JP5648407B2 - 酸素圧縮機のシール装置 - Google Patents

Description

本発明は酸素圧縮機のシール装置に関するものである。

空気、二酸化炭素、窒素をはじめとする種々のガスを圧縮して昇圧させる手段として、遠心圧縮機は広く用いられている。

助燃性が高い酸素を昇圧させる酸素圧縮機では、インペラ回転軸と、該インペラ回転軸が挿通される静止部のハウジング部との間に、ラビリンス方式の軸封装置を設け、昇圧した酸素がハウジング部の外へ漏れることを抑制している。

酸素圧縮機に用いる軸封装置としては、ハウジング部の内周面とインペラ回転軸の外周面との間に、第１ラビリンスシール部、第２ラビリンスシール部、第３ラビリンスシール部、第４ラビリンスシール部、第５ラビリンスシール部、及び第６ラビリンスシール部を、高圧側（インペラ側）から低圧側（反インペラ側）へ向けて、インペラ回転軸の軸線方向に間隔を置いて設け、隣接するラビリンスシール部の間にそれぞれに圧溜室を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

第１ラビリンスシール部と第２ラビリンスシール部との間の圧溜室、第２ラビリンスシール部と第３ラビリンスシール部との間の圧溜室、及び第３ラビリンスシール部と第４ラビリンスシール部との間の圧溜室には、プロセスガス回収ラインが接続されている。このプロセスガス回収ラインは、インペラの回転により昇圧された酸素が、該インペラの背面側を経て高圧側の圧溜室に入ってきた際に、前記酸素を回収する役割を担っている。

第４ラビリンスシール部と第５ラビリンスシール部との間の圧溜室には、大気パージラインが接続され、第５ラビリンスシール部と第６ラビリンスシール部との間の圧溜室には、シールガス供給ラインが接続されている。シールガス供給ラインは、最も低圧側の圧溜室に窒素を供給し、酸素がハウジング部の外へ漏れないようにする役割を担っている。大気パージラインは、高圧側の圧溜室において回収しきれずに第４ラビリンスシール部と第５ラビリンスシール部との間の圧溜室にはいってきた酸素と、最も低圧側の圧溜室を経て前記第４ラビリンスシール部と第５ラビリンスシール部との間の圧溜室にはいってきた窒素混合気体を、大気中に放風する役割を担っている。

特開２００７−２４７５６６号公報、段落0006−0011、図３

複数基の酸素生成設備から酸素が送給される圧縮機では、全ての酸素生成設備が並列運転されている場合と一基の酸素生成設備だけが単独運転されている場合とでは、圧縮機の酸素吸入圧力は大きく異なる。例えば、酸素生成設備の全基を運転しているときに、圧縮機の酸素吸入圧力が２５ｋＰａ（Ｇ）であっても、酸素生成設備の一基だけを運転しているときは、圧縮機の酸素吸入圧力が５ｋＰａ（Ｇ）になる［ここで（Ｇ）はゲージ圧であることを意味している］。

前述した軸封装置において、酸素の漏洩を防ぎながら酸素を効率よく回収するためには、最も低圧側の圧溜室に供給する窒素の圧力を圧縮機の酸素吸入圧力の最大値に対して、例えば、２〜３ｋＰａ（Ｇ）程度高くしておく必要がある。しかしながら、圧縮機の酸素吸入圧力が低くなったときに、最も低圧側の圧溜室に対する窒素の供給量を直ちに減少させないと、多量の窒素が前記大気パージラインを経て大気中に放風されてしまい、窒素の消費量が増大することになる。反対に、圧縮機の酸素吸入圧力が高くなったときに、最も低圧側の圧溜室に対する窒素の供給量を直ちに増加させないと、多量の酸素が前記大気パージラインを経て大気中に放風されてしまい、酸素を効率良く回収することができない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、シールガスの供給量を適切に調節できる酸素圧縮機のシール装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の酸素圧縮機のシール装置は、
酸素生成設備から酸素が酸素吸入配管を介して吸入口に送給される圧縮機に付帯し、インペラ回転軸が挿通されるハウジング部に高圧側から低圧側へ向けて順に回収ポケット、放出ポケット、及び密封ポケットを形成したラビリンス方式の軸封装置本体を備え、
この軸封装置本体の回収ポケットに、酸素回収配管を介して前記酸素吸入配管を接続し、
この軸封装置本体の放出ポケットに、下流端が大気開放された放風配管を接続し、
この軸封装置本体の密封ポケットに、シールガス供給源に連通するシールガス送給配管を接続し、
前記シールガス送給配管に流量調整弁を設け、
前記密封ポケットへのシールガス供給圧力を検出する第一の圧力センサ、及び前記酸素回収配管に前記圧縮機の酸素吸入圧力を検出する第二の圧力センサを設け、
前記流量調整弁の開度を調整することにより前記第一の圧力センサによって検出されるシールガス供給圧力から前記第二の圧力センサによって検出される酸素吸入圧力を差し引いた圧力が目標値となるように制御する制御系を設けている。

