CN113374581B - 氢气透平膨胀发电机的密封防护系统 - Google Patents

氢气透平膨胀发电机的密封防护系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，涉及膨胀机的领域，包括发电机本体，发电机本体包括壳体，壳体设有转轴、工质腔，内腔包括第一隔离室、第二隔离室，第一隔离室位于工质腔、第二隔离室之间，第一隔离室、第二隔离室间通过设置第二密封结构建立密封；第一隔离室连通有保护气路，第二隔离室连通有泄放通道。本氢气透平膨胀发电机的密封防护系统能够防止工质腔内的工质气经转轴的转动间隙进入发电机构一侧，降低安全隐患；通过使用DCS控制系统，能够实现不同隔离室压力的自动调节，防止隔离室反向进气；通过设置加热装置，保护密封结构流经气体时不会析出液体，保护了动静环之间的气密性。

Description

氢气透平膨胀发电机的密封防护系统
技术领域
本申请涉及膨胀机的领域，尤其是涉及氢气透平膨胀发电机的密封防护系统。
背景技术
膨胀发电机是利用气体工质因膨胀作用释放能量，驱动叶轮转动进而将动能通过传动机构传递至发电机构实现发电的设备。
驱动膨胀发电机的工质气可为氢气等燃气，该类气体的外泄会产生爆炸危险，若工质气为有毒气体，其外泄会损害人身安全。
针对上述中的相关技术，发明人认为膨胀发电机的转轴与壳体间虽然设置有转动密封结构，但工质气仍然存在经转轴间隙外泄的可能，存在安全隐患。
发明内容
为了降低工质气经转轴间隙泄漏，降低安全隐患，本申请提供一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统。
本申请提供的一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，采用如下的技术方案：
一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，包括发电机本体，所述发电机本体包括壳体，所述壳体设有转轴、工质腔、与工质腔相邻的内腔，所述转轴同时穿入工质腔与内腔，所述工质腔、内腔间通过设置第一密封结构建立转动密封，其特征在于：所述内腔包括第一隔离室、第二隔离室，所述第一隔离室位于工质腔、第二隔离室之间，所述第一隔离室、第二隔离室间通过设置第二密封结构建立密封；
所述第一隔离室连通有保护气路，所述保护气路用于向第一隔离室通入保护气，所述第二隔离室连通有泄放通道，所述第一隔离室的气压大于工质腔的气压。
通过采用上述技术方案，工质气经过工质腔时，工质气可能经第一密封结构进入第一隔离室内。通过保护气路向第一隔离室送入保护气，且第一隔离室的气压大于工质腔，能防止工质腔的气体进入第一隔离室。保护气经第二密封结构泄漏进入第二隔离室后，能经泄放通道外排，从而保证工质腔内的工质气不会经转轴的转动间隙进入发电机构一侧，降低安全隐患。
相关技术中，常常在工艺侧和齿轮箱侧之间设置较多层密封结构，以实现密封，但这会导致工艺侧和齿轮箱侧之间间距过大，传动轴长度过长，影响动力传输稳定性；本方案则可在有限的密封结构长度下实现较好的密封，使传动轴不需过长，提高运行稳定性。
可选的，所述内腔还包括第三隔离室，所述第三隔离室位于第二隔离室背离第一隔离室的一侧，所述第三隔离室、第二隔离室间通过设置第三密封结构建立密封；所述第三隔离室连通有安全气路，所述安全气路用于向第三隔离室通入安全气体，所述第三隔离室的气压大于第二隔离室的气压。
通过采用上述技术方案，安全气体经安全气路进入第三隔离室后，由于第三隔离室的气压大于第二隔离室的气压，则能避免第二隔离室内的气体进入第三隔离室，若第二隔离室内的保护气为工质气，也能保障安全。安全气路、第三隔离室是保证膨胀发电机密封安全的另一道防线，第三隔离室内的安全气沿转轴轴向向远离工质腔的方向进一步泄漏时，由于安全气安全稳定的特性，不会造成安全隐患，其泄漏可以忽略。
可选的，所述保护气路连接有加热装置，所述加热装置用于加热保护气路中的气体。
