EP4677233A1 - System für einen prozess zum verdichten - Google Patents

System für einen prozess zum verdichten

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Publication number
EP4677233A1
EP4677233A1 EP24722514.7A EP24722514A EP4677233A1 EP 4677233 A1 EP4677233 A1 EP 4677233A1 EP 24722514 A EP24722514 A EP 24722514A EP 4677233 A1 EP4677233 A1 EP 4677233A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oil
shaft seal
sealing
bearing
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24722514.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias WEISHEIT
Axel Spanel
Attilla Yildiz
Daniel Seiler
Ernst-Robert KECK
Sebastian LAU
Sven MINNERUP
Hans Schulz
Karl DREYER
Oliver QUADE-JUBIN
Marcus Geerkens
Marc Runkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4677233A1 publication Critical patent/EP4677233A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/06—Lubrication
    • F04D29/063—Lubrication specially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/102—Shaft sealings especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/104—Shaft sealings especially adapted for elastic fluid pumps the sealing fluid being other than the working fluid or being the working fluid treated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • F04D29/122—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/124—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps with special means for adducting cooling or sealing fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2240/55—Seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/98—Lubrication

Definitions

  • the invention relates to a system for a process for compressing a process fluid with a turbo machine, comprising a turbo machine for compressing a process fluid, wherein the turbo machine comprises a rotor, a bearing operated with a bearing oil for supporting the rotor of the turbo machine, a first shaft seal and a second shaft seal, wherein the first shaft seal is supplied with a barrier oil, furthermore an expansion vessel which is designed to provide the barrier oil, wherein the first shaft seal is supplied with barrier oil from the expansion vessel, wherein a first mixed oil is produced in the first shaft seal, wherein the first mixed oil comprises barrier oil and the process fluid.
  • a turbo compressor as an embodiment of a turbo machine is used to compress a process fluid or a process gas in a manufacturing process.
  • the turbo compressor has a rotor which is mounted with bearings outside a housing enclosing the rotor. Since there is a relative movement between the rotor and the housing when the turbo compressor is in operation, a gap must be maintained at the point where the rotor shaft emerges from the inside of the housing to the outside. The gap must be bridged with a shaft seal in order to prevent leakage of the process gas from the inside of the turbo compressor to the outside, or at least to keep it acceptably small. If the process gas is flammable, toxic and/or environmentally hazardous, the requirements placed on the shaft seal in terms of its sealing effect are high.
  • the shaft seal In a circular process such as a refrigeration cycle in which a refrigerant is used as the process fluid, high demands are placed on the shaft seal. Leakage of the process gas from the turbo compressor must be kept to a minimum. If, for example, the shaft seal is designed as a liquid seal which is sealed with a sealing oil, for example, the sealing oil must be selected to be chemically compatible with the refrigerant. Traditionally, the sealing oil is also used as the lubricating oil for the bearings, so that the turbo compressor is supplied by a combined lubricating/sealing oil system, whereby the sealing oil must also be suitable for lubricating and cooling the bearings, which means that the sealing oil has to meet a wide range of requirements.
  • mineral oil may be unsuitable as the sealing oil for lubricating the bearings and locking the shaft seals because the mineral oil may not be compatible with the refrigerant used in the refrigeration process.
  • Special synthetic oils can help, but they are highly hygroscopic and therefore must not be brought into contact with the humidity of the outside atmosphere.
  • the object of the invention is to provide a system for a process for compressing a process fluid with a turbo machine, wherein the turbo machine is safely mounted with a low leakage of process fluid.
  • the invention can be used for a gear compressor with four compression stages for a heat pump process.
  • the system according to the invention is characterized by a sealing concept with barrier oil as a separating medium.
  • Figure 1 is a schematic representation of the shaft seals
  • Figure 2 is a schematic representation of a part of the system according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a part of the system according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a part of the system according to the invention.
  • a turbo compressor 1 as an embodiment of a turbo machine has a system 2.
  • the turbo compressor 1 could also be designed as a heat pump.
  • the turbo compressor 1 is integrated into a process for compressing process fluid 3.
  • the turbo compressor 1 has a first stage 1a, a second stage 1b, a third stage 1c and a fourth stage 1d.
  • a first bearing 4 is arranged between the first stage 1a and the second stage 1b.
  • a second bearing 5 is arranged between the third stage 1c and the fourth stage 1d.
  • the fluidically effective area of the turbo compressor 1 is the process side, which is separated from the atmosphere.
  • a rotor 6 of the turbo compressor 1 is supported by the bearing 4,5, which is arranged outside the process side.
  • the bearing 4,5 is insulated from the atmosphere by an atmosphere-side shaft seal and from the process side by a process-side shaft seal. As a result, the shaft seals hermetically seal the bearing 4,5 from the atmosphere and the process.
  • the bearing 4,5 and the Shaft seals are integrated in a bearing seal housing which is closed except for the inlets and outlets.
  • the system 2 is designed for a process for compressing a process fluid 3 with the turbo machine 1.
  • the bearing 4, 5 is operated with a bearing oil 7.
  • the system 2 further comprises a first shaft seal 8, which can be designed as a double-acting mechanical seal.
  • the first shaft seal 8 is supplied with sealing oil 9.
  • the sealing oil 9 acts on the one hand as a coolant for the first shaft seal 8 and on the other hand as a sealing fluid for a first leakage flow 10 from the turbo compressor 1.
