干气密封在UNIPOL聚丙烯工艺循环气压缩机上的应用

张玉杰

（神华包头煤化工分公司 内蒙古 包头 014010）

0 概述

美国DOW化学公司UNIPOL气相流化床聚丙烯工艺是用气相法生产聚丙烯树脂，具有设备少、操作简单等优点。其工艺核心反应区包括气相流化床、循环气压缩机和循环气冷却器，其中循环气压缩机是使反应器床层流化的关键设备。循环气压缩机的正常运行是保证反应器床层流化的关键，也是保证生产正常进行的关键，循环气压缩机停车将会使反应停止装置停车。

循环气压缩机的轴端密封采用干气密封，干气密封具有运行周期长、性能可靠、故障率低和操作简单等特点。如果干气密封损坏将造成压缩机停车，从而导致装置停工，而且干气密封的更换时间长对效益影响较大，因此干气密封的运行状况对生产影响较大，需要平时精心维护保养。封圈和轴套组成[2]。气密封的形式[3]有单端面干气密封、串联式干气密封、中间带迷宫的串联密封、双端面并联密封。

1.1.1 单端面干气密封只有一个密封面，安全性较差，适用于允许有少量工艺气体泄漏到大气中的无危害气体。

1.1.2 双端面并联密封的两个端面并列布置，两个静环在外侧，安全性较单端面有所提高，多用于压力18bar以下。双端面并联密封适用于允许少量阻封气进入工艺介质中的情况，两组密封之间通入氮气作阻塞气体，控制氮气压力高于工艺

1 干气密封的结构和原理

1.1 干气密封的基本结构

用于离心压缩机的干气密封，其结构和普通泵用机械密封基本相同[1]，也有静环、动环、弹簧以及辅助密气压力使密封气泄漏方向分别朝着工艺气和大气，从而保证工艺气不向大气侧泄漏。

图1 中间带迷宫的串联干气密封结构图

1.1.3 串联式干气密封可看作是多套干气密封按照相同的方向首尾相连构成，密封气体采用工艺介质本身，通常采用两级结构。一级为主密封承担全部或大部分负荷，另一级为备用密封不承受或承受小部分压力降，主密封失效时，二级密封可以起到辅助安全密封的作用，保证工艺介质不会大量向大气泄漏，多用于危险场合。

1.1.4 中间带迷宫的串联密封（见图1）不允许工艺介质泄漏到大气中且也不允许缓冲气泄漏到工艺介质中。该结构用于易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无外漏。该结构所用气体除用工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封的使用气体。通过主密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。而通过二级密封漏入大气的全部为氮气。当主密封失效时，第二级密封同样起到辅助安全密封的作用。

1.2 干气密封的原理[1-3]

干气密封是一种密封全部工艺气体的非接触式端面密封，该密封包括轴向浮动的碳化物环—静环，和旋转环—动环。如图2所示，旋转环密封面的外径部位刻有深约2.5～10μm的槽，槽的下面和槽之间分别是被称为密封坝和密封堰的光滑区域。在处于静止状态和机组未升压时，静环背后的弹簧使其与动环接触，当机组升压时，气体所产生的静压力将使得两个环分开并形成极薄的气膜（约3-10μm），这间隙允许少量的密封气泄漏。

图2 干气密封动环结构图

当机组开始旋转时，动环组件随着旋转，动环上螺旋槽里的作气体被剪切把气体向密封坝泵送，产生动压力，密封堰对气体的流出有抑制作用，使得气体流动受阻，气体压力从外径向内径增加，靠近槽的根部产生高压区域，升高的压力将挠性安装的静环与配对的动环分开。如图3所示，当弹簧力和气体的静压力Fc与槽和密封坝的流体动力Fo相等时，密封面之间形成稳定的气膜密封工艺气体，流经密封面的密封气同时也起到了冷却机封的作用，这样动静环互不接触，并且气膜具有良好的弹性，即气膜刚度。当间隙减小时，流体动力学作用使得端面之间的开启力迅速增加大于闭合力，由于静环两侧力不平衡推动静环使间隙扩大。当动静环之间的间隙增大时，导致开启力大于闭合力，闭合力将推动静环使间隙减少。

干气密封的密封面之间在运行时有非常小的间隙，密封气流过该间隙。密封面之间的微小间隙要求密封气中不能含有直径超过间隙的颗粒，也不能含有液体，干气密封控制盘的特点是具有过滤装置、除湿装置，提供高清洁度的气体以延长密封面的寿命，并防止静环背面堆积污染物。干气密封主密封腔的压力应高于近进气压力，确保密封腔内清洁环境。由于主密封腔与工艺腔有压差，对于串联式结构密封气流经密封后进入压缩机，只有一小部分密封气流经两个密封面之间成为泄漏气。

