CN102713306B - 用于压缩机的低排放干燥气体密封系统 - Google Patents

Abstract

根据这些示范实施例的系统和方法提供用于离心压缩机的密封机构。密封机构包括串联地布置的第一干燥气体密封件、第二干燥气体密封件和第三干燥气体密封件。每个密封件接收其自身的密封气体并且具有其自身的排气机构。密封气体压力保持足够低，使得不需要用于供应密封气体的专用压缩机。另外，处理气体在密封件失效时释放到大气中的风险被限制。

Description

用于压缩机的低排放干燥气体密封系统

技术领域

本发明大体涉及压缩机，并且更具体地涉及干燥气体密封系统在压缩机中的设置。

背景技术

压缩机是机器，其通过使用机械能使例如气体的可压缩流体的颗粒加速以最后增大该可压缩流体的压力。压缩机使用在许多不同的应用中，包括作为燃气涡轮发动机的初始级操作。所谓离心压缩机在各种类型的压缩机之中，其中，机械能经由离心加速在输入到压缩机的气体上操作，该离心加速例如通过使气体穿过的离心叶轮转动而使气体颗粒加速。更一般地，离心压缩机可以被说成是已知为“涡轮机”或“涡轮转动机”的机器类别的部分。

离心压缩机可以与单一叶轮(即，单一级构造)或串联的多个叶轮配合，在该多个叶轮的情况下，它们经常被称为多级压缩机。离心压缩机的级中的每一个典型地包括用于待加速的气体的入口导管、能够为输入气体提供动能的叶轮和将从叶轮离开的气体的动能转化成压力能的扩散器。各种类型的气体使用在离心压缩机中，该各种类型的气体中的一些对环境和/或工厂中的工人是有毒或危险的。因此，离心压缩机使用通常放置在支撑(多个)叶轮的轴的端部上的密封系统，以防止气体从压缩机逸出和污染周围环境。单一转子离心压缩机通常设置有作为该密封系统的部分的两个分开密封件，即，轴的每个端部一个密封件，而在悬垂离心压缩机中，密封直接位于叶轮下游的轴端部是足够的。

最近，存在用于离心压缩机的密封系统中的所谓“干燥”气体密封件的使用的增加。干燥气体密封件可以描述为非接触式干燥运行机械面密封件，其包括配合环或转动环和初级环或固定环。在操作中，转动环中的凹槽产生使固定环分开的流体动力，并且在两个环之间产生间隙。这些密封件被称为“干燥的”，这是因为它们不要求润滑油，这尤其极大地降低它们的维护要求。

对于离心压缩机，这种干燥气体密封件在例如所谓串列(tandem)构造的不同构造中是可用的，该所谓串列构造主要使用在将有毒或易燃气体用作输入或处理气体的压缩机中。如图1所示，串列型干燥气体密封系统包括各包含在单一包装中的第一密封件2和第二密封件4。在压缩机的正常操作期间，第一密封件2操作以包含处理的气体的总压力，而第二密封件4充当备用件，其设计成仅在第一密封件2失效或过度地泄漏时才操作。通常，来自压缩机排放的调节气体流在密封件2上游喷入，以使干燥气体密封件与处理气体分离。在具有高毒性处理气体(例如，具有高含量的H₂S的气体)和高密封压力的应用中，例如所谓“脱硫”气体的、具有低硫含量的外部密封气体源通常设置成使处理气体与周围环境分离。由于高密封压力，故独立于离心压缩机操作的专用往复式压缩机6用于供给密封气体系统。在串列中的第二密封件4可以经由源8接收作为次级密封气体的较低压力(例如，低于10巴)的氮气，以确保没有有毒/易燃气体逸出到周围环境。

因此，装备有这些类型的干燥气体密封系统的离心压缩机还要求附加的压缩机，其功能仅是提供密封气体，从而使总系统更复杂。除了仅使复杂性增加之外，往复式压缩机6可以具有甚至比它们意图服务的离心压缩机更多的维护要求。此外，虽然在串列构造中的第二密封件4提供备用能力，但是当前干燥气体密封系统仍存在缺点，在该情况下，它们可以将一定量的密封气体非期望地释放到大气中。