  • the first leakage flow 10 mixes with the sealing oil 9 to form a first mixed oil 11, wherein the leakage flow 10 comprises the process fluid 3.
  • the system 2 further comprises a second shaft seal 12, which can be designed as a single-acting mechanical seal 12.
  • the sealing oil 9 comes from an expansion vessel 14 which is designed to provide the sealing oil 9 .
  • the second shaft seal 12 is supplied with a second mixed oil 15 , wherein the second mixed oil 15 is formed from the barrier oil 13 from the expansion vessel 14 and the first mixed oil 11 .
  • a bearing housing 16 separates the bearing 4 , 5 from the shaft seal 8 , 12 .
  • FIG. 2 shows a schematic overview of the supply of sealing oil 9.
  • the sealing oil 9 is provided in an expansion vessel 14.
  • the sealing oil 9 flows via a first line 19 to a heat exchanger 20, where the sealing oil 9 is heated.
  • the heated sealing oil 9 then passes through a first filter 21. From there, the sealing oil 9 passes in four lines to the respective first shaft seal 8.
  • four first shaft seals 8 can be seen.
  • the sealing oil 9 for the second mechanical seal 12 also comes from the expansion vessel 14. However, here the sealing oil 9 is branched off at a branch 22 before the heat exchanger 20 and from there passes through a line 23 through a filter 24. From the filter 24, the sealing oil 13 passes to the second shaft seal 12, but is first mixed with the leakage flow, which is the process fluid.
  • the pressure is adjusted via restriction orifices 25.
  • the mixed oil from the first shaft seal 8 and from the second shaft seal 12 returns to the expansion vessel 14 via a return line 26a. However, it is first prepared.
  • the shaft seals 8, 12 must separate the bearings 4, 5 from the process gas, which in the case of a heat pump is an embodiment of the turbomachine 1.
  • the shaft seals are designed as a combined single mechanical seal 8 and double mechanical seals 12, which achieves the lowest possible amount of sealing oil via the seal.
  • the double mechanical seals 12 are loaded on the pressure side and operate at different pressure levels.
  • a seal must also be provided to the gearbox, as the bearing oil 7 must not mix with the sealing oil mixture, which includes the sealing oil 9 and the process fluid 3.
  • the separation from the bearing oil 7, which can also be referred to as gear oil, is carried out via the individual seal 12 with Nitrogen 17 as a separation medium. This means that a mixture of barrier oil 9, process fluid leakage 9 and nitrogen 17 is created in the mixing chamber.
  • a collecting pipe completely filled with oil with the expansion vessel 14 is provided in the sealing oil circuit.
  • two compressor stages have been combined.
  • the process-side leaks from oil and coolant are separated by means of oil separators and a degassing system and fed back into the respective circuits.
  • the leaks on the bearing and gear side are also collected in a container and fed back into the oil circuit.
  • the double-acting mechanical seal 8 consists of two mechanical seals, one sealing on the process side and one on the bearing side. Cooling oil 9 flows through the seal housing, which cools the mechanical seals. At the same time, the pressure in the cooling oil 9 must also be higher than the pressure on the process side. The barrier oil system must therefore have sufficient cooling oil 9 for cooling and a corresponding positive delta p on the process side. It is also desirable that no gas pockets can form within the housing of the double-acting mechanical seal 8. If necessary, the return line should be arranged at the highest point for this purpose.
  • the single-acting mechanical seal 12 is arranged next to the double-acting mechanical seal 8 in the direction of the bearing and gearbox side. It serves as an additional seal and minimizes leaks towards the bearing and gearbox side due to the lower delta p. As can be seen in Figure 2, the concept for the sealing oil supply of the double-acting mechanical seals 8 can be seen there.
  • the oil system should only provide the required sealing oil 13.
  • the lubricating oil system is separate.
  • differential pressure control valves 26 are used in the cooling oil return of the double mechanical seals 8. These differential pressure control valves 26 throttle the cooling oil return and thus keep the oil pressure above the sealing pressure of the process medium.
  • the required amount of cooling oil must also be ensured during operation.
  • the required amount of cooling oil must be achieved in the supply line by suitable measures. This is achieved here by orifices.
  • the sealing oil system is operated with refrigeration machine oil.
  • the conventional oil tank is dispensed with.
  • the oil tank is replaced by a collecting pipe with an expansion vessel 14.
  • the collecting pipe with expansion vessel 14 contains only oil. A vent is opened when the system is filled with oil. It is closed during operation.
  • the expansion vessel 14 compensates for volume changes in the sealing oil circuit without major pressure changes. These volume changes are mainly caused by thermal expansion of the sealing oil, e.g. due to maintenance, changing the filter elements or leaks in the mechanical seals 8, 12. These leaks are collected and separated from dissolved refrigerant in a degassing unit and then fed back into the sealing oil circuit at intervals.
  • the pressure in the manifold with expansion vessel 14 is slightly above atmospheric pressure.
  • an electric heater can be installed to heat the oil before starting.
  • the sealing oil is sucked out of the collecting pipe with expansion vessel 14 using pumps 27.
  • the pumps 27 used here are the main and auxiliary oil pumps. In Figure 2, only one pump 27 is shown as an example.
  • the pumps 27 are designed as positive displacement pumps. Each pump has a safety valve 28.
  • the main and auxiliary oil pumps are interlocked. Only one pump can be in operation at a time.
