УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ РЭНКИНА
SEALING DEVICES FOR TURBOEXPANDERS FOR USE IN ORGANIC RANKINE CYCLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения изобретения, описанного в данном документе, относятся в целом к энергетическим установкам и, более конкретно, к турбодетандерам.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В циклах Рэнкина используется рабочая текучая среда в замкнутом цикле для забора тепла от нагревательного источника или горячего резервуара и создания при этом потока горячего газа, который расширяется при прохождении через турбину с обеспечением выработки электроэнергии. Расширенный поток конденсируется в конденсаторе вследствие передачи тепла к холодному резервуару, и его давление снова повышается до давления, при котором выполняется нагревание, для завершения цикла. Энергетические установки, например газовые турбины или поршневые двигатели (первичная установка), создают горячие отработанные газы, которые либо используются в последующем процессе выработки энергии (вторичной установкой), либо выпускаются в виде отработанного тепла в окружающую среду. Например, отработанные газы крупногабаритного двигателя могут быть утилизированы в системах регенерации отработанного тепла, используемых для выработки дополнительной энергии, с повышением тем самым общей эффективности установки. На фиг.1 показана обычная теплоутилизационная энергетическая установка, работающая с циклом Рэнкина.
Энергетическая установка 1 содержит теплообменник 2, также известный как бойлер или рекуператор, турбодетандер 4, конденсатор 6 и насос 8. При работе, начиная с теплообменника 2, внешний источник 10 тепла, например горячие топочные газы, нагревает теплообменник 2, в результате чего поступающая жидкая среда 12 под давлением превращается в пар 14 под давлением, который проходит в турбодетандер 4. Турбодетандер 4 принимает поток 14 пара под давлением и может вырабатывать энергию 16 в процессе расширения указанного пара. Поток 18 расширенного пара под более низким давлением, выпущенный из турбодетандера 4, поступает в конденсатор 6, который обеспечивает конденсацию указанного потока 18 с образованием потока 20 жидкости под более низким давлением. Затем указанный поток 20 поступает в насос 8, который создает поток 12 жидкости под более высоким давлением и поддерживает циркуляцию в системе с замкнутым контуром. Поток 12 затем проходит в теплообменник 2 для продолжения этого процесса.
Одной рабочей текучей средой, которая может использоваться в цикле Рэнкина, является органическая рабочая текучая среда, например циклопентан. Органическая рабочая текучая среда в этом контексте иногда называется текучей средой органического цикла Рэнкина (ОЦР), а установки, в которых используются текучие среды ОЦР, иногда называются установками ОЦР. По соображениям безопасности нежелательно, чтобы циклопентан взаимодействовал с окружающим воздухом.
В турбодетандерах, используемых в установках ОЦР, необходимо решать, например, два типа проблем, связанных с протечкой. Когда установки ОЦР находятся в рабочем режиме, давление в контуре, показанном на фиг.1, является относительно высоким по сравнению с окружающей средой, поэтому необходимо препятствовать выходу (эксфильтрации) текучей среды ОЦР, например циклопентана, за пределы установки. Когда установки ОЦР не работают, т.е. находятся в режиме останова, давление в контуре, показанном на фиг.1, является относительно низким по сравнению с окружающей средой, поэтому необходимо исключить инфильтрацию окружающего воздуха в установку ОЦР.
Соответственно, существует необходимость в устройствах и способах для более эффективной работы энергетической установки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведено описание способов и устройств, предназначенных для регулирования инфильтрации окружающего воздуха, например, в установку с органическим циклом Рэнкина и эксфильтрации технологического газа из нее. Для предотвращения эксфильтрации технологического газа при нахождении установки с органическим циклом Рэнкина в рабочем режиме может использоваться первый уплотнительный механизм, например сдвоенное сухое газовое уплотнение. Для предотвращения инфильтрации окружающего воздуха при нахождении указанной установки в режиме останова может использоваться второй уплотнительный механизм, например надувное неподвижное кольцевое уплотнение. В установке ОЦР могут быть выполнены один или более датчиков давления для выявления, например, возникновения инфильтрации окружающего воздуха и необходимости очищения установки.
