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羰基合成高速离心压缩机千气密封的研制与应用

2018-05-16

      随着石油化工及能源工业的发展,作为心脏部分的离心压缩机的工作参数越来越高,对压缩机轴封的要求也越来越严。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,它主要用于管线、海洋平台、炼油厂、石油化工等行业,适合于任何输送气体的系统。另外,干气密封的出现也改变了传统的密封观念;将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合,用“气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念,可保证任何密封介质实现零逸出,这就使得干气密封在泵用轴封领域也将有广泛的应用前景。 

      1采用的技术方案和技术路线

      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。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,此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明,当干气密封两端面间的间隙在2—3微米时,通过间隙的气体流动层最为稳定。这就是干气密封气膜厚度设计值选定在2—3微米的主要原因。通过对3101压缩机机组结构分析,在不改变原设备结构的情况下,采用串联式干气密封结构,改造后干气密封的外形安装尺寸与原密封完全一样。串联式干气密封由两套干气密封一前一后串联组成,前密封承受工艺的绝大部分压力,后密封承受很小的压力,前密封失效时后密封可以承受全部系统压力,起到备用密封的作用。串联式干气密封的密封气体为经过过滤的工艺气体,经过两级干气密封,只有很微量的工艺气体泄漏,此泄漏工艺气体经过缓冲气体(氮气)的阻隔作用,最后被集中处理排放。该串联式干气密封的动压槽加工在动环端面上,动环采用SiC材料,该材料具有表 

面硬度高、耐磨性能好、热传导系数大、比重小等优点。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 
      2.3101离心压缩机干气密封端面结构参数优化 
       理论上讲,干气密封端面上加工任何槽型均可产生流体动压效应。研究表明,螺旋槽干气密封工作时产生的流体动压效应最强,密封端面间产生的气膜刚度最大,为此采用螺旋槽干气密封结构。为了保证研制的 3101羰基合成高速离心压缩机千气密封具有良好的密封性能,应对干气密封端面螺旋槽结构参数进行优化。优化时,把获得干气密封具有最佳的气膜刚度作为优化目标,同时对干气密封的刚漏比进行计算,将干气密封 的最大刚漏比作为优化的参考目标。优化时采用逐一优化的方法,即在其余参数不变的情况下,对其中的一个参数进行变化,从而找到其最佳值。螺旋槽密封面结构的优化:
     2.1槽深的影响在讨论槽深的影响时,为使问题简单化,假定槽密封面的其他结构参数不变,这样不断变化槽的槽深,观察其对密封性能的影响。通过大量数值计算,得到了槽深影响密封性能的曲线,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最大。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螺旋角的影响 
    当螺旋角为l4(左右时,密封的气膜刚度、刚漏比和承载能力达到最大值,三组曲线表明螺旋角对密封的性能影响也很大。 
     2.3螺旋槽槽宽的影响 
    当槽宽坝宽比在0.6左右时,密封的气膜刚度、刚漏比、承载能力达到最大值。但总的说来,槽宽坝宽比在0.4~l范围内,密封的性能变化不是很大。 
     2.4螺旋槽槽长的影响 
     当槽长与坝长之比小于I.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,槽长坝长比的最佳取值范围为1.5— 2,三组曲线表明,槽长坝长比对密封的性能具有一定的影响。 

     3.3101羰基合成高速离心压缩机干气密封控制系统

      干气密封控制系统是干气密封的重要组成部分,它主要由密封气过滤单元和密封气泄漏监测单元组成 控制系统为干气密封长周期稳定可靠运行提供了保障。干气密封工作时密封面间形成的气膜厚度在2— 3微米左右,密封气中大于该粒度的固体颗粒会对密封面产生损坏,从而影响 密封的使用寿命。这就要求进入干气密封端面的密封气体非常干净,实际应用中一般通过采用高精度过滤器来完成。干气密封属于非接触密封,必然存在密封气体的泄漏。干气密封正是以微量的气体泄漏为代价换取其长周期的使用寿命。干气密封的泄漏量是否稳定,直接反映了干气密封运行的状态。因此,有必要对干气密封的泄 漏进行监测,保证干气密封运行的安全性。 

      3101羰基合成高速离心压缩机干气密封控制系统包括三部分,即密封气过滤单元、干气密封泄漏监测单元、密封隔离气单元。密封气过滤单元是干气密封控制系统的核心,工艺气体通过过滤单元进入干气密封,保证密 
封面不受颗粒杂质的损坏,为干气密封长周期运转提供保障。 
     4.干气密封的研制与应用结论 
      通过近两年的艰苦工作,完成了“羰基合成高速离心压缩机干气密封研制与应用”的研制任务,现总结如下: 
    4.1 在理论上,利用现代数值计算技术,采用有限元法对干气密封工作原理进行了研究,编制出了专门用于干气密封优化设计的计算程序,使得干气密封的设计变得非常容易。 
    4.2用有限元法对羰基合成高速离心压缩机干气密封进行端面槽型结构参数优化设计,保证干气密封具有良好的密封性能和密封运转的可靠性。 
    4.3干气密封的加工难点在于如何加工密封面动压槽,因为动压槽的深度很浅,一般的机械加工无法完成。经多次探索,用电加工的办法解决了这一难题,实践证明该办法切实可行。

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