CN103958836B - 用于超临界co2泵高压缓冲的干气密封件 - Google Patents

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Abstract

提出了用于在泵/压缩机处于停止状态时确保干气密封件的安全工作状态的系统和方法。增加小升压压缩机(426)来升高注入干气密封件(400)的主密封件(404)与副密封件(406)之间的室中的中间缓冲气体的压力。控制构件检测隔离气体压力何时下降到低于预先构造的值，且在检测到时，闭合去往火炬安全区域的在一条线中的阀，且开启压缩机(426)。升压的中间缓冲气体(氮或干气体)减慢未处理过程气体穿过干气密封件的主密封件的流，且防止主密封件的结冰。

Description

用于超临界CO2泵高压缓冲的干气密封件
技术领域
本发明大体上涉及用于压缩机、泵的干气密封件，并且更具体而言，涉及在停机状态期间保护主干气密封件的完整性。
背景技术
近年来，由于许多原因，干气密封件对离心压缩机轴密封的应用急剧增加。在离心压缩机上使用干气密封件提供的利益包括改善的压缩机可靠性和计划外停机时间的相关减少、消除泄漏到压缩机中的密封油和相关过程污染物、消除污染密封油且需要通过除气罐的酸性密封油回收的过程气体、消除替换和弃置酸性密封油的成本、基于干气密封件的更高效率来降低操作成本、降低更简单的干气密封系统的维护成本、和减少过程气体排放。
干气密封设备还能够用于与液化气体相关的离心泵。干气密封件在离心压缩机和泵的运行状态下的许多利益掩盖了与在其它操作状态(诸如启动、停机和低速空转的瞬变时间)下的离心压缩机和泵上使用干气密封件相关的问题。在这些时间，干气密封件有问题的原因基于需要高于吸入压力隔离气体来防止颗粒或液体材料污染干气密封件。例如，污染物可从未处理的过程气体或从轴承润滑油到达。
使用干气密封件的典型离心压缩机将过程气体的一部分从压缩机的高压排气口转移，然后过滤、干燥且减小气体的压力。清洁且干燥的隔离气体然后以略微大于压缩机的吸入压力的压力在主密封件上游注入。较高的压力隔离气体防止未处理的过程气体进入干气密封件，在此污染物可渗透到旋转的干气密封件表面的紧密公差中，且引起过早的干气密封环故障。
在操作的瞬变时间期间，来自压缩机排气口的过程气体的压力减小至其等于压缩机的吸入压力的点。因此，不再可能使用来自压缩机的排气口的流来作为隔离流体。在密封室中，在主密封件的上游存在很接近压缩机或泵的吸入压力的压力。在主密封件的下游，存在由缓冲流体(通常是在4到7 bar的压力下可用的氮或空气)形成的压力。此外，较高压力和未处理的过程气体穿透主干气密封件，从而输送颗粒和液体污染物。该问题在二氧化碳(CO2)作为过程流的情况下加剧。穿过干气密封环的紧密公差的二氧化碳(CO2)膨胀可在密封环上形成冰。随后，当压缩机回到正常操作状态时，干气密封环之间的污染物导致干气密封件的过早磨损和故障。
解决该问题的现有尝试集中于对过程流体提供升压器，来将隔离气体保持在压缩机或泵的正常操作期间提供的状态下。该解决方案需要过程流体的类似于过滤和加热的处理，以防止干气密封件的污染。因此，市场压力为构建一种用于防止过程流体和相关污染物在瞬变操作状态期间穿过干气密封件回流的系统和方法。
发明内容
根据这些示范实施例描述的系统和方法通过在来自泵的排气口的流体压力等于待由干气密封件密封的区域的吸入压力时的操作状态(即，启动、停机或低速空转)期间提供用于升高中间缓冲气体的压力的小副压缩机来解决上述需要。简单的控制系统检测干气密封件中的隔离气体压力的下降(即，触发信号可为但不仅仅限于涡轮机的“未运行”状态)，且通过闭合干气密封件与火炬安全(flare-safe)区域之间的阀并且基于待由干气密封件密封的区域中的过程流体的压力来起动副压缩机以将中间缓冲气体升高至预先构造的压力，来保护干气密封件免于结冰。
