【壓縮機網】近年來，隨著人們安全、環保意識的提高，對石油化工及煤化工等能源行業的生產運行提出了更高的要求。據不完全統計，在煉油化工、煤化工、制藥等行業的生產裝置中，因旋轉機械的軸封泄漏引起的安全、環保事故占了非常大的比例，嚴重影響生產裝置長周期、穩定、安全生產運行。因此，解決旋轉機械軸封泄漏問題，特別是大型機組軸封向實現無泄漏、無污染、長壽命及運維費用低發展，已成為業內重要的共識和急需解決的問題。
隨著20世紀60年代末氣體潤滑軸承技術的發展，一種新型的、可靠的、軸封技術——干氣密封應運而生，它是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封，具有無介質泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優點，在石油化工、煤化工等工業行業的離心壓縮機等關鍵設備上得到廣泛的應用。
然而在生產運行中，因干氣密封控制系統的設計、選型及運行使用不到位，引起的干氣密封泄漏、失效等故障屢見不鮮。因此依據生產裝置的工藝操作工況及機組的運行情況，設計出一套可靠、合適的干氣密封控制系統，對確保機組的長周期、穩定、安全生產運行起著舉足輕重的作用。
1、干氣密封基本結構及工作原理
1.1 干氣密封基本結構
干氣密封是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封。如圖1-1所示，包含有靜環、動環組件(動環)、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。干氣密封的結構設計特點為在密封端面上開設動壓淺槽,其轉動形成的氣膜厚和流槽槽深均屬微米級,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合。
干氣密封動壓槽有單旋向和雙旋向,一般單旋向為螺旋槽，雙旋向常見有T型槽、樅樹槽和U型槽。如圖1-2所示，單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。而雙旋向樅樹槽則無旋向要求，正反轉都可以。單向槽相對于雙向槽，具有較大的流體動壓能，產生更大的氣膜反力和氣膜剛度，產生更好的穩定性。
1.2 干氣密封工作原理
如圖1-3，對于螺旋槽干氣密封，其工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動壓力之間的平衡。當密封氣體注入密封裝置時，使動、靜環受到流體靜壓力的作用。而流體的動壓力只是在轉動時才產生。如圖1-2所示，當動環隨軸轉動時，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產生動壓力，而密封堰對氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環與配對動環分開，當氣體壓力與彈簧力恢復平衡后，維持一最小間隙，形成氣膜，膜厚一般為3-5μm，使旋轉環和靜止環脫離接觸，從而端面幾乎無磨損，同時密封工藝氣體。
1.3干氣密封的類型
干氣密封基本結構類型有單端面密封、串聯式密封、帶中間迷宮串聯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、CO2壓縮機、空氣壓縮機等。
（2）串聯式密封
適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣的工況。一般采用兩級串聯布置方式，一級為主密封，二級為備用密封。正常工況下，全部或大部分負荷由主密封承擔，而二級備用密封不承受或承受小部分的負荷和壓力降。泄漏的主密封工藝氣被引入火炬系統燃燒，泄漏的極少量的工藝氣通過二級密封由二級放空引入安全地帶排放。當主密封失效時，二級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）帶中間迷宮的串聯式密封
它的結構特點為在串聯式密封的兩級之間加入迷宮密封結構。其中一級主密封氣為工藝氣，中壓N2為開停機輔助氣；二級密封和中間迷宮間、隔離氣都使用氮氣。當一級主密封失效時，二級密封起到輔助安全阻封和密封作用。適用于易燃、易爆、危險性大、不允許泄漏到大氣中、也不允許阻封氣進入到機內的工況。如氫氣壓縮機、CO壓縮機、乙烯、丙烯壓縮機等。
（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，但允使阻封氣進入機內的工況。其結構布置相當于面對面布置兩套單端面密封,有時兩個密封共用一個動環。一般采用氮氣作為阻塞氣體，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 。
2、離心式壓縮機干氣密封控制系統的組成
如圖2-1所示，某離心式壓縮機組干氣密封系統流程簡圖,該機組干氣密封控制系統由工藝氣密封氣系統、隔離氣密封系統、放火炬及高位放空監測系統組成，其中密封氣和隔離氣設計有氣源過濾處理單元、氣體壓力和流量調節控制單元，排放氣設置有火炬排放和高位放空，并設計有密封氣泄漏監測。
該機組干氣密封控制系統的控制流程：
（2）二級密封氣和后置隔離氣由管網低壓氮氣提供，經過濾處理、調壓和流量控制作為二級密封氣和后置隔離氣氣源。機組設計后置隔離氣密封系統目的是為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。
（3）同時設計有密封氣放火炬和緩沖、隔離氣高位防空系統。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監測干氣密封的泄漏情況。
