JP4642788B2

JP4642788B2 - 多段高圧ポンプ

Info

Publication number: JP4642788B2
Application number: JP2007011315A
Authority: JP
Inventors: 彰夫寺垣
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2027-01-22
Also published as: EP2955385B1; JP2008175182A; EP2110558B1; EP2955385A1; US20100080686A1; WO2008090994A1; US8540478B2; CN101589236B; EP2110558A1; EP2110558A4; EP2110558B2; CN101589236A; EP2955385B2

Description

本発明は多段高圧ポンプに係り、特にＣＯ_２やＨ_２Ｓなどの超臨界流体を扱う多段高圧ポンプに関するものである。

石油は、固い岩盤に覆われた油田に液体として存在する。また、天然ガスは、地盤内に形成されたガス田に気体として存在する。石油の採掘においては、ボーリング装置を用いて岩盤に採取孔をあけ、この採取孔から石油を採掘する。新しい油田では、油田の内部圧力により石油が自噴するが、老朽化した油田ではポンプを用いて石油を吸い上げている。この場合、油田中の石油をすべて採取することができないため、油田に高圧水等を供給して石油を採りだすことが行われている。

石油や天然ガスの採掘時、ＣＯ_２（二酸化炭素）やＨ_２Ｓ（硫化水素）などのガス（低圧のガス）が随伴される。ＣＯ_２は地球温暖化を引き起こすため、その排出をできるだけ抑えることが求められているが、以前は処理されずにそのまま大気に放出されていた。また、Ｈ_２Ｓは有害ガスであるため、従来、脱硫処理装置で捕捉され、埋設処理されていた。

最近では、これらＣＯ_２またはＨ_２Ｓを回収し、コンプレッサで加圧した後冷却することで液体または超臨界流体とし、さらに高圧ポンプで加圧して、ＣＯ_２またはＨ_２Ｓを再び岩盤下に注入することが行われている。ＣＯ_２やＨ_２Ｓを超臨界状態で岩盤下等に定着させるためには高い圧力が必要であり、その圧力源としては、容量や軸シール構造などから多段高圧ポンプが最適である。この方法によれば、安定的に石油および天然ガスを採りだすことができるとともに、ＣＯ_２またはＨ_２Ｓを岩盤下に戻すことができる。したがって、この方法はＣＯ_２およびＨ_２Ｓを有効利用することができるだけでなく、地球環境に優しい方法であるといえる。

特開２０００−１３０４００号公報

一方で、液化したＨ_２Ｓは腐食性および毒性が強いため、高圧ポンプには高圧の超臨界流体を決して外部に漏らさない構造を有することが必要とされる。したがって、本発明は、高圧の流体を外部に漏らすことがない多段高圧ポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、回転軸と、前記回転軸に固定される複数の羽根車と、前記複数の羽根車を収容するケーシングと、回転側と固定側との間からの流体の漏洩を防止するメカニカルシールと、前記メカニカルシールを収容するシール室と、オイルを貯留するオイル貯留部と、前記オイル貯留部と前記シール室とを連通させるオイル供給ラインと、前記シール室からオイルを排出し、前記オイル貯留部に連通するオイル排出ラインと、前記オイル貯留部内のオイルを加圧して前記シール室に供給し、オイルを前記オイル貯留部と前記シール室との間で循環させるオイルポンプと、前記オイルポンプと前記シール室との間に位置し、前記オイル供給ライン上に設けられた逆止弁、前記逆止弁と前記シール室との間に配置された少なくとも１つのアキュムレータ、および前記オイル排出ライン上に設けられた閉止弁を有する圧力保持機構とを備え、前記シール室内のオイルの圧力は前記流体の圧力よりも高いことを特徴とする多段高圧ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記メカニカルシールは、互いに摺接する第１の回転側シール部材および第１の固定側シール部材と、互いに摺接する第２の回転側シール部材および第２の固定側シール部材とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、停電などの緊急時にオイルポンプが停止しても、シール室内のオイルの圧力が保持されるので、流体がシール室内に入り込むことがない。結果として、回転側と固定側との間から流体（例えば、超臨界流体）が漏洩してしまうことを防止することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る遠心式多段ポンプを示す断面図である。このポンプは、ラジアル軸受８Ａ，８Ｂおよびスラスト軸受９に回転自在に支持された回転軸１と、この回転軸１上に直列に配置された複数の羽根車３と、これらの羽根車３を収容する複数のインナーケーシング２Ａと、これらのインナーケーシング２Ａを収容するバレル型のアウターケーシング２Ｂとを備えている。このインナーケーシング２Ａおよびアウターケーシング２Ｂにより、二重ケーシング構造を有するケーシング２が構成される。

