减少排放气体密封件的制作方法

本申请请求享有2016年6月10日提交的美国临时申请号62/348551的权益，其内容通过引用并入本文中。

本公开内容涉及机械密封件，且更具体地涉及用于旋转构件的非接触气体润滑密封件。

背景技术：

在石化行业中，离心压缩机可沿天然气管线间隔定位，以增大气体压力用于处理，以抵消沿传输管线的流动损失的效果，且大体上保持气体朝其目的地移动。这些压缩机可在石化过程中在上游(在勘探和生产期间)、中游(在处理、储存和输送期间)或下游(在天然气和石化精炼、输送和分配期间)使用。这些离心压缩机还可用于输送其它流体。

为了移动天然气或其它流体，离心压缩机使用成形壳体中的旋转盘或叶轮，以迫使气体到达叶轮的边沿，从而增大气体的速度。扩散器(发散管)将速度能转换成压力能。

干气体密封件可用于减小旋转构件上的摩擦磨损，同时防止离心或处理气体的泄漏。为了进一步阻止处理过的气体泄漏入大气，一些离心压缩机可包括串联工作的成对的干气体密封件。这种机械密封系统的一个实例在美国专利号8651801中描述，其内容通过引用并入本文中。

参看图1，绘出了'801专利的串联非接触干气体密封布置100的局部截面视图。密封布置100的至少部分定位在旋转压缩机轴102与压缩机壳体104之间。旋转压缩机轴102可操作地联接至设置在压缩机的过程腔106中的压缩机叶轮(未示出)，且由壳体104经由设置在壳体104的轴承腔108中的轴承(未示出)支承。形成在压缩机壳体104中的开孔110在过程腔106与轴承腔108之间延伸，且限定环形密封室112。在旋转压缩机轴102与压缩机壳体104之间形成的沿径向延伸的开口上方延伸的护罩或迷宫式密封件114阻止过程气体从过程腔106自由流入开孔110。

可达到6500psig(450bar-g)的压力的过程腔106中存在的过程气体由第一级密封件116和第二级密封件118与轴承腔108和大气或周围环境密封。第一级密封件116包括旋转环120(备选地称为匹配环)，其经由套筒122可操作地联接至旋转压缩机轴102。旋转环120限定与非旋转或静止环128(备选地称为主环)的径向密封面126成相对可旋转密封关系的径向密封面124。静止环128经由偏压弹簧130和弹簧载体环132可操作地联接至压缩机壳体104，从而允许静止环128相对于旋转环120的轴向移动，以便允许旋转密封面124与静止密封面126之间的间隙宽度的尺寸变化。大体上，弹簧载体环132中的偏压弹簧130使静止环128朝旋转环120偏压。密封面124,126之间引入的加压气体提供相对于偏压弹簧130的反作用力，以增大密封面124,126之间的间隙宽度，以便允许有效密封，同时阻止密封面124,126的磨损来提高耐用性。第二级密封件118以类似方式构造。

在操作期间，称为"密封气体"的转移过程气流提供至第一级密封件116。转移过程气体大体上在气体调节单元(未示出)中过滤和处理，例如，通过加热和/或干燥过程气体，以在输送至第一级密封件116之前移除蒸汽颗粒和液体。一旦适当调节，则通常加压至过程腔106中的过程气体的压力或更大压力的密封气体经由入口134流入室136，穿过第一级密封件116，进入室138且经由出口140流出。此外，由于压差，密封气体的一部分通常流过迷宫式密封件114且流入过程腔106，因此产生沿一个方向的气流，其防止未过滤和未处理的过程气体进入环形密封室112。

以相似方式，通常是惰性气体如氮(n2)的"阻隔气体"提供至第二级密封件118。通常加压至略高于室138中的气体压力的压力的阻隔气体流过入口142，进入室144，穿过第二级密封件118，进入室146且经由出口148离开。此外，阻隔气体的部分从室144流至室138，且与密封气体一起经由出口140流出。

