(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司50萬t/a煤制甲醇及40萬t/a醋酸項目分別于2008年、2016年建成投產(chǎn)。兩套低溫甲醇洗裝置冷量均由氨壓縮機提供，壓縮機采用汽輪機驅動、雙缸三段、中間補氣、缸體水平中分結構，其密封采用帶中間迷宮密封的串聯(lián)干氣密封，具有密封效果良好、現(xiàn)場無有害介質泄漏的特點。機組運行具有效率高、運行平穩(wěn)、操作簡潔等優(yōu)點。

1 工藝流程

自低溫甲醇洗裝置來的氣氨(-40 ℃、～36 kPa)，進入壓縮機入口分離器，分離可能夾帶的液滴后，氣氨進入壓縮機低壓缸一段進行壓縮，經(jīng)八級葉輪壓縮后的氣氨經(jīng)冷卻后進入二段分離器，與補氣(4 ℃、0.26 MPa(g))混合后進入壓縮機二段，經(jīng)高壓缸三級葉輪壓縮，為降低壓縮功耗，壓縮后的氣體被冷卻后進入壓縮機三段，經(jīng)三級葉輪壓縮后被氨冷凝器冷凝為液氨進入液氨儲槽循環(huán)利用。該裝置設計合理，設備安裝緊湊，蒸汽能耗低，壓縮功耗低。其工藝流程見圖1。

為防止缸內(nèi)高壓氨氣外漏，壓縮機的高低壓缸均采用帶中間迷宮密封的串聯(lián)干氣密封。該密封在機組開停車時采用外部高壓氮氣作為密封氣源，正常運行期間，采用高壓缸出口氣氨作為氣源。密封設計合理，工藝介質泄漏量小，操作維護方便。

圖1 工藝流程

注：1—入口分離器；2—二級分離器；3—液氨儲槽；4、5—段間冷卻器；6—氨冷凝器

2 干氣密封

2.1 密封原理

干氣密封主要由兩部分組成，靜止部分包括靜環(huán)、靜密封O形圈、靜環(huán)固定夾套。彈簧位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，與推環(huán)配合，在機組轉速為零時，借助彈簧力通過推環(huán)，使動靜環(huán)密封面貼合，達到密封目的。在機組轉速不為零時，靜環(huán)借助彈簧力及氣體力，與動環(huán)保持一定間隙(3μm左右)，處于平衡狀態(tài)，間隙內(nèi)充滿密封氣體，形成穩(wěn)定氣膜，阻止壓縮機缸內(nèi)工藝氣體泄漏，從而達到密封的作用。動環(huán)一般選用硬度高、剛性較好且耐磨的鎢硅硬質合金制成，動環(huán)表面開有不同形狀的溝槽，典型的槽型有U形、樹型、鐮刀型等。干氣密封結構見圖2。

圖2 干氣密封

2.2 本機組低壓缸干氣密封流程

來自壓縮機出口的工藝氣或開車氮氣經(jīng)過濾器過濾后，再經(jīng)閥門減壓并控制流量，分別進入低壓缸驅動端和非驅動端一級密封腔，作為一級密封氣源。低壓氮氣經(jīng)過濾器后分4路，其中，2路經(jīng)流量控制后分別進入低壓缸驅動端和非驅動端二級密封腔，作為二級密封氣源；另外，2路經(jīng)限流孔板控制流量后分別進入驅動端及非驅動端作為后置隔離氣源，其作用為隔離軸承箱油霧，防止油霧進入干氣密封系統(tǒng)。低壓缸干氣密封流程見圖3。

3 干氣密封工作原理

動靜環(huán)配合表面光潔度和平滑度都很高，其中動環(huán)上開有螺旋槽，不同的密封有不同的開槽形狀，不同的槽形要求的轉向不同，對稱“T”形可以雙向運行。密封氣體注入密封體后，動環(huán)隨壓縮機轉軸轉動，槽內(nèi)的密封氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動壓力。氣體在向中心流動時遇到密封堰的阻擋，氣體流動受阻，壓力升高，從而將動、靜環(huán)推開。靜環(huán)依靠彈簧力調整位置與氣體動壓力保持平衡后，動、靜環(huán)之間形成穩(wěn)定間隙，間隙內(nèi)充滿密封氣體，從而形成穩(wěn)定氣膜，達到密封工藝氣體的作用。密封動環(huán)見圖4。