根据用于在停止操作期间确保干气密封件的安全工作状态的系统的示范实施例，隔离流体压力测量系统检测隔离流体压力中的下降。示范实施例以将连接主密封件与副密封件之间的室与火炬的阀继续。此外，示范实施例以升压压缩机继续，以用于升高注入主密封件与副密封件之间的室中的中间缓冲气体的压力。接下来，示范实施例包括控制系统，该控制系统用于基于主密封件与副密封件之间的测得压力来操作升压压缩机。
根据另一个示范实施例，提出了一种在泵处于瞬变操作状态时确保安装在液化气体泵上的干气密封件的安全工作状态的方法。以示范方法实施例的第一步骤继续，该方法检测低于预先构造的值的隔离气体压力。在示范方法实施例的下一个步骤中，该方法闭合连接到干气密封件的阀。此外，在示范方法实施例中，启动与中间缓冲气体相关的升压压缩机，且将所述室压力保持在预先构造的值。
在另一个示范实施例中，描述了一种液化气体泵干气密封件保护系统。示范实施例包括检测隔离液体的压力何时降到低于下限的器件。示范实施例还包括调节从干气密封件到火炬安全区域的流的器件。继续示范实施例，包括增大注入干气密封件中的中间缓冲气体的压力的器件。继续示范实施例，包括测量缓冲气体压力的器件。接下来，在示范实施例中，一种器件基于测量压力的器件和预先构造的压力值来控制调节流的器件和增大压力的器件。
附图说明
附图示出了示范实施例，在附图中：
图1绘出了操作状态下的干气密封件和相关气体支承系统的现有技术截面图；
图2绘出了停止状态下的干气密封件和相关气体支承系统的现有技术截面图；
图3绘出了操作状态下的干气密封件和相关气体支承系统的示范实施例截面图；
图4绘出了停止状态下的干气密封件和相关气体支承系统的示范实施例截面图；
图5绘出了示出当泵处于操作状态时穿过主干气密封件的气体泄漏流的示范实施例压-焓图；
图6绘出了示出当泵处于停止状态时穿过主干气密封件的气体泄漏流的现有技术压-焓图；
图7绘出了示出当泵处于停止状态时穿过主干气密封件的气体泄漏流的示范实施例压-焓图；并且
图8为流程图，绘出用于保持主干气密封件与副干气密封件之间的室中的足够压力来防止污染主干气密封件的方法。
具体实施方式
示范实施例的以下详细描述提到了附图。不同图中的相同参考标号表示相同或相似的元件。另外，以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。
参看图1，提出了用于二氧化碳(CO2)泵的干气密封(DGS)系统100的现有技术示范实施例的详图。应注意的是，在示范实施例中，超临界状态下的任何流体都可替代示范的二氧化碳(CO2)来用作隔离流体。示范实施例反映了干气密封件在操作状态期间的行为，且包括CO2泵102(其中其相关区域待密封)、干气密封件的主(内侧)密封件104、干气密封件的副(外侧)密封件106、过程流体过滤器108、过程气体加热器110、用于控制去往火炬安全区域的流的阀和控制元件112、中间缓冲气体过滤器114、中间缓冲气体116、隔离流体118、减压阀120、主干气密封室122、和副干气密封室124。
大体而言，该示范现有技术实施例绘出了来自泵排气口来用作隔离流体的过程流体，例如二氧化碳。隔离流体的压力由阀120减小，且由加热器110加热。继续示范现有技术实施例，隔离流体由过滤器108过滤，且注入到主干气密封室122中。在示范实施例中，隔离流体的压力高于泵的吸入压力，且因此防止任何未处理过程气体进入主密封件104中。
继续示范实施例，二氧化碳(CO2)隔离流体穿过内迷宫件部分地流入泵中，且穿过主干气密封件部分地流到主通风口。在示范实施例中，接下来，流入泵中的二氧化碳(CO2)达到吸入压力，吸入压力高于二氧化碳(CO2)的临界压力，且因此将不会经历结冰或冲洗(flushing)。此外，在示范实施例中，穿过主密封件流至主通风口的二氧化碳(CO2)从P1膨胀至由缓冲气体(通常为4-7 bar下的N2/空气)形成的值。应注意的是，在示范实施例中，必须通过加热器将二氧化碳(CO2)隔离流体的温度保持到足够高的值，以在膨胀期间避免结冰或冲洗的风险。