  • excess sealing oil is directed back to the collecting pipe with expansion vessel 14 via a discharge regulator 29.
  • the discharge regulator 29 regulates the oil pressure behind the filter 21 so that the oil pressure, depending on the operating point, is always a constant value higher than the maximum gas-side sealing pressure.
  • the maximum sealing pressure here is at the fourth stage Id . Behind the branch to the discharge regulator 29 the sealing oil reaches the cooler or heat exchanger 20 .
  • the cooler can be designed as a single or double cooler with temperature bypass .
  • the sealing oil then flows through the filter 21 to supply the double mechanical seals 8.
  • the filter 21 is designed as a double filter with a changeover valve.
  • the single mechanical seals 12 are supplied with uncooled oil through a branch 22 upstream of the cooler 20. Due to the low delta p at the single mechanical seals 12, lower oil viscosities are required here.
  • the oil for the single mechanical seals 12 is also passed through a filter 24 after the branch 22 upstream of the cooler.
  • the expansion vessel 14 is arranged on the suction side of the main and auxiliary oil pumps. It comprises a piston accumulator which is supplied with oil from the sealing oil system on one side and a reference oil on the other side.
  • the reference oil connection on the accumulator is connected via a pipe with connected to a collecting tank with atmospheric ventilation.
  • the collecting tank is arranged so that it is above the piston accumulator. This creates a slight overpressure on the suction side of the pumps.
  • the level of the piston in the piston accumulator is monitored. Monitoring can be carried out via a level measurement in the collecting container, or directly on the piston accumulator.
  • the oil pressure in the flow direction behind the oil filter 21 is regulated via a predetermined differential pressure above the process-side pressure of the stage with the highest pressure level, which here is the fourth stage Id. If the process-side pressure changes, the oil pressure also changes in line with the predetermined differential pressure.
  • the four sealing oil inlets branch off from the line 30 at this pressure level and lead via a restriction orifice 25 to the four double-acting mechanical seals 8.
  • the double-acting mechanical seals 8 are flowed through and cooled by sealing oil 9.
  • the first 1a and second 1b as well as the third 1c and fourth stage 1d are brought together in the return line 26a of the double-acting mechanical seals 12.
  • differential pressure controlled control valves 26 are arranged, which build up the oil pressure to the required delta p on the process side.
  • the pulse pressure for the control valves 26 is always the higher of the two stages la, 1b and 1c, Id on the process side.
  • the restriction orifices 25 therefore have the task of providing the required amount of sealing oil for cooling and the differential pressure controlled control valves 26 have the task of maintaining the required sealing oil pressure.
  • the restriction orifices 25 are to be designed individually for these conditions. If the process-side pressures change due to process requirements, the sealing oil pressures and also the delta p at the restriction orifices 25 also change.
  • a bladder accumulator 32 is installed in the supply line 30.
  • the simple mechanical seals 12 also require cooling oil 9 and a defined pre-pressure in order to achieve the required delta p to the bearing or gear side.
  • the cooling oil is regulated to the required pre-pressure via line 33 by a pressure reducing valve 34.
  • the cooling oil quantity is dimensioned by orifices 35 in the return line.
  • it must be ensured that the minimum possible oil pressure that can prevail due to the pressure regulation of the double mechanical seals 8 is high enough to ensure an adequate supply of sealing oil to the simple mechanical seals 12.
  • the process-side leaks of the double mechanical seals 8 are led into the oil separator 37 together with the coolant that passes through the labyrinths into the reference gas chamber. This is where the oil and coolant are separated. After the oil has been separated, the coolant is led back to the suction side of the compressor 38 via orifices 39. The separated oil is led via level-controlled drain valves into the collection tank 14, which is under the suction pressure of the compressor 1. From this collection tank 14, the oil is then led at intervals to a degassing system 40.
  • the oil separators 37 can be completely blocked and in the event of a fault, an oil separator 37 can be blocked and the process-side leaks from the blocked oil separator 37 can be directed to the neighboring separator via a connecting line 41 that can be opened.
  • the drain valves on the oil separators 37 should be controlled by measuring the level in the separator containers. This makes it possible to make a statement about the size of the process-side oil leaks by means of the interval times for controlling the drain valves.
  • the leaks from the single mechanical seals 12 and the separating sealing gas (N2) to the bearing and gear side are fed together into a collecting tank 42 with atmospheric venting 43.
  • the separating sealing gas can escape through the atmospheric venting 43 via a venting filter.
  • the oil contained in the collecting tank 42 is drained via a level control and fed to the sealing oil circuit via small pumps 44.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (2) für einen Prozess zum Verdichten eines Prozessfluides mit einer Strömungsmaschine (1), umfassend eine Strömungsmaschine (1) zum Verdichten eines Prozessfluides (3), wobei die Strömungsmaschine (1) einen Rotor (6) umfasst, ein mit einem Lageröl (7) betriebenes Lager (4,5) zur Lagerung des Rotors (6) der Strömungsmaschine (1), eine erste Wellendichtung (8) und eine zweite Wellendichtung (12), wobei die erste Wellendichtung (8) mit einem Sperröl (9) versorgt ist, ferner ein Ausdehnungsgefäß (14), das zur Bereitstellung des Sperröls (9) ausgebildet ist, wobei die erste Wellendichtung (8) mit Sperröl (9) aus dem Ausdehnungsgefäß (14) versorgt ist, wobei in der ersten Wellen- dichtung (8) ein erstes Mischöl (11) entsteht, wobei das erste Mischöl (11) Sperröl (9) und das Prozessfluid (3) umfasst, wobei die zweite Wellendichtung (12) mit einem zweiten Mischöl (15) versorgt ist, wobei das zweite Mischöl (15) aus dem Sperröl (9) aus dem Ausdehnungsgefäß (14) und dem ersten Mischöl (11) gebildet ist.

