ITCO20090061A1

ITCO20090061A1 - Congegno di riscaldamento per testata di compressore

Info

Publication number: ITCO20090061A1
Application number: IT000061A
Authority: IT
Inventors: Manuele Bigi; Suresh Devanbu; Giuseppe Sassanelli
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-08
Also published as: IT1396519B1; IN2012DN05004A; WO2011069909A1; US20130058769A1; JP5903384B2; KR20120120191A; CA2783667A1; AU2010330096B2; AU2010330096A1; CN102741555A; CN102741555B; RU2552658C2; US9631637B2; JP2013513064A; BR112012013798A2; EP2510241B1; EP2510241A1; RU2012124946A; MX2012006569A

Description

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione è genericamente relativa ai compressori e, più specificamente, alla realizzazione di barriere termiche atte ad assicurare il regolare funzionamento di un compressore in un’ampia gamma di temperature.

ARTE NOTA

Un compressore è una macchina che aumenta la pressione di un fluido comprimibile, per esempio un gas, utilizzando energia meccanica. I compressori vengono impiegati in molte applicazioni diverse e in un grande numero di processi industriali, compresa la generazione di energia, la liquefazione di gas naturale e in altri processi. Tra i vari tipi di compressori utilizzati in tali processi e impianti produttivi vi sono i cosiddetti compressori centrifughi, nei quali l’energia meccanica agisce sul gas in ingresso al compressore per mezzo dell’accelerazione centrifuga, per esempio attraverso la rotazione di una girante centrifuga.

I compressori centrifughi possono essere dotati di una girante singola, in una configurazione monostadio, oppure di una molteplicità di giranti poste in serie, nel qual caso sono spesso indicati come compressori multistadio. Ogni stadio di un compressore centrifugo comprende di solito un tubo di ingresso per il gas da comprimere, una girante in grado di fornire energia cinetica al gas in ingresso e un diffusore che converte l’energia cinetica del gas che lascia la girante in energia di pressione. La Figura 1 illustra un compressore multistadio 100, comprendente un albero 120 e una molteplicità di giranti 130. L’albero 120 e le giranti 130 sono contenuti in un gruppo rotore sostenuto dai cuscinetti 190 e 190’ e sigillato rispetto all’esterno dalle tenute 180 e 180’.

Il compressore centrifugo multistadio funziona prendendo un gas di processo in entrata dal condotto di ingresso 160, aumentandone la pressione tramite il funzionamento del gruppo rotore ed emettendo poi il gas di processo attraverso un condotto di uscita 170 a una pressione di uscita più alta di quella di ingresso. Il gas di processo può essere per esempio biossido di carbonio, solfuro di idrogeno, butano, metano, etano, propano, gas naturale liquido o una loro combinazione. Tra le giranti 130 e i cuscinetti 190 e 190’ si trovano le tenute 180 e 180’, che servono a impedire che il gas di processo passi attraverso i cuscinetti. Ciascuna delle giranti 130 aumenta la pressione del gas di processo. Ciascuna della giranti 130 può essere considerata come uno stadio del compressore multistadio 100. L’aggiunta di altri stadi risulta pertanto in un aumento del rapporto tra la pressione di uscita e la pressione di ingresso.

I compressori impiegati nelle industrie e negli impianti di energia nel settore petrolifero e del gas naturale operano con differenti temperature del gas. La temperatura varia tra valori criogenici a valori altissimi. Le superfici interne nei compressori per applicazioni nei gas BOG (boiled-off gas, gas provenienti dall’evaporazione di gas liquido) sono soggette a temperatura criogeniche, mentre le superfici esterne del compressore sono esposte alla temperatura atmosferica. A causa delle temperature criogeniche, si verificano contrazioni termiche nei componenti. La contrazione non è uniforme, a causa della variazione di temperatura su parti differenti. La contrazione non uniforme riduce i giochi e/o crea interferenza tra parti adiacenti e influenza le prestazioni dei compressori. Nei compressori BOG, la diversa contrazione termica tra le tenute 180 e 180’ (in generale si tratta di guarnizioni meccaniche o a gas secco, DGS), la testata 140 e 140’ (che può anche comprendere sedi riscaldate per le guarnizioni), i cuscinetti 190 e 190’ e l’albero 120 crea interferenza reciproca tra dette parti e influenza il normale funzionamento del compressore.