图3 干气密封力学原理图

2 循环气压缩机干气密封的结构和操作

2.1 结构特点

循环气压缩机干气密封的动环结构如图4所示，其结构为燕尾形槽，这种结构属于双向螺旋槽。单旋向与双旋向槽型干气密封的区别为：单旋向槽型只可使用于单向旋转的转动设备，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏，单旋向的干气密封旋转时气膜刚度大，抗干扰能力强；双旋向的螺旋槽可保证机组出现反转时，干气密封密封面无损坏，但与单旋向槽型相比气膜刚度较小，稳定性和抗干扰能力较差。

图4 压缩机干气密封动环结构图

循环气压缩机采用中间带迷宫的串联密封，这种结构允许一级缓冲气向工艺侧存在一定流量泄漏。一级缓冲气正常生产时使用气态丙烯，开工初期或丙烯系统有问题时使用高压精制氮气；二级缓冲气和隔离气为普通过滤氮气。一级缓冲气的作用是防止工艺气体中的粉尘进入干气密封；二级缓冲气的作用是防止一级密封端面泄漏过来的介质气体进入二级密封；隔离气的作用是防止轴承侧的润滑油进入干气密封。

2.2 操作及控制

2.2.1 流程及控制

干气密封的流程如图5所示，密封的控制分为四个部分：一级密封气供给；一级密封气排放；二级密封气供给；隔离气供给。

正常生产时，一级密封气气源采用反应工艺气丙烯。液态丙烯经过丙烯蒸发器气化后压力达到4.3MPa以上，气体流量为500Nm3/hr。气态丙烯由C处进入干气密封控制台，经过高压精细过滤器去除气体中99.99%的粒径在0.1μm以上的颗粒，并且通过聚结原理去除丙烯气中的液体，液体由过滤器的排液罐排入高压火炬管网，若过滤器的压差超过0.07MPa将导致过滤器压差高报警，丙烯气流量由调节阀控制在额定范围内。

在非正常生产和装置开工进丙烯之前，一级密封气气源采用高压精制氮气，高压精制氮气由装置中的氮气压缩机提供，氮气压缩机将公用管网中的氮气压缩至4.5MPa，氮气流量400Nm3/hr，由B进入干气密封控制台。若干气密封一级密封气停止将导致压缩机停车进而导致装置停工，为保证干气密封连续正常运行，一级密封气可在高压氮气和丙烯气两种气体之间自动切换，如果正在使用的一级密封气流量低于245 Nm3/h时，干气密封的控制联锁将自动切换到另一种气体。如果两种气体流量都低于联锁值时，联锁将控制阀门在两种气体之间来回切换，当切换一定次数后将造成机组联锁停车。

一级密封气的作用是防止压缩机工艺气体中的颗粒进入干气密封损坏密封面，由于一级密封气压力高于压缩机内工艺气压力，因此一级密封气流入压缩机内与工艺气混合。正常情况下干气密封一级密封气向二级侧泄漏量极少，一级密封气与二级密封气共同由E排入低压火炬管网。干气密封正常运行时，一二级排放线上的现场流量计显示的是二级密封气的泄漏量，如果干气密封一级密封面损坏出现泄漏，那么排放线上的流量计流量将增大。一级密封气向二级泄漏量增加将导致排放线内压力增加，若排放线上的三个压力传感器中的两个传感器显示压力超过3H报警值时，机组将联锁停车，这时应更换干气密封。

二级密封气和隔离气使用公用工程管网0.6MPa、常温氮气，氮气由C进入控制台，经过过滤器精滤后去除氮气中93%的粒径0.1μm以上的颗粒，若过滤器的压差超过0.07MPa将导致过滤器压差高报警。过滤后的精制氮气被分成两路，一路进入干气密封二级密封腔；另一路进入密封隔离气腔。二级密封气的流量通过现场指针流量计手动控制在9.3Nm3/h，隔离气的流量控制在10.7 Nm3/h。二级密封气排放线与一级密封气排放线在干气密封出口并为一股E，通过排放线现场流量计可观察一二级密封气泄漏量变化，干气密封正常运行时一级密封气的泄漏量极小，现场流量计很难测出一级的泄漏量，二级密封气的泄漏量一般在5.0 Nm3/h左右，如果机组运行中发现流量计指示不断增大说明一级密封气有可能泄漏进入二级密封。

隔离气经减压阀减压至0.34MPa后进入干气密封隔离腔，循环气压缩机的润滑油总管压力在0.1MPa左右，隔离气压力高于机组轴承润滑油压力，这样有效地防止了轴承润滑油进入干气密封而损坏密封面，隔离气排放线D置于现场安全位置降隔离气排放于大气中。

