DE4003214C2 - Verfahren und Einrichtung zum Ausgleich von Leckflüssigkeitsverlusten einer Sperrflüssigkeitsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich von Leckflüssigkeitsverlusten einer Sperrflüssigkeitsanlage gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus Sicherheitsgründen muß beim Betreiben einer Hochdruckmaschine zum Komprimieren von Gasen oder Gasgemischen, insbesondere Prozeßgasen gewährleistet sein, daß an den Wellendurchführungen aus dem Gehäuse kein Gas austritt und dies auch bei Drücken von 300 bis 400 bar. Dazu sind an den Wellendurchführungen Doppel-Gleitringdichtungen angeordnet, die während des Betriebes und des Stillstandes unter Druck der Hochdruckmaschine ständig mit Sperrflüssigkeit versorgt werden müssen, wobei der Druck der Sperrflüssigkeit höher als der abzudichtende Gasdruck ist. Die Verlustleistung der Dichtungen wird in Form von Wärme auf die die Dichtungen durchströmende Sperrflüssigkeit übertragen, die mittels eines im Sperrflüssigkeitskreislauf angeordneten Kühlers rückgekühlt wird. Durch die sich im Normalbetrieb einstellenden Dichtspalte der Gleitringdichtungen tritt eine gewisse Leckflüssigkeitsmenge aus, die in einem dafür vorgesehenen Tank gesammelt wird. Dieser Verlust muß in gewissen Zeitabständen wieder ersetzt werden, damit die sichere Versorgung der Gleitringdichtungen mit Sperrflüssigkeit mit der vorgegebenen Druckdifferenz zum abzudichtenden Gasdruck aufrechterhalten wird. Bei Anwendungen für niedrige Abdichtdrücke kann die Sperrflüssigkeit zum Beispiel einem Druckübersetzer mit Differenzkolben (siehe Prospekt der Fa. Pacific) zugeführt werden, in welchem ein dem Druckniveau proportionaler Differenzdruck erzeugt wird. Dies führt bei großen Betriebsdruckbereichen und hohen Maximaldrückem von 300 bis 400 bar zu sehr großen Druckdifferenzen, welche regelungstechnisch schwer zu beherrschen sind und die inneren Gleitringdichtungen des Druckübersetzers unnötig hoch belasten.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Ausgleich von Leckflüssigkeitsverlusten ist der GB 1 302 475 zu entnehmen. Sie zeigt in Fig. 1 eine Doppel-Gleitringdichtung einer Wellendurchführung einer Hochdruckmaschine mit einem geschlossenen Sperrflüssigkeitskreislauf. In diesem Kreislauf ist eine Regelspeicher angeordnet, in dessen Gehäuse eine auf einen Faltenbalg wirkende Feder einen Druck in der Sperrflüssigkeitskammer erzeugt, der höher ist, als der im Faltenbalg wirkende Gasdruck. Das Zu- und Abschalten einer Speisepumpe für den Ersatz der Leckagemenge wird über einen Dauermagneten im Druckraum, der Impulse an einen außen am Gehäuse angeordneten Schalter überträgt, gesteuert. Bei Hochdruckanwendungen mit einer entsprechend großen Wanddicke des Speicherbehälters von mehr als 40 mm ist die magnetische Übertragung des Füllstandes durch die Gehäusewand problematisch. Außerdem ist die maximale Auslenkung des Faltenbalges gering, so daß im Falle des Ausfalls der Speisepumpe nur ein geringes Speichervolumen für den Notlauf zur Verfügung steht.