在一些密封布置中，称为"分离气体密封件"的附加气体密封件150可构造成使环形密封室112与轴承室108内的油隔离。分离气体流过入口152，穿过分离气体密封件150，进入室146，且经由出口148离开。

在一些情况下为主要由甲烷构成的天然气的过滤和处理过的过程气流(密封气体)的部分经由出口140流出，且通常其部分直接输送至大气。通常是每离心压缩机每分钟大约八标准立方英尺的此泄漏已被业界认为是可接受量。

甲烷(ch4)上温室气体，已经证明温室气体不利地影响气候变化。近年来，由于天然气资源的可用性增加以及老化的天然气分配系统，故大气中甲烷排放水平提高。目前，估计天然气分配系统内发生20%的甲烷泄漏。离心压缩机泄漏是天然气分配系统中的甲烷排放的最大来源之一。根据一些估计，压缩机排放占每个设施每年大约500公吨的甲烷泄漏。

进一步减小天然气或其它过程气体排至大气的系统在不需要许多离心压缩机构件的昂贵替换的情况下，将提供优于目前用于天然气行业中的常规系统的显著优点。

技术实现要素：

本公开内容的实施例提供了一种干气体密封系统，其构造成将分离气体向上游泵送入过程室，从而使穿过第一密封级的正常气流反向，以用于将压缩机壳体与干气体密封系统的旋转压缩机轴之间的过程气体泄漏排放最小化至接近零的水平的目的。干气体密封系统使用低压清洁惰性气体来替代调节的甲烷或其它过程气体。通过第一级密封件的凹槽旋转环的旋转，惰性气体加压至高于过程气体压力的压力，从而允许惰性气体流入过程气体，使得很少或没有过程气体排放或泄漏到大气或周围环境。因此，本公开内容的实施例提供了环境更友好的压缩机密封系统，其用于减小甲烷生产损失。

本公开内容的一个实施例提供了一种用于压缩机的串联的非接触干气体机械密封系统，其构造成阻止过程气体在静止压缩机壳体与旋转压缩机轴之间的排放。机械密封系统可包括第一级密封件、第二级密封件和单个分离气体供应子系统。第一级密封件可包括可操作地联接至压缩机轴的第一旋转环，以及由可操作地联接至压缩机壳体的第一偏压机构朝第一旋转环可操作地偏压的第一静止环。第一旋转环可限定螺旋形凹槽，其构造成加压穿过第一旋转环和第一静止环的对接部分之间的气体，以部分地抵消第一偏压机构的偏压力。第二级密封件可包括可操作地联接至压缩机轴的第二旋转环，以及由可操作地联接至压缩机壳体的第二偏压机构朝第二旋转环可操作地偏压的第二静止环。第二旋转环和第二静止环的对接部分可构造成加压穿过对接部分之间的气体，以部分地抵消第二偏压机构的偏压力。单个分离气体供应子系统可构造成将供应的分离气体从入口引导至第一级密封件的对接部分且进入过程腔，且从入口穿过第二级密封件的对接部分且经由出口离开至大气，从而阻止压缩机壳体与旋转压缩机轴之间的过程气体的排放。

本公开内容的另一个实施例提供了一种用于压缩机的非接触干气体机械密封系统，其构造成阻止过程气体在静止压缩机壳体与旋转压缩机之间的排放。机械密封系统可包括机械密封件和分离气体供应子系统。机械密封件可包括可操作地联接至压缩机轴的旋转环，以及由可操作地联接至压缩机壳体的偏压机构朝第一旋转环可操作地偏压的静止环。旋转环可限定凹槽，其构造成加压穿过旋转环和静止环的对接部分之间的气体，以部分地抵消偏压机构的偏压力。分离气体供应子系统可构造成将供应的分离气体从入口引导穿过机械密封件的对接部分且进入过程腔。

