水蒸汽压缩机密封形式及润滑油乳化问题分析与处理

缪小军，王 艺

（南通大通宝富风机有限公司，江苏 南通 226001）

MVR（Mechanical Vapor Recompression）蒸发系统广泛应用在食品和饮料工业（牛奶、乳清、糖溶液的蒸发）、化学工业（水溶液的蒸发）、制盐工业（盐溶液的蒸发）、环保技术（废水的浓缩）等。该系统利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发系统产生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的焓值，提高热焓的二次蒸汽进入蒸发系统作为热源循环使用，替代绝大部分生蒸汽，生蒸汽仅用于系统暖管、补充热损失和补充进出料温差所需热焓，从而大幅度降低蒸发器的生蒸汽消耗，达到节能降耗目的。该系统中的核心设备为水蒸汽压缩机。

整体齿轮增速组装型离心式水蒸汽压缩机为目前高温升蒸发系统中的主流产品，该产品原动机采用电动机或汽轮机，通过齿轮箱内大小齿轮变速啮合，提高叶轮的转速，从而实现水蒸气焓值提升。齿轮箱的低速轴通过双端面膜片联轴器与原动机相连，做功元件叶轮通过中心拉杆固定在高速齿轮轴上。原动机旋转带动叶轮高速旋转。

水蒸汽压缩机现场运行最为常见的问题为稀油站进水，造成润滑油乳化。特别是早期国内总包厂家刚开始设计运行MVR系统时，因为水蒸汽泄漏进入齿轮箱，润滑油乳化造成齿轮锈蚀、轴瓦损坏、机组停机。因此，MVR系统总包厂家及客户均非常关注水蒸汽压缩机厂家提供的密封解决方案。

1 蒸汽压缩机的常用密封

蒸汽压缩机密封的好坏直接影响到蒸发系统的长期稳定运行。密封处压力分为正压和负压，取决于蒸汽压缩机的进出口的静压差。压缩机各部位压力指示如图1所示。当压缩机叶轮轮背处的静压P2大于大气压P0时，为防止内部的水蒸汽外漏，需设置密封及真空控制系统；当压缩机叶轮轮背处的静压P2小于大气压P0时，为防止空气进入压缩机内部，影响蒸发系统换热器传热效果，同样也需要设置密封及密封控制系统。

图1 压缩机各部位压力指示图

蒸汽压缩机密封目前有两种主流结构形式：第一种为梳齿密封，采用PTFE或PEEK耐高温、耐酸碱腐蚀材料，这种密封结构简单，加工及维修成本低，适用于蒸汽压缩机密封结构，泄漏量较大，密封效果不佳。第二种为碳环迷宫密封，属于流阻型非接触式密封装置，依靠密封间隙内的流体阻力效应而达到阻漏的目的。碳环密封与梳齿密封相比，具有自动对中的特性，因此，可以将碳环与旋转件之间的间隙做的很小，既避免了碳环与旋转件之间的固体接触，又增大了流体通过缝隙的截留效应。碳环密封结构形式又主要分接触式和非接触式两种，采用何种形式取决于密封接触处轴套外圆线速度和使用寿命需求。通常密封接触处的轴套外圆线速度低于50 m/s时，采用接触式碳环密封，高于50 m/s时，则采用非接触式碳环密封。

2 密封控制系统的常见形式

因为MVR蒸发系统不允许空气进入蒸发系统的特性，因此在负压蒸发系统中，须采用水蒸气作为隔离介质，将空气侧与介质侧完全分开，从而阻止空气进入蒸发系统。同时也考虑到悬臂轴伸转子动力学问题，密封结构不能过长。因此，碳环密封需要设置特殊的充汽和排汽系统。同时考虑到蒸汽穿透性强、易冷凝的特点，因此密封选用碳环密封，这样可以保证转子稳定运行的前提条件下，还具备足够的密封性能。典型的碳环密封结构如图2所示。

碳环密封与后背板采用后装式安装结构，这种安装结构可以保证主机与碳环密封独立安装，无先后次序，在用户现场，可以很方便地拆卸碳环密封进行石墨环的维护更换。同时该结构也能够确保碳环密封与齿轮箱高速油封之间有足够的轴向空间，确保石墨碳环在损坏的时候，泄漏的蒸汽不至于进入齿轮箱油封。图2中的密封充气系统可以确保进入碳环密封的蒸汽压力稳定在10～20 kPa之间。密封蒸汽控制控制系统PID如图3所示。

图2 典型的碳环密封结构

图3 密封蒸汽控制控制系统PID示意图

密封充汽的流程为：从用户管路接0.45～0.55 MPa低压蒸汽，经过100目过滤器②进入汽水分离器，打开底部球阀④，蒸汽夹带的凝水从疏水阀流走，水蒸汽被锁住。从汽水分离器出来的干饱和蒸汽分为两条支路，一条支路为主运行支路，蒸汽经过球阀⑥、100目过滤器⑦、自力式稳压阀⑧、球阀⑨，另外一条支路为事故运行支路，若稳压阀出现损坏，可关闭球阀⑥、⑨，更换稳压阀，同时打开该支路上截止阀⑩，保证密封系统正常运行，两条支路汇总后有一次压力显示，进入碳环密封前压力稳定在10～20 kPa左右即可。图2中的碳环密封排汽系统建议单独设置，不与其他排汽、排水管道共用，避免其他管路压力影响导致排水不畅问题。若压缩机安装在高层平台上，建议采用水封自封，这样可以做到免维护，安全可靠。

3 润滑油乳化原因分析及排查

因润滑油乳化是MVR压缩机中的常见问题，因此在平时的巡检中需要特别关注，可以每隔2 h记录一下油液面的高度，若发现油液面高度异常升高，可以用550 mL矿泉水瓶从稀油站接取，静置后查看油液面有无分层，若有明显分层，说明有水进到稀油站内。润滑油的乳化的排查步骤如下：①先从运行人员处了解润滑油乳化发生时间与调试运行时间间隔。若调试运行后一两个月才出现润滑油乳化，说明本次乳化属于设备意外损坏或者人员操作不当。属于意外的情形主要有冷却器异常损坏，水侧压力高于油侧压力，造成冷却水进入到油箱，处理方法为更换冷却器。②查看密封充汽压力是否控制在10～20 kPa左右。③查看碳环密封有无泄漏，若有泄漏，则存在排气系统异常和碳环密封损坏两种情况。④查看碳环密封排气系统，MVR系统厂家常规将进口管道排水、出口管道排水、碳环密封排汽等集中到一个凝水罐中，因此需要查看各排水及排汽管道阀门开关状态，防止碳环密封排汽排凝不畅造成泄漏。⑤压缩机关机后，查看喷水降温系统有无关闭。

4 结束语

整体齿轮增速组装型离心式水蒸汽压缩机因压缩温升高、效率高、噪声低、振动小、自动化程度高等特点，在5 t/h以上MVR系统中相比于罗茨蒸汽压缩机具有绝对的竞争优势，因此被广泛使用。本文介绍了一种常见的碳环密封结构及密封控制系统，降低了现场操作难度，避免了润滑油乳化问题。同时从现场润滑油乳化的结果出发，提供了一种润滑油乳化排查的步骤，为设备长期稳定运行提供了安全保障。