WO2014037149A1 - Turbomaschine und verfahren zum betrieb - Google Patents

Turbomaschine und verfahren zum betrieb Download PDF

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    • F04D29/124—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps with special means for adducting cooling or sealing fluid

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a turbocompressor, comprising at least one rotor extending along an axis, comprising at least one axi ale high pressure position, comprising at least one axial low pressure position, wherein a process fluid at the high pressure position has a higher pressure during operation of the turbomachine as at the low pressure position, comprising at least one gas seal sealing a gap between the rotor and a stator of the turbomachine by means of barrier gas, comprising a conditioning module which converts process fluid withdrawn from the high pressure position at a take-off to barrier gas which is supplied to the gas seal barrier gas.
  • the invention comprises a method for operating the turbomachine.
  • Turbomachines in particular turbocompressors for combustible and / or toxic gases are often sealed with dry gas seals, in particular dry gas seals.
  • Compressed pressure outlet of the compressor taken, processed, down in pressure and fed to the gas seals.
  • components for the function processing liquid separation, filtering, heating, pressure regulation. Furthermore, these components are very expensive.
  • the object of the invention is to reduce the capital expenditure for the treatment of the sealing gas for the gas seal.
  • the invention proposes a device of the type mentioned above with the additional features of the characterizing part of claim 1. Furthermore, a method according to claim 5 is proposed for the task solution.
  • the related subclaims each contain advantageous developments of the invention.
  • Directional data such as axial, radial, tangential or circumferential direction always refer to the axis of the rotor of the turbomachine, unless stated otherwise.
  • the claimed treatment module comprises a significant part of the barrier gas treatment from the process fluid to the sealing gas. These include at least the liquid separation or the filtering or the heating or the pressure regulation of the barrier gas. Due to the arrangement according to the invention of the treatment behind the control valve, the components of the treatment module can be designed for a lower pressure and are therefore at least less expensive. In the case of particularly high compressor pressures, procurement problems for these components of the preparation module can be eliminated in this way and special designs can be avoided for this purpose. This results in lower costs, a wider choice of suppliers and shorter delivery times. As an additional positive effect, the hazard potential due to the lower pressure in the treatment module is significantly reduced, which also plays an important role in combustible or toxic gases in terms of cost.
  • the sensor measures either the pressure downstream of the treatment module or a differential pressure via a throttle, so that the mass flow or volume flow of sealing gas to the gas seal is reliably controlled.
  • expedient is located behind the control valve a derivative to a lower pressure level, which can be shut off, for example by a safety valve in the event that located in the line behind the control valve perhaps toxic or flammable process fluid by malfunction of the pressure or differential pressure control the maximum allowable Pressure exceeds and thereby threatens to leak into the environment of the turbomachine.
  • This low pressure level can be, for example, the discharge towards a torch, where the process fluid - if flammable - is flared.
  • control unit comprises a differential pressure transmitter, which regulates a pressure difference between the pressure of the removal of the process fluid and the pressure of the blocking gas downstream of the treatment module to a desired value.
  • This setpoint may be a current set point given by a higher-level control, which depends on the current operating conditions of the turbomachine.
  • the turbomachine has a balancing piston, ie, a step in the rotor R, which ensures by means of a shaft seal that the pressures acting on the gradation on the two sides largely offset or reduce the thrust of the turbomachine in nominal operation.
  • FIG. 1 shows a schematic flowchart representation of the turbomachine or method according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the turbomachine TM according to the invention or of the method according to the invention as a flow chart.
  • the turbomachine TM in the embodiment is formed as a turbocompressor CO having a rotor R extending along an axis X. Along the axis X, the turbocompressor CO has a high-pressure position HPS and a low-pressure position LPS at which a process fluid PF is under a higher pressure or at a lower pressure in the flow path of the turbomachine TM during operation.
  • a non-illustrated gap GP is sealed by means of gas seals DGS on both sides of the turbomachine.
  • the turbomachine TM or the stator CAS which is designed as a housing, has an inlet INL and an outlet OTL, wherein a process fluid PF is conveyed through the inlet INL into the turbomachine for compression up to the outlet OTL at a higher pressure level Turbomachine leaves.
