浅谈离心式压缩机干气密封控制系统设计原理与要点

石芝锋

（广西华谊能源化工有限公司，广西 钦州 535000）

干气密封是一种干运转、气体润滑、无接触轴封，具有无介质泄漏、安全可靠、使用寿命长、功耗低等优点，在石油化工、煤化工等离心压缩机组获得广泛的应用。在生产运行中，因干气密封控制系统的设计、选型及运行使用不到位，引起干气密封泄漏、失效等故障，严重影响机组安、稳、长、满、优运行。因此对离心压缩机组轴封设计出一套可靠、合适的干气密封控制系统，对确保机组安、稳、长、满、优运行起着举足轻重的作用。

1 干气密封工作原理

干气密封是一种气膜润滑、流体动静压结合、非接触式机械密封，具有无介质泄漏、安全可靠、使用寿命长、功耗低等优点。典型的干气密封结构如图1所示，包含有静环、旋转环、O形圈密封、弹簧和弹簧座等零部件。

与其他机械密封相比，干气密封主要区别是在动环表面上刻有浅槽，动环槽一般有单向槽型和双向槽型。一般单向槽型为螺旋槽结构，双向槽型有T型槽、枞树槽等。如图2干气密封动环槽为单向、螺旋槽结构，每个槽宽自内向外逐渐增大，槽深一般为2.5-10μm。

螺旋槽干气密封工作原理是靠流体静压力、弹簧力与流体动压力之间的平衡。当密封气体注入密封装置时，使动、静环受到流体静压力的作用。而流体的动压力只是在转动时才产生。如图2，当动环随轴转动时，螺旋槽里的气体被剪切从外缘流向中心，产生动压力，而密封堰对气体的流出有抑制作用，使得气体流动受阻，气体压力升高，这一升高的压力将挠性安装的静环与配对动环分开，当气体压力与弹簧力恢复平衡后，维持一最小间隙，形成气膜，膜厚一般为3-5μm，使旋转环和静止环脱离接触，从而端面几乎无磨损，同时密封工艺气体。

图1 干气密封结构示意图

图2 动环端面上的螺旋槽结构示意图

2 CO2压缩机干气密封控制系统的设计

某煤化工企业甲醇装置低温甲醇洗工段CO2压缩机额定流量23887 m3/h，出口压力2.599/7.35 MPa，用于把低温甲醇洗单元解析出的二氧化碳加压后返回粉煤气化装置作为输煤用气。该离心压缩机型号为2MCL525+3BCL404，单轴，2缸、五段压缩，其中低压缸为水平剖分2段5级，高压缸为垂直剖分3段4级。该机组轴封采用约翰克兰单向螺旋槽干气密封，低压缸为TMO2B型集装式单端面干气密封，高压缸为TMO2D型集装式带中间迷宫的串联式干气密封。该压缩机组干气密封控制系统设计有过滤单元、调节控制单元和密封泄漏监测单元。其主要的控制流程有主密封气、隔离气和排放气泄漏监测控制流程，干气密封控制系统是通过对系统中的密封气、隔离气、排放气的流量、压力、温度、洁净度及泄漏量等进行控制和监测。

2.1 密封气的设计

（1）密封气选取

CO2压缩机密封气的选取结合了装置工况、机组特性，及综合考虑安全、经济性。在机组生产运行时，密封气采用高压缸压缩机出口工艺气作为低压缸和高压缸干气密封的一级主密封气；在机组开停机或发生故障时，采用管网中压氮气作为辅助密封气。同时在干气密封后置隔离腔，为防止轴承箱润滑油进入，污染密封面，机组隔离腔设计了一套后置隔离气密封系统，隔离气采用管网低压N2。

（2）气体的预处理

CO2压缩机干气密控制封系统设计有预处理过滤单元，设置有并联可切换的精密过滤器，一开一备，过滤精度达到2μm。过滤器前后设置有压差变送器，监测过滤器堵塞情况。对进入密封控制系统的密封气和隔离气进行过滤处理，除去固体、粉尘及液体等杂质，以获得干燥、洁净的密封气和隔离气，避免动静环密封面受污染磨损；同时控制气体的温度，防止气体低于露点温度，形成液滴，导致密封面磨损。

2.2 气体的调节控制

（1）密封气压力控制

CO2压缩机干气密封控制系统低、高压缸一级密封气压力采用压差控制。如图3所示，取自压缩机平衡管和密封气进气管的压差，通过压差变送器远传到DSC差压控制器，由差压控制器下指令给执行器气动薄膜调节阀进行密封气进气压力的调节控制，将压力稳定在高于高压缸平衡管压力0.3MPa（G）。同时高压缸二级密封气压力经减压阀减压到 0.3MPa(G)供二级密封。

（2）气体压力报警和联锁设计

为了确保机组密封气的稳定控制，低、高压缸一级密封气与平衡管压差设计有低报警和低低报联锁控制，当压差≦0.1MPa为低报警；压差≦0.05MPa为低低报联锁启用中压氮气进行补气，以满足密封气密封压力的要求。

