CN112594013B - 用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置及方法，所述装置包括：高压轴封组、低压轴封组、喷射器、冷凝器和分离器；安装后高压轴封组的高压轴封之间在轴向形成高压端间隙；安装后低压轴封组的低压轴封之间在轴向形成低压端间隙；高压端间隙通过第一管道与一部分低压端间隙相连通，另一部分低压端间隙通过第二管道与喷射器的混合段相连通；喷射器的入口设置有喷管，高压端间隙通过第三管道与喷管相连通；喷射器的出口依次设置有冷凝器和分离器。本发明可实现密封以及对泄漏工质的回收，同时可有效地阻止空气进入；加入了不需要额外动力辅助的抽吸装置，实现了节能环保的要求。

Description

用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置及方法

技术领域

本发明属于有机朗肯循环动力设备中、低温余热利用技术领域，特别涉及一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置及方法。

背景技术

有机朗肯循环是以有机工质(多为低沸点制冷剂)为循环工质的动力循环，是朗肯循环的一种，其通过工质的膨胀做功推动透平或膨胀机，广泛应用于中、低温余热利用领域；其系统布置简单，适应范围较广，技术相对较为成熟，整体

效率较高，且对于大多数的有机工质，在透平或膨胀机内膨胀不会进入到两相区，运行较为安全。

但是大部分的有机工质价格较为昂贵，且部分工质易燃易爆，有着较高的GWP值和ODP值，对环境比较不友好。此外，绝大多数的有机工质都存在一定的毒性，大规模的泄漏会对人体造成损伤。因此，无论是从经济性还是运行安全性的角度，都应该对有机朗肯循环中的工质泄漏采取一定的措施。其中，透平的轴端泄漏量比较大，而且泄漏不仅涉及到工质向外泄漏到大气环境中，也可能存在空气向内泄漏进入到系统内成为不凝结气体，影响运行的效率和安全；从经济性和安全性的角度来讲，一方面需要采取措施减少泄漏量，另一方面则需要使用一定的手段对部分泄漏的工质进行回收再利用。

目前，对于有机工质透平轴端工质的泄漏以及工质的回收没有一个效果很好且成本较低的综合解决方案，亟需一种简单高效的用于有机工质透平轴端密封及泄漏工质回收的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明装置结构简单，可实现密封以及对泄漏工质的回收，同时可有效地阻止空气进入；加入了不需要额外动力辅助的抽吸装置，实现了节能环保的要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，包括：高压轴封组、低压轴封组、喷射器、冷凝器和分离器；

所述高压轴封组用于安装在有机工质透平的透平轴高压端部，安装后所述高压轴封组的高压轴封之间在轴向形成高压端间隙；所述低压轴封组用于安装在有机工质透平的透平轴低压端部，安装后所述低压轴封组的低压轴封之间在轴向形成低压端间隙；

高压端间隙通过第一管道与一部分低压端间隙相连通，另一部分低压端间隙通过第二管道与所述喷射器的混合段相连通；所述喷射器的入口设置有喷管，所述高压端间隙通过第三管道与所述喷管相连通；所述喷射器的出口依次设置有冷凝器和分离器。

本发明的进一步改进在于，所述高压轴封组包括：第一高压轴封和第二高压轴封；所述第二高压轴封用于靠近有机工质透平安装，第一高压轴封的长度大于第二高压轴封的长度。

本发明的进一步改进在于，所述低压轴封组包括：第一低压轴封、第二低压轴封和第三低压轴封；所述第一低压轴封用于靠近有机工质透平安装，安装后第一低压轴封和第二低压轴封之间在轴向形成第一低压端间隙，第二低压轴封和第三低压轴封之间在轴向形成第二低压端间隙。

本发明的进一步改进在于，第二低压轴封的长度小于第一低压轴封和第三低压轴封的长度。

本发明的进一步改进在于，第一低压端间隙通过第一管道与高压端间隙相连通，第二低压端间隙通过第二管道与所述喷射器的混合段相连通。

本发明的进一步改进在于，所述第一管道设置有电动节流阀。

本发明的进一步改进在于，还包括：控制器、透平末级出口压力测点和低压端进气压力测点；所述透平末级出口压力测点用于测量有机工质透平低压端的出气压力；所述低压端进气压力测点用于测量第一低压端间隙的进气压力；所述透平末级出口压力测点和所述低压端进气压力测点的信号输出端与所述控制器的信号接收端相连接；所述控制器的信号输出与所述电动节流阀的信号接收端相连接。

