JP6555840B2 - 圧縮機システム - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機システムに関する。

ケーシングに対して回転可能に設けられた回転軸の回転を入力または出力するために、回転軸の端部がケーシングの外部に突出した遠心圧縮機がある。このような遠心圧縮機では、ケーシングの端部において、回転軸とケーシングとの隙間から外部に作動流体が漏れだすことを抑制するために、ドライガスシールが設けられている。

このようなドライガスシールを有する圧縮機が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のドライガスシールは、回転軸と一体的に回転する駆動系ユニットと、ケーシングのヘッドに固定された静止系ユニットとを有している。ドライガスシールでは、静止系ユニットの静止環が、コイルバネによって駆動系ユニットの回転環に向かって付勢されている。これにより、圧縮機が停止している状態では、静止環と回転環とが互いに突き当たっている。また、回転環の静止環に対向するシール面には、螺旋状の溝が形成されている。圧縮機が作動してシールガスが供給された状態で回転軸が回転すると、螺旋状の溝によって回転環と静止環との間にシールガスが導入される。このシールガスの圧力により、静止環が、コイルバネの付勢力に抗して回転軸の軸方向に沿って押圧される。その結果、回転環と静止環との間に微小な隙間ができ、回転軸の回転を妨げることなく、回転軸とケーシングとの間がシールされている。

ところで、ドライガスシールに供給されるシールガスは、回転環と静止環との間の微小な隙間を流れている。そのため、シールガスが一部でも液化してしまうと、この微小な隙間が閉塞されてドライガスシールの性能が大きく低下してしまう。そこで、シールガスを露点以上の温度に保つために、シールガスを加熱するためのガスヒータを設ける必要がある。

特開２０１３−３６３８７号公報

しかしながら、ガスヒータを設ける場合、設置スペースを確保する必要があり、設置コストも増加してしまう。そのため、ガスヒータを設けることなくシールガスを温めることが望まれている。

本発明は、シールガスを温めることが可能な圧縮機システムを提供する。

本発明の第一の態様に係る圧縮機システムは、軸線回りに回転するロータ及び該ロータを支持する軸受装置を有する圧縮機と、潤滑油が貯蔵された潤滑油タンクと、該潤滑油タンクから前記軸受装置に潤滑油を供給する潤滑油供給ラインと、前記軸受装置から前記潤滑油を前記潤滑油タンクに戻す潤滑油戻しラインと、前記圧縮機に供給されるシールガスが流通し、前記潤滑油タンク内を経由して前記圧縮機に前記シールガスを導くシールガス供給ラインと、を備える。

このような構成によれば、軸受装置から戻された潤滑油が貯蔵された潤滑油タンク内をシールガス供給ラインが経由することで、高温の潤滑油によって温められた領域にシールガスを流通させることができる。その結果、高温の潤滑油を利用して、シールガス供給ラインに流通させるだけでシールガスを昇温させることができる。

本発明の第二の態様に係る圧縮機システムは、第一の態様において、前記シールガス供給ラインは、前記潤滑油タンク内に貯蔵された液体状態の前記潤滑油内を経由してもよい。

このような構成によれば、液体状態の潤滑油内にシールガスを流通させることができる。その結果、気体状態の潤滑油内にシールガス供給ラインを配置する場合に比べて、効率的にシールガスと潤滑油とを熱交換させることができる。これにより、効率的にシールガスを温めることができる。

本発明の第三の態様に係る圧縮機システムは、第一または第二の態様において、潤滑油タンクは、貯蔵された液体状態の前記潤滑油内に配置されて前記潤滑油を加熱する潤滑油ヒータを有していてもよい。

このような構成によれば、潤滑タンク内の潤滑油の温度が低い場合であっても、潤滑油を温めることができる。その結果、確実にシールガスを昇温させることができる。

本発明によれば、シールガスを温めることができる。

本発明の実施形態における圧縮機システムを示す模式図である。 本発明の実施形態における潤滑油タンク周りの構造を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の圧縮機システム１０を説明する。
図１に示すように、圧縮機システム１０は、圧縮機１と、潤滑油タンク２と、潤滑油供給ライン３と、潤滑油戻しライン４と、シールガス供給ライン５とを備えている。