本公开内容的另一个实施例提供了一种利用机械密封系统阻止过程气体在静止压缩机壳体与旋转压缩机轴之间排放的方法。该方法可包括以下步骤：提供机械密封系统，其具有第一级密封件，第一级密封件包括可操作地联接至压缩机轴的第一旋转环，以及由可操作地联接至压缩机壳体的第一偏压机构朝第一旋转环可操作地偏压的第一静止环，第一旋转环限定螺旋形凹槽，构造成加压穿过第一旋转环和第一静止环的对接部分之间的气体，以部分地抵消第一偏压机构的偏压力；第二级密封件，其包括可操作联接至压缩机轴的第二旋转环，以及由可操作地联接至压缩机壳体的第二偏压机构朝第二旋转环可操作地偏压的第二静止环，第二旋转环和第二静止环的对接部分构造成加压穿过对接部分之间的气体，以部分地抵消第二偏压机构的偏压力；以及单个分离气体供应子系统；将供应的分离气体引导穿过分离气体供应子系统的单个入口；转移供应的分离气体，使得第一部分穿过第一级密封件的对接部分，且第二部分穿过第二级密封件的对接部分；以及将供应分离气体的第一部分排入压缩机壳体的过程腔中，以与处理气体共混，从而阻止过程气体排出。

本公开内容的实施例还可在其它工业领域中实施，例如，其中温室气体压缩来用于二氧化碳的增强油回收(eor)压缩。

以上概述不旨在描述本公开内容的每个所示实施例或每个实施方式。以下附图和详细描述更具体地列举了这些实施例。

附图说明

结合附图，考虑到本公开内容的各种实施例的以下详细描述，可更完全理解本公开内容，在附图中：

图1为绘出现有技术的串联非接触干气体密封布置的局部截面视图。

图2为绘出根据本公开内容的实施例的串联非接触干气体机械密封系统的局部截面视图。

图3a为绘出根据本公开内容的第一实施例的第一级密封件的旋转环的密封面的平面视图。

图3b为图3a中的旋转环的局部平面视图，其中压力梯度穿过密封面图解绘出。

图4a为绘出根据本公开内容的第二实施例的第一级密封件的旋转环的密封面的平面视图。

图4b为图4a中的旋转环的局部平面视图，其中压力梯度穿过密封面图解绘出。

图5a-d为绘出根据本公开内容的一个实施例的第二级密封件的旋转环的密封面的平面视图。

尽管本公开内容的实施例可进行各种修改和备选形式，但将不会详细描述通过举例在附图中示出的其细节。然而，应理解，本发明不将本公开内容限于所述特定实施例。相反，意图旨在覆盖所有落入由权利要求限定的本主题的精神和范围内的所有改型、等同方案和备选方案。

具体实施方式

参看图2，绘出了根据本公开内容的实施例的串联非接触干气体机械密封系统200的局部截面视图。在一个实施例中，机械密封系统至少部分地安装在限定在旋转压缩机轴202与静止压缩机壳体204之间的空间内。旋转压缩机轴202可操作地联接至设置在机械密封系统200的过程腔206中的压缩机叶轮(未示出)，且可经由壳体204的轴承腔208中的轴承(未示出)由壳体204支承。形成在壳体204中的开孔210在过程腔206与轴承腔208之间延伸，且限定环形密封室212。过程腔206中存在的过程气体可由第一级密封件216和第二级密封件218与轴承腔208和环境密封。尽管结合两个密封级216,218绘出和描述了机械密封系统200，但可设想更多或更少数量的密封级。此外，在一些实施例中，护罩或迷宫式密封件可在形成在旋转压缩机轴202与压缩机壳体204之间的径向开口之上延伸，从而进一步阻止过程气体从过程腔206自由流入环形密封室212和环境。