本发明的进一步改进在于，还包括：扩压器；所述扩压器设置于所述喷射器与所述冷凝器之间。

本发明的进一步改进在于，所述第三管道设置有电动流量调节阀。

本发明的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的方法，基于本发明上述的用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，包括以下步骤：

通过透平高压轴和低压轴端的高压轴封组、低压轴封组形成间隙；通过形成的间隙将透平高压轴端的高压轴封组泄漏引入低压轴端的低压轴封组，用于阻止透平低压轴端工质的泄漏以及空气的漏入；

利用部分高压蒸气经喷射器的引射作用抽吸低压端阻漏工质及空气的混合物，经冷凝器冷却成饱和液体，在重力作用下于分离器内分离出空气与液态工质。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于有机工质透平轴端密封及泄漏工质回收的装置，通过高压密封组与低压密封组间的布置，改变有机蒸气泄漏流动方向上的流动阻力，利用有机工质高压轴封的漏气来阻止低压轴封漏气以及空气漏入到系统内，通过喷射器射流的引射作用抽吸第二级低压轴封间隙中的有机蒸气及漏入的空气混合物，并通过分离器和冷凝器的组合使得混合物中的有机工质凝结，在重力的作用下实现有机工质与空气的分离。本发明装置可在不依靠额外动力装置的情况下，实现泄漏工质按照设计的流动路线流动，能够最大程度上减少工质泄漏到大气中，可实现工质的回收再利用。本发明具有机构紧凑，系统布置简单，实用性高以及环保安全的特点；装置结构简单，使用方便，造价较为低廉。

本发明的方法，通过合理利用高压轴封漏气去阻止低压轴封漏气以及空气内泄，同时兼顾泄漏的有机工质及空气混合物的分离回收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置的结构示意图；

图1中，1、透平主轴；2、第一高压轴封；3、第二高压轴封；4、有机工质透平；5、控制器；6、第一低压轴封；7、第二低压轴封；8、第三低压轴封；9、透平末级出口压力测点；10、低压端进气压力测点；11、电动流量调节阀；12、电动节流阀；13、喷管；14、喷射器；15、扩压器；16、冷凝器；17、分离器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，包括：

两组高压轴封，用于阻止透平高压端轴向工质泄漏；三组低压轴封，用于阻止透平低压端工质泄漏以及空气漏入；具体地，可以包括：安装在透平主轴1高压端部分防止工质泄漏的第一高压轴封2和第二高压轴封3；以及低压端部分防止工质泄漏和空气泄入的第一低压轴封6、第二低压轴封7、第三低压轴封8。第一高压轴封2和第二高压轴封3在轴向形成间隙，第一低压轴封6、第二低压轴封7、第三低压轴封8从透平低压端向外依次在轴向布置，且相邻密封间形成间隙。高压密封间隙通过管道与第一低压轴封6、第二低压轴封7间产生的间隙连接。

电动节流阀，用于对汇入低压轴封间隙的高压漏气降压及流量控制；

喷射器，用于高压工质加速喷射产生的抽吸作用吸取低压轴封轴向间隙内的有机工质及空气的混合物；具体地可以是，所述的喷射器14包括喷管13和混合段，喷射器入口端喷管13与高压密封间隙通过管道连接，通过电动流量调节阀11控制流量；出口端与扩压器连接。喷射器混合段通过管道连接第二低压轴封7、第三低压轴封8的间隙，吸取有机工质及空气的混合物。