圖3 低壓缸干氣密封流程

注：A、B—過濾器；a、b—限流孔板；1、2、2、4、5、6—流量計

圖4 干氣密封動環(huán)

4 干氣密封分類

4.1 單端面干氣密封

單端面干氣密封適用于被密封工藝介質無毒或者毒性較小的場合，工藝介質泄漏至大氣環(huán)境中對人體及周圍環(huán)境無害。

4.2 雙端面干氣密封

雙端面干氣密封適用于工藝介質不允許泄漏至大氣中，但允許密封氣體進入機體內(nèi)的場所。相當于面對面布置兩套單端面干氣密封，有時2個密封共用1套動環(huán)。適用于沒有火炬條件，允許少量密封氣進入工藝系統(tǒng)內(nèi)的情況，在2組密封之間通入氮氣作為密封氣源，控制密封氮氣壓力略高于工藝系統(tǒng)壓力0.2～0.3 MPa(g)，這樣密封氣始終沿著工藝氣側和大氣側泄漏，從而保證工藝氣不泄漏至大氣環(huán)境中。

4.3 串聯(lián)干氣密封

串聯(lián)干氣密封適用于允許工藝介質少量泄漏至大氣環(huán)境的場合。1套串聯(lián)式干氣密封可以看作是2套或多套單端面干氣密封首尾相連構成的，與單端面干氣密封相同，密封氣體為工藝氣。通常情況為兩級結構，第一級密封為主密封，起主要作用；另外一級為二級密封，起輔助密封的作用，通過第一級密封泄漏的工藝氣體被引入火炬，剩余的泄漏氣體作為二級密封的密封氣，其漏氣引至安全處放空處理。當?shù)谝患壝芊馐r，二級密封起到主要密封作用，從而避免大量工藝氣體泄漏至大氣中。

4.4 中間帶迷宮密封的串聯(lián)干氣密封

中間帶迷宮密封的串聯(lián)干氣密封適用于既不允許工藝氣泄漏到大氣中，也不允許密封氣進入工藝氣中的場所。在串聯(lián)式干氣密封中間增加迷宮密封，該類型密封主密封氣利用工藝氣體外，還需要另外一股氮氣作為第二級密封的密封氣源，從一級密封中泄漏的少量工藝氣，在被氮氣密封后泄漏排放到火炬系統(tǒng)，通過二級密封泄漏的全部為氮氣排放到大氣中，當?shù)谝患壝芊馐Ш螅诙壝芊馔瑯悠鸬捷o助密封的作用。適用于易燃、易爆、危險性較大的工藝介質壓縮機，如NH3氣壓縮機、H2壓縮機、H2S壓縮機等。中間帶進氣的串聯(lián)干氣密封見圖5。

圖5 中間帶進氣的串聯(lián)干氣密封

5 壓縮機實際運行中出現(xiàn)的問題

5.1 干氣密封進油

2015年4月12日，氨壓縮機開車后，高壓缸非驅動端一級密封泄漏氣流量逐漸增大，由9 Nm3/h緩慢增大到滿量程15 Nm3/h，最終泄漏氣流量因流量計滿量程無法確定，但泄漏氣壓力由10 kPa增大到100 kPa，因泄漏氣量增大，液氨損失量過多，壓縮機被迫停車。停車后對該密封進行檢查，發(fā)現(xiàn)密封腔體中潤滑油較多且潤滑油中含有大量石墨粉末，對密封本體解體拆檢，發(fā)現(xiàn)密封動環(huán)磨損嚴重，靜密封后彈簧活動卡澀。通過分析，密封進油是本次密封損壞的根本原因。

5.1.1 密封進油原因分析

(1)該套密封使用時間長，并且前期開、停車頻繁，密封外側為軸承腔，軸承為金斯伯雷型軸承，安裝在軸承腔內(nèi)，采用潤滑油強制潤滑，運行時易產(chǎn)生油霧和油滴飛濺現(xiàn)象。密封與軸承間隙較小，在密封隔離氣壓力波動時，油霧很容易進入干氣密封，由于密封腔體導淋長期處于關閉狀態(tài)，未進行導淋排污，導致微量潤滑油在密封腔內(nèi)集聚。密封及軸承腔裝配見圖6。