Durch DE-28 39 243 A1 ist ein System zur Rezirkulation von Dichtflüssigkeit, insbesondere für ein Sterling-Motor bekannt. Dabei wird zum Ausgleich von Sperrflüssigkeit bei einem mit Hochdruck in dem Sterling-Motor beaufschlagte Dichtung eine Kombination zweier Regelspeicher verwendet, die beide nach dem Prinzip arbeiten, daß die Sperrflüssigkeit in ihren Kammern durch Federn mit einer der gespeicherten Sperrflüssigkeitsmenge proportionalen Kraft zusätzlich zum Gasdruck beaufschlag wird. Innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Druckdifferenz, der durch das Volumen der Kammern festgelegt ist, wird das Steuersignal über Steuerkontakte für das Nachfüllen des Regelspeichers mittels einer Pumpe abgeleitet. Das Steuersignal wird für ein Magnetventil gebildet, um wechselweise die Speicherbehälter füllen zu können. Das Messen einer Druckdifferenz zwischen irgendwelchen Leitungen, um diese Differenz als Steuersignal zu verwenden, findet hier nicht statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ausgleich von Leckflüssigkeitsverlusten einer geschlossenen Sperrflüssigkeitsanlage zur Versorgung von flüssigkeitsgesperrten Dichtungen an Hochdruckmaschinen anzugeben, bei dem für einen Bereich der Abdichtung von Atmosphärendruck bis 400 bar ein vom Speisebehälter unabhängiges Steuersignal für das Nachfüllen gebildet wird, das regelungstechnisch einfach zu beherrschen, unabhängig vom Druckniveau der Hochdruckmaschine ist und eine Änderung der Schaltpunkte der Nachfüllpumpe auch während des Betriebes der Hochdruckmaschine gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Regelspeicher befindliche Sperrflüssigkeit ständig mit dem in der Gasdruckmaschine herrschenden Hochdruck und einer zusätzlichen, einer vorgegebenen Druckdifferenz entsprechenden, ständig wirkenden Kraft beaufschlagt wird und bei Überschreiten der Druckdifferenz das Steuersignal für die Betätigung der Nachfüllpumpe abgeleitet wird. Die Druckdifferenz liegt dabei vorteilhaft im Bereich von 2 bis 5 bar.

Normalerweise wird der Differenzdruck einer Doppel-Gleitringdichtung konstant eingeregelt. Ohne Einbuße an Betriebssicherheit können Gleitringdichtungen aber auch mit in einem bestimmten Bereich schwankenden Differenzdrücken betrieben werden. In diesem Falle können die wechselnden Differenzdrücke selbst in einfacher Weise zur Steuerung der Nachfüllpumpen genutzt werden. Die Regelung zum Ausgleich der Leckflüssigkeitsmenge erfolgt dann in der Weise, daß bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwertes der Druckdifferenz ein Steuersignal für das Nachfüllen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes der Druckdifferenz ein Steuersignal für die Beendigung des Nachfüllens gebildet wird.

Die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Einrichtung besteht aus einem Regelspeicher, der erfindungsgemäß als Differenzdruck-Regelspeicher ausgebildet ist und eine Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und einerseits mit der Saugdruckseite der Maschine und andererseits mit dem Sperrflüssigkeitskreislauf verbunden ist. Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik wird beispielsweise auf der Gasseite des Differenzdruck-Regelspeichers zwischen Kolben und Deckel des Zylinders eine Feder, z. B. eine Schraubenfeder, angeordnet. Sie erzeugt die zusätzliche Kraft in der Weise, daß beim Auffüllen die Feder zusammengedrückt wird. Nach Abschalten einer kleinen Nachfüllpumpe entspannt sich die Feder, da die gespeicherte Menge im Sperrflüssigkeitskreislauf infolge der dauernden Leckflüssigkeitsverluste abnimmt und im gleichen Maße die Feder entspannt wird. Mit abnehmender Menge im Sperrflüssigkeitskreislauf sinkt auch der Druck und parallel dazu auch der Differenzdruck ab. Unterschreitet dieser Differenzdruck einen vorgegebenen Mindestwert, dann wird die kleine Nachfüllpumpe angeschaltet, um den bis dahin eingetretenen Verlust wieder zu ergänzen. Dieses Auffüllen erfolgt solange, bis der vorgegebene Maximalwert des Differenzdruckes infolge des Zusammendrückens der Schraubenfeder erreicht ist. Danach wird die kleine Nachfüllpumpe wieder abgeschaltet. Die Erfassung des Differenzdruckes erfolgt in der Weise, daß ein Differenzdruckmeßgerät über Meßleitungen einerseits mit der Gasseite und andererseits mit der Sperrflüssigkeitsseite des Differenzdruck-Regelspeichers verbunden ist. Die Weitergabe des Meßsignales erfolgt über eine elektrische Leitung, die zum elektrischen Antrieb der Nachfüllpumpe führt. Bei der Verdichtung von sehr aggressiven Gasen kann es vorteilhaft sein, die Feder auf der Sperrflüssigkeitsseite in einem hohlen Kolben anzuordnen. Bei dieser Anordnung stützt sich die Feder einerseits auf der Innenseite des den hohlen Kolben abschließenden Deckels und andererseits auf dem verbreiterten Fußende eines in den hohlen Kolben hineinragenden Führungsrohres ab.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß es unabhängig vom Druckniveau der Anlage ist und auf eine mechanische Übertragung der Kolbenstellung im Hinblick auf die Bildung eines Steuersignales verzichtet werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung bei Hochdruckanlagen, da eine Hochdruckdurchführung durch den Zylinderdeckel des Differenzdruck-Regelspeichers hinsichtlich der Abdichtung und der leichten Beweglichkeit sehr problematisch ist. Des weiteren ist ein Vorteil darin zu sehen, daß die Kolbendichtung nur mit der kleinen Druckdifferenz belastet wird, so daß keine aufwendige und komplizierte Kolbendichtung erforderlich ist und die Lebensdauer der Kolbendichtung entsprechend erhöht wird. Der Differenzdruck-Regelspeicher ist weiterhin so ausgelegt, daß bei Ausfall der Energieversorgung der Nachfüllpumpe im Differenzdruck-Regelspeicher immer eine ausreichend große Sperrflüssigkeitsmenge vorhanden ist, um ein kontrolliertes Abfahren der Anlage zu gewährleisten.

