(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転圧縮機と、該回転圧縮機へ作動流体供給管路を介して所定の気体を作動流体として比較的低圧にて供給する作動流体源とを備えた気体圧縮システムで用いる回転圧縮機の軸封システムにおいて、前記圧縮機のラビリンスシールからシールガスを回収するためのシールガス回収管路を、一方において前記作動流体供給管路へ接続し、他方において前記作動流体と同一の気体から成るシールガスを比較的高い圧力で供給可能なシールガス供給源に接続すると共に、前記シールガス回収管路と前記シールガス供給源との間に第１の遮断弁を設け、前記気体圧縮システムの停止シーケンスを実行する間、吐出圧が所定圧力よりも低下したときに、前記第１の遮断弁を開いて前記シールガス供給源から比較的高圧のシールガスを前記シールガス回収管路を介して前記圧縮機のラビリンスシールに供給し、圧縮機の停止後は前記第１の遮断弁を閉じて前記作動流体源から前記シールガス回収管路を介して前記作動流体をシールガスとして供給するようにした回転圧縮機の軸封システム。
【請求項２】
前記気体圧縮システムの起動シーケンスの間、前記圧縮機が起動する前に前記第１の遮断弁を開いて前記シールガス供給源から比較的高圧のシールガスを前記シールガス回収管路を介して前記圧縮機のラビリンスシールに供給し、前記圧縮機の吐出圧力が所定圧力よりも高くなったときに前記第１の遮断弁を閉じ、前記圧縮機の通常作動時には前記ラビリンスシールから漏出する作動流体を前記シールガス回収管路および前記作動流体供給管路にて回収し、前記圧縮機に供給するようにした請求項１に記載の軸封システム。
【請求項３】
更に、前記シールガス回収管路において前記作動流体供給管路への接続部の手前に第２の遮断弁を設け、前記気体圧縮システムの起動シーケンスに際して少なくとも前記圧縮機が起動するまで前記第２の遮断弁を閉じておくようにした請求項２に記載の軸封システム。
【請求項４】
前記気体圧縮システムは複数の回転圧縮機を含む請求項１から３の何れか１項に記載の軸封システム。
【請求項５】
前記作動流体が窒素である請求項１から４の何れか１項に記載の軸封システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気体圧縮システムにおける圧縮機の軸封システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体圧縮システム、特に回転圧縮機を用いた気体圧縮システムにおいて回転圧縮機の軸封装置としてラビリンスシールが従来から用いられている。ラビリンスシールは、圧縮機が作動中において当該圧縮機により圧縮された作動流体が、ラビリンスシール内の曲折する隘路を通過する間に圧力を低減し、以て、圧縮機からの気体の漏洩を防止する。圧縮機が作動中のラビリンスシールからの漏洩気体は、その一部がシールガス回収管路を通じて再び圧縮機に戻され回収され、残りの一部が外気に放出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、純度の高い気体を圧縮する気体圧縮システムでは、圧縮機が停止中にラビリンスシールを介して外部から圧縮機内に周囲気体、特に空気が混入することを防止するために、圧縮機の停止期間中ラビリンスシールにシールガスを供給しなければならない。従来、圧縮機の停止中のラビリンスシールへのシールガスの供給は、別途設けたシールガス供給装置から前記シールガス回収管路を介して行われている。そして、圧縮機の起動、停止シーケンスが実行される間に圧縮機内には負圧が発生するために、前記シールガスは比較的高い圧力にて供給される。
【０００４】
従って従来技術では、シールガスは圧縮機の停止期間中継続的にラビリンスシールに供給され続けることとなる。然しながら、高い圧力にてシールガスを供給するためには圧縮動力を必要とするので、圧縮機の停止期間中継続的に高い圧力のシールガスを供給するためにコストが高くなる問題がある。更には、シールガスの圧力が高ければ、それだけラビリンスシールから外気へ放出されるシールガス量が増加し更にコストが高くなる。既述したように、圧縮機の停止期間中にシールガスが必要となるのは、圧縮気体の純度を維持するために行われるが、圧縮気体と同一の高純度のシールガスを多量に製造しなければならなくなるために更にコストが高くなる問題がある。
【０００５】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、気体圧縮システムにおける圧縮機の停止期間中に要するシールガスのコストを低減した、回転圧縮機の軸封システムを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、回転圧縮機と、該回転圧縮機へ作動流体供給管路を介して所定の気体を作動流体として比較的低圧にて供給する作動流体源とを備えた気体圧縮システムで用いる回転圧縮機の軸封システムにおいて、