  • a removal EX of the process fluid PF is provided, which process fluid PF is passed from this axial high-pressure position HPS by means of a line PIP1 the turbomachine TM to a control valve CV.
  • the pressure of the process fluid PF is lowered and the process fluid is fed to a treatment module SGM for the treatment of the process fluid PF to the sealing gas SG.
  • the sealing gas SG is fed to the gas seals DGS by means of a second pipeline PIP2.
  • a control unit CU controls the position of the control valve CV such that the extraction pressure is lowered so far that adjusts the desired sealing gas pressure SG to the gas seals DGS.
  • the control unit CU a differential pressure transmitter DPT, which as a sensor SEN compares the pressure behind the preparation module SGM with the pressure at a balancing piston BP of the turbomachine TM and regulates its dependence by controlling the control valve CV the pressure of the sealing gas SG in front of the gas seals DGS.
  • the second line PIP2 and the respective supply line to the gas seals DGS diaphragms TH are provided, at which a differential pressure drops.
  • the pressure of the sealing gas SG is adjusted by means of the control valve CV such that the pressure drop across the orifices TH and the chamber of the balancing piston PB is constantly adjusted to a specific target value.
  • Safety valve SV downstream of the control valve CV provided, which opens from a set pressure.
  • the response pressure is slightly above the maximum pressure setting during operation behind the control valve CV.
  • the components of pipelines PIP1, PIP2, the processing module SGM, the control valve CV and the orifices TH are designed at least to the set pressure of the safety valve SV.

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Description

Beschreibung
Turbomaschine und Verfahren zum Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere einen Turboverdichter, umfassend mindestens einen Rotor, der sich entlang einer Achse erstreckt, umfassend mindestens eine axi- ale Hochdruckposition, umfassend mindestens eine axiale Niedrigdruckposition, wobei ein Prozessfluid an der Hochdruckposition einen höheren Druck im Betrieb der Turbomaschine aufweist als an der Niedrigdruckposition, umfassend mindestens eine Gasdichtung, die mittels Sperrgas einen Spalt zwischen dem Rotor und einem Stator der Turbomaschine abdichtet, umfassend ein Aufbereitungsmodul , welches aus der Hochdruckposition an einer Endnahme entnommenes Prozessfluid zu Sperrgas aufbereitet, welches Sperrgas der Gasdichtung zugeführt wird. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Turbomaschine.
Turbomaschinen, insbesondere Turboverdichter für brennbare und/oder toxische Gase werden häufig mit Trockengasdichtungen, insbesondere Trockengasdichtungen abgedichtet. Das
Sperrgas für diese Gasdichtungen wird in der Regel aus dem
Druckstutzen des Verdichters entnommen, aufbereitet, im Druck herunter geregelt und den Gasdichtungen zugeführt. Bei Verdichtern mit sehr hohem Drücken mit Trockengasdichtungen ist es schwierig Komponenten für die Funktionenaufberei - tung (Flüssigkeitsabscheidung, Filtern, Heizen, Druckregelung) zu beschaffen. Weiterhin sind diese Komponenten sehr teuer .
Die Erfindung hat es sich ausgehend von der eingangs genann- ten Turbomaschine zur Aufgabe gemacht, den Investitionsaufwand für die Aufbereitung des Sperrgases für die Gasdichtung zu reduzieren. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vor. Weiterhin wird ein Verfahren gemäß Anspruch 5 zur Auf- gabenlösung vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung .
Richtungsangaben, wie axial, radial, tangential oder Umfangs- richtung beziehen sich stets - falls nicht anders angegeben - auf die Achse des Rotors der Turbomaschine.
Das anspruchsgemäße Aufbereitungsmodul umfasst einen wesentlichen Teil der Sperrgasaufbereitung von dem Prozessfluid hin zum Sperrgas. Hierzu zählt wenigstens die Flüssigkeitsab- scheidung oder das Filtern oder das Heizen oder die Druckregelung des Sperrgases. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Aufbereitung hinter dem Regelventil können die Komponenten des Aufbereitungsmoduls für einen geringeren Druck ausge- legt werden und sind deswegen zumindest preisgünstiger. Bei besonders hohen Verdichterdrücken können auf diese Weise Beschaffungsprobleme für diese Bestandteile des Aufbereitungsmoduls eliminiert werden und Sonderanfertigungen hierzu vermieden werden. Dadurch ergeben sich niedrigere Kosten, eine breitere Auswahl an Lieferanten und kürzere Lieferzeiten. Als zusätzlicher positiver Effekt ist das Gefährdungspotential aufgrund des niedrigeren Drucks in dem Aufbereitungsmodul signifikant herabgesetzt, was brennbaren oder toxischen Gasen auch hinsichtlich der Kosten eine wichtige Rolle spielt.