In der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schema der Sperrflüssigkeitsanlage mit einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdruck-Regelspeichers

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdruck-Regelspeichers

In Fig. 1 ist stark vereinfacht das Schema einer Sperrflüssigkeitsanlage dargestellt. Sie besteht aus einem geschlossenen Sperrflüssigkeitskreislauf 1, in den mit einer hier nicht dargestellten Pumpe Sperrflüssigkeit dem schematisch dargestellten Verdichter 2 zugeführt 3 und wieder abgeführt 4 wird. Die beim Durchströmen der Sperrflüssigkeit durch die hier nicht dargestellten Doppel-Gleitringdichtungen auftretende Verlustwärme wird mittels eines im Sperrflüssigkeitskreislauf 1 angeordneten Kühlers 5 abgeführt. Durch die Dichtspalte der Gleichringdichtungen tritt eine bestimmte Leckflüssigkeitsmenge 6 aus, die in einem Tank 7 gesammelt wird. Eine mit dem Tank 7 und dem Sperrflüssigkeitskreislauf 1 verbundene Nachfüllpumpe 8 sorgt für den Ausgleich der Leckflüssigkeitsverluste. Zur Steuerung der Nachfüllpumpe 8 ist in der Sperrflüssigkeitsanlage ein Regelspeicher angeordnet, der erfindungsgemäß als Differenzdruck-Regelspeicher 9 ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist er einen stangenlosen Kolben 10 und eine zwischen dem Kolben 10 und dem Zylinderdeckel 11 auf der Gasseite angeordnete Schraubenfeder 12 auf. Der Kolben 10 ist mit einer Dichtung 13 versehen, die den Sperrflüssigkeitsraum 14 des Differenzdruck-Regelspeichers 9 von der Gasseite 15 trennt. Die Gasseite 15 des Differenzdruck-Regelspeichers 9 ist über eine Leitung 16 mit der Saugdruckseite des Verdichters 2 und der Sperrflüssigkeitsraum 14 über eine Leitung 17 mit dem Sperrflüssigkeitskreislauf 1 verbunden. Die Steuerung der Nachfüllpumpe 8 erfolgt nun in der Weise, daß mit zunehmender Leckmenge der Druck im Sperrflüssigkeitskreislauf 1 absinkt und damit auch der Druck im Sperrflüssigkeitsraum 14 des Differenzdruck-Regelspeichers 9. Die vorgespannte Feder 12 kann sich ausdehnen und die im Sperrflüssigkeitsraum 14 des Differenzdruck-Regelspeichers 9 gespeicherte Menge der Sperrflüssigkeit dient dem Ersatz der abgeflossenen Leckmenge im Sperrflüssigkeitskreislauf 1. Der Druck im Sperrflüssigkeitskreislauf 1 und der Gasseite 15 des Differenzdruck-Regelspeichers 9 wird über je eine Meßleitung 18, 19 einem Differenzdruck-Meßgerät 20 zugeführt. Der gemessene Differenzdruck wird an einen Differenzdruck-Regler 21 mittels einer Leitung 22 weitergeleitet. Dieser Regler 21 ist elektrisch über eine Leitung 23 mit dem elektrischen Antrieb 24 der Nachfüllpumpe 8 verbunden. Fällt nun der gemessene Differenzdruck unter einem vorgegebenen Mindestwert ab, gibt der Regler 21 ein Steuersignal an den elektrischen Antrieb 24, der die Nachfüllpumpe in Bewegung setzt. Die Nachfüllpumpe 8 bleibt solange in Betrieb, bis der gemessene Differenzdruck einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat. Danach wird die Nachfüllpumpe 8 wieder abgeschaltet. Beim Auffüllen wird der Kolben 10 des Differenzdruck-Regelspeichers 9 wieder nach oben gedrückt und dabei die Schraubenfeder 12 vorgespannt.