继续示范实施例，中间缓冲气体116(例如氮或干空气)由过滤器114过滤，且注入副干气密封室124中。应注意的是，在示范实施例中，氮或空气之外的气体能够用作缓冲气体。在示范实施例中，中间缓冲气体116的压力高于行进穿过主密封件104的隔离气体的压力，且防止隔离气体达到副密封件106。在示范实施例中，副干气密封室124中的隔离气体118和中间缓冲气体116的混合物行进穿过阀112，且流至火炬安全区域。
现在参看图2，提出了用于二氧化碳(CO2)泵的干气密封(DGS)系统200的现有技术示范实施例的详图。现有技术示范实施例反映干气密封件在瞬变(例如，停止)状态期间的行为，且包括CO2泵202(其中其相关区域待密封)、干气密封件的主(内侧)密封件204、干气密封件的副(外侧)密封件206、过程流体过滤器208、过程流体加热器210、用于控制去往火炬安全区域的流的阀和控制元件212、中间缓冲气体过滤器214、中间缓冲气体216、隔离流体218、减压阀220、主干气密封室222和副干气密封室224。
继续现有技术示范实施例，CO2泵处于停止状态，且因此从泵排出的压力等于待密封区域202中的压力。当泵处于停止状态时，到泵中的压力达到很接近吸入压力的一致值(称为“稳定压力(settle out pressure)”)。应当注意的是，在现有技术示范实施例中，停止状态的结果为来自泵排气口的过程气体不可再作用为隔离流体来防止未处理过程流体从待密封区域202流到主密封件204中。此外，在现有技术示范实施例中，未处理过程流体未被加热或过滤，且因此污染物可进入主密封件204，且结冰可在主密封件204中发生。应注意的是，在现有技术示范实施例中，未处理过程流体的压力大于中间缓冲气体216的压力，因此中间缓冲气体216不可防止未处理过程流体流过主气体密封件204。
以图3继续，提出了用于二氧化碳(CO2)泵的干气密封(DGS)系统300的示范实施例的详图。示范实施例反映干气密封件在操作(例如，运行)状态期间的行为，且包括CO2泵302(其中其相关区域待密封)、干气密封件的主(内侧)密封件304、干气密封件的副(外侧)密封件306、用于控制去往火炬安全区域的流的火炬阀312和控制元件、中间缓冲气体过滤器314、中间缓冲气体316、隔离流体318、主干气密封室322、副干气密封室324、升压压缩机326和升压压缩机326排气阀328、升压压缩机326进气阀330、和升压压缩机326旁通阀332。
在非限制性示范实施例中，当泵处于运行状态时，待密封区域302中的压力低于从泵排气口提供的隔离流体318的压力，且当隔离流体压力高于待密封区域的压力时，火炬阀312和升压压缩机326旁通阀332开启，升压压缩机326排气阀328和升压压缩机326进气阀330闭合，且升压压缩机326停用。继续示范实施例，隔离流体的压力不允许过程流体流过主密封件304，且防止主密封件304的污染和结冰。
现在参看图4，提出了用于二氧化碳(CO2)泵的干气密封(DGS)系统400的示范实施例的详图。示范实施例反映干气密封件在瞬变(例如，停止)状态期间的行为，且包括CO2泵402(其中其相关区域待密封)、干气密封件的主(内侧)密封件404、干气密封件的副(外侧)密封件406、用于控制去往火炬安全区域的流的阀412和控制元件、中间缓冲气体过滤器414、中间缓冲气体416、隔离流体418、主干气密封室422、副干气密封室424、升压压缩机426、升压压缩机排气阀428、升压压缩机426进气阀430、和升压压缩机426旁通阀432。