因此，為了確保干氣密封控制系統可靠、長壽命穩定安全生產運行，應根據系統對密封介質質量、壓力、流量、溫度及生產運行工況的要求，機組干氣密封控制系統設計有過濾單元、調節控制單元和密封泄漏監測單元，對系統中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度及潔凈度等方面進行控制和監測，監測干氣密封運行狀況。干氣密封控制系統設計選型要注意以下幾個要點：
（1）一般情況下，對于輸送介質為富氣或氣體內含烴類物質較多的氣體則常采用N2作為密封氣；而對于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機出口工藝氣+氮氣備用氣方案為密封氣，同時應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，應保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過濾精度應達到3um以下，溫度應至少高于露點溫度10℃以上。
（2）密封氣、緩沖氣、隔離氣進行控制的系統，以滿足密封緩沖、隔離對氣體壓力、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。控制設計的要求一般為密封氣應保持與平衡管的壓差在 0.3 MPa以上,機內迷宮間隙最大時最小氣流速度為5 m/s。同時為了防止密封工藝氣壓力低，一般密封氣與平衡管壓差設計有低報警和低低報警聯鎖，啟用管網中壓氮氣進行補氣，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計密封泄漏監測。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監測干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實現，設計有流量低報警、高報警和高高報警停機聯鎖；壓力由孔板前壓力的變化實現，設計有壓力高報警和高高報警停機聯鎖。可采取3取2的聯鎖邏輯方式。
(4) 為了確保機組的安全運行，防止機組損壞，在機組開停車及密封失效故障緊急停車工況，干氣密封控制系統可設計有以下的聯鎖：
①各干氣密封一級排放氣流量正常的開機聯鎖。
②后置隔離氣壓力低開機前禁止潤滑油泵啟動聯鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
③一級排放氣壓力高高報警停機聯鎖和流量高高報警停機聯鎖。
3、離心式壓縮機干氣密封常見典型故障
離心式壓縮機干氣密封控制系統是離心式壓縮機非常重要的輔助系統，干氣密封可靠、穩定、長壽命運行是確保機組安、穩、長、滿、優運行的關鍵。因此了解和掌握干氣密封常見典型故障，對快速判斷和解決干氣密封故障，確保機組安全穩定運行。
（1）后置隔離密封失效，外側密封被污染
機組設計后置隔離氣密封系統目的為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。在使用過程中，可能會因為設計或操作方面的原因導致潤滑油污染密封端面。例如：軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網堵塞）、氣體設計流速低造成氣量過小、迷宮齒數或間隙不合適、孔板設計過小、系統控制問題、氮氣波動或供氣中斷、開停車操作順序錯誤、誤操作等等。
為了避免開車誤操作，一般設計后置隔離氣壓力低開機前禁止潤滑油泵啟動聯鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
（2）單向槽反轉
對于單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。在干氣密封使用過程中由于安裝錯誤導致驅動端與非驅動端裝反、機組停車不可避免存在反轉工況等存在，導致密封損壞，嚴重時環直接碎裂。
（3）低速工況長時間運行
在開機或低速暖機工況過程中，由于機組長時間低轉速運行，干氣密封沒有產生足夠的流體動壓力，沒有形成氣膜，容易導致密封磨損，嚴重時環直接碎裂。
因此，在開機過程中，不宜長時間低轉速運行，在正常運轉中，應該保持轉速恒定，調轉速時盡可能緩慢操作，以避免轉速波動太大對干氣密封產生不良的影響。
（4）開停車處理不當，密封污染
在開停車過程中，一級密封氣流量不容易保證，機內氣體容易反竄，造成一級密封端面的污染，因此可能在初試開車增壓過程中，壓力較低，泄漏量偏大。在對機組準備開車，進行沖壓前，必須先通過控制系統注入開車用密封氣，避免工藝氣反竄造成密封的污染；在停車過程中，應及時切換氣源，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）正常運行時，過濾系統失效，密封污染
在干氣密封現場運行中可能出現密封氣嚴重帶液，超出過濾器處理能力；過濾器堵塞后未及時切換，造成濾芯破損；氣源中含大量的細粉，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，對密封及系統均會造成影響等情況導致過濾系統失效，從而污染密封導致失效。因此，要定期檢查和清理過濾器，確保過濾器完好，達到過濾精度的要求，一般密封氣的過濾精度應達到3um以下。
（6）機組原因造成的密封失效
因機組故障，產生強烈振動，振動過大，并超出了密封能夠承受的范圍，引發密封損壞。因此，平常應加強機組的運行維護保養，特別是加強機組運行振動狀態監測，防止因機組振動過大導致干氣密失效。
4、結語