第一级密封件216和第二级密封件218可包括可操作地联接至旋转压缩机轴202的旋转环220,222。在一个实施例中，旋转环220,222可操作地联接至套筒部件224，套筒部件224继而可操作地联接至旋转压缩机轴202。套筒部件224可包括构造成保持旋转环220的部分的第一凸缘形成部分226，和构造成保持旋转环222的部分的第二凸缘形成部分228。在一个实施例中，第二凸缘形成部分228独立于套筒部件224形成，使得第二凸缘形成部分228可相对于套筒部件224沿轴向滑动。在一个实施例中，环形部件230和232可沿套筒部件224定位，以有助于将旋转环220、第二凸缘形成部分228和旋转环222保持在其期望位置。因此，共同地称为旋转部件的套筒部件224、第一凸缘形成部分226、第二凸缘形成部分228、环形部件230、环形部件232、旋转环220和旋转环222连同压缩机轴202一起旋转。

第一级密封件216和第二级密封件218还可包括可操作地联接至压缩机壳体204的静止环234,236。在一个实施例中，构造成保持静止环234的部分的第一载体环238可经由第一偏压机构246可操作地联接至第一环形部件242，第一偏压机构246在一个实施例中可为弹簧组件(如图2中所示)。构造成保持静止环236的部分的第二载体环240可经由第二偏压机构248可操作地联接至第二环形部件244，第二偏压机构246在一个实施例中可为弹簧组件(如图2中所示)。因此，共同地称为非旋转或静止部件的第一载体环238、第二载体环240、第一环形部件242、第二环形部件244、第一偏压机构246、第二偏压机构248、静止环234和静止环236相对于压缩机壳体204保持其位置。

流体路径可限定在旋转部件与静止部件之间，阻隔气体可流过流体路径(如在图2中由一系列箭头绘出)。阻隔气体可为任何适合的稠密气体，如，二氧化碳(co2)、氮(n2)、空气或其它气体。阻隔气体可经由阻隔气体入口250引入流体路径中。随后，阻隔气体可流过导管252并进入室254，在该处其可分成第一阻隔气流和第二阻隔气流。第一阻隔气流可经由导管256流至第一级密封件216。第二阻隔气流可经由导管258流至第二级密封件218。

第一级密封件216的旋转环220和静止环234可包括相应的旋转径向密封面260和静止径向密封面262。旋转径向密封面260可定位在静止径向密封面262附近，使得面260,262在机械密封系统200未操作时抵靠接触，且允许气体通过的窄自调节间隙(通常测得为1到3μm的宽度)在机械密封件200操作时限定在面260,262之间。第一载体环238和第一偏压机构246可构造成允许静止环234相对于压缩机壳体204的轴向移动，以便允许旋转密封面260与静止密封面262之间的间隙宽度的尺寸变化。在一个实施例中，第一偏压机构246使静止环234朝旋转环220偏压。引入密封面260,262之间的加压气体相对于第一偏压机构246的偏压提供反作用力，以增大密封面260,262之间的间隙宽度，以便允许有效密封，同时阻止密封面260,262的磨损来提高持久性。

参看图3a-4b，示出了根据本公开内容的旋转环220的实施例。在一个实施例中，凹槽区域264设在密封面260的内部部分上，使得阻隔气体可在面260和262之间流动，且阻隔气体压力可保持在面260,262之间的间隙内而足以对抗由第一偏压机构246的静止径向密封面262朝旋转密封面260的偏压，从而产生阻隔气体缓冲来润滑密封面260,262且允许密封。在一个实施例中，密封面260,262的一个或多个凹槽区域构造成促进分离气体从第一级密封件216的内径朝第一级密封件216的环形外径流动(如图2中所示)。具体而言，凹槽266可限定为通向旋转环220的内径267，以便允许流体静压提升，以便在旋转环达到全转速之前至少部分地引起面260,262之间的分离(如果加压气体从内径267进入凹槽/在加压气体从内径267进入凹槽时)。在一个实施例中，凹槽区域264的凹槽266可限定螺旋形状，其构造成在旋转环220旋转时产生穿过密封面260的压力梯度(如图3b和4b中所示)。因此，阻隔气体的流体压力可使用旋转压缩机轴202的少量动能经由与特定形状的螺旋凹槽266的流体相互作用来升高，从而允许流体动力提升，从而保持面260,262之间的分离。在其它实施例中，可设想凹槽区域264的其它构造。在另一个实施例中，凹槽区域264可位于静止环234上。

