,super-size1前言沈阳北台钢铁公司的原料气压缩机组采用的是从南非引进的二手设备，沈阳鼓风机厂承担对其进行改造、配套的任务。该机组有两套完全相同的设备，每套均为汽轮机驱动的四缸压缩机（其机组布置如图1所示）。该压缩机组介质为原料气，主要成分如表一所示。该压缩机组入口压力1.96barA，出口压力50barA；其中第一缸2MCL1007，入口压力1.96barA，出口压力3.75Abar，最大连续转速5960rpm，密封腔处轴径260mm。该压缩机组全部采用国内设计制造的、具有自主知识产权的干气密封产品［1-6］。由于压缩机组第一缸的叶轮外径超大，达到1000mm；相应的密封腔处轴径和压缩机腔体内径尺寸都是目前国内最大的分别为260mm和418mm。这对密封的设计、制造、检验、搬运和现场的安装、拆卸都带来巨大的挑战。2图1原料气压缩机组布置图表1机组介质原料气组分介质组分H2COCO2N2CH4CH3OHAr其它总计体积含量（％）692.6225.40.40.20.20.21002干气密封基本原理及主要特点干气密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封型式。其密封本体结构与普通高速机械密封所不同的是：动、静环密封端面较宽，在动环的密封端面上加工出特殊形状的型槽，其槽深一般在3~10μm之间；为了保持密封端面槽形的长期稳定存在，一般将型槽刻在硬质的碳化钨或碳化硅动环上。动环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在两密封端面间形成一层厚度约为2~5μm的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触稳定运转。干气密封的膜厚虽然很小，但其气膜刚度很大，一旦外界干扰出现使两密封面间隙增大或减小时，它能迅速回到原来的平衡位置，即具有很强的抗外界干扰的能力。这类密封有以下突出优点：端面非接触，使用寿命长，可靠性高；密封功耗低，节约能源；省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小；消除了密封油对工艺回路污染的可能性；运行和维护费用低。3干气密封总体设计方案3．1密封本体设计方案3．1.1密封布置方式及主要结构特点总的说来，根据压缩机工作介质的特点、环保要求以及现场工艺要求，透平压缩机的干气密封有以下几种布置方式：单端面、双端面、串联式、带中间迷宫的串联式干气密封。单端面干气密封适用于允许少量介质泄漏到大气的气体压缩机，例如空气、氮气等中性气体的透平压缩机。双端面干气密封相当于面对面布置的两套单端面密封，适用于允许少量惰性气体进入机内但不3允许工艺气体进入环境的危险性工艺流程气体压缩机，如工艺气比较脏、压力不稳定、压缩机入口压力比较低等工况。串联式干气密封用于允许微量工艺气体进入环境但不允许惰性气体进入机内的危险性工艺流程气体压缩机；带中间进气的串联式干气密封用于既不允许工艺气体进入环境也不允许惰性气体进入机内的危险性工艺流程气体压缩机。根据该压缩机组第一缸工艺特点，即介质中含有大量易燃易爆的轻质气体氢气，从现场工艺和安全、环保的要求来看，绝对不允许介质泄漏到环境中；另一方面，由于介质中本身含有一定量的惰性气体氮气（体积含量5.4%）；而且压缩机入口压力较低，因此该缸选用双端面干气密封是比较合适的。由于密封尺寸超大，为减轻干气密封在搬运、现场安装、拆卸过程中的不便，密封采用单动环（密封面双面刻槽）的双端面型式，其结构如图2所示。4图2干气密封本体结构示意图3.1.2干气密封主要材料选型根据介质的特性，选用的密封主要零部件材料为：动环进口优质硬质合金，静环为进口浸锑碳石墨，O型圈为Viton氟橡胶，弹簧为优质不锈钢。3.1.3设计、制造和检验技术难点由于密封轴径和腔体尺寸超大，零部件的加工误差相应要加大，因此零部件间的配合间隙要特殊考虑，特别是对热膨胀系数不同的两种材料形成的配合；对配合面处的静态密封O型圈的压缩量计算要进行特殊考虑，既要防止间隙大了O型圈的挤出，又要防止间隙小了两配合面的紧密贴合。另外，对大尺寸，特别是超大尺寸密封，密封面的有效宽度要进行必要调整。5对超大尺寸密封，其密封腔体的加工、动环和静环的研磨与抛光、密封面平面度的检测都对制造和检验设备提出了更高的要求。另外，由于密封尺寸超大，集装后的密封体积大、重量大，在装配间和试验室的人工搬运不方便，必须要有相应起吊设备。3．2控制系统设计方案3．2．1控制系统基本流程一套完整的密封系统是由干气密封本体和与之相匹配的密封测控系统组成的。根据密封形式的不同，测控系统有以下几个方面的基本功能：①提供洁净、干燥和稳定的气源（包括前置密封气、主密封气、中间缓冲气和轴承油隔离气）；②监控密封的工作条件和运行状况（包括压力、压差和流量等参数的测量、报警和连锁）；③监控泄漏气的排放（包括放火炬和室外高点放空）。图3是第一缸双端面干气密封控制系统原理图。图3干气密封控制系统原理图图3所示的双端面干气密封控制系统有3路进气，分别为前置缓冲气、主密封进气和后置隔离6气。