一、干氣密封基本結(jié)構(gòu)及工作原理
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(dòng)、靜壓結(jié)合型非接觸式機(jī)械密封。如圖1-1所示，包含有靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件(動(dòng)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(jì)特點(diǎn)為在密封端面上開設(shè)動(dòng)壓淺槽,其轉(zhuǎn)動(dòng)形成的氣膜厚和流槽槽深均屬微米級(jí),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。可以說是開面密封和開槽軸承的結(jié)合。
干氣密封動(dòng)壓槽有單旋向和雙旋向，一般單旋向?yàn)槁菪?，雙旋向常見有T型槽、樅樹槽和U型槽。如圖所示，單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)氣膜反力，導(dǎo)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(duì)于雙向槽，具有較大的流體動(dòng)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。
2. 干氣密封工作原理
如圖，對(duì)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(dòng)壓力之間的平衡。當(dāng)密封氣體注入密封裝置時(shí)，使動(dòng)、靜環(huán)受到流體靜壓力的作用。而流體的動(dòng)壓力只是在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生。
如圖1-2所示，當(dāng)動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動(dòng)壓力，而密封堰對(duì)氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動(dòng)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(duì)動(dòng)環(huán)分開，當(dāng)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(shí)密封工藝氣體。
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。
（1）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(jī)、CO2壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)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(jí)串聯(lián)布置方式，一級(jí)為主密封，二級(jí)為備用密封。正常工況下，全部或大部分負(fù)荷由主密封承擔(dān)，而二級(jí)備用密封不承受或承受小部分的負(fù)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(jí)密封由二級(jí)放空引入安全地帶排放。當(dāng)主密封失效時(shí)，二級(jí)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(diǎn)為在串聯(lián)式密封的兩級(jí)之間加入迷宮密封結(jié)構(gòu)。其中一級(jí)主密封氣為工藝氣，中壓N2為開停機(jī)輔助氣；二級(jí)密封和中間迷宮間、隔離氣都使用氮?dú)?。?dāng)一級(jí)主密封失效時(shí)，二級(jí)密封起到輔助安全阻封和密封作用。適用于易燃、易爆、危險(xiǎn)性大、不允許泄漏到大氣中、也不允許阻封氣進(jìn)入到機(jī)內(nèi)的工況。如氫氣壓縮機(jī)、CO壓縮機(jī)、乙烯、丙烯壓縮機(jī)等。
（4）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(jìn)入機(jī)內(nèi)的工況。其結(jié)構(gòu)布置相當(dāng)于面對(duì)面布置兩套單端面密封,有時(shí)兩個(gè)密封共用一個(gè)動(dòng)環(huán)。一般采用氮?dú)庾鳛樽枞麣怏w，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 。
二、離心壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)組成
如圖所示，某離心式壓縮機(jī)組干氣密封系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖,該機(jī)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(cè)系統(tǒng)組成，其中密封氣和隔離氣設(shè)計(jì)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(jì)有密封氣泄漏監(jiān)測(cè)。
1. 該機(jī)組干氣密封控制系統(tǒng)的控制流程：
（1）一級(jí)主密封氣由壓縮機(jī)出口氣和管網(wǎng)中壓氮提供，經(jīng)過濾器處理，調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、節(jié)流閥控制密封氣的壓力和流量；而管網(wǎng)中壓氮?dú)庾鳛殚_停機(jī)時(shí)一級(jí)密封氣備用氣源。
（2）二級(jí)密封氣和后置隔離氣由管網(wǎng)低壓氮?dú)馓峁?，?jīng)過濾處理、調(diào)壓和流量控制作為二級(jí)密封氣和后置隔離氣氣源。機(jī)組設(shè)計(jì)后置隔離氣密封系統(tǒng)目的是為防止軸承箱潤滑油進(jìn)入，污染密封面。
（3）同時(shí)設(shè)計(jì)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(jì),通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測(cè)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(zhǎng)壽命穩(wěn)定安全生產(chǎn)運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對(duì)密封介質(zhì)質(zhì)量、壓力、流量、溫度及生產(chǎn)運(yùn)行工況的要求，機(jī)組干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有過濾單元、調(diào)節(jié)控制單元和密封泄漏監(jiān)測(cè)單元，對(duì)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(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)干氣密封運(yùn)行狀況。
2. 干氣密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：
（1）一般情況下，對(duì)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(duì)于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機(jī)出口工藝氣+氮?dú)鈧溆脷夥桨笧槊芊鈿狻?
