CN108612570A - 采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置及方法，该装置包括叶轮机械静子、主轴、干气密封、静叶、动叶、支撑轴承、进口段管道、进口段管道、出口段管道、抽吸管路、关断阀、真空泵、事故工况排空管路、高纯度二氧化碳气源、干气密封管路、主补气管路、调阀，通过控制该装置各管道上阀门的通断和真空泵的启停，实现超临界二氧化碳叶轮机械设备内的空气经过多次抽吸、充气、静置循环，最终被替换为高纯度的超临界二氧化碳工质，该发明可克服叶轮机械设备内死角空气不易置换的不利困难，可保证在工质置换过程中干气密封不受损坏，使超临界二氧化碳叶轮机械设备内工质纯度可达99.9％以上。

Description

采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置及 方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳叶轮机械工质置换技术领域，具体涉及一种采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳***对二氧化碳纯度的要求较高，一般在99.9％以上，因此临界二氧化碳压缩机和超临界二氧化碳透平设备运行前，需要将设备内部的空气置换为高纯度二氧化碳，以防止超临界二氧化碳叶轮机械设备内的空气进入循环***，降低***中高纯度二氧化碳工质浓度。超临界二氧化碳***中的最低压力应大于临界压力7.39MPa，所以超临界二氧化碳叶轮机械设备，包括超临界二氧化碳压缩机和超临界二氧化碳透平均正常工作内部压力至少在7.39MPa，为防止二氧化碳工质向外泄漏而使***效率降低，最有效的措施是采用轴端干气密封技术，而干气密封有严格的使用规范，并需防止干气密封处于静态大负压逆流和进入杂质损坏。因此，在超临界二氧化碳叶轮机械设备在高纯度工质置换的过程中存在以下三个问题未得到解决：1、超临界二氧化碳叶轮机械设备内存在死角，气流进出设备时在死角处形成了旋涡，空气不易从死角内流出，不能有效的达到要求的工质纯度；2、超临界二氧化碳叶轮机械设备工质置换需要以在其基础上搭建什么样的工质置换装置；3、在超临界二氧化碳叶轮机械设备工质置换的过程中，如何保护干气密封使其性能不受影响。未见现有技术未提供上述问题的有效解决方案。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供采用轴端干气密封技术的超临界二氧化碳叶轮机械设备高纯度工质置换装置及方法，通过在超临界二氧化碳叶轮机械设备的出口段或进口段管道上设置三通管路，其中一个出口作为事故工况排空管路，设置截止阀，另一个管路作为抽吸管路，设置截止阀，在抽吸管路出口设置真空泵。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置，包括超临界二氧化碳叶轮机械静子1、超临界二氧化碳叶轮机械主轴2、干气密封3、静叶4、动叶5、支撑轴承6、进口段管道或出口段管道7、进口段管道或出口段管道阀门8、出口段管道或进口段管道9、出口段管道或进口段管道阀门10、抽吸管路11、抽吸管道关断阀12、真空泵13、事故工况排空管路19、事故工况排空管路关断阀20、高纯度二氧化碳气源14、高压端干气密封管路15、低压端干气密封管路16、主补气管路21、高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22；其中，进口段管道或出口段管道7和出口段管道或进口段管道9均与超临界二氧化碳叶轮机械静子1相连，进口段管道或出口段管道阀门8位于进口段管道或出口段管道7上，出口段管道或进口段管道阀门10位于出口段管道或进口段管道9上，在超临界二氧化碳叶轮机械主轴2的两端分别有两个支撑轴承6，静叶4与超临界二氧化碳叶轮机械静子1相连，动叶5与超临界二氧化碳叶轮机械主轴2相连，在两个支撑轴承6的内侧和静叶4、动叶5的外侧设置有干气密封3，干气密封3分为高压侧干气密封和低压侧干气密封，高压侧干气密封和低压侧干气密封分别通过高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16与高纯度二氧化碳气源14连接，在高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16上分别设置有高压端干气密封管路调阀17和低压端干气密封管路调阀18，在出口段管道或进口段管道9上以及出口段管道或进口段管道阀门10的上游或下游设置有抽吸管路11，抽吸管路11上设置有抽吸管道关断阀12，在抽吸管道关断阀12下游设置有真空泵13，在抽吸管路11上以及抽吸管道关断阀12的上游设置有事故工况排空管路19，事故工况排空管路19上设置有事故工况排空管路关断阀20，在抽吸管路11上以及事故工况排空管路19的上游设置有主补气管路21，主补气管路21的另一端与高纯度二氧化碳气源14连通，主补气管路21上设置有主补气管路调阀22。
所述的高纯度二氧化碳气源14具有与外界高压力等级且浓度不低于99.9％的高纯度二氧化碳工质储罐的常闭连接口，当高纯度二氧化碳气源14的气压低于设定值时，通过打开常闭连接口，从采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置外部的高压力等级的高纯度二氧化碳工质储罐处补充高纯度二氧化碳工质。
