二氧化碳压缩机轴封选型综合评判

李亚军，尤文卿，王国清

（塔里木油田公司石化分公司，新疆 塔里木 841000）

一、概述

中国石油塔里木石化分公司尿素装置中的核心设备二氧化碳压缩机轴封装置选型时，在外商及设计院的设计文件中，提出采用干气密封，考虑到干气密封的高投入、高运行成本、高维护技术性等问题，在技术谈判中改用传统的迷宫密封加抽气回注的密封形式不仅减少了投资，降低了维护技术要求，也提高了机组的运行平稳性。

二、轴端密封选型经济分析

1.迷宫密封加抽气回注密封形式经济分析

（1） 能耗计算

从高压缸三段出口引出的CO2（1 040kg/h、8.1MPa、188℃） 气体进入高压缸高压侧轴端，该密封型式存在少量泄漏，依据斯托道拉公式

式中：QT——通过迷宫密封的气体泄漏量；

S——疏齿缝隙断面积；

pi——间隙入口处密封介质压力；

p0——间隙出口处密封介质压力；

Ti——间隙出口处密封介质的绝对温度；

z——疏齿数目。

R——理想气体状态参数。可得漏气量=1 290.08kg/h（0.09MPa、 76℃）。

以上漏气量引到压缩机入口，可把此能量损失过程近似为恒温压缩及恒压升温两个过程需消耗的能量，依据恒温压缩需消耗的能量分别为1 290kgCO2气体的摩尔数，在0.09MPa、76℃时的体积，在8.1MPa、76℃时的体积） 和恒压升温过程中需消耗的能量分别为76℃、 188℃， Cp.m为CO2气体定压摩尔热容），可计算出每小时能耗损失为3.186×108J，折算耗电88.5kW·h，折合人民币为1 062元。

（2） 一次性投入费用计算

依据厂商提供设计文件，迷宫密封加抽气回注一次性投入约需4万美元。

（3） 检修费用计算

依据设备使用维护要求，检修周期为4年，需更换全部迷宫密封疏齿，疏齿费用为4万美元，检修作业费用暂忽略不计。

依据以上估算，CO2压缩机采用迷宫密封加抽气回注的方式，在1天内因轴端密封需消耗27.4美元+1 062元人民币，约为1 248元/天。

2.干气密封经济分析

（1） 能耗计算

以合成气压缩机K-431为例，依据PID图及设备使用维护说明手册，可知需要消耗16.36m3/h合成气 （0.1MPaG、25℃） 、 21.98m3/h合成气 （0.11MPaG、 25℃） 、 39.6m3/h氮气（0.000 39MPaG、 25℃）、 53.6m3/h氮气 （0.12MPaG、 25℃） ，一次密封气供气能量损失暂忽略不计。按标态下每立方米氮气0.5元计算，能耗费用为1 566元/天。

（2） 一次性投入费用计算

K-431合成气压缩机需要使用两套密封装置，单套干气密封需要23万美元，按使用寿命20年折算，单个检修周期（4年） 折算费用为9.2万美元。

（3） 检修费用计算

依据设备使用维护要求，检修周期为4年，需更换轴端干气密封，暂不考虑干气密封控制系统、密封气体过滤器、缓冲气体过滤器、漏气处理单元、闸阀、球阀、密封气升压装置的检修，轴端干气密封备件的更换预计需消耗6万美元。

依据以上估算，K-431在1天内因轴端干气密封需消耗2 273元/天。

二氧化碳压缩机出口压力高于合成气压缩机，采用干气密封所消耗费用定比合成气压缩机高。

三、影响密封选型的其他因素分析

1.密封性能对比分析

迷宫密封加抽气回注的密封型式大约有1%的漏气量，采有串级式干气密封可以达到零泄漏。

2.可靠性对比分析

迷宫密封加抽气回注密封型式，结构简单，无任何辅助装置，正常运行时相当可靠平稳，因密封失效导致机组停车的情况较小。

干气密封结构相对复杂，同时需有控制系统、密封气体过滤器、缓冲气体过滤器、漏气处理单元、密封气升压装置等辅助系统，辅助系统越多，可靠性越差。

3.检修安装难易程度对比

迷宫密封加抽气回注密封型式相对干气密封而言，检修相对简单，即更换疏齿或调整与轴之间的间隙即可，干气密封结构相对复杂，有一级进气、一级漏气、二级进气、二级漏气、隔离气进出、内部更类似有两套机械密封和一套迷宫密封，更换时要求较高，动环与静环之间与保证足够精度的间隙，避免杂质进入，端面加工精度较高，对安装人员的要求较高。

