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離心壓縮機干氣密封原理與典型故障分析

   【壓縮機網(wǎng)】近年來,隨著人們安全、環(huán)保意識的提高,對石油化工及煤化工等能源行業(yè)的生產(chǎn)運行提出了更高的要求。據(jù)不完全統(tǒng)計,在煉油化工、煤化工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)裝置中,因旋轉(zhuǎn)機械的軸封泄漏引起的安全、環(huán)保事故占了非常大的比例,嚴重影響生產(chǎn)裝置長周期、穩(wěn)定、安全生產(chǎn)運行。因此,解決旋轉(zhuǎn)機械軸封泄漏問題,特別是大型機組軸封向?qū)崿F(xiàn)無泄漏、無污染、長壽命及運維費用低發(fā)展,已成為業(yè)內(nèi)重要的共識和急需解決的問題。
 
  隨著20世紀60年代末氣體潤滑軸承技術(shù)的發(fā)展,一種新型的、可靠的、軸封技術(shù)——干氣密封應(yīng)運而生,它是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結(jié)合型非接觸式機械密封,具有無介質(zhì)泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點,在石油化工、煤化工等工業(yè)行業(yè)的離心壓縮機等關(guān)鍵設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。
 
  然而在生產(chǎn)運行中,因干氣密封控制系統(tǒng)的設(shè)計、選型及運行使用不到位,引起的干氣密封泄漏、失效等故障屢見不鮮。因此依據(jù)生產(chǎn)裝置的工藝操作工況及機組的運行情況,設(shè)計出一套可靠、合適的干氣密封控制系統(tǒng),對確保機組的長周期、穩(wěn)定、安全生產(chǎn)運行起著舉足輕重的作用。
 
  1、干氣密封基本結(jié)構(gòu)及工作原理
 
  1.1 干氣密封基本結(jié)構(gòu)
 
  干氣密封是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結(jié)合型非接觸式機械密封。如圖1-1所示,包含有靜環(huán)、動環(huán)組件(動環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。干氣密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點為在密封端面上開設(shè)動壓淺槽,其轉(zhuǎn)動形成的氣膜厚和流槽槽深均屬微米級,并采用潤滑槽、徑向密封壩和周向密封堰組成密封和承載部分??梢哉f是開面密封和開槽軸承的結(jié)合。
 
離心壓縮機干氣密封原理與典型故障分析
 
  干氣密封動壓槽有單旋向和雙旋向,一般單旋向為螺旋槽,雙旋向常見有T型槽、樅樹槽和U型槽。如圖1-2所示,單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負氣膜反力,導致密封端面壓緊,致密封損壞失效。而雙旋向樅樹槽則無旋向要求,正反轉(zhuǎn)都可以。單向槽相對于雙向槽,具有較大的流體動壓能,產(chǎn)生更大的氣膜反力和氣膜剛度,產(chǎn)生更好的穩(wěn)定性。
 
離心壓縮機干氣密封原理與典型故障分析
 
  1.2 干氣密封工作原理
 
  如圖1-3,對于螺旋槽干氣密封,其工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動壓力之間的平衡。當密封氣體注入密封裝置時,使動、靜環(huán)受到流體靜壓力的作用。而流體的動壓力只是在轉(zhuǎn)動時才產(chǎn)生。如圖1-2所示,當動環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動時,螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心,產(chǎn)生動壓力,而密封堰對氣體的流出有抑制作用,使得氣體流動受阻,氣體壓力升高,這一升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對動環(huán)分開,當氣體壓力與彈簧力恢復(fù)平衡后,維持一最小間隙,形成氣膜,膜厚一般為3-5μm,使旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)脫離接觸,從而端面幾乎無磨損,同時密封工藝氣體。
 
 
離心壓縮機干氣密封原理與典型故障分析
 
 
  1.3干氣密封的類型
 
  干氣密封基本結(jié)構(gòu)類型有單端面密封、串聯(lián)式密封、帶中間迷宮串聯(lián)式密封和雙端面密封。
 
 ?。?)單端面密封
 
  適用于沒有危害、允使微量的工藝氣泄漏到大氣的工況。如N2壓縮機、CO2壓縮機、空氣壓縮機等。
 
  (2)串聯(lián)式密封
 
  適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣的工況。一般采用兩級串聯(lián)布置方式,一級為主密封,二級為備用密封。正常工況下,全部或大部分負荷由主密封承擔,而二級備用密封不承受或承受小部分的負荷和壓力降。泄漏的主密封工藝氣被引入火炬系統(tǒng)燃燒,泄漏的極少量的工藝氣通過二級密封由二級放空引入安全地帶排放。當主密封失效時,二級備用密封起到輔助安全密封的作用,確保工藝氣不大量外漏。
 
