DE60217233T2

DE60217233T2 - Abdichtung für Verdichter und Kreiselverdichter mit dieser Abdichtung

Info

Publication number: DE60217233T2
Application number: DE60217233T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Pugnet; Daniel Bolusset; Patrick Friez
Original assignee: Thermodyn SAS
Current assignee: Thermodyn SAS
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: US20030030221A1; FR2827919A1; DE60217233D1; FR2827919B1; US6959929B2; NO20023531D0; EP1281871B1; EP1281871A1; NO330000B1; NO20023531L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtpackung für einen Kreiselverdichter sowie einen mit einer solchen Dichtpackung versehenen Verdichter.
Die Kreiselverdichter sind drehende Maschinen, die dazu bestimmt sind, verdichtbare Fluide zu transportieren, und sie haben zum Zweck, mechanische Energie auf das sie durchquerende Fluid zu übertragen, um dessen Druck zu erhöhen.
Sie weisen zu diesem Zweck eine Antriebswelle auf, die eine Gruppe von Rädern in Drehung versetzt, die hauptsächlich die Übertragung der mechanischen Energie auf das Fluid gewährleisten, die von dem die Welle antreibenden Motor zugeführt wird.
Um das unter Druck stehende Fluid im Inneren des Verdichterkörpers einzuschließen, sind die Wellenenden mit Trockengasdichtungen versehen.
Solche Dichtungen sind üblicherweise mit einem Gehäuse (siehe EP 0 781 948 ), einem auf das Gehäuse montierten Gleitring oder Ring und mit einem drehenden Gleitring versehen, der drehfest mit einer Büchse verbunden ist, die auf die Antriebswelle des Verdichters montiert ist, wobei diese Gleitringe zum Beispiel mittels einer Feder in gegenseitige Auflage beaufschlagt werden.
Beim Betrieb des Verdichters sind die Dichtpackungen großen thermischen Kräften ausgesetzt, insbesondere aufgrund der Temperatur des im Verdichter zirkulierenden Fluids, der Expansion des Fluids in Höhe der Dichtungen, des Abscherens des Fluidfilms an der Dichtungsschnittstelle zwischen den Reibungsflächen des drehenden bzw. des ortsfesten Gleitrings, und von Verlusten durch Gebläse, die bei der Drehung des drehenden Gleitrings im vom Verdichter übertragenen Fluid erzeugt werden.
Es ist bekannt, dass diese thermischen Kräfte Verformungen in Höhe des drehenden Gleitrings und des ortsfesten Gleitrings durch differentielle Ausdehnung erzeugen, was möglicherweise zu einem Dichtheitsverlust oder sogar zu einer Zerstörung des Materials führt, wenn es zu einem Kontakt zwischen den Gleitringen kommt.
Es treten nämlich insbesondere im Allgemeinen Leckagen in Höhe der Schnittstelle zwischen dem ortsfesten Gleitring und dem drehenden Gleitring auf, was stromabwärts ein relativ starkes lokales Sinken der Temperatur des Fluids aufgrund einer Expansion dieses letzteren erzeugt.
Bei Anwendungen der "assisted-recovery"-Erdölgewinnung durch Einspritzen von Erdgas kann zum Beispiel der Gleichgewichtsdruck der Schleife des Gasinjektionsverdichters 250 bis 300 Bar erreichen. Die in Höhe der Dichtheitsschnittstellen der Dichtpackung des Verdichters erzeugte Expansion kann die Temperatur lokal bis auf etwa –80°C absenken.
Da die allgemein bei dieser Art Verdichter verwendeten verdichtbaren Gase Wasser als Bestandteil haben, kann außerdem das Sinken der Temperatur zur Bildung von Hydraten führen, deren Entstehungstemperatur in der Größenordnung von –10°C liegt.
Da die Hydrate feste Verbindungen sind, kann ihre Anwesenheit den ortsfesten Gleitring bezüglich der drehenden Teile des Verdichters blockieren, was einen Dichtheitsverlust beim Stillstand der Maschine erzeugen oder sogar ein erneutes Starten dieser Maschine verhindern kann, so lange die Temperatur unter der Entstehungstemperatur der Hydrate bleibt.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und eine Dichtpackung und einen Zentrifugalverdichter anzugeben, die in der Lage sind, eine Erwärmung des Fluids stromabwärts hinter den Dichtheitsschnittstellen der Dichtpackungen während des Druckstillstands der Maschine zu gewährleisten.
