СИСТЕМА СУХОГО ГАЗОВОГО УПЛОТНЕНИЯ С НИЗКИМ ВЫХЛОПОМ ДЛЯ КОМПРЕССОРОВ
DRY GAS SEAL SYSTEM WITH LOW EXHAUST FOR COMPRESSORS

ОПИСАНИЕ ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к компрессорам и, в частности, к созданию системы сухого газового уплотнения в компрессорах.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Компрессор представляет собой механизм, который ускоряет частицы сжимаемой текучей среды, например газа, за счет использования механической энергии, чтобы, в конечном счете, повысить давление этой сжимаемой текучей среды. Компрессоры используются в целом ряде различных приложений, включая работу в качестве начальной ступени газотурбинного двигателя. Среди различных типов компрессоров имеются так называемые центробежные компрессоры, в которых механическая энергия воздействует на газ, поступающий в компрессор, посредством центробежного ускорения, которое ускоряет частицы газа, например, путем вращения центробежного рабочего колеса, через которое проходит газ. В целом, можно сказать, что центробежные компрессоры являются частью класса механизмов, известных как «турбомашины» или «вращающиеся турбомашины».
Центробежные компрессоры могут содержать одно рабочее колесо, то есть иметь одноступенчатую конструкцию, или же несколько последовательных рабочих колес, и в этом случае их часто называют многоступенчатым компрессором. Каждая из ступеней центробежного компрессора обычно содержит входной канал для газа, который необходим для ускорения газа, рабочее колесо, которое выполнено с возможностью придания кинетической энергии входящему газу, и диффузор, который преобразует кинетическую энергию газа, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления. В центробежных компрессорах используются различные типы газов, некоторые из которых являются токсичными или опасными для окружающей среды и/или для рабочих на заводах. Соответственно, в центробежных компрессорах используются уплотнительные системы, как правило, размещенные на концах вала, который поддерживает рабочее колесо(а), чтобы не допустить протечки газа из компрессора и загрязнения окружающей среды. Центробежные компрессоры с одним ротором, как правило, снабжены двумя отдельными уплотнениями, как часть этой уплотнительной системы, то есть по одному на каждом конце вала, тогда как в центробежном компрессоре с консольно расположенным рабочим колесом обычно достаточно выполнить уплотнение на конце вала, расположенном непосредственно за рабочим колесом.
В последнее время наблюдается увеличение использования так называемых «сухих» газовых уплотнений в уплотнительных системах для центробежных компрессоров. Сухие газовые уплотнения могут быть описаны как бесконтактные механические уплотнения с поверхностью без смазки, которые содержат сопряженное или вращающееся кольцо и основное или неподвижное кольцо. В процессе работы канавки во вращающемся кольце создают гидродинамическую силу, которая вызывает отделение неподвижного кольца и создание зазора между этими двумя кольцами. Эти уплотнения называют «сухими», так как они не требуют смазочного масла, что, среди прочего, значительно снижает требования к техническому обслуживанию.
2
Для центробежных компрессоров такие существуют различные сухие газовые уплотнения, например, так называемая последовательная схема расположения, которая в основном используется в компрессорах, в которых используются токсичные или легковоспламеняющиеся газы в качестве входящего или технологического газа. Как показано на Фиг.1, система сухого газового уплотнения с последовательной схемой расположения содержит первое уплотнение 2 и второе уплотнение 4, причем оба уплотнения расположены в одном корпусе. Во время нормальной работы компрессора функция первого уплотнения 2 заключается в поддержании общего давления обрабатываемого газа, а второе уплотнение 4 применяется в качестве резервного, которое предназначено для работы только в том случае, когда первое уплотнение 2 выходит из строя или чрезмерно протекает. Как правило, поток газа, которому придали соответствующие параметры и который поступает из выхлопа компрессора, вводится перед уплотнением 2 для изоляции сухого газового уплотнения от технологического газа. В применениях с высокой токсичностью технологических газов (например, газа с высоким содержанием HS) и с высоким уплотняющим давлением обычно используют внешний источник уплотняющего газа с низким содержанием серы, например, так называемый «низкосернистый» газ, чтобы изолировать технологический газ от окружающей среды. В связи с высоким уплотняющим давлением для запитывания системы газового уплотнения используется специальный поршневой компрессор 6, который работает независимо от центробежного компрессора. Во второе уплотнение 4 в последовательной схеме расположения может из источника 8 подаваться азот при более низком давлении (например, ниже 10 бар) в качестве вторичного уплотняющего газа, чтобы гарантировать, что никакой токсичный/горючий газ не попадет в окружающую среду.
