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中图分类号：TH136 文献标识码：B 文章编号：1004-4620（2004）01-0031-02
Application of Nitrogen Sealing System at Spindle End
in Gas Pressuring Machine
ZHANG Hua-bin, LIU Guang-wei, LIN Wei-quan
(The Heat Power Plant of Laiwu Iron and Steel Co. Ltd., Laiwu 271104, China)
Abstract：Because of replacing mazy sealing by nitrogen sealing system at spindle end in D400-13 gas pressuring machine and enough utilizing the pressure difference in front and at the back of the impeller the spindle pushing force is eliminated and mechanical friction is reduced, so that the sealing effect can be ensured, the property can be improved, and the service life of sealing can be increased. The operation result proves that the leakage of gas is eliminated and operative ratio of equipment is increased The direct profit is 0.1522 million yuan a year.
Keywords：nitrogen sealing；gas pressuring machine；gas leakage；sealing property
旋转机械的轴密封装置过去主要采用机械密封或油膜密封等，密封效果差，检修频繁。氮气密封是一种非接触式气体密封，性能可靠，使用寿命长。莱芜钢铁股份有限公司热电厂（简称莱钢热电厂）自2000年以来在D400-13煤气加压机的轴端密封改造中应用了氮气密封技术，取得了良好效果。
1 存在问题分析
D400-13煤气加压机原采用轴向与端面相结合的迷宫式黄油密封，由于密封性能差，密封件磨损严重，造成煤气大量外泄，给正常生产和现场安全构成较大威胁，主要表现为：
（1）密封件性能差、不耐磨。由于莱钢热电厂煤气焦油含量高，焦炉煤气净化不彻底，大量焦油和脏污颗粒的混入加剧了密封件曲径体（铝质）的磨损，造成风机在运转过程中密封处大量黄油和焦油被甩出，给设备运行和现场治理带来困难。
（2）密封件的磨损造成大量煤气外泄，机房内CO浓度严重超标，平均在120×10-4%以上，轴端处高时达2200×10-4%，远远高于50×10-4%的国家安全标准。5台加压机自1997年5月投运后，均不同程度地出现了煤气泄漏现象，给安全生产、检修维护等带来较大隐患。
（3）煤气外泄需及时通过更换密封组件消除，而按原设计安装要求，更换密封组件需风机本体全部解体后方可进行，造成检修困难，工期长，费用高（每个密封组直接费用近8000元）。
2 改造方案
2.1 密封系统选择
轴端密封的泄漏隐患，给正常煤气输送带来很大被动， 莱钢热电厂曾先后进行过嵌入式密封、水背压式密封和机械式密封的改造，但效果均不理想。各种密封系统的性能比较见表1。
表1 各种密封系统性能比较
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项目 |
机械密封 |
油膜密封 |
氮气密封 |
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密封介质 |
油 |
油 |
气 |
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密封结构 |
复杂 |
简单 |
简单 |
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密封用供油装置 |
必需 |
必需 |
不需要 |
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缓冲气体系统 |
简单 |
简单 |
较复杂 |
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压力范围/kPa |
～50 |
～100 |
～60 |
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速度范围/m.s-1 |
～70 |
～100 |
～130 |