因此，期望的是，设计和提供克服现有密封系统的前述缺点的、用于压缩机的低排放干燥气体密封件。

发明内容

示范实施例提供例如能够用于离心压缩机的密封机构。密封机构包括串联地布置的第一干燥气体密封件、第二干燥气体密封件和第三干燥气体密封件。每个密封件接收其自身的密封气体并且具有其自身的排气机构。使处理气体与排气系统分开的密封气体压力保持足够低，使得不需要用于供应密封气体的专用压缩机。根据本文中描述的示范实施例的优点包括例如对可能有害的处理气体的更好控制、与用于离心压缩机的密封机构相关的较低复杂性和较低维护要求。然而，本领域技术人员将理解，该优点不被理解成本发明的限制，除了达到它们在所附权利要求中的一个或多个中被明确地叙述的程度之外。

根据示范实施例，离心压缩机包括：转子组件，其包括至少一个叶轮；轴承，其连接于转子组件并且用于可转动地支撑转子组件；定子；密封机构，其布置在转子组件和轴承之间，密封机构包括：第一干燥气体密封件，其布置在密封机构的内侧附近，并且具有以第一压力供应到其中的初级密封气体；第二干燥气体密封件，其布置成与第一干燥气体密封件相邻，并且具有以第二压力供应到其中的初级缓冲气体；和第三干燥气体密封件，其布置成与第二干燥气体密封件相邻，并且具有以第三压力供应到其中的缓冲气体。

根据另一个示范实施例，用于密封离心压缩机的方法，该离心压缩机具有包括至少一个叶轮的转子组件、连接于转子组件并且用于可转动地支撑转子组件的轴承、和定子，该方法包括：通过使用第一干燥气体密封件、第二干燥气体密封件和第三干燥气体密封件的按顺序的组合而阻挡通过离心压缩机加压的处理气体到达轴承；以处于第一压力的初级密封气体供应第一干燥气体密封件；以处于第二压力的初级缓冲气体供应布置成与第一干燥气体密封件相邻的第二干燥气体密封件；和以处于第三压力的缓冲气体供应布置成与第二干燥气体密封件相邻的第三干燥气体密封件。

附图说明

附图示出示范实施例，其中：

图1示出了串列密封机构；

图2是设置有根据示范实施例的密封机构的多级型离心压缩机的示意图；

图3是使用在根据示范实施例的密封机构中的示范干燥气体密封件的局部截面图；

图4是根据示范实施例的包括三个干燥气体密封件的密封机构的截面图；

图5示出了根据示范实施例的包括输入流体控制器和输出流体控制器的密封机构；和

图6是示出根据示范实施例的用于密封压缩机的方法的流程图。

具体实施方式

示范实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。此外，下列详细描述不限制本发明。相反地，本发明的范围由所附权利要求限定。

为了为与根据这些示范实施例的密封系统有关的随后讨论提供一些背景，图2示意性地示出多级离心压缩机10，这种密封系统可以使用在多级离心压缩机10中。在本文中，压缩机10包括箱或外壳(定子)12，设置有多个离心叶轮16的转动压缩机轴14安装在箱或外壳(定子)12内。转子组件18包括轴14和叶轮16，并且通过布置在转子组件18的任一侧上的轴承20径向且轴向地支撑。

多级离心压缩机操作以从管入口22获得输入处理气体，以通过转子组件18的操作使处理气体的颗粒加速并且随后以比处理气体的输入压力高的输出压力将处理气体传送穿过管出口24。处理气体可以例如是二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中的任一个或以上气体的组合。在叶轮16和轴承20之间，密封系统26设置成防止处理气体流动到轴承20。外壳12构造成以便覆盖轴承20和密封系统26二者以防止气体从离心压缩机10逸出。还在图2中看到补偿由叶轮16产生的轴向推力的平衡鼓27、平衡鼓的迷宫式密封件28和平衡管线29，平衡管线29使平衡鼓27的外侧上的压力保持处于与处理气体经由管22进入时所具有的压力相同的水平处。