So wird erfindungsgemäß eine Dichtpackung für einen Verdichter vorgeschlagen, der ein Gehäuse und mindestens eine aus einem drehenden Gleitring, der drehfest mit einer zur Montage an einer Welle des Verdichters bestimmten Büchse verbunden ist, und einem stationären Gleitring, der auf dem Gehäuse angebracht ist, gebildete Gruppe aufweist, wobei die Gleitringe über ihre Reibungsfläche in gegenseitige Anlage beaufschlagt werden.
Gemäß einem Aspekt dieser Dichtpackung weist diese außerdem Mittel zum Zirkulieren eines Fluids zum Erwärmen der Leckagen des vom Verdichter transportierten verdichtbaren Fluids auf, die zwischen den Gleitringen entstehen, wobei die Zirkulationsmittel in dem Gehäuse angeordnet sind und sich mindestens zum Teil stromabwärts hinter den Gleitringen bezüglich der Strömungsrichtung des Fluidstroms erstrecken.
So wird das in den Dichtpackungen des Verdichters zirkulierende Fluid erwärmt, was es ermöglicht, die bei der Expansion dieses letzteren stromabwärts hinter den Dichtheitsschnittstellen erzeugte Abkühlung zu kompensieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Dichtpackung enthalten die Zirkulationsmittel einen Heizkanal, der mit einer Heizfluid-Speise quelle verbunden ist, deren Betrieb unabhängig von dem der Mittel zur Speisung des Verdichters mit verdichtbarem Fluid ist.
Man kann dann eine Erwärmung des Fluids innerhalb der Dichtpackungen selbst bei Stillstand des Verdichters vorsehen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist das Gehäuse mit einer Abflussleitung der Fluidleckagen versehen, in der eine Wand angeordnet ist, die zusammen mit dem Gehäuse den Kanal begrenzt und die eine Wärmeenergie-Austauschfläche bildet.
Vorzugsweise ist die dem Heizkanal zugewandte Seite der Wand mit Rippen versehen, die auf der Wand eine Heizschlange bilden.
Zum Beispiel besteht das Heizfluid aus Öl.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Dichtpackung außerdem einen gegenüber dem drehenden Gleitring angeordneten Wärmetauscher auf.
Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Zentrifugalverdichter vorgeschlagen, der eine Antriebswelle, die bei der Drehung eine Gruppe von Rädern antreibt, welche eine Übertragung der durch die Antriebswelle eingebrachten mechanischen Energie auf ein verdichtbares Fluid gewährleisten können, und mindestens eine Wellenausgangsdichtung aufweist.
Gemäß einem Aspekt dieses Verdichters besteht die oder jede Dichtpackung aus einer wie oben definierten Dichtpackung.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die nur als nicht einschränken des Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Zentrifugalverdichters im Längsschnitt;
2 eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer Dichtpackung gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
3 eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer erfindungsgemäßen Dichtpackung zeigt.
In 1 ist der allgemeine Aufbau eines Zentrifugalverdichters dargestellt, der mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnet ist.
Er ist dazu bestimmt, ein verdichtbares Fluid zu behandeln und hat zum Zweck, mechanische Energie auf dieses Fluid zu übertragen, um seinen Druck zu erhöhen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Verdichter 10 aus einem mehrzelligen Verdichter, d.h. mit mehreren Stufen. Der Verdichter 10 weist nämlich vier Verdichtungsstufen auf.
Er weist hauptsächlich eine Antriebswelle 12 auf, die von geeigneten Antriebsmitteln in Drehung versetzt wird und sich in einem Gehäuse 14 dreht.
Dieses Gehäuse 14 ist mit einem Eingang E für die Zufuhr von verdichtbarem Fluid, der mit einer für die beabsichtigte Verwendung geeigneten Speisequelle in Verbindung steht, und mit einem Ausgang S zur Ausgabe von verdichtetem Fluid versehen.
Zwischen dem Eingang E und dem Ausgang S ist das Gehäuse 14 mit den vier Verdichtungsstufen 16, 18, 20 und 22 versehen.