複数の羽根車３は同一方向を向いて配列され、各羽根車３は各インナーケーシング２Ａに１つずつ収容されている。インナーケーシング２Ａとガイドベーン１４との間にはピン４が装着されており、これによりインナーケーシング２Ａとガイドベーン１４との相対位置が固定される。さらに、それぞれのインナーケーシング２Ａは、回転軸１に沿って延びる複数の通しボルト５によって互いに固定されている。アウターケーシング２Ｂには吸込口６および吐出口７が形成されている。回転軸１の端部は図示しない駆動機（例えばモータ）に連結され、この駆動機により羽根車３が回転するようになっている。

上述の構成において、羽根車３が回転すると、吸込口６から流体（この例では超臨界流体）が吸い込まれて羽根車３に導かれ、各羽根車３によって順次昇圧される。インナーケーシング２Ａとアウターケーシング２Ｂとの間の空間は昇圧された流体で満たされ、吐出口７から流体が排出される。このような二重ケーシング構造には、アウターケーシング２Ｂは昇圧された流体の圧力と引張応力とを受け、インナーケーシング２Ａは圧縮応力のみを受けるという利点がある。一方、ケーシングが１つであると、「流体を圧縮する最適な形状」と「高圧に耐える形状」とを同時に満たすケーシング構造は複雑になってしまう。この点、二重ケーシング構造であると、インナーケーシングを「流体を圧縮する最適な形状」とし、アウターケーシングを「圧力を保持する形状（シールしやすい形状、流体を外に漏らすことのない安全性の高い形状）として、別々に設計し、製作することができる。なお、本実施形態では、インナーケーシング２Ａ、アウターケーシング２Ｂ、羽根車３などの液体と接触する構成部材は、耐食性を有する材料から形成されている。

ケーシング２の吐出側端部にはケーシングカバー１３が固定されており、さらにケーシングカバー１３の側端部にはスタッフィングボックス１２Ａが固定されている。また、ケーシング２の吸込側端部にはスタッフィングボックス１２Ｂが固定されている。ケーシング２（図１の例ではアウターケーシング２Ｂ）とケーシングカバー１３との間にはＯリング１５Ａが設けられており、同様に、ケーシングカバー１３とスタッフィングボックス１２Ａとの間にはＯリング１５Ｂが設けられている。また、ケーシング２（図１の例ではアウターケーシング２Ｂ）とスタッフィングボックス１２Ｂとの間にもＯリング１５Ｃが設けられている。

ケーシング２とケーシングカバー１３との接触面、ケーシングカバー１３とスタッフィングボックス１２Ａとの接触面、およびケーシング２とスタッフィングボックス１２Ｂとの接触面には、それぞれ環状溝１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが形成されている。これらの環状溝１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃはそれぞれ圧力検知ポート１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃに連通している。これらの圧力検知ポート１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは図示しない圧力センサにそれぞれ接続されており、さらに各圧力センサは図示しない警報装置に接続されている。この警報装置は圧力センサの出力値が上昇して所定の値に達したときに警報を発するように構成されている。

上記構成において、流体がケーシング２から漏れると、圧力センサの出力値が上昇する。この圧力センサの出力値が上述の所定値に達すると、警報装置よりアラームが発せられ、これにより流体の漏洩が検知される。したがって、上記構成により、安全性の高いポンプを提供することができる。

