信息化背景下探讨离心式压缩机干气密封原理及其操作
摘要 阐述了压缩机用干气密封原理及结构，具体分析了离心压缩机的干气密封及其控制系统的操作。
关键词 干气密封；控制系统；离心压缩机
1 干气密封简介
在信息化背景下，探讨离心式压缩机干气密封原理及其操作，干气密封是一种新型的非接触式轴封，干气密封的概念是六十年代末期从气体润滑轴承的基础上发展起来的。经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于管線、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。与普通接触式机械密封相比，干气密封有以下主要优点：
（1）省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。
（2）大大减少了计划外维修费用和生产停车。
（3）避免了工艺气体被油污染的可能性。
（4）密封气体泄漏量小。
（5）维护费用低，经济实用性好。
（6）密封驱动功率消耗小。
（7）密封寿命长，运行可靠。
2 干气密封的工作原理
与其他机械密封相比，干气密封在结构方面基本相同。其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。
干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。
单旋向槽型在目前的压缩机组上使用最多，单旋向槽型只可使用于单向旋转的机组，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的槽型，它可形成更大的开启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速下和较大的振动下也可使用。
双旋向槽型常见有三种。该槽型使用无旋向要求，正反转皆可。机组的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。
3 干气密封的典型结构
3.1 单端面密封
单端面密封主要用于不属于危险性的气体，即允许少量介质气体泄漏到大气环境中的场合。密封所用气体为工艺气本身。国内引进机组中的二氧化碳压缩机多用此种类型。
3.2 串联密封
串联式干气密封是一种操作可靠性较高的密封结构，典型应用是允许少量介质气体泄漏到大气中的工况。在石油化工企业的引进机组中使用较多。
3.3 双端面密封
双端面密封相当于面对面布置的两套单端面密封，有时两个密封共用一个动环。它适用于没有火炬条件，允许少量密封气进入工艺介质中的情况。在两组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压力稍高（0.2～0.3MPa）的水平，这样气体泄漏的方向总是朝着工艺介质气体和大气，从而保证了工艺气体不会向大气泄漏。双端面密封结构主要用于压力不高的有毒、易燃易爆气体。
4 离心式压缩机C401简介
4.1 工艺流程简介
（1）为气相反应器R401流化床提供稳定的气源；
（2）经换热器E401冷却后的气体进入气相反应器R401，可撤走大部分反应热量；
（3）为R401底部快速回路正常运转提供气源。
2009全年，C401机组共间歇运行三个阶段（1月、4月、7～8月），累计运行时间为1646小时，运行状况良好。
4.2 C401机组干气密封
C401机组采用John Crane（约翰·克兰）公司28型干气密封，如上图所示，
干气密封安装在叶轮后方和轴承箱之间的密闭空间。干气密封的动环采用硬度高刚性好而且耐磨的碳化钨材料制造，固定在旋转轴上。碳化钨材料具有较高的弹性模量及抗拉强度，价格也相对便宜，但由于其性质坚硬，如果失效，端面可能产生像车刀一样的效果，可能会对设备本体造成更大的危害，因此，碳化钨材料常用在低压以及温度、转速不高的条件下[1]。
静环用相对较软的有自润滑性的石墨材料制造，装入不锈钢弹簧座内。静环不随轴旋转，但可在弹簧力的作用下做轴向移动。
在C401机组内，迷宫密封、碳环密封（隔离密封）及干气密封一起组成了机组轴封，其中干气密封可看作是带迷宫密封的串联密封，它采用两级结构，每一级动环上的螺旋槽通过旋转，在密封面处形成3～4μm厚的气膜，实现两级非接触密封。两级密封前各增加了一套迷宫密封，既保证工艺介质不外泄，也确保缓冲气不泄漏到工艺介质中。
隔离密封起着防止轴承油进入密封面的重要作用，此隔离密封采用以石墨为主材料，设计成内环带开槽的悬浮式碳环密封，可以将隔离气消耗降到更低。
4.3 干气密封控制系统
干气密封控制系统在干气密封使用过程中起着极为重要的作用，如果配置的控制系统有问题，再好的密封也不能正常运行。为保证操作的可靠性和安全性，干气密封控制系统必须达到以下目的：
（1）为密封腔提供流量稳定，清洁、干燥的气源；
（2）监测气体压力、流量等参数；
（3）密封失效时提供报警信号。
4.4 C401机组干气密封一级缓冲气气源切换
（1）氮气
在机组试运或后路系统需要氮气置换时，采用氮气做缓冲气。我们从二级缓冲气管路中引出一路氮气通到主密封处，一级二级共用一路氮气，实现氮气做缓冲气。
（2）工艺气
在机组正常运行时，使用来自T401顶的工艺气，主要成分是乙烯和丙烯。
（3）纯乙烯
在后路系统需要乙烯置换时，采用乙烯做缓冲气。在机组正常运行，一级缓冲气流量不足时，也可采用乙烯做缓冲气。
在进行缓冲气切换时，须控制缓冲气参数在操作范围内，如超出必须及时调整，以确保主密封运转的稳定性。
4.5 升级改造
机组正常运行时，曾出现一级缓冲气流量不足的情况，通过调节控制阀也无法解决；使用纯乙烯气操作不方便，且对系统气相组成有影响。
建议可增加一套预处理设备——预增压/流设备，能在压缩机启动、停滞或循环阶段提供足够的密封气流量，保证永远有足够的主密封气到密封腔内。预增压/流设备最早出现在干气密封控制系统中是20世纪加拿大Alberta的Revolve Technology公司设计并应用的，其专利产品Ampliflow广泛应用到石化等领域。此设备可作为独立系统单独提供，也可跟控制系统集成在一个框架下，方便简捷。
关键部件——增压/流泵不仅有增压效果，还可保证下游密封进气流量。相信通过增加此套设备，可延长干气密封的使用寿命，方便密封系统操作。
参考文献
[1] 李继和.机械密封技术[M].北京：化学工业出版社，1988：21-22.
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