Jede Stufe 16, 18, 20 und 22 weist stromaufwärts nach stromabwärts in Fließrichtung des Fluids im Verdichter 10 eine Eingangs-Leitkurve 24, 26, 28 und 30, die die Fließführung in der für seine Zufuhr zur Verdichtungsstufe günstigsten Richtung gewährleistet, ein Schaufelrad 32, 34, 36, 38, das die eigentliche Übertragung der mechanischen Energie gewährleistet, die von der Antriebswelle dem verdichtbaren Fluid zugeführt wird, wobei ein Teil der eingeführten mechanischen Energie in Druck und ein anderer Teil in Geschwindigkeit umgewandelt wird, und einen Gleichrichter oder Diffusor 40, 42, 44 und 46 auf, der eine Verringerung der Geschwindigkeit des Fluids mit dem Zweck der Umwandlung des dynamischen Drucks dieses letzteren in statischen Druck gewährleistet.
Wie man in dieser 1 sieht, mündet die letzte Verdichtungsstufe 22 stromabwärts in einem Verdichtersammelgehäuse 48 mit evolutivem Querschnitt, das einen Enddiffusor bildet, der in der Lage ist, die Verluste zwischen der letzten Verdichtungsstufe und dem Ausgang S zu reduzieren.
Außerdem ist der Verdichter mit Dichtpackungen versehen, die mit den allgemeinen Bezugszeichen 50 und 52 versehen sind, das Gehäuse in der Nähe der Wellenausgänge bestücken und den Einschluss des Druckfluids im Inneren des Gehäuses 14 gewährleisten. Die Anordnungen dieser Dichtpackungen können einfach (eine einzige Dichtung nach außen), doppelt (eine Dichtung nach außen mit Sperrgas) oder ein Tandem (zwei Dichtungen in Reihe nach außen) sein, je nach dem Anwendungen.
In 2 ist der allgemeine Aufbau einer Dichtpackung gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Zum Beispiel entspricht diese Dichtpackung der mit dem allgemeinen Bezugszeichen 50 bezeichneten Dichtpackung. In dieser gleichen 2 tragen die gleichen Elemente wie in 1 die gleichen Bezugszeichen.
Diese Dichtpackung enthält einen drehenden Ring oder einen drehenden Gleitring 54, der drehfest mit einer Büchse 56 verbunden ist, die selbst an der Welle 12 des Verdichters befestigt ist, sowie einen stationären Gleitring 58, der am Gehäuse 14 befestigt und bezüglich dieses Gehäuses axial verschiebbar ist.
Elastisch verformbare Mittel, die aus einer Feder 60 bestehen, beaufschlagen den stationären Gleitring 58 in Auflage gegen den drehenden Gleitring 54 durch ihre Reibungsfläche 62 bzw. 64.
Komplementäre Dichtmittel (nicht dargestellt) gewährleisten eine Dichtheit zwischen den Gleitringen 54 und 58 und den Elementen des Verdichters, auf die sie montiert sind.
Wie durch den Pfeil F dargestellt, tritt im Betrieb eine Leckage von verdichtbarem Fluid zwischen den Dichtheitsschnittstellen 62 und 64 der Dichtungspackung auf, d.h. zwischen den Reibungsflächen des drehenden Gleitrings und des stationären Gleitrings.
Das Gehäuse 14 des Verdichters ist dann mit einer Abflussleitung 66 der Gasleckage versehen, die zum Beispiel in einem Netz von Fackeln mündet (nicht dargestellt).
Wie vorher erwähnt, hat dieser Typ von Dichtpackung einen großen Nachteil bezüglich ihres thermischen Betriebs.
Während der Drehung beeinflussen nämlich vom Verdichter kommende Gasrezirkulationen die Dichtpackung thermisch, d.h. führen die Kalorien ab, wie dies an sich bekannt ist. Beim Stillstand sind diese Zirkulationen, die nicht mehr existieren, da man nicht mehr über einen natürlichen Druckunterschied verfügt, wirkungslos sowohl zum Kühlen der Dichtpackung als auch zum Erwärmen der Leckagen.
