СИЛОВАЯ МАШИНА С ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ С ДВОЙНЫМ СУХИМ ГАЗОВЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ТИПА "ТАНДЕМ"
POWER MACHINE WITH FLUID MEDIUM WITH “TANDEM” TYPE DOUBLE DRY GAS SEAL

Изобретение относится к силовой машине с текучей средой, в частности к турбокомпрессору, включающему проходящий вдоль оси ротор, корпус, отделяющий внутреннее пространство от наружного, по меньшей мере, одно уплотнение вала для герметизации зазора между ротором и корпусом, причем уплотнение вала выполнено в виде двойного сухого газового уплотнения типа «Тандем», причем двойное сухое газовое уплотнение включает внутреннее уплотнение и наружное уплотнение, при этом наружное уплотнение включает подачу уплотняющего газа, выходящую в зазор по оси между наружным уплотнением и внутренним уплотнением, а уплотнение вала включает между внутренним уплотнением и наружным уплотнением первичный вывод, вытягивающий из зазора первичную выводную текучую среду.
Силовые машины с текучей средой, в частности турбокомпрессоры, часто уплотняют на концах вала ротора двойным сухим газовым уплотнением типа «Тандем» (Tandem. Dry Gas Seals), чтобы предотвратить попадание сжимаемого технологического газа через зазор вала в окружающую среду. Эти сухие газовые уплотнения необходимо обеспечивать сухим и фильтрованным уплотняющим газом, чтобы предотвратить загрязнение и увлажнение, снижающие функциональность уплотнения. Для надежной и устойчивой эксплуатации между внутренним уплотнением и наружным уплотнением необходимо наличие давления с возможностью его контролирования. Только при наличии за счет этого перепада давления в наружном уплотнении обеспечивается возможность контролирования функциональности наружного газового уплотнения. В частности, такой перепад давления через наружное уплотнение необходим, чтобы предотвратить перегрев и неустойчивость газовой пленки между контактным уплотнительным кольцом и вращающимся кольцом этого уплотнения.
Соответствующие компоновки с сухим газовым уплотнением на силовых машинах с текучей средой, в частности на турбокомпрессорах, уже известны из WO 2010/034601 A1, WO 2010/034605 A1, WO 2010/102940 A1, WO 2010/118977 A1 и WO 2014/037149 A1. В частности, из WO 2010/034601 A1 известна проблема контроля наружного сухого газового уплотнения, так как вследствие высокой негерметичности, в частности, в режимах ниже полной мощности возникает низкий перепад давления через наружное сухое газовое уплотнение. При этом негерметичность внутреннего сухого газового уплотнения настолько высока, что приводит к снижению давления в промежутке между внутренним и наружным сухим газовым уплотнением. Другой проблемой является отсутствие обеспечения наружного сухого газового уплотнения охлаждающей текучей средой, в частности технологической текучей средой под давлением изнутри на наружном сухом газовом уплотнении или смеси с технологической текучей средой, для обеспечения смазывания и охлаждения этого уплотнения. Для решения этой проблемы в промежуток или в само уплотнение нагнетают уплотняющую технологическую жидкую среду в больших объемах, чтобы обеспечить охлаждение и смазывание. Однако дополнительным недостатком этого является необходимость большого объема уплотняющей технологической жидкой среды, подготовка и обеспечение которой очень затратны и при определенных условиях это даже снижает производительность машины.
Исходя их проблем и недостатков существующего уровня техники, задачей изобретения является надежное обеспечение функциональности, в частности, наружного уплотнения сдвоенной компоновки и его контролирование без увеличения потребности в охлаждающей и смазывающей технологической жидкой среде.
Для решения этой задачи предложена силовая машина с текучей средой указанного выше типа с дополнительными признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Предложен также способ эксплуатации такой силовой машины согласно независимому пункту на способ. Соответствующие зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты усовершенствования изобретения. Изобретение включает также варианты исполнения, вытекающие из комбинаций зависимых пунктов формулы на основе неярко выраженной обратной зависимости, насколько это возможно технически.
Описанный первичный вывод ведет в систему утилизации. Она, как правило, является факельной системой с небольшим избыточным давлением в окружающую среду.
Данные геометрии, например осевые, радиальные, тангенциальные и др. относятся к оси ротора по определению пункта 1 формулы, если отсутствует другое отличающееся от него соответствующее определение.