首先，压力为7barG左右的氮气引入控制系统，先通过自励式阀减压到4barG；后经过滤后分成两路，一路作为前置缓冲气，一路作为主密封气，保持二者压差在2.5bar以上。前置缓冲气通过机内迷宫进入压缩机内，其作用是防止压缩机内未经过滤的介质气污染干气密封。主密封气分别通过两个密封面泄漏到介质侧和密封放空腔，通过流量计监测密封运转状态。仪表风被引入干气密封控制盘后，首先经过过滤单元将洁净度提高到3μm，后分为两路，通过音速孔板进入压缩机后置隔离腔后，一路沿外侧后置迷宫吹入轴承箱，通过轴承箱放空管排入大气，其作用是阻止润滑油窜入密封腔而造成密封损坏；另一路经内侧后置迷宫进入主密封放空腔，与端面泄漏出的主密封气混合后排至室外高点放空，可以在密封损坏时阻止工艺气沿轴端泄漏。3．2．2主要报警连锁参数的设置主密封正常泄漏量在1Nm3/h左右，当流量计读数超过5Nm3/h时将触发报警；过滤器前后压差高报设置为60KPa；主密封气与前置缓冲气的压差，正常≥2.5bar，当下降为1.0bar时，触发报警；当继续下降到0.5时，触动联锁停车。4现场安装调试及使用中应注意的问题4．1现场安装调试在现场安装集装式密封前，必须先配管，并对管路进行相应处理；由于密封尺寸超大，重量大，在现场安装时最好采用起吊设备；同时，为了防止轴套O型圈在安装过程中被剪切，必须采用合适的导套。该压缩机组于2006年11月一次性成功完成现场安装、调试。当主密封进气压力为4barG时，第一缸密封的泄漏量在5960rpm时在0.6～0.7Nm3/h，与理论计算结果和试验室实测数据基本吻合。4．2使用中应注意的问题对干气密封的运行和维护必须注意以下几个问题：（1）必须保证干气密封具有稳定、洁净的气源，包括密封气源和后置隔离气源。压力和流量稳定的气源对于干气密封的稳定运行具有至关重要的作用，气源应该干燥、清洁以免液滴或固体颗粒进入密封端面间，造成密封端面损坏，因此，干气密封运行期间应严密关注气源的压力和过滤器前后压差。（2）油运开始之前至少十分钟，投入后置隔离气；同样油运停止至少十分钟之后，回油管线确实无油流动后，方可切断后置隔离气。油运开始后，后置隔离气就不能停止，否则会使外侧密封端面带油，造成密封运行不稳定，甚至损坏。（3）投用过滤器时应先缓慢打开过滤器下游球阀，再缓慢打开上游球阀，以防过滤器上、下游7球阀打开过快，对过滤器滤芯造成瞬间压力冲击而损坏。正常工作状态下过滤器滤芯工作周期最长为两年。更换过滤器滤芯时，应先缓慢打开备用过滤器上、下游球阀，投用备用过滤器。然后再关闭需更换滤芯的过滤器上、下游球阀，进行滤芯更换。（4）压缩机组投入介质气体前，必须首先投入主密封气和前置缓冲气，以防机内介质气污染密封端面。（5）应注意密封泄漏量的变化趋势，密封性能通过泄漏趋势监控，泄漏量的偶然尖峰信号应设定为不会引起报警。这可能是由于工艺波动、轴的移动、压力、温度或速度波动所引起。然而泄漏趋势可以预测到密封的问题。（6）对于单向槽型的干气密封应避免反转，一般情况速度低于1000rpm的短时反转不会对密封造成损坏，但是长时间、高转速的反转是不允许的，因此在有可能出现反向旋转的场合应选用双向槽型的干气密封。（7）每天至少对密封系统装置进行两次巡回检查，重点检查主密封气的气源压力和后置隔离气的气源压力是否稳定并符合要求，过滤器是否出现堵塞，转子流量计指示值是否稳定，差压变送器指示值是否超限报警等。5结束语国内自行设计、制造、检验和试验的密封轴径为260mm的超大尺寸干气密封在冶金行业原料气压缩机组上的的成功安装、调试、正常运转，显示了国内高速透平压缩机轴端密封专业生产厂家在设计水平、加工水平、检测水平以及现场服务水平的技术进步。参考文献1．王玉明、杨惠霞、姜南、王海宁、段雪梅，透平机械密封装置，通用机械，2003，7。2．YumingWang,JianliWang,HuixiaYang,HainingWang,YanmeiLiu,DevelopmentofShaftSealingTechnologyofHigh-SpeedTurbo-CompressorsinProcessIndustries,8thAsianInternationalFluidMachineryConference，October12-15,2005•Yichang,China.3．王玉明、杨惠霞、姜南，流体密封技术，液压气动与密封，2004，3。4．YumingWang,HuixiaYang,JianliWang,YanmeiLiu,HainingWang,XiangzhongFeng,TheoreticalAnalysesandFieldApplicationsofGas-FilmLubricatedMechanicalFaceSealswithHerringboneSpiralGrooves,theSTLE61st(2006)AnnualMeeting,May7th-11th,2006Calgary,AlbertaCanada.5．王玉明，螺旋槽端面密封，专利号98120372.8。6．王玉明，可双