Am Ausgang der Dichtungsschnittstelle, die von den Reibungsflächen 62 und 64 der Gleitringe gebildet wird, erfährt das Fluid eine Expansion, die eine derartige entsprechende Senkung der Temperatur dieses letzteren bewirkt, dass Hydrate erzeugt werden können.
Wie an sich bekannt, bestehen diese Hydrate aus festen Verbindungen, die den stationären Gleitring blockieren und folglich den Betrieb des Verdichters verändern können.
Nun wird unter Bezugnahme auf 3 eine Dichtpackung beschrieben, die es ermöglicht, diesen Nachteil zu beseitigen.
Im in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Dichtpackung aus einer Dichtpackung vom Tandem-Typ, d.h. dass sie zwei Dichtpackungen 68 und 70 aufweist, die in Reihe angeordnet sind.
Jede eigentliche Dichtpackung weist einen ortsfesten oder stationären Gleitring 71, der auf ein Gehäuse 72 des Verdichter montiert ist, und einen drehenden Gleitring oder drehenden Ring 73 auf, der fest mit einer Büchse 74 verbunden ist, die selbst auf die Antriebswelle 76 des Verdichters montiert ist.
Ein elastisches Mittel bestehend aus einer Feder 78 beaufschlagt die Dichtungsschnittstellen gegeneinander, die aus den einander gegenüberliegenden Reibungsflächen 80 und 82 des stationären Gleitrings und des drehenden Gleitrings bestehen.
Wie oben angegeben, erzeugen Leckagen, die durch den Pfeil F' bezeichnet werden, einen Abfluss von verdichtbarem Fluid zwischen den Dichtungsschnittstellen 80 und 82, wobei die Flüsse in einer Abflussleitung 84 fließen, die zu diesem Zweck im Gehäuse 72 angeordnet ist.
Um die mit der Expansion des verdichtbaren Fluids stromabwärts hinter den Dichtungsflächen 80 und 82 verbundenen Nachteile zu beheben, ist das Gehäuse 72 mit Mitteln für die Zirkulation eines Heizfluids versehen, die in Form eines Heizkanals 86 ausgebildet sind, der sich zumindest zum Teil stromabwärts hinter den Gleitringen 71 und 73 erstreckt.
Dieser Kanal 86 ist an eine Heizfluid-Speisequelle angeschlossen, zum Beispiel einem Öl, dessen Wärmekapazität geeignet ist, um eine wirksame Übertragung von Kalorien zur Leitung 84 zu erlauben.
Es ist anzumerken, dass die Temperatur und der Druck des Fluids so gewählt werden, das ein ausreichendes Erwärmen des Fluids in der Abflussleitung 84 gewährleistet wird, um die Bildung von Hydrat zu vermeiden.
Wie man in 3 sieht, ist mit dem Ziel, eine wirksame Übertragung der Kalorien zum in der Leitung 84 fließenden Fluid zu gewährleisten, der Heizkanal 86 in der Leitung 84 angeordnet und wird hergestellt, indem in diese Leitung eine Wand 88 eingesetzt wird, die mit dem Gehäuse 72 den Kanal 86 bildet.
Die Wand 88 weist auf ihrer zum Kanal 86 gerichteten Seite Rippen wie 90 auf, um eine Heizschlange im Kanal 86 zu bilden.
Es ist klar, dass die Wand 88 ebenfalls so gewählt wird, dass sie eine ausreichende Wärmetauscherfläche bildet, um zusammen mit dem Pegel der Temperatur und des Drucks des im Kanal 86 zirkulierenden Heizfluids die Bildung von Hydraten in dem Fluid zu vermeiden, das in der Leckage-Abflussleitung 84 fließt.
Es ist klar, dass die Hydratbildungstemperatur von der Zusammensetzung des vom Verdichter behandelten Fluids abhängt. Da die Bestimmung der Parameter, die es ermöglichen, die Temperatur bis zu einem Pegel zu erhöhen, der über demjenigen der Hydratbildung liegt, dem Fachmann geläufig ist, wird sie nachfolgend nicht ausführlich beschrieben.
Es wird außerdem festgestellt, dass die Wand 88 aus einem Material hergestellt ist, das in der Lage ist, die relativ hohen Drücke auszuhalten, die in diesen Dichtpackungen im Fall einer Beschädigung der eingesetzten Dichtung herrschen können, um einen Austritt von entflammbarem Prozessgas in die Atmosphäre zu vermeiden.
