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离心式氯气压缩机轴端密封的改进

作时间:2019-08-15  来源:中航黎明锦西化工机械(集团)有限责任公司  作者:李晓巍
   
[摘要]为了减少离心式氯气压缩机轴端密封泄漏量,提出一种将充抽气迷宫式梳齿密封由两腔式变为三腔式的方法,效果显著,泄漏量减少了1.18m3/h。具体改造措施有3点:①为了保障腔内的密封气压力不因工艺氯气的压力变化而受影响,利用差压变送器来维持工艺氯气与密封气之间的压力差不变;②为了使差压变送器获取两者的压力差,在压缩机轴端留有氯气泄漏腔;③改变密封齿数。
目前我国氯碱工业发展迅速,相关生产设备的用量快速增加,这些设备中包括离心式氯气压缩机。离心式氯气压缩机的关键技术在于其密封系统的可靠性,如果由于装置密封系统的原因导致装置内的氯气泄漏,将造成严重的安全事故。离心式氯气压缩机的氯气泄漏主要发生在两端的轴端密封处。某型号的离心式氯气压缩机的轴端密封原采用充抽气式迷宫密封,密封气的压力由气动薄膜调节阀控制。在机器运行过程中,氯气工况会发生改变,而密封气的压力却不能随之改变,导致密封气无法满足要求。该轴端密封存在弊端,有必要对其进行改造升级。
 
1原轴端密封的基本情况
离心式氯气压缩机原轴端密封见图1。该密封结构主体是迷宫式密封,密封结构中还开有抽气孔和充气孔,这也是不同于其他迷宫密封的地方。为了防止氯气外泄,先利用气动薄膜调节阀1调节密封气压力在4~5kPa,然后充入密封体。再利用气动薄膜调节阀2调节抽气腔压力至-5~-4kPa[1]。为了形成内部循环,防止氯气外泄,将氮气与氯气的混合气体送回一级入口。
原轴端密封结构图
2轴端密封的改进
2.1机组密封方案确定
带充抽气的迷宫密封结构简单,安装方便,系统的维护和检修简单,可操作性强,需要的检测控制仪器少,不需要相关的动力系统和联锁报警设置,价格低廉,成本可控,性能可靠。由于可以实现内部循环,其密封效果相对于非接触型密封和浮环密封更好[2]。由于其密封气不能根据工艺氯气的压力变化而进行调整,故须利用差压变送器来维持工艺氯气与密封气之间的压力差不变。另外,为了使差压变送器获取两者之间的压力差,须在压缩机轴端设置氯气泄漏腔。
一、二级入口压差比较小,因此将该组的氯气压缩机中的一级和二级叶轮入口设置在压缩机轴端,并且利用管道连接两级之间的入口泄漏腔,这样两侧轴端的压力将维持平衡状态。采用平衡管连通一级和二级可以避免采用2个差压变送器来控制一级和二级的密封气压力,同时也避免差压变送器随氯气压力波动而频繁工作,因此可大大降低控制系统和运行维护的成本。
本文中非常终设计的带充抽气的三腔迷宫式梳齿密封结构如图2所示。平衡缸体两端泄漏气体压力的泄漏腔为密封的第1腔;与之相邻的为抽气腔,即为第2腔;第3腔为非常外层的密封腔。由第2腔抽出的氮氯混合气体送入一级入口;第3腔充入用于密封的氮气,可由差压变送器调节其压力;平衡腔压力相对第3腔较低。这种密封方案效果显著,在控制氮气和混合气的气体含量在合理范围内的同时又可避免氯气外泄。
 
