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Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Gasdichtung, insbesondere einer Trockengasdichtung umfassend:
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- – ein Trägerelement, an dem die Gasdichtung befestigt und abgestützt ist,
- – mindestens eine Dichtgaszuleitung zur Zufuhr von Dichtgas zur Gasdichtung. Daneben betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.
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Gasdichtungen werden als Wellendichtungen eingesetzt und zunehmend gegenüber den einfachen Labyrinthdichtungen bevorzugt, weil die Leckage erheblich geringer ist.
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Die Gasdichtungen, insbesondere Trockengasdichtungen, sind für eine sichere Funktion auf eine besondere Qualität des Dichtgases angewiesen. Das Dichtgas ist hierbei in einem verhältnismäßig engen Temperaturbereich mit einem nur sehr geringen Feuchtigkeitsgehalt der Gasdichtung zuzuführen. Sollte es im Betrieb zu einer nur kleinen Abweichung der Dichtgasqualität kommen, z.B. zum Eintrag eines zu hohen Maßes an Feuchtigkeit, kommt es zu einer dementsprechenden Unterbrechung des Schmierfilms aus Gas zwischen der rotierenden Dichtungsoberfläche und der stehenden Dichtungsoberfläche und demzufolge zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Gasdichtung. Häufig werden Gasdichtungen bzw. Trockengasdichtungen bei der Verdichtung von Prozessfluiden eingesetzt, so dass die Zerstörung der als Wellendichtung ausgebildeten Gasdichtung in der Regel eine Stilllegung oder sogar Zerstörung des Verdichters zur Folge hat. Bei einem toxischen oder explosiven Prozessmedium kann die Zerstörung der Gasdichtung im Verdichtungsprozess katastrophalere Folgen haben.
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Aufgrund dieser Gegebenheit schreiben die API 614 (API= hier Standard des American Petroleum Institute) und der Entwurf zur API 692 vor, dass das Dichtgas – das auch als Sperrgas bezeichnet wird – eine Temperatur mit einen ausreichenden Abstand zum Taupunkt (20K) über die gesamte Gasdichtung aufweisen muss. Selbst bei ausreichender Temperatur des Sperrgasstroms kann an Oberflächen, die im Vergleich zum Sperrgasstrom kalt sind und deshalb als Kondensationskeim wirken, (beispielsweise die Oberfläche der Gasdichtung selbst) Kondensat ausfallen und dadurch kann die Trockengasdichtung beschädigt werden. Besonders kritisch sind die Betriebspunkte „Druckbelasteter Stillstand" und „Anfahren" eines Turboverdichters, da hier keine Abwärme aus Ventilations- oder Reibverlusten das Metall der Trockengasdichtung und somit auch die kritischen Oberflächen erwärmt.
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Aus der
WO 2013/083437 A1 ist bereits der Einsatz einer Gasdichtung bzw. Trockengasdichtung bekannt. Diese Veröffentlichung sieht auch eine Heizung für das Dichtgas vor dem Eintritt in die Gasdichtung vor.
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Die sorgfältige Temperaturführung führt zu einem signifikanten Installationsaufwand zur Aufbereitung des Dichtgases bei herkömmlichen Anlagen der eingangs genannten Art. Zu der Aufbereitung gehört in der Regel auch eine sorgfältige Beheizung und Temperaturkontrolle des Dichtgases auch in Abhängigkeit von den gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Anlage.
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Bisher wurde, wie durch die API 614 und den Entwurf zur API 692 vorgesehen der Sperrgasstrom stark erwärmt. so dass ein ausreichender Abstand zum Taupunkt eingehalten werden konnte. An dieser Lösung ist nachteilig, dass sie den Effekt der Kondensation an kalten Oberflächen nicht berücksichtigt, sondern nur für Betriebspunkte mit ausreichendem Wärmeeintrag aus Verlusten des Turbokompressors einen ausreichenden Schutz gegen Oberflächenkondensation bietet.
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Zusätzlich wird bisher für kritische Betriebspunkte ein alternatives Gas, wie beispielsweise Stickstoff, mit ausreichendem Abstand zum Taupunkt verwendet. An dieser Lösung ist nachteilig, dass eine externe Sperrgasquelle mit ausreichend externem Sperrgas zur Verfügung stehen muss.
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Befindet sich die Anlage beispielsweise in einer besonders kalten Umgebung oder wird gegenwärtig ein besonders kaltes oder heißes Betriebsmedium gefördert, so muss die Temperaturkontrolle des Dichtgases dieses insofern berücksichtigen, als dass das Dichtgas in dem vorgeschriebenen Temperaturbereich die erforderliche Schmierwirkung an den Dichtungsflächen der Gasdichtung erfüllen können muss.
