阅读说明：本技术 干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及装置 (Supercritical carbon dioxide turbine shaft end sealing method and device adopting dry gas coupling labyrinth sealing ) 是由 刘光旭 黄彦平 王俊峰 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及装置,方法采用干气密封实现压气机和透平的轴端密封,采用迷宫密封减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量。所述轴端密封装置包括干气密封单元和迷宫密封单元,所述干气密封单元能够实现压气机和透平的轴端密封,所述迷宫密封单元能够减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量。密封方法包括对干气密封的进气温度和流量进行协调控制的步骤以及启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤。本发明利用干气密封实现了大功率高转速超临界二氧化碳压气机和透平轴端高效密封,利用迷宫密封减缓干气密封失效时压气机和透平泄漏量,确保压气机和透平安全停机,显著增加了机组安全性。(The invention discloses a method and a device for sealing the shaft end of a supercritical carbon dioxide turbine by dry gas coupling labyrinth seal. The shaft end sealing device comprises a dry gas sealing unit and a labyrinth sealing unit, the dry gas sealing unit can realize shaft end sealing of the gas compressor and the turbine, and the labyrinth sealing unit can reduce the carbon dioxide leakage amount when the dry gas sealing fails. The sealing method comprises the steps of performing coordinated control on the inlet temperature and the flow of the dry gas seal and monitoring and controlling the leakage of the dry gas seal after the compressor and the turbine are started. The invention realizes the high-efficiency sealing of the shaft ends of the high-power high-rotating-speed supercritical carbon dioxide gas compressor and the turbine by using the dry gas seal, reduces the leakage amount of the gas compressor and the turbine when the dry gas seal fails by using the labyrinth seal, ensures the safe shutdown of the gas compressor and the turbine, and obviously increases the safety of the unit.)

干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及 装置

技术领域

本发明涉及先进涡轮设备的技术领域，更具体地讲，涉及一种干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及装置。

背景技术

超临界二氧化碳动力转换系统是一种革新性的动力转换技术概念，压气机和透平是该系统的核心设备。

压气机和透平属于高转速涡轮设备，相对于传统的空气工质，超临界二氧化碳压气机和透平需要解决高转速、高压下超临界二氧化碳的密封问题，密封效果的好坏直接影响到系统的安全性和经济性。

传统的迷宫密封、机械密封等存在泄漏量大、无法实现高转速运行等问题，不适用于大功率高转速超临界二氧化碳压气机和透平，干气密封密封效果较好，但长期运行可靠性弱于传统密封。目前还没有公开的有效的超临界二氧化碳压气机和透平轴端密封方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及装置，可实现大功率高转速超临界二氧化碳压气机和透平轴端的高效密封。

本发明的一方面提供了干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法，采用干气密封实现压气机和透平的轴端密封，采用迷宫密封减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量，确保压气机和透平安全停机。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法的一个实施例，所述方法包括对干气密封的进气温度和流量进行协调控制的步骤以及启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法的一个实施例，在对干气密封的进口温度和流量进行协调控制的步骤中，基于等比焓膨胀计算出干气密封的最低进气温度并对干气密封的进气温度和流量进行自动控制；在对干气密封泄漏进行监视控制的步骤中，通过监控干气密封的泄漏量及时控制压气机和透平的工作状态。

本发明的另一方面提供了干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置，所述轴端密封装置包括干气密封单元和迷宫密封单元，所述干气密封单元能够实现压气机和透平的轴端密封，所述迷宫密封单元能够减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量，确保压气机和透平安全停机。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的一个实施例，所述干气密封单元包括设置在压气机/透平转子与压气机/透平气缸之间且互相配合的干气密封动环和干气密封静环，其中，干气密封动环和干气密封静环之间能够形成干气密封气膜。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的一个实施例，所述干气密封静环设置在压气机/透平气缸内壁上，所述干气密封动环设置在压气机/透平转子上，所述干气密封静环通过弹性元件与压气机/透平气缸端壁相连。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的一个实施例，所述迷宫密封单元包括设置在压气机/透平转子与压气机/透平气缸之间的第一迷宫密封本体和第二迷宫密封本体，所述第一迷宫密封本体设置于低压侧且第二迷宫密封本体设置于高压侧。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的一个实施例，所述轴端密封装置还包括干气密封监控单元，所述干气密封监控单元包括与压气机/透平气缸连通的进口监测子单元和出口监测子单元，所述进口监测子单元包括加热器、控制阀、压力传感器、第一流量计和温度传感器，所述出口监测子单元包括第二流量计。

本发明的再一方面提供了上述干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的密封方法，所述密封方法包括对干气密封的进气温度和流量进行协调控制的步骤以及启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤。

根据本发明干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的密封方法的一个实施例，在对干气密封的进口温度和流量进行协调控制的步骤中，基于等比焓膨胀计算出干气密封的最低进气温度并对干气密封的进气温度和流量进行自动控制；在启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤中，将压气机/透平转子提升至目标转速后监视干气密封泄漏流量并及时控制压气机和透平的工作状态。

与常规方案相比，本发明提供了一种干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封方法及装置，利用干气密封实现了大功率高转速超临界二氧化碳压气机和透平轴端高效密封，利用迷宫密封减缓干气密封失效时压气机和透平泄漏量，显著增加了机组安全性。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-压气机/透平转子、2-干气密封动环、3-干气密封静环、4-压气机/透平气缸、5-第一迷宫密封本体、6-第二迷宫密封本体、7-加热器、8-控制阀、9-压力传感器、10-第一流量计、11-温度传感器、12-第二流量计。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明基于现有技术中的问题提出一种基于干气密封和迷宫密封耦合作用的超临界二氧化碳压气机和透平轴端密封方法，采用干气密封实现压气机和透平的轴端密封，采用迷宫密封减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量。也即，本发明以干气密封作为主密封，当干气密封失效后将迷宫密封作为备用密封，从而有效减少压气机和透平向外的二氧化碳泄漏量，确保压气机和透平安全停机。