参看图5a-d，示出了根据本公开内容的第二级密封件218的旋转环222的实施例。第二级密封件218的旋转环222和静止环236可包括相应的旋转径向密封面268和静止径向密封面270。旋转径向密封面268可定位在静止径向密封面270附近，使得面268,270在机械密封系统200未操作时抵靠接触，且允许气体通过的窄间隙在机械密封件200操作时限定在面268,270之间。第二载体环240和第二偏压机构248可构造成允许静止环236相对于压缩机壳体204的轴向移动，以便允许旋转密封面268与静止密封面270之间的间隙宽度的尺寸变化。在一个实施例中，第二偏压机构248使静止环236朝旋转环222偏压。引入密封面268,270之间的加压气体相对于第二偏压机构248的偏压提供反作用力，以增大密封面268,270之间的间隙宽度，以便允许有效密封，同时阻止密封面268,270的磨损来提高持久性。

在一个实施例中，密封面268,270中的任一个或两个可包括凹槽区域271，其构造成提高压力生成能力，且改善其间的阻隔气流。凹槽区域271的凹槽273可限定螺旋或箭头形状，如，美国专利号4212475和6655693中所述的那些，其内容通过引用并入本文中。在一个实施例中，密封面268,270的一个或多个凹槽区域271构造成促进气体从第二级密封件218的环形外径流至第二级密封件218的内径(如图2中所示)。在其它实施例中，密封面268,270的一个或多个凹槽区域271可构造成允许分离气体沿任一方向流动。

在穿过第一级密封件216之后，第一阻隔气流可流入室272，且进入过程腔206。此外，在穿过第二级密封件218之后，第二阻隔气流可流入导管274、室276、导管278，且经由阻隔气体出口280离开压缩机壳体204，从而与过程气体共混和/或混合。在一个实施例中，阻隔气体可收集和/或再调节，从而产生闭环来减少对阻隔气体的附加供应的需要。在其它实施例中，阻隔气体可排出至大气和/或作为压缩空气引入燃料混合物，以用于对压缩机轴202的旋转供能的燃烧电机。

在操作中，阻隔气流经由阻隔气体入口250在低于过程腔206内的气体压力的相对压力下引入压缩机壳体204，例如，在10到50bar之间的压力下。阻隔气体沿导管252流动，且进入室254，在该处，其分成第一阻隔气流和第二阻隔气流。第一阻隔气流沿导管256朝第一级密封件216延续，而第二阻隔气流朝第二级密封件218沿导管258延续。

当压缩机轴202旋转时，相应第一级密封件216的凹槽266和第二级密封件218的凹槽273产生压力梯度，以有助于阻隔气体从阻隔气体入口250流至相应的第一级密封件216和第二级密封件218。然而，由于阻隔气体的相对压力低于过程腔206内的气体，故可采取一个或多个附加步骤来平衡第一级密封件216的两侧上的压力，且/或提供人工流体静力提升，以便提供密封面260,262之间的初始间隙，直到第一旋转环220达到对接处间隙在该转速可保持的转速。例如，在一个实施例中，阻隔气体入口250可至少部分地封闭或受阻，以便允许过程气体经由第一密封件216泄漏，从而升高导管256内的压力，以便减小穿过第一级密封件216的压力梯度。在另一个实施例中，机械密封系统200可包括构造成允许过程气体流入导管256的压力平衡管线281，以便降低穿过第一级密封件216的压力梯度。在又一个实施例中，机械密封系统200可包括促动器，促动器构造成产生第一级密封件216的密封面260,262之间的机械分离，从而人工地提供初始流体静力提升(如2017年5月15日提交的美国专利申请序列号62/506196中公开，其内容通过引用并入本文中)。过程气体的最小泄漏可能发生，直到第一旋转环220达到对接处间隙在该转速可保持的转速，且阻隔气体入口250打开，压力平衡线281闭合，且/或促动器断电。通过将过程气体容纳在机械密封系统200内可最小化泄漏，使得进入导管256的过程气体经由第一级密封件126流回到过程室206。