本実施形態の圧縮機１は、例えば、多段遠心圧縮機である。圧縮機１は、ケーシング１１と、ロータ１２と、軸受装置１３と、ドライガスシール部１４とを備えている。このような圧縮機１は、ロータ１２が回転することで気体を作動流体として取り込んで圧縮流体を生成する。なお、ここで、圧縮機１で生成する圧縮流体の用途については何ら限定するものではない。

ロータ１２は、ケーシング１１内で回転自在に支持されている。ロータ１２は、その両端部がラジアル軸受１３ａによって、その中心軸周りに回転自在に支持されている。ロータ１２の一端には、径方向の外側に拡径したスラストカラー１２ａが形成されている。スラストカラー１２ａの軸方向の両側には、スラスト軸受１３ｂが設けられている。スラスト軸受１３ｂは、ロータ１２を中心軸周りに回転自在に支持しつつ、軸方向への変位を規制している。

ここで、以下の説明において、圧縮機１に備えられたラジアル軸受１３ａ、スラスト軸受１３ｂは、単に、軸受装置１３と称するものとする。

ドライガスシール部１４は、ケーシング１１とロータ１２との隙間をシールガスによってシールしている。ドライガスシール部１４は、シールガスによって作動流体がケーシング１１の内側から外側に漏れることを抑えている。ドライガスシール部１４は、軸受装置１３よりもロータ１２の軸方向の中心位置に近い位置に配置されている。ドライガスシール部１４は、回転環１４ａと、静止環１４ｃと、ラビリンスシール１４ｅと、を備えている。

回転環１４ａは、ロータ１２の外周面にロータ１２と一体に設けられている。回転環１４ａは、軸受装置１３よりもロータ１２の軸方向の中心位置に近い位置に配置されている。ロータ１２の外周面には、筒状のシャフトスリーブ１４ｂが固定されている。回転環１４ａは、シャフトスリーブ１４ｂを介してロータ１２に固定されている。回転環１４ａは、静止環１４ｃに対向するシール面に、螺旋状の溝（図示無し）が形成されている。

静止環１４ｃは、ケーシング１１に固定されている。静止環１４ｃは、回転環１４ａよりもロータ１２の軸方向の軸受装置１３に近い位置に配置されている。ロータ１２の外周面と対向するケーシング１１の内周面には、円環状のリテーナ１４ｄが設けられている。静止環１４ｃは、リテーナ１４ｄを介してケーシング１１に固定されている。静止環１４ｃは、回転環１４ａに向かって付勢するコイルバネ（図示無し）によってリテーナ１４ｄに取り付けられている。静止環１４ｃは、ロータ１２の軸方向において回転環１４ａと互いに対向するよう設けられている。静止環１４ｃは、コイルバネによって、回転環１４ａに向けて押圧されている。

ラビリンスシール１４ｅは、回転環１４ａよりもロータ１２の軸方向の中心位置に近い位置に配置されている。ラビリンスシール１４ｅは、ケーシング１１に固定されている。

潤滑油タンク２は、軸受装置１３に供給する潤滑油が貯蔵されている。潤滑油タンク２は、図２に示すように、タンク本体２１と、ドレンノズル２２と、脱ガストレイ２３と、潤滑油ヒータ２４とを有する。

タンク本体２１は、中空の箱体として形成されている。タンク本体２１の内部では、液体状態の潤滑油が下方に溜まり、気体状態の潤滑油(油煙)が上方に溜まっている。タンク本体２１は、ドレンノズル２２を介して潤滑油戻しライン４と接続されている。タンク本体２１は、貯蔵している液体状態の潤滑油の液面Ｌよりも上方にドレンノズル２２が固定されている。タンク本体２１は、貯蔵している潤滑油の液面Ｌよりも下方で潤滑油供給ライン３と接続されている。

ドレンノズル２２は、潤滑油戻しライン４に接続されている。ドレンノズル２２の先端部は、タンク本体２１の内部で下方に向けて開口している。このドレンノズル２２は、潤滑油戻しライン４によって回収された液体状態及び気体状態の潤滑油を潤滑油タンク２内に送り込む。