圖6 密封及軸承腔裝配

(2)由于密封時間長，前期頻繁開、停車，導致密封磨損碎屑積聚，且本次開車中大量潤滑油與石墨粉末混合形成黏度很大的混合物，導致密封靜環(huán)活動受阻，彈簧力不能很好地發(fā)揮，密封間氣膜不穩(wěn)定，最終導致密封泄漏氣逐步增加，密封失效。

(3)機組停車檢修時，密封外側軸承溫度探頭預留口未進行有效封堵，使軸承潤滑油通過該孔直接噴濺到干氣密封外側，導致后置隔離氣失去隔離油霧作用，大量潤滑油進入密封腔體。通過分析，這是導致該密封快速損壞的根本原因。

5.1.2 優(yōu)化調整措施

(1)停機后重新啟動油系統(tǒng)，檢查潤滑油噴濺情況，對未密封的軸承測溫預留孔進行封堵，避免潤滑油直接向干氣密封噴濺。

(2)徹底清理密封腔體及密封氣源管線，確保密封腔體干凈，同時確保密封氣源管線干凈，防止雜質進入密封系統(tǒng)。

(3)加強密封導淋排油檢查，定期對密封導淋進行排油處理，防止?jié)櫥驮诿芊馇惑w內(nèi)積聚。調整后置隔離氣壓力穩(wěn)定在20～30 kPa，保證發(fā)揮隔離油霧的作用。

5.1.3 運行效果反饋

通過優(yōu)化調整，該密封自2015年4月12日投入運行后，密封運行效果良好。一級密封氣泄漏壓力穩(wěn)定在25～36 kPa，泄漏氣流量穩(wěn)定在7.5～9 Nm3/h；二級密封放空腔導淋有微量潤滑油排出，屬于正?，F(xiàn)象。

5.2 密封靜環(huán)卡死

2016年8月6日，機組計劃停車，停車后發(fā)現(xiàn)低壓缸非驅動端密封泄漏氣流量偏大，泄漏壓力偏高，對比高壓缸兩側密封及低壓缸驅動端密封參數(shù)，判定該密封停車過程中損壞，必須進行檢修。通過對該密封解體發(fā)現(xiàn)，一級密封靜環(huán)卡死，不能正?；顒?，靜環(huán)后推力彈簧部分彈性減弱，導致密封靜環(huán)與動環(huán)間隙不能及時平衡，失去密封效果，密封外側密封“O”形圈沒有明顯缺陷。

5.2.1 密封失效原因分析

(1)經(jīng)檢查機組歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運行期間該密封進氣壓力波動頻繁，導致動靜環(huán)間隙頻繁改變；密封氣膜不穩(wěn)定，導致靜環(huán)后彈簧頻繁伸縮；長時間高頻率作用，導致彈簧疲勞；部分失去彈性作用，靜環(huán)不能及時移動平衡動靜環(huán)間隙。

(2)一二級密封腔室雜質較多，存在兩方面原因：一是密封氣源不潔凈；二是缸體氣體倒竄，主要原因在于停開車過程中和停車保護方面不達標，導致彈簧作用力不能有效發(fā)揮，靜環(huán)因不能有效移動而失去密封效果。密封內(nèi)彈簧及雜質情況見圖7。

圖7 密封彈簧及雜質

5.2.2 優(yōu)化調整措施

(1)對機組運行時間及開、停車次數(shù)做好統(tǒng)計。一般年度大修時要對密封系統(tǒng)做全面檢查，運行時間超過12 000 h后，要及時對密封內(nèi)件進行檢查或更換，特別是靜環(huán)彈簧及密封體靜密封O形圈必須進行檢查更換。防止彈簧和密封O形圈老化，影響密封正常運行。

