GB-701离心式压缩机干气密封改造

蒋小东

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540)

项目评价

GB-701离心式压缩机干气密封改造

蒋小东

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540)

介绍了芳烃装置GB-701离心式压缩机轴封采用的机械密封加浮环密封的组合式密封方式，针对该密封方式在装置生产运行工况发生变化时适应能力较差的问题，为确保机组长周期运行，减少运行成本，在装置大修期间将GB-701轴封改为干气密封，取得了良好的运行效果。

离心式压缩机 轴封 节能 干气密封

石油化工行业机械设备的密封都存在泄漏问题，造成能源浪费，产品质量下降，环境污染，甚至会酿成火灾，引起爆炸，带来巨大的经济损失。离心式压缩机作为化工装置的重要设备，其运行情况直接影响整个企业。因此，逐步采用先进密封技术，提升密封性能，确保机组的安稳运行是势在必行的。

1 改造背景

中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部4#芳烃装置1#异构化GB-701循环氢压缩机为透平驱动的多级离心式压缩机，由DEMAG公司制造，型号为08MV2A。原轴封为机械密封和浮环密封的组合并带有密封油的系统，生产商是德国太平洋公司。1995年4月密封系统以国产替代进口，采用四川日机密封件有限公司的同类型产品。机组正常工作时转速超过10 000 r/min，而且工艺介质氢气易燃易爆，危险性大，这就要求压缩机组轴封可靠性高，使用寿命长，密封泄漏量少，才能保证装置安全生产和稳定长周期运行。

1.1 原密封缺陷

GB-701循环氢压缩机原轴封型式为机械密封加浮环密封的组合式密封，靠工艺气侧为机械密封，大气侧为浮环密封。在两道密封之间引入高于被密封的工艺气压力0.2～0.3 MPa的密封油，通过“液封气”来实现密封目的。机组轴封系统自1995年以国产代进口后，平均使用寿命仅为1～2年，而现在装置检修的周期已延长至5年以上，这势必会严重影响装置的稳定长周期运行。而且该轴封系统适应装置生产运行变工况能力较差，特别是在大修后开车初期，工艺波动较大。由于机械密封动环的追随性较差，常常会发生密封面打开后不能自动闭合的情况，使密封油泄漏量大增，影响机组稳定运行。如2003年大修后开车期间，由于工艺参数波动大，使机械密封的密封面打开后没能自动闭合，密封油泄漏严重，酸油量大增，最大时酸油量多达5 000 L/d，而设计值是小于7.2 L/d。后经反复变动压力和转速，历时一个多月才使密封面闭合。

另外，原有机械密封加浮环密封的组合式密封系统相对较复杂，辅助设备和电、仪等自控元件多，造成使用可靠性下降，维护、维修任务较重,运行和维护费用较高。

1.2 干气密封的优势

干气密封是20世纪60年代末期以气体润滑轴承概念为基础发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。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，它是一种新型的非接触式轴封，适应开停车等变化工况能力强，密封运转稳定性非常好，具有5年以上的使用寿命，因此能保证装置安全生产和稳定长周期运行。

针对装置现场条件和生产工艺要求，再结合当今的密封技术发展态势，采用串联式干气密封是性价比较高的选择。串联式干气密封“以气封气”，不需要密封油和冷却水，省去了封油系统及用于驱动封油系统运转的附加功率负荷，控制系统也比封油系统简单，泄漏量小，寿命长，运行和维护费用低，更适应装置长周期运行的需要。从实施“低成本战略”角度出发， GB-701机组原轴封系统改为干气密封是可行的,也是十分必要的。

1.3 干气密封原理

与普通机械密封相比，干气密封在结构上基本相同，主要区别在于干气密封中的一个密封面上有均匀分布的浅槽，深度在8～15 μm。密封旋转时，由动环产生的黏性剪切力带动被密封气体进入螺旋槽内，由外径朝中心，气体被压缩，压力升高，密封面分开，形成一定厚度的气膜。由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到平衡，密封面分开3～5 μm[1]，实现非接触运转。

采用带中间迷宫的串联式干气密封，第一级干气密封为主密封，从机组出口端引出工艺气体(氢气)经气液分离、过滤后(精度为1 μm)成为洁净的气体作为一级缓冲气,通过调节阀维持与参考气0.05 MPa的压差。大部分一级缓冲气回流到压缩机机体内，少量通过第一级干气密封的端面漏出。第二级干气密封为辅助安全密封，氮气经过滤调压后作为二级缓冲气,大部分经迷宫密封与由一级密封泄漏过来的工艺气混合，引入火炬燃烧。剩余少量氮气由二级密封端面漏出。另引一路氮气为隔离气，经过滤调压后引入后置的梳齿密封，控制其压力稍高于轴承箱油压30 kPa，保证干气密封在洁净、干燥的环境中运行。该气体一部分进入轴承箱，另一部分与从第二级密封泄漏的少量氮气混合，引入安全场所排放。

