多级高压泵.pdf

本发明提供一种多级高压泵，具有：旋转轴(1)，固定在旋转轴上的多个叶轮(3)，收容多个叶轮的壳体(2)，机械密封(20)，收容机械密封(20)的密封室(25)，储存油的油存储部(30)，使油存储部(30)和密封室(25)连通的供油管道(26)，将油存储部(30)内的油加压并提供给密封室(25)的油泵(31)，保持密封室(25)内的油的压力的压力保持机构(32、34、35)，以及，从密封室(25)排出油的排油管道(27)。密封室(25)内的油的压力设定为比流体的压力高。

1.  一种多级高压泵，其特征在于，具备：
旋转轴；
多个叶轮，固定在上述旋转轴上；
壳体，收容上述多个叶轮；
机械密封；
密封室，收容上述机械密封；
油存储部，储存油；
供油管道，使上述油存储部和上述密封室连通；
油泵，将上述油存储部内的油加压并提供给上述密封室；
压力保持机构，保持上述密封室内的油的压力；以及，
排油管道，从上述密封室排出油；
上述密封室内的油的压力比上述流体的压力高。

2.  如权利要求1所述的多级高压泵，其特征在于，
上述压力保持机构具有：止回阀，位于上述油泵与上述密封室之间，设置在上述供油管道上；
至少一个存储器，配置在上述止回阀与上述密封室之间；以及，
关闭阀，设置在上述排油管道上。

3.  如权利要求1所述的多级高压泵，其特征在于，
上述机械密封具有：互相滑动接触的第1旋转侧密封部件和第1固定侧密封部件；以及，互相滑动接触的第2旋转侧密封部件和第2固定侧密封部件。