綜上，通過選型設計一套合適、完整、可靠的干氣密封控制系統，對于離心式壓縮機安、穩、長、滿生產運行起著非常重要的作用。同時機組在生產運行中，應加強機組的運行維護，時刻監測干氣密封系統的運行情況和泄漏狀況，及時的發現、消除和處理機組故障，確保裝置安、穩、長、滿、優生產運行。
隨著20世紀60年代末氣體潤滑軸承技術的發展，一種新型的、可靠的、軸封技術——干氣密封應運而生，它是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封，具有無介質泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優點，在石油化工、煤化工等工業行業的離心壓縮機等關鍵設備上得到廣泛的應用。
然而在生產運行中，因干氣密封控制系統的設計、選型及運行使用不到位，引起的干氣密封泄漏、失效等故障屢見不鮮。因此依據生產裝置的工藝操作工況及機組的運行情況，設計出一套可靠、合適的干氣密封控制系統，對確保機組的長周期、穩定、安全生產運行起著舉足輕重的作用。
1、干氣密封基本結構及工作原理
1.1 干氣密封基本結構
干氣密封是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封。如圖1-1所示，包含有靜環、動環組件(動環)、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。干氣密封的結構設計特點為在密封端面上開設動壓淺槽,其轉動形成的氣膜厚和流槽槽深均屬微米級,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合。
干氣密封動壓槽有單旋向和雙旋向,一般單旋向為螺旋槽，雙旋向常見有T型槽、樅樹槽和U型槽。如圖1-2所示，單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。而雙旋向樅樹槽則無旋向要求，正反轉都可以。單向槽相對于雙向槽，具有較大的流體動壓能，產生更大的氣膜反力和氣膜剛度，產生更好的穩定性。
1.2 干氣密封工作原理
如圖1-3，對于螺旋槽干氣密封，其工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動壓力之間的平衡。當密封氣體注入密封裝置時，使動、靜環受到流體靜壓力的作用。而流體的動壓力只是在轉動時才產生。如圖1-2所示，當動環隨軸轉動時，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產生動壓力，而密封堰對氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環與配對動環分開，當氣體壓力與彈簧力恢復平衡后，維持一最小間隙，形成氣膜，膜厚一般為3-5μm，使旋轉環和靜止環脫離接觸，從而端面幾乎無磨損，同時密封工藝氣體。
1.3干氣密封的類型
干氣密封基本結構類型有單端面密封、串聯式密封、帶中間迷宮串聯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、CO2壓縮機、空氣壓縮機等。
（2）串聯式密封
適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣的工況。一般采用兩級串聯布置方式，一級為主密封，二級為備用密封。正常工況下，全部或大部分負荷由主密封承擔，而二級備用密封不承受或承受小部分的負荷和壓力降。泄漏的主密封工藝氣被引入火炬系統燃燒，泄漏的極少量的工藝氣通過二級密封由二級放空引入安全地帶排放。當主密封失效時，二級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）帶中間迷宮的串聯式密封
它的結構特點為在串聯式密封的兩級之間加入迷宮密封結構。其中一級主密封氣為工藝氣，中壓N2為開停機輔助氣；二級密封和中間迷宮間、隔離氣都使用氮氣。當一級主密封失效時，二級密封起到輔助安全阻封和密封作用。適用于易燃、易爆、危險性大、不允許泄漏到大氣中、也不允許阻封氣進入到機內的工況。如氫氣壓縮機、CO壓縮機、乙烯、丙烯壓縮機等。
（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，但允使阻封氣進入機內的工況。其結構布置相當于面對面布置兩套單端面密封,有時兩個密封共用一個動環。一般采用氮氣作為阻塞氣體，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 。
2、離心式壓縮機干氣密封控制系統的組成
如圖2-1所示，某離心式壓縮機組干氣密封系統流程簡圖,該機組干氣密封控制系統由工藝氣密封氣系統、隔離氣密封系統、放火炬及高位放空監測系統組成，其中密封氣和隔離氣設計有氣源過濾處理單元、氣體壓力和流量調節控制單元，排放氣設置有火炬排放和高位放空，并設計有密封氣泄漏監測。
該機組干氣密封控制系統的控制流程：
（2）二級密封氣和后置隔離氣由管網低壓氮氣提供，經過濾處理、調壓和流量控制作為二級密封氣和后置隔離氣氣源。機組設計后置隔離氣密封系統目的是為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。
（3）同時設計有密封氣放火炬和緩沖、隔離氣高位防空系統。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監測干氣密封的泄漏情況。
因此，為了確保干氣密封控制系統可靠、長壽命穩定安全生產運行，應根據系統對密封介質質量、壓力、流量、溫度及生產運行工況的要求，機組干氣密封控制系統設計有過濾單元、調節控制單元和密封泄漏監測單元，對系統中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度及潔凈度等方面進行控制和監測，監測干氣密封運行狀況。干氣密封控制系統設計選型要注意以下幾個要點：
