基于TRIZ创新理论的压缩机干气密封盘损坏问题的分析解决

河南科技
Henan Science and Technology 科技管理
总767期第三十三期
2021年11月
基于TRIZ创新理论的压缩机干气密封盘损坏问题
的分析解决
李霞1张战勇2
（1.呼和浩特职业学院，内蒙古呼和浩特011700；2.内蒙古财经大学，内蒙古呼和浩特010051）
摘要：本文对工程问题进行了描述，针对干气密封盘损坏的问题，明确了技术系统。

通过TRIZ理论，利用因果轴分析法、技术矛盾分析法、物理矛盾分析法、物—场分析法，采用39个通用参数和40个发明原理构成的矛盾矩阵以及76个标准解中的一般解法，找到合理的解决方案。

利用创新的思维模式，为问题的解决提供了新的途径，更加有效地解决了工程技术领域的实际问题。

关键词：离心式压缩机；动环；干气密封；TRIZ理论
中图分类号：TH45文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）33-0156-03 Analysis and Solution of Compressor Dry Gas Seal Disk Damage Based on
TRIZ Innovation Theory
LI Xia1ZHANG Zhanyong2
(1.Hohhot Vocational College,Hohhot Inner Mongolia011700;2.Inner Mongolia University of Finance and Economics,Hohhot
Inner Mongolia010051)
Abstract:This paper describes the engineering problems,and defines the technical system for the damage of dry gas seal disk.Through TRIZ theory,nine reasonable solutions are found by using causal axis analysis method,technical contradiction analysis method,physical contradiction analysis method and object field analysis method,using the con⁃tradiction matrix composed of39general parameters and40invention principles and the general solution of76stan⁃dard solutions.The use of innovative thinking mode provides a new way to solve problems and more effectively solve practical problems in the field of engineering technology.
Keywords:centrifugal compressor;moving ring;dry gas seal;TRIZ theory
在甲醇的生产过程中，合成气由压缩机加压后送往甲醇合成塔，投用以来，压缩机密封盘中的动环总出现不同程度的损坏。

分析损坏的原因及维护压缩机的正常运行尤为重要。

TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系［1］。

其核心优势在于开发了一套系统化的解决发明问题的思维流程，并辅以完善的知识库。

本文利用TRIZ工具分析解决工程技术问题，提出有效解决方案，效果显著［2］。

1工程问题描述
1.1工程问题背景
由天然气转化合成甲醇时，合成气须使用离心式压缩机逐级加压后输送至合成塔合成甲醇产品。

压缩机所采用的密封形式为干气密封。

密封盘设计寿命5年以上，然而使用过程中，经常出现故障，每半年甚至更短的时间就会出现不同程度的损坏，未达到设计寿命，造成装置停车，带来经济损失。

1.2主要问题描述
压缩机干气密封盘中动、静环间压力过高时，气膜刚性不足，动、静环就会接触磨损，甚至开裂。

1.3系统工作原理
当机组高速运转时，气体充入密封盘的动、静环之间，动环表面有一系列单向螺旋槽，随轴承旋转时引入气流，在环形面上形成密封堰，产生的压力（开口力）使动、静环
收稿日期：2021-10-22
基金项目：内蒙古自治区科技计划项目“协同创新模式下的内蒙古创新方法推广应用”（SB20180010）。

作者简介：李霞（1978—），女，副教授，研究方向：化学。

表面分开，当闭合力与流膜内产生的开口力相等时，密封面之间建立3～5μm 厚度的气膜，产生密封作用，其目的是对输送的合成气产生阻力，使其提高压力（见图1）。

2问题分析过程及方案的形成
针对干气密封盘动环损坏的问题，运用TRIZ 理论进行分析，寻找解决问题的方案。

2.1
因果轴分析
因果轴分析是通过构建因果链探明事件发生的原因和产生的结果之间的关系的分析方法，以找出问题产生的根本原因［2］。

运用TRIZ 理论进行因果轴分析，针对密
封盘中动环损坏问题分别向原因轴及结果轴进行分析追寻根原因，如图2所示。

通过因果轴分析可知：冷却程度大，干气入口温度低导致水蒸气液化；停车降温使蜗壳处有积液从而导致CO 2溶解；滤芯效率低，过滤不干净，导致颗粒物夹杂；分离器分离效果差，导致混合气中水碳比高。