脱ガストレイ２３は、ドレンノズル２２から送り込まれた潤滑油をタンク本体２１内で案内する。脱ガストレイ２３は、タンク本体２１の内壁面からタンク本体２１の内側に向かってほぼ水平に延びた後に、タンク本体２１の内側に向かうにしたがって斜め下方に延びるように傾斜して形成されている。これにより、ドレンノズル２２から吐出された液体状態の潤滑油は、脱ガストレイ２３に沿って流れ、タンク本体２１内に既に貯留されている潤滑油に流れ込む。このように、潤滑油を脱ガストレイ２３に沿って流し込むことで、潤滑油がタンク本体２１の内部で泡立ち難くすることができる。

潤滑油ヒータ２４は、タンク本体２１に貯蔵された潤滑油を加熱する。潤滑油ヒータ２４は、貯蔵された液体状態の潤滑油内に浸漬されている。本実施形態の潤滑油ヒータ２４としては、例えば、他のプラント等から供給される蒸気によって加熱するスチームヒータや電気によって加熱する電気式のヒータが挙げられる。

潤滑油供給ライン３は、図１に示すように、潤滑油タンク２から軸受装置１３に潤滑油を供給する。潤滑油供給ライン３は、タンク本体２１に接続されている。潤滑油供給ライン３は、複数の軸受装置１３にそれぞれ接続されるよう分岐している。潤滑油供給ライン３は、送給ポンプ３１と、オイルクーラ３２と、オイルフィルタ３３と、を途中に有している。

送給ポンプ３１は、タンク本体２１内に貯蔵された潤滑油を軸受装置１３に向かって圧送している。
オイルクーラ３２は、送給ポンプ３１から送られた潤滑油を冷却している。
オイルフィルタ３３は、オイルクーラ３２から送られてきた潤滑油に紛れたゴミ等の異物を除去している。

潤滑油戻しライン４は、軸受装置１３から潤滑油を潤滑油タンク２に戻している。潤滑油戻しライン４は、軸受装置１３で使用されて高温となった潤滑油を回収して、潤滑油タンク２に送っている。潤滑油戻しライン４は、複数の軸受装置１３にそれぞれ接続されている。潤滑油戻しライン４は、タンク本体２１に接続されている。

シールガス供給ライン５は、圧縮機１に供給されるシールガスが流通する。シールガス供給ライン５は、潤滑油タンク２内を経由して圧縮機１にシールガスを導いている。本実施形態のシールガス供給ライン５は、タンク本体２１内では、液体状態の潤滑油に浸漬された状態で配置されている。シールガス供給ライン５は、ドライガスシール部１４にシールガスを供給する。シールガスの供給源は圧縮機１の吐出側のケーシングから供給される。ドライガスシール部１４で使用されたシールガスは、フレアに送られて燃焼される。具体的には、シールガス供給ライン５は、供給ライン５１と、回収ライン５２と、タンク内ライン５３とを有する。

供給ライン５１は、ドライガスシール部１４にシールガスを供給している。供給ライン５１は、回転環１４ａとラビリンスシール１４ｅとの間からシールガスをケーシング１１内に供給している。

回収ライン５２は、圧縮機１で圧縮された作動流体の一部をケーシング１１の内部からシールガスとして回収している。

タンク内ライン５３は、供給ライン５１と回収ライン５２とを繋いでいる。タンク内ライン５３は、図２に示すように、潤滑油タンク２内で貯蔵されている液体状態の潤滑油内を通過するように配置されている。タンク内ライン５３は、第一ヘッダー部５３１と、第二ヘッダー部５３２と、熱交換部５３３とを有する。

第一ヘッダー部５３１は、潤滑油タンク２の側面に固定されている。第一ヘッダー部５３１は、供給ライン５１に接続されている。
第二ヘッダー部５３２は、第一ヘッダー部５３１よりも上側に配置されている、第二ヘッダー部５３２は、第一ヘッダー部５３１が固定されている側と同じで潤滑油タンク２の側面に固定されている。第二ヘッダー部５３２は、供給ライン５１に接続されている。

