胡久林 王芳 桂徳米（黔西县黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 毕节 551500）

干气密封在CO2压缩机中的应用

胡久林 王芳 桂徳米（黔西县黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 毕节 551500）

本文主要介绍了干气密封在黔西县黔希煤化工气化厂离心式CO2压缩机中的成功应用。经由干气密封的作用原理、典型的干气密封布置形式、动环密封端面流槽结构特点及一级单面干气密封气系统、二级隔离密封气系统及排放气控制系统的作用，以及其稳定的运行效果，认识到干气密封比其他密封，在很多方面有很大的优势，拥有很高的使用推广价值[1-2]。

干气密封;CO2压缩机;应用

黔西县黔希煤化工投资有限责任公司是年产30万吨乙二醇项目，煤气化装置采用航天炉粉煤加压煤气化工艺技术。从生产成本、一次性投入成本及对环境污染等方面综合考虑，在煤气化装置，CO2压缩机高压缸轴端密封采用单端面干气密封。干气密封是采用气膜润滑的非接触式机械密封，可简称为“气膜密封”。机械密封一直不能干运转，但干气密封利用表面改形技术，通过表面蚀刻的流体动压槽在运转过程中产生的流体动压效应，使两个密封环分离，这样在运转过程中动静环不仅不直接接触，而且被密封介质泄漏量很少，这就实现了既能密封气体又能干运转操作。相比其他密封，其损坏几率小、能量消耗少、使用寿命长、泄漏量小以及维修工作量低等优点，由于它是非接触式密封，不受PV值限制，所以干气密封能够适用于高压、高速及易燃易爆、有毒有害气体条件下的离心式压缩机。

1 干气密封工作原理

干气密封从实际来看是一种机械密封，其与普通机械密封的不同之处就在，它是通过密封气经动环和静环的径向接合面上的唯一通路来达到密封效果的。密封表面被研磨得十分平滑,在动环的端面上加工了一系列的流槽。当转子转动后与转子相连的动环也随着转动,这样密封气被泵入动环流槽的底部,在此密封面形成屏障,此屏障阻止介质流动,并提高密封压力,使动环和静环之间产生大约几微米的空隙,这就使得两个端面不接触[3]。这又提高了干气密封的使用时长,且在工作面上没有磨损。

图1 干气密封工作原理

当静止时，动环与静环在弹簧的作用力下，两个密封端面是贴合在一起的，而转动时，密封气被泵入流槽的根部，形成密封气坝，由于气坝的阻挡作用，使气体的压力上升，这个力将动静环推离开，当弹簧作用力和闭合气体作用力等于两环之间的气体开启力时，在动静环之间就形成了几微米厚度的气膜。当存在外界干扰时，如密封面间隙减小，在流槽中气膜产生的压力将急剧增大，即气膜推离作用力增加，开启作用力大于闭合作用力，迫使动环与静环之间的密封间隙增加，随着密封间隙的增大，两密封端面间的气膜推离作用力又减小，直至开启作用力与闭合作用力又重新相等，这时密封端面间隙又恢复到正常值。当所遇工况相反时，动环与静环之间的间隙增大，两环间气膜推离作用力减小，开启作用力小于闭合作用力，又迫使动静环之间的密封间隙减小，气膜推离作用力增大，直至开启作用力与闭合作用力又重新相等，这时两密封端面间隙又恢复到正常值。如图2所示

图2 三种间隙下的气膜压力

从以上可知，在动环流槽中气膜生成的流体动压力总是可以适应外界对动静环密封端面之间的间隙大小的干扰，故干气密封运行非常平稳。由于气膜的作用，迫使动环与静环之间产生间隙，两密封端面不直接接触，因此密封面无磨损，运行可靠、使用寿命可以认为无限长。

2 干气密封的典型结构

从需压缩气体组份、压缩机入口压力、工艺对压缩机出口介质压力要求以及从环保、安全等方面的考虑来讲,压缩机可采用多种干气密封结构。常用的干气密封结构形式有单端面、双端面及串联式三种。

(1)单端面干气密封适用于当密封损坏时介质气可以轻微泄漏到大气中的情况。

一般用于工厂风、氮气、二氧化碳等压缩机组。

(2)双端面干气密封一般用在压力等级不高的有毒有害、易燃易爆等危险气体的压缩机组。适用机组入口压力较低的情况，允许少量密封气流进机组。一般用在甲烷、一氧化碳压缩机组中。

(3)串联式干气密封一般用在压力较高，微量介质可以泄漏进大气中的情况。串联式干气密封采用两级串联布置方式,一级为主密封,承受全部或大部分工作载荷,而另一级作为辅助密封,不承受或承受小部分工作载荷。两级密封间通入缓冲流体,防止工艺气泄漏出去。

3 流槽的结构特点

动环密封端面流槽是干气密封的核心部分，流槽结构有很多种，常用的有螺旋槽、T型槽、燕尾槽、人字型槽、伞型槽等。按旋向分类干气密封可以分为两类，单旋向和双旋向。单旋向动环只有在旋向按规定方向旋转时才能起密封作用，一旦反转则干气密封失效，而且会损坏干气密封；双旋向干气密封则没有旋向要求，无论正旋还是反旋密封都能起作用。对于气化二氧化碳压缩机，考虑介质的性质、危险性、成本等的因素，最终选择了单旋向的单端面螺旋槽干气密封。

常见流槽结构

4 干气密封系统

气化厂二氧化碳压缩机高压缸为两段压缩，一段3个叶轮，二段2个叶轮，为平衡轴向推力叶轮采用背靠背排列形式。正常生产时一级密封气采用一段出口气，压力为4.73MPa，开停车时采用0.4MPa的低压氮气。

4.1 一级密封流程

一级密封气体在压缩机正常运行过程中，采用压缩机排出的部分工艺气体(在开停车过程中采用界区来的0.4MPaG低压氮气)，经过第一级密封气过滤器（F1、F2）后，再经调节阀25PD⁃CV-401将压力稳定在高于平衡管压力0.3MPaG以上，密封气进入压缩机两侧的密封端面，在密封面上形成密封气膜。

4.2 二级隔离气密封流程

自界区来的0.40MPaG的低压氮气，经第二级密封气过滤器(F3、F4)过滤后，再经过自立式调节阀V21控制压力为0.30MPaG，经限流孔板后送入第二级隔离气密封腔。隔离气的作用是避免润滑油污染干气密封的密封端面。

4.3 排放气控制流程

一级干气密封气大部分返回机组内，阻止压缩机内的工艺气体外漏，少量气体经密封端面泄漏至一级密封排气腔，经流量计（25FT-401/402）后去高点放空。大部分二级密封气经中间迷宫室与干气密封泄漏气混合后至高点放空。一小部分通过后置梳齿密封的后端，经过轴承回油放空点排放。

5 结语

干气密封作为一种非接触式机械密封,是当前非常先进的密封技术,它可以有效的提高密封运行的安全性、稳定性及长久性。从二氧化碳压缩机实际运行的情况,可以发现干气密封具有故障率低、使用寿命长、一次性投入成本低等优点,能够保证工艺介质零泄漏、零溢出,并且满足日益严格的环保要求。大量的实践证明了在当下工艺条件、环保要求日益严格的情况下,干气密封具有极大的优点,其一定能在旋转机械轴端密封上获得越来越多的应用。

[1]干气密封技术在大机组上的运用及故障分析.张锡德.通用机械.2014.

[2]搅拌器机械密封故障分析及技术改造.张海峰.科学时代.2013.

[3]离心式压缩机密封技术的应用综述.李燕坡.风机技术.2011.