3所述的事故工况排空管路关断阀20外侧的事故工况排空管路19的另一端出口，在所述采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置所在的厂房外侧。
所述的采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置的工质置换方法，包括以下步骤：
步骤1、超临界二氧化碳循环***下达对超临界二氧化碳叶轮机械进行工质置换命令后，将进口段管道或出口段管道阀门8、出口段管道或进口段管道阀门10和事故工况排空管路关断阀20设置为长关状态；
步骤2、关闭高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22，打开抽吸管道关断阀12，由真空泵13对超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气，直至该连通空间内的气压至某一设定压力P时，关闭抽吸管道关断阀12和真空泵13；
步骤3、打开高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22，高纯度二氧化碳气源14通过主补气管路21、高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16向超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内进行补气，直至该连通空间内的气压至大气压力P0后，关闭高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22；
步骤4、保持高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18、主补气管路调阀22和抽吸管道关断阀12处于关闭状态，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置时间达到设定的固定时间T，使杂质气体分子在二氧化碳气体分子间扩散；
步骤5、重复步骤2至步骤4的操作达到设定次数N，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间的浓度达到***要求纯度C。
超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气时，大气压力P0与该连通空间内的设定压力P的差值小于干气密封3静态时所能承受的最大负压。
超临界二氧化碳叶轮机械工质抽吸的设定次数N、设定压力P、***要求纯度C、大气压力P0满足计算公式73.9-(P/P0)N≥73.9C。
超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置设定的固定时间T为2至5分钟。
和现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
本发明提出了采用轴端干气密封技术的超临界二氧化碳叶轮机械设备高纯度工质置换装置及方法，基于该装置和高纯度工质置换方法，通过气体真空抽吸、充排常压高纯度工质和静置三个工序的多次循环，克服了超临界二氧化碳叶轮机械设备内死角内空气不易置换的不利因素，通过选取适合的真空度保证了干气密封保证在工质置换的过程中性能不受影响。从这个意义上讲本发明解决了采用轴端干气密封技术的超临界二氧化碳叶轮机械设备高纯度工质置换的技术难题，使超临界二氧化碳叶轮机械设备内工质纯度可达99.9％，并可确保在工质置换过程中干气密封不受损坏。
附图说明
图1是本发明采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置的示意图。
1为超临界二氧化碳叶轮机械静子；2为超临界二氧化碳叶轮机械主轴；3为干气密封；4为静叶；5为动叶；6为支撑轴承；7为进口段管道(或出口段管道)；8为进口段管道(或出口段管道)阀门；9为出口段管道(或进口段管道)；10为出口段管道(或进口段管道)阀门；11为抽吸管路；12为抽吸管道关断阀；13为真空泵；14为高纯度二氧化碳气源；15为高压端干气密封管路；16为低压端干气密封管路；17为高压端干气密封管路调阀；18为低压端干气密封管路调阀；19为事故工况排空管路；20为事故工况排空管路关断阀；21为主补气管路；22为主补气管路调阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置，包括超临界二氧化碳叶轮机械静子1、超临界二氧化碳叶轮机械主轴2、干气密封3、静叶4、动叶5、支撑轴承6、进口段管道或出口段管道7、进口段管道或出口段管道阀门8、出口段管道或进口段管道9、出口段管道或进口段管道阀门10、抽吸管路11、抽吸管道关断阀12、真空泵13、事故工况排空管路19、事故工况排空管路关断阀20、高纯度二氧化碳气源14、高压端干气密封管路15、低压端干气密封管路16、主补气管路21、高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22；其中，进口段管道或出口段管道7和出口段管道或进口段管道9均与超临界二氧化碳叶轮机械静子1相连，进口段管道或出口段管道阀门8位于进口段管道或出口段管道7上，出口段管道或进口段管道阀门10位于出口段管道或进口段管道9上，