在非限制性示范实施例中，在泵或压缩机的“未运行”状态(跳闸、停机、启动、加压停止等)下，到泵中的压力为一致的，且等于稳定压力值，且不可再作用为隔离流体。在该示范实施例状态下，火炬阀412和升压压缩机426旁通阀432闭合，升压压缩机426排气阀428和升压压缩机426进气阀430开启，且升压压缩机426启动。应注意的是，在示范实施例中，升压压缩机将注入副干气密封室424中的中间缓冲气体416的压力升高至刚好低于待密封区域402中的压力的预定压力(P3)。继续示范实施例，中间缓冲气体的增大的压力减少过程气体穿过主密封件404的流，且防止主密封件404的污染和结冰。示范实施例升压压缩机426以不连续方式操作，从而执行开/关循环。接下来，示范实施例升压压缩机426开启，且到副密封室424中的压力升高，直到其达到压力P3，且升压压缩机426关闭。示范实施例继续，副密封室424中的压力因穿过副密封件406的缓冲气体的泄漏而缓慢降低。继续示范实施例，当主密封件404与副密封件406之间的室424中的压力降低到预定值(P3-dP3)以下时，升压压缩机426开启。此外，应当注意的是，在示范实施例中，当泵回到操作状态且隔离流体418压力升高到高于待密封区域402中的压力时，升压压缩机426最终关闭。
现在转到图5，在压-焓图500中示出在泵处于运行状态的情况下，穿过控制阀120的隔离流体的减压、穿过加热器110的隔离流体的升温、和穿过主密封件到主通风口的处理泄漏流的膨胀。示范实施例中的温度足够高以避免膨胀期间的冲洗和结冰。
现在继续至图6，提出了停止操作状态下的现有技术示范实施例干气密封系统的二氧化碳压-焓图600。现有技术示范实施例示出了停止状态期间穿过主密封件604发生的压差602。在现有技术示范实施例的另一方面中，焓图600绘出了穿过主密封件和跨过二氧化碳的图表的三相点606和两相地带的未处理二氧化碳泄漏流的膨胀604。因此，现有技术示范实施例指出了结冰将发生在主密封件中或周围，且将导致主密封件的过早故障。
现在参看图7，提出了停止操作状态下的干气密封系统的二氧化碳压-焓图700的示范实施例。示范实施例示出了停止状态期间穿过主密封件发生的压差702。在示范实施例的另一个方面中，焓图700绘出了穿过主密封件且未穿过二氧化碳的图的三相点706和两相地带的未处理二氧化碳泄漏流的膨胀704。因此，示范实施例指出了结冰不会出现在主密封件中或周围。
现在继续图8，绘出了当泵或压缩机处于停止状态时用于确保干气密封件的安全工作状态且防止冲洗和/或结冰的示范方法实施例800。在示范方法实施例步骤802处开始，测量主密封件上游的室中的隔离流体压力。在该示范方法实施例中，将测得的隔离流体压力与预先构造的值相比较，且如果测得的隔离流体压力低于该预先构造的值，则生成指示。
接下来，在示范方法实施例步骤804处，如果存在隔离流体压力低于预先构造的值的指示，则与干气密封件和火炬安全区域相关的阀闭合。在示范方法实施例的一个方面中，阀防止来自主密封件与副密封件之间的室的任何气体的除了行进穿过副密封件之外的退出。在示范方法实施例的另一个方面中，使阀闭合减小了保持期望压力所需的中间缓冲气体的体积。此外，在示范方法实施例中，中间缓冲气体可为但不限于氮或干空气。
接下来，在示范方法实施例步骤806处，升压压缩机开始升高注入主密封件与副密封件之间的室中的中间缓冲气体的压力。在示范方法实施例的另一个方面中，升压压缩机操作成基于室压力的预先构造的值来保持压力，该值接近待由干气密封件密封的区域中的过程流体的压力值。继续示范方法实施例，该预先构造的值可基于待由干气密封件密封的区域中的过程流体的压力变化来动态地变化。应注意的是，在示范方法实施例中，过程流体可为但不限于二氧化碳。
继续示范方法实施例，在步骤808处，监测主密封件与副密封件之间的室中的压力升高，直到压力达到指定压力(P3)。接下来，在示范方法实施例的步骤810处，当压力达到压力P3时，升压压缩机关闭。此外，在示范方法实施例的步骤812处，监测压力，直到其下降到指定下阈值，且方法回到步骤806，且重启升压压缩机。应当注意的是，示范方法实施例以此方式继续该循环，直到泵/压缩机回到运行状态。
