(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機から硫化水素を含む圧縮ガスを受け取るように構成された圧力容器と、
前記圧力容器に結合された熱交換器であり、冷却ユニットおよびウォーターノックアウトユニットを備え、前記圧縮ガスを冷却し、前記圧縮ガスから水を除去し、冷却された圧縮ガスを形成するように構成された熱交換器と、
前記圧力容器内に収容された電動機と
を備え、
前記電動機が前記第１の圧縮機に機械的に結合されており、前記圧力容器が、前記冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分を前記熱交換器から受け取り、前記電動機と接触させ、前記電動機の巻線を冷却するように構成されている
システム。
【請求項２】
前記第１の圧縮機が多段式遠心圧縮機であり、
前記圧力容器の出口側において前記電動機と統合された第２の多段式遠心圧縮機をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
硫化水素を含む圧圧縮ガス流路を画定する圧力容器内へ圧縮ガス流を導入するように構成された第１の多段式遠心圧縮機と、
前記圧力容器に結合された熱交換器であり、冷却ユニットおよびウォーターノックアウトユニットを備え、前記圧縮ガスを冷却し、前記圧縮ガスから水を除去し、冷却された圧縮ガスを形成するように構成された熱交換器と、
前記圧力容器内に収容され、前記第１の多段式遠心圧縮機に機械的に結合された電動機であり、前記冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分が接触して、前記電動機の巻線を冷却するように構成された電動機と、
前記圧力容器内に収容され、前記冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分が接触するように構成された電動機に機械的に結合された第２の多段式遠心圧縮機であり、前記冷却された圧縮ガスを圧縮するように構成された第２の多段式遠心圧縮機と
を備えるシステム。
【請求項４】
前記熱交換器の出口と前記第２の多段式遠心圧縮機の入口とを接続するバイパス導管を備え、
前記第２の多段式遠心圧縮機が、前記圧縮ガスの流路に配置された回転子と、前記圧縮ガスの流路に配置された軸受とを備える、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
前記電動機が、前記第１の圧縮機の可変の動力要件を整合させる周波数制御回路と、
前記圧縮ガスにより冷却される軸受と、
を備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記電動機が、前記巻線を含む固定子を囲う封入ユニットを備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記封入ユニットが、前記電動機内の前記圧縮ガスよりも高い圧力に維持された電気絶縁油を内包するハーメチック缶を含む、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記電動機が、永久磁石を含む回転子であって、前記圧縮ガスにより冷却され、耐食性のケーシング内にシールされた回転子を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
酸性ガス混合物を圧縮する方法であって、
（ａ）硫化水素および二酸化炭素を含むガス混合物を圧縮して、約５バールから約２０バールの範囲の第１の圧力を有する圧縮ガス混合物を形成するステップであり、前記圧縮ガス混合物が、硫化水素を約１０から約９５体積パーセント、二酸化炭素を約９０から約５体積パーセント含み、前記硫化水素と前記二酸化炭素が合わせて、前記圧縮ガス混合物の総重量の約９０から約１００重量パーセントに相当する量だけ存在し、前記圧縮が、第１の圧縮機内で実行され、前記第１の圧縮機が、前記圧縮ガス混合物を受け取るように構成された圧力容器に結合されている、ステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で形成した前記圧縮ガス混合物を、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度まで冷却して、前記圧縮ガス混合物から水を除去し、冷却された圧縮ガス混合物を形成するステップと、
（ｃ）前記冷却された圧縮ガス混合物の少なくとも一部分を、第１の電動機と接触させ、前記電動機の巻線を冷却するステップであり、前記第１の電動機が前記圧力容器内に収容されており、前記第１の電動機が前記第１の圧縮機に機械的に結合されている、ステップと
を含む方法。
【請求項１０】