具体地，该方法包括对干气密封的进气温度和流量进行协调控制的步骤以及启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤，其中，在对干气密封的进口温度和流量进行协调控制的步骤中，基于等比焓膨胀计算出干气密封的最低进气温度并对干气密封的进气温度和流量进行自动控制，从而控制干气密封的进气温度在预定范围内，确保干气密封内不会出现二氧化碳固化现象。而在对对干气密封泄漏进行监视控制的步骤中，通过监控干气密封的泄漏量及时控制压气机和透平的工作状态。

下面具体对本发明的干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置进行说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置包括干气密封单元和迷宫密封单元，干气密封单元能够实现压气机和透平的轴端密封，迷宫密封单元能够减少干气密封失效时的二氧化碳泄漏量，确保压气机和透平安全停机。

具体地，本发明的干气密封单元包括设置在压气机/透平转子1与压气机/透平气缸4之间且互相配合的干气密封动环2和干气密封静环3，其中，正常情况下，经由第一流量计及其管路流入的干气密封进气在干气密封动环2进口前分为两路，一路流过第二迷宫密封6进入压气机/透平内部，另一路流经干气密封动环2和干气密封静环3之间，并在干气密封动环2和干气密封静环3之间形成刚性气膜，阻挡二氧化碳进一步向外泄漏。

上述干气密封静环3设置在压气机/透平气缸4内壁上，干气密封动环2设置在压气机/透平转子1上，干气密封静环3通过弹性元件如弹簧与压气机/透平气缸4的端壁相连。

本发明的迷宫密封单元则包括设置在压气机/透平转子1与压气机/透平气缸4之间的第一迷宫密封本体5和第二迷宫密封本体6，第一迷宫密封本体5设置于低压侧且第二迷宫密封本体6设置于高压侧。当干气密封失效或干气密封进气失效后，压气机/透平气缸内高压二氧化碳将通过第一迷宫密封本体5和第二迷宫密封本体6向外泄露，此时迷宫密封单元作为备用密封，减少压气机和透平向外的二氧化碳泄漏量。

如果干气密封进气温度过低，二氧化碳经过干气密封动环2和干气密封静环3之间间隙向外泄露时压力逐步降低，二氧化碳气体温度随之降低，可能在干气密封动环2和干气密封静环3之间间隙形成二氧化碳固体颗粒，导致干气密封动环2损坏。为了实现控制并确保干气密封安全稳定运行，本发明的轴端密封装置还包括干气密封监控单元，该干气密封监控单元包括与压气机/透平气缸4连通的进口监测子单元和出口监测子单元，其中进口监测子单元用于调节和控制干气密封的进气温度和流量，出口监测子单元则用于监控向外的二氧化碳泄漏量。

具体地，进口监测子单元包括加热器7、控制阀8、压力传感器9、第一流量计10和温度传感器10以及连接各组件的管路，出口监测子单元包括第二流量计12。在采用上述干气耦合迷宫密封的超临界二氧化碳涡轮轴端密封装置时，采用的密封方法包括对干气密封的进气温度和流量进行协调控制的步骤以及启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤。其中，在对干气密封的进口温度和流量进行协调控制的步骤中，基于等比焓膨胀计算出干气密封的最低进气温度并对干气密封的进气温度和流量进行自动控制，确保干气密封动环2和干气密封静环3之间间隙不会形成二氧化碳固体颗粒；在启动压气机和透平后对干气密封泄漏进行监视控制的步骤中，将压气机/透平转子提升至目标转速后监视干气密封泄漏流量并及时控制压气机和透平的工作状态。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

本实施例的结构采用如图1所示的密封装置。

步骤1：干气密封进气温度和流量协调自动控制，具体步骤如下：

步骤1.1：启动加热器，将加热器功率调整至预定值；

步骤1.2：调用超临界二氧化碳物性程序NIST REFPROP V8.0计算压力传感器和和25℃对应的比焓h；

步骤1.3：计算0.1MPa和比焓h对应的二氧化碳温度t，如果t在10～50℃范围内，则保持加热器加热功率不变，如果t小于10℃，则增加加热器加热功率；如果t高于50℃，则降低加热器加热功率；

步骤1.4：调节控制阀的开度，使第一流量计流量达到目标值；

步骤1.5：重复步骤1.2至步骤1.3，使得0.1MPa和比焓h对应的二氧化碳温度t在10～50℃的范围内。

步骤2：压气机和透平启动后监视干气密封的运行状态并及时控制压气机和透平的工作状态，具体步骤如下：

步骤2.1：将压气机/透平转子按一定的升速率提升至目标转速；

步骤2.2：监视第二流量计的流量，当第二流量计的流量超过允许值时，输出停机信号并控制压气机和透平停机；

步骤2.3：监视迷宫密封的泄漏状态。

综上所述，本发明利用干气密封实现了大功率高转速超临界二氧化碳压气机和透平轴端高效密封，利用迷宫密封减缓干气密封失效时压气机和透平泄漏，显著提高了机组安全性；同时采用干气密封进气的自动控制，确保干气密封内不会出现二氧化碳固化现象，确保了干气密封安全稳定运行。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。