根据示范实施例，密封系统26中的每一个包括三个干燥气体密封件，其一起合作以密封处理气体以防止其朝向轴承20逸出。一般而言，如例如图3所示，可以实施密封系统26中的三个干燥气体密封件中的每一个。在本文中，干燥气体密封件30位于压缩机轴14上以阻挡处理气体沿着气体路径32从离心压缩机10的内侧流动到外侧。每个干燥气体密封件30包括转动座34，其与压缩机轴一起转动并且与固定环36配合。在操作期间，形成在转动座34和固定环36中的至少一个中的凹槽具有泵送在其中的加压流体，其具有产生使固定环36与转动座34分开的流体动力的效果。这在两个环之间产生间隙，该两个环的组合操作为通常防止处理气体的泄漏的密封件，而在转动座34和固定环36之间没有摩擦力。可以在美国专利No. 5,492,341和美国专利No. 5,529,315中找到这些类型的干燥气体密封件的实例，这些专利的公开以引用的方式并入本文中。

图4示出了具有根据示范实施例的三干燥气体密封系统26的例如离心压缩机的转动机的部分。在本文中，三干燥气体密封系统26包括沿着压缩机轴14串联地布置的三个单独的干燥气体密封件40，42和44。在该示范实施例中，迷宫式密封件45布置在三干燥气体密封系统26上游(在叶轮附近的内侧上)，并且障碍密封件48布置在三干燥气体密封系统26下游(即，在轴承20附近的外侧上)，但是本领域技术人员将理解该特别构造仅是说明性的，并且迷宫式密封件和/或障碍密封件可以从其他的实施例省略。三个干燥气体密封件40，42和44中的每一个具有用于它们的相应密封气体的相应入口和出口。更具体地，第一级(初级)密封件40具有入口46和出口48，第二级(次级)密封件42具有入口50和出口52，并且第三级(第三)密封件44具有入口54和出口56。相似地，三个干燥气体密封件40，42和44中的每一个分别具有转动座58、62，66和固定环60，64和68，并且三个干燥气体密封件40，42和44中的每一个设计成处置与处理气体相关的最大密封压力。

图5从流体压力的观点描述根据示范实施例的三干燥气体密封系统26。在本文中，根据该示范实施例，初级密封级40设置有作为密封气体的调节(即，适当地过滤、加热和控制)处理气体。该密封气体可以例如以70-400巴的压力传送，并且经由压力控制阀(PCV)70和相关气体调节元件72(其不必限制于图5中示出的加热器和过滤器，例如，冷却元件或其他的气体调节元件可以设置为附加或可选的元件)以比例如300巴的处理气体更高的压力提供给第一密封件40。密封气体通过PCV70自动地控制成处于流动压力或不同压力，以便确保调节气体在所有操作条件(例如，加压、起动、正常操作、关闭等)下的流动。

根据该示范实施例，次级密封级42设置有作为初级缓冲气体的燃料气体或其他的合适脱硫气体源，该初级缓冲气体经由压力控制阀74和相关气体调节元件76以例如20巴提供给干燥气体密封件42。初级缓冲气体(通常是能够在工厂中获得的脱硫燃料气体或其他的合适气体)以确保含硫密封气体和脱硫密封气体之间的确定分开的方式经由PCV74(例如，在图4中经由端口50)喷入到压缩机10中。相似地，第三密封级44可以设置有氮气，其作为来自源的第三密封级44的缓冲气体，该源以例如比废气处理系统压力更高的4-10巴的压力传送气体并且可以通过PCV78和相关气体调节元件80以4巴可控制地提供给第三干燥气体密封件44。然而，注意，将氮气提供给该第三干燥气体密封件44是任选的，因此，可以省略通向第三干燥气体密封件44的气体路径元件79。此外，缓冲气体(该实例中的氮气)还可以供应给障碍密封件81。