ステップ（ｂ）で冷却した前記圧縮ガス混合物の少なくとも一部分、およびステップ（ｃ）で前記電動機と接触させた前記冷却された圧縮ガス混合物の少なくとも一部分を、約６０バールから約２００バールの範囲のある圧力までさらに圧縮するステップ（ｄ）をさらに含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電動機−圧縮機システムに関し、より具体的には、酸性ガス（ａｃｉｄ  ｇａｓ）を圧縮するための電動機−圧縮機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス層から抽出されたガスは一般に、天然ガスの主要炭化水素成分であるメタン（ＣＨ4）を高い濃度で含み、さらに、かなりの濃度の硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスおよび二酸化炭素（ＣＯ2）ガスを含む。抽出された天然ガスは、比較的純粋なＣＨ4を得るために精製され、精製されたＣＨ4は、住宅用および産業用として、パイプラインを通して送達することができる。天然ガス精製工程の主要な副生物は酸性ガスであり、この酸性ガスは主として、Ｈ2ＳとＣＯ2の混合物ならびにさまざまな量の水分を含む。業界の標準的な慣行は、酸性ガス混合物を、元素状硫黄、固体、気体ＣＯ2および水に転化させるものである。元素状硫黄は、後の使用または処分のために貯蔵され、ＣＯ2は大気中に廃棄される。しかしながら、このような業界の標準的な慣行は、火災の場合に重大な環境リスクとなる莫大な量の可燃性元素状硫黄の生成、貯蔵および処分に関連した課題を提起する。上記の業界の標準的な慣行はさらに、結果的にかなりの量のＣＯ2を大気中へ放出し、それにより、実施者は、一部の顧客による非難の的となる。酸性ガス副生物を処理する代替案は、枯渇した天然ガス層などの適切な地下の地層に酸性ガス混合物を再注入することを含む。
【０００３】
この酸性ガス再注入法には、適切な地下の地層に酸性ガス混合物を押し込むのに必要なヘッドプレッシャ（ｈｅａｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を供給する圧縮機が必要である。この目的に使用される圧縮機は一般に、１００バールから２００バールの範囲の動作圧を有する多段式遠心圧縮機である。このような高い圧力は大きな動力を必要とし、したがって、これらの圧縮機を駆動するために高速電動機が使用される。しかしながら、このタイプの高速電動機は一般に大量の熱を発生し、その熱は、電動機それ自体、および圧縮機システムの他の、影響を受ける構成要素に対する損傷を防ぐためにうまく処理しなければならない。従来、いくつかのタイプの冷却システムが、高速電動機を冷却するために使用されている。例えば、プロセスガスに対して作動している圧縮機に関連づけられた高速電動機を冷却するために、プロセスガス自体またはその成分を使用することができる。しかしながら、このような冷却システムの効率は、風損（ｗｉｎｄａｇｅ  ｌｏｓｓ）などの因子によって制限される傾向がある。
【０００４】
酸性ガス再注入操作では、一般にガス混合物の２５％から６５％を占める高濃度のＨ2Ｓのため、再注入の前に圧縮しなければならないガス混合物が有害である。人間によるものではない供給源（例えば細菌、サーマルベント（ｔｈｅｒｍａｌ  ｖｅｎｔ）、火山および温泉）が豊富にあるため、Ｈ2Ｓは自然界のいたる所に存在するが、高濃度では比較的有毒である。大規模な酸性ガス再注入は、かなりの量の高圧の硫化水素を取り扱うことを含み、再注入プラントの職員および環境に対する危険を回避するため、酸性ガス混合物の大気中への偶発的放出を防ぐ適切な予防措置がとられなければならない。そのため、酸性ガスを圧縮する信頼性が高くより安全な新規のシステムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１２８，１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は、酸性ガスの再注入に関連した上記の課題およびその他の課題に対するいくつかの解決策を提供する。一態様において、本発明は、１台または数台の高速電動機と、酸性ガスの圧縮に使用することができる１台または数台の圧縮機とを統合するのに役立つ特定の電動機−圧縮機システム構成を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態において、本発明は、酸性ガス混合物を圧縮する方法であって、（ａ）硫化水素および二酸化炭素を含むガス混合物を圧縮して、約５バールから約２０バールの範囲の第１の圧力を有する圧縮ガス混合物を形成するステップであり、前記圧縮ガス混合物が、硫化水素を約１０から約９５体積パーセント、二酸化炭素を約９０から約５体積パーセント含み、前記硫化水素と前記二酸化炭素が合わせて、圧縮ガス混合物の総重量の約９０から約１００重量パーセントに相当する量だけ存在し、前記圧縮が、第１の圧縮機内で実行され、前記第１の圧縮機が、圧縮ガス混合物を受け取るように構成された圧力容器に結合されている、ステップと、（ｂ）ステップ（ａ）で形成した圧縮ガス混合物を、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度まで冷却して、冷却された圧縮ガス混合物を形成するステップと、（ｃ）冷却された圧縮ガス混合物の少なくとも一部分を、第１の電動機と接触させるステップであり、前記第１の電動機が圧力容器内に収容されており、前記第１の電動機が第１の圧縮機に機械的に結合されている、ステップとを含む方法を提供する。
【０００８】