請求項２に記載の酸素圧縮機のシール装置は、
前記圧縮機で昇圧された酸素が酸素送給配管を介して吸入口に送給される後段圧縮機に付帯し、インペラ回転軸が挿通されるハウジング部に高圧側から低圧側へ向けて順に回収ポケット、放出ポケット、及び密封ポケットを形成したラビリンス方式の後段軸封装置本体を備え、
この後段軸封装置本体の回収ポケットに、前記軸封装置本体の回収ポケットを連通させ、
この後段軸封装置本体の放出ポケットに、前記軸封装置本体の放出ポケットを連通させ、
この後段軸封装置本体の密封ポケットに、前記軸封装置本体の密封ポケットを連通させている。

本発明の酸素圧縮機のシール装置によれば、下記のような優れた作用効果を奏し得る。

（１）請求項１に記載の酸素圧縮機のシール装置では、圧縮機に付帯の軸封装置本体の密封ポケットへのシールガス供給圧力と圧縮機の酸素吸入圧力との差が、目標値となるように、シールガス送給配管の流量調整弁の開度を制御系が調整するので、圧縮機の酸素吸入圧力が低くなったときには、多量の窒素が大気中に放風されず、窒素の消費量を低減させることができ、反対に、圧縮機の酸素吸入圧力が高くなったときには、多量の酸素が大気中に放風されず、酸素を効率良く回収することができる。

（２）請求項２に記載の酸素圧縮機のシール装置では、後段圧縮機に付帯の後段軸封装置本体の密封ポケットが、圧縮機に付帯の軸封装置本体の密封ポケットに連通し、後段圧縮機に付帯の後段軸封装置本体の放出ポケットが、圧縮機に付帯の軸封装置本体の放出ポケットに連通し、後段圧縮機に付帯の後段軸封装置本体の回収ポケットが、圧縮機に付帯の軸封装置本体の回収ポケットに連通しているので、軸封装置本体、及び後段軸封装置本体へのシールガス供給圧力の調整を、一つの流量調整弁と一つの制御系で行うことができる。

本発明の酸素圧縮機のシール装置の一例を示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の酸素圧縮機のシール装置の一例を示すもので、多段ターボ圧縮機を対象としている。

Ａは、ラビリンス方式の軸封装置本体であり、該軸封装置本体Ａは、複数基の酸素生成設備（図示せず）から酸素が、酸素吸入配管１０を介して圧縮機ケーシング２の吸入口に送給される圧縮機１に付帯している。

インペラ回転軸４の外周面と、該インペラ回転軸４が挿通されるハウジング部５の内周面との間には、第１ラビリンスシール部９ａ、第２ラビリンスシール部９ｂ、第３ラビリンスシール部９ｃ、及び第４ラビリンスシール部９ｄが、高圧側（インペラ側）から低圧側（反インペラ側）へ向けて、インペラ回転軸４の軸線方向に間隔を置いて設けてあり、第１ラビリンスシール部９ａと第２ラビリンスシール部９ｂとの間に回収ポケット６を形成し、第２ラビリンスシール部９ｂと第３ラビリンスシール部９ｃとの間に放出ポケット７を形成し、第３ラビリンスシール部９ｃと第４ラビリンスシール部９ｄとの間に密封ポケット８を形成している。
これらのポケット６，７，８は、特許文献１における圧溜室に相当し、 また、インペラ回転軸４には、歯車箱３内の増速機構を介して電動モータ３５の回転が伝達される。