通过采用上述技术方案，保护气中难以避免地会存在气态杂质，保护气在第一隔离室、第二密封结构处可能因压降析出水等杂质液体，通过设置加热装置加热保护气，使密封结构流经气体时不会析出液体，保护了动静环之间的气密性。
可选的，所述保护气路还连接有温度检测器、废气道，所述加热装置、温度检测器、废气道沿保护气路的气体流通方向依次排列，所述废气道上设有控制其通断的废气阀。
通过采用上述技术方案，温度检测器用于检测经加热装置加热后的气体温度，若气体温度不够高，打开废气阀，关闭阀装置二；当温度检测器检测到的温度到达标准时，关闭废气阀，打开阀装置二。这样设置能确保通入第二隔离室的保护气满足温度要求。
可选的，所述保护气路连接有DCS控制系统一，所述DCS控制系统一的两个端口分别连通工质腔、第一隔离室，所述DCS控制系统一用于控制第一隔离室的气压大于工质腔的气压。
通过采用上述技术方案，DCS控制系统一能够实现两个端口气压的比较，并将两个端口的气体互相输送进行补偿，使两个端头的气压差保持在一定范围内。通过使用DCS控制系统一，能够自动控制第一隔离室的气压大于工质腔的气压，降低人员的劳动量。
可选的，所述泄放通道包括内泄通道、外泄通道，所述内泄通道的两端分别连通第二隔离室、外泄通道，所述内泄通道、外泄通道间通过设置安全阀进行连通，所述内泄通道的气压高于外泄通道且高于外界大气压。
通过采用上述技术方案，内泄通道的压力大于安全阀的设定值时，安全阀自动切换导通，向外泄通道泄放内泄通道的气体，直至内泄通道的压力低于安全阀的设定值，然后安全阀自动关闭。通过设置安全阀，能使内泄通道的气压高于外泄通道，并高于外界大气压，从而防止外界气体反向进入第二隔离室内。
可选的，所述安全气路连接有DCS控制系统二，所述DCS控制系统二的两个端口分别连通第三隔离室、第二隔离室，所述DCS控制系统二用于控制第三隔离室的气压大于第二隔离室的气压。
通过采用上述技术方案，通过使用DCS控制系统二，能够自动控制控制第三隔离室的气压大于第二隔离室的气压，能防止第二隔离室的气体进入第三隔离室，防止第三隔离室内反混入气体产生污染。
可选的，所述泄放通道连接有DCS控制系统三，所述DCS控制系统三的两个端口分别连通外泄通道、内泄通道，所述DCS控制系统三用于控制内泄通道的气压大于外泄通道的气压。
通过采用上述技术方案，通过使用DCS控制系统三，能够自动控制内泄通道的气压大于外泄通道的气压，则能在很大程度上避免安全阀的频繁动作，安全阀不易产生损坏，安全阀作为DCS控制系统三失效时的保险使用。
可选的，所述保护气路上连接有过滤器一、阀装置一。
通过采用上述技术方案，过滤器一用于过滤保护气路中的杂质，阀装置一用于控制保护气路的通断。
可选的，所述第二密封结构包括连接于转轴的动环、连接于壳体的静环，所述静环、动环通过端面相抵并建立转动密封。
通过采用上述技术方案，第二密封结构采用动静环密封的形式，具有转动阻力小、寿面长的优点。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.能够防止工质腔内的工质气经转轴的转动间隙进入发电机构一侧，降低安全隐患；
2.通过使用DCS控制系统，能够实现不同隔离室压力的自动调节，防止隔离室反向进气；
3.通过设置加热装置，使密封结构流经气体时不会析出液体，保护了动静环之间的气密性。
附图说明
图1是本申请实施例的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统的系统图。
图2是实施例的壳体部位的局部图。
附图标记说明：1、壳体；2、保护气路；3、安全气路；4、泄放通道；11、转轴；12、工质腔；13、第一隔离室；14、第二隔离室；15、第三隔离室；131、第一密封结构；141、第二密封结构；151、第三密封结构；1411、动环；1412、静环；20、加热装置；21、温度检测器；22、废气道；23、阀装置二；221、废气阀；24、过滤器一；25、阀装置一；26、DCS控制系统一；31、过滤器二；32、阀装置三；41、内泄通道；42、外泄通道；43、安全阀；33、DCS控制系统二；44、旁通管路；441、阀装置四；45、DCS控制系统三。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。