冷凝器，用于有机工质及空气混合物中有机工质的降温凝结，将有机工质从气态冷却至液态；

分离器，用于液态有机工质及空气混合物在重力作用下的分离。

本发明公开了一种用于有机工质透平轴端密封及泄漏工质回收装置，通过高压密封组与低压密封组间的合理布置，改变有机蒸气泄漏流动方向上的流动阻力，合理利用有机工质高压轴封的漏气来阻止低压轴封漏气以及空气漏入到系统内，通过喷射器射流的引射作用抽吸第二级低压轴封间隙中的有机蒸气及漏入的空气混合物。并通过扩压管和冷凝器的组合使得混合物中的有机工质凝结，在重力的作用下实现有机工质与空气的分离。本发明不依靠额外的动力装置实现了泄漏工质按照设计的流动路线流动，最大程度上减少了工质泄漏到大气中，且实现了工质的回收再利用。本发明具有机构紧凑，系统布置简单，实用性高以及环保安全的特点。

实施例2

本发明进一步优选的实施例，合理布置高压轴封，利用两组高压轴封在轴向布置形成间隙，其中靠近透平外壳的高压轴封长度较靠外的轴封长度短，为了控制高压轴封泄漏工质更多地进入轴封间隙中而不是向外泄漏。

实施例3

本发明进一步优选的实施例，合理布置低压轴封，利用三组低压轴封在轴向布置形成两组间隙，其中靠近透平外壳的低压轴封以及最外侧的低压轴封长度较长，远长于放置在中间的低压轴封，这样可以合理配置流动的阻力，以减少高压漏气漏入透平末级，同时减少空气漏入系统内，保证工质混合物的流动自发选择低流阻的方向进行，与设计方案一致。

实施例4

本发明进一步优选的实施例，通过管道连接高压轴封的间隙以及靠近透平低压轴端的两组低压轴封形成的第一级低压轴封间隙，利用高压轴封漏气的高压来阻止透平末级通过低压轴封向外泄漏有机工质。

实施例5

本发明进一步优选的实施例，在连接高压轴封间隙和第一级低压轴封间隙的管道上布置电动节流阀，并设置控制器控制阀门的开度，在透平末级排气室以及与第一级低压轴封间隙连接的管道上布置压力测点，通过两组压力测点返回的压差信号输送给控制器以控制电动节流阀的开度，保证进入低压间隙的高压漏气的压力高于透平末级排气压力且高于大气压力，既能阻止透平末级蒸气向外泄漏，又能尽量减少高压漏气向内泄入透平内。

实施例6

本发明进一步优选的实施例，在连接高压轴封间隙和喷射器喷管入口的管道上布置电动流量调节阀，与电动节流阀一起协调控制两个支路的有机蒸气泄漏量。具体地，电动节流阀12安装在高压轴封轴向间隙和低压轴封轴向间隙连接的管道上，通过在透平末级和透平低压轴端进气管道上布置压力测点，将压差信号传递给控制器5，控制电动节流阀12的开度控制流入低压端间隙的工质的压力和流量。

实施例7

本发明进一步优选的实施例，通过管道连接第二级低压轴封间隙和喷射器的混合段，利用高压轴封漏气在喷射器内喷射时的引射作用抽吸第二级低压轴封间隙内的有机工质及空气混合物。并且通过合理的设计，使得抽吸处进口的压力小于大气压力，以保证空气向内流入喷射器而不进入透平内部。

实施例8

本发明进一步优选的实施例，在喷射器与冷凝器之间增加一个扩压器，有机工质及空气的混合物通过在扩压器内减速降温增压，便于有机工质凝结成液体，以利于后续与空气之间的分离。具体地，扩压器15连接在喷射器14的混合段后，使得混合后的工质及空气减温增压，便于工质从气态转变为液态。冷凝器16连接在扩压管15与分离器17之间，用于进一步冷却增压减温后的工质与空气的混合物。

实施例9

本发明进一步优选的实施例，一种用于有机工质透平轴端密封及泄漏工质回收的装置，包括：透平主轴1、第一高压轴封2、第二高压轴封3、有机工质透平4、第一低压轴封6、第二低压轴封7、第三低压轴封8、喷射器14、扩压器15、冷凝器16以及分离器17。