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Ein besonderer Nachteil der Dichtgasaufbereitung liegt einerseits in dem hohen Installationsaufwand, der erhebliche Kosten verursacht und andererseits in dem signifikanten Bauraumbedarf, die die in der Regel zumindest Komponenten-weise auch redundant ausgeführte Dichtgasaufbereitung für sich beansprucht.
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Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung daher zur Aufgabe gemacht, einerseits die Betriebssicherheit einer Gasdichtung zu verbessern und andererseits den Raumbedarf der Dichtgasaufbereitung zu reduzieren.
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Zur Lösung schlägt die Erfindung eine Anlage der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem abhängigen Verfahrensanspruch zum Betrieb der beanspruchten Anlage vor. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Der Erfindung sind ebenfalls Ausgestaltungen zuzurechnen, die nicht explizit mittels der Anspruchsrückbezüge definiert sind, sich dem Fachmann jedoch aus einer sonstigen Kombination der beanspruchten Merkmale und der Merkmale der Ausführungsbeispiele als sinnvoll erschließen.
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Die Erfindung beseitigt mehrere Nachteile des Standes der Technik.
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Bisher ist der Einfluss von höherer Temperatur des Sperrgases auf die Oberflächentemperatur der Gasdichtung nur gering, da die Übertragungsfläche und der Anteil des Sperrgases, welcher die Fläche überströmt, nur klein ist. Daher ergibt sich herkömmlich eine hohe notwendige Leistung der Sperrgasheizung, da ein Großteil der eingebrachten Wärme ungenutzt bleibt.
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Durch eine erfindungsgemäße Konstruktion kann vorteilhafterweise ein Ausfall von Flüssigkeiten an der Gasdichtung und insbesondere der zugehörigen Oberfläche durch Kondensation des Sperrgases, welches möglichweise zu einem Versagen der Trockengasdichtung führt, ausgeschlossen werden.
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Vorteilhaft ist ebenso, dass auf ein externes Sperrgas verzichtet werden kann, welches – wie oben ausgeführt – für kritische Betriebspunkte wie das Anfahren und den Stillstand unter Druckbelastung zur Verhinderung eines Flüssigkeitsausfalls bisher benötigt wurde.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass der nötige Energieeintrag an der von der API geforderten Sperrgasheizung reduziert werden kann, da sich gemäß der Erfindung eine – ggf. weitere – Wärmequelle näher am kritischen Ort befindet, welche aufgrund der Anordnung einen wesentlich besseren Wirkungsgrad bezogen auf die Erwärmung der Gasdichtungsoberfläche aufweist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass allein durch zylindrische Ausnehmungen bzw. einfache Bohrungen in dem Trägerelement der Gasdichtung – zum Beispiel einen Gehäusedeckel – mittels in die Bohrungen eingeführter elektrischer Heizpatronen die benötigte thermische Energie zugeführt werden kann.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass die angesprochenen Bohrungen nicht in den Druckraum hineinragen müssen, so dass keine besondere Abdichtung dieses Heizungsraums notwendig ist.
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Vorteilhaft ist ebenso, dass die erzielbare Temperatur erst von der Designtemperatur des Trägerbauteils, zum Beispiel der Temperaturbelastbarkeit des Gehäusedeckels begrenzt wird.
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Im Vergleich zu einer Beheizung mittels Öl kann mittels einer erfindungsgemäßen Konstruktion vorteilhafterweise auf eine Erweiterung des Ölsystems zu Heizzwecken verzichtet werden, wobei die gleiche Funktion mit wesentlich geringerem Aufwand elektrisch bereitgestellt wird. Die elektrische Ausführung ist daneben auch flexibler zur steuern und unabhängig vom Ölsystem regelbar.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen bei der erfindungsgemäßen Konstruktion sich ein geringerer Übertragungsweg für die Wärmeleitung ergibt. Somit reduzieren sich die Verluste wesentlich.
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Vorteilhaft ist ebenso, dass durch Verwendung einer Regelung die Wärmeeinspeisung abhängig von einem Betriebspunkt an die thermodynamische Notwendigkeit angepasst werden kann. So mag gegebenenfalls im Normalbetrieb die Erwärmung des Gasdichtungsträgers abgeschaltet werden, soweit die Eigenerwärmung aus der in der Dichtung auftretenden Verlustwärme oder einer Wärme einer im Betrieb angeschlossenen Turbomaschine ausreicht, die Gasdichtung zu erwärmen.