Description

Beschreibung
System für einen Prozess zum Verdichten
Die Erfindung betri f ft ein System für einen Prozess zum Verdichten eines Prozess fluides mit einer Strömungsmaschine , umfassend eine Strömungsmaschine zum Verdichten eines Prozess fluides , wobei die Strömungsmaschine einen Rotor umfasst , ein mit einem Lageröl betriebenes Lager zur Lagerung des Rotors der Strömungsmaschine , eine erste Wellendichtung und eine zweite Wellendichtung, wobei die erste Wellendichtung mit einem Sperröl versorgt ist , ferner ein Ausdehnungsgefäß , das zur Bereitstellung des Sperröls ausgebildet ist , wobei die erste Wellendichtung mit Sperröl aus dem Ausdehnungsgefäß versorgt ist , wobei in der ersten Wellendichtung ein erstes Mischöl entsteht , wobei das erste Mischöl Sperröl und das Prozess fluid umfasst .
Ein Turboverdichter als Aus führungs form einer Strömungsmaschine wird zur Verdichtung eines Prozess fluides oder eines Prozessgases in einem verfahrenstechnischen Prozess eingesetzt . Der Turboverdichter weist einen Rotor auf , der mit Lagern außerhalb eines den Rotor umschließenden Gehäuses gelagert ist . Da beim Betrieb des Turboverdichters zwischen dem Rotor und dem Gehäuse eine Relativbewegung vorherrscht , ist an der Stelle , an der die Welle des Rotors vom Inneren des Gehäuses nach außen tritt , ein Spalt vorzuhalten . Der Spalt ist mit einer Wellendichtung zu überbrücken, um eine Leckage des Prozessgases vom Inneren des Turboverdichters nach außen zu unterbinden oder zumindest akzeptabel klein zu halten . I st das Prozessgas brennbar, toxisch und/oder umweltgefährdend, sind die Anforderungen an die Wellendichtung hinsichtlich deren Abdichtwirkung hoch .
Es ist bekannt für die Lager ölgeschmierte Gleitlager, insbesondere ölgeschmierte Kippsegmentgleitlager, einzusetzen . Die Auslegung der Gleitlager ist auf die Betriebsdrehzahl und die Rotordynamik des Rotors abgestimmt , wobei die Wellendichtung und das Lager auf der Welle unmittelbar benachbart angeordnet sind .
In einem Kreisprozess , wie beispielsweise einem Kältekreislauf , bei dem ein Kältemittel als Prozess fluid eingesetzt wird, werden hohe Ansprüche an die Wellendichtung gestellt . Die Leckagen von dem Prozessgas aus dem Turboverdichter sind auf ein Minimum zu begrenzen . I st beispielsweise die Wellendichtung als eine Flüssigdichtung ausgeführt , die beispielsweise mit einem Sperröl gesperrt wird, ist das Sperröl als chemisch verträglich mit dem Kältemittel aus zuwählen . Herkömmlich wird das Sperröl auch als das Schmieröl für die Lager verwendet , so dass der Turboverdichter von einem kombinierten Schmier-/Sperrölsystem versorgt wird, wobei das Sperröl auch zum Schmieren und Kühlen der Lager geeignet sein muss , wodurch das Sperröl vielseitige Anforderungen zu erfüllen hat . Beispielsweise kann Mineralöl als das Sperröl zum Schmieren der Lager und zum Sperren der Wellendichtungen ungeeignet sein, da das Mineralöl mit dem im Kälteprozess verwendeten Kältemittel nicht verträglich sein kann . Abhil fe schaf fen spezielle synthetische Öle , die j edoch stark hygroskopisch sind und daher nicht mit der Luftfeuchtigkeit der Außenatmosphäre in Verbindung gebracht werden dürfen .
Aufgabe der Erfindung ist es , ein System für einen Prozess zum Verdichten eines Prozess fluides mit einer Strömungsmaschine anzubieten, wobei die Strömungsmaschine sicher bei einer geringen Leckage an Prozess fluid gelagert ist .
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 10 . Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben .
Die Erfindung ist einsetzbar für einen Getriebeverdichter mit vier Verdichtungsstufen für eine Wärmepumpenprozess .
Das erfindungsgemäße System zeichnet sich durch ein Dichtungskonzept mit Sperröl als Trennmedium aus . Im Folgenden wird eine bevorzugte Aus führungs form des erfindungsgemäßen Turboverdichters mit dem erfindungsgemäßen Lagersystem anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert . Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung der Wellendichtungen
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Systems
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Systems
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Systems .
Wie es aus den Figuren ersichtlich ist , weist ein Turboverdichter 1 als Aus führungs form einer Strömungsmaschine ein System 2 auf . Der Turboverdichter 1 könnte auch als Wärmepumpe ausgebildet sein . Der Turboverdichter 1 ist in einen Prozess zum Verdichten von Prozess fluid 3 integriert .