Besonders zweckmäßig ist die Anwendung der Erfindung für einen Verdichter, insbesondere einen Hochdruckverdichter für Drücke über 100bar. Besonders zweckmäßig misst der Sensor entweder den Druck hinter dem Aufbereitungsmodul oder einen Differenzdruck über eine Drossel, damit der Massen- bzw. Volumenstrom an Sperrgas zu der Gasdichtung hin sicher kontrolliert ist. Zweckmäßig befindet sich hinter dem Regelventil eine Ableitung auf ein niedrigeres Druckniveau, welche beispielsweise durch ein Sicherheitsventil absperrbar ist für den Fall, dass das in der Leitung hinter dem Regelventil befindliche vielleicht to- xische oder brennbare Prozessfluid durch Fehlfunktion der Druck- bzw. Differenzdruckregelung den maximal zulässigen Druck überschreitet und dadurch droht, in die Umgebung der Turbomaschine auszutreten. Dieses niedrige Druckniveau kann beispielsweise die Ableitung hin zu einer Fackel sein, wo das Prozessfluid - falls brennbar - abgefackelt wird.
Besonders zweckmäßig umfasst die Regeleinheit einen Diffe- renzdrucktransmitter, der eine Druckdifferenz zwischen dem Druck der Entnahme des Prozessfluids und dem Druck des Sperr- gases stromabwärts des Aufbereitungsmoduls auf einen Sollwert regelt. Dieser Sollwert kann einen momentaner von einer übergeordneten Regelung vorgegebener Sollwert sein, der von den gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Turbomaschine abhängt. Bevorzugt weist die Turbomaschine einen Ausgleichskolben auf, d.h. eine Abstufung im Rotor R, die mittels einer Wellendichtung dafür sorgt, dass die an der Abstufung auf den beiden Seiten angreifenden Drücke den Schub der Turbomaschine im Nennbetrieb weitestgehend ausgleichen oder reduzieren. Wei- terhin ist die Kammer des Ausgleichskolbens mit der Saugseite der Turbomaschine verbunden und hierdurch sind die Abdicht- drücke der Gasdichtungen auf der Saugseite und der Druckseite nahezu identisch. Der Druck in der Kammer des Ausgleichskolben ist nur geringfügig aufgrund der Strömungsverluste höher als der Druck auf der Saugseite und wird daher als Impulsdruck für die Regelung benutzt. Das Prozessfluid, welches zu Sperrgas mittels der Entnahme an der Hochdruckposition entnommen wird, kann bevorzugt am Druckstutzen der Turbomaschine im Bereich dieses Ausgleichskolbens entnommen werden und er- findungsgemäß über das Regelventil dem Aufbereitungsmodul zugeführt werden. Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben . Figur 1 zeigt eine schematische Flussdiagrammdarstellung der erfindungsgemäßen Turbomaschine bzw. erfindungsgemäßen Verfahrens