图5 压缩机干气密封流程控制图

2.2.2 干气密封操作方法

聚丙烯开工时，要先启动循环气压缩机使反应器内床层流化，在启动循环气压缩机之前要先投用干气密封，液态丙烯未引入装置前应先选择高压精制氮气作为一级密封气气源，将高压精制氮气和公用管网氮气引至干气密封控制台入口阀前。干气密封投用前先打开所有仪表取压阀，打开各级密封气的入口阀门。

将一级密封气引入控制台，打开一、二级密封气的排火炬线阀门；打开过滤器底部阀门向排液罐排液，排液后打开排液罐排火炬线阀门，排火炬后关闭上述阀门；缓慢打开一级密封气过滤器前后切断阀；通过管路上的调节阀调节一级密封气的流量至正常范围。一级密封气投用后应仔细检查一级密封气的压力和流量是否正常；检查过滤器压差是否正常，若过滤器压差超过0.07MPa应切换至备用过滤器，并更换压差高的过滤器滤芯。

二级密封气和隔离气投用时，应根据现场流量计手动调节二级密封气和隔离气的流量至正常值；通过管路上的减压阀调节隔离气的压力，打开隔离气现场放空阀门；投用二级密封气和隔离气过滤器。二级密封气和隔离气投用后，检查二级密封气和隔离气的压力和流量是否正常；检查过滤器压差，若过滤器压差超过0.07MPa应更换过滤器滤芯。

液态丙烯引入装置通过丙烯蒸发器转变为气态丙烯，一级密封气由高压精制氮气手动切换至气态丙烯，调节现场调节阀使丙烯气的流量至正常范围，再将一级密封气切换联锁投自动。

2.3 干气密封的维护

干气密封设计的适用范围较宽,正常情况下不需要维护。一般应每天观察密封泄漏量，泄漏量如有增加的趋势,可能预示着密封有失效的可能，通常应注意以下几点：

2.3.1 确保缓冲气体的流量及压力稳定，维持密封气源的稳定性和不间断性是干气密封正常运行的基本条件。

2.3.2 避免密封的负压操作，串联式密封可能引起密封被未净化的工艺气污染而很快失效。

2.3.3 随时监控密封泄漏量的变化情况，泄漏量的变化直接反映出干气密封的运行状态。只要泄漏量不持续上升,则认为密封运行正常，但如泄漏量出现不断上升的趋势，则预示着干气密封出现了故障。

2.3.4 过滤器压差达到报警值时应及时切换过滤器,并更换滤芯。

2.3.5 密封气、隔离气要在润滑油供应前 10min投用，在润滑油系统停止10min后方可切断隔离气。润滑油系统开始运行后，隔离气不能停止，避免润滑油进入干气密封内污染密封面，这种状况下运行极易造成密封面的损坏。

2.3.6 投用过滤器时应缓慢打开过滤器的前后切断阀，防止阀门打开过快对过滤器滤芯造成压力冲击损坏过滤器滤芯。更换过滤器滤芯时，应首先投用备用过滤器，然后关闭需要更换滤芯过滤器的前后切断阀，打开过滤器底部排液阀和排液罐的排高压火炬阀，将过滤器内的压力泄掉，并打开过滤器顶部的丝堵将过滤器内的残压放净后再更换滤芯。

2.3.7 定期检查一级密封气过滤器排液罐是否有液，并打开排液阀排液。

2.3.8 严禁机组运转过程中停止密封气的供给，因为密封气的中断会导致密封面干磨，很短时间内密封就会烧坏。另外采用丙烯气作为密封气时要注意密封气的脱液，防止液滴进入密封面破坏密封。

2.3.9 当密封气和隔离气突停时机组将联锁停车，这时为了将轴承的温度冷却下来，润滑油应再运行一段时间，这样可能造成润滑油进入干气密封。由于循环气压缩机的润滑油总管压力较低，润滑油可能不会进入干气密封或进入很少，因此在密封气恢复后应至少吹扫干气密封2小时以上再投用润滑油。

3 结束语

干气密封在聚丙烯循环气压缩机上的应用是成功的，由于压缩机工艺气中含有较小的颗粒和粉尘，因此干气密封的一级密封气设计为向工艺介质侧保持一定的流量，这对防止颗粒进入干气密封而损坏密封面起到了很好的作用，保证了干气密封的密封效果。

［1］徐祥发,沈兆乾.机械密封手册[M].南京:东南大学出版社,1990，10.

［2］陈德才,崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社,1993，4.

［3］胡云,李志超,许健.干气密封在甲醇合成气压缩机中的应用[J].小氮肥,2008,36(9):9-12.