干气密封技术在离心压缩机中的应用

赵春光

(安徽理工大学机械工程学院 ,安徽淮南 232001)

干气密封技术在离心压缩机中的应用

赵春光

(安徽理工大学机械工程学院 ,安徽淮南 232001)

通过对干气密封在 30万 t/a合成氨装置中氨压缩机上的应用,阐述了干气密封的工作原理及在装置中的运行情况。

离心压缩机 ;干气密封 ;工作原理

1概述

随着石油化工及能源工业的发展,离心压缩机的性能要求越来越高,对压缩机轴封的要求也越来越严。离心压缩机传统的轴封型式及发展过程是: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。这类密封的缺点是:要求有复杂的封油系统,能耗较大,而且必然有少量的密封油泄漏进入工艺气体。干气密封的出现,是密封技术的一次革命,气体密封的难题从此得以解决,而不再会受到密封润滑油的限制。由于干气密封属于非接触式密封,适合在高速高压条件下的大型离心压缩机,而且其所需的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多。与机械密封相比干气密封具有如下优点:①省去了密封油系统及用于驱动密封油系统的附加功率负荷;②大大减少了维修费用和停车次数;③避免了工艺气体被油污染;④密封气体泄漏量小;⑤密封运行费用极低;⑥密封驱动功率消耗小;⑦密封寿命长,运行稳定可靠。

干气密封是采用机械密封和气体密封的结合,是一种非接触端部密封,它是在机械密封的动环或静环的密封面上开有密封槽,当动静环高速旋转时,在两端面间形成一层气膜,在气体泵送效应产生的推力作用下把动静环推开,使两密封端面不接触。

2工作原理

一般来讲,典型的干气密封包含了静环、动环组件 (旋转环)、副密封 O形圈、静密封、弹簧和弹簧座(腔体)等,静环位于不锈钢弹簧座内,用副密封 O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上的旋转环——动环组件闭合如图 1所示。

动环组件和静环构成的气体径向密封有其先进独特的运行方式。配合表面平面度和光洁度很高,动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽如下页图 2所示。

随着动环组件的旋转,气体被向内泵送到螺旋槽的根部。根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用,增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽,这些反向螺旋槽反向泵送气体以改善配合表面压力分布,从而加大开启静环与动环组件的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝,对气体流动产生阻力作用,增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离,保持一个很小的间隙,一般为 3μm左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时,便建立了稳定的平衡间隙。

图 1干气密封组件图

图 2动环组件螺旋槽

干气密封工作时,作用在密封上的力处于动平衡状态如图 3所示。

图 3干气密封受力平衡图

闭合力 FC,是气体压力和弹簧力的总和。开启力 FO是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下FC=FO,运行间隙大约为3μm。由于某种干扰使密封间隙减小,则端面间的压力升高,开启力 FO大于闭合力 FC,使得端面间隙加大,从而使 FO减小,直至平衡为止,如图 4所示。

图 4密封间隙减小后的受力平衡图

如果扰动使密封间隙增大,端面间的压力就会降低,闭合力 FC大于开启力 FO,使得端面间隙减小,从而使 FO增大,密封会很快达到新的平衡状态,如图 5所示。

图 5密封间隙增大后的受力平衡图

这种机制将在静环和动环组件之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜,使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损,延长了使用寿命。

3影响参数

我们将影响干气密封性能的参数分为端面结构参数和操作参数。端面结构参数对密封的稳定性影响较大,操作参数对密封的泄漏量影响较大。

3.1端面结构参数

3.1.1动压槽形状

从流体动力学角度来讲,在干气密封端面开任何形状的沟槽,都能产生动压效应。理论研究表明,对数螺旋槽产生的流体动压效应最强,用其作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大,密封的稳定性最好。

3.1.2动压槽深度

理论研究表明,干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大。实际应用中,干气密封的动压槽深度一般在 3～10μm。在其余参数确定的情况下,动压槽深度有一最佳值。

3.1.3动压槽数量、宽度和长度

理论研究表明,干气密封动压槽数量趋于无限时,动压效应最强。不过,当动压槽达到一定数量后,再增加槽数时,对干气密封性能影响已经很小。此外,干气密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。

3.2操作参数

3.2.1密封直径和转速

密封直径越大,转速越高,密封环线速度越大,干气密封的泄漏量就越大。

3.2.2密封介质压力

不难想象,在密封工作间隙一定的情况下,密封气压力越高,气体泄漏量越大。

3.2.3介质温度和黏度

介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质黏度有影响而造成的。介质黏度增加,动压效应增强,气膜厚度增加,但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此,其对密封泄漏量的影响不是很大。

4结论

在大型机组关键设备如离心式压缩机或输送有毒、有害、易气化介质的离心泵上采用不同型式的干气密封,可以实现工艺介质零泄漏,甚至零溢出,完全满足环境保护法对该类介质日益苛刻的泄漏排放要求,同时实现机组长周期、低能耗、安全、可靠运转。

[1] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2001:1-3

[2] 刘雨川,徐万孚,陈国林,等.端面气膜密封的高性能端面结构[J].航空学报,2000;21(2):187-190.

[3] 李涛子,张秋翔,蔡纪宁,等.型槽干气密封稳态特性的有限元分析[J].北京化工大学学报,2002;30(2):58-62.

TQ051.21

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1003-3467(2010)24-0047-03

2010-12-31

赵春光 (1982-),男,工程师,在读工程硕士,现主要从事化工机械类设备的技术管理工作,电话:13855487498。