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Turbomaschine TM bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm. Die Turbomaschine TM in dem Ausführungsbeispiel ist als Turboverdichter CO ausgebildet mit einem Rotor R, der sich entlang einer Achse X erstreckt. Entlang der Achse X weist der Turboverdichter CO eine Hochdruck- position HPS und eine Niedrigdruckposition LPS auf, an denen sich im Betrieb ein Prozessfluid PF unter einem höheren Druck bzw. unter einem niedrigeren Druck im Strömungspfad der Turbomaschine TM befindet. Zwischen dem Stator CAS und dem Rotor R der Turbomaschine TM ist ein nicht näher dargestellter Spalt GP mittels Gasdichtungen DGS auf beiden Seiten der Turbomaschine abgedichtet. Die Turbomaschine TM bzw. der Stator CAS, der als Gehäuse ausgebildet ist, weist einen Einlass INL und einen Auslass OTL auf, wobei ein Prozessfluid PF durch den Einlass INL in die Turbomaschine zur Verdichtung bis zu dem Auslass OTL auf einem höheren Druckniveau befördert, die Turbomaschine verlässt. Am Auslass OTL ist eine Entnahme EX des Prozessfluids PF vorgesehen, welches Prozessfluid PF von dieser axialen Hochdruckposition HPS mittels einer Leitung PIP1 der Turbomaschine TM zu einem Regelventil CV geleitet wird. An dem Regelventil CV wird der Druck des Prozessfluids PF abgesenkt und das Prozessfluid wird einem Aufbereitungsmodul SGM zur Aufbereitung des Prozessfluids PF zu Sperrgas SG zugeleitet. Von dem Aufbereitungsmodul SGM wird das Sperrgas SG mittels einer zweiten Rohrleitung PIP2 den Gasdichtungen DGS zugeleitet. Eine Regeleinheit CU steuert die Position des Regelventiles CV derart, dass der Entnahmedruck soweit abgesenkt wird, dass sich an den Gasdichtungen DGS der gewünschte Sperrgasdruck SG einstellt. Hierzu weist die Regeleinheit CU einen Differenzdrucktransmitter DPT auf, der als Sensor SEN den Druck hinter dem Auf ereitungsmodul SGM mit dem Druck an einem Ausgleichskolben BP der Turbomaschine TM vergleicht und regelt in dessen Abhängigkeit mittels Ansteuerung des Regel - ventils CV den Druck des Sperrgases SG vor den Gasdichtungen DGS . In der zweiten Leitung PIP2 und der jeweiligen Zuleitung zu den Gasdichtungen DGS sind Blenden TH vorgesehen, an denen ein DifferenzDruck abfällt. Bevorzugt wird der Druck des Sperrgases SG mittels des Regelventils CV derart eingestellt, dass der Druckabfall über die Blenden TH und der Kammer des Ausgleichskolbens PB konstant auf einen bestimmten Sollwert sich einstellt.
Bei einem Fehlverhalten des Regelventils CV kann die Situati- on der Vollöffnung des Regelventils CV entstehen. Hierdurch würde sehr viel mehr Prozessfluid PF in Richtung des Aufbereitungsmoduls SGM und der Blenden TH strömen und dadurch aufgrund der Widerstandskennlinie des Aufbereitungsmoduls SGM und der Blenden TH den Druck wesentlich erhöhen vor den Gas- dichtungen DGS, so dass der Auslegungsdruck überschritten werden kann. Um diese Fehlfunktion abzusichern ist ein
Sicherheitsventil SV stromabwärts des Regelventils CV vorgesehen, das ab einem Ansprechdruck öffnet. Der Ansprechdruck liegt etwas oberhalb des sich maximal einstellenden Drucks im Betrieb hinter dem Regelventil CV. Die Komponenten der Rohrleitungen PIP1, PIP2, das Aufbereitungsmodul SGM, das Regel - ventil CV und die Blenden TH sind mindestens auf diesen Ansprechdruck des Sicherheitsventils SV ausgelegt.