この軸封装置本体Ａの回収ポケット６には、下流端が前記酸素吸入配管１０に連通する基幹酸素回収配管１４が接続されている。
この軸封装置本体Ａの放出ポケット７には、下流端が建屋１２の外部で大気開放した基幹放風配管１３の上流端が接続されている。
この軸封装置本体Ａの密封ポケット８には、上流端がシールガスとして窒素を貯留したガス槽３６に連通する基幹シールガス送給配管１１の下流端が接続されている。

Ｂは、ラビリンス方式の後段軸封装置本体であり、該後段軸封装置本体Ｂは、前記圧縮機１で昇圧された酸素が、酸素送給配管２３を介して圧縮機ケーシング１６の吸入口に送給される後段圧縮機１５に付帯している。

インペラ回転軸１７の外周面と、該インペラ回転軸１７が挿通されるハウジング部１８の内周面との間には、第１ラビリンスシール部９ｅ、第２ラビリンスシール部９ｆ、第３ラビリンスシール部９ｇ、第４ラビリンスシール部９ｈ、及び第５ラビリンスシール部９ｉが、高圧側（インペラ側）から低圧側（反インペラ側）へ向けて、インペラ回転軸１７の軸線方向に間隔を置いて設けてあり、第１ラビリンスシール部９ｅと第２ラビリンスシール部９ｆとの間に回収ポケット１９を形成し、第２ラビリンスシール部９ｆと第３ラビリンスシール部９ｇとの間に回収ポケット２０を形成し、第３ラビリンスシール部９ｇと第４ラビリンスシール部９ｈとの間に放出ポケット２１を形成し、第４ラビリンスシール部９ｈと第５ラビリンスシール部９ｉとの間に密封ポケット２２を形成している。
これらのポケット１９，２０，２１，２２は、特許文献１における圧溜室に相当し、また、インペラ回転軸１７には、歯車箱３内の増速機構を介して電動モータ３５の回転が伝達される。

この後段軸封装置本体Ｂの回収ポケット１９には、インタクーラ（図示せず）の上流側に連通する酸素返送配管２７の上流端が接続されている。
この後段軸封装置本体Ｂの回収ポケット２０には、下流端が前記基幹酸素回収配管１４に連通する後段酸素回収配管２６の上流端が接続されている。
この後段軸封装置本体Ｂの放出ポケット２１には、下流端が前記基幹放風配管１３に連通する後段放風配管２５の上流端が接続されている。
この後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２には、上流端が前記基幹シールガス送給配管１１に連通する後段シールガス送給配管２４の下流端が接続されている。

従って、
圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの密封ポケット８の内圧、及び後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２の内圧は、基幹シールガス送給配管１１の内圧に等しくなり、
圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの放出ポケット７の内圧、及び後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの放出ポケット２１の内圧は、大気圧となり、
圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの回収ポケット６の内圧、及び後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの回収ポケット２０の内圧は、基幹酸素回収配管１４、及び酸素吸入配管１０の内圧に等しくなる。

本発明の酸素圧縮機のシール装置の特徴部分は、基幹シールガス送給配管１１に流量調整弁２８に組み込み、圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの密封ポケット８へのシールガス供給圧力を検出する第一の圧力センサ２９、及び前記圧縮機１の酸素吸入圧力を検出する第二の圧力センサ３０を設け、当該第一、第二の圧力センサ２９，３０の検出値２９ｓ，３０ｓの差が一定の範囲（目標値）となるように、流量調整弁２８に開度調整信号３１ｓを送信して窒素の流量を増加、あるいは減少させるコントローラ３１を設けた点にあり、これら流量調整弁２８、第一の圧力センサ２９、第二の圧力センサ３０、及びコントローラ３１によって制御系Ｘ（シールガス供給圧力制御系）が構成されている。

第一の圧力センサ２９は、基幹シールガス送給配管１１の流量調整弁２８の下流側個所に取り付けられ、第二の圧力センサ３０は、基幹酸素回収配管１４に取れ付けられている。

コントローラ３１は、第一、第二の圧力センサ２９，３０の検出値２９ｓ，３０ｓの差の下限値が例えば２ｋＰａ（Ｇ）（下限目標値）となり、第一、第二の圧力センサ２９，３０の検出値２９ｓ，３０ｓの差の上限値が例えば３ｋＰａ（Ｇ）（上限目標値）となるように、流量調整弁２８へ開度調整信号３１ｓを送信して当該流量調整弁２８の開度を調整し、軸封装置本体Ａの密封ポケット８、及び後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２への窒素の供給量を増加、あるいは減少させる機能を具備している［ここで（Ｇ）はゲージ圧であることを意味している］。

