循环气压缩机密封系统改造
天津石化公司环氧乙烷／乙二醇装置的循环气压缩机是美国A-C公司制造，型号DH3M，功率2200kW，转速9098r/min的单级离心式压缩机。密封采用A-C公司的专利技术，T.B.S.(TRAPPED BUSHING SEAL）密封。从1995年底投产以来，由于密封件频繁损坏，停机检修5次，造成装置停车总计113天，带来很大经济损失。鉴于此，决定采用干气密封替代T.B.S．密封。
一、压缩机参数
入口压力 1.397MPa；入口温度35.2℃；出口压力1. 862MPa；出口温度62℃；最大工作压力2.344MPa；最大体积流量18000m3/h；平均分子量23.6；密封平均线速度61m/s。
二、T.B.S．密封失效分析
1.T.B.S．密封为浮环密封的变型，属于非接触密封（图1)。因为工艺气中严禁带油，所以以水为密封介质。密封原理为压缩机启动后，水箱中的水在泵的作用下进入T.B.S．密封动、静套之间的间隙，形成稳定、坚固的液膜，将径向为自由状态的静套浮起，以隔离工艺介质和大气，达到密封作用。
图1
2.T.B.S．密封，其静套是靠氟胶O形圈与机壳固定。0形圈过盈大小对静环的自由浮动产生约束，不能保证静套径向的自由浮动。
3．动套与轴之间过盈配合与轴一起旋转。动套和静套的径向间隙0.05一0.06mm。由于压缩机为单级悬臂式，转子的重心不在两轴承之间，静止时转子叶轮侧呈现“低头”，联轴器侧呈现“抬头”（这种情况出现在轴上安装叶轮之后）。因而开、停车时，转子有个摇头过程，虽然时间很短，但静、动套之间发生摩擦，造成动、静套之间咬合，导致密封迅速失效。
4.T.B.S密封原设计在静套内表面有碳化钨镀层就是基于抵抗摩擦的考虑。然而对于严重的摩擦，镀层被剥离，坚硬的剥离碎片卡在两套之间，因而成为两套抱死的主要原因。（检修过程中，将抱在一起的动静套拆开后，发现动、静套间存在剥离的镀层碎片。）
5．密封结构中静套没有防转销，在受到较大的摩擦后静套旋转，先是0形圈破坏，继而大量水向两端泄漏，造成压缩机振动后联锁停车。
6.0形圈破坏后，静套与机壳摩擦，机壳被磨损。
三、用干气密封改造
干气密封具有膜式密封和机械密封两者的优点。静止的干气密封与机械密封完全一样，密封面为接触状态，不会泄漏工艺介质。旋转起来后在动、静盘之间形成3-5μm厚的气膜，使动、静盘脱离接触，干气介质微量进入机器内，同时保证工艺介质不向外界泄漏。干气密封常见的是单列螺旋槽密封面（图2)。
本文改造采用的干气密封为鼎名公司专利技术，即“下游泵送双列螺旋槽端面密封”（图3)，其基本特征是：在旋转环或静止环的密封端面上，或者同时在这两个端面上设置两列螺旋槽，一列位于高压侧，即上游，另一列位于低压侧，即下游，两列螺旋槽的螺旋角方向相反；位于上游一列螺旋槽的径向高度大于或等于位于下游一列螺旋槽的径向高度，两列螺旋槽总的效果是将密封流体自上游向下游泵送。
图2 图3
为便于分析，仅以上、下两列螺旋槽互相衔接（呈倒人字形）的一种为例，并假设位于上游一列螺旋槽的径向高度与单列螺旋槽的径向高度相同。单列螺旋槽下游的平面环带部分被一列反向螺旋槽所代替。位于下游的平面环带，对上游螺旋槽泵送下来的密封流体起节流，即被动的“阻挡”作用；而在双列螺旋槽密封中，位于下游的反向螺旋槽对密封流体起主动的“推挡”作用，从而形成如图4所示的压力分布。
在相同的条件下，双列螺旋槽端面密封比单列螺旋槽端面密封具有更大的开启力，因而具有更大流体膜厚度；或者在相同的膜厚度下，具有更大的流体膜刚度。因此，该密封比单列螺旋槽端面密封在相同的条件下有更大的承载能力，抗干扰能力更强，密封可靠性更高，寿命更长。
