DE102008031980A1

DE102008031980A1 - Verfahren zum Betrieb einer Maschine mit einer Wellendichtung

Info

Publication number: DE102008031980A1
Application number: DE102008031980A
Authority: DE
Inventors: Henk Blekkenhorst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-01-21
Also published as: WO2010003875A2; WO2010003875A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine (1) mit einer Wellendichtung (6, 7) an einer Durchführung eines Gehäuses (5), durch welche Durchführung sich eine Welle (4) erstreckt, welche Wellendichtung (6, 7) einen Prozessfluidraum (14) von einem Zwischenraum oder der Umgebung im Bereich der Durchführung der Welle (4) dichtet, welche mindestens zwei Wellendichtungsstufen (11, 12) umfasst, wobei axial zwischen benachbarten Wellendichtungsstufen (11, 12) jeweils ein Zwischenraum (15) angeordnet ist, wobei mittels mindestens einer Druckmessstelle (18) der Druck in einem Zwischenraum (15) direkt oder indirekt gemessen wird. Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Verfügbarkeit erhöht, ohne Einbußen an Sicherheit in sämtlichen Betriebsbereichen zu haben. Es wird die Zufuhr eines Zuleitungsfluids (24) in den Zwischenraum (15), in dem die Messung erfolgt, bei Unterschreitung des gemessenen Drucks unter einen ersten Grenzdruck vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine mit einer Wellendichtung an einer Durchführung eines Gehäuses, durch welche Durchführung sich eine Welle erstreckt, welche Wellendichtung einen Prozessfluidraum von einem Zwischenraum oder der Umgebung im Bereich der Durchführung der Welle dichtet, welche mindestens zwei Wellendichtungsstufen umfasst, wobei axial zwischen benachbarten Wellendichtungsstufen jeweils ein Zwischenraum angeordnet ist, wobei mittels mindestens einer Druckmessstelle der Druck in einem Zwischenraum direkt oder indirekt gemessen wird.
Maschinen der vorgenannten Art sind bevorzugt Turbomaschinen, beispielsweise Turboverdichter des axialen oder zentrifugalen Typs. Aufgrund der unterschiedlichen Drücke zwischen einen zu verdichtenden Prozesfluid in einem Gehäuse der Maschine und dem Umgebungsfluid ist regelmäßig eine Wellendichtung erforderlich, die eine Herausführung einer Welle aus dem Gehäuse der Turbomaschine ermöglicht, ohne einen übermäßigen Druckabfall in dem Gehäuse zu verzeichnen. Für die Wellendichtung sieht der bisherige Entwicklungsstand der Technik verschiedene Möglichkeiten vor, beispielsweise Labyrinthdichtungen, die bevorzugt in Dampf- oder Gasturbinen eingesetzt werden, Bürstendichtungen, welche eine besonders gute Dichtwirkung aufweisen oder auch sogenannte Gasdichtungen bzw. Trockengasdichtungen, die ebenfalls einen besonders geringen Leckagestrom verzeichnen und insbesondere an Verdichtern bevorzugten Einsatz finden.
Trockengasdichtungen sind beispielsweise aus der EP 1 914 387 A1 oder der EP 0 373 817 A1 oder der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 25 404 A1 bekannt. Trockengasdichtungen sind das bevorzugte Anwendungsfeld der Erfindung.
Insbesondere bei gefährlichen Gasen, ist es erforderlich, die konrekte Funktion einer Dichtung zu überwachen. Regelmäßig werden einschlägige Dichtungen mehrstufig ausgebildet, d. h., dass der Abbau des Differenzdrucks nicht nur an einer axilen Position mittels einer die Welle umgebenden Dichtung erfolgt, sondern mehrere Wellendichtungsstufen vorgesehen sind, die axial unter Zwischenanrodnung eines Zwischenraums hintereinander angeordnet sind. Viele dieser Dichtungen arbeiten mit zusätzlichen Zuführungen von Fluiden und Absaugungen bzw. Prozessfluide werden auf ein niedrigeres Druckniveau abgelassen, so dass das Prozessfluid nicht in die Umgebung gelangen kann.
Bei Trockengasdichtungen wird häufig eine Zufuhr von Fluiden in den Zwischenraum zwischen zwei Dichtungsstufen vorgesehen, um einen Austritt des Prozessgases in die Umgebung zu vermeiden. Die zugeführten Fluiden werden auch als Schmierung zwischen stehenden und rotierenden Dichtelementen bei der Trockengasdichtung eingesetzt.