1.4 改造内容

2012年3月4#芳烃装置大检修期间，对GB-701密封系统进行改造，具体实施内容有： 拆除机组原有的轴封系统和相关的油、气管线； 对机体上所有油、气通道作清洗、脱脂、吹扫、干燥处理； 重新配制密封气体管线，不锈钢管酸洗； 安装干气密封组件； 安装干气密封系统仪表控制柜，控制系统改造。

2 干气密封系统的安装

2.1 现场配管

由于干气密封采用气封气原理，因此连接管路的清洁工作极其重要，尤其是一、二级缓冲气进气管道。先用蒸汽吹扫，每根管道的吹扫时间不低于4 h，随后用沾有丙酮的绸布反复拖拉管道内壁，再用蒸汽吹扫，最后用氮气吹扫干净，保证每一根与干气密封有关的管路清洁，不含有任何颗粒杂质、锈斑、油污。清洁检验方法是将白布放在管线出口1 min，观察白布表面有无黑色的杂质。

此次改造中，所有气路管线都采用不锈钢，焊接时采用氩弧焊，所有管线都按照酸洗、蒸汽吹扫、风吹干的顺序进行处理，由于一级缓冲气管路介质为氢气，还对新配管线进行打压以及探伤处理。

2.2 本体安装

机组停机拆解，在推力盘未拆卸时，配合密封厂家技术人员测量机组转子的工作位置，从而确定干气密封的工作位置。仔细检查安装密封位置的转子表面以及腔体，确保表面没有毛刺、划痕等缺陷。

拆除原密封油系统管路，配合密封厂家技术人员确定改造后各个管路的作用，并用记号笔标出相对应干气密封控制系统的法兰编号以及中文名称，方便配管工作的进行。针对该机组密封位置的腔体的结构，将原密封的内漏油出口作为干气密封的一级缓冲气入口，原密封油入口作为一级泄漏气出口，原密封油出口作为二级缓冲气入口，原密封的外漏油出口作为二级泄漏气出口，原密封的氮气入口不变，作为干气密封的后置隔离气入口。

为保证密封的可靠性，安装工作放在控制系统配管结束后进行，并且管线已经进行了相关处理，与机组连接，控制系统吹扫后进行。该干气密封为集装式结构，出厂前已精密地装配成一体，安装时整体从轴端装入机组壳体内，便捷且轴向定位准确，避免了现场重新拆卸组装时引起的装配精度下降以及环境中的粉尘等杂质对密封的影响。安装时在密封系统厂家技术人员的指导下对各档尺寸进行测量，通过调整垫确定密封的工作位置。

该密封安装尺寸完全根据原密封尺寸设计，与密封相关部分不做任何修改，可保证万一发生不正常运行情况时能够立即恢复原轴封状态。

2.3 质量保证

在气源与干气密封控制系统仪表柜间有一工艺气预处理系统，作用是除去因温度降低而冷凝的烃类凝缩物以及水气，提高密封可靠性。

干气密封虽然在工作时端面为非接触，但在开停车时仍会有短暂的接触而产生轻微磨损，这就对密封材料提出了很高的要求。此次GB-701干气密封采用进口高致密浸渍金属石墨作为摩擦副的静环材料，国产优质高强度硬质合金作为动环材料，该两种材料具有很高的抗拉强度、弹性模量、热导率及硬度，较低的线膨胀因子，可保证机械变形和热变形极小，该组对应用于高参数干气密封已有成熟的经验。

密封的动、静环经严格粗磨、精磨、研磨、抛光、控制端面平面度小于0.6 μm[2]，所有零件的尺寸、形状、位置公差均要求比普通机械密封标准高1～2个等级。动环转子做动平衡试验，达到平衡品质等级G1.0[3]。动、静环均作探伤检测及摩擦磨损试验，静环作气密性试验，另外还进行了弹簧的疲劳性以及橡胶的耐蚀性等若干相关性能检测试验,提高了密封组件的质量保证水平。

3 干气密封运行维护

3.1 控制系统

GB-701改为干气密封以后，将原轴封的控制系统全部取消。干气密封系统测量仪表在现场检测的同时，对重要测量点采集的信号输出至控制室，并设置相应高低限位报警，使操作人员能及时了解密封的运行情况，确保该系统的可靠运行。安装在现场的仪表全部为本质安全型，并带防浪涌功能，防爆等级iaⅡCT4，接线盒为隔爆型，防爆等级dⅡCT4。压力、流量、差压变送器均输出4～20 mA模拟信号送入集散控制系统(DCS)，信号超限时，DCS输出报警信号进行声光报警，达到连锁停车值时，即时停车。

GB-701干气密封系统测量、报警及联锁如下。

(1)过滤器压差

PDT7404测量一级缓冲气过滤器前后差压，PDT7406测量氮气过滤器前后差压，高报值为0.08 MPa。

(2)一级缓冲气与参考气差压

由差压变送器PDT7402测量，设计正常值0.1 MPa，低报值为0.02 MPa。

(3)氮气压力

由压力变送器PT7410进行测量，正常值为0.6 MPa，低报值为0.3 MPa。

(4)一级泄漏气压力

由压力变送器PT7411、PT7413分别测量进口端和出口端一级泄漏气压力，设计正常值为0.06 MPa，高报值为0.1 MPa,高高报值为0.2 MPa。

(5)一级泄漏气流量

由金属管浮子流量计FT7412、FT7414分别测量进口端和出口端一级泄漏气流量，设计正常值6.5 m3/h，高报值为13 m3/h，高高报值为26 m3/h，低报值为3 m3/h。