四、密封系统综合评判模型的建立与求解

影响密封选型的主要因素有经济指标、密封性能、可靠性、检修难易程度；依据模糊数学理论，引入密封选型综合评判模型

AR=B= （ b1， b2， …， bn）

由于各因素地位未必相等，所以需对各因素加权，用模糊集A=(a1，a2，…，an)表示各因素的权数分配，它与评判矩阵R的合成（实数的加乘运算），就是对各因素的综合评判。其中A表示各因素的权数分配，即经济指标、密封性能、可靠性、检修难易程度这四种因素在综合评判一种密封型式时所占的权重B表示综合评判结果矩阵。

R由如下方式确定

综合评判有三要素：

（1） 因素集U= ｛ u1， …，un｝， 被评判对象的各因素组成的集合。

（2） 判断集V= ｛ v1， …，vn｝， 评语组成的集合。

（3） 单因素判断，即对单个因素ui(i=1，…，n)的评判，得到V上的模糊集 (ri1，ri2，…，rim)，所以它是从U到V的一个模糊映射

模糊映射f可以确定一个模糊关系R∈μn×m，称为评判矩阵。

其中rnm表示第n个因素第m个评语所占的权重。

B是由所有对单因素评判的模糊集组成的。

这里bj是r1j，r2j，…，rnj的函数，也就是评判函数。

依据以上模型，可得

U={经济性，密封性能，可靠性，安装检修}

V={优，良，中，差}

对迷宫密封加抽气回注密封结构型式而言，单年所耗费用折算为1 248元，相对较低，故经济性│→（0.9，0.1，0，0）。

该种密封型式泄漏量约为总气量的1%，密封性能相对较差， 故密封性能│→ （ 0，0.1，0.8，0.1） 。

此种密封型式结构相对简单，无需操作过程中有特殊的操作控制手段，相对稳定可靠，故可靠性│→（0.1，0.8，0.1，0） 。

此种密封型式检修过程中只需检查输齿是否损坏、是否需要更换、间隙是否符合要求即可，安装过程中只需严格测量疏齿与轴之间间隙即可，故安装维修│→（0.8，0.1，0，0）。

所用单因素评判组成评判矩阵

对于二氧化碳压缩机而言，因二氧化碳气体为非易燃易爆气体，对于轴端密封可允许一定的泄漏，同时二氧化碳压缩机为尿素装置关键核心设备，一旦停机，将导致整个尿素装置停车，故对密封可靠性要求很高，一旦轴端密封出现故障，也要求在最短时间内能检修完成，故得到其经济性、密封性、可靠性和维修性方面的权重A=（0.3，0.1，0.5，0.1）。用权重向量作用于综合评价矩阵，则可得到迷宫密封加抽气回注密封形式的综合评判值B= （ 0.4，0.42，0.13，0.05）。同理，计算得出干气密封的综合评判值B=（0.25，0.2，0.45，0.1）。显然，迷宫密封加抽气回注密封形式明显优于干气密封。

五、结论

对于二氧化碳压缩机，轴端密封选型时，综合考虑经济性、密封性能、可靠性、安装检修难易程度等方面因素，建立了密封综合评价模型，得出：选用迷宫密封加抽气回注的密封结构型式的优良率为82%，干气密封的优良率为45%，故针对二氧化碳压缩机，其轴端密封结构型式选用迷宫密封加抽气回注的方式更科学合理。

[1]吕瑞典.化工设备密封技术 [M].北京：石油工业出版社，2006.

[2]尤文卿，吕瑞典.垫片密封综合评价方法研究 [J].石油化工设备， 2007， 36 （2）.