代替実施形態において、本発明は、第１の圧縮機と、第１の圧縮機から圧縮ガスを受け取るように構成された圧力容器と、圧力容器に結合された熱交換器であり、圧縮ガスを冷却し、冷却された圧縮ガスを形成するように構成された熱交換器と、圧力容器内に収容された電動機とを備え、電動機が第１の圧縮機に機械的に結合されており、圧力容器が、冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分を熱交換器から受け取り、電動機と接触させるように構成されているシステムを提供する。
【０００９】
他の実施形態において、本発明は、圧縮ガス流路を画定する圧力容器内へ圧縮ガス流を導入するように構成された第１の多段式遠心圧縮機と、圧力容器に結合された熱交換器であり、圧縮ガスを冷却し、冷却された圧縮ガスを形成するように構成された熱交換器と、圧力容器内に収容され、第１の多段式遠心圧縮機に機械的に結合された電動機であり、冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分が接触するように構成された電動機と、圧力容器内に収容され、冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分が接触するように構成された電動機に機械的に結合された第２の多段式遠心圧縮機であり、冷却された圧縮ガスを圧縮するように構成された第２の多段式遠心圧縮機とを備えるシステムを提供する。
【００１０】
当業者には、以下の詳細な説明、添付図面および添付の特許請求の範囲から、本発明の他の実施形態、態様、特徴および利点が明白になるであろう。
【００１１】
添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、本発明のこれらの特徴、態様および利点、ならびにその他の特徴、態様および利点が、よりいっそう十分に理解されるであろう。添付図面では、全体を通じて、同様の符号が同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】圧力容器内に収容され、圧縮機に機械的に結合された電動機を示す本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】２台の圧縮機に機械的に結合された単一の高速電動機を備える本発明の例示的な一実施形態に基づく電動機−圧縮機システムの概略図である。
【図３】それぞれ別個の圧縮機に機械的に結合された２台の高速電動機を備える本発明の例示的な一実施形態に基づく電動機−圧縮機システムの概略図である。
【図４Ａ】図２または図３に示した圧縮過程全体のエントロピーに対する温度のプロットである。
【図４Ｂ】図２または図３に示したガス圧縮過程全体の圧力に対する温度のプロットである。
【図５】電動機を効率的に冷却する本発明の例示的な一実施形態に基づく方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面は原寸に比例して示されておらず、図面に示された構成要素の実際の相対サイズは、本明細書に示したものとは異なることがある。
【００１４】
本発明は、酸性ガス混合物を圧縮するのに特に有用なガス圧縮法およびガス圧縮システムを提供する。初めに、再注入するために圧縮が必要な酸性ガス混合物は一般に、かなりの量の硫化水素を含む非常に有毒なガス混合物であることに留意されたい。さらに、深く安全な地層へ酸性ガス混合物を効率的に再注入するのに必要な圧力は、地表の再注入ユニットが処理している酸性ガスの偶発的な放出を防ぐ厳重な方策が必要となるほどに十分に高い。酸性ガス再注入ユニットは一般に、高速電動機によって駆動される一連の圧縮機を備える。一態様において、本発明は、圧縮された酸性ガス（以後、圧縮酸性ガス）を圧縮機から受け取るように構成された圧力容器内に、ガス圧縮機を駆動するのに使用する高速電動機を配置することによって、酸性ガス再注入ユニットからのプロセスガスの漏出を制御し、排除する必要性に対処する。電動機と圧縮機の間のシールを通した漏れは、圧力容器の境界の内側で起こることになるため、このような構成は、電動機と圧縮機の間のシールに対する依存性を低下させる。圧力容器内に高速電動機を組み込むことの欠点は、圧縮機によって生成され、圧力容器に導入される圧縮ガスが比較的高温であり、一般的な高速電動機のさまざまな構成要素に対して腐食性であることである。この開示を読み終えた当業者には明白なことだが、本発明は、圧縮機とその駆動電動機との間のシールに対する依存性を低下させ、同時に、処理中の酸性ガスの腐食効果から駆動電動機を保護する新規のシステムおよび方法を提供する。
【００１５】
高速電動機は動作中にかなりの量の熱を発生させる。高速電動機を狭い空間に配置するときには一般に、高い動作温度に起因する電動機の損傷を防ぐため、冷却システムが提供される。圧力容器内に電動機を配置することは、ガス漏れの防止に関してはかなりの有利だが、動作中の電動機の温度制御の点からは、追加の課題を提起する。圧力容器に外部冷却システムを統合してもよいが、そうすると、追加の費用が生じ、システムの複雑さが増すことになる。本発明は、圧力容器内に配置された高速電動機を冷却する必要性に対処し、適切に処理した後のプロセスガス自体を使用して、高速電動機を冷却する。
【００１６】