圧縮機１、及び後段圧縮機１５を運転し、酸素生成設備から送出される酸素を昇圧するときには、常時、ガス貯留槽にシールガスとして蓄えてある窒素を、基幹シールガス送給配管１１へ送給する。

基幹シールガス送給配管１１を流通する窒素は、
圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの密封ポケット８に、直接流れ込み、
後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２に、後段シールガス送給配管２４を経て流れ込む。

このとき、制御系Ｘのコントローラ３１は、第一の圧力センサ２９の検出値２９ｓ、すなわち、密封ポケット８，２２内の窒素の圧力と、第二の圧力センサ３０の検出値３０ｓ、すなわち、回収ポケット６，２０内の酸素の圧力との差が２〜３ｋＰａ（Ｇ）の範囲（目標値）となるように、流量調整弁２８へ開度調整信号３１ｓを送信して当該流量調整弁２８の開度を調整し、密封ポケット８，２２への窒素の供給量を調整する。

圧縮機１によって昇圧された酸素の一部は軸封装置本体Ａ内へ漏洩し、回収ポケット６に流入した酸素の大半は、基幹酸素回収配管１４から酸素吸入配管１０を経て、昇圧前の圧力雰囲気である圧縮機ケーシング２の吸入口へ戻る。

圧縮機ケーシング２の吸入口へと戻らなかった残りの酸素は、放出ポケット７に流入するが、この酸素は、密封ポケット８に窒素が、圧縮機１の酸素吸入圧力よりも高い圧力で供給されているので、軸封装置本体Ａのハウジング部５から外へは漏洩しない。

そして、放出ポケット７に流入した酸素は、前記密封ポケット８を経た窒素とともに、下流端が大気圧雰囲気である基幹放風配管１３を経て大気中へと排出される。

後段圧縮機１５の圧縮機ケーシング１６の吸入口には、前記圧縮機１によって昇圧された酸素が、酸素送給配管２３を経て流入する。後段圧縮機１５によって昇圧された酸素の一部は後段軸封装置本体Ｂ内へ漏洩し、回収ポケット１９に流入した酸素の大半は、酸素返送配管２７を経てインタクーラ（図示せず）へと送り込まれる。

インタクーラへ送られなかった残りの酸素は、後段軸封装置本体Ｂの回収ポケット２０に流入するが、その大半は、後段酸素回収配管２６、及び基幹酸素回収配管１４から酸素吸入配管１０を経て、昇圧前の圧力雰囲気である前記圧縮機ケーシング２の吸入口へ戻る。

圧縮機ケーシング２の吸入口へと戻らなかった残りの酸素は、後段軸封装置本体Ｂの放出ポケット２１に流入するが、この酸素は、後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２に窒素が、前記圧縮機１の酸素吸入圧力よりも高い圧力で供給されているので、後段軸封装置本体Ｂのハウジング部１８から外へは漏洩しない。

そして、放出ポケット２１に流入した酸素は、前記密封ポケット２２を経た窒素とともに、後段放風配管２５、及び基幹放風配管１３を経て大気中へと排出される。

複数基の酸素生成設備を並列運転している状態から一基の酸素生成設備だけが単独運転される状態に移行する場合、また逆に、あるいは一基の酸素生成設備だけを単独運転している状態から複数基の酸素生成設備が並列運転される状態に移行する場合、圧縮機１の酸素吸入圧力は大きく変化する。

このとき、制御系Ｘのコントローラ３１は、第一の圧力センサ２９の検出値２９ｓ、すなわち、密封ポケット８，２２内の窒素の圧力と、第二の圧力センサ３０の検出値３０ｓ、すなわち、回収ポケット６，２０内の酸素の圧力との差が２〜３ｋＰａ（Ｇ）の範囲（目標値）となるように、流量調整弁２８へ開度調整信号３１ｓを送信して当該流量調整弁２８の開度を調整し、密封ポケット８，２２への窒素の供給量を調整するので、例えば、圧縮機１の圧縮機ケーシング２の吸入口における酸素吸入圧力が２５ｋＰａ（Ｇ）に上がったときは、軸封装置本体Ａの密封ポケット８、及び後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２に対する窒素供給圧力が、２７〜２８ｋＰａ（Ｇ）となり、反対に、圧縮機１の圧縮機ケーシング２の吸引口における酸素吸入圧力が５ｋＰａ（Ｇ）に下がったときは、軸封装置本体Ａの密封ポケット８、及び後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２に対する窒素供給圧力が、７〜８ｋＰａ（Ｇ）となる。