Центробежные компрессоры, снабженные системой сухого газового уплотнения такого типа, таким образом, также нуждаются в дополнительных компрессорах, функция которых состоит исключительно в подаче уплотняющего газа, что делает всю систему более сложной. В дополнение к простому усложнению, поршневые компрессоры 6 могут нуждаться в большем техническом обслуживании, чем даже центробежные компрессоры, для обслуживания которых они предназначены. Кроме того, хотя второе уплотнение 4 в последовательной схеме расположения и обеспечивает резервные возможности, имеющиеся системы сухого газового уплотнения до сих пор не являются безотказными, причем в этом случае они могут непреднамеренно выпускать определенное количество уплотняющего газа в атмосферу.
Соответственно, существует потребность в разработке и создании сухого газового уплотнения для компрессоров с низким уровнем выхлопа, которое преодолевает вышеупомянутые недостатки существующих уплотнительных систем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Иллюстративные варианты выполнения предлагают уплотнительные устройства, пригодные, например, для центробежных компрессоров. Уплотнительное устройство содержит первое, второе и третье сухие газовые уплотнения, расположенные последовательно. Каждое уплотнение получает свой собственный уплотняющий газ и имеет свое собственное продувочное устройство. Давления уплотняющего газа, который отделяет технологический газ от продувочной системы, остаются достаточно низкими, так что специальный компрессор для подачи уплотняющих газов не требуется. Преимущества, в соответствии с описанными здесь иллюстративными вариантами выполнения, включают, например, лучшее управление потенциально опасным технологическим газом, меньшую сложность и меньше требований по техническому обслуживанию, связанных с уплотнительными устройствами для центробежных компрессоров. Тем не менее, специалисты должны понимать, что такие преимущества не должны толковаться как ограничивающие настоящее изобретение, за исключением того, как они явным образом описаны в одном или нескольких пунктах формулы изобретения.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения центробежный компрессор содержит ротор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, соединенный с ротором подшипник для поддержки ротора с возможностью вращения, статор и уплотнительное устройство, расположенное между ротором и подшипником, причем уплотнительное устройство содержит первое сухое газовое уплотнение, которое расположено вблизи его внутренней стороны и в которое подается основной уплотняющий газ при первом давлении, второе сухое газовое уплотнение, которое расположено смежно с первым сухим газовым уплотнением и в которое подается основной буферный газ при втором давлении, и третье сухое газовое уплотнение, которое расположено смежно со вторым сухим газовым уплотнением и в которое подается буферный газ при третьем давлении.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения способ герметизации центробежного компрессора, содержащего ротор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, соединенный с ротором подшипник для поддержки ротора с возможностью вращения, и статор, включает предотвращение прохода технологического газа, давление которого повышено центробежным компрессором, к подшипнику, используя комбинацию из первого, второго и третьего сухих газовых уплотнений, расположенных последовательно, подачу основного уплотняющего газа к первому сухому газовому уплотнению при первом давлении, подачу основного буферного газа ко второму сухому газовому уплотнению, расположенному смежно с первым сухим газовым уплотнением, при втором давлении, и подачу буферного газа к третьему сухому газовому уплотнению, расположенному смежно со вторым сухим газовым уплотнением, при третьем давлении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи иллюстрируют иллюстративные варианты выполнения, на которых:
Фиг.1 изображает уплотнительное устройство с последовательной схемой расположения;
Фиг.2 схематически изображает центробежный многоступенчатый компрессор, содержащий уплотнительное устройство, выполненное в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;
Фиг.3 изображает вид с частичным разрезом иллюстративного сухого газового уплотнения, используемого в уплотнительных устройствах, выполненных в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;
Фиг.4 изображает разрез уплотнительного устройства, содержащего три сухих газовых уплотнения, выполненных в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг.5 изображает уплотнительное устройство, содержащее входное и выходное регулирующие отверстия для текучей среды, выполненное в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения; и
Фиг.6 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ герметизации компрессора, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на различных чертежах обозначают такие же или аналогичные элементы. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.