前述のとおり、第１の圧縮機は、圧力容器それ自体の内部に配置された（「内部に収容された」とも言う）高速電動機によって駆動される。この電動機は、第１の圧縮機を駆動するように構成されており、第１の圧縮機に機械的に結合されていると言われる。本明細書で使用するとき、用語「機械的に結合された」は、その意味の中に、結合された第１の構成要素を回転させ、それによって結合された第２の構成要素の回転を達成することによって一緒に回転させることができる、結合された構成要素の状態を含む。さらに、用語「機械的に結合された」は、駆動軸１１２（例えば図２参照）の端部が、継手要素止めねじの第１のセットによって継手要素１１６の第１の部分内に固定されており、回転子１１８の端部が、継手要素１１６の第２の部分内に回転子１１８の端部を固定するためにしっかりと締め付けられるように構成された継手要素止めねじの第２のセットを有する同じ継手要素１１６の第２の部分内に配置されている場合のように、２つ以上の構成要素が、互いに結合するように構成されてはいるが、実際には互いに結合されていない状態を含む。しかしながら、継手要素止めねじの第２のセットはまだ締め付けられてはおらず、回転子の端部１１８は、継手要素１１６または駆動軸１１２を回転させることなく、継手要素１１６の第２の部分内で自由に回転することができる。したがって、用語「機械的に結合された」は、駆動軸１１２と回転子１１８が、取外し可能な継手要素１１６によって結合されるように構成されているが、この継手要素が取り外されている構成を含む。一実施形態では、第１の圧縮機の回転子が、電動機の回転子に機械的に結合される。本明細書には、さまざまなタイプの機械的結合が示されている。例えば図２および図３を参照されたい。圧力容器内に配置される電動機は一般に、約３０００から約１５０００回転／分（ｒｐｍ）の回転速度で動作する高速電動機である。一実施形態では、この高速電動機が永久磁石電動機である。一実施形態では、第１の圧縮機が多段式遠心圧縮機である。
【００１７】
本発明のさまざまな実施形態では、圧力容器に結合された第１の圧縮機によって生成された圧縮ガス混合物が、圧力容器内に画定された流路を通して熱交換器へ導かれ、そこで冷却されて、冷却された圧縮ガスを形成する。熱交換器のもう１つの機能は、圧縮ガスから水分を除去することである。酸性ガスなどのガス混合物の腐食性は、水分の存在下で特に高くなることがあることを当業者は理解するであろう。したがって、一実施形態では、熱交換器が、圧縮ガス冷却ユニットおよび別個のウォーターノックアウトユニット（ｗａｔｅｒ  ｋｎｏｃｋ−ｏｕｔ  ｕｎｉｔ）を備える。代替実施形態では、熱交換器が、圧縮ガスを冷却し、同時に圧縮ガスから水を除去する一体構造を備える。本発明のさまざまな実施形態では、熱交換器が、第１の圧縮機が生成する実質的に全ての圧縮ガスを処理するために使用され、次いで、熱交換器は、水を実質的に含まない冷却された圧縮ガスを生成する。熱交換器から出てくる冷却された圧縮ガスは、第１の圧縮機によって生成される圧縮ガスとほぼ同じ圧力（約５バールから約２０バール）によって特徴づけられるが、第１の圧縮機によって生成される圧縮ガスよりも大幅に低い温度を有する。一実施形態では、冷却された圧縮ガスが、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度を有する。熱交換器は、圧力容器の内部または圧力容器の外部に配置することができる。いずれの構成でも、熱交換器は、処理中のガスのガス流路の部分を形成する。
【００１８】
次いで、冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分を、圧力容器内に配置された電動機と接触させる。電動機は、圧力容器によって画定されたガス流路内に位置し、冷却された圧縮ガスの少なくとも一部分が、この流路に沿って導かれ、電動機と接触する。さまざまな実施形態において、電動機と接触する冷却された圧縮ガスの流れの方向および質量をファンによって制御することができ、このファンは、電動機から離して配置し、電動機に取り付け、または電動機に組み込むことができる冷却された圧縮ガスは、電動機のさまざまな構成要素と接触し、それらの構成要素から熱を除去する。電動機から熱を吸収した冷却された圧縮ガスは次いで、圧力容器によって画定された流路に沿ってさらに進み、電動機と接触した状態を脱する。
【００１９】
本発明のさまざまな実施形態では、冷却された圧縮ガスの一部分だけが電動機と接触し、冷却された圧縮ガスの残りの部分は、代替流路によって、電動機の下流の圧力容器内のある位置（例えば図２に示したゾーン４を参照されたい）まで導かれ、そこで、電動機と接触した冷却された圧縮ガスと再び合流する。次いで、再結合した熱交換器の冷却された圧縮ガス出力は、安全な地層へ酸性ガスを効率的に再注入するのに適した圧力までさらに圧縮される。一実施形態では、再結合した熱交換器の冷却された圧縮ガス出力をさらに圧縮するこのステップが、約６０バールから約２００バールの範囲のある圧力および１７０℃までのある温度によって特徴づけられた、さらに圧縮されたガスを形成する。一実施形態では、再結合した熱交換器の冷却された圧縮ガス出力をさらに圧縮するこのステップが、第１の圧縮機を駆動するために使用している電動機と同じ高速電動機によって駆動される第２の圧縮機を使用して実行される。したがって、第１の圧縮機と第２の圧縮機の両方に機械的に結合された単一の第１の電動機を使用して、これらの両方の圧縮機を駆動することができる。代替実施形態では、圧力容器内に同じように配置された第２の電動機が、第２の圧縮機に機械的に結合され、第２の圧縮機を駆動する。一実施形態では、第２の圧縮機が多段式遠心圧縮機である。代替実施形態では、第１の圧縮機と第２の圧縮機がともに多段式遠心圧縮機である。
