压缩装置的改进与优化

大庆石化分公司化工一厂新区乙烯裂解装置于1999年建成投产，其关键设备是裂解气压缩机EC－1301。该机轴封原设计采用浮环密封，投用后一直存在密封油跑油、进入到工艺系统、造成加氢反应器催化剂活性下降、前冷系统冷箱冻堵和系统波动，给装置带来经济损失，不利于装置的“安、稳、长、满、优”生产。

2002年6月和2004年7月分别对该机的高、中、低压缸进行了干气密封改造。

1干气密封原理干气密封是20世纪60年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。

利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。具有6个优点。（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）避免工艺气体被油污染的可能性；密封使用寿命长、运行稳定可靠；（4）密封功率消耗少，仅为接触式机械密封的5％左右；（5）与其他接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小；可实现介质的零逸出，是一种环保型密封、密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护。

典型的干气密封结构，由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。干气密封旋转环见图2，旋转环密封面经过研磨、抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。

干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，气膜厚度一般在3μm左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时，通过间隙的气体流动层*为稳定。

2干气密封改造（以高压缸为例）2.1压缩机工艺条件处理气体：裂解气；旋向：沿顺时针方向旋转（从驱动装置往压缩机看）；正常转速：7160r／min；吸入温度／压力：－29℃／1.2MPa；排出温度／压力：63.8℃／3.915MPa；进口流量：5377m 3／h；功率：3532kW。

2.2干气密封改造设计2.2.1干气密封结构设计离心式压缩机根据工况不同可采用4种密封结构。（1）单端面干气密封；（2）串联式干气密封；（3）带中间迷宫的串联干气密封；（4）双端面干气密封。

单级干气密封主要用于中低压条件下，允许少量工艺气泄漏到环境中的场合。如空气、氮气、二氧化碳等气体的密封。

串联式干气密封是高速离心压缩机轴封中采用的*多的一种密封型式。密封气为工艺介质气，保证了工艺介质不受外来气体的污染。在串联结构中，两个单封被前后放置形成两级密封。介质侧密封（主密封）和大气侧密封（辅助密封）能够承受全部压力差。在一般的操作中，介质侧的密封承受了全部压差，大气侧密封所承受的压力与火炬压力相同，因此介质泄漏到大气侧和到排放气口的量几乎为零。在此结构使用过程中，当主密封失败时，辅助密封可以作为安全密封，保证介质不会泄漏到大气中。

带中间迷宫的串联密封结构的典型应用是不允许介质泄漏到大气中，如H 2压缩机、H 2 S含量较高的天然气压缩机（酸气）和乙烯、丙烯压缩机。双端面干气密封的密封气为外部引用的非工艺介质气体，密封气压力应高于工艺气体压力0.2～0.3MPa；适用于有毒、可燃或工艺中含有颗粒的气体，该类密封一般采用氮气作为阻隔介质。通过以上分析及比较，结合EC－1301机组结构，在不改变原设备结构的情况下，选用串联式干气密封。

2.2.2密封材质设计干气密封的动压槽加工在动环端面上，干气密封的动环材质为SiC是一种精细陶瓷材料，主要性能指标见表1。具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、导热性能好、抗热震性好、密度小等优点，是目前*好的一种摩擦副材料，广泛应用于石油、化工、机械、冶金、航空、汽车等领域。密封静环采用浸渍金属碳石墨材料，该材料具有强度高、自润滑性好、耐高温等特点。

2.2.3螺旋槽密封面结构的优化2.2.3.1槽深的影响螺旋槽密封槽深对密封的承载能力、气膜刚度、刚漏比、泄漏量有影响，当螺旋槽密封的槽深为设计气膜厚度的3.5倍左右时，密封的气膜刚度、刚漏比以及承载能力*大。螺旋槽深度对密封的性能影响很大，因此密封加工时，槽深的精度控制对干气密封来说非常重要。

2.2.3.2螺旋角的影响螺旋角对密封性能的影响，当螺旋角为14°左右时，密封的气膜刚度、刚漏比和承载能力达到*大值，三组曲线表明螺旋角对密封的性能影响也很大。

2.2.3.3螺旋槽槽宽的影响螺旋槽槽宽坝宽比对密封性能的影响，槽宽坝宽比在0.6左右时，密封的气膜刚度、刚漏比、承载能力达到*大值。但总的说来，槽宽坝宽比在0.4～1.0范围内，密封的性能变化不是很大。

2.2.3.4螺旋槽槽长的影响螺旋槽槽长坝长比对密封性能的影响，当槽长与坝长之比小于1.5时，干气密封的刚度、刚漏比、气膜承载能力变化较大。综合考虑，槽长坝长比的*佳取值范围为1.5～2.0。

2.2.3.5螺旋槽槽数的影响螺旋槽槽数对密封性能的影响。计算表明，随着螺旋槽槽数的增加，干气密封的气膜刚度、刚漏比、气膜承载能力均有所提高。当螺旋槽槽数增加到30以后，密封性能变化已经很小。考虑加工工艺上的原因，干气密封螺旋槽数量选择在10～30为宜。

2.2.3.6干气密封设计计算根据EC－1301离心压缩机干气密封端面结构参数优化结果，*终确定了干气密封端面结构参数。

螺旋槽深度：（8±1）μm；螺旋角：14°；螺旋槽槽长堰长比：1.5；螺旋槽槽宽堰宽比：1；螺旋槽槽数：18；密封端面尺：R i＝62mm；R o＝81.25mm；干气密封工作参数为：介质平均粘度：μ＝1.42×10－5 Pas；密封转速：N＝7190r／min；工作气膜厚度：H o＝3μm；工作压力：P＝1.7MPa。

将以上干气密封结构参数和工作参数输入编制的计算程序，即可得到密封性能参数：气膜承载能力W＝13154.55N，泄漏量Q＝0.85×10 3 mL／h，静止环需要的弹簧补偿力为168.76N；端面相对运动产生摩擦扭矩为0.22Nm；级端面相对运动的功率消耗为198.51W；摩擦系数为0.21×10－4。

2.3密封气选择原设计方案密封气为裂解气或乙烯。采用高压裂解气做密封气，密封气源压力稳定可靠，缺点是裂解气在高温下会产生结焦现象，而结焦对干气密封影响很大，甚至直接损坏干气密封。虽然采用降温的方法能减小裂解气结焦的程度，但长期使用仍然有一定的危险性。

*后通过交流比对，决定采用如下方法：开工初期，用乙烯做密封气，保证机组和干气密封的顺利运行，运行稳定后将密封气切至从加氢反应器后来的裂解气（组分见表1），此处的裂解气，组分较轻，多为烷烃及烯烃，不易结焦，含水份少，杂质少，适合做密封气。

2.4干气密封性能测试在干气密封投用前，在成都一通公司的高速试验台上，对1＃、2＃干气密封性能进行了模拟试验，除密封气为氮气外，其余参数均与压缩机实际运行参数一致，并进行了超速、超压试验。性能测试试验合格。

3结束语2002年7月，该机高压缸干气密封投入运行；2004年8月，中、低压缸干气密封投入运行。目前，干气密封运行稳定可靠，标定数据在设计范围之内，较好的解决了原浮环密封导致的严重影响装置安全生产的重大问题，至此，EC－1301首次国产化干气密封改造成功。