（1）一般情況下，對于輸送介質為富氣或氣體內含烴類物質較多的氣體則常采用N2作為密封氣；而對于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機出口工藝氣+氮氣備用氣方案為密封氣，同時應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，應保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過濾精度應達到3um以下，溫度應至少高于露點溫度10℃以上。
（2）密封氣、緩沖氣、隔離氣進行控制的系統，以滿足密封緩沖、隔離對氣體壓力、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。控制設計的要求一般為密封氣應保持與平衡管的壓差在 0.3 MPa以上,機內迷宮間隙最大時最小氣流速度為5 m/s。同時為了防止密封工藝氣壓力低，一般密封氣與平衡管壓差設計有低報警和低低報警聯鎖，啟用管網中壓氮氣進行補氣，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計密封泄漏監測。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監測干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實現，設計有流量低報警、高報警和高高報警停機聯鎖；壓力由孔板前壓力的變化實現，設計有壓力高報警和高高報警停機聯鎖。可采取3取2的聯鎖邏輯方式。
(4) 為了確保機組的安全運行，防止機組損壞，在機組開停車及密封失效故障緊急停車工況，干氣密封控制系統可設計有以下的聯鎖：
①各干氣密封一級排放氣流量正常的開機聯鎖。
②后置隔離氣壓力低開機前禁止潤滑油泵啟動聯鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
③一級排放氣壓力高高報警停機聯鎖和流量高高報警停機聯鎖。
3、離心式壓縮機干氣密封常見典型故障
離心式壓縮機干氣密封控制系統是離心式壓縮機非常重要的輔助系統，干氣密封可靠、穩定、長壽命運行是確保機組安、穩、長、滿、優運行的關鍵。因此了解和掌握干氣密封常見典型故障，對快速判斷和解決干氣密封故障，確保機組安全穩定運行。
（1）后置隔離密封失效，外側密封被污染
機組設計后置隔離氣密封系統目的為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。在使用過程中，可能會因為設計或操作方面的原因導致潤滑油污染密封端面。例如：軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網堵塞）、氣體設計流速低造成氣量過小、迷宮齒數或間隙不合適、孔板設計過小、系統控制問題、氮氣波動或供氣中斷、開停車操作順序錯誤、誤操作等等。
為了避免開車誤操作，一般設計后置隔離氣壓力低開機前禁止潤滑油泵啟動聯鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。
（2）單向槽反轉
對于單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。在干氣密封使用過程中由于安裝錯誤導致驅動端與非驅動端裝反、機組停車不可避免存在反轉工況等存在，導致密封損壞，嚴重時環直接碎裂。
（3）低速工況長時間運行
在開機或低速暖機工況過程中，由于機組長時間低轉速運行，干氣密封沒有產生足夠的流體動壓力，沒有形成氣膜，容易導致密封磨損，嚴重時環直接碎裂。
因此，在開機過程中，不宜長時間低轉速運行，在正常運轉中，應該保持轉速恒定，調轉速時盡可能緩慢操作，以避免轉速波動太大對干氣密封產生不良的影響。
（4）開停車處理不當，密封污染
在開停車過程中，一級密封氣流量不容易保證，機內氣體容易反竄，造成一級密封端面的污染，因此可能在初試開車增壓過程中，壓力較低，泄漏量偏大。在對機組準備開車，進行沖壓前，必須先通過控制系統注入開車用密封氣，避免工藝氣反竄造成密封的污染；在停車過程中，應及時切換氣源，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）正常運行時，過濾系統失效，密封污染
在干氣密封現場運行中可能出現密封氣嚴重帶液，超出過濾器處理能力；過濾器堵塞后未及時切換，造成濾芯破損；氣源中含大量的細粉，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，對密封及系統均會造成影響等情況導致過濾系統失效，從而污染密封導致失效。因此，要定期檢查和清理過濾器，確保過濾器完好，達到過濾精度的要求，一般密封氣的過濾精度應達到3um以下。
（6）機組原因造成的密封失效
因機組故障，產生強烈振動，振動過大，并超出了密封能夠承受的范圍，引發密封損壞。因此，平常應加強機組的運行維護保養，特別是加強機組運行振動狀態監測，防止因機組振動過大導致干氣密失效。
4、結語
綜上，通過選型設計一套合適、完整、可靠的干氣密封控制系統，對于離心式壓縮機安、穩、長、滿生產運行起著非常重要的作用。同時機組在生產運行中，應加強機組的運行維護，時刻監測干氣密封系統的運行情況和泄漏狀況，及時的發現、消除和處理機組故障，確保裝置安、穩、長、滿、優生產運行。
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