分类号：TH 45 文献标识码：A
文章编号：1000-7466（200 0）02-0031-04
Economic benefit of steam barrier seal
WANG Ru-mei
(Shengli Refinery of Qilu Petro-Chemical Corporation, Zibo 255434, China)
Abstract：The economic benefit produced by steam barrier se al,which is used in the compressors in catalystic craking unit (or coking unit) i s introduced.Total energy consumption by it is only 1/3 of that by oil film seal .
Key words：steam barrier seal;oil film seal;cost；comparison▲
1 对轴封的要求
炼油厂催化（或焦化）装置产出的富气具有易燃、易爆及有毒等特点，常用离心压缩机输送，对机器的轴封有较严格的要求，即通称的4条要求。
（1）密封性能好，在开机或备用状态都要做到轴封无泄漏。
（2）可靠性高，使用寿命长，至少使用1年或1个生产周期。这是连续生产和气压机所处的地位决定的。气压机停运1天将造成上百万元的经济损失，对生产操作还带来不利影响。
（3）结构简单，操作和维修方便。在密封性能满足要求时，密封结构力求简单，密封系统配备的辅助设备和需要的动力（如电、水和仪表风等）都是以少为好。
（4）有显著的经济效益和社会效益。目前国内外有关离心压缩机标准或规范（国内JB/T6443-92,国外API 617-95）写明了常用的轴封种类［1，2］，其中有迷宫密封、接触式机械密封、浮环密封和气体螺旋槽机械密封等。其他轴封方法有一定的弊端，所以在这些文献中没有推荐。其中接触式机械密封和浮环密封需要配备油站，又称为有油密封或湿式密封。而迷宫密封和气体螺旋槽机械密封无需油站，称为无油密封，又称干式密封。这些密封都能满足密封性要求，而综合性能却有较大差异。湿式密封辅助设备多，占地面积大，投资高，占压缩机总价的20%～40%。油站用的动力种类多，需要水、电和仪表风（或电）;浮环密封还需要蒸汽（或氮气）供应脱气槽的需要，这些因素均导致可靠性下降。目前湿式密封很少连续运转1年以上。国外的统计表明［3］，油系统（封油和润滑油）的故障占55％～65%，启动时油系统故障高达90%。由此可见，取消油系统是提高压缩机可靠性的发展方向。国外已出现全无油的离心压缩机，磁力轴承取代油润滑的轴承，无油密封取代了有油密封。气体螺旋槽机械密封是一种有前途的无油密封方法，尤其适用于高压高速工况，但是存在结构复杂、安装技术要求高及价格昂贵等缺点，而且工艺介质必须供应氮气。催化装置气压机属于低压高速工况，没有必要采用气体螺旋槽机械密封。
迷宫密封结构简单，密封件不接触，有较大的间隙，因此很少磨损，使用寿命自然很长。迷宫密封应用最普遍，可直接用做氮气和空气压缩机以及汽轮机、烟机和燃气轮机的轴封。当迷宫密封用于石油气压缩机时，必须配备辅助设施，在适当位置注入压力高于机内介质的惰性气体（称为阻塞气），以阻止机内介质的外泄［1，2］，见图1。注入的阻塞气少量进入机内，其余流向轴承端。为了防止阻塞气污染润滑油，大气端用抽气器将惰性气体抽出（图2）。在注汽和抽气口两侧均设有迷宫密封。炼油厂有丰富而价廉（相对于氮气）的水蒸气，惰性气体采用水蒸气，所以称为蒸汽阻塞密封，简称蒸汽密封。
|
图2 蒸汽密封(迷宫密封)
蒸汽密封具有结构简单、密封性能好、使用寿命长以及操作和维修方便等优点，所以在许多炼油厂得到迅速推广。有人认为蒸汽密封在催化气压机上应用确实很好，但放空蒸汽多、能耗大。有比较才能鉴别，能耗大小是比较而言的，笔者就此问题做较为深入的探讨。目前炼油厂催化气压机型号有MCL405、MCL355、2MCL356、2MCL456、MCL526、2MCL527、2MCL606和2MCL706等，它们几乎都配套浮环密封。现以2MCL456为例,对所用的浮环密封和蒸汽密封作一比较。
2 浮环密封能耗及费用
2.1 密封件消耗功率
浮环和轴存在高速相对运动，其间被油膜隔开，消耗的摩擦功使油温升高。2MCL-456两端设置轴封,每端2只浮环(内外浮环各1只)。每只浮环的温升及浮环和轴的间隙都不同，这里取4只浮环的平均值进行计算。摩擦功率为：
P=1.69×10-4d3n2∑lη/δ
