离心压缩机干气密封用气需求及保障措施

余 化，徐建民

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

离心压缩机干气密封用气需求及保障措施

余 化，徐建民

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

介绍了离心压缩机干气密封的工作原理和优点，阐述了干气密封工作流程和用气需求，提出了保障干气密封稳定运行的安全措施。

离心压缩机；干气密封；安全措施

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

随着国内石油化工的蓬勃发展，越来越多的离心式压缩机被用于压缩各种介质组成的气体，非接触式的干气密封因其密封性能好、寿命长、无需密封油系统、功耗低、操作简单及运行维护费用低等优点，逐渐成为离心压缩机密封形式的主流。鉴于干气密封对密封气的洁净度和干燥度的要求，工厂正常生产时通常采用压缩机出口工艺气作为干气密封一级密封气，而采用氮气作为干气密封二级密封气和隔离气；开、停车时全部采用氮气作为干气密封用气来源。密封气如果断供将引起干气密封失效甚至损毁，影响压缩机的可靠性，并造成重大经济损失。某煤制燃料项目净化装置CO2压缩机和丙烯压缩机均采用约翰克兰公司生产的干气密封，本文以该干气密封为例说明其工作原理、工作流程、气源要求及采取的保障措施。

1　干气密封工作原理及优点

1.1干气密封工作原理

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，其在密封面上加工出一定形式的浅槽，槽深一般在3～10μm之间，当两个密封面做相对转动时，通过浅槽产生流体动压效应，在密封端面间形成一层厚度为2～5μm的气膜，从而使密封工作在非接触状态下，干气密封工作原理见图1［1］。干气密封的气膜厚度虽然很薄，但刚度很大，一旦出现外界干扰使密封面间隙变化时，能迅速恢复到原来的平衡位置，具有很强的抗外界干扰能力。

图1　干气密封工作原理

1.2 干气密封结构形式

常见的干气密封根据被密封工艺介质的性质，可采用单级密封或者两级密封串联的结构形式。

（1）单级密封。只使用一个干气密封抑制被密封介质的泄漏，结构简单。采用这种结构会有少量被密封介质向大气泄漏，泄漏量的大小与气体温度、转速、压力、密封轴径等有关系。该结构多用于那些被压缩介质允许直接向大气排放，对环境无任何污染的场合，如空气、氮气等。

（2）两级密封串联。串联式干气密封由两组单端面干气密封同向串联布置。串联式干气密封使用压缩机出口工艺气作为一级密封气，会有少量的工艺气从一级密封泄漏，泄漏的少量工艺气经由二级密封腔的泄漏排放口被引入火炬燃烧掉或通过回收装置回收。二级密封泄漏到大气中的工艺气体几乎为零。在二级干气密封与轴承侧之间设计迷宫密封，并通入隔离气，隔离气可以将二级密封泄漏的、含极其微量的工艺气体进行稀释，并引到高点排放，防止微量有害气体直接泄漏到现场。

隔离气的另外一个作用就是阻止轴承润滑油进入干气密封，确保干气密封正常运行。

1.3干气密封优点

干气密封的工作原理决定了其有如下优点。

（1）运转时密封面不直接接触，避免了摩擦，所以密封面基本没有磨损，发热量小，使用寿命长。

（2）同其他非接触式密封相比，干气密封端面会形成气体膜并有一定的硬度，从而阻止介质泄漏，可以实现介质对大气的零泄漏。特别适用于高速、高压和有毒有害环境下的气体密封。

（3）省去了价格昂贵、操作复杂、维修不便的密封油设备；具有质量轻、占地面积小的特点。

（4）消除了密封油对工艺回路污染的可能性，可确保被密封介质不受润滑油污染。

（5）操作简单可靠，设计不同的密封结构可适用于不同转速、不同压力下的工况条件，运行和维护费用低。

2　干气密封工作流程

以该项目丙烯压缩机为例，干气密封采用串联密封，包括两级密封气、隔离气和一级火炬气工作流程，见图2［2］。

图2　干气密封工作流程

2.1一级密封气流程

丙烯压缩机正常运行时，采用压缩机出口丙烯气作为一级密封气源，该气源经一开一备的两台过滤器过滤，达到1μm精度。然后经调压阀将其压力调整高于机组平衡管和火炬系统压力后进入一级密封腔腔体。

一级密封气主要作用是阻止压缩机内不洁净气体外窜污染密封端面。绝大部分密封气经机组迷宫返回到压缩机内，少量密封气经密封端面泄漏至一级密封排气腔去火炬排放。

机组开停车时将8.1 MPa（g）高压氮气减压至3.0MPa（g），作为一级密封气的备用气源。

2.2二级密封气流程

二级密封气和隔离气的气源均为8.1 MPa（g）高压氮气。8.1 MPa（g）高压氮气经减压阀调整压力至3.0MPa（g），再经自力式减压阀再次减压到0.7 MPa（g），经过滤器过滤达到1μm精度，然后分为4路，其中2路作为二级密封气进入二级密封腔体。

二级密封气主要作用是阻止从一级密封端面泄漏的工艺气进入二级密封端面，其绝大部分气体经中间迷宫与一级密封泄漏气混合后放火炬，少量经二级密封端面泄漏后安全放空。

2.3隔离气流程

从8.1MPa（g）减压至0.7MPa（g）的氮气经过滤后，通过孔板限流减压，进入隔离密封腔体。进入隔离密封腔体内的氮气一部分与二级密封端面泄漏的气体混合后引至安全地点放空；另一部分通过轴承呼吸帽放空孔就地放空，此部分气体是为了阻止润滑油污染密封端面。