(2)機組開、停車期間，機組負荷調整幅度不得過大，特別是運行參數(shù)與停機參數(shù)偏差較大時，應特別注意溫度、壓力等變化幅度，防止參數(shù)出現(xiàn)過大、過快波動，尤其是對密封系統(tǒng)運行參數(shù)要特別敏感，必要時可以停止負荷加減，穩(wěn)定后再進行調整。

5.2.3 效果反饋

在機組定期檢修時，通過主動檢查密封系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了密封體O形圈老化發(fā)黏、密封氣源過濾器開裂、隔離氣密封梳齒破損等現(xiàn)象，為機組長周期運行排除了隱患。

5.3 密封動環(huán)破損

2016年10月3日，裝置短停后開車，該機組開車后16 h發(fā)現(xiàn)低壓缸驅動端密封泄漏氣流量滿量程，泄漏氣壓力上漲至80 kPa，密封腔體導淋氨味較大。通過分析，該氣體中氨含量15%，而正常情況下不應含有氨氣，判定該密封嚴重損壞失效，不得不停機拆檢。通過檢查發(fā)現(xiàn)，該密封一二級動環(huán)均嚴重磨損，其中一級動環(huán)碎裂(見圖8)，密封腔體及動靜環(huán)間粉末雜質較多，該密封被嚴重損毀。

圖8 損壞的動環(huán)

5.3.1 損毀原因分析

(1)密封氣源雜質多，氣體不潔凈。在本次停車期間，發(fā)現(xiàn)該機組一段冷卻器內(nèi)漏，循環(huán)水漏進工藝氣路系統(tǒng)，因工藝介質為氨氣，氨與水混合形成腐蝕性很強的低濃度氨水，工藝氣路管道材質為碳鋼，導致氣路管線內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)生大量銹蝕雜質，開車后大量雜質進入密封體使密封磨損失效。

(2)密封氣源過濾器濾芯脫落，失去過濾效果，導致大量大顆粒雜質未能被有效過濾除掉，而進入密封體，導致密封磨損損毀。該機組密封氣管線只有高壓缸氣源管線設置保溫，其余管線均設置為伴熱。

(3)低壓缸密封氣源流量較其他密封氣源量偏大，大量雜質隨密封氣進入該密封體，導致其最先被損毀。

5.3.2 優(yōu)化措施

(1)利用本次停機，對一段換熱器進行堵漏處理，防止循環(huán)水進入系統(tǒng)。為防止換熱器泄漏，循環(huán)水再次漏入系統(tǒng)，停機第一時間將循環(huán)水閥門關閉，并將水側導淋打開排水，從根本上防止水再次漏入系統(tǒng)。

(2)在檢修期間，對工藝氣路系統(tǒng)及干氣密封管路進行吹掃清理，排除掉管路內(nèi)的固體雜質，防止雜質再次進入密封系統(tǒng)。

(3)更換密封氣源過濾芯，確保安裝牢固，保證其發(fā)揮過濾作用。在今后的運行中，關注其壓差變化，當過濾器前后氣體壓差達到50 kPa時，對密封過濾器進行切換、更換濾芯。另外，過濾器濾芯安裝時需專人把關，防止出現(xiàn)濾芯安裝不到位而脫落的現(xiàn)象。

(4)嚴格密封系統(tǒng)運行參數(shù)統(tǒng)計，及時調整密封氣流量及壓力，及時分析、判斷密封運行效果，對異常數(shù)據(jù)及時分析、總結，做好調整。

6 結語

通過對氨壓機干氣密封運行過程中出現(xiàn)的問題進行分析總結，及時檢查、判斷密封失效的原因，結合實際情況進行調整優(yōu)化，及時有效地解決了干氣密封進油、密封動環(huán)磨損、密封靜環(huán)卡死等問題，從而確保機組長周期、穩(wěn)定運行。

[1]譚清德，申文求.二氧化碳壓縮機采用干氣密封故障分析[J].大氮肥，2004，2(3):115-117.

[2] 董玉波，顏景杰.裂解氣壓縮機干氣密封應用需注意的幾個問題[J].石油化工設備技術，2011，2(5):51-55.

[3] 姬忠禮，鄧志安，趙會軍.泵和壓縮機[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[4] 王紹良.化工設備基礎[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.