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动力损失 |
中 |
小 |
小 |
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漏入加压机内部的油 |
少 |
中 |
无 |
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向大气侧泄漏的气体 |
无 |
无 |
微小 |
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密封的损伤 |
磨损 |
磨损 |
有轻微脆性破裂 |
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使用寿命 |
中 |
中 |
长 |
从表1可知，氮气隔离式密封无论在安装、使用和寿命等方面都比传统密封有无可比拟的优越性，因此，选择氮气密封改造方式既可行，又有效。
2.2 可行性分析
使用氮气密封，为了供应气体和检测密封装置，必须设置较复杂的缓冲气体系统，经过对现场分析论证 ，认为有两方面的有利条件：
（1）氮气来源充足，可就地取材，作为密封气体使用，可靠、合理。煤气设施一般都配备必要的氮气冲刷设施，取用便利，且氮气压力始终保持在800kPa以上，流量充足，而D400-13煤气加压机的最高输出压力为20kPa，氮气完全能够达到防止煤气外泄的压力要求。氮气是一种无毒气源，干燥、干净，不会因异物进入造成密封面受损 ，同时氮气无任何水分，不会因液体流入造成密封面发热变形。
（2）密封组件在原来的基础上稍作改造即可利用。采用氮气隔离密封，需要有一定的密封腔体。对原密封件分析后，认为可将其内部曲径环调整处理后直接作为密封腔使用，这样可在基本不投资的情况下，实现改造。 氮气密封的基本结构是密封面由曲径环和静环组成，其中静环装在固定环座上，能作轴向自由移动。曲径环端面上刻有许多环槽，这些环槽互不贯通，只延伸到端面中部。各个环槽外深内浅，形成密封堰，这样既能增强密封效果，同时又能获得较为稳定的非接触型气膜。
3 密封系统改造
3.1 方案实施
对密封体进行改造后，保留原底部排污孔为排气孔，于排气孔正上方开一氮气入口孔，从机房氮气总管上分别引接支管至各机前，加装入口阀、出口控制阀及进气压力仪表与报警显示。同时为防止在异常情况下向氮气管道内混入煤气，在氮气进口端安装逆止安全阀。
氮气密封系统见图1。
图1 氮气密封系统
3.2 系统特点
（1）充分利用了叶轮前后的压差。加压机在运转过程中，介质（煤气）在叶轮中的运动为涡流运动，在顺叶轮转动方向的流道前部，相对涡流助长了原有的相对流速，结果使叶轮两面形成压力差。在密封体环槽等的作用下，被吸入的气体被压缩，在密封面上形成动压力。通过调整氮气进出口压力和密封间隙，达到该动压力与静环四周的静压力相平衡的结果，从而防止氮气及煤气外溢和其它不良介质入侵，起到极佳的轴封效果。
（2）消除了轴向推力，减少了机械摩擦。由于作用于叶轮两侧的流体压强不平衡，导致叶轮有轴向推力存在，相对叶轮后盘外侧压力较高。充入较高压力氮气后，使叶轮进口侧低压强相平衡，达到消除轴向推力、防止导致叶轮窜动和受力引起的相互研磨而损伤部件，大大改善了风机的性能（见图2）；同时，改为氮气密封后，由于介质的特殊性，运转过程中不存在密封件相互摩擦的过程，从而使密封的使用寿命得到很大提高，只要外壳本体不受损伤，可长期使用。
图2 D400-13风机性能改善曲线
3.3 应用效果
（1）从根本上消除了煤气外泄现象。改造后，充足的氮气压力成功地抑制了煤气泄漏。5台加压机自1999年4～7月先后改造完成，从运行实际看，轴端监测CO含量始终为零，安全隐患得到了彻底整改，操作检修人员的人身安全得到了切实保障。
（2）检修方便，提高了设备开机率。改造后的氮气隔离式密封不存在密封环磨损的问题，使用寿命长；经过改造，密封系统的检修由原来的风机全部解体改为目前只需端盖部分解体即可，检修更为方便。设备的故障率大大降低，相应的检修费用、成本、工时也同时降低。
3.4 效益计算
（1）直接经济效益。项目投资1.8万元，年减少备件损耗及其维修费用12.8万元，年减少原配备的5台轴封引风机停运后的电费、维护费等共计4.22万元。则年直接经济效益为15.22万元。
（2）间接及社会经济效益。5台加压机的安全、可靠运行，确保了混合煤气的连续、稳定供应及热电厂的正常生产；轴端密封煤气泄漏隐患的彻底解决，有力地保证了现场及周围环境和人身安全，减免了企业在现场治理方面的大量投资，取得了良好的社会和经济效益。
4 氮气密封应用需注意的问题
（1）材料选用。氮气密封装置中构成密封的各个零件全部都暴露在氮气中，从主要零部件到密封圈、螺钉等的使用必须选择在密封气体下不变质。
（2）氮气密封是端面密封，承受的径向振动值可以大些，多数场合是超过机器的极限值，但根据经验，峰-峰值不超过100μm不会有问题。
（3）实践证明，氮气压力控制在30～50kPa的范围内，密封效果最佳，但有时要根据煤气压力及流量进行适当调整。 | 