多级高压泵
技术领域
本发明涉及多级高压泵，尤其涉及处理CO₂或H₂S等超临界流体的多级高压泵。
背景技术
石油作为液体存在于被坚固的岩盘覆盖着的油田中。并且，天然气作为气体存在于地壳内形成的气田中。石油的采掘用钻探装置在岩盘上开采取孔，从该采取孔中采掘石油。在新的油田中，石油利用油田内部的压力自动喷出，但老化的油田用泵抽取石油。此时，由于不能采取油田中所有的石油，因此往油田中注入高压水等进行石油开采。
在开采石油或天然气时，伴随有CO₂(二氧化碳)和H₂S(硫化氢)等气体(低压气体)。CO₂由于会引起地球变暖，因此要求尽可能抑制其排出，但以前没有处理就直接排放到大气中了。并且，H₂S由于是有害气体，以往用脱硫处理装置捕捉，而被埋设处理。
最近进行这样的处理：回收这些CO₂或H₂S，用压缩机加压后进行冷却使其变成液体或超临界流体，再用高压泵加压，将CO₂和H₂S重新注入岩盘下。为了使CO₂和H₂S变成超临界状态而固定在岩盘下面等，需要高的压力，从容量或轴密封结构等来看，多级高压泵最适合作为该压力源。如果采用这种方法，不仅能够稳定地开采石油以及天然气，而且能够将CO₂和H₂S回注到岩盘下。因此可以说该方法为不仅能够有效地利用CO₂和H₂S，而且对地球环境有益的方法。
发明内容
另一方面，由于液化H₂S腐蚀性和毒性强，因此高压泵需要具有绝不能让高压超临界流体泄漏到外部的结构。因此，本发明的目的就是要提供一种高压流体不会泄漏到外部的多级高压泵。
为了达到上述目的，本发明的一个实施形态为一种多级高压泵，其特征在于，具备：旋转轴；多个叶轮，固定在上述旋转轴上；壳体，收容上述多个叶轮；机械密封；密封室，收容上述机械密封；油存储部，储存油；供油管道，使上述油存储部和上述密封室连通；油泵，将上述油存储部内的油加压并提供给上述密封室；压力保持机构，保持上述密封室内的油的压力；以及，排油管道，从上述密封室排出油；上述密封室内的油的压力比上述流体的压力高。
本发明的优选形态的特征在于，上述压力保持机构具有：止回阀，位于上述油泵与上述密封室之间，设置在上述供油管道上；至少一个存储器，配置在上述止回阀与上述密封室之间；以及，关闭阀，设置在上述排油管道上。
本发明的优选形态的特征在于，上述机械密封具有：互相滑动接触的第1旋转侧密封部件和第1固定侧密封部件；以及，互相滑动接触的第2旋转侧密封部件和第2固定侧密封部件。
如果采用本发明，即使在停电等紧急时油泵停止，由于保持密封室内的油的压力，因此流体不会进入密封室内。结果，能够防止流体(例如超临界流体)从旋转侧与固定侧之间泄漏。
附图说明
图1为表示本发明的一个实施方式涉及的泵的剖视图；
图2为表示图1所示的轴密封单元的图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施方式。图1为表示本发明的一个实施方式涉及的离心式多级泵的剖视图。该泵具有：旋转自由地支持在径向轴承8A、8B和推力轴承9上的旋转轴1，串联配置在该旋转轴1上的多个叶轮3，收容这些叶轮3的多个内壳2A，收容这些内壳2A的桶形外壳2B。由该内壳2A和外壳2B构成具有双重壳体结构的壳体2。
多片叶轮3朝同一个方向排列，各叶轮3一一收容在各内壳2A中。在内壳2A与导流叶片14之间安装有销4，由这些销固定内壳2A与导流叶片14的相对位置。而且，各内壳2A用沿旋转轴1延伸的多根贯穿螺栓5互相固定。在外壳2B上形成有吸入口6和排出口7。旋转轴1的端部连结在图中没有表示的驱动装置(例如马达)上，由该驱动装置驱动叶轮3旋转。
上述结构中，当叶轮3旋转时，从吸入口6吸入流体(本例中为超临界流体)导向叶轮3，由各叶轮3依次升压。内壳2A与外壳2B之间的空间被升压后的流体充满，流体从排出口7排出。这种双重壳体结构具有外壳2B承受升压后的流体的压力和拉伸应力、内壳2A仅承受压缩应力的优点。一方面，如果壳体为一个的话，同时满足最适合压缩流体的形状和耐高压的形状的壳体结构就变得复杂了。在这一点上，如果是双重壳体结构，能够分别设计、制作内壳和外壳，使内壳为最适合压缩流体的形状、外壳为保持压力的形状(容易密封的形状，流体不会泄漏到外面的安全性高的形状)。另外，在本实施形态中，内壳2A、外壳2B和叶轮3等与液体接触的结构部件用具有耐腐蚀性的材料形成。
壳体盖13固定在壳体2的排出一侧的端部，而且，在壳体盖13的一侧端部固定有填料箱12A。并且，在壳体2的吸入一侧的端部固定有填料箱12B。在壳体2(图1的例子为外壳2B)与壳体盖13之间设置有O形圈15A，同样，在壳体盖13与填料箱12A之间设置有O形圈15B。并且，在壳体2(图1的例子为外壳2B)与填料箱12B之间也设置有O形圈15C。