В соответствии с одним вариантом выполнения способ регулирования инфильтрации и эксфильтрации газов через вал турбомашины включает уплотнение указанного вала от эксфильтрации технологического газа, когда указанная установка находится в рабочем режиме, уплотнение указанного вала от инфильтрации окружающего воздуха, когда турбомашина находится в режиме останова, и определение давления газа в турбомашине для отслеживания возникновения инфильтрации.
В соответствии с другим вариантом выполнения установка для выработки энергии содержит турбомашину, содержащую по меньшей мере один вал, присоединенный к редуктору, первый уплотнительный механизм, предназначенный для уплотнения указанного по меньшей мере одного вала от эксфильтрации технологического газа, когда установка находится в рабочем режиме, второй уплотнительный механизм, предназначенный для уплотнения указанного по меньшей мере одного вала от инфильтрации окружающего воздуха, когда установка находится в режиме останова, и по меньшей мере один датчик, предназначенный для определения давления газа в установке для отслеживания возникновения инфильтрации.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения энергетическая установка содержит средство для уплотнения вала турбомашины от эксфильтрации технологического газа, когда указанная установка находится в рабочем режиме, средство для уплотнения указанного вала от инфильтрации окружающего воздуха, когда установка находится в режиме останова, и средство для определения давления газа в установке для отслеживания возникновения инфильтрации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи изображают иллюстративные варианты выполнения, при этом на чертежах:
фиг.1 иллюстрирует цикл Рэнкина,
фиг.2 иллюстрирует органический цикл Рэнкина в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения,
фиг.3 изображает первый уплотнительный механизм и второй уплотнительный механизм, используемые для предотвращения соответственно эксфильтрации технологического газа во время рабочего режима и инфильтрации окружающего воздуха во время режима останова в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения,
фиг.4 изображает сдвоенное сухое газовое уплотнение, и
фиг.5 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ регулирования эксфильтрации технологического газа и инфильтрации окружающего воздуха в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется формулой изобретения.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
Как изложено в разделе «Предпосылки изобретения» и показано на фиг.1, цикл Рэнкина может использоваться в энергетических установках для отбора части отработанной тепловой энергии. Для удовлетворения двух вышеуказанных, по существу, противоположных требований, т.е. требований по уплотнению в рабочем режиме и требований по уплотнению в режиме останова, в иллюстративных вариантах выполнения предусмотрено комбинированное уплотнительное устройство, которое обеспечивает уплотнение турбодетандера 4 как от инфильтрации окружающего воздуха, так и от эксфильтрации технологического газа. Более конкретно, для исключения возможной эксфильтрации текучей среды ОЦР во время нахождения установки в рабочем режиме в иллюстративных вариантах выполнения используется первый уплотнительный механизм, например сдвоенное сухое газовое уплотнение. Кроме того, для исключения возможной инфильтрации окружающего воздуха во время нахождения установки в режиме останова также может быть выполнен второй уплотнительный механизм, например надувное неподвижное уплотнительное кольцо. Следует отметить, что, несмотря на то что описанные в данном документе первый и второй уплотнительные механизмы в первую очередь предназначены соответственно для уменьшения эксфильтрации и инфильтрации, они также обеспечивают некоторую дополнительную уплотнительную защиту соответственно от инфильтрации и эксфильтрации. Кроме того, для регулирования установки используются датчики управления и схемы обратной связи, реагирующие на выявленные значения давлений в установке при ненадлежащей работе уплотнительных механизмов, например, с обеспечением подачи предупредительных сигналов и оказания регулирующих воздействий, связанных с инфильтрацией окружающего воздуха.
Следует отметить, что, несмотря на то что описанные в данном документе варианты выполнения относятся к использованию уплотнительных устройств в турбодетандере, данное изобретение не ограничено этим применением. Более конкретно, уплотнительные устройства в соответствии с этими вариантами выполнения могут использоваться и в других турбомашинах, например в компрессорах и т.п.