Claims

Patentansprüche
Turbomaschine (TM) , insbesondere Turboverdichter (CO) , umfassend
- mindestens einen Rotor (R) , der sich entlang einer Achse (X) erstreckt,
- umfassend mindestens eine axiale Hochdruckposition (HPS) entlang eines Strömungspfades eines Prozess- fluid (PF) durch die Turbomaschine (TM) ,
- umfassend mindestens eine axiale Niedrigdruckposition (LPS) entlang des Strömungspfades des Prozess- fluid (PF) durch die Turbomaschine (TM) ,
wobei das Prozessfluid (PF) an der Hochdruckposition (HPS) einen höheren Druck im Betrieb der Turbomaschine (TM) aufweist als an der Niedrigdruckposition (LPS) ,
- umfassend mindestens eine Gasdichtung (DGS) , die mittels Sperrgas (SG) einen Spalt (GP) zwischen dem Rotor (R) und einem Stator (CAS) der Turbomaschine (TM) abdichtet ,
- umfassend ein Aufbereitungsmodul (SGM) , welches aus der Hochdruckposition (HPS) an einer Entnahme (EX) entnommenes Prozessfluid (PF) zu Sperrgas (SG) aufbereitet, welches Sperrgas (SG) der Gasdichtung (DGS) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in einer ersten Leitung (PIP1) der Turbomaschine (TM) die das Prozessfluid (PF) von der Hochdruckposition (HPS) zu dem Aufbereitungsmodul (SGM) leitet ein Regelventil (CV) vorgesehen ist,
- die Turbomaschine (TM) eine Regeleinheit (CU) umfasst, die das Regenventil (CV) ansteuert,
- die Turbomaschine (TM) in einer zweiten Leitung (PIP2) für das Sperrgas (SG) zwischen dem Aufbereitungsmodul (SGM) und der Gasdichtung (DGS) einen Sensor (SEN) aufweist, der einen Druck (PSG) oder Massenstrom (MSG) oder Volumenstrom (VSG) des Sperrgases (SG) zwischen dem Aufbereitungsmodul (SGM) und der Gasdichtung (DGS) be- stimmt ,
- die Regeleinheit (CU) derart ausgebildet ist, dass Re gelventil (CV) den Druck oder den Massenstrom oder den Volumenstrom gemessen von dem Sensor (SEN) regelt.
Turbomaschine nach Anspruch 1,
wobei die Turbomaschine (TM) ein Verdichter (CO) ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2 ,
wobei der Sensor (SEN) als eine Differenzdruckmessung ausgebildet ist und den Differenzdruck zwischen der Position an einem Ausgleichskolben (BP) der Turbomaschine (TM) und dem Sperrgasdruck (SG) stromabwärts des Aufbereitungsmoduls (SGM) und den Differenzdruckwert an die Regeleinheit (CU) weiterleitet.
Turbomaschine nach Anspruch 3 ,
wobei die Regeleinheit den Differenzdruck gemessen durch den Sensor (SEN) mittels des Regelventils (CV) auf einem Sollwert regelt.
Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine (TM) , insbesondere einer Turbomaschine (TM) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Prozessfluid (PF) an einer Entnahme (EX) an einer axiale Hochdruckposition (HPS) entlang eines Strömungspfades durch die Turbomaschine (TM) entnommen wird das entnommene Prozessfluid (PF) einem Aufbereitungsmo- dul (SGM) zugeführt wird,
- das Aufbereitungsmodul (SGM) das entnommene Prozessfluid (PF) zu Sperrgas (SG) mittels Flüssigkeitsabschei - dung, Filtern, Heizen und/oder Druckanpassung aufbereitet ,
- welches Sperrgas (SG) einer Gasdichtung (DGS) der Turbomaschine (TM) zugeführt wird,
- wobei mindestens eine axiale Niedrigdruckposition (LPS) entlang des Strömungspfades des Prozess- fluid (PF) durch die Turbomaschine (TM) vorgesehen ist, wobei das Prozessfluid (PF) an der Hochdruckposition (HPS) einen höheren Druck im Betrieb der Turbomaschine (TM) aufweist als an der Niedrigdruckposition (LPS) , dadurch gekennzeichnet dass
- in einer ersten Leitung (PIP1) der Turbomaschine (TM) die das Prozessfluid (PF) von der Hochdruckposition (HPS) zu dem Aufbereitungsmodul (SGM) leitet das Prozessfluid mittels eines Regelventil (CV) gedrosselt ist,
- eine Regeleinheit (CU) der Turbomaschine (TM) das Regenventil (CV) ansteuert,
das Sperrgas mittels einer zweiten Leitung (PIP2) von dem Aufbereitungsmodul (SGM) der Gasdichtung (DGS) zugeleitet wird,
- der Druck (PSG) oder der Massenstrom (MSG) oder der Volumenstrom (VSG) in der zweiten Leitung (PIP2) mittels eines Sensors (SEN) bestimmt wird,
- die Regeleinheit (CU) durch Ansteuerung des Regelventils (CV) den Druck oder den Massenstrom oder den Volumenstrom gemessen von dem Sensor (SEN) regelt.
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