(6)联锁停车

一级泄漏气流量FT7412、FT7414的高高报值26 m3/h与一级泄漏气压力PT7411、PT7413的高高报值0.2 MPa二取二作为联锁停车信号。

3.2 启动程序

(1)机组润滑油系统投用前，先开启干气密封控制系统，并按照先投用一级缓冲气，再投用二级缓冲气、最后隔离气的顺序开启。停机时先停机组润滑油系统，约20 min后停先隔离气，后停二级缓冲气，最后停一级缓冲气。

(2)在压缩机出口关闭的前提下，通入开机氮气作为一级缓冲气，关闭二级缓冲气，对一级密封进行静压试验。此时流量计FT7412、FT7414读数应为0。如流量超过0.2 m3/h，应查找原因。

(3)静压试验通过后，按照前述的控制系统操作步骤将控制系统投入使用，检查各测点参数情况，应在正常工作范围内，此时密封及系统准备就绪。

(4)按照机组操作说明启动润滑油系统。

(5)按压缩机操作规程启动压缩机。由于干气密封是以动压力迫使密封面脱离接触，而低速旋转产生的动压力却不能使密封面分离。因此在压缩机暖机时，应注意转速不低于1 000 r/min，并且尽可能缩短暖机时间，以避免因压力过低导致动静环密封面发生摩擦损伤。

3.3 日常维护

每天观察一级泄漏气流量，如有增加的趋势，可能预示着密封有失效的可能。通常应注意以下几点：

(1)因为密封的流体动压槽为单向螺旋槽，密封单向旋转，禁止反向旋转；

(2)确保缓冲气稳定，维持气源稳定是干气密封正常运行的基本条件；

(3)正常运转时关闭开车氮气的总阀门，防止工艺气渗漏到氮气管道中；

(4)过滤器压差达到报警值时应及时切换，并更换滤芯；

(5)当聚结器液位报警时对聚结器里的液体进行排放。

4 改造效果

从2012年4月密封改造开车以来，GB-701干气密封系统运行情况一直保持平稳状态：进口端一级泄漏气流量为7 m3/h，压力为0.057 MPa，出口端一级泄漏气流量为8 m3/h，压力为0.056 MPa，各值均在正常范围内，并未出现因机组轴封系统出现故障而导致的机组停车情况，干气密封系统的良好运行确保了GB-701机组的长周期运转。

项目实施后，在节能方面也取得不小的成绩。压缩机密封油系统取消后，密封油冷却器停用，按冷却器用水量为1 t/h计算，循环冷却水按0.4元/t价格计算，机组密封油系统可以每年节约循环水费用1×24×365×0.4=3 504元。

密封油泵停用，原密封油泵驱动汽轮机消耗1.3 MPa蒸汽(按0.75 t/h计算)，干气密封改造后，每年节约蒸汽6 570 t。蒸汽按38元/GJ计算, 全年共节约蒸汽成本：0.75×24×365×3.176 8×38=793 120元。

采用干气密封以后，不再消耗密封油，按GB-701原使用密封油(32#汽轮机油)每月消耗4.5桶，每桶1 495.75元计算，全年节约密封油成本：4.5×12×1 495.75=80 770元。

新增干气密封系统消耗氮气约40 m3/h，按491.84元/t价格计算，每1 m3氮气单价为0.615元，每年消耗氮气费用40×24×365×0.615=215 496元。

使用干气密封一年可节约3 504+793 120+80 770-215 496=600 698元。

5 结语

GB-701密封形式改为干气密封以来，不仅保证机组密封质量，确保机组平稳运行，还在节能 “低成本战略”有良好表现，此次 GB-701干气密封改造比较成功。

[1] 王金刚．石化装备流体密封技术[M] ．北京：中国石化出版社，2007．

[2] 王福利．压缩机组[M]. 北京：中国石化出版社，2012．

[3] 王书敏．离心式压缩机技术问答[M] ．北京：中国石化出版社，2012．

Dry Gas Seal Transformation for GB-701 Centrifugal Compressor

Jiang Xiaodong

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

The combined seal manner of mechanical seal plus modular floating ring seal for shaft of GB-701 centrifugal compressor in aromatics plant was introduced. In view of the poor adaptability of this seal manner in changing of plant production operating conditions, in order to ensure the long-term operation of unit and reduce operating cost, the shaft seal manner of GB-701 was transformed to dry gas seal during the overhaul, which achieved good operating results.

centrifugal compressor, shaft seal, energy conservation, dry gas seal

2015-08-24。

蒋小东，男，1986年出生，2009年毕业于江苏工业学院过程装备与控制工程专业，学士学位，工程师，长期从事化工机械设备管理工作。

1674-1099 (2015)05-0014-04

TH452

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