【００２０】
前述のとおり、一実施形態では、本発明が、硫化水素（Ｈ2Ｓ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を含むガス混合物を圧縮する方法を提供する。硫化水素および二酸化炭素を含む初期ガス混合物を、圧力容器に結合された第１の圧縮機によって圧縮する。第１の圧縮機に関して、「圧力容器に結合された」という表現は、第１の圧縮機の出力である「圧縮ガス流」または単に「圧縮ガス混合物」が、圧力容器内へ導かれることを意味する。圧力容器は、第１の圧縮機から圧縮ガスを受け取るように構成されていると言われる。
【００２１】
圧縮されるガス混合物は一般に、硫化水素を約１０から約９５体積パーセント、二酸化炭素を約９０から約５体積パーセント含み、圧縮されたガス混合物は必然的に、硫化水素と二酸化炭素をほぼ同じ体積パーセントで含む。一般に、初期ガス混合物中または圧縮ガス混合物中の硫化水素と二酸化炭素の量は合わせて、圧縮ガス混合物の総重量の約９０から約１００重量パーセントに相当する。一実施形態では、圧縮されるガス混合物（初期ガス混合物）が、硫化水素を約２０から約７０重量パーセント含む。初期ガス混合物は、水、ならびにメタン、エタン、プロパンおよび天然ガス中に存在する同種のガスなどの炭化水素を含むことがある。初期ガス混合物が、一般にほぼ室温から約６０℃である初期温度および約１から約２バールである初期圧力から圧縮されると、圧縮ガスの温度はかなり上昇する。一実施形態では、第１の圧縮機によって圧縮されているガス混合物の圧力が約１バールから約１０バールへ増大すると、温度は約６０℃から約１７０℃へ上昇する。
【００２２】
一実施形態では、第１の圧縮機が、初期酸性ガス混合物を圧縮して、温度約６０℃から約１７０℃、圧力約１０バールの第１の圧縮ガスを形成する。この第１の圧縮ガスは圧力容器に導入され、熱交換器へ導かれ、そこで約２０℃から約５０℃の範囲のある温度まで冷却されて、冷却された圧縮ガス混合物を形成する。この冷却された圧縮ガス混合物の少なくとも一部分を、圧力容器内に配置され、第１の圧縮機に機械的に結合された第１の電動機と接触させる。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に従って圧縮機１０４と統合された（機械的に結合された）電動機１０２の部分断面図である。図１に示した実施形態は、電動機−圧縮機システム１００（以後、相互に交換可能にシステム１００とも呼ぶ）の一部を示し、このシステムでは、圧力容器１０６内に収容された電動機１０２が圧縮機１０４と統合されている。電動機１０２は２台の圧縮機間、すなわち電動機１０２の入口側に位置する第１の圧縮機（図示せず）と電動機１０２の出口側に位置する第２の圧縮機１０４との間に位置する。本発明のさまざまな実施形態において、第１の圧縮機および第２の圧縮機１０４を単段式または多段式遠心圧縮機とすることができる。
【００２４】
図１を参照すると、電動機１０２は、固定子１０８および回転子１１０を含む。本発明の一実施形態では、回転子１１０が永久磁石回転子であり、電動機１０２が交流（ＡＣ）同期電動機である。他の実施形態では、このＡＣ同期電動機が励磁機（ｅｘｃｉｔｅｒ）を必要としない。さらに、回転子１１０は、駆動軸１１２の一部を形成することができ、駆動軸１１２の両端、すなわち第１の端部１１２ａおよび第２の端部１１２ｂは、それぞれ磁気軸受１１４ａおよび１１４ｂによって回転可能に支持されている。これらの磁気軸受は、長期間にわたって動作する回転軸の摩滅を最小化することによって動力損失を低減させる。駆動軸１１２はさらに、継手要素１１６を介して、第２の圧縮機１０４の回転子１１８に、縦方向に接続されている。回転子１１８は、磁気軸受１２０ａおよび１２０ｂ内で回転可能に支持されている。
【００２５】
電動機−圧縮機システム１００の非定常状態動作中、例えば高速始動／載荷状態（ｆａｓｔ  ｓｔａｒｔ−ｕｐ  ａｎｄ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｒｅｇｉｍｅ）中に、システム１００の異なる構成要素は異なるレベルの振動を受ける。その結果、システム１００のこれらの異なる構成要素、例えば第２の圧縮機１０４および電動機１０２は、互いに対して回転軸の歪みを受け、したがって、継手要素１１６のところで曲げモーメントを発生させる。本発明の一実施形態では、継手要素１１６を縦軸に沿って曲がらないようにし、継手要素１１６が曲げモーメントを吸収することができるようにするため、継手要素１１６が、ハース継手（Ｈｉｒｔｈ  ｃｏｕｐｌｉｇ）要素および固定継手要素のうちの一方を含む。一実施形態では、ハース継手または固定継手が、個々のシャフトが縦軸に沿って曲がらず、互いに対して自動的に中心に戻るような態様で半径方向に自由に回転するように、全ての鋸歯（ｓｅｒｒａｔｉｏｎ）がシャフトの中心線の向きに正確に機械加工されるように設計される。その結果、回転子１１８も駆動軸１１２も、動作中に過大な応力を受けない。さらに、ハース継手要素または固定継手要素は、軸方向に沿って撓む撓み継手要素と比べて、組立ておよび分解がはるかに容易である。電動機１０２と第２の圧縮機１０４との可撓性の統合のために含まれる設計態様に加えて、システム１００の構成はさらに、システム１００のさまざまな構成要素と接触する酸性ガス混合物の研摩性を取り扱うため、設計のロバストネスを必要とする。