现有技术中存在DCS控制系统，DCS控制系统即分散控制系统，也可称为“分布式计算机控制系统”，DCS控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的仪表控制系统。DCS控制系统能够实现两个端口气压的比较，并将两个端口的气体互相输送进行补偿，使两个端头的气压差保持在一定范围内。
本申请实施例公开了一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统。参照图1，氢气透平膨胀发电机的密封防护系统包括发电机本体，还包括向发电机本体输送保护气的保护气路2、向发电机本体输送安全气的安全气路3，发电机本体还连接有用于排放废气的泄放通道4。
参照图2，发电机本体包括壳体1，壳体1设有转轴11、工质腔12、与工质腔12相邻的内腔，工质腔12即工质通过驱动叶轮转动、叶轮带动转轴11转动进而做功发电的腔，转轴11与叶轮固定。沿转轴11的长度方向以及背离工质腔12的方向，内腔依次包括第一隔离室13、第二隔离室14、第三隔离室15，转轴11穿入工质腔12，转轴11贯穿三个隔离室，转轴11背离工质腔12的端部连接发电机构用于发电。保护气路2的出气端连通第一隔离室13，泄放通道4的进气端连通第二隔离室14，安全气路3的出气端连通第三隔离室15。
工质腔12、第一隔离室13间通过设置第一密封结构131建立转动密封，第一密封结构131作用于转轴11外壁，第一密封结构131可为任意形式，例如迷宫密封。第一隔离室13、第二隔离室14间通过设置第二密封结构141建立密封，第二密封结构141为动静环密封的形式，具体为：第二密封结构141包括固定连接于转轴11的动环1411、固定连接于壳体1的静环1412，动环1411、静环1412均环绕于转轴11外，动环1411、静环1412通过端面相抵并建立转动密封，动环1411、静环1412的材料可为陶瓷或石墨。第二隔离室14、第三隔离室15间通过设置第三密封结构151建立密封，第三密封结构151为碳环，碳环的外环壁与壳体1固定并密封，碳环通过内环壁套设于转轴11外并与转轴11转动接触，碳环与转轴11的接触处为转动密封面，碳环设有两道，第三隔离室15位于两道碳环之间。第三密封结构151也可为碳环外的其它任意形式。
参照图1，保护气路2内流通保护气，保护气可采用任意安全的气体例如氮气，本实施例的保护气采用与工质相同的工质气，能避免保护气混入工质腔12侧影响工质的纯度。保护气路2的入口处连接有加热装置20，加热装置20用于加热保护气路2中的气体，加热装置20可为电热丝加热、蒸汽管加热等任意形式。
保护气路2还连接有温度检测器21、废气道22、阀装置二23，加热装置20、温度检测器21、废气道22、阀装置二23沿保护气路2的气体流通方向依次排列，废气道22以支路的形式连通保护气路2，废气道22上设有控制其通断的废气阀221，废气道22背离保护气路2的端部可设置火炬燃烧废气。温度检测器21用于检测经加热装置20加热后的气体温度，若气体温度不够高，打开废气阀221，关闭阀装置二23；当温度检测器21检测到的温度到达标准时，关闭废气阀221，打开阀装置二23。
保护气路2还连接有过滤器一24、阀装置一25，过滤器一24和阀装置一25位于阀装置二23和壳体1之间。过滤器一24为双联过滤器，用于过滤保护气路2中的杂质，阀装置一25用于控制保护气路2的通断。
保护气路2的末端连接有DCS控制系统一26，DCS控制系统一26具有两个端口，DCS控制系统一26的一个端口连通工质腔12，DCS控制系统一26的另一端口通过保护气路2连通第一隔离室13。DCS控制系统一26用于控制第一隔离室13的气压大于工质腔12的气压，能防止工质腔12的气体进入第一隔离室13，减少工质腔12的工质泄漏消耗。