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel 25 für den erfindungsgemäßen Differenzdruck-Regelspeicher, wobei für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet werden. Bei diesem Vorschlag ist die Feder 12 in einem hohlen Kolben 26 auf der Sperrflüssigkeitsseite 32 angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß bei Verdichtung von aggressiven Gasen die Feder 12 bei diesem Typ 25 von Differenzdruck-Regelspeicher nicht mit den Gasen in Berührung kommt. Dies ist im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit und damit Funktionsfähigkeit der angeordneten Feder 12 von Bedeutung. Die Feder 12 stützt sich bei dem in Fig. 2 dargestellten Differenzdruck-Regelspeicher 25 einerseits auf der Innenseite des Deckels 27 des hohlen Kolbens 26 ab, wobei der Deckel 27 eine Bohrung aufweist und mit Schrauben 28 an der Stirnfläche des oben offenen Kolbens 26 befestigt ist. Andererseits erfolgt die Abstützung der Feder 12 auf dem verbreiterten Fußende 29 eines Führungsrohres 30, das in den hohlen Kolben 26 hineinragt. Die Abdichtung zwischen der Sperrflüssigkeitsseite 32 und der Gasseite 33 erfolgt über eine an der Außenseite des hohlen Kolbens 26 angeordnete Dichtung 31. Die Feder 12 wird in der Weise vorgespannt, daß über eine im Zylinderdeckel 34 angebrachte Bohrung 35 Sperrflüssigkeit durch das Führungsrohr 30 gepumpt wird und die Sperrflüssigkeit den Boden 36 des hohlen Kolbens 26 nach unten drückt. Bei Nachlassen des Druckes der Sperrflüssigkeit im Sperrflüssigkeitskreislauf 1 entspannt sich die Feder 12 und der hohle Kolben 26 bewegt sich wieder nach oben bis zum möglichen Endanschlag innerhalb der Kolben-Zylindereinheit. Die Steuerung der Nachfüllpumpe 8 (Fig. 1) erfolgt mittels dieses Differenzdruck-Regelspeichers 25 verfahrensmäßig in der gleichen Weise wie bereits für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Differenzdruck-Regelspeichers 9.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ausgleich von Leckflüssigkeitsverlusten einer Sperrflüssigkeitsanlage mit einem geschlossenen Sperrflüssigkeitskreislauf und einem darin angeordneten Regelspeicher zur Versorgung von flüssigkeitsgesperrten Dichtungen an Gasdruckmaschinen, insbesondere Turboverdichtern, bei dem während des Betriebes die Sperrflüssigkeit einen über dem Gasdruck liegenden Druck aufweist und in Abhängigkeit einer Meßgröße ein Steuersignal für das Zu- und Abschalten einer Nachfüllpumpe gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Regelspeicher befindliche Sperrflüssigkeit ständig mit dem in der Gasdruckmaschine herrschenden Hochdruck und einer zusätzlichen, einer vorgegebenen Druckdifferenz entsprechenden, ständig wirkenden Kraft beaufschlagt wird und bei Überschreiten der Druckdifferenz das Steuersignal für die Betätigung der Nachfüllpumpe abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz in einem Bereich von 2 bis 5 bar liegt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Hochdruckmaschine mit einem geschlossenen Sperrflüssigkeitskreislauf und einem ein zylindrisches Gehäuse und eine Feder aufweisenden Regelspeicher, der mit dem Gasdruck der Hochdruckmaschine und dem Sperrflüssigkeitsdruck des Sperrflüssigkeitskreislaufes beaufschlagt und steuerungsmäßig mit einer Nachfüllpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspeicher (9, 25) über eine leitung (17) im Nebenschluß mit dem geschlossenen Sperrflüssigkeitskreislauf (1) verbunden ist und die Feder (12) sich mit einem Ende auf einem im zylindrischen Gehäuse verschiebbaren stangenlosen Kolben (10, 26) abstützt und die Druckdifferenz zwischen Sperrflüssigkeits- (14, 32) und Gasseite (15, 33) durch ein über Meßleitungen (18, 19) mit dem Regelspeicher (9, 25) verbundenes Differenzdruckmeßgerät (20) ermittelbar und dieses elektrisch über einen Regler (21) mit der Nachfüllpumpe (8) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (12) auf der Sperrflüssigkeitsseite (32) in einem hohlen Kolben (26) angeordnet ist und sich einerseits am eine Bohrung aufweisenden Deckel (27) des hohlen Kolbens (26) und andererseits am verbreiterten Fußende (36) eines in den hohlen Kolben (26) hineinragenden Führungsrohres (30) abstützt.