干气密封控制系统应用与发展趋势

第 卷第 期 01 年 1 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. No. Dec. 01干气密封控制系统应用与发展趋势杨扉，王方（四川日机密封件股份有限公司，成都 100 ）摘　要：干气密封工作时必须有一套支撑其工作的控制系统，重点分析了API 1 中对干气密封控制系统要求具备的基本组成部分的功能，并简单介绍了目前控制系统为适应市场要求和更好地辅助干气密封而增加的一些功能单元，最后指出了干气密封控制系统的发展趋势。

关键词：干气密封；控制系统；功能；发展趋势中图分类号：TQ 0 0. ；TH 1 文献标识码：A 文章编号：100 - 1( 01 )0 -00 -00收稿日期： 01 -10-作者简介：杨扉（1 —），男，四川成都人，工程师。

主要从事干气密封控制系统设计工作。

干气密封是一种新型的非接触密封。

它的概念是0世纪 0年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的[1]。

John Crane 公司从 0世纪 0年代开始研究气膜润滑端面密封技术，于1 年第一次应用在工业上，到 0世纪 0年代初已完全达到实用化的程度。

从 0世纪 0年代初，与进口离心式压缩机配套的干气密封开始进入中国市场，同时国内一些公司也开始对干气密封进行研发并取得成功，并于1 0年代后期投用国内市场，成功实现了干气密封的自主研发、制造。

干气密封是一种先进的旋转轴用动密封，其性能可靠，使用寿命长，功耗低，维护成本低，且能适应高温、高压、高低速以及各种腐蚀性介质等苛刻工况，由于优点突出，它在炼油、化工等行业上的应用越来越广，已逐步成为离心压缩机的首选密封形式。

为确保干气密封安全高效的运行，必须有一套支撑其工作的控制系统（也称“辅助系统”），该系统为干气密封工作提供干净、干燥并且具有一定压力和流量的气体，同时对干气密封的工作状况进行监控。

在API 1 《石油、化工和气体工业用润滑、轴密封和控制油系统及辅助设备》第 章中专门针对干气密封控制系统的设计、制造、检查及试验等作了相关的要求，是目前国际上通用的干气密封控制系统标准。

随着干气密封几十年的发展，其控制系统以API 1 标准作为基础，根据现场实际运行情况，不断地发展出了如增压单元、加热单元、聚结器单元、回收单元等一些必要的设备，其目的都是为了给干气密封创造更好的工作环境，延长其寿命，带来更高的经济效益。

1　干气密封工作原理简介干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封。

它将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，用“气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念。

如图1所示，干气密封单元通常由一个可以轴向浮动的静环和一个固定在轴套上的动环构成。

静环背后有弹簧对其施加贴合作用力，动环随压缩机转子做高速旋转，动环表面图1　干气密封单元《化工设备与管道》WW W .t c ed .co m第 卷第 期· ·化　工　设　备　与　管　道加工有一定数量的流体动压槽，其深度在 ~1 μm 。

密封工作的主要原理是流体静压力和流体动压力的平衡。

高速旋转的动环产生的粘性剪切力带动气体进入流体动压槽内，由外径朝中心运动，密封坝提供流动阻力，节制气体流向低压侧，于是气体被压缩压力升高，密封面分开，形成一定厚度的气膜（一般为 μm ）。

当流体的静压力和弹簧加载的闭合力等于气膜内产生的开启力时，就形成了密封面之间的稳定间隙，由此密封实现非接触运转。

密封面间形成的气膜具有一定的刚度，保证了密封运转的稳定性，同时还可对摩擦副起到润滑作用。

2　干气密封控制系统简介根据干气密封的工作原理，干气密封运转的稳定性主要靠动、静环间形成具有一定刚度的气膜来保证，而气膜的形成必须要由一定压力和流量的干净、干燥的密封气（也称“缓冲气”）供给来形成；同时，由于气膜的形成必定会产生一定的泄漏，而泄漏量的大小是判断干气密封是否正常工作的一个非常重要的指标。

干气密封控制系统就是为了达到上述功能而形成的一套辅助设备，它专门为干气密封提供可靠的工作气体并监测其工作状态，在整个运转过程中起着至关重要的作用。

3　干气密封控制系统基本功能[2-10]针对干气密封的四种结构：单端面结构、双端面结构、串联式结构、带中间迷宫的串联式结构（见图 ），其控制系统也有相应的基本结构，API 1 中提供了典型的系统组件及简图供选择，同时在实际的设计和使用中，往往会根据现场的条件和要求进行一些必要的改变，所以干气密封控制系统并没有非常固定的结构。

但不管哪种结构，控制系统内部的各个基本功能单元是必须具备的，其主要的功能单元有：过滤单元、压力控制单元、流量控制单元、监控单元。

a.单端面结构b.双端面结构c.串联式结构d. 带中间迷宫的串联式结构图2　干气密封的四种结构3.1　过滤单元干气密封气膜形成主要靠动环上的流体动压槽形成，而这些槽的深度在 ~1 μm ，同时气膜的厚度一般为 ~ μm ，所以一般不允许超过 μm 大小的固体杂质混入密封气而进入密封端面，否则就会造成密封面的磨损而影响气膜的形成，最终导致动静环干摩擦进而损坏干气密封；另外，如果密封气中混入水汽、油污等液体物质，在高速旋转时也同样会影响气膜的形成，最终导致干气密封损坏。

