蒸汽压缩机密封保障系统研制

0 引言

机械密封是机、泵类旋转机械的重要关键基础零部件，是主机安全、可靠运行的重要保证。从大量的工程应用和实践可以看出，机械密封的故障失效大部分与其工作参数及环境有关，为了给机械密封提供有利的工作环境，保证机械密封的安全、可靠、长周期地运行，必须为机械密封提供有效的辅助系统［1-11］。

辅助系统是机械密封长周期健康安全运行的“后勤保障系统”，是至关重要的组成部分。因此，对于高参数（高温、高压、高速、大轴径等、复杂、苛刻的工况条件，以及对可靠性、安全性要求高）的使用场合，配置有效、可靠的保障系统是机械密封可靠运行的先决条件。

本文将结合某蒸汽压缩机密封保障系统的研制实例，从系统方案、系统作用原理、设计、制造、调试等环节，阐述密封保障系统的研制过程，并研制出蒸汽压缩机密封保障系统，为广大密封用户、生产制造厂家以及相关工程研究人员提供参考。

1 密封工况条件

1.1 蒸汽压缩机

蒸汽压缩机是热回收系统的关键动设备，主要用来对产生的蒸汽通过压缩作用而提高蒸汽温度和压力，提升比焓，使蒸汽达到饱和状态，从而达到热利用的目的［12］。蒸汽压缩机密封是防止蒸汽介质泄漏的关键部件，是确保压缩机工作效率的重要保证之一。

1.2 密封及系统参数条件

密封及系统参数如表1所示。

表1 密封及系统参数要求

注：密封冲洗液为水

2 密封及系统总体方案

该蒸汽压缩机密封为高温蒸汽密封，主要用于电站的热回收系统。根据其密封工况条件，机械密封采用双端面、平衡型、静止式、集装式机械密封结构，密封保障系统采用外部强制循环加压+冷却换热的方式，并采用冗余方法以提高系统的可靠性和安全性。蒸汽压缩机密封结构及流体区域如图1所示。

图1 某蒸汽压缩机密封结构及流体区域示意

本文重点阐释密封保障系统，因此，对密封的研制在此不再赘述。

3 系统作用及原理

密封保障系统的目的是为机械密封提供清洁、适温、适压的工作环境。该蒸汽压缩机密封的工况和参数条件为高温、大轴径，间歇启停等。这就意味着该机械密封的运行会产生大量的热量，包括因高温带来的传导热、以及机械密封动静环密封端面因摩擦而生的摩擦热，同时还有大轴径旋转件在密封腔内带来的搅拌热。这些热量必须被有效地转换和传递出去，否则会直接影响机械密封的使用和寿命。因此，针对该密封，采用强制循环的闭式辅助系统，即使用外部增压的方式，为密封提供压力源和回路。比如，可采用离心泵给冲洗介质（水）增压，确保密封腔充满足够压力的隔离冲洗液。同时对返回水箱的冲洗液采用对流换热的方式进行冷却，比如采用冷却器等，通过热交换，带走机械密封产生的大量热量。当使用现场冲洗液含有杂质时，则需要采用过滤、分离等措施，本系统未涉及。

4 密封保障系统设计

在进行系统设计时，要把握以下几个原则。

（1）系统工作的可靠性。

（2）换热的有效性。

（3）在满足使用要求的前提下辅助系统尽量紧凑、轻量化。

4.1 提高系统运行的可靠性

在进行本系统的设计时，对动力源即增压泵，采用双泵制。一套辅助系统布置2台同样规格型号的离心泵，一台工作，一台备用。在一台失效时，另一台可以迅速投入使用，防止密封冲洗隔离液断流的情况出现，避免密封损坏导致停机，造成不必要的损失。

对辅助系统的密封水箱液位的监视，同样采用2套液位计进行高低液位的报警和显示。低水箱液位对密封的可靠性运行非常的不利，甚至可以导致密封冲洗隔离液供给不足，或者造成密封液温度升高过快，换热不及时等问题。因此需要对液位进行监视、测量和报警。

4.2 换热分析计算［13-15］

有效换热是密封辅助系统的重要功能和作用之一。其前提，是有效计算机械密封发热量的高低多少，以及冲洗量的多少和温升控制等。

4.2.1 端面摩擦热

摩擦热的计算式：

式中 Qf ——机械密封端面摩擦热，W；

f ——密封端面的摩擦系数；

pc ——机械密封端面比压，MPa；

A ——密封环带面积，mm2；

v ——机械密封端面线速度，m/s；

ps ——机械密封弹簧比压，MPa；

Δp ——机械密封内外测流体的压差，MPa；

K —— 机械密封平衡系数，由密封环带的内外径和平衡直径计算而得；

λ—— 机械密封流体膜反压系数，对于介质水，可取λ=0.5。

依据密封及系统的工作参数，经过计算可知4套密封的端面摩擦热约为6 kW。

4.2.2 机械密封搅拌热

机械密封的旋转件搅拌热可以采用旋转圆的计算式进行计算。

式中 Qj ——搅拌热，W；

r1，r2 ——旋转件的内、外半径，m；

Cd ——系数；

ρ ——密封液密度，kg/L；

ω——角速度，1/s。

经计算可知，该密封的搅拌热约为4 W，通常在进行工程计算时，可以忽略不计。

4.2.3 传热

工作介质与密封腔体中的密封液存在温度差，因此会有大量的热量从高温介质通过密封零部件（密封环、密封环座等）向相对低温的密封液传热。机械密封中涉及到的传热在运行达到稳定后，可以假设其导热面上的温度不随时间而变化，即稳定传热来处理。