Чтобы обеспечить некоторый контекст для последующего обсуждения, связанного с уплотнительными системами, в соответствии с этими иллюстративными вариантами выполнения, на Фиг.2 представлена схема многоступенчатого центробежного компрессора 10, в котором могут быть использованы такие уплотнительные системы. При этом компрессор 10 содержит короб или корпус (статор) 12, в котором установлен вращающийся вал 14 компрессора, снабженный центробежными рабочими колесами 16. Ротор 18 содержит вал 14 и рабочие колеса 16 и поддерживается радиально и аксиально посредством подшипников 20, которые расположены по обе стороны от ротора 18.
Работа многоступенчатого центробежного компрессора заключается в приеме входящего технологического газа из входного канала 22, для ускорения частиц технологического газа путем приведения в действие ротора 18, и последующей подачи технологического газа через выходной канал 24 при выходном давлении, которое выше, чем давление на входе. Технологический газ может, например, представлять собой один из следующих газов: углекислый газ, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или их комбинацию. Для предотвращения потока технологического газа к подшипникам 20 между рабочими колесами 16 и подшипниками 20 предусмотрены уплотнительные системы 26. Корпус 12 выполнен с возможностью, тем самым, закрытия подшипников 20 и уплотнительных систем 26 для предотвращения протечки газа из центробежного компрессора 10. Кроме того, на Фиг.2 изображен балансировочный цилиндр 27, который компенсирует осевое усилие, создаваемое рабочими колесами 16, лабиринтное уплотнение 28 балансировочного цилиндра и уравнительная линия 29, которая поддерживает давление на наружной части цилиндра 27 на том же уровне, что и давление, при котором технологический газ поступает через канал 22.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения каждая из уплотнительных систем 26 содержит три сухих газовых уплотнения, которые совместно предотвращают протекание технологического газа к подшипникам 20. В целом, каждое из трех сухих газовых уплотнений в уплотнительной системе 26 может быть реализовано как, например, показано на Фиг.3. При этом сухое газовое уплотнение 30 размещено на валу 14 компрессора, чтобы блокировать поток технологического газа по газовому проходу 32 от внутренней стороны к наружной стороне центробежного компрессора 10. Каждое сухое газовое уплотнение 30 содержит вращающийся установочный элемент 34, который вращается вместе с валом компрессора и сопряжен с неподвижным кольцом 36. Во время работы в канавках, выполненных на вращающемся элементе 34, или на неподвижном кольце 36, или на них обоих, находится нагнетаемая туда под давлением текучая среда, которая создает эффект создания гидродинамической силы, вызывающей отделение неподвижного кольца 36 от вращающегося элемента 34. Это создает зазор между указанными двумя кольцами, комбинация которых действует как уплотнение, которое обычно предотвращает протечку технологического газа, без трения между вращающимся элементом 34 и неподвижным кольцом 36. Примеры сухих газовых уплотнений таких типов можно найти в патентах США №5492341 и №5529315, описания которых включены в настоящий документ посредством ссылки.
На Фиг.4 показана часть роторной машины, например центробежного компрессора, имеющего тройную систему 26 сухого газового уплотнения, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения. Таким образом, тройная система 26 сухого газового уплотнения содержит три отдельных сухих газовых уплотнения 40, 42 и 44, расположенных в ряд вдоль вала 14 компрессора. В этом иллюстративном варианте выполнения лабиринтное уплотнение 45 расположено выше по потоку от тройной системы 26 сухого газового уплотнения (на внутренней стороне вблизи рабочих колес), а барьерное уплотнение 48 расположено ниже по потоку от системы 26 (например, на наружной стороне вблизи подшипников 20), хотя специалисты должны понимать, что именно эта конкретная конфигурация имеет чисто иллюстративный характер и что лабиринтное и/или барьерное уплотнение может быть исключено из других вариантов выполнения. Каждое из указанных трех сухих газовых уплотнений 40, 42 и 44 имеет соответствующие входные и выходные отверстия для своих уплотняющих газов. В частности, уплотнение 40 первой ступени (основное) имеет входное отверстие 46 и выходное отверстие 48, уплотнение 42 второй ступени (вторичное) имеет входное отверстие 50 и выходное отверстие 52, а уплотнение 44 третьей ступени (третичное) имеет входное отверстие 54 и выходное отверстие 56. Аналогично, каждое из трех сухих газовых уплотнений 40, 42 и 44 имеет, соответственно, вращающиеся установочные элементы 58, 62, 66 и неподвижные кольца 60, 64 и 68, и каждое из трех сухих газовых уплотнений 40, 42 и 44 предназначено справляться с максимальным давлением уплотнения, связанным с технологическим газом.