因此，通过过滤单元提供干净、干燥的密封气是干气密封控制系统必须具备的核心功能。

通过图 可以看到，干气密封工作时不仅需要提供密封气，还需要提供如：隔离气、前置气等辅助气源。

这些气源主要是为了保证干气密封腔体不受外界污染，给密封运行创造更好的环境，延长其使用寿命。

虽然它们不会直接进入密封端面，但是仍然需要达到一定的清洁程度，所以同样要通过过滤单元进行处理后才能进入密封腔。

过滤单元的核心部件为过滤器，通常分为以去《化工设备与管道》WW W .t c ed .co m01 年 1 月· ·除颗粒杂质为主的粒子过滤器和以去除液体或湿气为主的聚合式过滤器两种。

在实际运用中通常会对气体的组分进行分析以决定选择合适的过滤器，而且对于一些特殊的工况还会将两种类型的过滤器搭配使用以达到更好的使用效果。

同时过滤单元一般会配置一个检测过滤器滤芯使用情况的仪表，用以提醒现场人员及时更换滤芯，避免过滤效果不佳影响密封的使用寿命。

3.2　压力控制单元干气密封运转使用的密封气、泄漏气、前置气、隔离气的压力，根据不同的工况需要设置在一定的范围以内。

通常每路气都会用高于其设计压力的气体作为气源，然后通过减压的方式来达到实际需要的压力值。

目前，干气密封控制系统常用的减压方式有以下几种：孔板节流、针形阀节流、调压阀减压。

密封气由于需要稳定压力或者压差以保证干气密封工作的稳定性，通常会用可靠性和自动化程度较高的调压阀进行减压。

孔板和针形阀节流一般用在要求不是很高的前置气和隔离气中，但前提是气源压力要求很稳定，如果气源压力波动较大则仍然需要用减压阀稳定压力，再用孔板和针形阀作二次减压。

在实际应用中，压力控制方式的选择需要考虑诸多方面的因素，其最终目的是以最简单、可靠的方式达到干气密封工作的条件。

3.3　流量控制单元在压缩机的机壳和密封腔之间都有一组隔离梳齿（即“迷宫密封”）作为辅助密封，其主要目的是阻挡机壳内未经过过滤的工艺气进入密封腔而损坏干气密封。

具体方式是从密封腔侧注入一路压力高于机壳内部且具有一定流量的气体（即带中间迷宫的串联式结构中的“一级密封气”，双端面结构中的“前置气”，单端面和串联式结构中的“密封气”），让这路气体通过梳齿，在梳齿和轴之间的间隙里以一定的流速进入压缩机机壳，使机壳内的气体不会反向流入密封腔，从而达到隔离的效果。

用于这路气体的流量必须要合适，不能过大也不能过小，过大会导致气体消耗量增加或影响机壳内工艺气的组分；过小会有可能造成隔离效果不佳，工艺气反窜至密封腔，影响干气密封的寿命。

所以有效地控制流量也是很重要的一个环节。

流量控制单元中一般是将气源减压并稳定减压后的压力，然后通过孔板节流或针形阀调节流量（采用针形阀时需要通过配置流量计来进行观察），有时候气源压力在比较合适且稳定的情况下，可以无需减压直接控制流量进入密封腔。

在API 1 中也详细地给出了典型的流量控制方式简图供选用。

3.4　测控单元在整个干气密封运转过程中，必须要随时监测干气密封的运行情况，判断其是否工作正常，以及时采取应对措施避免造成更大的事故；同时在这个过程中会有很多不同的工况，在每个工况下都需要达到密封的工作条件。

这些都需要测控单元来完成。

测控单元主要由各类的仪表组成，用来监测干气密封工作时各个运行参数的指标以及控制一些自动化设备。

一般重要的参数还会进入现场的控制室进行报警和联锁停车，在控制干气密封稳定运行的同时还保护了相对更重要的其他设备，因此，测控单元的安全性、可靠性是必须要严格保证的。

4　干气密封控制系统发展趋势随着干气密封的成熟应用，各个行业对它的了解也越来越深刻。

在很多项目中会对干气密封提出一些新的要求以满足现场实际使用的需要。

目前，市场对干气密封的需求主要体现在以下几个方面：（1）对可靠性的要求更高；（ ）减少非正常停车；（ ）延长检修周期；（ ）适应更多工况的要求。

这些需求很大部分都要靠控制系统来完成。

目前很多控制系统已经配置了如增压单元、聚结器单元、加热单元、回收单元等一些设备来解决实际使用中遇到的问题，以满足市场的需求。

4.1　增压单元在上文中提到，干气密封需要一路气体作为压缩机机壳和密封腔之间隔离梳齿密封的密封气，其压力要高于机壳内介质的压力（在压缩机平衡管的作用下介质侧的压力一般为机组的入口压力）。

除双端面外，其他几种结构的干气密封通常都是采用压缩机出口端的工艺气作为正常运转时这路气体的气源。

而实际使用中，在开车阶段和停车阶段都会遇到压缩机进出口没有压差或压差很小的情况，此时出口端工艺气的压力就不够，密封气无法注入，会造成机壳内工艺气反窜至密封腔。

为适应这种工况，通常的做法是备用另外一路满足使用条件的气体，但在大部分项目中都无法找到合适的备用气源。

针对这种情况，目前最实用的解决办法就是在这一路密封气中加入增压单元，在压力不够的情况下通过增压来强制性将气体注入机壳内，尽可能地阻挡脏工艺气，延长干气密封的使用寿命。

在有些时候虽然有合适的备用气源，但气体的种类和工艺气完全不同，由于密封气会进入机壳，工艺气中就会混入这些气体，一旦混入的量太大就会影响杨扉，等.干气密封控制系统应用与发展趋势《化工设备与管道》WW W .t c ed .c o m第 卷第 期· ·化　工　设　备　与　管　道整个工艺过程。

为避免这种情况，不用备用气源而直接采用自身工艺气增压的方式也得到了大量的应用。