  (3)帶中間迷宮的串聯(lián)式密封
 
  它的結(jié)構(gòu)特點為在串聯(lián)式密封的兩級之間加入迷宮密封結(jié)構(gòu)。其中一級主密封氣為工藝氣,中壓N2為開停機輔助氣;二級密封和中間迷宮間、隔離氣都使用氮氣。當一級主密封失效時,二級密封起到輔助安全阻封和密封作用。適用于易燃、易爆、危險性大、不允許泄漏到大氣中、也不允許阻封氣進入到機內(nèi)的工況。如氫氣壓縮機、CO壓縮機、乙烯、丙烯壓縮機等。
 
 ?。?)雙端面密封
 
  雙端面密封適用于沒有火炬條件,不允使工藝氣泄漏到大氣中,但允使阻封氣進入機內(nèi)的工況。其結(jié)構(gòu)布置相當于面對面布置兩套單端面密封,有時兩個密封共用一個動環(huán)。一般采用氮氣作為阻塞氣體,控制阻密封氣(N2)的壓力始終維持在比工藝氣體壓力高于0.2~0.3MPa 。
 
  2、離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的組成
 
  如圖2-1所示,某離心式壓縮機組干氣密封系統(tǒng)流程簡圖,該機組干氣密封控制系統(tǒng)由工藝氣密封氣系統(tǒng)、隔離氣密封系統(tǒng)、放火炬及高位放空監(jiān)測系統(tǒng)組成,其中密封氣和隔離氣設(shè)計有氣源過濾處理單元、氣體壓力和流量調(diào)節(jié)控制單元,排放氣設(shè)置有火炬排放和高位放空,并設(shè)計有密封氣泄漏監(jiān)測。
 
離心壓縮機干氣密封原理與典型故障分析
 
  該機組干氣密封控制系統(tǒng)的控制流程:
 
 ?。?)一級主密封氣由壓縮機出口氣和管網(wǎng)中壓氮提供,經(jīng)過濾器處理,調(diào)節(jié)、流量計、節(jié)流控制密封氣的壓力和流量;而管網(wǎng)中壓氮氣作為開停機時一級密封氣備用氣源。
 
 ?。?)二級密封氣和后置隔離氣由管網(wǎng)低壓氮氣提供,經(jīng)過濾處理、調(diào)壓和流量控制作為二級密封氣和后置隔離氣氣源。機組設(shè)計后置隔離氣密封系統(tǒng)目的是為防止軸承箱潤滑油進入,污染密封面。
 
 ?。?)同時設(shè)計有密封氣放火炬和緩沖、隔離氣高位防空系統(tǒng)。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設(shè)置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。
 
  因此,為了確保干氣密封控制系統(tǒng)可靠、長壽命穩(wěn)定安全生產(chǎn)運行,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對密封介質(zhì)質(zhì)量、壓力、流量、溫度及生產(chǎn)運行工況的要求,機組干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計有過濾單元、調(diào)節(jié)控制單元和密封泄漏監(jiān)測單元,對系統(tǒng)中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度及潔凈度等方面進行控制和監(jiān)測,監(jiān)測干氣密封運行狀況。干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計選型要注意以下幾個要點:
 
  (1)一般情況下,對于輸送介質(zhì)為富氣或氣體內(nèi)含烴類物質(zhì)較多的氣體則常采用N2作為密封氣;而對于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機出口工藝氣+氮氣備用氣方案為密封氣,同時應(yīng)提供清潔和干燥的密封氣體,密封氣不得含固體顆粒、粉塵和液體,應(yīng)保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過濾精度應(yīng)達到3um以下,溫度應(yīng)至少高于露點溫度10℃以上。
 
 ?。?)密封氣、緩沖氣、隔離氣進行控制的系統(tǒng),以滿足密封緩沖、隔離對氣體壓力、流量和溫度的要求。一般可采用氣體壓力控制、流量控制、壓力與流量組合控制方式??刂圃O(shè)計的要求一般為密封氣應(yīng)保持與平衡管的壓差在 0.3 MPa以上,機內(nèi)迷宮間隙最大時最小氣流速度為5 m/s。同時為了防止密封工藝氣壓力低,一般密封氣與平衡管壓差設(shè)計有低報警和低低報警聯(lián)鎖,啟用管網(wǎng)中壓氮氣進行補氣,以滿足密封氣密封壓力的要求。
 
  (3) 一般在干氣密封火炬排放或高位放空管路設(shè)計密封泄漏監(jiān)測。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設(shè)設(shè)置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實現(xiàn),設(shè)計有流量低報警、高報警和高高報警停機聯(lián)鎖;壓力由孔板前壓力的變化實現(xiàn),設(shè)計有壓力高報警和高高報警停機聯(lián)鎖??刹扇?取2的聯(lián)鎖邏輯方式。
 
  (4) 為了確保機組的安全運行,防止機組損壞,在機組開停車及密封失效故障緊急停車工況,干氣密封控制系統(tǒng)可設(shè)計有以下的聯(lián)鎖:
 
