煤层气压缩机干气密封结构的优化

胡秀文

（华阳集团煤层气开发利用分公司， 山西 阳泉 045000）

0 引言

煤层气在我国经济和能源结构中处于转型的关键期，我国煤层气开采主要集中在河南、山西等地。在煤层气运输过程中，为了防止煤层气出现泄露而导致事故的发生，对煤层气压缩机的密封性能提出了较高的要求。对于压缩机的轴密封技术而言，早期以单端面密封技术为主，后期发展有双端面和多端面等多种机械密封方式[1]。从原理上讲干气密封由于动压效应的基础，其静环和动环之间不接触，从而有效防止了煤层气的泄露。本文将重点开展干气密封在煤层气压缩机端面密封中的应用。

1 干气密封原理分析

可应用于干气密封的结构主要包括有动静环、支座、O 型圈和弹簧轴套等组成。具体工作原理如下：当压缩机不工作时，静环和动环在流体静压力和弹簧挤压力的作用下达到紧密结合目的，从而避免了气体泄露。当压缩机处于工作状态时，动环和静环的密封断面中间不断聚集阻隔气体，同时弹簧在压缩作用下达到新的平衡状态；此时，在静环和动环之间形成一个相对稳定的气膜，在此密封间隙内所形成的气膜使得静环和动环处于非接触状态也可实现密封的效果[2]。

从理论上讲，影响干气密封效果的主要参数包括有气膜的刚度、端面的开启力、泄露量以及摩擦功耗。具体分析如下：

1.1 气膜刚度

气膜刚度指的是，压缩机在实际工作中在静环和动环之间所形成气膜厚度会发生变化，从而使得端面开启力发生变化。气膜刚度是决定压缩机密封效果受到外界干扰影响的衡量指标[3]。气膜刚度越大，说明其密封效果受外界干扰的影响较小。

1.2 泄漏量

对于任意密封技术而言，做到气体或液体零泄漏是不可能的。因此，将泄漏量降为零或降至可控的范围是干气密封的主要目标。影响干气密封下煤层气泄漏量的主要因素包括有压缩机主轴的转速、气体的黏度、煤层气的压力等。

本文将从数值模拟和实验两个层面对影响干气密封效果的因素展开研究，为后续压缩机干气密封结构的有优化提供支撑。

2 干气密封的数值模拟研究

基于SolidWorks 软件构建煤层气压缩机干气密封结构模型，将模型导入ANSYS 软件中对影响干气密封效果的因素，重点对内在和外在两方面的因素对干气密封效果的影响展开研究[4]。对构建完成后的模型进行网格划分和边界条件设置完毕后开始分析。

本文所研究煤层气压缩机干气密封结构的关键参数如表1 所示。

表1 煤层气压缩机干气密封结构参数

分别对压力为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa，转速分别为1 900 r/min、2 100 r/min、2 300 r/min、2 500 r/min和2 700 r/min多种情况下干气密封结构的密封效果展开研究。上述多种情况下对应的温度为303.15 K。

2.1 外在因素对干气密封效果的影响

设定压缩机工作转速为2 000 r/min，对不同压力下对应的泄漏量、开启力、摩擦功耗和刚漏比进行对比，对比结果如表2 所示，随着压力地增加，对应的泄漏量、开启力、摩擦功耗等均处于增长的趋势；而对应刚漏比处于减小变化趋势。详细分析可知，泄漏量、开启力以及摩擦功耗与压力之间关系近似为线性变化。

表2 不同工作压力下干气密封效果对比

同理，得出随着转速的增加，对应泄漏量、开启力、摩擦功耗以及刚漏比均处于增长的趋势。导致上述的主要原因为当转速增大时对应的气膜厚度发生变化，在此期间会在静环和动环之间形成一定的缝隙，从而导致泄漏量增加[5]。其中，泄漏量、开启力和刚漏比与转速呈线性变化的关系。

2.2 内在因素对密封效果的影响

对于煤层气压缩机的干气密封结构而言，其涉及到的核心结构尺寸包括有槽台宽比、槽长坝长比、槽数、槽深以及螺旋角等。本文通过数值模拟方式对上述结构参数对干气密封效果展开研究。以槽台宽比为例，对应的数值模拟结果如表3 所示。

表3 不同槽台宽比对干气密封效果的影响

如表3 所示，随着槽台宽比增大，对应的泄漏量、开启力增加；摩擦功耗呈现为减小的变化趋势；刚漏比呈现为先增大后减小的变化趋势。综合对比槽台宽比对泄漏量、开启力、摩擦功耗和刚漏比的影响，最终确定将槽台比控制在0.5～0.7 之间最佳。

同理得出，综合考虑干气密封结构的密封效果将螺旋槽的槽长坝长比控制在0.5～0.7 之间；将槽数控制在8～14 之间，一般取12 为最佳；将槽深度控制在4～8 μm 之间；将螺旋角控制在17°～28°之间。

3 干气密封结构的实验研究

本章节通过搭建实验平台，对外界因素对干气密封效果的影响开展试验研究。所搭建的实验平台如图1 所示，以不同工作压力下，干气密封结构对应的泄漏量数据进行统计，得出如图2 所示的曲线，在同一转速下，随着工作压力的增加对应的泄漏量增加；导致上述现象的主要原因为当工作压力增加时，对应的密封结构的动压效应明显，对应的断面开启力、密封间隙以及气膜厚度均增加。在同一工作压力下，随着转速的增加，对应的泄漏量减小。

图1 干气密封效果实验平台

图2 不同工作压力下干气密封结构的泄漏量

实验结果与数值模拟结果相近，说明通过数值模拟分析所得到的结论可指导对干气密封结构尺寸进行优化，并可指导压缩机工作参数的设计。

4 结论

压缩机为对煤层气进行传输的核心设备，在传输过程中尤其需要关注煤层气的泄漏问题。传统机械密封存在摩擦损耗较大、密封件磨损严重、更换频繁等问题。因此，干气密封技术为压缩机未来端面密封的主流技术。本文主要通过数值模拟手段对不同因素影响密封效果展开研究，并得出如下结论：

1）转速、压力为影响密封效果的外在因素；槽台宽比、槽长坝长比、槽数、槽深以及螺旋角为影响密封效果的内在因素。

2）干气密封结构的密封效果将螺旋槽的槽长坝长比、槽台宽比控制在0.5～0.7 之间；将槽数控制在8～14 之间，一般取12 为最佳；将槽深度控制在4～8 μm之间；将螺旋角控制在17°～28°之间。