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双端面干气密封在单级悬臂循环气压缩机中的应用

刁 全 任玉姝 / 沈阳鼓风机集团股份有限公司    

Abstract
摘要:对比了双端面干气密封和串联式干气密封在单级悬臂循环气压缩机中应用的结构特点。介绍了双端面干气密封结构形式所解决的技术问题,从运转结果证明此结构应用有效,为单级悬臂循环气压缩机组提供了一种新的结构方式。
关键词:离心式压缩机;串联式干气密封;双端面干气密封;推力轴承;轴向推力
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Application of Double Face Dry Gas Seal in Single Stage Overhung Recycle Gas Compressor
Abstract: The structure characteristics of double face dry gas seal and middle inlet type tandem dry gas seal in the single stage overhung recycle gas compressor were The technical problems the application of double face dry gas seal discussed. The running results that the application of double face dry gas seal is effective. A new structural solution for single stage overhung recycle gas compressor was provided.
Key words: centrifugal compressor; tandem dry gas seal; double face dry gas seal; thrust bearing; axial thrust
0 引言
  随着压缩机设计技术的不断提高,组装式离心压缩机由于单级压比高、效率高以及在多级时采用级间冷却方法可以大大减少耗功[1]等优点,应用领域不断扩大,同时由于组装式离心压缩机将压缩机与齿轮箱结合成一体,省略了单独的变速箱,与单轴压缩机相比,具有成本低、集成度高、占地面积小和安装方便等特点[2] 。因此组装式压缩机的应用推广对于节能减排具有重要的意义[3]
  传统的组装式离心压缩机轴密封多采用拉比令密封[4]或碳环密封形式。由于拉比令密封的泄漏量受轴向尺寸影响且泄漏量较大,碳环密封也无法避免介质泄漏到大气中,所以采用这两种密封时,组装式压缩机只能应用于空气、氮气等气体场合。采用干气密封[5]可以较好地解决介质向大气中泄漏的问题,使组装式压缩机的应用范围扩大到有毒、有害、易燃、易爆的再生气、循环气等介质的压缩领域[6]
  我公司于2004年正式研制开发了组装式单级悬臂循环气压缩机产品,主要应用于石油化工行业的乙烯、化肥[7] 、煤气化等装置中,作为循环段上的压缩机。目前该产品多采用带中间进气的串联式干气密封[8] ,但其平衡盘处会产生较大的推力,对于介质压力在1.5MPa以下的低压循环气机组,采用双端面干气密封可以自身平衡掉推力[9] ,减小转子系的推力,并且采用推力盘结构吸收转子系轴向推力[10] 。此项目提供一种新的结构布置,解决了单级悬臂循环气压缩机轴向推力问题。
1 串联式与双端面干气密封结构形式和使用范围
  目前对于单级悬臂循环气压缩机大多采用带中间进气的串联式干气密封,具体结构见图1。

图1 串联式干气密封本体结构图

  该结构所用主密封气除用工艺气本身以外,还需另引一路氮气作为第二级密封的使用气体。通过一级密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。而通过二级密封漏入大气的全部为氮气。当主密封失效时,第二级密封同样起到辅助安全密封的作用,可以做到工艺介质完全无外漏。通常适用于既不允许工艺介质泄漏到大气中,也不允许阻封气泄漏到工艺介质中的情况,且介质压力较高[11] 。我们目前应用到6.4MPa,但是在图1中序号1的O型圈下平衡盘处会产生较大的轴向推力。
  双端面干气密封,具体结构见图2。

图2 双端面式干气密封本体结构图

  双端面密封相当于面对面布置的两套单端面密封,有时两个密封分别使用两个动环。它适用于没有火炬的条件下,允许少量阻封气进入工艺介质中的情况[5] 。在两组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统,控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压力高0.2~0.3MPa的水平,这样密封气泄漏的方向总是朝着工艺气和大气,从而保证工艺气不会向大气泄漏。双端面干气密封可以平衡掉自身结构产生的推力,但是适用的介质压力较低,多适用介质压力在1.5MPa以下。
2 两种密封结构的对比分析
  以下通过分析SV4-M产品,对双端面干气密封在单级悬臂循环气压缩机中的应用进行说明。SV4-M数据见表1。

表 1 SV4-M 数据表

项目

工况 1

工况 2

介质

N2 99.95% /O2 0.05%

N2 89.65%/H2 9.95%/C2H6 0.4%

100%

11 0%

70%

100%

11 0%

70%

质量流量 /( kg/h)

21900

24090

15530

22175

2 4393

15523

进口压力 / MPa(A)

0.808

0.773

进口温度 / ℃

64

43

平均分子量 / μ

28.01

25.44

出口压力 / MPa(A)

0.928

0.928

0.928

0.893

0.893

0.893

出口温度 / ℃

93

91.4

96.7

67.8

65.9

72

高速轴工作转速 / (r/min)

13785

原动机功率 / kW

355

原动机转速 /( r/min)

2985

2.1 转子推力对比
  采用中间进气串联式干气密封的循环气压缩机,叶轮的受力情况见图3。

图3 叶轮受力图

  根据文献[12]
口圈处受力:
       F0=p1(π/4)(D21-d2j)+qm/g(v1z)      (1)
式中:p1为叶轮进口处气体压力;qm为气体质量流量;v1z为叶轮进口处气体流速; g为重力加速度。
盖盘受力:
   
式中: ω为叶轮角速度。
轴盘受力:
    