在壳体2与壳体盖13的接触面、壳体盖13与填料箱12A的接触面以及壳体2与填料箱12B的接触面上，分别形成有环形槽16A、16B、16C。这些环形槽16A、16B、16C分别与压力检测口17A、17B、17C连通。这些压力检测口17A、17B、17C分别与图中没有表示的压力传感器连接，而且各压力传感器与图中没有表示的警报装置连结。这些警报装置采用当压力传感器的输出值上升达到规定的值时发出警报的结构。
在上述结构中，当流体从壳体2泄漏时，压力传感器的输出值上升。当该压力传感器的输出值达到上述规定值时，由警报装置发出警报，由此检测到流体泄漏。因此，通过采用上述结构，能够提供安全性高的泵。
在壳体2的排出侧，设置有平衡吸入侧与排出侧的压力差引起而产生的推力载荷的平衡室10。更详细为，在壳体盖13内形成平衡室10。该平衡室10的形状为围绕旋转轴1，通过连通管道11与吸入口6连通。因此，平衡室10内的压力与吸入口6的压力(吸入压力)相同。超临界流体的比重一般随压力而变化。作为获取轴向推力载荷平衡的结构，可以列举背靠背地配置叶轮、沿同一个方向排列叶轮并且安装平衡活塞等，但在处理超临界流体的泵中，本实施方式的结构(即平衡室10和连通管道11)最合适。
如图1所示，在壳体2的吸入侧和排出侧分别配置有机械密封20。这些机械密封20分别配置在填料箱12A、12B内。下面参照图2说明包括机械密封20的轴密封单元。
图2为表示图1所示的包含机械密封的轴密封单元的放大图。如图2所示，本实施方式的机械密封20为基本上由2对旋转侧密封部件和固定侧密封部件构成双机械密封。详细为，机械密封20具有：与旋转轴1一体旋转的2个密封环(第1和第2旋转侧密封件)21A、21B，分别与这些密封环21A、21B滑动接触的2个密封环主体(第1和第2固定侧密封部件)22A、22B，分别将这些密封环主体22A、22B挤压在密封环21A、21B上的弹簧(挤压机构)23、23。
套筒24固定在旋转轴1上，上述密封环21A、21B固定在该套筒24的外周面上。上述密封环主体22A、22B固定在固定侧部件上。2对密封环21A、21B和密封环主体22A、22B关于垂直于旋转轴1的平面对称地配置。
机械密封20配置在密封室25内。供油管道26连结在该密封室25上，其端部连接在油箱(油存储部)30上。在供油管道26上设置有油泵31和止回阀32，所述油泵31将从油箱30提供来的油加压并移送到密封室25中，所述止回阀32位于油泵31与密封室25之间。而且，供油管道26上连接有分支管道33，该分支管道33上并列连接有3个存储器34。供油管道26与分支管道33的连接点位于止回阀32与密封室25之间。
在各存储器34的内部设置有图中没有表示的隔板(隔壁)，氮气等气体封存在其中。移送到密封室25内的油的一部分通过分支管道33导入3个存储器34内，储存在存储器34内。储存在存储器34内的油被上述气体的压力加压。因此，存储器34具有保持提供给密封室25的油的压力的功能。
另外，虽然在本实施方式中设置3个存储器34，但本发明并不局限于此。例如，既可以设置单个存储器，或者也可以设置2个或4个以上的存储器。总而言之，重要的是由存储器保持的油的压力比被叶轮3(参照图1)旋转升压后的超临界流体的压力高。
止回阀32只允许油从油箱30向密封室25的方向流动。密封室25上还连接有排油管道27，该排油管道27与油箱30连通。通过采用这种结构，油从油箱30提供给密封室25，在填满该密封室25后通过排油管道27再返回油箱30中。如此这般，使油在油箱30与密封室25之间循环。排油管道27中设置有紧急关闭阀35，在停电等紧急情况下，关闭该紧急关闭阀35，停止油的循环。
提供给密封室25的油的压力设定为比被泵升压后的流体(本实施方式为超临界流体)的压力高。例如，当流体被泵升压到大概15MPa时，密封室25内油的压力维持在16MPa左右。这样一来，由于密封室25内的油压比流体的压力高，因此少量的油通过密封环21A、21B与密封环主体22A、22B之间流出到密封室25的外部。因此，被旋转的叶轮3升压后的流体不会进入密封室25内，防止流体泄漏到泵的外部。另外，通过密封环21A、21B与密封环主体22A、22B之间的油从图中没有表示的排泄口排出到泵的外部。
当停电等引起油泵31停止时，紧急关闭阀35关闭，油的流通停止。在此状态下，虽然油泵31停止对油加压，但止回阀32与紧急关闭阀35之间的油的压力(即密封室25内的油压)被存储器34维持住。因此，即使在油泵31停止的情况下，升压后的超临界流体也不进入密封室25内，防止超临界流体泄漏到泵的外部。
这样一来，上述本发明实施方式涉及的泵适合作为用来处理CO₂和H₂S等超临界流体的高压泵使用。虽然此前说明了本发明的实施方式，但本发明并不局限于上述实施方式，在其技术思想的范围内当然可以以各种不同的方式进行实施。
产业上的可利用性
本发明能够用于处理CO₂和H₂S等超临界流体的多级高压泵。