Per rimuovere o ridurre la tensione termica tra le varie temperature di funzionamento, le tenute 180 e 180’ sono incapsulate nelle sedi riscaldate 140 e 140’ che operano anche come schermature termiche. Sarebbe desiderabile minimizzare la tensione e lo sforzo termico sulla tenuta a gas secco e sulla testata introducendo una barriera termica attorno alla tenuta DGS per assicurare un regolare funzionamento del compressore BOG.

DESCRIZIONE SOMMARIA

Sistemi e metodi secondo queste realizzazioni esemplificative forniscono barriere termiche atte a minimizzare la tensione e lo sforzo termico su una tenuta meccanica e una testata introducendo una barriera termica attorno alla tenuta meccanica per assicurare un regolare funzionamento del compressore BOG.

Secondo una realizzazione esemplificativa, la testata di un compressore che fornisce una barriera termica presso una tenuta meccanica comprende una testata interna e una testata esterna. La testata esterna comprende un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita e delle gole poste lungo le superfici laterali radialmente adiacenti all’apertura. La testata interna ha un’apertura al centro, un ingresso e delle gole nell’apertura per racchiudere la parte finale di un albero di un compressore e un percorso per il fluido lungo una superficie esterna.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, la testata di un compressore che fornisce una barriera termica presso una tenuta meccanica comprende una testata interna e una testata esterna. La testata interna ha un’apertura al centro, un ingresso e delle gole nell’apertura per racchiudere la parte finale dell’albero di un compressore. La testata esterna comprende un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita, delle gole poste lungo le superfici laterali radialmente adiacenti all’apertura, una camera di ingresso collegata all’ingresso, una camera esterna collegata all’uscita e canali assiali colleganti la camera di ingresso a quella esterna.

Secondo un’ulteriore realizzazione esemplificativa, un compressore comprende un albero, una molteplicità di giranti, una molteplicità di tenute, una testata interna e una testata esterna adiacente alle tenute. La testata esterna comprende un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita e delle gole poste lungo le superfici laterali radialmente adiacenti all’apertura. La testata interna ha un’apertura al centro, un ingresso e delle gole nell’apertura per racchiudere la parte finale di un albero di un compressore e un percorso per il fluido lungo una superficie esterna.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni allegati illustrano le realizzazioni esemplificative, dove:

Figura 1 illustra un compressore multistadio;

Figura 2 illustra una testata con tenuta a gas secco secondo le realizzazioni esemplificative;

Figure 3 e 4 illustrano la sezione di una testata con tenuta a gas secco secondo le realizzazioni esemplificative;

Figure 5 e 6 illustrano i lati interno ed esterno di una testata esterna secondo le realizzazioni esemplificative;

Figura 7 illustra la sezione di una testata esterna secondo le realizzazioni esemplificative;

Figure 8 e 9 illustrano le sezioni interne ed esterne di una testata interna secondo le realizzazioni esemplificative;

Figura 10 illustra un percorso del petrolio in una testata interna secondo le realizzazioni esemplificative;

Figura 11 illustra un percorso del petrolio in una testata secondo le realizzazioni esemplificative;

Figure 12 e 13 illustrano la sezione di una testata con tenuta a gas secco secondo le realizzazioni esemplificative;

Figura 14 illustra la sezione di una testata esterna secondo le realizzazioni esemplificative; e

Figure 15 e 16 illustrano la sezione di una testata interna secondo le realizzazioni esemplificative.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. Ulteriormente, la seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate.

Nelle realizzazioni esemplificative, l’interferenza tra una tenuta meccanica una testata è impedita fornendo barriere termiche assiali attorno alla tenuta meccanica per assicurare un funzionamento regolare di un compressore BOG.

Nelle applicazioni BOG la tenuta meccanica (come le tenute 180 e 180’ della Figura 1) può comprendere una tenuta a gas secco incapsulata in una tenuta riscaldata, secondo l’arte nota. La tenuta a gas secco chiude il compressore sigillandolo nei confronti dell’esterno.