前記圧縮機のラビリンスシールからシールガスを回収するためのシールガス回収管路を、一方において前記作動流体供給管路へ接続し、他方において前記作動流体と同一の気体から成るシールガスを比較的高い圧力で供給可能なシールガス供給源に接続すると共に前記シールガス回収管路と前記シールガス供給源との間に第１の遮断弁を設け、
前記気体圧縮システムの停止シーケンスを実行する間、吐出圧が所定圧力よりも低下したときに、前記第１の遮断弁を開いて前記シールガス供給源から比較的高圧のシールガスを前記シールガス回収管路を介して前記圧縮機のラビリンスシールに供給し、圧縮機の停止後は前記第１の遮断弁を閉じて前記作動流体源から前記シールガス回収管路を介して前記作動流体をシールガスとして供給するようにした回転圧縮機の軸封システムを要旨とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の軸封システムを窒素ガス圧縮システムにおいて窒素ガスを圧縮する遠心圧縮機のラビリンスシールに適用する場合について好ましい実施形態を説明する。
【０００８】
先ず図２を参照すると、前記窒素ガス圧縮システムの主系統２００が示されている。主系統２００は、圧縮すべき作動流体たる窒素ガスの流れに関して直列に配設された第１から第６の圧縮機１０、２０、３０、４０、５０、６０を具備している。第１から第６の圧縮機１０〜６０は、各々独立した駆動モータ（図示せず）により駆動しても、或いは、第１と第２の圧縮機１０、２０、第３と第４の圧縮機３０、４０、第５と第６の圧縮機５０、６０を各々同軸に構成して全体として３軸構成としてもよい。また、駆動モータと圧縮機の間に減速装置または増速装置を適宜に配設することができることは言うまでもない。また、本実施形態では回転圧縮機として遠心圧縮機を一例に説明するが、軸流圧縮機とすることもできる。
【０００９】
圧縮すべき作動流体としての窒素ガスが、窒素ガス供給管路２１０を介して窒素ガス供給源２０２から比較的低圧の所定圧力、例えば２．９kPa-g （３００mmAq-g）にて第１の圧縮機１０に供給される。低圧窒素ガス供給源２０２は、空気から窒素ガスを分離、製造する窒素ガス製造装置、および、製造された窒素ガスを受容する窒素タンク等を含むことができる。特に、本実施形態の軸封システムは、高純度、例えば９９．９９９％の窒素ガスを圧縮する圧縮機で用いるのに適しており、低圧窒素ガス供給源２０２もまた高純度窒素ガスに適合した設備とすることができる。また、低圧ガス供給管路２１０において第１の圧縮機１０への入口には流量制御弁（ＩＧＶ）２１２が配設されている。
【００１０】
第１の圧縮機１０により所定圧力に圧縮された窒素ガスは、第１と第２の圧縮機１０、２０の間の連結管路２２０に配設された中間冷却器２２２により冷却された後、連結管路２２０により第２の圧縮機２０に供給される。第２の圧縮機２０により所定圧力に圧縮された窒素ガスは、第２と第３の圧縮機２０、３０の間の連結管路２３０に配設された中間冷却器２３２により冷却された後、連結管路２３０により第３の圧縮機３０に供給される。また、第２と第３の圧縮機２０、３０の間の連結管路２３０において第３の圧縮機３０への入口には流量制御弁（ＩＧＶ）２３４が配設されている。
【００１１】
第３の圧縮機３０により所定圧力に圧縮された窒素ガスは、第３と第４の圧縮機３０、４０の間の連結管路２４０に配設された中間冷却器２４２により冷却された後、連結管路２４０により第４の圧縮機４０に供給される。第４の圧縮機４０により所定圧力に圧縮された窒素ガスは、第４と第５の圧縮機４０、５０の間の連結管路２５０に配設された中間冷却器２５２により冷却された後、連結管路２５０により第５の圧縮機５０に供給される。
【００１２】
第５の圧縮機５０により所定圧力に圧縮された窒素ガスは、第５と第６の圧縮機５０、６０の間の連結管路２６０に配設された中間冷却器２６２により冷却された後、連結管路２６０により第６の圧縮機６０に供給される。第６の圧縮機６０により所定圧力、例えば１MPa-g に圧縮された窒素ガスは、高圧窒素ガス供給管路２７０に配設された窒素ガス冷却器２７２により所定温度に冷却された後、高圧窒素ガス供給管路２７０により圧縮窒素ガスの需要設備２０４または受容プラントに供給される。なお、高圧窒素ガス供給管路２７０において、窒素ガス冷却器２７２の下流には吐出圧を検知するための圧力スイッチ２７４が配設されている。
冷却器２７２、圧力スイッチ２７４の後流側にはバイパス管路２８０が接続されており、パイパス管路２８０にはバイパス弁２８２が配設されている。