式中，轴径d=0.12 m，取转速n=9000r/min，浮环宽度l＝0.02m，取工作时的动力粘度η＝1.68×10－3kg.s/m2，浮环与轴的间隙δ＝0.15×10－3 m。代入上述值后，P=21.2 kW。
2MCL456型压缩机浮环密封消耗的功率为21.2 kW。由于2MCL456的流量不同，其功率也不同。浮环密封的功率占气压机功率的1%～1.4%。为了便于比较,将该功率按电功率计算，每年消耗的总能量为21.2kW×24h×365=185712kW*h，折合电费为0.35元/（kW.h）×185712kW.h=64992元≈6.5万元。
2.2 密封系统消耗能量及费用
密封辅助系统消耗的能量及其费用见表1。
表1 浮环密封辅助系统的能耗及费用 |
| 名称 |
用途 |
单价 |
单位时间耗量 |
年耗量（365d） |
年费用
/万元 |
| |
|
|
开工时加0.7t |
| N46油 |
密封油 |
5000元/t |
以后每月
加0.4t |
5.5t |
2.750 |
| 电 |
驱动
封油泵 |
0.35元/
(kW*h) |
5kW |
43800kW*h |
1.533 |
| 循环水 |
冷却器用 |
0.3元/t |
24t/h |
210240t |
6.307 |
| 干气 |
阻塞气 |
400/t |
0.03t/h
由脱气槽排出,
其余进入机内 |
262.8t |
10.572 |
| (氮气) |
（阻塞气） |
(0.40元
/m2) |
(80 m3) |
700 800m3 |
28.032 |
| 蒸汽 |
脱气槽用 |
46元/t |
Dg20阀门
开一半，取
0.6 t/h |
5 256 t |
24.178 |
| 合计 |
|
|
|
干气做阻塞气时 |
45.280 |
| |
|
|
|
氮气做阻塞气时 |
62.800 |
注：1.物品的价格为1995年企业内部价。
2.脱气槽排出中的气体有40%为石油气,造成对大气污染。
3 蒸汽密封能量消耗及费用
3.1 密封件消耗功率
密封件消耗的功率是指梳齿和轴之间气体摩擦消耗的功率。在其他条件相同的情况下，摩擦功主要与流体的粘度有关。气体和封油的粘度几乎相差2个数量级。目前,由于迷宫密封的摩擦功很小,常被忽略。从已有的文献中找不到迷宫密封的功率计算方法，只好引用文献［4］的试验数据，气体螺旋槽机械密封消耗的功率仅为湿式密封的5％。在此基础上取蒸汽密封消耗的功率为浮环密封的10％，即2.12kW,占压缩机功率的0.1%左右,在工程计算上，这样小的数字是可以忽略的。
3.2 密封系统消耗能量
蒸汽密封只需要1种能源，即蒸汽。其有2种用途，一是用于抽气器的动力蒸汽，二是注入密封的阻塞气。
3.2.1 抽气器消耗的动力蒸汽量
抽气器消耗的动力蒸汽量按下式计算：
式中，A为喷嘴喉部面积，喉部直径为8mm,A=5.024×10-5m2；对过热蒸汽绝热指数k＝1.3；g为重力加速度，g=9.81m/s2；p0为喷嘴前蒸汽压力（绝压），取p0＝0.822MPa；v0为喷嘴前蒸汽比体积，当蒸汽温度为220℃时，v0=0.2473m3/kg。于是有Q＝0.06334kg/s=228kg/h。
喷嘴前压力由抽气器达到的真空度决定。当真空度达到-0.05 MPa时,喷嘴前压力尽量低,有时0.6 MPa即可达到要求的真空度。不同压力下蒸汽耗量见表2。
表2 不同压力下抽气器蒸汽耗量 |
| 喷嘴前压力(绝压)／MPa |
0.588 |
0.686 |
0.784 |
0.882 |
0.980 |
| 蒸汽耗量／kg.h－1 |
151.0 |
176.5 |
202.0 |
228.0 |
254.0
|
3.2.2 注汽量计算
注气量计算见图3，蒸汽注入后分别流向机内(G11)和大气侧(G12)。流向大气侧的汽量经梳齿后压力下降至p4(原浮环密封内回油腔室)，该处有2个出口，一是放空，另一出口由抽气器抽出。根据连续性原则， 仅计算G11和G12即可得到一段入口处轴封的注汽量G10,经梳齿流(漏)向两侧的流量均可以用下述公式求得［5］。
图3 一段入口处轴封注汽量计算用图
式中，α为流量系数，当采用曲折式迷宫密封，间隙在0.3 mm以下时α＝0.8。上式简化后可得：
式中，Gi为流经梳齿的气量，kg/s；β为漏泄系数，与气体种类、梳齿数及梳齿两侧压力有关，可由图表查得;A为梳齿和轴之间的过流面积，mm2;p3为进入梳齿前的蒸汽压力，MPa；v3为进入梳齿前的蒸汽比体积，m3/kg。计算结果见表3。
表3 注汽量计算 |
| 符号及名称 |
一段入口处轴封 |