Ниже со ссылкой на фиг.2 приведено описание иллюстративной установки 200 для выработки энергии (в которой для простоты и краткости некоторые компоненты обычной установки с циклом Рэнкина не показаны) с расположенным в ней иллюстративным турбодетандером с уплотнительными устройствами в соответствии с этими вариантами выполнения. Сначала в установке нагнетается давление и обеспечивается циркуляция рабочей текучей среды (в направлении, показанном стрелками) в установке с замкнутым циклом Рэнкина при помощи насоса 202. Рабочая текучая среда, например текучая среда ОЦР, нагнетается в испаритель 204, где она преобразуется в пар. Затем этот пар под давлением проходит к турбодетандеру 206, который в данном примере содержит первую ступень 208 расширения и вторую ступень 210 расширения, однако данное изобретение в равной степени применимо к турбодетандерам или другим турбомашинам, имеющим другие конфигурации, например, имеющим только одну ступень или более двух ступеней.
Первая ступень 208 содержит впускную направляющую лопатку 212, которая обеспечивает регулирование отношения объема пара под давлением, поступающего в первую ступень 208, к его расходу. Указанный пар теряет некоторое количество энергии во время расширения и направляется ко второй ступени 210, в которую он поступает через другую впускную лопатку 214, также обеспечивающую регулирование отношения объема пара, поступающего во вторую ступень 210, к его расходу. При расширении пара в ступенях 208 и 210 совершается работа, обеспечивающая вращение соответствующих ступеням валов 216, 218 (например, с помощью соответствующего рабочего колеса (не показано)), которые присоединены к редуктору 220. Редуктор 220 присоединен единым валом 222 к генератору 224, который затем обеспечивает выходную мощность 226.
В соответствии с частью цикла Рэнкина, показанной на фиг.2, расширенный пар выходит из второй ступени 210 и из турбодетандера 206 и проходит к рекуператору 228, который обеспечивает возможность теплообмена рабочей текучей среды. Затем рабочая текучая среда проходит через другие стадии цикла Рэнкина (не показаны) к насосу 202 для повторения указанного цикла. Датчики 230 представляют собой мониторные датчики давления, а контроллер 234 обеспечивает регулирование настроечных параметров энергетической установки и генерацию предупредительных сигналов, при этом указанные датчики и контроллер рассмотрены более подробно ниже. Несмотря на то что показаны два датчика 230 давления, возможно выполнение большего или меньшего количества датчиков. В соответствии с одним исключительно иллюстративным вариантом выполнения датчики или измерительные преобразователи 230 давления также, или как вариант, могут быть установлены, по существу, в местоположениях, обозначенных номерами 216 и 218 позиций (также относящимися к валам).
На фиг.3 изображен иллюстративный уплотняющий картридж 300 в соответствии с одним вариантом выполнения, предназначенный для уплотнения, например, валов 216 и/или 218 в турбодетандере 206. В данном варианте уплотняющий картридж содержит первое рабочее лабиринтное уплотнение 302, расположенное выше по потоку от канала 304, проходящего к ступени низкого давления (НД) установки, и второе рабочее лабиринтное уплотнение 306, расположенное выше по потоку от впускного отверстия 308, которое обеспечивает подачу буферного газа к наружной стороне сдвоенного уплотнения 310. Сдвоенное уплотнение 310, в данном документе также называемое, например первым уплотнительным механизмом и описанное более подробно ниже в отношении фиг.4, расположено смежно с лабиринтным уплотнением 306, показанным на фиг.3, и снабжается уплотнительным газом, например, ОЦР технологическим газом через канал 312. Картридж 300 также содержит надувное неподвижное уплотнительное кольцо 314, которое согласно вариантам выполнения обеспечивает уплотнение установки при ее нахождении в режиме останова и является примером второго уплотнительного механизма в соответствии с данным вариантом выполнения. Кроме того, сдвоенное уплотнение 310 может действовать в качестве резервного средства для уплотнительного кольца 314 в том, что касается инфильтрации окружающего воздуха в установку при ее запуске.
Надувное неподвижное уплотнительное кольцо 314 в данном иллюстративном варианте выполнения расположено между сдвоенным уплотнением 310 и вентиляционным каналом 316 под давлением, который обеспечивает выпуск в атмосферу. В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения в канале 230 может быть расположен датчик 230 давления, который предназначен для проведения измерений давления газа в этой части уплотнительного устройства и может использоваться, как изложено ниже. Кроме того, в картридже 300 может быть выполнено буферное уплотнение 318.