【００２６】
多くの金属は硫化物応力亀裂に対して敏感であるため、処理する酸性ガス混合物中にＨ2Ｓが存在することによって、電動機１０２の構成要素に対して使用することができる材料は制限される。ガス混合物の腐食効果から電動機１０２のさまざまな構成要素を守るため、固定子１０８を封入ユニット１２２で囲うことができる。図１に示した例示的な実施形態では、封入ユニット１２２がハーメチック缶（ｈｅｒｍｅｔｉｃ  ｃａｎ）である。同様に、酸性ガス混合物の腐食効果および研摩効果から保護するため、ハルバッハ配列（Ｈａｌｂａｃｈ  ａｒｒａｙ）の磁石（図示せず）を耐食性のケーシング１２４に入れることによって、回転子１１０をシールすることもできる。一実施形態では、ハルバッハ配列の磁石が、電動機１０２の回転子１１０の一部を形成する。ハルバッハ配列は、回転子１１０の一方の側の磁界を増大させ、もう一方の側の磁界をほぼゼロにまで打ち消す永久磁石の特殊な配置である。したがって、本発明の一実施形態では、酸性ガス混合物の組成および特性が、電動機−圧縮機システム１００の構成および設計を左右する。さらに、システム１００の構成および設計が、電動機−圧縮機システム１００内を流れるときにガス混合物に加える圧力のレベルに基づくこともある。
【００２７】
システム１００を使用して、深く安全な地層に酸性ガスを再注入する場合、地表の再注入ユニットにおいて必要なヘッドプレッシャは一般に、その特定の地層に関連した要件によって約６０バールから約２００バールの範囲にある。前述のとおり、ヘッドプレッシャを大きくするためには一般に高速電動機を使用する必要がある。本明細書に開示するさまざまな実施形態では、必要な動力を第２の圧縮機１０４に供給するために、電動機１０２（以後、相互に交換可能に高速電動機１０２とも呼ぶ）が非常に大きな速度、一般に３０００〜５０００ｒｐｍの範囲の速度で回転し、この過程で、固定子１０８の巻線においてかなりの量の熱を発生させることがある。したがって、固定子１０８の内部の巻線を冷却するため、封入ユニット１２２は電気絶縁油（図示せず）を含むことができる。電気絶縁油は冷却を提供するだけでなく、固定子１０８の内部の構成要素間の絶縁も提供する。比較的高い温度であっても、電気絶縁油は、長期間にわたって燃え上がることなく安定であり続けなければならない。
【００２８】
電動機の固定子１０８および他の構成要素は、電動機１０２内を通り抜ける圧縮酸性ガス流によって冷却される。一実施形態では、封入ユニット１２２の漏れを防ぐため、電気絶縁油と電動機１０２内を流れる圧縮酸性ガスとの間の差圧を維持するように、封入ユニット１２２が設計される。一実施形態では、漏れが生じた場合に、電気絶縁油が封入ユニット１２２の内側から外側へ流れ、それによって封入ユニット１２２内へのＨ2Ｓの偶発的な吸収を防ぐことができるように、電気絶縁油が、圧縮酸性ガスよりもわずかに高い圧力に維持される。さらに、電気絶縁油のこの圧力は、酸性ガス混合物の腐食効果および研摩効果に対して、固定子１０８および電気巻線を安全に保つ。
【００２９】
図１をさらに参照すると、本発明の一実施形態では、電動機−圧縮機システム１００の全体を含むように、電動機１０２を収容する圧力容器１０６を拡張することができる。圧縮する酸性ガス混合物中のＨ2Ｓ濃度が高いことから、電動機−圧縮機システム１００の示された構成の目的の１つは、大気中への酸性ガス混合物の漏れを防ぐことである。したがって、圧力容器１０６は、電動機１０２を取り囲み、圧縮機システムを外部の電動機によって駆動する場合に必要となるシールを通した漏れを防ぐ。一実施形態では、第１の圧縮機から圧力容器１０６が受け取る圧縮された酸性ガス混合物（以後、圧縮酸性ガス混合物）が、最適な第１の圧力（すなわち酸性ガス混合物による電動機１０２の冷却効率が最大となる圧力）を有する。
【００３０】
図２は、２台の圧縮機２０４ａおよび２０４ｂに機械的に結合された単一の高速電動機１０２を備える本発明の例示的な一実施形態に基づく電動機−圧縮機システム２００の概略図である。図２に示した例示的な実施形態では、電動機−圧縮機システム２００が、高速電動機１０２および第２の圧縮機２０４ｂと直列に流体連通するように配置された第１の圧縮機２０４ａを含む。この例示的な実施形態では、第１の圧縮機２０４ａおよび第２の圧縮機２０４ｂがともに２段式遠心圧縮機である。本発明の一実施形態では、第１および第２の圧縮機２０４ａおよび２０４ｂが多段式遠心圧縮機である。第１の圧縮機２０４ａおよび第２の圧縮機２０４ｂは、２つの継手要素１１６を介して高速電動機１０２に機械的に結合されている。高速電動機１０２の回転子１１０ならびに第１の圧縮機２０４ａおよび第２の圧縮機２０４ｂの回転子１１８は、駆動軸１１２に機械的に結合されており、複数の磁気軸受２０６上で支持されている。圧力容器１０６は、高速電動機１０２を収容し、高速電動機１０２内の圧力を一定に維持する。高速電動機１０２内の圧力は、電動機１０２内において酸性ガス混合物が効率的な冷却特性を示すように最適化される。本発明の一実施形態では、圧力容器１０６が、電動機−圧縮機システム２００の全体を収容する。
【００３１】