式中 Qc ——传热量，W；

U ——材料特性系数；

A ——传热面积，mm2；

Db ——机械密封的平衡直径，mm；

ΔT ——主机与密封腔之间的温差，℃。

对于不锈钢材质的轴套或密封压盖、法兰，可以采用UA=0.000 25进行计算。设定密封腔平均工作温度为50 ℃时，经计算可知，该密封的传导热约为11 kW。可以看出，在进行高温介质的密封计算时，传导热的计算不可忽略，而且所占热量比重很大。

4.2.4 换热计算

根据所服务的机械密封，进行热量的计算后，可以根据下式计算辅助系统的冲洗流量。

式中 qinj ——冲洗流量，L/min；

ρ ——水的相对密度；

ΔTmax——使密封运行良好的最大温升，℃；

Cp ——水的比热，J/（kg·℃）。

为保证机械密封可靠工作，在进行冲洗液流量的计算时，至少采用2倍的设计安全系数。同时，在进行密封结构设计时，冲洗液接口应对准密封端面以保证有效的冲洗，有条件时采用周向布置冲洗孔。

通过上述分析和计算，可以计算出蒸汽压缩机密封的系统换热总功率约为17 kW，取2倍的安全系数，冲洗液总量在5.5 m3/h左右。

换热器的选择可根据计算出的换热总功率，选择换热器的类型，选取传热系数，以及密封腔温度、冷却器冷水温度、冷热水温升等进行冷却面积的计算。本系统采用列管式换热器，传热系数取250 W/（m2·℃），温升控制在5 ℃，则冷却器的冷却面积在3.5 m2。当工作条件苛刻时，可以适当放大安全系数。

4.3 辅助系统的合理布局和轻量化设计

机械密封的保障系统，从换热的角度而言，流量越大、冷却器换热面积越大、水箱的体积越大，系统提供的冲洗液温度越低则越有利于机械密封的工作。但这样就不可避免的会降低主机的热效率，同时也会造成辅助系统过于庞大，占地面积会增大很多。

因此，在充分考虑换热需求的基础上，合理设计布局辅助系统，最优化的布置辅助系统的各组成元件，缩短供液管路，让整个辅助系统更为紧凑和轻便化。在本设计中，将换热器置于水箱上盖，同时，在进行管路布置时，合理优化各管件之间的联接关系，尽量减少管程和压力损失。系统布置如图2所示。

图2 密封保障系统布置

4.4 信息数据的采集

随着工业自动化的发展，数据采集和分析变的尤为重要。因此，对各仪表的数据检测和采集，采用在线的方式，比如，采用压力传感器、温度变送器、液位计、流量计等，得以实现检测数据的在线传输和采集。

系统流程如图3所示。

图3 密封保障系统流程

5 系统制造和调试

机械密封保障系统的制造和调试，涉及到系统内各元器件接口尺寸的对接、焊接件的质量控制、仪器仪表的合理安装和正确接线等。在进行制造和调试时，可以从以下几方面进行考虑。

（1）确定辅助系统各元器件的接口尺寸，防止返工。

（2）有效控制各焊接件的焊接质量，防止焊接处渗漏。

（3）为仪器仪表有效定位和支撑，防止仪表头部过大而导致联接不稳。

（4）传感仪表、电机的接线务必按照说明书正确接线，防止仪表烧坏、电机烧毁。

（5）调试过程中，遵循从静态到动态、从低参数到高参数的渐变方法，即低压到高压、从低速到高速的顺序进行，防止意外事故发生。

研制的密封保障系统如图4所示。

图4 密封保障系统结构示意

对研制的密封保障系统进行了调试和试验，试验最大压力达到0.7 MPa（g），最大流量达到0.8 m3/h，试验运行平稳，完全能够满足密封对保障系统的工作参数要求。

6 结语

应用结合工程实际，以工作可靠性为前提，详细介绍了密封保障系统的普适性研制方法：通过对高温蒸汽压缩机密封保障系统的方案设计、作用原理、换热计算分析、制造与调试等研究，给出了保障系统换热量和提供冲洗量的计算方法，介绍了各元器件的结构布局设计思路，以及制造安装和调试时的考虑要点，并研制出高温蒸汽压缩机密封保障系统，提高了保障系统的工作可靠性，为广大密封用户及生产制造厂商提供保障系统研制的参考和支持。