当第一阻隔气流穿过第一级密封件216的径向密封面260,262时，压力增大，直到其达到或超过过程腔206内的气体压力。穿过密封面260,262的阻隔气流提供密封面260,262之间的缓冲，从而润滑第一级密封件216且阻止密封面260,262之间的接触。由于阻隔气体加压至超过过程腔206内的气体压力的压力，则第一阻隔气流继续进入过程腔206，从而与其中的过程气体混合。因此，进入过程腔206的阻隔气流代表常规干气体密封布置中的流动方向的反向，其中过程气体将一般从过程室206经由第一级密封件216流动且离开至大气。

当第二阻隔气流穿过第二级密封件218的径向密封面268,270时，阻隔气体压力增大，以便提供密封面268,270之间的润滑缓冲。在穿过密封面268,270之间之后，第二阻隔气流沿导管274继续进入室276，沿导管278，且经由阻隔气体出口280离开压缩机壳体204。在阻隔气体出口280处，第二阻隔气流可排出至大气，再循环回分离气体供应源，或与对压缩机供能的燃料气体混合。因此，穿过第二级密封件218的阻隔气流在第一级密封件218故障的情况下用作后备。

穿过第一级密封件216进入过程腔206的上游阻隔气流提供了许多优点。具体而言，由于过程气体未用作阻隔气体，则不需要用于从过程气体移除湿气和污染物来允许适当润滑且阻止腐蚀的气体调节单元。此外，通过回到过程室206的第一阻隔气流的压力推动过程气体，因此阻止过程气体排入周围环境中。因此，本公开内容的实施例提供了环境更友好的机械密封系统200，其用于减小甲烷生产损失。本领域的普通技术人员将清楚许多其它优点。

应理解，本教导内容的方法中使用的单独步骤可以任何顺序和/或同时地执行，只要教导内容保持可操作。此外，应理解，本教导内容的设备和方法可包括任何数量或全部所述实施例，只要教导内容保持可操作。

本文描述了系统、装置和方法的各种实施例。这些实施例仅通过举例给出，且不旨在限制请求保护的发明的范围。然而，应认识到，描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合来产生许多附加的实施例。此外，尽管为了与公开实施例一起使用来描述各种材料、尺寸、形状、构造和位置等，但也可使用除公开那些之外的其它，而不超出请求保护的发明的范围。

相关领域中的普通技术人员将认识到本主题可包括比任何上述单独实施例所述的更少的特征。这里描述的实施例并不意味着可以组合本主题的各种特征的方式的详尽表示。因此，实施例不是特征的互斥组合；相反，各种实施例可包括选自不同单独实施例的不同单独特征的组合，这将由本领域的普通技术人员理解到。此外，相对于一个实施例所述的元件可在其它实施例中实施，即使在未在此实施例中描述时，除非另外指出。

尽管从属权利要求可在权利要求中指出与一个或多个其它权利要求的特定组合，但其它实施例也可包括从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合，或一个或多个特征与其它从属或独立要求的组合。此组合在本文中提出，除非指出不期望特定组合。

通过引用上述文献的任何并入是有限的，使得不包含与本文的明确公开内容相反的主题。通过参考上述文献的任何并入进一步受限，使得文献中包括的任何权利要求均不通过引用并入本文。通过参考上述文献的任何并入进一步受限，使得除非明确包括在本文中，否则文献中提供的任何定义不通过引用并入本文。

出于解释权利要求的目的，除非在权利要求中叙述特定术语"用于...的装置"或"用于...的步骤"，明确意图是不应援引35u.s.c§112(f)的规定。