ケーシング２の吐出側には、吸込側と吐出側との圧力差に起因して発生するスラスト荷重をバランスさせるバランス室１０が設けられている。より詳しくは、ケーシングカバー１３内にバランス室１０が形成されている。このバランス室１０は回転軸１を囲む形状を有し、連通ライン１１を通じて吸込口６に連通している。したがって、バランス室１０内の圧力は、吸込口６の圧力（吸込圧力）と同じとなっている。一般に超臨界流体の比重は圧力に応じて変化する。軸方向のスラスト荷重のバランスをとる構成として、羽根車を背中合わせに配置する、羽根車を同一方向に配列させつつバランスピストンを取り付ける、などが挙げられるが、超臨界流体を取り扱うポンプにおいては、本実施形態の構成（すなわちバランス室１０及び連通ライン１１）が最適である。

図１に示すように、ケーシング２の吸込側および吐出側には、それぞれメカニカルシール２０が配置されている。これらのメカニカルシール２０は、それぞれスタッフィングボックス１２Ａ，１２Ｂ内に配置されている。以下、メカニカルシール２０を含むシャフトシールユニットについて図２を参照して説明する。

図２は図１に示すメカニカルシールを含むシャフトシールユニットを示す拡大図である。図２に示すように、本実施形態のメカニカルシール２０は、２対の回転側シール部材および固定側シール部材から基本的に構成されるダブルメカニカルシールである。より詳しくは、メカニカルシール２０は、回転軸１と一体に回転する２つのシールリング（第１および第２の回転側シール部材）２１Ａ，２１Ｂと、これらのシールリング２１Ａ，２１Ｂにそれぞれに摺接する２つのシールリング本体（第１および第２の固定側シール部材）２２Ａ，２２Ｂと、これらのシールリング本体２２Ａ，２２Ｂをシールリング２１Ａ，２１Ｂにそれぞれ押し付けるスプリング（押圧機構）２３，２３とを備えている。

回転軸１上にはスリーブ２４が固定され、このスリーブ２４の外周面上に上記シールリング２１Ａ，２１Ｂが固定されている。上記シールリング本体２２Ａ，２２Ｂは、固定側部材に固定されている。２対のシールリング２１Ａ，２１Ｂおよびシールリング本体２２Ａ，２２Ｂは、回転軸１に垂直な平面に関して対称に配置される。

メカニカルシール２０は、シール室２５内に配置されている。このシール室２５にはオイル供給ライン２６が接続され、その端部はオイルタンク（オイル貯留部）３０に接続されている。オイル供給ライン２６には、オイルタンク３０から供給されるオイルを加圧してシール室２５に移送するオイルポンプ３１と、オイルポンプ３１とシール室２５との間に位置して逆止弁３２が設けられている。さらに、オイル供給ライン２６には分岐ライン３３が接続され、この分岐ライン３３には３つのアキュムレータ３４が並列に接続されている。オイル供給ライン２６と分岐ライン３３との接続点は、逆止弁３２とシール室２５との間に位置している。

各アキュムレータ３４の内部には図示しないダイヤフラム（隔壁）が配置され、窒素ガスなどの気体が封入されている。シール室２５に移送されるオイルの一部は分岐ライン３３を通って３つのアキュムレータ３４内に導入され、アキュムレータ３４内に蓄積される。アキュムレータ３４内に蓄積されたオイルは、上記気体の圧力により加圧される。したがって、アキュムレータ３４は、シール室２５に供給されるオイルの圧力を保持する機能を有している。

なお、本実施形態では、３つのアキュムレータ３４が設けられているが、本発明はこれに限られない。例えば、単数のアキュムレータであってもよく、あるいは、２つまたは４つ以上のアキュムレータを設けてもよい。要は、アキュムレータによって保持されるオイルの圧力が、羽根車３（図１参照）の回転によって昇圧された超臨界流体の圧力よりも高いことが重要である。

逆止弁３２は、オイルタンク３０からシール室２５に向かう方向にのみオイルが流れることを許容する。シール室２５にはオイル排出ライン２７がさらに接続され、このオイル排出ライン２７はオイルタンク３０に連通している。このような構成により、オイルは、オイルタンク３０からシール室２５に供給されて該シール室２５を満たした後、オイル排出ライン２７を通じて再びオイルタンク３０に戻される。このようにして、オイルはオイルタンク３０とシール室２５との間を循環する。オイル排出ライン２７には緊急閉止バルブ３５が設けられており、停電などの緊急時には、この緊急閉止バルブ３５が閉られ、オイルの循環が停止されるようになっている。