На Фиг.5 показана тройная система 26 сухого газового уплотнения, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, с точки зрения давления текучей среды. При этом, в соответствии с этим иллюстративным вариантом выполнения, в основную ступень 40 уплотнения подается подготовленный (то есть, надлежащим образом отфильтрованный, нагретый и контролируемы) технологический газ в качестве уплотняющего газа. Этот уплотняющий газ может, например, подаваться под давлением от 70 до 400 бар и доставляться к первому уплотнению 40 под давлением выше давления технологического газа, например 300 бар, через клапан 70 регулирования давления (PCV) и соответствующие элементы 72 придания газу определенных параметров (элементы подготовки газа) (которые не обязательно ограничены нагревателем и фильтром, показанными на Фиг.5, например, охлаждающие элементы или другие элементы подготовки газа могут быть предусмотрены в качестве дополнительных или альтернативных элементов). Уплотняющий газ автоматически регулируется по потоку или перепаду давления PCV клапаном 70 в целях обеспечения потока подготовленного газа при всех условиях эксплуатации (например, создания давления, пусковых работ, нормальной работы, остановки и т.д.).
В соответствии с этим иллюстративным вариантом выполнения во вторую уплотняющую ступень 42 подается топливный газ или от другого подходящего источника низкосернистого газа в качестве основного буферного газа, который подается к сухому газовому уплотнению 42 при, например, давлении в 20 бар через клапан 74 регулирования давления и соответствующие элементы 76 подготовки газа. Основной буферный газ (как правило, низкосернистый топливный газ или другой подходящий газ, который доступен на заводе) вводится в компрессор 10 (например, через порт 50 на Фиг.4) через PCV клапан 74 таким образом, который обеспечивает положительное разделение между низкосернистым и высокосернистым уплотняющими газами. Аналогично, в третью уплотняющую ступень 44 может подаваться азот в качестве буферного газа из источника, который поставляет газ под давлением от 4 до 10 бар, например, выше, чем давление в системе сброса газа, и который может управляемым образом подаваться к третьему сухому газовому уплотнению 44 при давлении 4 бар PCV клапаном 78 и соответствующими элементами 80 подготовки газа. Однако следует отметить, что подача азота в это третье сухое газовое уплотнение 44 является необязательной и, следовательно, элементы 79 газового прохода к третьему сухому газовому уплотнению 44 могут не описываться. Кроме того, буферный газ (в этом примере азот) может подаваться к барьерному уплотнению 81.
Специалисты должны понимать, что конкретные давления газа, описанные выше и показанные на Фиг.5, являются чисто иллюстративными, и что могут использоваться другие давления. В целом, давления газа через уплотнительную систему 26, как правило, должны задаваться так, чтобы Р1>Р2>Р4>Р3>Р6>Р5>Р7, со ссылкой на области давления, изображенные на чертеже, так что при проходе через области наблюдается ступенчатое снижение давления. Однако следует отметить, что, хотя эти значения давления являются иллюстративными, они являются достаточно низкими, так что ни один из источников уплотняющего газа не нуждается во вспомогательном (например, поршневом) компрессоре для подачи уплотняющего газа, например, как не ограничивающий пример, подачи давления в диапазоне от 1 до 50 бар или, выражаясь несколько иначе, ниже 51 бар. Это, в свою очередь, делает иллюстративные варианты выполнения экономически более эффективными и требует меньше технического обслуживания, чем обычные компрессорные установки.