Una tenuta a gas secco può essere in contatto con la testata 140 e 140’ all’estremità del compressore. In riferimento alla Figura 2, la testata 200 può includere una testata interna 210 e una testata esterna 220. Ognuna delle testate 210 e 220 può essere circolare o di altra forma ma nelle realizzazioni esemplificative vengono illustrate come circolari. In alcune realizzazioni la testata 200 può essere realizzata per esempio saldando la testata interna 210 e quella esterna 220.

Le Figure 5 e 6 illustrano una testata esterna 220 circolare o ad anello. La testata esterna 220 può comprendere un’apertura circolare 221 al centro, entro la quale può essere compresa o adattata la testata interna 210.

In riferimento alla Figura 2, la testata esterna 220 comprende un’uscita del petrolio caldo 224 su una superficie laterale interna 222. Anche la testata esterna 220 comprende una gola circolare 225 che circonda l’apertura circolare 221 dove la testata interna 210 può essere saldata alla testata esterna 220 per formare il contenimento circonferenziale. La testata esterna 220 può comprendere le gole 225 lungo entrambe le superfici laterali (cioè la superficie del lato interno e quella del lato esterno). La testata interna 210 comprende un ingresso del petrolio 213.

Le sezioni delle superfici esterna e interna della testata interna 210 sono illustrate nelle Figure 8 e 9. La testata interna 210 comprende al centro un’apertura circolare 211. Come illustrato nella Figura 8, la testata interna 210 comprende una molteplicità di gole 212 nell’apertura, per facilitare il posizionamento e la tenuta della parte terminale di un albero del compressore.

Il diametro della testata interna 210 può essere all’incirca uguale al diametro dell’apertura circolare 221 della testata esterna 220 per facilitare l’inclusione della testata interna 210 entro la testata esterna 220.

Come illustrato nella Figura 9, la testata interna 210 può comprendere anche un percorso per il petrolio 214 lungo la superficie esterna. Il percorso 214 può essere elicoidale. Il percorso 214 lungo la superficie esterna può essere ricavato tra le gole 212 che si trovano sulla superficie interna della testata interna. Cioè, il percorso elicoidale 214 sulla superficie esterna può corrispondere alla parte rilevata della superficie interna della testa interna tra le gole 212 (il percorso 214 può trovarsi sulla superficie esterna corrispondente alle parti rilevate tra le gole 212 sulla superficie interna della testata interna 210). In alcune realizzazioni, il percorso 214 può corrispondere alle gole 212. Quando la testata interna 210 è saldata alla testata esterna 220, il percorso 214 può fornire un percorso per il petrolio o gas caldi per scorrere dall’entrata 213 all’uscita 224.

La testata 200 delle Figure 3 e 4 mostra un percorso elicoidale 214 e un’uscita per il petrolio o il gas caldi 224. Osservato insieme alla Figura 2, il petrolio o gas caldo che entra nell’ingresso 213 della testata interna 210 scorre attraverso il percorso elicoidale 214 verso l’uscita 224 della testata esterna 220.

La superficie esterna della testata interna 210 può comprendere il percorso elicoidale 214 come descritto sopra e illustrato nella Figura 10. Il percorso può essere simile ad una spirale, fornendo una barriera termica assiale come illustrato nella Figura 11. Il percorso qui descritto fornisce una barriera termica tra la testata e la tenuta DGS.

In alcune realizzazioni può essere realizzata una barriera termica aggiuntiva. In riferimento alla Figura 7, una camera per il petrolio o gas caldo 223 posta in prossimità della testata esterna 220 (la più vicina alla tenuta DGS) riduce ulteriormente il differenziale termico. In questa realizzazione, il petrolio nel percorso elicoidale 214 scorre nella camera 223 e verso l’uscita 224.

Per prevenire trafilamenti dal percorso elicoidale, in alcune realizzazioni si può ottenere una leggera interferenza tra la testata interna 210 e la testata esterna 220. In alcune realizzazioni le testate interna ed esterna possono anche essere imbullonate all’alloggiamento del compressore.

In alcune applicazioni il percorso elicoidale può essere sostituito da fori rettilinei nella testata esterna per fornire un riscaldamento alla testa interna, cosicché essa e la tenuta a gas secco possano essere mantenute alla temperatura richiesta per evitare interferenze tra la tenuta a gas secco e la testata quando il compressore tratta o processa gas a temperature criogeniche.