图4
四、干气密封系统流程
正常情况下所用的密封气为乙烯，主要是因为用乙烯作密封气泄漏进循环气后，对环氧乙烷反应系统没有影响。来自乙烯管线的3.5MPa乙烯（环境温度）经自力式压力调节阀PCV272调节至2.5-3MPa，然后经过滤器G1、G2（或G3、G4）进行二级过滤后，分两路进入压缩机密封腔内（图5)。一路经过金属管浮子流量计进入主密封面腔班中，通过流量表FR271对其流量进行检测；一路经差压调节阀PDIC275进入压缩机密封腔II中，推动密封活塞使静密封面分离，这一差压调节阀的作用是对Ⅱ、Ⅲ腔压差进行调节，保证Ⅲ腔比Ⅱ腔压力高0.5MPa左右。进人Ⅱ、Ⅲ腔的气体大部分泄漏进入循环气中，少量通过连于I腔的管线通过阀V25在高点放空至大气中。
图5
在乙烯装置停车或其它原因导致乙烯气体的压力下降至2MPa时，则通过压力开关PS170将连于V103罐上高压氮气线上的电磁阀SDV170自动打开，这时，高压氮气取代乙烯成为干气密封的气源。
为保护K101，防止其因过分频繁启动造成损坏，增加氮压机K102。在正常操作中，尽量由K102为V102/V1O3供气，K101、K102各自具有自启动/停止的连锁，但设定值不同，K101为4.1/4.6MPa, K102为4.3/4.7MPa。
五、干气密封系统控制方案
1．保证有一定量的干气经过Ⅱ腔进入压缩机，这样可以防止循环气中的酸性介质窜入密封内，保证密封不受侵蚀。干气密封系统控制指标是进入Ⅲ腔气体压力至少要比进入Ⅱ腔气体压力高0.3MPa。因为进入Ⅲ腔气体流量很小，而Ⅱ腔是与工艺介质相连通的，进入Ⅱ腔气体流量较进入Ⅲ腔气体流量大，所以，可以调节进入Ⅱ腔气体流量来达到控制压差的目的。
2．当气源压力波动，可调节自力式压力调节阀PCV272，使Ⅱ、Ⅲ腔压差达到稳定值。
3．差压调节阀PDIC275出现故障时，可以让进入Ⅱ腔气体走旁路，通过音速孔板限制进入Ⅱ腔气体流量、压力，以实现Ⅱ、Ⅲ腔压差稳定。
4．该系统设有两个气源，长期停车后开车需用氮气源，正常运行采用乙烯干气源。氮气干气源用于短期操作，起到备用作用。
六、干气密封系统连锁方案
1．乙烯/氮气自动切换
乙烯压力≤2.5MPa时，自动切换至以氮气为密封介质，保证密封气体压力稳定，此连锁由HONEYWELL的TDC一3000/APM来实现。
2. K102自启/停联锁
由于原有的氮气压缩机K101是保证装置开、停车用的，若发生故障，整个装置将停车。当以氮气为密封介质时，K101将增加开、停次数。为保证装置安全生产，减少K101开、停次数，新增一台小型压缩机K102以保证密封气体的用量。设定值是：V103罐压力＜4.5MPa时，K102启动；V103罐压力≥5.OMPa时，K102停。此联锁由HONEYWELL的TDC-3000/APM来实现。
3.K201压缩机紧急停车联锁
当Ⅲ腔和Ⅱ腔之间压差＜0.3MPa，压缩机停车。此联锁信号进现场压缩机控制盘内的Series 90-30可编程控制器。
4.Ⅲ腔流量监视
进入Ⅲ腔流量＞9m3/h（标准）时，控制室报警。工艺人员可以手动将压缩机停车。此点进HONEYWELL的TDC-3000/APM。
七、改造效果
1.干气密封各项参数稳定。密封干气消耗量很小，总消耗量在1m3/h左右。
2．满足机器处于高气压下启动的特性，装置临时停车检修，压缩机短时间停机后启动，此时系统仍处于高压下1.3-1.6MPa。
3．满足了轴位移的要求
压缩机转子的轴位移要求控制在0.25-0.33mm范围内。本次安装轴位移实测值为0.26土0.13mm。
4．满足API617国际标准的要求，连续三年操作无须停车检修。