公开的示范实施例提供了一种用于保护干气密封件至少免受由膨胀穿过干气密封件的主密封件的过程流体引起的结冰状态的系统和方法。应当理解的是，该描述并不旨在限制本发明。相反，示范实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、改型和等同方案。此外，在示范实施例的详细描述中，阐明了许多具体细节以便提供要求保护的本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解的是，各种实施例可在没有此类具体细节的情况下实施。
尽管在实施例中以特定组合描述了本示范实施例的特征和元件，但各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或在有或没有本文公开的其它特征和元件的情况下以各种组合进行使用。
书面说明使用了公开的主题的实例来使任何本领域技术人员能够实施该主题，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本主题的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。此类其它实例旨在在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于在停止操作状态期间确保与泵或压缩机相关的干气密封件的安全工作状态的系统，所述系统包括：
隔离流体压力检测器，其用于确定隔离流体压力何时下降到低于预先构造的下限和所述停止操作状态下的所述泵或压缩机何时被加压至稳定压力；
可控制阀，其连接到所述干气密封件的主密封件与副密封件之间的室，所述可控制阀与去往火炬安全区域的通风口相关；
压缩机，其构造成用于升高注入所述室中的中间缓冲气体的压力；和
控制系统，其构造成用于基于所述隔离流体压力来操作所述可控制阀和所述压缩机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可控制阀与连接到所述干气密封件的火炬线相关。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述隔离流体为二氧化碳。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中间缓冲气体为氮。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中间缓冲气体为干空气。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述隔离流体压力降低到低于预先构造的压力时，所述压缩机将所述中间缓冲气体压力升高至所述预先构造的压力。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述缓冲气体预先构造的压力小于与所述干气密封件相关的待密封区域的压力。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述缓冲气体预先构造的压力大于与所述干气密封件相关的待密封区域的压力。
9.一种用于在液化气体泵或压缩机处于瞬变操作状态时确保与所述液化气体泵或压缩机相关的干气密封件的安全工作状态的方法，所述方法包括：
检测低于预先构造的值的隔离流体压力；
闭合连接到所述干气密封件的阀；和
启动与中间缓冲气体相关的压缩机并且将所述缓冲气体压力保持在所述预先构造的值。
10.一种用于保护与液化气体泵或压缩机相关的干气密封件的系统，所述系统包括：
检测与注入所述干气密封件中的隔离流体相关的压力何时下降到低于预先限定的下限的器件；
调节从所述干气密封件到火炬安全区域的流的器件；
改变注入所述干气密封件中的中间缓冲气体的压力的器件；
测量主密封件与副密封件之间的室中的压力的器件；和
基于测量压力的所述器件和预先构造的压力值来控制调节流的所述器件和改变压力的器件的器件。
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