循環氣壓縮機密封系統改造
天津石化公司環氧乙烷／乙二醇裝置的循環氣壓縮機是美國A-C公司制造，型號DH3M，功率2200kW，轉速9098r/min的單級離心式壓縮機。密封采用A-C公司的專利技術，T.B.S.(TRAPPED BUSHING SEAL）密封。從1995年底投產以來，由于密封件頻繁損壞，停機檢修5次，造成裝置停車總計113天，帶來很大經濟損失。鑒于此，決定采用干氣密封替代T.B.S．密封。
一、壓縮機參數
入口壓力 1.397MPa；入口溫度35.2℃；出口壓力1. 862MPa；出口溫度62℃；最大工作壓力2.344MPa；最大體積流量18000m3/h；平均分子量23.6；密封平均線速度61m/s。
二、T.B.S．密封失效分析
1.T.B.S．密封為浮環密封的變型，屬于非接觸密封（圖1)。因為工藝氣中嚴禁帶油，所以以水為密封介質。密封原理為壓縮機啟動后，水箱中的水在泵的作用下進入T.B.S．密封動、靜套之間的間隙，形成穩定、堅固的液膜，將徑向為自由狀態的靜套浮起，以隔離工藝介質和大氣，達到密封作用。
圖1
2.T.B.S．密封，其靜套是靠氟膠O形圈與機殼固定。0形圈過盈大小對靜環的自由浮動產生約束，不能保證靜套徑向的自由浮動。
3．動套與軸之間過盈配合與軸一起旋轉。動套和靜套的徑向間隙0.05一0.06mm。由于壓縮機為單級懸臂式，轉子的重心不在兩軸承之間，靜止時轉子葉輪側呈現“低頭”，聯軸器側呈現“抬頭”（這種情況出現在軸上安裝葉輪之后）。因而開、停車時，轉子有個搖頭過程，雖然時間很短，但靜、動套之間發生摩擦，造成動、靜套之間咬合，導致密封迅速失效。
4.T.B.S密封原設計在靜套內表面有碳化鎢鍍層就是基于抵抗摩擦的考慮。然而對于嚴重的摩擦，鍍層被剝離，堅硬的剝離碎片卡在兩套之間，因而成為兩套抱死的主要原因。（檢修過程中，將抱在一起的動靜套拆開后，發現動、靜套間存在剝離的鍍層碎片。）
5．密封結構中靜套沒有防轉銷，在受到較大的摩擦后靜套旋轉，先是0形圈破壞，繼而大量水向兩端泄漏，造成壓縮機振動后聯鎖停車。
6.0形圈破壞后，靜套與機殼摩擦，機殼被磨損。
三、用干氣密封改造
干氣密封具有膜式密封和機械密封兩者的優點。靜止的干氣密封與機械密封完全一樣，密封面為接觸狀態，不會泄漏工藝介質。旋轉起來后在動、靜盤之間形成3-5μm厚的氣膜，使動、靜盤脫離接觸，干氣介質微量進入機器內，同時保證工藝介質不向外界泄漏。干氣密封常見的是單列螺旋槽密封面（圖2)。
本文改造采用的干氣密封為鼎名公司專利技術，即“下游泵送雙列螺旋槽端面密封”（圖3)，其基本特征是：在旋轉環或靜止環的密封端面上，或者同時在這兩個端面上設置兩列螺旋槽，一列位于高壓側，即上游，另一列位于低壓側，即下游，兩列螺旋槽的螺旋角方向相反；位于上游一列螺旋槽的徑向高度大于或等于位于下游一列螺旋槽的徑向高度，兩列螺旋槽總的效果是將密封流體自上游向下游泵送。
圖2 圖3
為便于分析，僅以上、下兩列螺旋槽互相銜接（呈倒人字形）的一種為例，并假設位于上游一列螺旋槽的徑向高度與單列螺旋槽的徑向高度相同。單列螺旋槽下游的平面環帶部分被一列反向螺旋槽所代替。位于下游的平面環帶，對上游螺旋槽泵送下來的密封流體起節流，即被動的“阻擋”作用；而在雙列螺旋槽密封中，位于下游的反向螺旋槽對密封流體起主動的“推擋”作用，從而形成如圖4所示的壓力分布。
在相同的條件下，雙列螺旋槽端面密封比單列螺旋槽端面密封具有更大的開啟力，因而具有更大流體膜厚度；或者在相同的膜厚度下，具有更大的流體膜剛度。因此，該密封比單列螺旋槽端面密封在相同的條件下有更大的承載能力，抗干擾能力更強，密封可靠性更高，壽命更長。