Was die Heizfluid-Speisequelle angeht, so besteht diese schließlich vorzugsweise aus einer Speisequelle, deren Betrieb vom Betrieb des Rests des Verdichters unabhängig ist, und insbesondere vom Betrieb der Speisequelle von verdichtbarem Fluid. Die Unabhängigkeit dieser Speisequelle ist ebenfalls derart, dass sie ihr eine große Verfügbarkeit gewährleistet, die für die Zuverlässigkeit dieser Dichtpackung wichtig ist.
Es ist so möglich, eine Erwärmung des in der Leckage-Abflussleitung 84 zirkulierenden Fluids zu gewährleisten, selbst bei Stillstand des Verdichters.
So wird jede Gefahr des Blockierens des stationären Gleitrings 71 bezüglich der drehenden Teile des Verdichters vermieden, selbst bei Stillstand dieses letzteren.
So befreit man sich von jeder Notwendigkeit, die Anlage, in die der Verdichter eingebaut ist, zu leeren und zu dekomprimieren.
Es ist schließlich anzumerken, dass die Erfindung nicht auf die in Betracht gezogene Ausführungsform beschränkt ist.
Diese Vorrichtung trägt ebenfalls dazu bei, die Trockendichtung bei ihrem Drehbetrieb zu kühlen. Es ist nämlich in einer Variante ebenfalls möglich, den Verdichter durch einen komplementären Wärmetauscher zu vervollständigen, der die Erwärmung des Fluids in den Dichtpackungen gewährleistet und zum Beispiel gegenüber dem drehenden Gleitring angeordnet ist.

Claims

Dichtpackung für einen Kreiselverdichter mit einem Gehäuse (72) und mit mindestens einer aus einem drehenden Gleitring (73), der in Drehung fest mit einer Büchse (74) verbunden ist, die zur Montage auf eine Welle (76) des Verdichters bestimmt ist, und aus einem stationären Gleitring (71), der auf dem Gehäuse angebracht ist, gebildeten Gruppe, wobei die Gleitringe (71, 73) mit ihrer Reibungsfläche in gegenseitige Anlage beaufschlagt werden, wobei die Dichtpackung außerdem Mittel (86, 88, 90) zum Zirkulieren eines Fluids zum Erwärmen der zwischen den Gleitringen (71, 73) entstehenden Leckagen von durch den Verdichter transportiertem verdichtbarem Fluid enthält, wobei die Zirkulationsmittel im Gehäuse (72) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsmittel sich mindestens zum Teil stromabwärts hinter den Gleitringen bezüglich der Fließrichtung des Fluidstroms erstrecken.
Dichtpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsmittel einen Heizkanal (86) enthalten, der mit einer Heizfluid-Speisequelle in Verbindung steht, deren Betrieb von dem der Mittel zum Speisen des Verdichters mit verdichtbarem Fluid unabhängig ist.
Dichtpackung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (72) mit einer Abflussleitung (84) der Fluid-Leckagen versehen ist, in der eine Wand (88) angeordnet ist, die zusammen mit dem Gehäuse den Kanal begrenzt und eine Wärmeenergie-Austauschfläche bildet.
Dichtpackung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kanal (86) zugewandte Seite der Wand mit Rippen (90) versehen ist, die auf der Wand eine Heizschlange bilden.
Dichtpackung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid aus Öl besteht.
Dichtpackung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen gegenüber dem drehenden Gleitring (73) angeordneten Wärmetauscher aufweist.
Zentrifugalverdichter mit einer Antriebswelle (12, 76), die eine Gruppe von Rädern (32, 34, 36, 38) in Drehung versetzt, die eine Übertragung der von der Antriebswelle zugeführten mechanischen Energie auf ein verdichtbares Fluid gewährleisten können, und mit mindestens einer Dichtpackung (50, 52) am Wellenausgang, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Dichtpackung aus einer Dichtpackung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Quelle zum Speisen der Zirkulationsmittel (86, 88, 90) mit einem Fluid zum Erwärmen der Leckagen von verdichtbarem Fluid aufweist, deren Betrieb vom Betrieb des restlichen Verdichters unabhängig ist.