図１に示す酸素圧縮機のシール装置では、軸封装置本体Ａの密封ポケット８、及び後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２へのシールガス供給圧力と、圧縮機１の酸素吸入圧力との差が２〜３ｋＰａ（Ｇ）の範囲（目標値）となるように、前記密封ポケット８，２２へ窒素を供給する基幹シールガス送給配管１１の流量調整弁２８の開度を制御系Ｘのコントローラ３１が調整するので、圧縮機１の酸素吸入圧力が低くなったときには、多量の窒素が大気中に放風されず、窒素の消費量を低減させることができ、反対に、圧縮機１の酸素吸入圧力が高くなったときには、多量の酸素が大気中に放風されず、酸素を効率良く回収することができる。

後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの密封ポケット２２が、圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの密封ポケット８に連通し、後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの放出ポケット２１が、圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの放出ポケット７に連通し、後段圧縮機１５に付帯の後段軸封装置本体Ｂの回収ポケット２０が、圧縮機１に付帯の軸封装置本体Ａの回収ポケット６に連通しているので、軸封装置本体Ａ、及び後段軸封装置本体Ｂへのシールガス供給圧力の調整を、一つの流量調整弁２８と一台のコントローラ３１で行うことができる。

１ 圧縮機
４ インペラ回転軸
５ ハウジング部
６ 回収ポケット
７ 放出ポケット
８ 密封ポケット
１０ 酸素吸入配管
１１ 基幹シールガス送給配管（シールガス送給配管）
１３ 基幹放風配管（放風配管）
１４ 基幹酸素回収配管（酸素回収配管）
１５ 後段圧縮機
１７ インペラ回転軸
１８ ハウジング部
２０ 回収ポケット
２１ 放出ポケット
２２ 密封ポケット
２８ 流量調整弁
２９ 圧力センサ
２９ｓ 検出値
３０ 圧力センサ
３０ｓ 検出値
３１ コントローラ
３１ｓ 開度調整信号
３６ ガス槽（シールガス供給源）
Ｘ 制御系

Claims (2)

1. 酸素生成設備から酸素が酸素吸入配管を介して吸入口に送給される圧縮機に付帯し、インペラ回転軸が挿通されるハウジング部に高圧側から低圧側へ向けて順に回収ポケット、放出ポケット、及び密封ポケットを形成したラビリンス方式の軸封装置本体を備え、
   この軸封装置本体の回収ポケットに、酸素回収配管を介して前記酸素吸入配管を接続し、
   この軸封装置本体の放出ポケットに、下流端が大気開放された放風配管を接続し、
   この軸封装置本体の密封ポケットに、シールガス供給源に連通するシールガス送給配管を接続し、
   前記シールガス送給配管に流量調整弁を設け、
   前記密封ポケットへのシールガス供給圧力を検出する第一の圧力センサ、及び前記酸素回収配管に前記圧縮機の酸素吸入圧力を検出する第二の圧力センサを設け、
   前記流量調整弁の開度を調整することにより前記第一の圧力センサによって検出されるシールガス供給圧力から前記第二の圧力センサによって検出される酸素吸入圧力を差し引いた圧力が目標値となるように制御する制御系を設けたことを特徴とする酸素圧縮機のシール装置。
2. 前記圧縮機で昇圧された酸素が酸素送給配管を介して吸入口に送給される後段圧縮機に付帯し、インペラ回転軸が挿通されるハウジング部に高圧側から低圧側へ向けて順に回収ポケット、放出ポケット、及び密封ポケットを形成したラビリンス方式の後段軸封装置本体を備え、
   この後段軸封装置本体の回収ポケットに、前記軸封装置本体の回収ポケットを連通させ、
   この後段軸封装置本体の放出ポケットに、前記軸封装置本体の放出ポケットを連通させ、
   この後段軸封装置本体の密封ポケットに、前記軸封装置本体の密封ポケットを連通させた請求項１に記載の酸素圧縮機のシール装置。

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