27 一月 2023
干气密封为石油化工、天然气和石油行业各种工艺流程中的压缩机提供了一种高效、可靠且坚固的标准密封解决方案。它们需要持续不间断地供应设计流量和压力范围内的清洁干燥密封气体，以确保密封端面以最佳状态脱离，从而实现最佳性能。无论是加压式还是非加压式干气密封，都利用位于其上游的清洁“密封气体”来建立一道屏障，防止潜在的污染工艺气流进入。
图 1：带中间迷宫的串联干气密封（所有图片均由 Flowserve 公司提供） 
图2：离心式压缩机启动过程中有无增压装置时的密封气体流动情况本文对露点管理和密封气体增压系统进行了定性概述，这些系统对于干气密封的可靠性至关重要。讨论重点是离心式和整体齿轮式压缩机中的干气密封；然而，概述的原理也适用于容积式旋转压缩机。
密封气体增压器
在正常运行条件下，压缩机可以从压缩机内部的较高压力水平（通常来自压缩机的末端排气喷嘴）持续供应密封气体。干气处理系统接收该气体，对其进行过滤和处理，然后将其提供给干气密封件。
然而，在启动、加压、循环、停机和关机期间，压缩机两端的压差会下降，从而中断密封气体的流动。这种情况会导致不洁净的工艺气体迁移，造成污染，并降低密封件的性能，这些都会造成不安全的运行状况、机器停机以及可能更高的维护成本。
图 3：电机驱动密封气体增压器的性能
图 4：循环运行模式下工艺气体向干气密封腔的迁移图 1 显示了带有中间迷宫的典型串联干气密封的横截面视图，图 2 描绘了离心式压缩机启动期间有和没有密封气体压力提升时的典型流动剖面。
当离心式压缩机处于稳态运行并产生压差时，通常会从其末端排气喷嘴向密封气体系统提供清洁干燥的密封气体，然后再输送到轴端的干气密封件。图 3 显示了管道式离心压缩机入口压力为 725 psig 时密封气体增压器的预计性能。
在循环、增压、启动和加压停机（关闭）工况下，离心式压缩机的压差过低，无法提供所需的密封气体流量。在这种情况下，流向干气密封的密封气体流量损失，工艺气体通过工艺迷宫迁移到干气密封腔。图 4 和图 5 显示了在循环模式和加压停机工况下，由于工艺气体逆流进入密封腔，导致干气密封环境受到污染。
图 5：加压停机期间工艺气体向干气密封腔的迁移如图 6 所示，对于入口压力为 1450 psig 的压缩机，在 3500 rpm 的运行速度下，估计密封气体流量为每分钟 3.5 立方英尺 (cfm)，压差为 56 psid，可避免密封气体腔受到污染。
图 6：密封气体增压器性能曲线示例现代密封气体增压器有两种类型：气动式和可调频电机驱动式，额定功率通常在 7.5 马力到 25 马力之间。它们在可用压差较低时提供密封气体，并有助于在压缩机性能图的整个运行范围内为干气密封件提供加压保护。密封气体供应压力与密封压力之间的压差应至少为 50 psi，以避免主密封件受到污染。气动增压器的增压比根据 3000 psi 到 6000 psi 的最大允许工作压力范围而变化，范围在 1.2 到 2 之间。相应的最大循环速率为每分钟 100 次，最低可低至每分钟 60 次。这些数值为典型值，不同型号和制造商的产品可能有所不同。
图 7：电机驱动密封气体增压器的横截面图在新建装置中，密封气体增压器已成为密封气体处理系统不可或缺的一部分。对于注重可靠性的油气和天然气加工厂而言，增压器也具有极具吸引力的改造潜力，可用于升级老旧的密封气体调节和支持系统。图 7 显示了电机驱动的立式增压器的横截面视图。请注意温度测量传感器；该传感器为变送器或带变送器的热电阻 (RTD) 传感器，安装在安全壳上。它通常安装在内磁环和外磁环之间，或驱动磁铁和外壳盖之间。图 8 显示了密封气体增压器的示意图。
图 8：密封气体增压器示意图密封燃气加热器