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Besonders flexibel einsetzbar ist ein elektrisch ausgebildetes Heizelement. Dieses kann vorteilhaft in längliche Ausnehmung des Trägerelements eingesetzt werden. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn das Trägerelement (CE) einen zusätzlichen Wärmeleiter – insbesondere Wärmeleitpaste – aufweist, wobei der zusätzliche Wärmeleiter an die Form des Heizelementes anpassbar sein kann, so dass eine vergrößerte Fläche direkten Kontaktes zwischen dem Trägerelement bzw. dem zusätzlichen Wärmeleiter und dem Heizelement entsteht, so dass gegenüber einer Anordnung ohne den zusätzlichen Wärmeleiter eine verbesserte Wärmeleitung von dem Heizelement auf das Trägerelement entsteht.
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Sinnvoll ist das Trägerelement mit einem Zuleitungskanal für das Dichtgas ausgebildet.
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Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist eine Ausbildung der Anlage als eine Fluidenergiemaschine, insbesondere als ein Turboverdichter. Vorteilhaft kann das Trägerelement Teil eines Gehäuses der Strömungsmaschine (sein, zum Beispiel als Gehäusedeckel des Gehäuses der Fluidenergiemaschine ausgebildet sein. Hierbei kann der Gehäusedeckel auch Träger der an dem Gehäusedeckel angebrachten Gasdichtung und Träger eines an dem Gehäusedeckel angebrachten Wellenlagers sein.
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Nach der Erfindung überträgt das mindestens eine Heizelement Wärmeenergie auf das Trägerelement, wobei das Trägerelement von dem Heizelement aufgenommene Wärmeenergie auf die Gasdichtung überträgt. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn das Trägerelement von dem Heizelement aufgenommene Wärmeenergie zum Teil auf die Gasdichtung überträgt und einen anderen Teil auf den Zuleitungskanal für das Dichtgas.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich exemplarisch zu verstehen und schränken die Erfindung nicht ausschließlich auf die Darstellung ein. Vielmehr ist es dem Fachmann im Rahmen seines Fachwissens möglich, auch einzelne erwähnte Merkmale mit anderen zu kombinieren ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
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1: eine stirnseitige Ansicht einer Prinzipdarstellung eines Gehäusedeckels mit in Bohrungen eingesetzten elektrischen Heizpatronen,
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2: ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels mit parallel zu einer Verdichterwelle eingebrachter Heizpatrone.
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3: ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels mit senkrecht zur Verdichterwelle eingebrachter Heizpatrone.
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4: ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels mit schräg zur Verdichterwelle eingebrachter Heizpatrone.
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Die Figuren zeigen jeweils schematisch relevante Bauteile einer erfindungsgemäßen Anlage A. Es sind jeweils unter anderem eine Gasdichtung GS, insbesondere eine Trockengasdichtung DGS, ein Trägerelement CE, an dem die Gasdichtung GS befestigt und abgestützt ist, sowie mindestens ein Heizelement HT abgebildet.
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Wie in 1–4 jeweils schematisch dargestellt, wird von dem als Gehäusedeckel CCV ausgebildeten Trägerelement CE sowohl ein Gasdichtungseinsatz GSC umfassend eine Gasdichtung GS bzw. Trockengasdichtung DGS als auch eine bestimmte Anzahl von Heizungen HT aufgenommen.
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Daneben ist an dem Trägerelement CE bzw. dem Gehäusedeckel CCV ein Wellenlager BEA vorgesehen, mittels dessen eine sich entlang einer Drehachse X erstreckende Welle SH gelagert wird. Die Welle SH ist mittels der Gasdichtung GS zu den ansonsten stehenden Bauteilen abgedichtet, so dass durch einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Spalt zwischen der Gasdichtung GS und der Welle SH kein im Inneren einer Fluidenergiemaschine befindliches Prozessfluid PF durch den Spalt in die Umgebung austreten kann. Die Fluidenergiemaschine der Anlage A ist bevorzugt als Turbokompressor TC ausgebildet und weist ein im Wesentlichen hermetisch dichtes Gehäuses CAS auf, welches mittels des Gehäusedeckels CCV, der als Trägerelement CE ausgebildet ist, zur Umgebung hin abgedichtet ist. Der Gehäusedeckel CCV nimmt als Träger der Wellenlagerung BEA die statischen und dynamischen Auflagerkräfte der Welle SH bzw. des entsprechenden Rotors auf.
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Die Gasdichtung GS wird mittels einer Dichtgasversorgung über eine Dichtgasleitung SGL mittels Dichtgas bzw. Sperrgas versorgt. Das Dichtgas SG wird mittels einer nicht dargestellten Ableitung aus der Gasdichtung GS verunreinigt durch in das abgesaugte Dichtgas SG eingetretenes Prozessgas und Umgebungsluft entlang einer nicht dargestellten Absaugung fortgeleitet. Die Dichtgasleitung GSL weist einen Dichtgasfilter SFL auf und hält das Dichtgas SG von einem höheren Druckniveau, das in der 1 als Dichtgasverdichter SCO dargestellt ist. Alternativ kann es sich bei dem höheren Druckniveau auch um ein Reservoir von Dichtgas SG handeln. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung der Erfindung bei nicht umweltbedenklichen Prozessfluiden PF derart, dass das Dichtgas SG gleichzeitig das Prozessfluid PF ist und das Dichtgas SG aus dem höchsten Druckniveau der Fluidenergiemaschine zur Versorgung der Gasdichtung GS entnommen wird.