シール室２５に供給されるオイルの圧力は、ポンプによって昇圧される流体（本実施形態では超臨界流体）の圧力よりも高くなるように設定される。例えば、ポンプによって流体が約１５ＭＰａにまで昇圧される場合には、シール室２５内のオイルの圧力は１６ＭＰａ程度に維持される。このように、シール室２５内のオイルは流体の圧力よりも高いため、微量のオイルがシールリング２１Ａ，２１Ｂとシールリング本体２２Ａ，２２Ｂとの間を通ってシール室２５の外部に流れる。したがって、回転する羽根車３によって昇圧された流体は、シール室２５に入り込むことがなく、ポンプ外部への流体の漏洩が防止される。なお、シールリング２１Ａ，２１Ｂとシールリング本体２２Ａ，２２Ｂとの間を通過したオイルは図示しないドレインからポンプ外部に排出される。

停電などに起因してオイルポンプ３１が停止すると、緊急閉止バルブ３５が閉じられ、オイルの流通が停止される。この状態では、オイルポンプ３１によるオイルの加圧が停止されるが、逆止弁３２と緊急閉止バルブ３５との間のオイルの圧力（すなわち、シール室２５内のオイルの圧力）はアキュムレータ３４によって維持される。したがって、オイルポンプ３１が停止した場合であっても、昇圧された超臨界流体がシール室２５に入り込むことがなく、超臨界流体のポンプ外部への漏洩が防止される。

このように、上述した本発明の実施形態に係るポンプは、ＣＯ_２やＨ_２Ｓなどの超臨界流体を取り扱うための高圧ポンプとして好適に用いることができる。これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係るポンプを示す断面図である。図１に示すシャフトシールユニットを示す図である。

符号の説明

１回転軸
２ケーシング
２Ａインナーケーシング
２Ｂアウターケーシング
３羽根車
４ピン
５通しボルト
６吸込口
７吐出口
８Ａ，８Ｂラジアル軸受
９スラスト軸受
１０バランス室
１１連通ライン
１２Ａ，１２Ｂスタッフィングボックス
１３ケーシングカバー
１４ガイドベーン
１５Ａ，１５Ｂ，１５ＣＯリング
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ環状溝
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ圧力検知ポート
２０メカニカルシール
２１Ａシールリング（第１の回転側シール部材）
２１Ｂシールリング（第２の回転側シール部材）
２２Ａシールリング本体（第１の固定側シール部材）
２２Ｂシールリング本体（第２の固定側シール部材）
２３スプリング（押圧機構）
２４スリーブ
２５シール室
２６オイル供給ライン
２７オイル排出ライン
３０オイルタンク（オイル貯留部）
３１オイルポンプ
３２逆止弁
３３分岐ライン
３４アキュムレータ
３５緊急閉止バルブ

Claims

回転軸と、
前記回転軸に固定される複数の羽根車と、
前記複数の羽根車を収容するケーシングと、
回転側と固定側との間からの流体の漏洩を防止するメカニカルシールと、
前記メカニカルシールを収容するシール室と、
オイルを貯留するオイル貯留部と、
前記オイル貯留部と前記シール室とを連通させるオイル供給ラインと、
前記シール室からオイルを排出し、前記オイル貯留部に連通するオイル排出ラインと、
前記オイル貯留部内のオイルを加圧して前記シール室に供給し、オイルを前記オイル貯留部と前記シール室との間で循環させるオイルポンプと、
前記オイルポンプと前記シール室との間に位置し、前記オイル供給ライン上に設けられた逆止弁、前記逆止弁と前記シール室との間に配置された少なくとも１つのアキュムレータ、および前記オイル排出ライン上に設けられた閉止弁を有する圧力保持機構とを備え、
前記シール室内のオイルの圧力は前記流体の圧力よりも高いことを特徴とする多段高圧ポンプ。
前記閉止弁は、前記オイルポンプが停電により停止したときに閉じられることを特徴とする請求項１に記載の多段高圧ポンプ。
前記メカニカルシールは、
互いに摺接する第１の回転側シール部材および第１の固定側シール部材と、
互いに摺接する第２の回転側シール部材および第２の固定側シール部材とを備えることを特徴とする請求項１に記載の多段高圧ポンプ。