圖4
四、干氣密封系統流程
正常情況下所用的密封氣為乙烯，主要是因為用乙烯作密封氣泄漏進循環氣后，對環氧乙烷反應系統沒有影響。來自乙烯管線的3.5MPa乙烯（環境溫度）經自力式壓力調節閥PCV272調節至2.5-3MPa，然后經過濾器G1、G2（或G3、G4）進行二級過濾后，分兩路進入壓縮機密封腔內（圖5)。一路經過金屬管浮子流量計進入主密封面腔班中，通過流量表FR271對其流量進行檢測；一路經差壓調節閥PDIC275進入壓縮機密封腔II中，推動密封活塞使靜密封面分離，這一差壓調節閥的作用是對Ⅱ、Ⅲ腔壓差進行調節，保證Ⅲ腔比Ⅱ腔壓力高0.5MPa左右。進人Ⅱ、Ⅲ腔的氣體大部分泄漏進入循環氣中，少量通過連于I腔的管線通過閥V25在高點放空至大氣中。
圖5
在乙烯裝置停車或其它原因導致乙烯氣體的壓力下降至2MPa時，則通過壓力開關PS170將連于V103罐上高壓氮氣線上的電磁閥SDV170自動打開，這時，高壓氮氣取代乙烯成為干氣密封的氣源。
為保護K101，防止其因過分頻繁啟動造成損壞，增加氮壓機K102。在正常操作中，盡量由K102為V102/V1O3供氣，K101、K102各自具有自啟動/停止的連鎖，但設定值不同，K101為4.1/4.6MPa, K102為4.3/4.7MPa。
五、干氣密封系統控制方案
1．保證有一定量的干氣經過Ⅱ腔進入壓縮機，這樣可以防止循環氣中的酸性介質竄入密封內，保證密封不受侵蝕。干氣密封系統控制指標是進入Ⅲ腔氣體壓力至少要比進入Ⅱ腔氣體壓力高0.3MPa。因為進入Ⅲ腔氣體流量很小，而Ⅱ腔是與工藝介質相連通的，進入Ⅱ腔氣體流量較進入Ⅲ腔氣體流量大，所以，可以調節進入Ⅱ腔氣體流量來達到控制壓差的目的。
2．當氣源壓力波動，可調節自力式壓力調節閥PCV272，使Ⅱ、Ⅲ腔壓差達到穩定值。
3．差壓調節閥PDIC275出現故障時，可以讓進入Ⅱ腔氣體走旁路，通過音速孔板限制進入Ⅱ腔氣體流量、壓力，以實現Ⅱ、Ⅲ腔壓差穩定。
4．該系統設有兩個氣源，長期停車后開車需用氮氣源，正常運行采用乙烯干氣源。氮氣干氣源用于短期操作，起到備用作用。
六、干氣密封系統連鎖方案
1．乙烯/氮氣自動切換
乙烯壓力≤2.5MPa時，自動切換至以氮氣為密封介質，保證密封氣體壓力穩定，此連鎖由HONEYWELL的TDC一3000/APM來實現。
2. K102自啟/停聯鎖
由于原有的氮氣壓縮機K101是保證裝置開、停車用的，若發生故障，整個裝置將停車。當以氮氣為密封介質時，K101將增加開、停次數。為保證裝置安全生產，減少K101開、停次數，新增一臺小型壓縮機K102以保證密封氣體的用量。設定值是：V103罐壓力＜4.5MPa時，K102啟動；V103罐壓力≥5.OMPa時，K102停。此聯鎖由HONEYWELL的TDC-3000/APM來實現。
3.K201壓縮機緊急停車聯鎖
當Ⅲ腔和Ⅱ腔之間壓差＜0.3MPa，壓縮機停車。此聯鎖信號進現場壓縮機控制盤內的Series 90-30可編程控制器。
4.Ⅲ腔流量監視
進入Ⅲ腔流量＞9m3/h（標準）時，控制室報警。工藝人員可以手動將壓縮機停車。此點進HONEYWELL的TDC-3000/APM。
七、改造效果
1.干氣密封各項參數穩定。密封干氣消耗量很小，總消耗量在1m3/h左右。
2．滿足機器處于高氣壓下啟動的特性，裝置臨時停車檢修，壓縮機短時間停機后啟動，此時系統仍處于高壓下1.3-1.6MPa。
3．滿足了軸位移的要求
壓縮機轉子的軸位移要求控制在0.25-0.33mm范圍內。本次安裝軸位移實測值為0.26土0.13mm。
4．滿足API617國際標準的要求，連續三年操作無須停車檢修。