Фиг.5 также изображает управляемые давлением продувочные устройства для каждой из указанных первых двух из трех ступеней уплотнения уплотнительной системы 26. Например, основное уплотнение 40 содержит продувочное устройство 82, которое возвращает технологический газ, выходящий из основного уплотнения 40, обратно к системе рекуперации. Устройство 82 содержит, среди прочего, дополнительный PCV клапан 84, установленный на соответствующий уровень давления с учетом давления уплотняющего газа, в данном примере 10 бар. Продувочное устройство 82 для рекуперированного уплотняющего газа также снабжено приборами для измерения расхода и давления, которые могут контролировать изменения расхода и давления (выше или ниже) вдоль обратного пути, параметры которых могут свидетельствовать о неисправности уплотнений. Эти значения определяются и могут быть использованы для создания сигналов тревоги или сигналов выключения. Рекуперированный технологический газ направляется затем в систему рекуперации и вводится в контур технологического газа.
Аналогично, вторичное уплотнение 42 снабжено продувочным устройством 86. Основное продувочное оборудование (клапан) снабжено, в соответствии с этим иллюстративным вариантом выполнения, и как продувочное оборудование (клапан) для рекуперированного газа, приборами для измерения расхода и давления, а также PCV клапаном 88, чтобы поддерживать давление в пределах заданного диапазона. Это давление может быть установлено выше, чем давление, используемое в системе сброса давления завода, в которую газ подается из устройства 86. Изменение расхода и давления (выше или ниже) также может быть использовано для обнаружения и создания сигналов тревоги или сигналов выключения в продувочной системе 86 второго уплотнения. Третье уплотнение 44 также имеет продувочное устройство 90, которое выполнено с возможностью предотвращения высокого обратного давления в случае выхода из строя уплотнительного устройства 26 и которое отводит азот (или основной буферный газ) в атмосферу.
Таким образом, в соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения способ уплотнения центробежного компрессора, имеющего ротор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, подшипник, присоединенный к ротору для его поддержки и вращения, и статор, включает этапы, показанные на блок-схеме на Фиг.6. При этом на этапе 100 предотвращают проход технологического газа, давление которого поднято центробежным компрессором, к подшипникам с помощью комбинации первого, второго и третьего сухих газовых уплотнений, расположенных последовательно. Это дополнительно включает подачу к первому сухому газовому уплотнению основного уплотняющего газа при первом давлении (этап 102), подачу ко второму сухому газовому уплотнению, расположенному смежно с первым сухим газовым уплотнением, основного буферного газа при втором давлении (этап 104), и подачу к третьему сухому газовому уплотнению, расположенному смежно со вторым сухим газовым уплотнением, буферного газа при третьем давлении.
2
Таким образом, исходя из вышесказанного, видно, что иллюстративные варианты выполнения предусматривают систему уплотнения для центробежного компрессора, которая способна предотвратить или по меньшей мере уменьшить вероятность выпуска потенциально опасных технологических газов в атмосферу. Это особенно полезно, например, при наличии технологических газов, таких как сероводород (HS). Кроме того, эти иллюстративные варианты выполнения создают уплотнительные устройства, которые по существу невосприимчивы к сухому газу для центробежного компрессора, который не требуют наличия другого компрессора, предназначенного для генерации уплотняющего газа под высоким давлением. Кроме того, хотя системы уплотнения, как было показано и описано выше в иллюстративных вариантах выполнения, имеют три сухих газовых уплотнения, следует иметь в виду, что в других иллюстративных вариантах выполнения также может быть использовано четыре или более сухих газовых уплотнения, расположенные последовательно.
Описанные выше иллюстративные варианты выполнения предназначены быть иллюстративными во всех отношениях, а не ограничивать настоящее изобретение. Таким образом, в настоящее изобретение может быть внесено много изменений с подробной реализацией, что может быть понято специалистом из приведенного здесь описания. Считается, что все эти изменения и модификации находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения, как определено последующей формулой изобретения. Ни один элемент, действие или инструкция, используемые в описании данной заявки, не следует рассматривать как критический или существенный для изобретения, если он явно не описан как таковой. Кроме того, как использовано в настоящем документе, единственное число также предназначено включать один или несколько элементов.