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Die von dem Trägerelement CE positionierten Heizelemente HT befinden sich in dem Ausführungsbeispiel der 1 auf einem Kreis RAD über den Umfang – hier konzentrisch zur Drehachse X in gleichen Abständen verteilt. Diese äquidistante Anordnung ist nur beispielhaft und nicht zwingend.
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Wie auch in den 2–3 wiedergegeben, ist das jeweilige Heizelement HT entlang einer Längsachse XHT1, XHT2, XHT3 in eine zylindrische Ausnehmung CH in dem Trägerelement CE angeordnet. In den verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Längsachse XHT1, XHT2, XHT3 jeweils in unterschiedlicher Winkelposition zu der Drehachse X der Anlage A orientiert. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Heizelement HT sich mit der Längsachse XHT1–XHT3 in einer beliebigen Winkelorientierung zu der Drehachse X bzw. einer Gehäuselängsachse des Gehäuses CAS erstreckt. Die endgültige Anzahl der Heizelement HT bzw. der entsprechenden Heizelementausnehmungen CH und deren Orientierung in dem Trägerelement CE festzustellen ist. Optional sind die Heizelemente HT in den Ausnehmungen CH unter Zwischenanordnung eines verformbaren zusätzlichen Wäremleiters AHC – hier Wärmeleitpaste – des Trägerelementes CE angeordnet.
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Aufgabe einer konstruktiven Optimierung mit dem Ziel, in jedem Betriebszustand mittels der Heizelemente HT die Gasdichtung GS in den zulässigen Temperaturbereich zu betreiben. Hierzu ist es auch sinnvoll, wenn das Heizelement HT mittels des Trägerelementes CE nicht nur auf die Gasdichtung GS Wärme überträgt, sondern auch auf die Dichtgaszuleitung CGL, die sich teilweise durch das Trägerelement CE zur Gasdichtung GS hin erstreckt. Auf diese Weise erwärmt das Heizelement HT bzw. die Heizelemente HT indirekt sowohl die Gasdichtung GS als auch die Zuleitung von Dichtgas SGL sowie indirekt auch das Dichtgas SG, damit die Gasdichtung GS stets im zulässigen Temperaturbereich betrieben wird.
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2 stellt eine Ausführung dar, bei das Heizelement HT parallel zur Verdichterwelle SH in einer im Gehäusedeckel COV eingebrachten Bohrung eingesetzt ist und somit indirekt das (vereinfacht dargestellte) Gasdichtungsgehäuse inklusive der darin enthaltenen Trockengasdichtung DGS erhitzt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist das Heizelement HT senkrecht zur Kompressorwelle in einer im Gehäusedeckel COV eingebrachten Bohrung eingesetzt und erhitzt somit indirekt das (vereinfacht dargestellte) Gasdichtungsgehäuse inklusive der darin enthaltenen Trockengasdichtung.
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Die Heizelemente HT werden mittels einer Energiequelle PSU unter Verwendung von Stromleitungen PSL mit elektrischem Strom zur Erzeugung der Wärmeenergie versorgt. Eine Temperaturmessstelle TS übermittelt jeweils die aktuelle Temperatur an eine zentrale Regelung CU, die die Stromzufuhr aus der Energiequelle PSU an die Heizelemente HT regelt. Zum Zwecke der Regelung greift die zentrale Regelung CU auf eine Datenbank PDA zu, damit in allen Betriebszuständen sichergestellt ist, dass basierend auf in der Datenbank abgelegten Erfahrungswerten stets die richtige Energiemenge in den Heizelementen HT zu Wärme umgesetzt wird. Die Regelung CU steht mit der zentralen Datenbank PDA und der Energiequelle PSU sowie der Temperaturmessstelle CS mittels Signalleitungen SL in Verbindung.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel (siehe 4) ist die Heizpatrone 3 schräg zur Kompressorwelle in einer im Gehäusedeckel CCV eingebrachten Bohrung 11 eingesetzt und erhitzt somit indirekt das (vereinfacht dargestellte) Gasdichtungsgehäuse inklusive der darin enthaltenen Trockengasdichtung 2.
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Weiterhin trägt diese Bauform der Geometrie des Gasdichtungsgehäuses Rechnung und ist dennoch so nah als möglich am Gasdichtungseinsatz GSC inklusive der darin enthaltenen Trockengasdichtung 2 angebracht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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