本领域技术人员将理解，以上描述且在图5中示出的特定气体压力仅是示范的，并且可以使用其他的压力。更一般地，穿过密封系统26的气体压力通常应当设定成使得P1>P2>P4>P3>P6>P5>P7(参照图中示出的压力区)，使得通过区域展示压力的逐步减小。然而，注意，虽然这些压力值是示范的，但是它们是足够低的，使得例如当非限制性实例供应压力从1巴变化到50巴或(稍微不同地说明)低于51巴时，没有一个密封气体供应源要求设置辅助(例如，往复式)压缩机以供应密封气体。这反过来致使示范实施例比常规压缩机系统更成本有效并且要求较少维护。

图5还示出了用于密封系统26的三个密封级中的前面两个密封级中的每一个的压力控制排气机构。例如，初级密封件40包括排气机构82，其使从初级密封件40逸出的处理气体返回到回收系统。假设密封气体压力在该实例中为10巴，排气机构82尤其包括设定到适当压力水平的任选PCV84。回收密封气体排气机构82还装备有流动和压力监控仪器，其可以监控沿着返回路径的流动和压力的变化(较高或较低)，这些参数可以指示密封件的故障。这些值被检测并且可以用于产生系统警报或关闭信号。接着，回收的处理气体发送到回收系统并且喷入到处理气体回路中。

相似地，次级密封件42装备有排气机构86。初级排气口根据该示范实施例且与回收气体排气口相似地装备有流动和压力监控仪器以及PCV88以使压力保持在限定范围内。该压力可以设定成比工厂废气处理系统(flare system)中使用的压力高，排气机构86将排气到该工厂废气处理系统。流动和压力的变化(较高或较低)也可以用于检测和产生次级密封排气系统86中的警报或关闭信号。第三密封件44也具有排气机构90，其定尺寸成避免在密封机构26失效时的高背压，并且将氮气(或初级缓冲气体)排出到大气。

因此，根据一个示范实施例，用于密封离心压缩机的方法包括图6的流程图中示出的方法步骤，该离心压缩机具有包括至少一个叶轮的转子组件、连接于转子组件并且用于可转动地支撑转子组件的轴承和定子。在本文中，在步骤100处，通过使用第一干燥气体密封件、第二干燥气体密封件和第三干燥气体密封件的按顺序的组合而阻挡通过离心压缩机加压的处理气体到达轴承。这进一步涉及以处于第一压力的初级密封气体供应第一干燥气体密封件(步骤102)、以处于第二压力的初级缓冲气体供应布置成与第一干燥气体密封件相邻的第二干燥气体密封件(步骤104)和以处于第三压力的缓冲气体供应布置成与第二干燥气体密封件相邻的第三干燥气体密封件。

因此，基于前面所述，将看到，示范实施例提供用于离心压缩机的密封机构，其能够防止如下情况或至少使其不可能：可能有害的处理气体将释放到大气中。例如，在存在诸如硫化氢(H₂S)的处理气体的情况下，这是特别有用的。另外，这些示范实施例产生密封机构，对于离心压缩机而言，该密封机构是基本上不透干燥气体的，该离心压缩机不要求专门用于高度加压的密封气体的产生的另一个压缩机的存在。此外，虽然如示出且在以上示范实施例中描述的密封机构具有三个干燥气体密封件，但是将理解，根据其他的示范实施例，还可以使用按顺序设置的四个或更多个干燥气体密封件。

以上描述的示范实施例意图在本发明的所有方面是说明性而非限制性的。因此，本发明能够由本领域技术人员进行详细实施的许多变化，其可以来源于包含在本文中的描述。所有该变化和修改被认为在如由下列权利要求限定的本发明的范围和精神内。本申请的描述中使用的元件、动作或指令不应当理解为对本发明而言是重要或必需的，除非明确地描述如此。此外，如在本文中使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个物品。

Claims (10)