2.4火炬气流程

一级密封泄漏气与大部分二级密封气混合后放火炬。通常设有流量计用于检测放火炬气的流量。如果流量持续高报警说明一级密封泄漏量大，需停车检查干气密封是否损坏。

3　干气密封气源要求

3.1洁净度

干气密封运转时，其密封面的间隙很微小，如果有异物混入密封部位，将导致密封面不能保持应有的间隙而产生接触，从而损伤密封面。若有液滴混入密封气，则高速喷射的密封气会加剧密封面的磨损，并最终导致密封面失效。因此，要求密封气体是洁净和干燥的，通常需设过滤器，过滤精度要求达到≤3μm。对可能带液的密封气，还需设专用气液分离器将液滴分离后使用。

3.2气源稳定性

干气密封对密封气要求是稳定、不间断供应的。

在压缩机组润滑油泵投用前至少10 min，必须先通隔离气，且在正常运行中不可中断。压缩机停车后，隔离气必须在润滑油停止供给且回油管路无油流动至少10min后才可停止供应。

为防止机内气体反窜污染一级密封端面，机内进气前必须先投入一级密封气。开车前或机组盘车时，压缩机应带压启动，一级密封气压力必须高于火炬管网压力，否则一级密封上下游可能会形成负压差，启动后下游工艺气可能会反窜进干气密封进而损坏密封。

一级密封气供气需时间与压缩机系统停车后是否需保压有关，如压缩机系统需保压，则一级密封气在压缩机停车时仍需连续供应；如压缩机系统不保压，则供气时间与工艺系统卸压时间相关，供气时间应比系统泄压时间延长至少15min。

4　干气密封气源保障措施

4.1干气密封用气来源

化工项目配套空分装置生产的氮气可满足干气密封气洁净度要求和稳定性要求，因此常常被用来作为干气密封气源。根据氮气压力等级不同，干气密封用气常规有3种配置方法。

（1）全高压氮气配置方案。由空分装置提供一股高压氮气至干气密封系统盘，经不同调压阀调压至所需压力并过滤后分为3路：一路作为一级密封气备用气源，一路作为二级密封气气源，剩下部分作为隔离气气源。

（2）全低压氮气配置方案。由空分装置提供一股低压氮气至干气密封系统盘，分为2路：一路作为二级密封气和隔离气气源；另一路作为一级密封气备用气源，配备1台气动增压泵，开停车时利用气动增压泵将低压氮气增压至所需压力后，送一级密封腔。

（3）混合配置方案。由空分装置分别提供一股高压氮气，作为一级密封气备用气源；另提供一股低压氮气作为二级密封气和隔离气气源。

4.2氮气保障措施

该煤制燃料项目配套的空分装置正常生产时，可连续、稳定地提供氮气供干气密封用，其中高压氮气是液氮经液氮泵增压后，经板式换热器复热汽化后送出，低压氮气直接从下塔顶部抽取，经板式换热器复热后送出。当空分装置发生事故时，其后备系统设有备用液氮泵和汽化器，可将液氮储槽内的液氮增压汽化，达到持续提供氮气的目的，供应时间的长短取决于液氮储槽容积和干气密封用氮气耗量。

该项目净化装置CO2压缩机和丙烯压缩机的干气密封气源采用全高压氮气配置方案，由空分装置提供一股8.1 MPa（g）高压氮气供CO2压缩机和丙烯压缩机用。干气密封工作流程如上文所述。丙烯压缩机干气密封各工况用气量见表1，CO2压缩机干气密封各工况用气量见表2。

表1　丙烯压缩机干气密封用气量

表2　CO2压缩机干气密封用气量

为保障压缩机干气密封用气的稳定和持续，结合工厂实际布置，考虑到CO2压缩厂房和丙烯压缩厂房距离较近，在CO2压缩厂房外设有一台高压氮气缓冲罐。8.1 MPa（g）高压氮气进入高压氮气缓冲罐后，分两路分别直接接入CO2压缩机干气密封系统盘和丙烯压缩机干气密封系统盘。根据干气密封厂家提供的最低氮气压力需求，CO2压缩机干气密封要求氮气压力不低于5.2 MPa（g），丙烯压缩机干气密封要求氮气压力不低于3.0MPa（g）。氮气缓冲罐的缓冲容积按照CO2压缩机和丙烯压缩机同时事故时总最大需求量，1 h从8.1 MPa（g）降压至5.2MPa（g）计算，约35m3。在此期间，空分装置需启动后备系统的液氮泵，将液氮增压至8.1MPa（g）并汽化后通过高压氮气管网送至氮气缓冲罐，从而达到持续供应氮气，满足机组干气密封需要的目的。

5　结语

干气密封的安全运行对离心压缩机的运转至关重要，也直接影响到化工厂的稳定生产。因此，正确认识干气密封，深入了解干气密封工作原理，合理有效地设置干气密封用气缓冲备用系统尤为必要。

［1］王玉华，姜大任.螺旋槽干气密封和双向槽干气密封的简要比较［J］.风机技术，2008（2）：40.

修改稿日期：2016-04-15

Seal Gas Demand and Safeguard M easure for Dry Gas Seal of Centrifugal Com pressor

YU Hua，XU Jian-min
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

This paper has introduced theworking principle andmeritsof dry gas seal of centrifugal compressor and illuminated itsworking processand seal gas demand and lodged a safeguard measure to ensure dry gas sealworking stably.

centrifugal Compressor；dry gas seal；safeguard measure

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

TH 452

B

1004-8901（2016）04-0037-04

余化（1978年-），男，湖北罗田人，2006年毕业于华中科技大学制冷及低温工程专业，硕士研究生，高级工程师，注册化工工程师，现主要从事化工项目工艺专业设计工作。