Der Turboverdichter 1 weist eine erste Stufe la, eine zweite 1b sowie eine dritte Stufe 1c und eine vierte Stufe Id auf . Zwischen der ersten Stufe la und der zweiten Stufe 1b ist ein erstes Lager 4 angeordnet . Zwischen der dritten Stufe 1c und der vierten Stufe Id ist ein zweites Lager 5 angeordnet .
Der strömungsmechanisch wirksame Bereich des Turboverdichters 1 ist die Prozessseite , die gegenüber der Atmosphäre abgegrenzt ist . Ein Rotor 6 des Turboverdichters 1 ist mit dem Lager 4 , 5 gelagert , das außerhalb der Prozessseite angeordnet ist . Das Lager 4 , 5 ist zur Atmosphäre hin mit einer atmosphärenseitigen Wellendichtung und zur Prozessseite hin mit einer prozessseitigen Wellendichtung isoliert . Dadurch ist mit den Wellendichtungen das Lager 4 , 5 gegenüber der Atmosphäre und dem Prozess hermetisch abgedichtet . Das Lager 4 , 5 und die Wellendichtungen sind in einem Lagerdichtungsgehäuse integriert , das bis auf Zu- und Abläufe geschlossen ist .
Das System 2 ist für einen Prozess zum Verdichten eines Prozess fluides 3 mit der Strömungsmaschine 1 ausgebildet .
Das Lager 4 , 5 wird mit einem Lageröl 7 betrieben . Das System 2 umfasst ferner eine erste Wellendichtung 8 , die als doppelt wirkende Gleitringdichtung ausgebildet sein kann .
Die erste Wellendichtung 8 wird mit Sperröl 9 versorgt . Das Sperröl 9 wirkt zum einen als Kühlmittel für die erste Wellendichtung 8 und zum anderen als Sperrfluid für einen ersten Leckagestrom 10 aus dem Turboverdichter 1 . Der erste Leckagestrom 10 vermischt sich mit dem Sperröl 9 zu einem ersten Mischöl 11 , wobei der Leckagestrom 10 das Prozess fluid 3 aufweist .
Das System 2 umfasst ferner eine zweite Wellendichtung 12 , die als einfach wirkende Gleitringdichtung 12 ausgebildet sein kann .
Das Sperröl 9 kommt aus einem Ausdehnungsgefäß 14 , das zur Bereitstellung des Sperröls 9 ausgebildet ist .
Die zweite Wellendichtung 12 wird mit einem zweiten Mischöl 15 versorgt , wobei das zweite Mischöl 15 aus dem Sperröl 13 aus dem Ausdehnungsgefäß 14 und dem ersten Mischöl 11 gebildet ist .
Ein Lagergehäuse 16 trennt das Lager 4 , 5 von der Wellendichtung 8 , 12 .
Als Trenngas 17 wird Stickstof f eingesetzt , das ein Ausbreiten von Lageröl 7 in die Wellendichtung 8 , 12 verhindern soll . Dazu wird ein dritter Mischstrom 18 , umfassend das Trenngas 17 und das zweite Mischöl 15 aus dem System 2 geführt . Die Figur 2 zeigt einen schematischen Überblick über die Versorgung mit Sperröl 9 . Zunächst wird das Sperröl 9 in einem Ausdehungsgef äß 14 bereitgestellt . Über eine erste Leitung 19 strömt das Sperröl 9 zu einem Wärmetauscher 20 , wo das Sperröl 9 erwärmt wird . Anschließend gelangt das erwärmte Sperröl 9 durch einen ersten Filter 21 . Von dort gelangt das Sperröl 9 in j eweils vier Leitungen zu der j eweiligen ersten Wellendichtung 8 . In der Aus führungs form gemäß Figur 2 sind vier erste Wellendichungen 8 zu sehen .
Das Sperröl 9 für die zweite Gleitringdichtung 12 stammt ebenfalls aus dem Ausdehungsgef äß 14 . Allerdings wird hier das Sperröl 9 vor dem Wärmetauscher 20 an einer Abzweigung 22 abgezweigt und gelangt von dort über eine Leitung 23 durch einen Filter 24 . Vom Filter 24 gelangt das Sperröl 13 zur zweiten Wellendichtung 12 , wird aber vorher noch mit dem Leckagestrom, das das Prozess fluid ist vermischt .
Über Restriktionsblenden 25 wird der Druck eingestellt . Über eine Rückführleitung 26a gelangt das Mischöl aus der ersten Wellendichtung 8 und aus der zweiten Wellendichtung 12 zurück zum Ausdehungsgef äß 14 . Wird aber vorher noch aufbereitet .
Aufgrund der vier Verdichterstufen la, 1b, 1c und Id müssen vier Wellendichtungen 8 , 12 die Lager 4 , 5 vom Prozessgas , das im Falle einer Wärmepumpe als Aus führungs form der Strömungsmaschine 1 ist , trennen . Die Wellendichtungen sind als kombinierte Einzelgleitringdichtung 8 und Doppelgleitringdichtungen 12 ausgebildet , womit eine möglichst niedrige Sperrölmenge über die Dichtung erreichen wird . Die Doppelgleitringdichtungen 12 werden druckseitig belastet und arbeiten auf unterschiedlichen Druckniveaus .
Zusätzlich muss ebenfalls eine Abdichtung zum Getriebekasten erfolgen, da sich das Lageröl 7 nicht mit dem Sperrölgemisch, das Sperröl 9 und das Prozess fluid 3 umfasst , vermischen darf . Die Trennung zum Lageröl 7 , das auch als Getriebeöl bezeichnet werden kann, erfolgt über die Einzeldichtung 12 mit Stickstof f 17 als Trennmedium . Das heißt im Mischraum entsteht ein Gemisch aus Sperröl 9 , Prozess fluidleckage 9 und Stickstof f 17 .