In riferimento alle Figure 12 e 13, una testata 300 comprende la testata interna 310 e la testata esterna 320 (corrispondenti alla testata interna 210 e alla testata esterna 220 della testata 200 come descritta in precedenza). La testata interna 310 comprende un ingresso per il petrolio caldo 313. La testata esterna 320 comprende un’uscita per il petrolio caldo 324 e le gole 325 per facilitare la saldatura della testata interna 310 alla testata esterna 320. La testata esterna comprende anche una camera per il gas o petrolio in entrata 326 e una camera per il gas o il petrolio in uscita 327.

La camera 326 si trova presso l’ingresso del petrolio caldo della testata interna 313 per ricevere il petrolio dall’ingresso 313. Una molteplicità di passaggi 328 praticati nella testata esterna 320 (illustrati nella Figura 14) facilita il flusso del petrolio dalla camera di ingresso 326 alla camera di uscita 327. La camera di uscita 327 è collegata all’uscita del petrolio 324. Nelle realizzazioni esemplificative possono esserci quattro passaggi (o canali o fori) 328.

Le camere 326 e 327 possono essere collegate tra loro tramite i fori rettilinei 328 praticati nella testata 320 per facilitare il flusso uniforme del petrolio caldo lungo l’asse della testata interna 310.

La testata interna 310 può avere la forma illustrata nelle Figura 15 e 16. La testata interna 310 può anche facilitare il flusso del petrolio lungo la sua superficie esterna 315 dall’ingresso 313 verso l’uscita 324 della testata esterna 320. La testata interna 310 può anche presentare una tenuta a labirinto.

Il temine “superficie del lato interno” di una testata esterna (o testata interna) come usato qui, può fare riferimento al lato della testata posto di fronte a una girante (cioè tra una girante e la fine dell’albero). Il temine “superficie del lato esterno” come usato qui, può fare riferimento al lato della testata che non si trova di fronte a una girante (cioè il lato di una testata che si affaccia verso l’esterno dell’involucro).

La superficie esterna della testata esterna è adiacente alla tenuta meccanica.

La tenuta meccanica può essere del tipo a gas secco (DGS). L’ingresso, l’uscita, la camera (della Figura 7) e il percorso possono essere adatti al petrolio o al gas caldi.

La camera di ingresso 326 e la camera di uscita 327 forniscono una barriera termica radiale. I canali o passaggi 328 (della Figura 12) possono essere canali assiali e fornire una barriera termica assiale.

Le realizzazioni esemplificative come descritte qui forniscono vari vantaggi. Un sistema di riscaldamento secondo le realizzazioni esemplificative fornisce una barriera termica radiale e assiale. La barriera termica riduce il trasferimento di calore tra l’ingresso e la zona che circonda la tenuta DGS, favorendo un regolare funzionamento del compressore BOG. Il percorso ottimizzato permette di ottenere una variazione di temperatura graduale nelle direzioni radiale e assiale attorno alla tenuta DGS e riduce anche lo sforzo termico interno. Inoltre, il sistema di riscaldamento secondo le realizzazioni esemplificative previene l’interferenza tra la tenuta DGS e la testata. Il sistema è semplice e compatto. Il sistema previene anche l’interferenza e garantisce il funzionamento regolare del compressore BOG a temperature criogeniche.

Realizzazioni esemplificative come descritte forniscono una barriera termica assiale, o una barriera termica assiale e radiale, per il funzionamento in presenza di gradienti di temperatura nelle applicazioni con gas BOG, proveniente cioè dall’evaporazione di gas liquefatto. La testata può essere imbullonata al compressore. Le testate interna ed esterna possono anche essere assemblate con interferenza per costituire la testata.

Le realizzazioni esemplificative sopra descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, le presente invenzione. Pertanto la presente invenzione ammette molte variazioni nell’implementazione dettagliata, che possono essere desunte da una persona esperta in materia in base alla descrizione qui contenuta. Tutte le siffatte variazioni e modifiche devono essere considerate entro lo scopo e lo spirito della presente invenzione come definite nelle seguenti rivendicazioni. Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, come quivi indicato, l’articolo “a” si intende comprensivo di uno o più oggetti.