Zur Erzielung eines möglichst guten Dichteffekts mit nur geringer Leckagemenge streben sämtliche Wellendichtungstypen geringe Spalte zwischen rotierenden und stehenden Elementen an. Dies macht die Wellendichtung stets zu einem sensiblen Bauelement, dass einerseits durch Kontakte zwischen stehenden und rotierenden Teilen beschädigt werden kann und andererseits beispielsweise durch Verschmutzung in der Funktion beeinträchtigt werden kann. Aus diesem Grund ist regelmäßig eine Überwachung dieser Aggregate vorgesehen, die bevorzugt mittels einer Druckmessung in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Wellendichtungsstufen erfolgt. Besonders schwierig ist hierbei die Überwachung der Funktion der Wellendichtungsstufen, die nach einer direkt an den mit Prozessgas gefüllten Raum einer Maschine angrenzen unter sämtlichen Betriebsbedingungen. Ist beispielsweise der Druck des Prozessgases besonders niedrig, vermag bereits die erste an den Prozessfluidraum angrenzende Wellendichtungsstufe nahezu den gesamten Differenzdruck abzubauen, so dass sich in dem ersten Zwischenraum zwischen einer zweiten Welldichtungsstufe und der ersten, an den Prozessfluidraum angrenzenden Wellendichtungsstufe ein nur noch geringer Überdruck zu der Umgebung einstellt. Die Drucküberwachung dieses Zwischenraums und die daran angeschlossene Regelung kann diesen Zustand als Undichtigkeit dieser zweiten Wellendichtungsstufe interpretieren, da der Differenzdruck bei einer Undichtigkeit gleichfalls gering ist. Insofern führt ein Betrieb der Maschine mit einem geringen Druck des Prozessfluids häufig zu ungewollten Nothaltsituationen (in der Regel als Trip bezeichnet) und die Verfügbarkeit der Maschine wird beeinträchtigt.
Ausgehend von den beschriebenen Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, ohne Einbußen an Sicherheit in sämtlichen Betriebsbereichen und fehlerhafte Inditikationen von Fehlfunktionen an Wellendichtungen vermeidet.
Zur Lösung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhaltet vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Zufuhr eines Zuleitungsfluids in den ersten Zwischenraum bei Unterschreitung eines ersten Grenzdrucks in dem ersten Zwischenraum hat den Vorteil, dass insbesondere bei niedrigen Leckagen aus der ersten Wellendichtungsstufe sich immer noch ein geeigneter Differenzdruck über die zweite Wellendichtungsstufe zur Feststellung eines korrekten Funktionszustandes ergibt. Auf diese Weise kann die Maschine in sämtlichen Betriebsbereichen arbeiten, ohne unnötige Alarmzustände oder Trips – verursacht durch fehlerhafte Fehlfunktionsmeldungen – an den Wellendichtungen, zu erfahren.
Bevorzugt befindet sich der mit dem Zuleitungsfluid beaufschlagte Zwischenraum angrenzend an der äußersten Wellendichtungsstufe, so dass der Differenzdruck über diese Stufe sich aus dem Druck in dem Zwischenraum und dem Umgebungsdruck ergibt. Um dennoch eine Fehlfunktion der Wellendichtungsstufe jenseitig bzw. stromabwärts des beaufschlagten Zwischenraums zuverlässig zu erkennen, sollte entweder der Druck oder der Mengen-, Volumen-, oder Massenstrom oder beides des Zuleitungsfluids begrenzt oder auf einen bestimmten Wert eingestellt sein, damit die Bedingungen für einen aus dem überwachten Druck resultierenden Alarm- oder Tripzustand funktionsgerecht definiert werden können.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt mit einem Abstand des ersten Grenzdrucks zu einem zweiten Grenzdruck, beidem die Maschine in einen Alarmzustand wechselt. Der erste Grenzdruck, bei dem der Beginn der Zuleitung erfolgt, sollte um eine ausreichende Regelmarge von dem Alarmzustand beabstandet sein, um unnötige Alarme zu vermeiden.
Daneben ist es zweckmäßig, wenn die Maschine in einen Notstoppzustand wechselt (Trip), wenn ein dritter Grenzdruck in dem ersten Zwischenraum identifiziert wird.