【００１３】
次に、図３を参照して、第１から第６の圧縮機１０〜６０を説明する。なお、図３において、中心軸線Ｏに関して上側半分は本実施形態の窒素ガス圧縮システムが作動中のシールガスの流れを示し、下側半分は窒素ガス圧縮システムが停止中のシールガスの流れを示している。
【００１４】
圧縮機１０〜６０は、ケーシング（図示せず）内に回転自在に支持された羽根車Ｉｐと、羽根車Ｉｐに連結された駆動軸Ｄｓとを具備している。駆動軸Ｄｓは、その右端において不図示の駆動モータ、増速機等を含む駆動装置に連結されている。図３では駆動軸Ｄｓをケーシングに対して回転自在に支持するベアリングは特に図示されていないが、適宜に設けられていることは当業者の当然とするところである。更に、図３において羽根車Ｉｐは駆動軸Ｄｓにより片持ちにて支持されているが、羽根車Ｉｐを両端支持してもよいことは言うまでもない。
【００１５】
圧縮機１０〜６０は、更に、軸封装置としてラビリンスシール１２、２２、３２、４２、５２、６２を具備している。ラビリンスシール１２〜６２は、従来公知の構成を有しており、高圧ポート１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａと、低圧ポート１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂと、排気ポートＥとを有している。
【００１６】
図１を参照して、本実施形態によるシールガス系統を説明する。
シールガス系統１００は第１のシールガス回収管路１１０を具備しており、第１のシールガス回収管路１１０は、一方においてシールガス供給源１０２に接続され、他方において窒素ガス供給管路２１０に接続されている。シールガス供給源１０２は、窒素ガス圧縮システムの作動流体と同一の窒素ガスを比較的高い圧力、例えば４９kPa-g （５０００mmAq-g）の圧力にて供給する。
【００１７】
第１のシールガス回収管路１１０は、第１から第６の分岐管路１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２を介して、第１から第６の圧縮機１０〜６０のラビリンスシール１２、２２、３２、４２、５２、６２に接続されている。より詳細には、第１と第２の分岐管路１１２、１１４は第１と第２の圧縮機１０、２０のラビリンスシール１２、２２の高圧ポート１２ａ、２２ａに接続されており、第３から第４の分岐管路１１６、１１８、１２０、１２２は、第３から第６の圧縮機３０〜６０のラビリンスシール３２〜６２の低圧ポート３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂに接続されている。
【００１８】
更に、第１のシールガス回収管路１１０は、第７の分岐管路１２４を介して第１の圧縮機１０の流量制御弁２１２、および、第８の分岐管路１２６を介して第３の圧縮機３０の流量制御弁２３４のシールガス供給ポート（図示せず）に接続されている。更に、第１のシールガス回収管路１１０においてシールガス供給源１０２側には第１の遮断弁１５０が配設され、シールガス供給源１０２からのシールガスの流れに関して第１の遮断弁１５０の下流には圧力スイッチ１５２が配設されている。第１のシールガス回収管路１１０において窒素ガス供給管路２１０側には第２の遮断弁１５４が配設されている。
【００１９】
シールガス系統１００は、更に、第２のシールガス回収管路１４０を有している。第２のシールガス回収管路１４０は、第９から第１２の分岐管路１４２、１４４、１４６、１４８を介して第３から第６の圧縮機３０〜６０のラビリンスシール３２〜６２の高圧ポート３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａに接続されている。
【００２０】
以下、本実施形態の作用を説明する。
先ず、本実施形態による窒素ガス圧縮システムが通常に作動中、つまり定格値にて作動している間は、図１の第２の遮断弁１５４は開き、反対に第１の遮断弁１５０は閉じて、シールガス系統１００は所謂自給形の軸封システムを構成している。このとき、図３の中心軸線Ｏの上側半分に示すように、圧縮された窒素ガスの一部が圧縮機のケーシング内において車室から駆動軸Ｄｓに沿って漏洩し、ラビリンスシール１２、２２、３２、４２、５２、６２に到達する。この窒素ガスは、ラビリンスシールにおいて圧力を下げつつ軸方向外方へ流動する。
【００２１】
第１と第２の圧縮機１０、２０において、この窒素ガスが高圧ポート１２ａ、２２ａに達すると、窒素ガスの一部が第１と第２の分岐管路１１２、１１４、第１のシールガス回収管路１１０、窒素ガス供給管路２１０を介して第１の圧縮機１０に供給、回収される。第１と第２の圧縮機１０、２０のラビリンスシール１２、２２において、高圧ポート１２ａ、２２ａから回収されなかった残りの窒素ガスは低圧ポート１２ｂ、２２ｂおよび排気ポートＥから外部に排出される。低圧ポート１２ｂ、２２ｂは閉じておいても良い。