Auf einen zur Atmosphäre hin of fenen Ölbehälter wurde verzichtet , weil das Öl nicht mit Außenatmosphäre in Kontakt gelangen soll und auch im Öl gelöstes Kältemittel ausgasen kann .
Zur Volumenkompensation ist ein komplett mit Öl gefülltes Sammelrohr mit dem Ausdehnungsgefäß 14 im Sperrölkreislauf vorgesehen . Um die Anzahl der Regelventile für Kühlöl 9 zu reduzieren sind j eweils zwei Verdichterstufen zusammengefasst worden . Die prozessseitigen Leckagen aus Öl und Kältemittel werden mittels Ölabscheidern und einer Entgasungsanlage getrennt und den j eweiligen Kreisläufen wieder zugeführt . Die Leckagen auf der Lager- Getriebeseite werden ebenfalls in einem Behälter gesammelt und dem Ölkreislauf wieder zugeführt .
Die doppelt wirkende Gleitringdichtung 8 besteht aus zwei Gleitringdichtungen, die einmal zur Prozessseite hin und einmal zur Lagerseite hin abdichtet . Das Dichtungsgehäuse wird mit Kühlöl 9 durchströmt und dadurch werden die Gleitringe gekühlt . Gleichzeitig muss das Kühlöl 9 auch im Druck höher sein als der Druck auf der Prozessseite . Das Sperrölsystem muss daher genügend Kühlöl z 9 ur Kühlung und ein entsprechendes positives delta p Prozessseite hin aufweisen . Außerdem ist es wünschenswert , dass innerhalb des Gehäuses der doppelt wirkenden Gleitringdichtung 8 sich keine Gaseinschlüsse bilden können . Gegebenenfalls ist dafür der Rücklauf an der höchsten Stelle anzuordnen .
Die einfach wirkende Gleitringdichtung 12 ist neben der doppelt wirkenden Gleitringdichtung 8 in Richtung Lager- Getriebeseite hin angeordnet . Sie dient als zusätzliche Abdichtung und minimiert aufgrund des geringeren Delta p die Leckagen zur Lager- und Getriebeseite hin . Wie in Figur 2 zu sehen, ist dort das Konzept zur Sperrölversorgung der doppelt wirkenden Gleitringdichtungen 8 zu sehen . Das Ölsystem soll nur das erforderliche Sperröl 13 bereitstellen . Das Schmierölsystem ist separat .
Um im Betrieb sowie im Stillstand den Öldruck gemäß den Anforderungen der doppelten Gleitringdichtungen 8 aufrecht erhalten zu können, werden im Kühlölrücklauf der doppelten Gleitringdichtungen 8 Di f ferenzdruckregelventile 26 eingesetzt . Diese Di f ferenzdruckregelventile 26 drosseln den Kühlölrücklauf und halten dadurch den Öldruck entsprechend über den anstehenden Abdichtdruck des Prozessmediums .
Gleichzeitig ist auch während des Betriebs die erforderliche Kühlölmenge sicher zu stellen . Hierzu sind im Vorlauf die erforderlichen Kühlölmengen durch geeignete Maßnahmen zu realisieren . Das wird hier durch Blenden realisiert .
Das Sperrölsystem wird mit Kältemaschinenöl betrieben . Um Kontakt des Kältemaschinenöls mit der Atmosphäre zu verhindern, wird auf den konventionellen Ölbehälter verzichtet . Wie in Figur 2 zu sehen, wird der Ölbehälter durch ein Sammelrohr mit Ausdehnungsgefäß 14 ersetzt . In dem Sammelrohr mit Ausdehnungsgefäß 14 befindet sich ausschließlich Öl . Eine Entlüftung wird beim Befüllen des Systems mit Öl geöf fnet . Während des Betriebes ist sie geschlossen .
Das Ausdehnungsgefäß 14 kompensiert Volumenveränderungen im Sperrölkreislauf ohne größere Druckänderungen . Diese Volumenänderungen entstehen hauptsächlich durch Wärmedehnungen des Sperröls , z . B . durch Wartung, durch Wechsel der Filterelemente oder durch Leckagen der Gleitringdichtungen 8 , 12 . Diese Leckagen werden gesammelt und in einer Entgasungseinheit entsprechend von gelösten Kältemittel separiert und dann in Intervallen wieder dem Sperrölkreislauf zugeführt .
Der Druck im Sammelrohr mit Ausdehnungsgefäß 14 liegt geringfügig über dem Atmosphärendruck . Im Sammelrohr kann j e nach Bedarf eine elektrische Hei zung zur Erwärmung des Öls vor dem Anfahren installiert werden . Aus dem Sammelrohr mit Ausde- hungsgefäß 14 wird das Sperröl mit Pumpen 27 abgesaugt . Als Pumpen 27 werden hier Haupt- und Hil fsölpumpe eingesetzt . In Figur 2 ist exemplarisch lediglich eine Pumpe 27 dargestellt .