2.2密封结构的确定
可以通过以下3项措施保证密封效果:增加密封片的数量;减小齿缝的截面面积;增大气流流通过程的局部阻力,从而提升气体转化为热量的效率。
改进后轴端密封结构图
高低齿式迷宫密封原理是将梳齿片嵌入轴封环并压紧,不同长度的梳齿片交错排列,而轴表面被加工成环形台阶,其高度各不相同,原理如图3所示。该环形台阶易于加工、装拆,还可以改变气流方向。在运行过程中,为防止齿尖与轴相碰造成的轴局部过热,应使密封齿的尺寸要尽量小,并非常好有锐角。
高低齿式迷宫密封
根据以上分析结果,本文中设计了轴套上环状台阶与轴封环共同组成高低齿式迷宫密封,其中镶入轴封环上的镍带是将Φ1的不锈钢丝嵌进0.2mm厚的镍片中而制作完成的(密封齿结构见图4)。
密封齿结构
2.3密封齿的确定
迷宫密封本身就不可完全避免漏气,而漏气又会导致密封装置内压力下降,应该采取措施平衡密封前后的压力差。可见,要使密封效果较好,应使密封间隙尽可能小,密封齿数尽可能多;但当齿数增加到一定量后,对密封效果的影响则有限,且限于装置体积的要求,不宜过多。故应合理选取密封齿数。根据设计经验,叶轮前后的级间密封以及轴端密封都应该选取合适的齿数。前者应在3~6齿;后者范围相对较大,应在6~35齿。
密封间隙对设备的影响较大,其取值应合理。过大,则密封效果差;过小,则转子振动时会导致转子与密封齿之间的摩擦。确定密封间隙的主要条件为:①转子与定子在压缩机正常工作时不应发生相对摩擦,并且尽量减少漏气;②压缩机转子的静挠度、转子的径向跳动等满足要求;③离心力产生的动挠度、轴承间隙、临界旋转频率时的振幅,正常工作时转子轴颈轴心与轴承轴心偏心值、定子的热变形等满足要求[3]。综合以上因素和设计经验,取密封间隙为0.5mm,误差允许范围为0.45~0.55mm。比较上文分析的密封间隙或者齿数,密封腔深(h)、密封齿间距和环状台阶高度对密封效果的影响相对较大,故还应该对这部分因素进行校核计算。
20190815084356.jpg
根据常规工程设计要求,本文中设计的压缩机轴端处直径D的系数值为0.3,根据式(3)可计算出非常小间隙。
查阅表1中非常小间隙为0.25mm,而计算出的常规工程设计中的非常小间隙为0.2174mm,小于表1中的给定值,可知该密封设计满足要求。根据通常的生产经验,Ω/s=9~35,而该轴端密封Ω/s=18,也满足要求。
三腔迷宫式梳齿密封结构图
三腔迷宫式梳齿密封参数表
2.4泄漏量的计算
本文中设计的密封结构共有3部分,在本节中仅校核二级入口与平衡腔间的泄漏量[4]。
(1)首先判断气流是否达到音速。
气流经过一定的循环,在管道出口可能达到的非常大速度称为音速。可根据下式判断气流是否达到音速[5]。
20190815084439.jpg
由式(6)和式(7)可以看出:绝热指数k与密封齿数z是影响密封气体的临界压比的仅有的两个因素,若已知这两个参数,可完全确定密封气体的临界压比。本文中的介质气体氯气的绝热指数和首段密封齿数分别为1.35和22,将其代入式(6)和式(7),可计算出临界压比(p1/p2)cr=6.06473。p1为密封前氯气的二级入口压力,p2为平衡气压力,两者的比值即为本文设计的密封的进出口压比。由p1=0.153MPa(A),p2=0.118MPa(A),则可计算出密封前后压比p1/p2=1.29661。由式(5)可知密封中的气体未能够达到音速。前文中的数值计算的结果也表明为亚声速流动,马赫数非常大值出现在旋转壁面处,约为0.3。
(2)核算密封泄漏量。
由于密封方式是高低齿密封,故本文中通过计算高齿和低齿截面积的平均值作为密封间隙的截面积,由下式计算平均值[6]。
20190815084456.jpg
根据相关的标准可以查得曲折型密封的泄漏系数α范围,根据标准提供的范围和本文数据,本文中取α=0.7。由式(9)和相关数据可计算出qmin为7.06m3/h。用同样的校核计算方法可以计算原来两腔充抽气轴端密封的泄漏量为8.24m3/h。可得三腔充抽气轴端密封可减少泄漏量1.18m3/h。本文中设计的离心式氯气压缩机的总流量约为7200m3/h,可计算出轴端密封的泄漏量约为气体总流量的0.12%。由于这些泄漏的气体可参与密封的内循环,正常运行时不会造成泄漏,故可知本文中设计的离心式氯气压缩机在正常工况下可以满足生产要求[7]。
 
3结语
改造后的离心式氯气压缩机已应用在山东、山西、黑龙江、内蒙古等地的多家企业,轴端密封至今未发生外泄事故,受到了用户的一致好评。
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