这些都会导致气膜刚性不足，使动、静环摩擦，从而损坏动环。

经过分析排查对干气入口温度及各气体成分相态进行计算，发现干气入口温度低是导致气膜刚性不足造成动环损坏的根源。

2.2
技术矛盾分析与解决
技术矛盾是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏［1］。

通常表现为两个参数之间
的矛盾，改善系统的某一个参数，会导致另一个参数的恶化。

本系统研究密封盘损坏问题，初步方案有3种。

一是增大机组工作转速，确保动、静环间干气量达到设计
值，缺陷是增加混合气的流量，增加电能消耗量，增加运行成本等。

二是更换干气密封盘，存在缺陷是增加维修成本。

三是更换高效分离器，使水碳比满足工艺设计要求，确保干气中不夹带水雾，从而保证干气质量，存在缺陷时须进行设备改造，同样增加投资成本。

运用技术矛盾分析法，定义技术矛盾，如果增大动、静环间压力，那么可充分挤压干气，提高干气膜刚性，从而阻止合成气进入密封盘，但是动、静环会接触磨损。

如果减小动、静环间压力，动静环可避免接触磨损，但气膜刚性不足，无法有效阻止混合气。

在阿奇舒勒总结出的表述系统性能的39个通用参数中，得到改善的参数为可操作性，恶化的参数为可靠性。

查找由39个通用参数和40个发明原理构成的矛盾矩阵，得到4个可用的发明原理：NO.10预先作用原理，NO.14曲面化原理，NO.24中介物原理，NO.37热膨胀原理。

分别利用这4个发明原理，
得到概念解决方案。

方案1：运用预先作用原理，在密封盘中事先安装自动充气装置，当开口力减小时，保护气自动充入动、静环间，确保足够的开口力，避免动、静环间的摩擦。

方案2：运用曲面化原理，改变密封盘中动环的凹槽结构，使充入的气体量增多，从而增大开口力。

方案3：运用中介物原理，在密封系统中增加气体感应加热装置（如红外加热），去除干气中的水蒸气，同时使气体受热膨胀，从而增大开口力。

方案4：运用热膨胀原理，将静环制成套环状，采用热膨胀系数不同的记忆合金材料，当温度变化时，金属环外部弯曲形变，减小动、静环之间的摩擦力。

2.3
物理矛盾分析与解决
物理矛盾是同一参数具有相反的需求，即物理矛盾是单一参数的矛盾。

从动、静环间压力大小影响气膜刚性入手分析问题，根据定义的技术矛盾，提取出物理矛盾：动、静环压力大，干气气膜刚性大，可以有效阻挡合成气，起到密封作用。

动、静环间压力小，可以避免动、静环间因摩擦而损坏。

定义物理矛盾为动、静环间压力既需要大又需要小，如表1所示。

要解决物理矛盾，就需要对矛盾所涉及的参数进行选择，用一种适当的方式改变所选的参数，让矛盾从对立走向统一，进行而使矛盾得以解决，其核心思想是实现矛
图1系统工作原理
干气密封
冷却程度大
干气入口温度低
水蒸气液化气膜刚性不足
动、静环摩擦
动环损坏
混合气中水碳比高
混合气中颗粒物、雾滴
CO 2溶解蜗壳处积液带入停车降温滤芯效率低分离器老旧
过滤不干净分离效果差
图2因果轴分析
盾双方的分离。

TRIZ理论中解决物理矛盾的方法主要有分离原理，总结为4种基本类型，即时间分离、空间分离、条件分离、整体与部分的分离［3］。

通过分析系统需要满足的要求，得到条件1，两个区域存在重叠，冲突无法进行空间分离；条件2，两个时间重叠，冲突不能在时间上分离。

这两个系统发生交叉，不能从时间和空间上进行分离。

运用部分与整体的分离原理，采用小人法得到概念解决方案［4］：静环视为小人A，被挤压的干气视为小人B，动环被视为小人C，当小人A小人压力较大充分挤压小人
B时，就会造成小人A和小人C碰撞。