Приведенные понятия «внутренний(-ее)» и «наружный(-ое)» относятся к названным в пункте 1 формулы «внутреннему объему» или «внешнему окружению» силовой машины с текучей средой. При этом эти атрибуты по особенностям языка применены также тогда, когда деталь относительно другой детали обозначают как внутреннюю деталь, если она расположена к центру внутреннего объема ближе, чем соотнесенная с ней другая деталь, расположенная дальше во внешнем окружении.
Под внутренним уплотнением и наружным уплотнением понимают соответственно сухое газовое уплотнение для герметизации зазора между ротором и корпусом.
Сухое газовое уплотнение - это бесконтакная сухая пара уплотнительных колец, каждое с уплотняющей торцевой стороной, причем одно уплотнительное кольцо вращается, а другое неподвижно. Во время эксплуатации выемки, по меньшей мере, в одной из обоих торцевых сторон вызывают динамические усилия, приводящие к образованию зазора между обоими кольцами. В последнее время используют т.н. сухое газовое уплотнение, в частности, в центробежных компрессорах, так как негерметичность и, тем самым, загрязнение внешних компонентов исключительно малы и нет необходимости в применении смазочного масла для этих уплотнений.
Решающее преимущество изобретения состоит в том, что нагнетание согласно изобретению в первичный вывод посредством второго регулятора обеспечивает перепад давления через наружное уплотнение без необходимости добавлять уплотняющий газ. Это сильно снижает расход уплотняющего газа и одновременно обеспечивает снаружи контролирование функциональности наружного уплотнения. Одновременно изобретение обеспечивает возможность надежной эксплуатации силовой машины с текучей средой даже при полностью перекрытом первичном выводе и снижении давления между наружным и внутренним уплотнением ниже первого заданного значения, так что на наружном уплотнении возникает еще более низкий перепад давления, а второй регулятор синхронно с положением первого регулятора инициирует или повышает подачу дополнительного уплотняющего газа через устройство подачи уплотняющего газа. При неисправности наружного уплотнения и повышении расхода уплотняющего газа или снижении первого давления между внутренним уплотнением и наружным уплотнением сначала подается сигнал тревоги и, при необходимости, в случае дальнейшего снижения происходит отключение силовой машины с текучей средой без повреждения наружного уплотнения, самой силовой машины или окружающих ее компонентов.
В предпочтительном усовершенствованном варианте исполнения рядом с наружным уплотнением, обращенным в сторону внутреннего объема, расположено предназначенное для него первое лабиринтное уплотнение для герметизации зазора. Первое лабиринтное уплотнение обеспечивает первичное использование подаваемого уплотняющего газа для смазывания и охлаждения наружного уплотнения и предотвращает его стекание в направлении внутреннего уплотнения.
В другом предпочтительном варианте усовершенствования изобретения первичный вывод заходит в зазор по оси между первым лабиринтным уплотнением и внутренним уплотнением. В частности, в сочетании с заходом первой подачи уплотняющего газа на наружной стороне первого лабиринтного уплотнения между подачей уплотняющего газа и первичным выводом возникает перепад давления, используемый для смазывания и охлаждения наружного уплотнения с одновременным снижением расхода уплотняющего газа.
В другом предпочтительном варианте усовершенствования изобретения в качестве указания на приближение критической ситуации регулятор сигнализирует тревогу при снижении первого давления ниже порогового значения сигнализации по давлению. Это обеспечивает обслуживающему персоналу возможность регистрации приближения критической ситуации и, при необходимости, принятия профилактических контрмер для предотвращения отключения машины.
В другом предпочтительном варианте усовершенствования изобретения регулятор инициирует отключение силовой машины с текучей средой, если первое давление падает ниже второго порогового значения, что не может обеспечить безаварийную работу, в частности исключить повреждение наружного уплотнения. Для защиты внутреннего уплотнения от попадания вероятного агрессивного технологического газа или посторонних тел в другом предпочтительном варианте усовершенствования изобретения предпочтительна установка для герметизации зазора предназначенного для внутреннего уплотнения обращенного во внутрь второго лабиринтного уплотнения рядом с внутренним уплотнением.