安全气路3内流通安全气，安全气可采用任意安全稳定的气体，例如氮气、氩气，本实施例的安全气采用氮气，具有成本低的优点。安全气路3的入口连接气源，安全气路3上还连接有过滤器二31、阀装置三32，过滤器二31为双联过滤器，用于过滤安全气路3中的杂质，阀装置三32用于控制安全气路3的通断。
泄放通道4包括靠近壳体1的内泄通道41、远离壳体1的外泄通道42，内泄通道41的两端分别连通第二隔离室14、外泄通道42，内泄通道41、外泄通道42间通过设置安全阀43进行连通。内泄通道41的压力大于安全阀43的设定值时，安全阀43自动切换导通，向外泄通道42泄放内泄通道41的气体，直至内泄通道41的压力低于安全阀43的设定值，然后安全阀43自动关闭。通过设置安全阀43，能使内泄通道41的气压高于外泄通道42，并高于外界大气压，从而防止外界气体反向进入第二隔离室14内。
安全气路3连接有DCS控制系统二33，DCS控制系统二33具有两个端口，DCS控制系统二33的一个端口通过内泄通道41连通第二隔离室14，DCS控制系统二33的另一端口通过安全气路3连通第三隔离室15。DCS控制系统二33用于控制第三隔离室15的气压大于内泄通道41的气压，能在防止第二隔离室14的气体进入第三隔离室15，防止第三隔离室15内反混入气体产生污染。
安全气路3和内泄通道41间还通过设置旁通管路44连通，旁通管路44连通安全气路3的位置位于DCS控制系统二33的端口、壳体1之间。旁通管路44上设有阀装置四441，阀装置四441用于控制旁通管路44的通断，阀装置四441可为手阀、电控阀、气动阀等任意形式。旁通管路44处于常断状态，当DCS控制系统二33失效时，或需要维修、需要平衡第三隔离室15、第二隔离室14的气压时，才需要导通旁通管路44。
泄放通道4连接有DCS控制系统三45，DCS控制系统三45的两个端口分别连通外泄通道42、内泄通道41，DCS控制系统三45用于控制内泄通道41的气压大于外泄通道42的气压。由于DCS控制系统三45能够自动调节内泄通道41、外泄通道42的压力差，则能在很大程度上避免安全阀43的频繁动作，安全阀43不易产生损坏，安全阀43作为DCS控制系统三45失效时的保险使用。
本申请实施例的一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统的实施原理为：
参照图1和图2，工质气经过工质腔12时，工质气可能经第一密封结构131进入第一隔离室13内。通过保护气路2向第一隔离室13送入保护气，且第一隔离室13的气压大于工质腔12，能防止工质腔12的气体进入第一隔离室13。工质气等保护气中难以避免地会存在气态杂质，保护气在第一隔离室13、第二密封结构141处可能因压降析出水等杂质液体，通过设置加热装置20加热保护气，使第二密封结构141流经气体时不易析出液体，保护了动静环之间的气密性。
第二隔离室14增加的气体来源于第一隔离室13经第二密封结构141的泄漏，以及第三隔离室15经第三密封结构151的泄漏，第二隔离室14的气体进一步经泄放通道4排放至废气罐储存，或当做尾气燃烧处理。由于第一隔离室13、第三隔离室15的压力均大于第二隔离室14，则能避免第二隔离室14内的气体反向进入第一隔离室13或第三隔离室15内，保证第一隔离室13、第三隔离室15内气体的安全稳定。
安全气路3、第三隔离室15用于保证膨胀发电机的密封安全。第三隔离室15内的安全气沿转轴11轴向向远离工质腔12的方向进一步泄漏时，由于安全气安全稳定的特性，不会造成安全隐患，其泄漏量可以忽略。
综上，本密封防护系统通过设置多个隔离室和多道密封结构，以及多条气路和压力差的设置，能保证壳体1内的工质气不会窜入发电机构一侧，降低安全隐患。正常运转情况下，壳体1经泄放通道4外排的气体较少，保护气经第一密封结构131排至工质腔12的量也较少，在经济性上也能满足要求。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，包括发电机本体，所述发电机本体包括壳体(1)，所述壳体(1)设有转轴(11)、工质腔(12)、与工质腔(12)相邻的内腔，所述转轴(11)同时穿入工质腔(12)与内腔，所述工质腔(12)、内腔间通过设置第一密封结构(131)建立转动密封，其特征在于：所述内腔包括第一隔离室(13)、第二隔离室(14)，所述第一隔离室(13)位于工质腔(12)、第二隔离室(14)之间，所述第一隔离室(13)、第二隔离室(14)间通过设置第二密封结构(141)建立密封；