  ①各干氣密封一級排放氣流量正常的開機聯(lián)鎖。
 
 ?、诤笾酶綦x氣壓力低開機前禁止?jié)櫥?a href="http://the-video-biz.com" target="_blank" class="keylink">泵啟動聯(lián)鎖,防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
 
 ?、垡患壟欧艢鈮毫Ω吒邎缶C聯(lián)鎖和流量高高報警停機聯(lián)鎖。
 
  3、離心式壓縮機干氣密封常見典型故障
 
  離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)是離心式壓縮機非常重要的輔助系統(tǒng),干氣密封可靠、穩(wěn)定、長壽命運行是確保機組安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行的關(guān)鍵。因此了解和掌握干氣密封常見典型故障,對快速判斷和解決干氣密封故障,確保機組安全穩(wěn)定運行。
 
 ?。?)后置隔離密封失效,外側(cè)密封被污染
 
  機組設(shè)計后置隔離氣密封系統(tǒng)目的為防止軸承箱潤滑油進入,污染密封面。在使用過程中,可能會因為設(shè)計或操作方面的原因?qū)е聺櫥臀廴久芊舛嗣妗@纾狠S承腔排空不暢(呼吸帽過濾網(wǎng)堵塞)、氣體設(shè)計流速低造成氣量過小、迷宮齒數(shù)或間隙不合適、孔板設(shè)計過小、系統(tǒng)控制問題、氮氣波動或供氣中斷、開停車操作順序錯誤、誤操作等等。
 
  為了避免開車誤操作,一般設(shè)計后置隔離氣壓力低開機前禁止?jié)櫥?a href="http://the-video-biz.com" target="_blank" class="keylink">泵啟動聯(lián)鎖,防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
 
 ?。?)單向槽反轉(zhuǎn)
 
  對于單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負氣膜反力,導致密封端面壓緊,致密封損壞失效。在干氣密封使用過程中由于安裝錯誤導致驅(qū)動端與非驅(qū)動端裝反、機組停車不可避免存在反轉(zhuǎn)工況等存在,導致密封損壞,嚴重時環(huán)直接碎裂。
 
 ?。?)低速工況長時間運行
 
  在開機或低速暖機工況過程中,由于機組長時間低轉(zhuǎn)速運行,干氣密封沒有產(chǎn)生足夠的流體動壓力,沒有形成氣膜,容易導致密封磨損,嚴重時環(huán)直接碎裂。
 
  因此,在開機過程中,不宜長時間低轉(zhuǎn)速運行,在正常運轉(zhuǎn)中,應(yīng)該保持轉(zhuǎn)速恒定,調(diào)轉(zhuǎn)速時盡可能緩慢操作,以避免轉(zhuǎn)速波動太大對干氣密封產(chǎn)生不良的影響。
 
 ?。?)開停車處理不當,密封污染
 
  在開停車過程中,一級密封氣流量不容易保證,機內(nèi)氣體容易反竄,造成一級密封端面的污染,因此可能在初試開車增壓過程中,壓力較低,泄漏量偏大。在對機組準備開車,進行沖壓前,必須先通過控制系統(tǒng)注入開車用密封氣,避免工藝氣反竄造成密封的污染;在停車過程中,應(yīng)及時切換氣源,避免造成工藝氣反竄污染密封;停車期間,避免因操作等原因造成密封污染。
 
  (5)正常運行時,過濾系統(tǒng)失效,密封污染
 
  在干氣密封現(xiàn)場運行中可能出現(xiàn)密封氣嚴重帶液,超出過濾器處理能力;過濾器堵塞后未及時切換,造成濾芯破損;氣源中含大量的細粉,其粒度小于過濾器的精度,超出了過濾器的處理能力,但總量大,對密封及系統(tǒng)均會造成影響等情況導致過濾系統(tǒng)失效,從而污染密封導致失效。因此,要定期檢查和清理過濾器,確保過濾器完好,達到過濾精度的要求,一般密封氣的過濾精度應(yīng)達到3um以下。
 
 ?。?)機組原因造成的密封失效
 
  因機組故障,產(chǎn)生強烈振動,振動過大,并超出了密封能夠承受的范圍,引發(fā)密封損壞。因此,平常應(yīng)加強機組的運行維護保養(yǎng),特別是加強機組運行振動狀態(tài)監(jiān)測,防止因機組振動過大導致干氣密失效。
 
  4、結(jié)語
 
  綜上,通過選型設(shè)計一套合適、完整、可靠的干氣密封控制系統(tǒng),對于離心式壓縮機安、穩(wěn)、長、滿生產(chǎn)運行起著非常重要的作用。同時機組在生產(chǎn)運行中,應(yīng)加強機組的運行維護,時刻監(jiān)測干氣密封系統(tǒng)的運行情況和泄漏狀況,及時的發(fā)現(xiàn)、消除和處理機組故障,確保裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產(chǎn)運行。
 
 

標簽: 離心壓縮機密封故障  

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