1.一种涡轮机，其包括：

转子组件，其包括至少一个叶轮；

轴承，其连接于所述转子组件并且用于可转动地支撑所述转子组件；

定子；和

密封机构，其布置在所述转子组件和所述轴承之间，所述密封机构包括：

第一干燥气体密封件，其布置在所述密封机构的内侧附近，并且具有以第一压力供应到其中的初级密封气体；

第二干燥气体密封件，其布置成与所述第一干燥气体密封件相邻，并且具有以第二压力供应到其中的初级缓冲气体；和

第三干燥气体密封件，其布置成与所述第二干燥气体密封件相邻，并且具有以第三压力供应到其中的缓冲气体；

其中，所述初级密封气体、所述初级缓冲气体和所述缓冲气体彼此不同。

2.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述初级密封气体是通过所述涡轮机加压的处理气体，所述初级缓冲气体是燃料气体，并且所述缓冲气体是氮气。

3.如权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，还包括：

第一排气机构，其构造成将在所述第一干燥气体密封件下游回收的初级密封气体排出到所述涡轮机内的回收系统；

第二排气机构，其构造成将在所述第二干燥气体密封件下游回收的初级缓冲气体和缓冲气体排出到与所述涡轮机相关的废气处理系统；和

第三排气机构，其构造成将在所述第三干燥气体密封件下游回收的缓冲气体排出到大气中。

4.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述初级密封气体是通过所述涡轮机加压的处理气体，与来自所述涡轮机的所述处理气体相关的第一压力区具有压力P1，布置在所述第一压力区和所述第一干燥气体密封件之间的第二压力区具有压力P2，布置在所述第一干燥气体密封件内的第三压力区具有压力P3，布置在所述第三压力区和所述第二干燥气体密封件之间的第四压力区具有压力P4，布置在所述第二干燥气体密封件内的第五压力区具有压力P5，布置在所述第五压力区和所述第三干燥气体密封件之间的第六压力区具有压力P6，布置在所述第三干燥气体密封件内的第七压力区具有压力P7，并且P1>P2>P4>P3>P6>P5>P7。

5.一种用于密封涡轮机的方法，所述涡轮机具有包括至少一个叶轮的转子组件、连接于所述转子组件并且用于可转动地支撑所述转子组件的轴承、和定子，所述方法包括：

通过使用第一干燥气体密封件、第二干燥气体密封件和第三干燥气体密封件的按顺序的组合而阻挡通过所述涡轮机加压的处理气体到达所述轴承；

以处于第一压力的初级密封气体供应所述第一干燥气体密封件；

以处于第二压力的初级缓冲气体供应布置成与所述第一干燥气体密封件相邻的所述第二干燥气体密封件；和

以处于第三压力的缓冲气体供应布置成与所述第二干燥气体密封件相邻的所述第三干燥气体密封件；

其中，所述初级密封气体、所述初级缓冲气体和所述缓冲气体彼此不同。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述初级密封气体是调节处理气体，所述初级缓冲气体是燃料气体，并且所述缓冲气体是氮气。

7.一种干燥气体密封控制系统，其包括：

第一密封气体输入控制机构，其构造成以第一压力将第一密封气体提供给第一干燥气体密封件；

第二密封气体输入控制机构，其构造成以第二压力将第二密封气体提供给第二干燥气体密封件；和

第三密封气体输入控制机构，其构造成以第三压力将第三密封气体提供给第三干燥气体密封件，其中，所述第一密封气体、所述第二密封气体和所述第三密封气体彼此不同。

8.如权利要求7所述的干燥气体密封控制系统，其特征在于，所述第一密封气体是处理气体，所述第二密封气体是燃料气体，并且所述第三密封气体是氮气。

9.如权利要求7或8所述的干燥气体密封控制系统，其特征在于，所述第一压力、所述第二压力和所述第三压力中的每一个小于51巴。

10.如权利要求7或8所述的干燥气体密封控制系统，其特征在于，还包括与所述第一密封气体输入控制机构相关的至少一个气体调节元件，以执行所述第一密封气体的加热、冷却和过滤中的至少一个。