如图3所示。

增加小人B的刚性，使它有足够的力量阻挡小人A，如图4所示。

可得到：方案5，运用预处理原理在系统外部引入电磁加热装置，从而提高干气温度，避免干气中的水蒸气不液化，从而保持小人B的气膜刚性，阻止动静环摩擦，达到密封目的。

方案6，在系统外部引入高温伴热装置，利用工厂高温蒸气伴热干气入口管道，提高干气入口温度至露点温度以上，防止气膜中的水蒸气液化，从而保持小人B的气膜刚性，避免动静环摩擦，达到密封目的。

方案7，可以将分离器出口到密封盘入口的管道做成套管，内管走混合气，外管走高温蒸气，使进入密封盘的干气小人B保持高温，从而使它有足够的力量阻挡小人A。

2.4物场分析
物—场分析是TRIZ理论中一个重要的问题构造、描述和分析工具。

它的基础是建立物—场模型，是技术系统的最小模型，其基本组成要素是两个物质和一个场。

TRIZ理论中，常见的物—场模型有4类，分别是有效完整模型、不完整模型、无效应完整模型以及有害完整模型。

针对物—场模型的类型，TRIZ理论提出了对应的标准解法，共有6种［2］。

本工程问题分析仍从动、静环间的压力问题出发点，首先建立物—场模型。

经过分析，物质1静环对物质2动环，在压力场的作用下，产生有害的作用。

显然此模型属于有害完整模型，如图5所示。

静环与动环构成有害物-场模型，可考虑应用第1类标准解：建立或拆解物场模型［2］，生成概念解决方案。

在动环和静环之间，增加物质3保护罩，防止动、静环接触磨损；应用1.2.1如果没有让S1和S2直接接触的限制条件，可以在S1和S2之间引入S3消除有害作用。

在系统中引入新物质，得到方案8：当机组转速不变时，可通入氮气，增加气膜刚性，使动静环不摩擦，避免动、静环磨损。

1.2.2如果没有让S1和S2直接接触的限制条件，但不允许引入新物质，可以改变S1和S2来消除有害作用。

得到方案9：将动、静环材料改为钴基碳化钨合金，表面涂覆耐磨的聚合物材料。

3方案整理及评价
本工程问题基于TRIZ理论分析了离心式压缩机干气密封盘损坏的问题，找到4点根本原因，应用TRIZ理论分析方法得到9个方案。

在Pro/Innovator中针对解决方案从成本、施工的复杂度、计划工期及可操作性等方面由几位专家进行了综合评价打分，根据工厂生产条件最终确定了方案6为最佳施工方案，取得了较好的经济效益。

参考文献：
［1］刘训涛.曹贺.陈国晶.TRIZ理论及应用［M］.北京：北京大学出版社，2011（08）.6；104.
［2］刘姝鑫，宋健，金星，等.基于TRIZ理论分析解决离心压缩机机壳平衡气管用户现场断裂问题［C］//沈阳市科学技术协会，第十六届沈阳科学学术年会论文集（理工农医），2019-10-10.
［3］成思源.周金平.郭钟宁.技术创新方法［M］.江苏：清华大学出版社，2014.69；121；140-153.
［4］刘姝鑫，宋健，郭杨，等.基于TRIZ理论分析解决测振探头套管无法安装的问题［C］//沈阳市科学技术协会，第十七届沈阳科学学术年会论文集，2020-10-24.
参数压力要求
大
小
原因
动、静环间压力大，干气气膜刚性大，
可以有效阻挡混合气，起到密封作用
动、静环间压力小，可以避免动、
静环因摩擦而损坏，但是气膜刚性小，
密封效果差
表1动、静环间压力
图3小人法示意图1
A
B
C
图4小人法示意图2
C
B
A
图5有害完整模型
F
F
S2S1
S1
S2
S3。