酸性ガス混合物を高速電動機１０２の冷却材として使用すると、別個の冷却システムが必要なくなることによって、電動機−圧縮機システム２００がコンパクトになる。酸性ガス混合物を高速電動機１０２の冷却材として使用するとさらに、風損が低減することによって電動機１０２内の冷却効率が向上する。別個の冷却システムを使用すると、冷却材を絶えず再循環させることが必要となることがあるため、風損がかなりの大きさになることがある。システム２００内の冷却材として酸性ガス混合物を使用するためには、統合された電動機−圧縮機システムで使用される一般的な構成とは異なる構成で、高速電動機１０２と圧縮機２０４ａおよび２０４ｂとを統合する必要がある。したがって、酸性ガス混合物の性質のため、圧力容器内に配置された電動機１０２の最大冷却効率を達成するのに適した第１の圧力／温度範囲で、圧縮酸性ガス混合物を圧力容器内へ注入することが必要になる。
【００３２】
酸性ガス混合物が電動機−圧縮機システム２００を通り抜けるときには、圧縮過程の異なる段階でシステム２００の異なる構成要素が酸性ガス混合物に対して作用する。圧縮されるガスは、入口２０８において第１の圧縮機に供給される酸性ガス混合物の初期状態に始まり、出口２１０において第２の圧縮機を出るガスの最終状態で終わる一連の状態を経る。酸性ガス混合物の状態は、圧縮過程の特定の段階における混合物の圧力、温度および／またはエントロピーによって定義することができる。定常状態条件下において、電動機−圧縮機システムを貫くガス流路に沿ったそれぞれの位置は、定常状態条件が支配的である間は一定のある状態によって特徴づけられる。電動機−圧縮機システムを貫くガス流路上には潜在的に、非常に多数の位置およびそれらの位置に関連する状態が存在するが、ほぼ同じ圧力、温度および／またはエントロピー条件が支配するガス流路内のゾーンに呼び名を付けると都合がよい。酸性ガス混合物のそれらのゾーンおよびそのおおよその状態を、図２、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示した数字１〜５によって示すことができる。したがって、数字１〜５は、処理中の酸性ガス混合物が特定の温度、圧力およびエントロピーを有する電動機−圧縮機システム内のゾーンまたは電動機−圧縮機システムに隣接したゾーンを指すこともある。例えば、図２に示した例示的な実施形態では、状態１が、第１の圧縮機２０４ａの入口２０８における酸性ガス混合物の状態を指し、状態５が、第２の圧縮機２０４ｂの出口２１０における酸性ガス混合物の状態を指す。
【００３３】
システム２００の動作中に、天然ガスから酸性ガス混合物を分離する外部処理プラント（図示せず）から電動機−圧縮機システム内へ、酸性ガス混合物が供給される。入口２０８は、外部処理プラントから、状態１によって特徴づけられた酸性ガス混合物を受け取る。状態１の圧力および温度は、酸性ガス混合物を供給する外部処理プラントでの精製工程において典型的なものであり、一般に、圧力は約１バールから約２バールの範囲にあり、温度は約５５℃である。酸性ガス混合物は続いて、第１の圧縮機２０４ａによって、状態２によって特徴づけられた第１の圧力および温度まで圧縮される。状態２はほぼ、図２のゾーン２に対応する電動機−圧縮機システム内の位置に対応する。本発明の一実施形態では、この第１の圧力が、約５バールから約２０バールの範囲にある。圧縮された酸性ガス混合物は、第１の圧縮機による圧縮の間に熱を獲得し、１７０℃もの温度に達することがある。したがって、酸性ガス混合物は、状態２において、状態１よりも高い圧力および温度を有する。その後、この圧縮された高温の酸性ガス混合物は、圧力容器によって画定された流路によって、圧力容器１０６に結合された熱交換器２１２へ、導管２１１を通して導かれる。図２に示した実施形態では、熱交換器２１２が、冷却ユニットおよびウォーターノックアウトユニットを備える。一実施形態では、熱交換器２１２の冷却ユニットが、圧縮された高温の酸性ガス混合物を、状態２の約１７０℃から、状態３／ゾーン３の約２０℃から約５０℃の範囲のある温度まで冷却する。ウォーターノックアウトユニットは、酸性ガス混合物中に存在する水分を除去する。酸性ガス混合物から水分を除去すると、電動機−圧縮機システム２００の高速電動機１０２および他の構成要素に対する酸性ガス混合物の腐食性が低下する。したがって、酸性ガス混合物は、電動機を効率的に冷却するのに適した冷温で電動機１０２と接触する。さらに、酸性ガス混合物から水が除去されているため、電動機１０２の内部で水分が凝縮する可能性が非常に低くなる。熱交換器を通過した酸性ガスの第１の部分は一般に、ガス戻し導管２１３を通して電動機１０２へ導かれる。戻し導管によって戻された酸性ガスは、ゾーン３内に位置する電動機１０２と接触し、それによって電動機を冷却する役目を果たす。酸性ガスの第２の部分は、バイパス導管２１４を通って、ゾーン４内に位置する第２の圧縮機２０４ｂの入口側に流入することができる。
【００３４】