所述内腔还包括第三隔离室(15)，所述第三隔离室(15)位于第二隔离室(14)背离第一隔离室(13)的一侧，所述第三隔离室(15)、第二隔离室(14)间通过设置第三密封结构(151)建立密封；所述第三隔离室(15)连通有安全气路(3)，所述安全气路(3)用于向第三隔离室(15)通入安全气体，所述第一隔离室(13)、第三隔离室(15)的气压均大于第二隔离室(14)的气压；
所述第一隔离室(13)连通有保护气路(2)，所述保护气路(2)用于向第一隔离室(13)通入保护气，所述第二隔离室(14)连通有泄放通道(4)，所述第一隔离室(13)的气压大于工质腔(12)的气压。
2.根据权利要求1所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述保护气路(2)连接有加热装置(20)，所述加热装置(20)用于加热保护气路(2)中的气体。
3.根据权利要求2所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述保护气路(2)还连接有温度检测器(21)、废气道(22)，所述加热装置(20)、温度检测器(21)、废气道(22)沿保护气路(2)的气体流通方向依次排列，所述废气道(22)上设有控制其通断的废气阀(221)。
4.根据权利要求1所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述保护气路(2)连接有DCS控制系统一(26)，所述DCS控制系统一(26)的两个端口分别连通工质腔(12)、第一隔离室(13)，所述DCS控制系统一(26)用于控制第一隔离室(13)的气压大于工质腔(12)的气压。
5.根据权利要求1所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述泄放通道(4)包括内泄通道(41)、外泄通道(42)，所述内泄通道(41)的两端分别连通第二隔离室(14)、外泄通道(42)，所述内泄通道(41)、外泄通道(42)间通过设置安全阀(43)进行连通，所述内泄通道(41)的气压高于外泄通道(42)且高于外界大气压。
6.根据权利要求5所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述安全气路(3)连接有DCS控制系统二(33)，所述DCS控制系统二(33)的两个端口分别连通第三隔离室(15)、第二隔离室(14)，所述DCS控制系统二(33)用于控制第三隔离室(15)的气压大于第二隔离室(14)的气压。
7.根据权利要求6所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述泄放通道(4)连接有DCS控制系统三(45)，所述DCS控制系统三(45)的两个端口分别连通外泄通道(42)、内泄通道(41)，所述DCS控制系统三(45)用于控制内泄通道(41)的气压大于外泄通道(42)的气压。
8.根据权利要求1所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述保护气路(2)上连接有过滤器一(24)、阀装置一(25)。
9.根据权利要求1所述的氢气透平膨胀发电机的密封防护系统，其特征在于：所述第二密封结构(141)包括连接于转轴(11)的动环(1411)、连接于壳体(1)的静环(1412)，所述静环(1412)、动环(1411)通过端面相抵并建立转动密封。
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