Второе лабиринтное уплотнение предпочтительно, в частности, в том случае, если согласно самостоятельному варианту усовершенствования для внутреннего уплотнения установлена вторая подача уплотняющего газа, обращенная по оси вовнутрь и заходящая рядом с внутренним уплотнением в зазор, в частности, между внутренним уплотнением и вторым лабиринтным уплотнением.
В другом предпочтительном варианте усовершенствования изобретения вторая подача уплотняющего газа подключена к первой подаче уплотняющего газа таким образом, что изменение положения открытия первого регулятора изменяет и второе давление во второй подаче уплотняющего газа. При этом целесообразно подключение первой подачи уплотняющего газа напрямую к подающему трубопроводу уплотняющего газа с промежуточным подключением первого регулятора, чтобы регулятор управлял давлением в первой подаче уплотняющего газа. С учетом потока уплотняющего газа на напорной стороне первого регулятора целесообразно подключение второй подачи уплотняющего газа в трубопровод первой подачи уплотняющего газа. Между деталями входа уплотняющего газа первой подачи и второй подачи уплотняющего газа предпочтительна установка дросселя для создания в зазоре соответствующих степеней напора между первым давлением и вторым давлением, чтобы соответственно внутреннее и наружное уплотнения были обеспечены необходимым для надежной работы перепадом давления.
Далее изобретение более подробно раскрыто на основе специального примера исполнения с учетом чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - схема компоновки и принципа действия силовой машины с текучей средой по данному изобретению и способа по данному изобретению;
фиг. 2 - аксиальная характеристика изменения давления через уплотнение, показанное на фиг. 1 в левой части турбокомпрессора.
На фиг. 1 показана схема принципа действия силовой машины FEM с текучей средой по данному изобретению и способа эксплуатации по данному изобретению такой силовой машины FEM с текучей средой.
На фиг. 2 показана схема характеристики изменения давления через уплотнение SLS вала силовой машины FEM с текучей средой. При этом на фиг. 2 показана характеристика изменения давления на левом уплотнении SLS вала по фиг. 1.
Силовая машина FEM с текучей средой по данному изобретению на фиг. 1 выполнена в виде турбокомпрессора ТС, причем турбокомпрессор ТС включает ротор R с крыльчаткой IMP и корпус С.Между ротором R и корпусом С в зоне выхода ротора R из внутреннего объема IN корпуса С в окружающую среду ЕХ за пределами корпуса С между корпусом С и ротором R образован зазор GP. Для герметизации этого зазора в силовой машине FEM с текучей средой установлено уплотнение SLS вала, выполненное в виде сдвоенного сухого газового уплотнения TDGS типа «Тандем». По ходу из внутреннего объема IN корпуса С в окружающую среду ЕХ в сдвоенном сухом газовом уплотнении TDGS типа «Тандем» установлены: второе лабиринтное уплотнение LB2, внутреннее уплотнение SLI, первое лабиринтное уплотнение LB1 и наружное уплотнение SLO. Внутреннее уплотнение SLI и наружное уплотнение SLO выполнены соответственно в виде сухого газового уплотнения и включают каждое вращающееся кольцо RR и неподвижное кольцо SR. Вращающееся кольцо RR установлено опосредованно на корпусе С - как правило эти уплотнения вала входят в состав патрона, вставляемого на втулках вала в выемку корпуса.