进入主密封区域的密封气体必须清洁干燥。API 692 第一版规定密封气体过滤器应使用粒径为 1 μm 的球形颗粒，去除效率为 99.9%。除了密封气体的质量外，整个干气密封系统还必须保持至少 35 °F (20 °C) 的露点余量（过热度），以避免冷凝、密封压力损失、工艺气体随后迁移到密封腔内以及造成污染。为了确定此余量，必须对从主密封气体供应点到主排气口的干气密封系统进行相图计算机模拟，以评估密封气体冷凝的可能性。密封气体的温度必须在密封气体进入密封件的入口处测量，而不是在密封气体供应源处测量。图 9 显示了一些相图曲线。
图 9（下一张图下方的图注）为了达到所需的密封气体质量，通常需要将密封气体处理系统与整体干燥气体控制系统集成。密封气体调节硬件包括用于提供清洁干燥密封气体的单元。冷却器、湿气预过滤器以及必要时的密封气体加热器用于提供干燥的密封气体。湿气除雾器和双重过滤器用于净化密封气体。
图 9：露点分析或气相图直接式密封气体加热器采用电浸式加热线圈。间接式加热器则采用油浸式加热线圈或将加压密封气体密封在螺旋线圈内，该螺旋线圈封装在铸铝外壳中，外壳内装有电加热元件。这种结构适用于压缩机输出的密封气体温度较高或露点较高的应用。铝材的作用是将热量从加热元件传递到密封气体，从而避免两者直接接触。图 10 所示为集成干气密封露点管理系统的密封气体加热器。
图 10：露点管理系统关于作者
尼廷·盖萨斯 (Neetin Ghaisas) 是福陆公司 (Fluor) 旋转设备高级研究员。他在涡轮机械领域拥有多年经验，专长于旋转设备的规格制定与选型、故障排除、转子动力学评估和振动分析。加入福陆公司之前，他曾在沙特阿拉伯朱拜勒的 Petrokemya（沙特基础工业公司 (SABIC) 的子公司）担任机械可靠性工程师。尼廷·盖萨斯拥有孟买大学工程硕士学位，并在加拿大阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省注册为专业工程师。多年来，他一直致力于美国石油学会 (API) 标准和流程工业规范的制定，目前担任美国石油学会 (API) 的多个职务，包括 API 612 标准主席、API 672 标准主席以及机械设备分委员会成员。他还是美国机械工程师学会 (ASME) 会员和流程工业规范 (PIP) 机械功能团队成员。盖萨斯先生撰写或合著的多篇论文发表于国际知名期刊。他拥有一项与机械模块化相关的美国专利。
Sourav Majumdar先生是Flowserve公司美洲区压缩机技术销售经理，公司位于加拿大阿尔伯塔省卡尔加里市。Majumdar先生拥有30年的专业经验，在旋转设备领域，尤其是在压缩机和泵方面，积累了丰富的经验。他的专长包括压缩机干气密封、密封支持系统以及密封气体调节系统（包括密封气体增压器）。Majumdar先生曾与全球多家终端用户和工程机构合作，帮助他们为压缩机/泵选择合适的干气/机械密封和系统，并负责此类设备的规格制定和故障排除。他拥有印度理工学院瓦拉纳西分校（BHU）的机械工程学士学位和英国莱斯特大学的工商管理硕士（MBA）学位。
致谢
Flowserve公司慷慨提供了本章中使用的所有图片。这些材料改编自作者Neetin Ghaisas和Sourav Majumdar发表于《CompressorTECH²》杂志（2017年6月）的论文“离心式压缩机的干气密封系统”。
参考
[1] Flowserve Corporation – 干气密封件目录（各种）。
[2] API 692，第一版——轴流式、离心式、螺杆式压缩机和膨胀机的干气密封系统
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