同时为了防止机组在开机前轴承箱润滑油污染干气密封，设计了后置隔离气压力低报警联锁，当后置隔离气压力≦0.17MPa时，低报警联锁禁止润滑油泵的启动。

图3 一级密封气进气压力控制

（3）气体流量控制

CO2压缩机干气密封控制系统密封气的流量通过流量计节流阀进行调节，隔离气流量则通过限流孔板进行调节，以满足干气密封所需密封气和隔离气设计的要求。其中高压缸一级密封气流量控制在50Nm3/h，二级密封气将流量调整到6Nm3/h；低压缸一级密封气流量控制在9.5Nm3/h；低、高压缸隔离气供给量分别控制在14 Nm3/h。

2.3 密封泄漏监测设计

为了及时监控机组干气密封运行状况，CO2压缩机干气密封控制系统设计了一级火炬（或高位）排放系统，通过排放气的压力、流量来监测干气密封的泄漏情况。即在火炬（或高位）放空线上设置限流孔板和流量计，通过孔板前压力的变化监测密封的泄漏量；同时通过限流孔板前后压差实现泄漏量监测。其中本机组高压缸在限流孔板前设计有密封气泄漏压力高报警和高高报停机联锁，采用3取2的联锁逻辑控制；孔板后流量计设计有低报警、高报警和高高报警。低压缸通过限流孔板前后压差实现泄漏量的监测，设计有流量低报警、高报警和高高报停机联锁，采用3取2的联锁逻辑控制。

3 离心式压缩机干气密封控制系统的设计要点

通过对甲醇装置低温甲醇洗工段CO2压缩机干气密封控制系统的设计，从中总结出离心压缩机干气密封控制系统的设计要点和基本技术要求：

（1）干气密封控制系统的布置方式应根据机组干气密封的结构型式、密封气的压力、流量、洁净度等进行干气密封系统的配置。干气密封控制系统布置方式可参考表1。

表1 干气密封控制系统布置方式

（2） 密封气的选择，应结合生产装置的工况和机组特性，且综合考虑安全、经济性进行选取。一般情况下，对于输送介质为富气或气体内含烃类物质较多的气体则常采用N2；对于输送CO2、N2、H2、CO以及空气等气体则采用压缩机出口工艺气+氮气备用气方案。同时应提供清洁、干燥的密封气，不得含固体颗粒、粉尘和液体，且应保持合适的压力、温度和流量。密封气的过滤精度应≦3μm，温度应高于露点温度10℃以上。

（3）为了确保密封气、缓冲气、隔离气的压力、流量满足干气密封控制系统的要求，应设计有气体压力、流量调节控制、报警、联锁系统。通过管路调节阀、减压阀、流量计节流阀、孔板等调节和控制密封气、隔离气及排放气的压力、流量。一般可采用气体压力控制、流量控制、压力与流量组合控制方式。一级密封气压力可采用压差控制，设计要求为一级密封气与平衡管压差≥0.3 MPa，同时为了防止密封工艺气压力低，一般密封气与平衡管压差设计有低报警和低低报警联锁，启用管网中压氮气进行补气，以满足密封气密封压力的要求。同时系统设计有流量计和流量控制阀，以便通过流量控制阀调节密封腔的流量，流量计则监测密封气的流量，需满足机内迷宫间隙最大时最小气流速度为5 m/s。

（4）为了及时监控机组干气密封运行状况，应设计有干气密封一级密封气火炬（或高位）排放泄漏监测系统。即在火炬（或高位）排放管线上设置限流孔板和流量计，通过排放气的压力、流量来监测干气密封的泄漏情况。流量由限流孔板前后压差实现，设计有流量低报警、高报警和高高报警停机联锁；压力由孔板前压力的变化实现，设计有压力高报警和高高报警停机联锁。可采用3取2的联锁逻辑控制方式。

（5）为了确保机组的安全运行，防止机组损坏，在机组开停车及密封失效故障紧急停车工况，干气密封控制系统可设计有以下的联锁：①各干气密封一级排放气流量正常的开机联锁。②后置隔离气压力低开机前禁止润滑油泵启动联锁，防止轴承箱润滑油污染干气密封。③一级排放气压力高高报警停机联锁和流量高高报警停机联锁。

4 结语

一套完整、可靠的离心式压缩机干气密封控制系统由气体过滤处理单元，压力和流量控制单元，及密封泄漏监测单元组成。其包括对系统气体的洁净度、压力、流量进行控制调节，以满足干气密封运行的要求，同时设计有密封泄漏监测系统，时刻监测和掌握干气密封的泄漏情况。干气密封控制系统设计有密封泄漏高报警和高高报联锁停车，能及时提醒操作人员进行处理，当气体泄漏量超过一定值以后，表明干气密封已经失效，系统连锁停车，保证机组不受损坏。因此，在生产运行过程中，生产操作人员和设备管理技术人员可通过干气密封控制系统，来监控机组的运行状况，指导机组的操作、运行和检维修，同时根据干气密封控制系统的运行情况，及时发现和处理现场事故。