Во внутреннем объеме IN корпуса С силовой машины FEM с текучей средой в процессе работы установлено давление PFEM технологической текучей среды, которое, как правило, выше давления РЕХ в окружающей среде EX. В качестве опциона- как показано на правой стороне изображенного на фиг. 1 справа уплотнения SLS вала - установлено третье лабиринтное уплотнение LBEX, герметически защищающее, в частности, наружное уплотнение SLO от окружающей среды. По оси между вторым лабиринтным уплотнением LB2 и внутренним уплотнением FLI с двух сторон установлена вторая подача SGS2 уплотняющего газа с давлением PSGS2, заходящая в зазор GP. По оси между первым лабиринтным уплотнением LB1 и внутренним уплотнением SLI установлен первичный вывод PV, посредством которого в зазор между первым лабиринтным уплотнением LB1 и внутренним уплотнением SLI нагнетают первое давление PI или первое заданное давление P1SET. Между первым лабиринтным уплотнением LB1 и наружным уплотнением SLO по оси установлена первая подача SGS1 уплотняющего газа, подающая по необходимости уплотняющий газ под давлением PSGS1 в зазор GP. Давление PSGS2 второй подачи уплотняющего газа SGS2 зависит от подаваемого давления PSGS системы подачи уплотняющего газа SGS. Эта система подачи уплотняющего газа SGS обеспечивает сухой и очищенный уплотняющий газ с необходимым химическим составом под давлением PSGS для второй подачи SGS2 уплотняющего газа. Первая подача SGS1 уплотняющего газа подключена ко второй подаче SGS2 уплотняющего газа посредством управляемого регулятора VI, регулирующего нагнетание давления PSGS1 в подачу уплотняющего газа. Регулятор VI является регулируемым клапаном с соответствующим управлением и приводом. Уплотняющий газ перед заходом из первой подачи SGS1 уплотняющего газа в зазор GP между первым лабиринтом LB1 и наружным уплотнением SLO проходит сначала через клапан VM ручного управления и дроссель ТН1. Клапан VM ручного управления предназначен в рамках ввода в эксплуатацию для прерывания подачи уплотняющего газа и изолирования рабочей зоны. Первый дроссель ТН1 предотвращает чрезмерную подачу уплотняющего газа в случае неисправности первого регулятора. Это устанавливает между первым лабиринтом LB1 и наружным уплотнением SLO первое давление PGPS1 зазора. Давление PSGS во второй подаче SGS2 уплотняющего газа также снижают вторым дросселем ТН2 перед входом уплотняющего газа в зазор GP между вторым лабиринтом LB2 и внутренним уплотнением SLI.
В первичном выводе PV, заходящем между первым лабиринтом LB1 и внутренним уплотнением SLI в зазор GP для выведения первичной рабочей текучей среды PVF, устанавливают посредством управляемого второго регулятора V2 давление PPV. Второй регулятор выполнен при этом главным образом, как и первый регулятор, в виде управляемого клапана. Третий дроссель ТН3 установлен в трубопроводе первичного выхода PV, за счет чего направление выводимого потока на напорной стороне третьего дросселя ТН3 устанавливает в зазоре GP давление PL
Регулятор CU соединен с первым регулятором VI, вторым регулятором V2 и прибором измерения давления PIT, опосредованно измеряющим давление PI в зазоре GP через первичный вывод PV. Регулятор CU настраивает положения отверстий первого регулятора VI и второго регулятора V2 таким образом, чтобы настроить в зазоре GP по оси между внутренним уплотнением SLI и первым лабиринтом LB1 давление PI на первое заданное давление P1SET. Для этого регулятор CU выполнен таким образом, чтобы переустанавливать первое давление PI на первое давление P1SEТ, регулируя на первом этапе сначала открытие второго клапана V2 и перекрывая первый клапан VI, а на втором этапе открывая первый клапан V1 при перекрытом втором клапане V2 и первом давлении PI, меньшим чем первое заданное давление P1SEТ, и регулируя на третьем этапе при перекрытом первом клапане V1 открытие второго клапана V2 до достижения первым давлением PI первого заданного давления P1SEТ, а при перекрытом первом клапане снова начиная первый этап.
Результат такого регулирования давления в уплотнении SLS вала показан на фиг. 2. На фиг. 2 показано, как исходя из давления PFEM технологической текучей среды во внутреннем пространстве IN за счет второго давления PGPS2 в зазоре растет давление во втором лабиринте LB2, чтобы резко упасть с приближением к окружающей среде ЕХ в зоне внутреннего уплотнения SLI до первого давления PI в результате большого перепада давления через внутреннее уплотнение SLI и первичный вывод PV.
В предпочтительном варианте усовершенствования изобретения через внутренне уплотнение постоянно действует более высокий перепад давления, чем через наружное уплотнение SLO.
Дополнительное небольшое снижение давления в первом лабиринте LB1 происходит до первого давления PGPS1 в зазоре, которое с дальнейшим приближением к окружающей среде ЕХ падает в наружном уплотнении до давления РЕХ окружающей среды.
В предпочтительном варианте усовершенствования изобретения регулятор выдает сигнал тревоги при падении первого давления ниже предельного давления PAL.
Кроме этого предпочтительно отключение регулятором силовой машины с текучей средой при падении первого давления ниже давления отключения.