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Claims

RIVENDICAZIONI 1. La testata di un compressore che fornisce una barriera termica a una tenuta meccanica, la testata comprendente: una testata interna avente un’apertura al centro, un ingresso, gole nell’apertura per racchiudere la parte finale di un albero di un compressore e un percorso di flusso lungo una superficie esterna; e una testata esterna comprendente un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita e delle gole poste lungo le superfici laterali radialmente adiacenti all’apertura. 2. La testata della rivendicazione 1, in cui la testata esterna comprende inoltre una camera adiacente alla gola lungo la superficie esterna. 3. La testata della rivendicazione 1, in cui il percorso del flusso sulla superficie esterna della testata interna corrisponde alle gole nell’apertura di una superficie interna della testata interna. 4. La testata della rivendicazione 1, in cui il percorso del flusso è collegato all’ingresso e all’uscita. 5. La testata della rivendicazione 2, in cui il percorso del flusso è collegato all’ingresso e all’uscita attraverso la camera. 6. La testata della rivendicazione 1, in cui il percorso del flusso è di forma elicoidale e fornisce almeno una barriera termica assiale alla tenuta meccanica. 7. La testata della rivendicazione 6, in cui il percorso del flusso fornisce una barriera termica radiale alla tenuta meccanica. 8. La testata di un compressore che fornisce una barriera termica a una tenuta meccanica, la testata comprendente: una testata interna avente un’apertura al centro, un ingresso e delle gole nell’apertura per racchiudere una parte finale dell’albero di un compressore; e una testata esterna comprendente un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita, delle gole poste lungo le superfici laterali radialmente adiacenti all’apertura, una camera di ingresso collegata all’ingresso, una camera esterna collegata all’uscita e canali assiali colleganti la camera di ingresso a quella esterna. 9. La testata della rivendicazione 8, in cui una sostanza riscaldante scorre dall’ingresso alla camera di ingresso e dalla camera di ingresso alla camera di uscita attraverso uno dei canali. 10. Un compressore comprendente: un albero; una molteplicità di giranti; una testata interna avente un’apertura al centro, un ingresso, una molteplicità di gole disposte lungo una superficie adiacente all’apertura per racchiudere una parte finale dell’albero, e almeno un percorso di flusso lungo una superficie che si estende radialmente verso l’esterno; e una testata esterna avente un’apertura nella parte centrale per racchiudere la testata interna, un’uscita e delle gole poste lungo una superficie interna e una superficie esterna radialmente adiacente all’apertura. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A compressor end head for providing a thermal barrier to a mechanical seal, the end head comprising: an inner end head having an opening in a center, an inlet, grooves in the opening for enclosing an end portion of a compressor shaft and a flow path along an outer surface; and an outer end head having an opening in a center for enclosing the inner end head, an outlet and grooves along side surfaces radially adjacent the opening.
2. The end head of claim 1, wherein the outer end head further comprises a chamber adjacent to the groove along an outer surface.
3. The end head of claim 1, wherein the flow path on the outer surface of the inner end head corresponds to the grooves in the opening on an inner surface of the inner end head.
4. The end head of claim 1, wherein the flow path is connected to the inlet and the outlet.
5. The end head of claim 2, wherein the flow path is connected to the inlet and to the outlet via the chamber.
6. The end head of claim 1, wherein the flow path is a helical flow path and provides at least an axial thermal barrier to the mechanical seal.
7. The end head of claim 6, wherein the flow provides a radial thermal barrier to the mechanical seal.
8. A compressor end head for providing a thermal barrier to a mechanical seal, the end head comprising: an inner end head having an opening in a center, an inlet and grooves in the opening for enclosing an end portion of a compressor shaft; and an outer end head having an opening in a center for enclosing the inner end head, an outlet, grooves along side surfaces radially adjacent the opening, an inlet chamber connected to the inlet, an outer chamber connected to the outlet and axial channels connecting the inlet chamber and the outlet chamber
9. The end head of claim 8, wherein a heating substance flows from the inlet to the inlet chamber and from the inlet chamber to the outlet chamber via one of the channels.
10. A compressor comprising: a shaft; a plurality of impellers; an inner end head having an opening in a center, an inlet, a plurality of grooves along a surface adjacent the opening for enclosing an end portion of the shaft and at least one flow path along a radially outward surface; and an outer end head having an opening in a center for enclosing the inner end head, an outlet and grooves along an inner surface and an outer surface radially adjacent the opening. λ λ λ λ λ λ λ