【００２２】
第３から第６の圧縮機３０〜６０において、窒素ガスが高圧ポート３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａに達すると、その一部が第９から第１２の分岐管路１４２、１４４、１４６、１４８、第２のシールガス回収管路１４０および第２と第３の圧縮機２０、３０の間の連結管路２３０を介して第３の圧縮機３０に供給、回収される。第３から第６の圧縮機３０〜６０のラビリンスシール３２、４２、５２、６２において高圧ポート３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａから回収されなかった残りの窒素ガスの一部が、低圧ポート３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂ、第３から第６の分岐管路１１６、１１８、１２０、１２２、第１のシールガス回収管路１１０、窒素ガス供給管路２１０を介して第１の圧縮機１０に供給、回収される。高圧ポートおよび低圧ポートから回収されなかった残りの窒素ガスは排気ポートＥから外部に排出される。
【００２３】
以下、図４、５を参照して、更に、本実施形態による圧縮機の軸封システムの作用を窒素ガス圧縮システムの停止および起動シーケンスと併せて説明する。
先ず、図４を参照して窒素ガス圧縮システムの停止シーケンスを説明する。
【００２４】
上述のようにして窒素ガス圧縮システムが作動してる状態から、窒素ガス圧縮システムの停止シーケンスが開始されると、まず、第６の圧縮機６０のバイパス弁２８２が漸次開く（ステップＳ１０）。これにより第６の圧縮機６０の吐出圧が漸減する。既述したように、第６の圧縮機６０の吐出圧は圧力スイッチ２７４が常時監視しており（ステップＳ１２）、圧力スイッチ２７４が検知した吐出圧ｐが所定圧力Ｐ0 、例えば１．０MPa-g よりも低くなったとき、つまりステップＳ１２においてYes の場合に、第１の遮断弁１５０が開かれる。第１の遮断弁１５０が開くことにより、シールガス供給源１０２から第１のシールガス回収管路１１０および第１から第６の分岐管路１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２を介して、ラビリンスシール１２、２２、３２、４２、５２、６２へ、そして第７と第８の分岐管路１２４、１２６を介して第１と第３の圧縮機１０、３０の流量制御弁２１２、２３４へ比較的高圧、例えば４９kPa-g （５０００mmAq-g）のシールガスが供給される。この間、第２の遮断弁１５４は開いたままの状態を維持している。こうして、バイパス弁２８２が開くことにより主系統２００の系内圧力が低下し、従って、自給式に供給されているシールガスの圧力が低下して軸封が不十分となることが防止される。また、窒素ガス圧縮システムが通常状態で作動してる間に何らかの不具合により吐出圧が低下した場合でも、圧力スイッチ２７４が、この異常圧力低下を検出して、第１の遮断弁１５０を開くために、軸封の崩壊を未然に防止することが可能となる。
【００２５】
第１の遮断弁１５０が開いた後に圧縮機の停止指令が発せられると（ステップＳ１６Yes ）、第１と第３の圧縮機１０、３０の流量制御弁２１２、２３４が漸次閉じられる。流量制御弁２１２、２３４が最小開度まで閉じられると、圧縮機１０〜６０が停止される。圧縮機が停止した後、第１の遮断弁１５０が閉じられる。
【００２６】
この停止シーケンスの間、窒素ガス供給管路２１０と第１のシールガス回収管路１１０の間の第２の遮断弁１５４は常時開いており、第１の遮断弁１５０が閉じた後には窒素ガス供給源２０２から第１のシールガス回収管路１１０および第１から第６の分岐管路１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２を介してラビリンスシール１２、２２、３２、４２、５２、６２へ、そして第７と第８の分岐管路１２４、１２６を介して第１と第３の圧縮機１０、３０の流量制御弁２１２、２３４へ比較的低圧、例えば２．９kPa-g （３００mmAq-g）のシールガスが供給される。
【００２７】