叶轮受到的气动力合力:
 (4)
忽略γv1z,得到叶轮所受气动力的一般公式:
       F=(π/4)(D21-d2m)p2-π/4(D21-d2j)p1           (5)
干气密封轴向力:
              F3=(π/4)(D23-d2m)p2           (6)
叶轮受到的合力:

    (7)

  采用中间进气的串联式干气密封,高速转子产生的最大推力约1 600kgf,计算见表2,此种情况多选用推力轴承解决推力问题,具体结构见图4。
     表2 推力计算参数及采用串联式干气密封的叶轮推力计算值

项目

工况 2

工况 1

全压开车工况

p2/ ata

9.22

9.95

8.23

p1/ ata

7.87

8.23

8.23

D1/ cm

15.8

15.8

15.8

dj/ cm

0

0

0

dm/ cm

7

7

7

p2(π/4)(D21-d2m)/kgf

1452.17

1567.15

1296.24

p1(π/4)(D21-d2j)/kgf

1542.26

1612.81

1612.81

F /kgf

-90.09

-45.66

-316.57

D3/cm

15.5

15.5

15.5

F3/kgf

1384.21

1493.81

1235.58

F`/kgf

-1474.30

-1539.47

-1552.15

图4 推力轴承结构图

  采用双端面干气密封,高速转子产生的最大推力约350kgf,计算见表3,此种情况采用推力盘结构解决转子推力问题,具体结构见图5。
         表3 推力计算参数及采用双端面干气密封的叶轮推力计算值

项目

工况 2

工况 1

全压开车工况

p2/ ata

9.22

9.95

8.23

p1/ ata

7.87

8.23

8.23

D1/ cm

15.8

15.8

15.8

dj/ cm

0

0

0

dm/ cm

7

7

7

p2(π/4)(D21-d2m)/kgf

1452.17

1567.15

1296.24

p1(π/4)(D21-d2j)/kgf

1542.26

1612.81

1612.81

F /kgf

-90.09

-45.66

-316.57

图5 推力盘结构图

2.2 油耗对比
  推力轴承结构压缩机耗油量:77(推力轴承)+41(支撑)+12(大齿轮轴承)+15(啮合)=145L/min
  推力盘结构压缩机耗油量: 41(支撑)+23(大齿轮轴承)+16(啮合)=80L/min
  对比结构,推力盘结构比推力轴承结构节约油量65L/min,同时可以取消原推力轴承结构的高速转子轴位移测量,剩余轴向推力通过推力盘传递到大齿轮,最后由大齿轮轴的止推轴承来吸收,只需要测量大齿轮轴的位移即可。图5对比图4结构,缩短了轴承跨距,减小了箱体,节约了成本.

图6 双端面干气密封图

图7 带中间进气的串联式干气密封图

图8  二号转子不平衡响应曲线图

2.3 横向振动分析对比
  对比双端面干气密封(图6)与中间进气的串联式干气密封(图7)可发现,双端面干气密封的轴向长度较短,采用双端面干气密封可以缩短转子的外悬臂段,增加了转子的刚性,提高转子的稳定性。转子不平衡响应曲线对比见图8,转子横向临界转速分析结果对比见表4。

表4 转子横向临界转速分析结果对比

项目

工作转速 /(r/min)

一阶临界转速 /(r/min)

最大峰值 / μ m

一阶临界转速

与工作转速比值 /%

串联式干气密封

13788

7738.4

0.98

56.1

7617.8

40.54

55.2

双端面干气密封

13788

8341.7

0.96

60.5

8221

38.16

59.6

3 结论
  双端面干气密封在单级悬臂循环气压缩机中的应用,减小转子系轴向推力,高速转子可以采用推力盘结构传递推力,改进了原高速转子必须采用推力轴承的结构,使压缩机结构更简单,此结构的采用是成功的。目前此产品在用户现场运转良好,性能完全达到设计要求。新结构的采用为单级悬臂循环气压缩机组提供一种新的结构方式,更好地满足不同用户的要求。

参 考 文 献

[1] 徐忠.离心压缩机原理[M].北京:机械工业出版社,1990.
[2] 成正朝,牛大勇.组装式离心压缩机的特点及发展趋势[J].风机技术,2003(4):3-5.
[3] 渠时远.流体机械节能减排现状、任务和对策[J].通用机械,2012(10):34-36.
[4] 李燕坡,王吉鹏,曹恒彦,等.离心式压缩机密封技术的应用综述[J].风机技术,2011(6):58-62.
[5] 王树术.干气密封技术在离心压缩机中的应用[J].风机技术,2008(5),78-81.
[6] 孙家姝,亢天明,王戈.组装式离心压缩机及循环气离心压缩机密封的分析与应用[J].风机技术,2012(6),66-69.
[7] 高海滨,庄军.SV-6型循环机的应用[J].小氮肥,2007,35(10):24-25.
[8] 李桂琴,王玉华.压缩机干气密封基本原理及使用分析[J].风机技术,2000(1):19-23.
[9] 王瑞金.双端面干气密封在氢压机上的应用[J].风机技术,2002(1):50-52.
[10] 金建羊.齿轮式离心压缩机中推力盘的特点及平衡轴向推力原理[J].风机技术,2002(3):20-21,17.
[11] 姚圣兵.串联式干气密封在离心压缩机上的应用[J].化工技术与开发,2012,41(5):48-50.
[12] 刘士学,方先清.透平压缩机强度与振动[M].北京:机械工业出版社,1997.

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  评论人:石家庄风机厂   打分:0 分  发表时间:2015-9-11 8:26:49
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