在超临界二氧化碳叶轮机械主轴2的两端分别有两个支撑轴承6，静叶4与超临界二氧化碳叶轮机械静子1相连，动叶5与超临界二氧化碳叶轮机械主轴2相连，在两个支撑轴承6的内侧和静叶4、动叶5的外侧设置有干气密封3，干气密封3分为高压侧干气密封和低压侧干气密封，高压侧干气密封和低压侧干气密封分别通过高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16与高纯度二氧化碳气源14连接，在高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16上分别设置有高压端干气密封管路调阀17和低压端干气密封管路调阀18，在出口段管道或进口段管道9上以及出口段管道或进口段管道阀门10的上游或下游设置有抽吸管路11，抽吸管路11上设置有抽吸管道关断阀12，在抽吸管道关断阀12下游设置有真空泵13，在抽吸管路11上以及抽吸管道关断阀12的上游设置有事故工况排空管路19，事故工况排空管路19上设置有事故工况排空管路关断阀20，在抽吸管路11上以及事故工况排空管路19的上游设置有主补气管路21，主补气管路21的另一端与高纯度二氧化碳气源14连通，主补气管路21上设置有主补气管路调阀22。
作为本发明的优选实施方式，所述的高纯度二氧化碳气源14具有与外界高压力等级且浓度不低于99.9％的高纯度二氧化碳工质储罐的常闭连接口，当高纯度二氧化碳气源14的气压低于某一设定值时，可以通过打开常闭连接口，从采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置外部的高压力等级的高纯度二氧化碳工质储罐处补充高纯度二氧化碳工质。
作为本发明的优选实施方式，所述的事故工况排空管路关断阀20外侧的事故工况排空管路19的另一端出口，在所述采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置所在的厂房外侧。
本发明所述的采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置的工质置换方法，包括以下步骤：
步骤1、超临界二氧化碳循环***下达对超临界二氧化碳叶轮机械进行工质置换命令后，将进口段管道或出口段管道阀门8、出口段管道或进口段管道阀门10和事故工况排空管路关断阀20设置为长关状态；
步骤2、关闭高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22，打开抽吸管道关断阀12，由真空泵13对超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气，直至该连通空间内的气压至某一设定压力P时，关闭抽吸管道关断阀12和真空泵13；
步骤3、打开高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22，高纯度二氧化碳气源14通过主补气管路21、高压端干气密封管路15和低压端干气密封管路16向超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内进行补气，直至该连通空间内的气压至大气压力P0后，关闭高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18和主补气管路调阀22；
步骤4、保持高压端干气密封管路调阀17、低压端干气密封管路调阀18、主补气管路调阀22和抽吸管道关断阀12处于关闭状态，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置时间达到设定的固定时间T，使杂质气体分子在二氧化碳气体分子间扩散；
步骤5、重复步骤2至步骤4的操作达到设定次数N，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间的浓度达到***要求纯度C。
作为本发明的优选实施方式，超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气时，大气压力P0与该连通空间内的设定压力P的差值小于干气密封3静态时所能承受的最大负压。
作为本发明的优选实施方式，超临界二氧化碳叶轮机械工质抽吸的设定次数N、设定压力P、***要求纯度C、大气压力P0满足计算公式73.9-(P/P0)N≥73.9C。
作为本发明的优选实施方式，超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置设定的固定时间T为2至5分钟。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置，其特征在于：包括超临界二氧化碳叶轮机械静子(1)、超临界二氧化碳叶轮机械主轴(2)、干气密封(3)、静叶(4)、动叶(5)、支撑轴承(6)、进口段管道或出口段管道(7)、进口段管道或出口段管道阀门(8)、出口段管道或进口段管道(9)、出口段管道或进口段管道阀门(10)、抽吸管路(11)、抽吸管道关断阀(12)、真空泵(13)、事故工况排空管路(19)、事故工况排空管路关断阀(20)、高纯度二氧化碳气源(14)、高压端干气密封管路(15)、低压端干气密封管路(16)、主补气管路(21)、高压端干气密封管路调阀(17)、低压端干气密封管路调阀(18)和主补气管路调阀(22)；其中，进口段管道