Aufgrund der benötigten Drücke werden die Pumpen 27 als Verdrängerpumpen ausgeführt . Jede Pumpe erhält ein Sicherheitsventil 28 . Die Haupt- und Hil fsölpumpe sind gegeneinander verriegelt . Es kann immer nur eine Pumpe in Betrieb sein . Druckseitig hinter den Pumpen wird über einen Abströmregler 29 überschüssiges Sperröl wieder zurück zum Sammelrohr mit Ausdehungsgef äß 14 geleitet . Der Abströmregler 29 regelt den Öldruck hinter dem Filter 21 so ein, dass der Öldruck j e nach Betriebspunkt immer einen konstanten Wert höher liegt als der maximale gasseitige Abdichtdruck .
Der Maximale Abdichtdruck liegt hier an der vierten Stufe Id . Hinter dem Abzweig zum Abströmregler 29 gelangt das Sperröl in den Kühler bzw . Wärmetauscher 20 . Der Kühler kann als Einfach- oder Doppelkühler mit Temperaturbypass ausgeführt werden .
Danach durchströmt das Sperröl zur Versorgung der doppelten Gleitringichtungen 8 den Filter 21 . Der Filter 21 ist als Doppel filter mit Umschaltarmatur ausgeführt .
Die Versorgung der Einfachgleitringdichtungen 12 erfolgt durch einen Abzweig 22 vor dem Kühler 20 mit ungekühltem Öl . Wegen des geringen delta p an den Einfachgleitringdichtungen 12 werden hier geringere Ölviskositäten benötigt . Das Öl für die Einfachgleitringdichtungen 12 wird nach dem Abzweig 22 vor dem Kühler ebenfalls durch einen Filter 24 geleitet .
Das Ausdehnungsgefäß 14 ist auf der Saugseite von Haupt- und Hil fsölpumpen angeordnet . Es umfasst einen Kolbenspeicher der von der einen Seite mit Öl aus dem Sperrölsystem und von der anderen Seite mit einem Referenzöl beaufschlagt wird . Der Referenzölanschluss am Speicher ist über eine Rohrleitung mit einem Auf f angbehälter mit atmosphärischer Entlüftung verbunden . Der Auf f angbehälter wird so angeordnet , dass er oberhalb des Kolbenspeichers steht . Hierdurch entsteht ein geringer Überdruck auf der Saugseite der Pumpen .
Der Stand des Kolbens im Kolbenspeicher wird überwacht . Die Überwachung kann über eine Niveaustandsmessung im Auf fangbehälter erfolgen, oder auch am Kolbenspeicher direkt .
Der Öldruck in Strömungsrichtung hinter dem Öl filter 21 wird über einen vorgegebenen Di f ferenzdruck über den prozessseitigen Druck der Stufe mit dem höchsten Druckniveau, die hier die vierte Stufe Id ist geregelt . Wenn der prozessseitige Druck sich ändert , ändert sich analog zu dem vorgegebenen Di f ferenzdruck auch der Öldruck .
Die vier Sperröl zuläufe zweigen mit von der Leitung 30 von diesem Druckniveau ab und führen über j eweils eine Restriktionsblende 25 zu den vier doppelt wirkenden Gleitringdichtungen 8 . Die doppelt wirkenden Gleitringdichtungen 8 werden mit Sperröl 9 durchströmt und gekühlt . In der Rückführleitung 26a der doppelt wirkenden Gleitring-Dichtungen 12 werden j eweils die erste la und zweite 1b sowie die dritte 1c und vierte Stufe Id zusammengefast .
In diesen zusammengefasten Rückläufen sind Di f ferenzdruck gesteuerte Regelventile 26 angeordnet , die den Öldruck auf das erforderliche delta p auf der Prozessseite aufstauen . Als Impulsdruck für die Regelventile 26 wird prozessseitig immer die im Druck höhere der zwei Stufen la, 1b sowie 1c, Id genommen . Die Restriktionsblenden 25 haben also die Aufgabe die benötigte Sperrölmenge zur Kühlung bereit zu stellen und die Di f ferenzdruck gesteuerten Regelventile 26 die Aufgabe den erforderlichen Sperröldruck aufrecht zu erhalten . Die Restriktionsblenden 25 sind individuell für diese Verhältnisse aus zulegen . Wenn aufgrund von Prozessanforderungen sich die prozessseitigen Drücke ändern, ändern sich auch die Sperröldrücke und auch das delta p an den Restriktionsblenden 25 . Auch wenn die als Verdichter ausgebildete Strömungsmaschine 1 abgeschaltet ist und sich ein Stillstandsdruck einstellt , muss der Sperröldruck entsprechend geregelt werden und Kühlöl 9 mit entsprechendem Druck vorhanden sein . Im Stillstand kann die Kühlölmenge geringer aus fallen, da hier keine Wärme abzuführen ist .
Für alle möglichen Betriebspunkte und möglichen Stillstandsdrücke muss sichergestellt sein, dass genügend Kühlöl 9 über die Restriktionsblenden 25 strömt und die Di f ferenzdruck gesteuerten Regelventile in der Rücklauf leitung 26a das Sperröl auf den erforderlichen Druck aufstauen können . Dies ist nur dann möglich, wenn die Betriebspunkte nicht zu weit auseinanderliegen .
Um auch bei instationären Vorgängen, wie eine Pumpenumschaltung, die Sperrölversorgung aufrecht zu erhalten, ist in der Zuleitung 30 ein Blasenspeicher 32 installiert .
Im folgenden wird die Aus führung der Kühlölversorgung der einfachen Gleitringdichtung 12 beschrieben .