Как показано на фиг.4, иллюстративное сухое газовое уплотнительное устройство 400 тандемного типа (также называемое сдвоенным уплотнением), которое может использоваться в качестве первого уплотнительного механизма 310, содержит первое уплотнение 402 и второе уплотнение 404, расположенные в едином пакете. Во время нормальной работы установки 200 первое уплотнение 402 обеспечивает сдерживание полного давления обрабатываемого газа, в то время как второе уплотнение 404 служит в качестве резервного средства, предназначенное для работы только в случае выхода из строя первого уплотнения 402 или чрезмерной протечки через него. Как правило, выше по потоку от уплотнения 402 вводится поток соответствующего заданным условиям газа, поступающий из первого источника 406 газа, для изоляции уплотнения 400 от технологического газа, например циклопентана. В уплотнение 404 в тандеме 400 может поступать газ под низким давлением из источника 408. Каждое уплотнение 402, 404, как правило, содержит соответственно неподвижный диск 410, 412 и подвижный диск 414, 416.
В соответствии с вариантами выполнения совместно с уплотнительным устройством 200 также используется управляющее устройство 234. Во время длительных отключений установки с циклом Рэнкина или установки 200 существует опасность инфильтрации воздуха в установку вследствие разницы между давлением окружающего воздуха и пара текучей среды ОЦР, например циклопентана. Для устранения такой вероятности управляющая система в соответствии с одним вариантом выполнения содержит по меньшей мере один измерительный преобразователь давления или датчик 230 давления, который измеряет давление газа (а) в контуре установки с органическим циклом Рэнкина, например, показанной на фиг.1, в турбодетандере или в обоих элементах. Если измеренное давление газа превышает ожидаемое значение давления пара текучей среды ОЦР, например циклопентана, то управляющая система делает вывод или сообщает о том, что в установку проник воздух, и передает сигнал о необходимости очищения установки, например, на пользовательский интерфейс, с которого считывает информацию оператор. Во время работы установки указанные измерения давления могут использоваться, например, для подтверждения сохранения целостности сухого газового уплотнения, т.е. если изменение давления в указанном уплотнении превышает конкретную пороговую величину, это может означать, что имело/имеет место нарушение целостности уплотнения.
Таким образом, как показано на фиг.5, комбинированный способ регулирования инфильтрации и эксфильтрации газов через вал турбомашины, работающей в установке, например в установке с органическим циклом Рэнкина, может включать определенные этапы. В данном способе на этапе 500 обеспечивают уплотнение вала, например, турбодетандера от эксфильтрации технологического газа при нахождении указанной установки в рабочем режиме, например, с помощью сдвоенного сухого газового уплотнения. На этапе 502 также обеспечивают уплотнение указанного вала от инфильтрации окружающего воздуха при нахождении установки в режиме останова. Кроме того, как показано, на этапе 504 определяют давление газа в установке для отслеживания возникновения инфильтрации.
Следует отметить, что, несмотря на то что вышерассмотренные иллюстративные варианты выполнения относятся к установкам с органическим циклом Рэнкина, уплотнительные устройства и способы в соответствии с этими вариантами выполнения не ограничены указанными установками. Например, но без ограничения этим, такие уплотнительные устройства и способы также могут использоваться или быть выполнены в установках, работающих на сжиженном природном газе (СПГ).
Предполагается, что приведенные иллюстративные варианты выполнения во всех отношениях являются иллюстративными, а не ограничивающими для изобретения. Таким образом, при детальной реализации изобретения возможно выполнение различных изменений, которые могут быть очевидны специалисту из приведенного в данном документе описания. Предполагается, что все такие изменения и модификации находятся в рамках объема и сущности изобретения, определяемого формулой изобретения. Никакой элемент, действие или указание, используемые в описании изобретения, не должны рассматриваться как важные или существенные для изобретения, если это явно не указано в описании. Кроме того, предполагается, что используемая здесь форма единственного числа охватывает один или более элементов.
В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.