Gegebenenfalls können der erste Grenzdruck und der zweite Grenzdruck identisch gewählt werden, so dass die Maschine zwar in einen Alarmzustand wechselt, aber durch die Zufuhr des Zuleitungsfluids bei korrekter Funktion der entsprechenden Wellendichtungsstufe nicht in en Tripzustand gelangt. Dies ist zweckmäßig, wenn die zur Verfügung stehenden Druckabstände gering sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für Trockengasdichtungen der mehrstufigen Bauweise, insbesondere der zweistufigen Bauweise, so genannten Tandemdichtungen, geeignet. Hierbei ist jede Wellendichtungsstufe eine Stufe einer Trockengasdichtung.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der erste Grenzdruck, bei dem eine Zufuhr des Zuleitungsfluids erfolgt, zwischen 0,4 und 1,5 bar Überdruck liegt, bevorzugt 0,8 bar Überdruck beträgt. Der dritte Grenzdruck kann zweckmäßig zwischen 0,2 bar und 0,8 bar, bevorzugt 0,5 bar Überdruck betragen. In der Praxis hat sich ein Volumenstrom von 10–80 Normlitern/Minute, bevorzugt 30–50 Normlitern/Minute als Zuführung für das Zuleitungsfluid erwiesen.
Zur Vermeidung besonders aufwendiger Hilfssysteme ist es sinnvoll, wenn als Zuleitungsfluid das von der Maschine ohnehin vorhandene Prozessfluid, gegebenenfalls in gefilterter Form, eingesetzt wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung zur Verdeutlichung näher beschrieben. Für den Fachmann ergeben sich aus der Offenbarung dieser Patentanmeldung zahlreiche andere Ausführungsmöglichkeiten, die der Erfindung ebenfalls zuzurechnen sind.
Es zeigt:
1 einen Ausschnitt aus einem Systemschaltplan einer Maschine, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Systemschaltplans einer Maschine 1, nämlich einem Verdichter 2, der eine sich in seiner Längsachse 3 erstreckende Welle 4 aufweist. Die Welle 4 ist an Austritten aus einem Gehäuse 5 der Maschine 1 mittels Wellendichtungen 6, 7 zur Umgebung 8 abgedichtet. Die Wellendichtungen 6, 7 sind jeweils als zweistufige Trockengasdichtung 9 ausgebildet, wobei eine erste Wellendichtungsstufe 11 und eine zweite Wellendichtungsstufe 12 vorgesehen sind. Die erste Wellendichtungsstufe 11 ist jeweils dem Inneren des Gehäuses 5 zugewendet, in dem sich ein Prozessfluid 13 in einem Prozessfluidraum 14 befindet. Zwischen der ersten Wellendichtungsstufe 11 und der zweiten Wellendichtungsstufe 12 befindet sich ein Zwischenraum 15, der mittels einer Leitung 16 mit einem Ab- und Zuleitungssystem 17 verbunden ist. Das Ab- und Zuleitungssystem 17 weist eine Ableitung 40 und eine Zuleitung 25 auf.
Die Leitung 16 ist mit einer Ableitung 40, die zu einer nicht dargestellten Abfackelung führt verbunden. Die Leitung 16 ist mittels eines Rückschlagventils 41 an die Ableitung 40 angebunden, so dass schwankende Abfackeldrücke keine Schwankung in der Leitung 16 und in dem Zwischenraum 15 verursachen.
Das Prozessfluid 13 in dem Prozessfluidraum 14 steht unter einem Überdruck gegenüber der Umgebung 8 und in der Trockengasdichtung 9 bzw. der ersten Wellendichtungsstufe 11 und der zweiten Wellendichtungsstufe 12 wird dieser Überdruck stufenweise abgebaut. Auf diese Weise ergibt sich in dem Zwischenraum 15 ein Druck, der zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck in dem Prozessfluidraum 14 liegt. Sollte in dem Prozessfluidraum 14 sich ein verhältnismäßig niedriger Druck einstellen, ist bereits die erste Wellendichtungsstufe 11 in der Lage, den nahezu gesamten Differenzdruck zwischen der Umgebung 8 und dem Prozessfluid 13 abzubauen, so dass der Differenzdruck über die zweite Wellendichtungsstufe 12 nur noch gering ist.
Der Druck in dem ersten Zwischenraum 15 wird mittels einer Druckmessstelle 18 gemessen. Die Druckmessstelle 18 ist gleichzeitig Bestandteil einer Mengendurchflussmessstelle 19, die zusätzlich eine zweite Druckmessstelle 20 und eine Drossel 21 aufweist, die zwischen den beiden Druckmessstellen vorgesehen ist. Mittels des Differenzdrucks, der sich aus den Messungen der ersten Druckmessstelle 18 und der zweiten Druckmessstelle 20 ergibt, sind Rückschlüsse auf den Volumenstrom durch die Drossel 21 möglich.