停止シーケンスを実行する間、圧縮機の吐出圧が所定圧力よりも低下したときにシールガス管路内の圧力が低下するため、自給式に供給されているシールガスの圧力が低下して軸封が不十分となり、ラビリンスシールおよび流量制御弁から空気を吸い込んで窒素ガスの純度を低下させてしまう虞がある。そこで、本実施形態では、既述のように第１の遮断弁１５０を開いてシールガス供給源１０２から比較的高い圧力のシールガスを供給してこれを防止している。第１の遮断弁１５０を開いてシールガス供給源１０２から比較的高圧のシールガスを供給するために、こうした問題が解決される。一方、比較的高圧のシールガスは高価であるが、これを用いるのは停止シーケンス中の限られた時間のみであるので、窒素ガス圧縮システムが停止している間継続的にこれを用いていた従来技術と比較して格段に停止中に圧縮機の軸封のために要するコストを削減することが可能となる。
【００２８】
次に、図５を参照して、窒素ガス圧縮システムの起動シーケンスを説明する。先ず、窒素ガス圧縮システムの起動シーケンスが開始されると、第１の遮断弁１５０が開かれると共に、第２の遮断弁１５４が閉じられる（ステップＳ３０）。次いで、圧縮機の起動（ステップＳ３２）後、第２の遮断弁１５４が開かれる（ステップＳ３４）。次いで、バイパス弁２８２が漸次閉じられる（ステップＳ３６）と共に、第１と第３の圧縮機１０、３０の流量制御弁２１２、２３４が最小開度から漸次開かれ（ステップＳ３８）主系統２００の系内圧力が次第に上昇する。第６の圧縮機６０の吐出圧ｐが所定圧力Ｐ１、例えば１．０MPa-g よりも高くなると、つまりステップＳ４０においてYes の場合、第１の遮断弁１５０が閉じられ（ステップＳ４２）、既述した通常作動状態となる。
【００２９】
起動シーケンスを実行する間、圧縮機、特に第１と第３の圧縮機１０、３０が急激に負圧を生じることがある。この圧縮機に生じる負圧により軸封が無効となり、ラビリンスシールおよび流量制御弁から空気を吸い込んで窒素ガスの純度を低下させてしまうことを防止するために、本実施形態では、圧縮機の起動に先立って第１の遮断弁１５０を開き、シールガス供給源１０２から比較的高い圧力のシールガスを供給するようにしている。一方、本実施形態では、窒素ガス圧縮システムの停止中は高価な比較的高圧のシールガスの供給を停止して、その消費を低減している。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明がこれに限定されず本発明の精神と範囲とを逸脱することなく種々の変更、改良が可能であることは当業者の当然とするところである。
【００３１】
例えば、既述の実施形態では、本発明を高純度の窒素ガスの圧縮システムに適用した場合を一例として説明したが、本発明は高純度の窒素ガスに限定されず、他の気体、例えば水素、酸素等の圧縮システムに適用することが可能である。
【００３２】
また、既述の実施形態では、本発明を適用する窒素ガス圧縮システムは第１から第６の圧縮機１０〜６０を含む６段圧縮システムを構成しているが、本発明はこれに限定されず、より少ない或いは多い段数の気体圧縮システムに適用することが可能である。更には、既述の実施形態において各圧縮機のラビリンスシールは、シールガス回収用に高圧ポートと低圧ポートとを備えているが、１つのシールガス回収用ポートまたは３以上のポートを含むラビリンスシールを用いても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、気体圧縮システムにおける圧縮機の停止期間中に要するシールガスのコストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による回転圧縮機の軸封システムのシールガス系統を示す系統図である。
【図２】図１の軸封システムを適用する窒素ガス圧縮システムの主系統図である。
【図３】回転圧縮機の特にラビリンスシールを示す略図である。
【図４】窒素ガスシステムの停止シーケンスを示すフローチャートである。
【図５】窒素ガスシステムの起動シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…第１の圧縮機
１２…第１の圧縮機のラビリンスシール
２０…第２の圧縮機
２２…第２の圧縮機のラビリンスシール
３０…第３の圧縮機
３２…第３の圧縮機のラビリンスシール
４０…第４の圧縮機
４２…第４の圧縮機のラビリンスシール
５０…第５の圧縮機
５２…第５の圧縮機のラビリンスシール
６０…第６の圧縮機
６２…第６の圧縮機のラビリンスシール
１００…シールガス系統
１０２…シールガス供給源
１１０…第１のシールガス回収管路
１４０…第２のシールガス回収管路
１５０…第１の遮断弁
１５４…第２の遮断弁
２００…主系統
２０２…窒素ガス供給源
【図１】
0004008151.tif 000002
【図２】
0004008151.tif 000003
【図３】
0004008151.tif 000004
【図４】
0004008151.tif 000005
【図５】
0004008151.tif 000006