如图1所示，在透平主轴的轴向，从左至右依次布置第一高压轴封2、第二高压轴封3、有机工质透平4、第一低压轴封6、第二低压轴封7、第三低压轴封8。其中，第一高压轴封2与第二高压轴封3在轴向形成间隙，方便高压轴封漏气聚集并进入到高压轴封间隙内。同时，在布置上，第一高压轴封2长度要大于第二高压轴封3，保证轴封漏气从间隙向外界流动的阻力大于从透平向间隙流动的阻力，确保存在一定的漏气，但是漏气大部分都会进入轴封间隙中并顺着管道按照设计的方向流动。同样地第一低压轴封6与第二低压轴封7在轴向布置形成第一级低压间隙，第二低压轴封7与第三低压轴封8在轴向布置形成第二级低压间隙。

本发明的装置的工作原理包括：采用部分高压轴封漏气去阻止低压轴封向外漏气以及空气向内漏入透平内，为了达到预期的结果，通过管道连接高压轴封间隙以及第一级低压轴封间隙，使得高压轴封漏气通过管道进入到第一级低压间隙内，以阻止透平末级的排气泄漏到外界。同时通过管道连接第二级低压轴封间隙与喷射器，以保证这部分阻止低压轴封漏气的高压轴封漏气能够顺利进入到喷射器内。进一步地为了确保高压泄漏蒸气按照设计的流动方向流动并能达到预期的效果，所安装的第一低压轴封6以及第三低压轴封8的长度远大于第二低压轴封7，以确保高压轴封漏气经第一低压轴封6泄入透平末级的阻力远大于高压轴封漏气经第二低压轴封7，从而使绝大多数阻止低压轴封漏气的高压轴封漏气顺利地流入第二级低压轴封间隙内；同时保证高压轴封漏气经第三低压轴封8泄入到空气中的阻力远大于高压轴封漏气流进间隙管道内的阻力，使得高压轴封漏气顺利流入到第二级轴封间隙管道内，此外如此布置可以尽量减少外界空气经第三低压轴封8泄入到系统内。第二级低压轴封间隙通过管道连接喷射器混合段。喷管13布置在喷射器14的前端，通过管道连接高压轴封间隙，部分高压轴封漏气经管道流入喷管13，经膨胀加速，将自身的压力能转换成动能，在喷嘴的出口形成负压区，抽吸连接于喷射器14混合段上管道中的有机工质及空气的混合物。为了确保第二级低压轴封间隙内的工质及空气混合物能够顺利地进入到喷射器14混合段内，需要对喷射器14的喷管13进行合理设计，保证喷嘴出口的工质压力远小于大气压力。与此同时，装置的适用性得到了提升：无论透平的背压大于大气压还是透平的背压小于大气压力，高压轴封漏气均可以实现对低压轴封漏气的抑制，同时大部分漏气均可以经抽吸作用流入到喷射器14的混合段内，便于回收再利用。

为了保证装置运行的稳定性，在高压轴封间隙与低压轴封间隙连接的管道上安装了电动节流阀12，在连接高压轴封间隙及喷管13的管道上安装电动流量调节阀11。高压轴封漏气流入管道后分为两股，一股蒸气进入到第一级低压轴封漏气内阻止低压轴封漏气，另一股经过喷射器形成负压区，抽吸阻止低压轴封漏气的高压漏气，这两股蒸气的流量调节依靠电动流量调节阀11和电动节流阀12开度配合控制。

通过在透平末级以及连接第一级低压轴封间隙的管道上开设压力孔，将压力信号输送到控制器5内，通过压差信号控制电动节流阀12的开度，以保证进入到第一级低压轴封间隙的高压漏气的压力大于透平末级排气压力，且大于大气压力。电动节流阀12在调节进入到第一级低压轴封间隙内的高压漏气压力的同时控制着高压漏气的流量。

为了便于混有部分空气的工质凝结，在喷射器14与冷凝器16之间布置扩压管15，由于大部分有机工质易压缩且易液化，混合后的工质及空气经扩压管减速增压后，温度降低，经适当的冷却后更容易凝结成液体。分离器17安装在冷凝器16之后，工质经冷凝器冷却至液体后进入到分离器内，在重力作用下液态有机工质与空气发生分离，空气从分离器17上方排出，液态有机工质则经分离器17底部排出，完成分离，实现工质的回收再利用。