同時(shí)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(dá)到3um以下，溫度應(yīng)至少高于露點(diǎn)溫度10℃以上。
（2）密封氣、緩沖氣、隔離氣進(jìn)行控制的系統(tǒng)，以滿足密封緩沖、隔離對(duì)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(jì)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(jī)內(nèi)迷宮間隙最大時(shí)最小氣流速度為5 m/s。
同時(shí)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(jì)有低報(bào)警和低低報(bào)警聯(lián)鎖，啟用管網(wǎng)中壓氮?dú)膺M(jìn)行補(bǔ)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(jì)密封泄漏監(jiān)測(cè)。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(jì),通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測(cè)干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有流量低報(bào)警、高報(bào)警和高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖；壓力由孔板前壓力的變化實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有壓力高報(bào)警和高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖?？刹扇?取2的聯(lián)鎖邏輯方式。
(4) 為了確保機(jī)組的安全運(yùn)行，防止機(jī)組損壞，在機(jī)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(jì)有以下的聯(lián)鎖：
①各干氣密封一級(jí)排放氣流量正常的開機(jī)聯(lián)鎖。
②后置隔離氣壓力低開機(jī)前禁止?jié)櫥捅脝?dòng)聯(lián)鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
③一級(jí)排放氣壓力高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖和流量高高報(bào)警停機(jī)聯(lián)鎖。
三、離心壓縮機(jī)干氣密封典型故障
離心式壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)是離心式壓縮機(jī)非常重要的輔助系統(tǒng)，干氣密封可靠、穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命運(yùn)行是確保機(jī)組安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行的關(guān)鍵。因此了解和掌握干氣密封常見典型故障，對(duì)快速判斷和解決干氣密封故障，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1. 后置隔離密封失效，外側(cè)密封被污染
機(jī)組設(shè)計(jì)后置隔離氣密封系統(tǒng)目的為防止軸承箱潤滑油進(jìn)入，污染密封面。在使用過程中，可能會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)或操作方面的原因?qū)е聺櫥臀廴久芊舛嗣?。例如：軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網(wǎng)堵塞）、氣體設(shè)計(jì)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(jì)過小、系統(tǒng)控制問題、氮?dú)獠▌?dòng)或供氣中斷、開停車操作順序錯(cuò)誤、誤操作等等。
為了避免開車誤操作，一般設(shè)計(jì)后置隔離氣壓力低開機(jī)前禁止?jié)櫥捅脝?dòng)聯(lián)鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
2. 單向槽反轉(zhuǎn)
對(duì)于單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)氣膜反力，導(dǎo)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(cuò)誤導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端裝反、機(jī)組停車不可避免存在反轉(zhuǎn)工況等存在，導(dǎo)致密封損壞，嚴(yán)重時(shí)環(huán)直接碎裂。
3. 低速工況長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行
在開機(jī)或低速暖機(jī)工況過程中，由于機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，干氣密封沒有產(chǎn)生足夠的流體動(dòng)壓力，沒有形成氣膜，容易導(dǎo)致密封磨損，嚴(yán)重時(shí)環(huán)直接碎裂。
因此，在開機(jī)過程中，不宜長(zhǎng)時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，應(yīng)該保持轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)轉(zhuǎn)速時(shí)盡可能緩慢操作，以避免轉(zhuǎn)速波動(dòng)太大對(duì)干氣密封產(chǎn)生不良的影響。
4. 開停車處理不當(dāng)，密封污染
在開停車過程中，一級(jí)密封氣流量不容易保證，機(jī)內(nèi)氣體容易反竄，造成一級(jí)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(duì)機(jī)組準(zhǔn)備開車，進(jìn)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(shí)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(yùn)行時(shí)，過濾系統(tǒng)失效，密封污染
在干氣密封現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)密封氣嚴(yán)重帶液，超出過濾器處理能力；過濾器堵塞后未及時(shí)切換，造成濾芯破損；氣源中含大量的細(xì)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(duì)密封及系統(tǒng)均會(huì)造成影響等情況導(dǎo)致過濾系統(tǒng)失效，從而污染密封導(dǎo)致失效。因此，要定期檢查和清理過濾器，確保過濾器完好，達(dá)到過濾精度的要求，一般密封氣的過濾精度應(yīng)達(dá)到3um以下。
6. 機(jī)組原因造成的密封失效
因機(jī)組故障，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)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(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)，特別是加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，防止因機(jī)組振動(dòng)過大導(dǎo)致干氣密失效。
四、結(jié)語
綜上，通過選型設(shè)計(jì)一套合適、完整、可靠的干氣密封控制系統(tǒng)，對(duì)于離心式壓縮機(jī)安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿生產(chǎn)運(yùn)行起著非常重要的作用。同時(shí)機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)干氣密封系統(tǒng)的運(yùn)行情況和泄漏狀況，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、消除和處理機(jī)組故障，確保裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行。