Die einfachen Gleitringdichtungen 12 benötigen ebenfalls Kühlöl 9 und einen definierten Vordruck um das erforderliche Delta p zur Lager- bzw . Getriebeseite zu realisieren . Das Kühlöl wird über Leitung 33 durch ein Druckreduzierventil 34 auf den erforderlichen Vordruck geregelt . Die Kühlölmenge wird durch Blenden 35 im Rücklauf dimensioniert . Es ist j edoch darauf zu achten, dass der minimal mögliche Öldruck, der durch die Druckregelung der doppelten Gleitringdichtungen 8 herrschen kann, genügend hoch ist , um dann noch eine ausreichende Sperrölversorgung der einfachen Gleitringdichtungen 12 zu gewährleisten . Im folgenden wird die Ableitung der prozessseitigen Ölleckagen der doppelten Gleitringdichtungen 8 und des Kältemittels an Hand von Figur 3 beschrieben .
Die prozessseitigen Leckagen der doppelten Gleitringdichtungen 8 werden zusammen mit dem Kältemittel , dass über die Labyrinthe in die Referenzgaskammer übertritt in Ölabscheider 37 geleitet . Hier erfolgt die Trennung von Öl und Kältemittel . Das Kältemittel wird nach der Abscheidung vom Öl über Blenden 39 zurück zur Saugseite des Verdichters 38 geführt . Das abgeschiedene Öl wird über niveaugesteuerte Ableiterventile in den Sammeltank 14 , der unter Saugdruck des Verdichters 1 steht , geleitet . Von diesem Sammeltank 14 wird das Öl dann in Intervallen zu einer Entgasungsanlage 40 geführt .
Die Ölabscheider 37 sind komplett einblockbar und es kann im Fehlerfall ein Ölabscheider 37 eingeblockt und die prozessseitigen Leckagen des eingeblockten Ölabscheiders 37 über eine zu öf fnende Verbindungsleitung 41 zum Nachbarabscheider geleitet werden . Die Ableiterventile an den Ölabscheidern 37 sollten über Niveaumessung in den Abscheiderbehältern angesteuert werden . Hierdurch kann über die Intervall zeiten der Ansteuerung der Ableiterventile eine Aussage über die Größe der prozessseitigen Ölleckagen gemacht werden .
Die Ableitung der Leckagen der Einfachgleitringdichtungen wird an Hand von Figur 4 nachfolgend beschrieben .
Die Leckagen der Einfachgleitringdichtungen 12 und das Trennsperrgas (N2 ) zur Lager- und Getriebeseite werden zusammen in einen Sammeltank 42 mit atmosphärischer Entlüftung 43 geleitet . Durch die atmosphärische Entlüftung 43 kann das Trennsperrgas über einen Entlüftungs filter entweichen . Über eine Niveausteuerung wird das im Sammeltank 42 enthaltene Öl abgelassen und über kleine Pumpen 44 dem Sperrölkreislauf zugeführt . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann heraus ab- geleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. System (2) für einen Prozess zum Verdichten eines Prozessfluides mit einer Strömungsmaschine (1) , umfassend eine Strömungsmaschine (1) zum Verdichten eines Prozessfluides (3) , wobei die Strömungsmaschine (1) einen Rotor (6) umfasst, ein mit einem Lageröl (7) betriebenes Lager (4,5) zur Lagerung des Rotors (6) der Strömungsmaschine (1) , eine erste Wellendichtung (8) und eine zweite Wellendichtung (12) , wobei die erste Wellendichtung (8) mit einem Sperröl (9) versorgt ist, ferner ein Ausdehnungsgefäß (14) , das zur Bereitstellung des Sperröls (9) ausgebildet ist, wobei die erste Wellendichtung (8) mit Sperröl (9) aus dem Ausdehnungsgefäß (14) versorgt ist, wobei in der ersten Wellendichtung (8) ein erstes Mischöl
(11) entsteht, wobei das erste Mischöl (11) Sperröl (9) und das Prozessfluid (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wellendichtung (12) mit einem zweiten Mischöl (15) versorgt ist, wobei das zweite Mischöl (15) aus dem Sperröl (9) aus dem Ausdehnungsgefäß (14) und dem ersten Mischöl (11) gebildet ist.
2. System (2) gemäß Anspruch 1, wobei Strömungsmaschine (1) als Turboverdichter oder als Wärmepumpe ausgebildet ist.
3. System (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Wellendichtung (8) als Doppeltgleitringdichtung ausgebildet ist.
4. System (2) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die zweite Wellendichtung (12) als Einfachgleitringdichtung ausgebildet ist. 5. System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Wellendichtung (8) und die zweite Wellendichtung (12) derart ausgebildet ist, dass das Lager (4,5) zur Atmosphäre hin isoliert ist.
6. System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Kühleinrichtung (20) , wobei das in die erste Wellendichtung (8) strömende Sperröl (9) in der Kühleinrichtung (20) kühlbar ist.
7. System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Druck des in die erste Wellendichtung (8) und in die zweite Wellendichtung (12) strömenden Sperröls (9) durch Restriktionsblenden (35) regelbar ist.
8. System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strömungsmaschine (1) vier Verdichterstufen (la, 1b, 1c, Id) umfasst.
9. System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zwei Verdichterstufen (la, 1b oder 1c, Id) ein gemeinsames Lager (4,5) aufweisen.
10. Turboverdichter oder Wärmepumpe mit einem System (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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