综上所述，本发明实施例提供了用于有机工质透平轴端密封及泄漏工质回收装置，主要包括：在高压轴端安装的两组密封件，在低压轴端安装的三组密封件，喷射器、冷凝器、分离器以及两个电动阀门和控制器。通过透平高压轴和低压轴端密封装置的合理组合形成间隙，将透平高压轴端的高压轴封泄漏引入低压轴端以阻止透平低压轴端工质的泄漏以及空气的漏入，并利用部分高压蒸气经喷射器的引射作用抽吸低压端阻漏工质及空气的混合物，经扩压管扩压减速降温，进一步经冷凝器冷却成饱和液体，在重力作用下于分离器内分离出空气与液态工质。本发明装置结构简单，实现了泄漏工质的再利用与回收，有效地阻止了空气进入系统，且不需要额外动力辅助的抽吸装置，进一步实现了节能环保的要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，其特征在于，包括：高压轴封组、低压轴封组、喷射器(14)、冷凝器(16)和分离器(17)；

所述高压轴封组用于安装在有机工质透平的透平轴高压端部，安装后所述高压轴封组的高压轴封之间在轴向形成高压端间隙；所述低压轴封组用于安装在有机工质透平的透平轴低压端部，安装后所述低压轴封组的低压轴封之间在轴向形成低压端间隙；

高压端间隙通过第一管道与一部分低压端间隙相连通，另一部分低压端间隙通过第二管道与所述喷射器(14)的混合段相连通；所述喷射器(14)的入口设置有喷管(13)，所述高压端间隙通过第三管道与所述喷管(13)相连通；所述喷射器(14)的出口依次设置有冷凝器(16)和分离器(17)；

其中，所述高压轴封组包括：第一高压轴封(2)和第二高压轴封(3)；所述第二高压轴封(3)用于靠近有机工质透平安装，第一高压轴封(2)的长度大于第二高压轴封(3)的长度；

所述低压轴封组包括：第一低压轴封(6)、第二低压轴封(7)和第三低压轴封(8)；所述第一低压轴封(6)用于靠近有机工质透平安装，安装后第一低压轴封(6)和第二低压轴封(7)之间在轴向形成第一低压端间隙，第二低压轴封(7)和第三低压轴封(8)之间在轴向形成第二低压端间隙；

第二低压轴封(7)的长度小于第一低压轴封(6)和第三低压轴封(8)的长度；

第一低压端间隙通过第一管道与高压端间隙相连通，第二低压端间隙通过第二管道与所述喷射器(14)的混合段相连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，其特征在于，所述第一管道设置有电动节流阀(12)。

3.根据权利要求2所述的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，其特征在于，还包括：控制器(5)、透平末级出口压力测点(9)和低压端进气压力测点(10)；

所述透平末级出口压力测点(9)用于测量有机工质透平低压端的出气压力；

所述低压端进气压力测点(10)用于测量第一低压端间隙的进气压力；

所述透平末级出口压力测点(9)和所述低压端进气压力测点(10)的信号输出端与所述控制器(5)的信号接收端相连接；所述控制器(5)的信号输出与所述电动节流阀(12)的信号接收端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，其特征在于，还包括：扩压器(15)；所述扩压器(15)设置于所述喷射器(14)与所述冷凝器(16)之间。

5.根据权利要求1所述的一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，其特征在于，所述第三管道设置有电动流量调节阀(11)。

6.一种用于有机工质透平轴端密封及工质回收的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的用于有机工质透平轴端密封及工质回收的装置，包括以下步骤：

通过透平高压轴和低压轴端的高压轴封组、低压轴封组形成间隙；通过形成的间隙将透平高压轴端的高压轴封组泄漏引入低压轴端的低压轴封组，用于阻止透平低压轴端工质的泄漏以及空气的漏入；

利用部分高压蒸气经喷射器的引射作用抽吸低压端阻漏工质及空气的混合物，经冷凝器冷却成饱和液体，在重力作用下于分离器内分离出空气与液态工质。

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