熱交換部５３３は、内部を流通するシールガスと、周囲の潤滑油とを熱交換させる。熱交換部５３３は、例えば、シールガスが露点を超える温度になるまで潤滑油と熱交換させることが可能な長さで形成されている。熱交換部５３３は、第一ヘッダー部５３１と第二ヘッダー部５３２とを接続している。熱交換部５３３は、熱交換部５３３は、伝熱面積が大きくなるように形成されている。本実施形態の熱交換部５３３は、複数の配管によって形成されている。

なお、熱交換部５３３は、シールガスが露点を超える温度となるように伝熱面積が大きくなるように形成されていればよく、複数の配管であることに限定されるものではない。例えば、熱交換部５３３は、一本の配管であってもよい。この際、熱交換部５３３は、螺旋状をなして形成されたり、表面に凹凸を設けたりすることで伝熱面積が大きくすることが好ましい。

上記のような圧縮機システム１０では、圧縮機１を起動する際に、潤滑油ヒータ２４を稼働させてタンク本体２１内に貯蔵された潤滑油を加熱する。これにより、例えば、２０℃程度の外気温と同程度とされていた潤滑油が加熱されて４０℃〜５０℃程度まで昇温される。昇温された潤滑油は、潤滑油供給ライン３で軸受装置１３まで供給される。具体的には、潤滑油は送給ポンプ３１によって圧送されることでオイルクーラ３２及びオイルフィルタ３３を通過して軸受装置１３まで送られる。軸受装置１３に供給された潤滑油は、軸受装置１３で使用されることで６０℃から７０℃程度まで温度が上昇する。高温となった潤滑油は、潤滑油戻しライン４によって潤滑油タンク２まで戻される。潤滑油タンク２まで戻された潤滑油は、潤滑油戻しライン４と接続されたドレンノズル２２から脱ガストレイ２３を介してタンク本体２１内に流れ込む。その後、タンク本体２１内に貯蔵された液体状態の潤滑油は、内部の気泡等が抜かれながら温度が徐々に低下する。その後、５０℃程度まで温度が下がった潤滑油は、再び潤滑油供給ライン３で軸受装置１３まで送られる。
なお、潤滑油ヒータ２４は、圧縮機１の起動時に潤滑油を昇温した後に停止される。

この際、シールガス供給ライン５では、シールガスがドライガスシール部１４に供給される。具体的には、潤滑油ヒータ２４によって昇温された潤滑油と熱交換することで、熱交換部５３３内のシールガスの温度が２０℃程度から４０℃程度まで上昇する。昇温されたシールガスは、第一ヘッダー部５３１を介して熱交換部５３３から供給ライン５１に送られる。供給ライン５１に送られたシールガスは、ドライガスシール部１４に供給される。ドライガスシール部１４に供給されたシールガスは回転環１４ａと静止環１４ｃとの間を流れて、ケーシング１１とロータ１２との隙間をシールすることに使用される。ドライガスシール部１４で使用されたシールガスは、ガスを燃焼させる設備であるフレアに送られる。

一方、ケーシング１１の内部から新たに回収された作動流体の一部が、シールガスとして、回収ライン５２から第二ヘッダー部５３２を介して熱交換部５３３に送られる。タンク内ライン５３では、再び熱交換部５３３でシールガスが昇温される。このように、シールガスは、潤滑油タンク２を経由することで昇温され、ドライガスシール部１４に送られる。

上記のような圧縮機システム１０によれば、潤滑油戻しライン４によって潤滑油タンク２に軸受装置１３から潤滑油が戻されることで、タンク本体２１内に貯蔵されている潤滑油は高温となっている。そのため、熱交換部５３３が軸受装置１３から戻された潤滑油を貯蔵しているタンク本体２１内に配置されていることで、高温の潤滑油によって温められた領域にシールガスを流通させることができる。その結果、熱交換部５３３を流通させるだけでシールガスを潤滑油と同程度の温度まで昇温させることができる。したがって、ガスヒータのようにシールガスを温めるために専用の加熱装置をシールガス供給ライン５に用いることなく、高温の潤滑油を利用してシールガス供給ラインに流通させるだけでシールガスを昇温させることができる。これにより、新たに加熱装置を設けることなく、シールガスを温めることができる。

