离心式压缩机干气密封系统浅析

离心式压缩机干气密封系统浅析
1 干气密封简介
目前国内外石油化工行业普遍使用离心式压缩机来输送各种气体，主要是因为运转周期长、性能稳定。

实际生产要求离心式压缩机在高转速、大气量、大压力，尤其是在压缩易燃、有害、有毒气体的条件下工作，为了防止这些气体沿压缩机轴端泄漏至大气中，就必须采用各种密封方式，保证压缩机的正常工作，保证人身和设备的安全，防止造成环境污染，同时也决定了密封装置向高密封效率、低能耗的方向发展。

在压缩机领域，轴端干气密封正逐步替代迷宫密封、浮环密封和油润滑机械密封[1]。

对密封的基本要求是要保证结合部分的密闭性、工作可靠性、使用寿命长，密封装置的系统简单、结构紧凑、制造维修方便。

衡量密封好坏的主要技术指标是泄漏量、寿命和使用条件[2]。

干气密封是一种新型的非接触轴向密封，由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。

与其它密封方式相比，干气密封具有泄漏量少，寿命长，能耗低，磨损小，维修量低，操作简单可靠，被密封的流体不受油污染等特点。

目前，干气密封主要应用在离心式压缩机上和轴流压缩机、透平膨胀机上。

干气密封已经成为离心式压缩机正常运转和操作可靠的重要元件。

2 干气密封工作原理
图1 动环端面结构示意图
干气密封是由动环、静环、弹簧、密封圈、弹簧圈和轴套组成。

动环和静环配合表面的平面度和光洁度很高，动环面上加工有一系列的螺旋形流体动压槽，槽深仅有几微米，外深内浅，如图1所示。

干气密封在非运转状态时，动环与静环的密封面靠弹簧力贴合在一起。

运转时，气体随着动环的旋转，被吸入动压槽内，被送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝，即动压槽末端没有通道。

螺旋槽间为密封堰。

密封坝和密封堰起到节流和密封的作用。

密封坝对气体产生阻力作用，被吸入的气体就被压缩，在密封面上产生动压力。

在该密封坝的内侧还有一系列反向螺旋槽，起到反向进气、改善配合表面压力分布的作用，反向螺旋槽内侧也有一段密封坝，对气体产生阻力作用，从而增大气膜压力。

在以上压力的作用下，动环与静环之间的密封面被推开，流动的气体在密封面间形成一层很薄的气膜，该气膜使介质泄漏通道阻塞。

图2密封面工作原理图
气膜厚度一般为3~5μm左右，当气膜的开启压力Fo与由气体压力FS1、弹簧力Fs以及摩擦力Ff形成的闭合力Fc达到平衡时，即气膜动压力与静环四周的静压力相平衡时，便建立了了稳定的平衡间隙，实现了非接触式运转，工作原理如图2所示。

间隙太大，密封效果会下降；间隙过小，会使密封面接触，由于干气密封的摩擦热量不能散失，动静密封面间会很快引起密封端面的变形，使密封失效。

为了能够清楚的以上螺旋槽泵送工作原理，现利用基于端面槽数无限多、槽宽和槽间距离无线窄的理论模型的无限窄槽理论[3]，可以得出密封端面的压力分布。

以图1所示密封端面螺旋槽为研究对象，动环外侧螺旋槽密封堰区气膜压力为：
3 型离心式压缩机干气密封结构
型离心式压缩机主轴的两端都有密封[4]，防止气体的泄漏。

每端的密封都是由串联的机械气封和迷宫式密封组成。

串联的机械气封是型离心式压缩机干气密封结构的主要组成部分，包括两个机械密封，每个机械密封由一个动环（碳化钨或亚硝酸硅）、一个静环（碳化硅）及动、静环支座组成。

机械气封结构如图3所示：
图3 机械气封结构示意图
串联的密封结构设计简单，仅需要一个简单的气体辅助系统，是一种可靠性较高的干气密封结构。

如图4所示，在串联结构中，前后两个单密封形成两极密封，介质侧密封（主密封）和大气侧密封（二级密封）。

在正常运行过程中，通过介质侧主密封的密封面可把压力降低到火炬系统压力，该压力稍大于大气压力。

大气侧二级密封所承受的压力与火炬压力相同，主密封的泄漏主要通过“B”放空到火炬，二级密封的泄漏通过“S”直接放空到大气。

图4 干气密封系统结构示意图
4 干气密封系统工艺流程简介
干气密封系统简图如图5所示，干气密封系统的密封气源是由压缩机出口管线内工艺气体和外部气源提供，在开、停机的过程中密封气源主要由外部稳定气源提供，当压缩机正常工作时密封气源由压缩机出口管线内天然气提供。

隔离气是由英格索兰空压机提供干燥、洁净的仪表风。

隔离气通过流量调节孔板后进入压缩机隔离腔，其作用是防止轴承侧油气进入机械密封系统和密封气外泄后到达轴承侧与润滑油接触。

5 干气密封在操作和维护中需要注意的问题
干气密封系统作为离心式压缩机的重要组成部件，其正常工作与否直接关系到整个压缩机组能否安全平稳运行，因此在操作和维护过程中要注意一下几点：（1）坚决杜绝压缩机组倒转，根据动环密封面螺旋槽的设计方向，气体只有沿设计方向进入螺旋槽，动、静环之间的密封面才能形成气膜，脱离接触；如果机组倒转，就会导致动、静环直接接触摩擦，密封会很快烧毁。

（2）根据动、静环密封面的结构特点以及机组运行的工艺需要，对密封气以及隔离气有较高的洁净度要求：杂质粒度≤3μm，温度≤40℃，含液量≤500ppm(w/w)。

（3）考虑到干气密封系统的作用，密封气与隔离气必须要先于润滑油供应而后于润滑油切断，以防在没有密封气和隔离气时润滑油进入密封系统造成污
染，从而造成密封面的损坏。

（4）压缩机在正常运转过程中，必须保证密封气的正常供应，否则会造成密封面干磨，短时间烧毁密封系统，因此必须在正常供气出现问题中断时及时使用外部辅助密封气。

（5）压缩机在运转过程中，注意保持工艺状态和控制系统的稳定性，外部辅助气源也应稳定供应，从而保证干气密封系统稳定运行。

（6）本系统采用压缩机排气作为密封气，密封气在进入压缩机系统前的管路内可能会凝液，因此必须注意密封气的脱液，保证密封气的干燥，防止液体进入密封系统破坏密封面[5]。

（7）在密封气系统的两台过滤器进出口总管上设有差压变送器，用来显示过滤器进出口间的压差，当压差达到设定值时，测量仪表发出报警信号进行报警，说明该过滤器应该更换滤蕊了，滤蕊应一年更换一次，不论压降如何。

（8）由于压缩机工作介质为天然气，隔离气为空气，如果工作介质泄漏至大气侧与空气混合就会发生爆炸，此时必须增加隔离气的空气供应量，使天然气稀释到爆炸极限以内。

（9）通向主放空管路的泄漏量可以用流量计进行测量，每日加以记录分析，如果呈上升趋势，也许是密封异常导致，有助于预测和判断故障。