或出口段管道(7)和出口段管道或进口段管道(9)均与超临界二氧化碳叶轮机械静子(1)相连，进口段管道或出口段管道阀门(8)位于进口段管道或出口段管道(7)上，出口段管道或进口段管道阀门(10)位于出口段管道或进口段管道(9)上，在超临界二氧化碳叶轮机械主轴(2)的两端分别有两个支撑轴承(6)，静叶(4)与超临界二氧化碳叶轮机械静子(1)相连，动叶(5)与超临界二氧化碳叶轮机械主轴(2)相连，在两个支撑轴承(6)的内侧和静叶(4)、动叶(5)的外侧设置有干气密封(3)，干气密封(3)分为高压侧干气密封和低压侧干气密封，高压侧干气密封和低压侧干气密封分别通过高压端干气密封管路(15)和低压端干气密封管路(16)与高纯度二氧化碳气源(14)连接，在高压端干气密封管路(15)和低压端干气密封管路(16)上分别设置有高压端干气密封管路调阀(17)和低压端干气密封管路调阀(18)，在出口段管道或进口段管道(9)上以及出口段管道或进口段管道阀门(10)的上游或下游设置有抽吸管路(11)，抽吸管路(11)上设置有抽吸管道关断阀(12)，在抽吸管道关断阀(12)下游设置有真空泵(13)，在抽吸管路(11)上以及抽吸管道关断阀(12)的上游设置有事故工况排空管路(19)，事故工况排空管路(19)上设置有事故工况排空管路关断阀(20)，在抽吸管路(11)上以及事故工况排空管路(19)的上游设置有主补气管路(21)，主补气管路(21)的另一端与高纯度二氧化碳气源(14)连通，主补气管路(21)上设置有主补气管路调阀(22)。
2.根据权利要求1所述的采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置，其特征在于：所述的高纯度二氧化碳气源(14)具有与外界高压力等级且浓度不低于99.9％的高纯度二氧化碳工质储罐的常闭连接口，当高纯度二氧化碳气源(14)的气压低于设定值时，通过打开常闭连接口，从采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置外部的高压力等级的高纯度二氧化碳工质储罐处补充高纯度二氧化碳工质。
3.根据权利要求1所述的采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置，其特征在于：所述的事故工况排空管路关断阀(20)外侧的事故工况排空管路(19)的另一端出口在所述采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置所在的厂房外侧。
4.权利要求1至3任一项所述的采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换装置的工质置换方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、超临界二氧化碳循环***下达对超临界二氧化碳叶轮机械进行工质置换命令后，将进口段管道或出口段管道阀门(8)、出口段管道或进口段管道阀门(10)和事故工况排空管路关断阀(20)设置为长关状态；
步骤2、关闭高压端干气密封管路调阀(17)、低压端干气密封管路调阀(18)和主补气管路调阀(22)，打开抽吸管道关断阀(12)，由真空泵(13)对超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气，直至该连通空间内的气压至某一设定压力P时，关闭抽吸管道关断阀(12)和真空泵(13)；
步骤3、打开高压端干气密封管路调阀(17)、低压端干气密封管路调阀(18)和主补气管路调阀(22)，高纯度二氧化碳气源(14)通过主补气管路(21)、高压端干气密封管路(15)和低压端干气密封管路(16)向超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内进行补气，直至该连通空间内的气压至大气压力P0后，关闭高压端干气密封管路调阀(17)、低压端干气密封管路调阀(18)和主补气管路调阀(22)；
步骤4、保持高压端干气密封管路调阀(17)、低压端干气密封管路调阀(18)、主补气管路调阀(22)和抽吸管道关断阀(12)处于关闭状态，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置时间达到设定的固定时间T，使杂质气体分子在二氧化碳气体分子间扩散；
步骤5、重复步骤2至步骤4的操作达到设定次数N，使超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间的浓度达到***要求纯度C。
5.根据权利要求4所述的工质置换方法，其特征在于：超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间内的气体进行抽气时，大气压力P0与该连通空间内的设定压力P的差值小于干气密封(3)静态时所能承受的最大负压。
6.根据权利要求4所述的工质置换方法，其特征在于：超临界二氧化碳叶轮机械工质抽吸的设定次数N、设定压力P、***要求纯度C、大气压力P0满足计算公式73.9-(P/P0)N≥73.9C。
7.根据权利要求4所述的工质置换方法，其特征在于：超临界二氧化碳叶轮机械内部及进出口管道的连通空间静置设定的固定时间T为2至5分钟。
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