また、潤滑油とシールガスとで熱交換を行うことで、潤滑油の熱がシールガスに奪われて潤滑油の温度が低下する。そのため、オイルクーラ３２で冷却するべき潤滑油の温度の幅が小さくなる。その結果、オイルクーラ３２の規模を小さくしても所定の温度まで潤滑油を冷却することができる。

本実施形態では、熱交換部５３３がタンク本体２１内に貯蔵された液体状態の潤滑油内に浸漬されるように配置されている。そのため、高温の潤滑油内でシールガスを流通させることができる。その結果、気体状態の潤滑油内に熱交換部５３３を配置する場合に比べて、効率的にシールガスと潤滑油とを熱交換させることができる。これにより、効率的にシールガスを温めることができる。

圧縮機１の起動時には、軸受装置１３でまだ潤滑油が使用されていないために、高温となった潤滑油が潤滑油戻しライン４から送られてこない。そのため、タンク本体２１内に貯蔵された液体状態の潤滑油は外気と同程度の低温となっている。ところが、液体状態の潤滑油内に潤滑油ヒータ２４が配置されていることで、潤滑油を直接温めることができる。そのため、起動時のように、軸受装置１３から高温の潤滑油が送られてこないことでタンク本体２１内の潤滑油の温度が低い場合であっても、潤滑油を温めることができる。その結果、確実にシールガスを昇温させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、シールガス供給ライン５は、本実施形態のようにシールガスとして圧縮機１の作動流体を利用することに限定されるものではない。つまり、シールガス供給ライン５は、潤滑油タンク２内を経由して圧縮機１にシールガスを供給することができればよい。例えば、シールガス供給ライン５は、シールガスの供給源から潤滑油タンク２内を経由して圧縮機１にシールガスを供給し、循環させずに排出する構造であってもよい。

上記した圧縮機システム１０によれば、シールガスを温めることができる。

１０ 圧縮機システム
１ 圧縮機
１１ ケーシング
１２ ロータ
１２ａ スラストカラー
１３ 軸受装置
１３ａ ラジアル軸受
１３ｂ スラスト軸受
１４ ドライガスシール部
１４ａ 回転環
１４ｂ シャフトスリーブ
１４ｃ 静止環
１４ｄ リテーナ
１４ｅ ラビリンスシール
２ 潤滑油タンク
２１ タンク本体
２２ ドレンノズル
２３ 脱ガストレイ
２４ 潤滑油ヒータ
Ｌ 液面
３ 潤滑油供給ライン
３１ 送給ポンプ
３２ オイルクーラ
３３ オイルフィルタ
４ 潤滑油戻しライン
５ シールガス供給ライン
５１ 供給ライン
５２ 回収ライン
５３ タンク内ライン
５３１ 第一ヘッダー部
５３２ 第二ヘッダー部
５３３ 熱交換部

Claims (3)

1. 軸線回りに回転するロータ及び該ロータを支持する軸受装置を有する圧縮機と、
   潤滑油が貯蔵された潤滑油タンクと、
   該潤滑油タンクから前記軸受装置に潤滑油を供給する潤滑油供給ラインと、
   前記軸受装置から前記潤滑油を前記潤滑油タンクに戻す潤滑油戻しラインと、
   前記圧縮機に供給されるシールガスが流通し、前記潤滑油タンク内を経由して前記圧縮機に前記シールガスを導くシールガス供給ラインと、を備える圧縮機システム。
2. 前記シールガス供給ラインは、前記潤滑油タンク内に貯蔵された液体状態の前記潤滑油内を経由する請求項１に記載の圧縮機システム。
3. 潤滑油タンクは、貯蔵された液体状態の前記潤滑油内に配置されて前記潤滑油を加熱する潤滑油ヒータを有する請求項１または請求項２に記載の圧縮機システム。

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