二段入口处轴封 |
| 机内轴封处压力p0/MPa |
0.196 |
0.196 |
| 进轴封前蒸汽压力p3/MPa |
0.245 |
0.245 |
| 进轴封前蒸汽温度t3/℃ |
185.5 |
185.5 |
| 进轴封前蒸汽比体积v3/m3.kg-1 |
0.8498 |
0.8498 |
| |
进入机内 |
流向外侧 |
进入机内 |
流向外侧 |
| 梳齿数量z |
11 |
7 |
5 |
4 |
| 梳齿密封后压力p4（p0）/MPa |
p0=0.1960 |
p4=0.1568 |
p0=0.1960 |
p4=0.1568 |
| 压力比p4/p3（或p0/p3） |
p0/p3=0.80 |
p4/p3=0.64 |
p0/p3=0.80 |
p4/p3=0.64 |
| 漏泄系数β（由图表查得） |
0.178 |
0.279 |
0.241 |
0.363 |
| 梳齿过流面积A/mm2 |
102.5 |
102.5 |
102.5 |
102.5 |
| 流经梳齿气量Gi/kg.h-1 |
G11=28.0 |
G12=44.0 |
G21=38.0 |
G22=57.2 |
| 每端进汽量G10（G20）/kg.h-1 |
G10=28.0+44.0=72.0 |
G20=38.0+57.2=95.2 |
| 两端进机内总量G1/kg.h-1 |
G1=G11+G21=66 |
| 两端抽出蒸汽量G2/kg.h-1 |
G2=G12+G22=101.2 |
| 两端总注气量G/kg.h-1 |
G=G1+G2=G10+G20=167.2 |
| 注:G10和G20用于计算孔板；G2用于计算抽气器。
3.2.3 蒸汽密封总能耗
蒸汽密封注入轴封处的蒸汽量加上抽气器耗汽量为总耗量，即G+Q=167.2kg/h+228kg/h=0.3952t/h。其中蒸汽单价为46元/t,折合成全年的费用为16万元。
进入机内的蒸汽量仅占机流量的0.28%,该流量和气压机的反飞动流量(即气压机出入口的循环量占总流量的10%,有时更大) 比较，可以忽略。
因此，蒸汽进入机内对气压机功率的影响也可予以忽略。这样一来蒸汽密封能量消耗只有蒸汽1项，在数量上也远小于浮环密封。
4 两种密封方法能耗费用比较
2MCL456不同轴封能耗费用比较见表4。
表4 蒸汽密封和浮环密封能耗费用比较 万元/a |
| 密封名称 |
封油 |
电 |
水 |
干气 |
蒸汽 |
密封件 |
合计 |
| 蒸汽密封 |
无 |
无 |
无 |
无 |
16.00 |
0.65 |
16.65 |
| 浮环密封 |
2.75 |
1.53 |
6.30 |
10.51 |
24.18 |
6.50 |
51.78 |
浮环密封需要多种能源,消耗总费用每年为51.78万元。如果隔离气用氮气，每年费用至少为69.3万元。某炼油厂由浮环密封改为蒸汽密封后仅氮气一项，每年节约72万元。而蒸汽密封只用1种能源，年费用只有16.65万元，也就是说蒸汽密封的能耗费用不到浮环密封的1/3。然而，蒸汽密封最引人注目的是其高可靠性。胜利炼油厂的蒸汽密封已无故障运转了5年，上海炼油厂的也无故障运转了4年，现正向更高的记录迈进。如果再加上维修费用的下降，蒸汽密封的经济效益更大，因此，不但技术上先进，还有显著的经济效益。鉴于上述，可以认为蒸汽密封用于催化气压机上，是目前唯一能同时满足4条要求的轴封方法。
作者简介：王汝美(1937-)，男(汉族)，山东临朐人，1962年毕业于北京石油学院机械系炼油厂机械专业,高级工程师，主要从事泵和压缩机维修及管理工作，曾任胜利炼油厂副总工程师。
作者单位：王汝美（齐鲁石化公司胜利炼油厂，山东 淄博 255434）
参考文献：
［1］JB/T 6443-92，离心压缩机［S］.
［2］API 617－95，石油、化学和气体工业用离心压缩机(第六版)
［S］.
［3］Fort J Jehe.Magnetic bearing dry seals improve compresso r
operation［J］. Hydrocarbon Procec.，1988，67（10）: 53-56.
［4］Lancee R P. Trans Canada tests oil-less seals in ce ntrifugal compressors［J］. Oil & Gas Journal，1987,85（42）:41-44.
［5］电机工程手册编辑委员会编．机械工程手册，第5卷，第23篇，密 封［M］.北京：机械工业出版社，1982.23-103. |