Von dem ersten Zwischenraum 15 aus jenseitig der Drossel 21 wird der Leitung 16 aus einer Anzapfung 23 mittels eines Regelventils 22 ein bestimmter Volumen bzw. Massenstrom des Prozessfluids 13 als ein Zuleitungsfluid 24 zugeleitet. Das Regelventil 22, welches den Druck bzw. den Volumenstrom der Zuleitung steuert, öffnet bei einer Unterschreitung des Drucks in dem Zwischenraum 15 unter einem bestimmten ersten Grenzdruck. Dieser Grenzdruck ist um einen Regelabstand hinreichend von einem Alarm-Druck, bei dem ein Maschinenalarm ausgelöst wird, beabstandet. Der Alarmdruck kann bei 0,8 bar Überdrucks zur Umgebung liegen und es wird ein bestimmter Volumenstrom von ca. 40 Litern/Minute eingeregelt. Sollte der Druck dennoch auf 0,8 bar Überdruck in dem Zwischenraum 15 absinken, wird ein Alarm ausgelöst.
Bei einer weiteren Unterschreitung des Drucks in dem Zwischenraum 15 unter 0,5 bar Überdruck geht die Maschine in einem Trip bzw. einem Nothalt, da von einer Fehlfunktion der zweiten Wellendichtungsstufe 12 ausgegangen werden muss. Ist die zweite Wellendichtungsstufe 12 allerdings in der Lage, das Druckniveau über 0,8 bar Überdruck zu halten, wird von einer korrekten Funktion der zweiten Wellendichtungsstufe 12 ausgegangen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1914387 A1 [0003]
- EP 0373817 A1 [0003]
- DE 3925404 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Maschine (1) mit einer Wellendichtung (6, 7) an einer Durchführung eines Gehäuses (5), durch welche Durchführung sich eine Welle (4) erstreckt, welche Wellendichtung (6, 7) einen Prozessfluidraum (14) von einem Zwischenraum oder der Umgebung im Bereich der Durchführung der Welle (4) dichtet, welche mindestens zwei Wellendichtungsstufen (11, 12) umfasst, wobei axial zwischen benachbarten Wellendichtungsstufen (11, 12) jeweils ein Zwischenraum (15) angeordnet ist, wobei mittels mindestens einer Druckmessstelle (18) der Druck in einem Zwischenraum (15) direkt oder indirekt gemessen wird, gekennzeichnet durch die Zufuhr eines Zuleitungsfluids (24) in den Zwischenraum (15) in dem die Messung erfolgt bei Unterschreitung des gemessenen Drucks unter einen ersten Grenzdruck.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Wellendichtungsstufe (11), welche die Welle (4) axial zwischen dem Prozessfluidraum (14) und einem ersten Zwischenraum (15) umgibt und eine zweite Wellendichtungsstufe (12), welche die Welle (4) axial zwischen dem ersten Zwischenraum (15) und einem zweiten Zwischenraum oder einem Fluid der Umgebung umgibt, vorgesehen sind, wobei mittels der Druckmessstelle (18) der Druck in dem ersten Zwischenraum (15) direkt oder indirekt gemessen wird und die Zufuhr des Zuleitungsfluids (24) in den ersten Zwischenraum (15) bei Unterschreitung des ersten Grenzdrucks in dem ersten Zwischenraum (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Maschine (1) in einen Alarmzustand wechselt bei Unterschreitung eines zweiten Grenzdrucks.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Maschine (1) in einen Notstoppzustand (Trip) wechselt, bei Unterschreitung eines dritten Grenzdrucks in dem ersten Zwischenraum (15).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine (1) eine Turbomaschine, insbesondere ein Verdichter (2) ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Grenzdruck und der zweite Grenzdruck identisch sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zuleitungsfluid (24) gleich dem Prozessfluid (13) oder einem gefilterten Prozessfluid (13) ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Wellendichtung (6, 7) um eine Trockengasdichtung und bei den Wellendichtungsstufen (11, 12) jeweils um eine Stufe einer Trockengasdichtung handelt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Grenzdruck zwischen 0,4 bar und 1,5 bar Überdruck gegenüber der Umgebung bevorzugt bei 0,8 bar Überdruck gegenüber der Umgebung liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dritte Grenzdruck zwischen 0,2 bar und 0,8 bar Überdrucks gegenüber der Umgebung, bevorzugt bei 0,5 bar Überdrucks gegenüber der Umgebung liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zuleitungsfluid (24) in einem bestimmten Mengenstrom oder einem bestimmten Massenstrom oder einem bestimmten Volumenstrom dem Zwischenraum (15) zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Zuleitungsfluid (24) mit einem Normvolumenstrom von 10–80 Litern/Minute bevorzugt 30–50 Litern/Minute dem Zwischenraum (15) zugeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuleitung des Zuleitungsfluid (24) reduziert oder unterbrochen wird, wenn eine Steuerung einen Defekt in einer beaufschlagten Wellendichtung (6, 7) meldet.