前述のとおり、一実施形態では、熱交換器２１２によって冷却された後、状態３によって特徴づけられた酸性ガス混合物が、約５バールから約２０バールの範囲のある圧力、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度で、電動機１０２と接触する。封入された固定子１０８および回転子１１０の周囲に誘導することができる酸性ガス混合物によって、封入された固定子１０８および回転子１１０、ならびに電動機１０２の他の構成要素が冷却される。圧力容器の内部の圧力は、酸性ガス混合物が電動機１０２を最も効率的に冷却するように制御することができる。前述のとおり、酸性ガス混合物中には、酸性ガス混合物の約５から約９０体積パーセントの範囲の濃度で二酸化炭素が存在する。一般に、気体の二酸化炭素は良好な除熱媒質ではなく、そのため、電動機から熱を除去する酸性ガスの効果と、酸性ガス中の二酸化炭素の濃度とは逆の関係にあることがある。しかしながら、電動機と接触する酸性ガス混合物の温度および圧力を制御することによって、特定の酸性ガス組成について、酸性ガス混合物の除熱能力／冷却効率を最適化することができる。電動機１０２内における冷却効率は、酸性ガス混合物が電動機１０２から抽出した熱と、第１の圧縮機段２０４ａが酸性ガス混合物に対してなした仕事との比と定義することができる。酸性ガス再注入操作において遭遇する大部分の酸性ガス混合物について、酸性ガス混合物中に存在する二酸化炭素の良好ではない除熱能力と第１の圧縮機２０４ａがなす仕事との間の良好なトレードオフは、約５バールから約２０バールの範囲のある圧力、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度で達成することができる。したがって、統合された電動機−圧縮機システム２００の構成では、電動機１０２を最大の効率で冷却するのに最適な圧力で第１の圧縮ガスを供給するように、第１の圧縮機２０４ａを動作させることができる。当業者には理解されることだが、所望の温度範囲内のある温度を有する冷却された圧縮ガスを供給するように、熱交換器を構成し、動作させることができる。
【００３５】
冷却された圧縮ガスは、電動機を冷却するときに熱を吸収し、その後ゾーン４へ入り、そこで、バイパス導管２１４を通ってゾーン４に入った冷却された圧縮ガスと再び合流する。ゾーン４内の冷却された圧縮ガスは状態４によって特徴づけられ、示した実施形態では、状態４の圧力が約１０バール、温度が約４５℃である。ゾーン４内の冷却された圧縮ガスは次いで、第２の圧縮機２０４ｂによってさらに圧縮される。電動機−圧縮機システム２００の出口２１０から第２の圧縮機２０４ｂを出た圧縮酸性ガス混合物は、最終的な状態５によって特徴づけられ、示した実施形態では、状態５の圧力が約６０バールから約２００バールの範囲にあり、温度が約１７０℃である。
【００３６】
一般的な酸性ガス再注入操作は、大量の酸性ガスの圧縮を含み、動力要件（ｐｏｗｅｒ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）が高いことが特徴である。一般に、電動機−圧縮機システムの圧縮機が必要とする動力は、圧縮機内を通り抜ける酸性ガス混合物の質量流量の３乗の関数として変化する。したがって、この質量流量の比較的小さな変化が、動力要件をかなり変化させることがある。電動機−圧縮機システム２００のこの変化する動力要件を満たすため、圧縮機２０４ａおよび２０４ｂを比較的高い効率で駆動するように、高速電動機１０２を構成することができる。したがって、高速電動機１０２を、圧縮機２０４ａおよび２０４ｂの可変の動力要件を整合させる周波数制御回路（図示せず）の部分とすることができる。一般に、電動機駆動型のシステムは、追加の安全係数が組み込まれたピーク負荷を処理するように設計される。低い負荷で長期間動作するシステムでは、このことがしばしば非効率なエネルギー使用につながる。電動機の速度を調整することができることによって、電動機出力を負荷により整合させることができ、エネルギーを節約することができる。この例示的な実施形態では、電動機の供給電圧の周波数を変更することによって、高速電動機１０２の動作速度を変化させることができ、したがって、広範囲の速度にわたる正確な連続プロセス制御が可能になる。本発明の一実施形態では、高速電動機１０２が、１５ＭＷの動力を供給するように設計される。より多くの動力が必要な用途では２台以上の高速電動機１０２を使用することができる。このような構成については、次の図３の議論で詳細に論じる。
【００３７】
図３は、それぞれ圧縮機３０６ａおよび３０６ｂに機械的に結合された２台の高速電動機３０２および３０４を備える本発明の例示的な一実施形態に基づく電動機−圧縮機システム３００の概略図である。図３に示した例示的な実施形態では、電動機−圧縮機システム３００が、第１の圧縮機によって圧縮されたガスの少なくとも一部分が、熱交換器３０８によって適切に処理された後に、電動機と接触するような態様で第１の高速電動機３０２と直列に流体連通した第１の圧縮機３０６ａからなる。第２の圧縮機３０６ｂは、第２の高速電動機３０４と直列に流体連通していると言われる。
【００３８】
図３をさらに参照すると、圧力容器１０６および電動機−圧縮機システム３００の関連構成要素（導管２１１、熱交換器３０８、戻し導管３０９、バイパス導管３１０）によって画定されたガス流路が、第１の圧縮機３０６ａの入口２０８から始まり、第１の圧縮機を横切り、ゾーン２において、熱交換器３０８へと続く導管２１１へ導かれている矢印によって示されている。熱交換器によって処理された冷却された圧縮ガスは、戻し導管３０９を通して圧力容器１０６のゾーン３に戻され、そこで、第１の電動機３０２および第２の電動機３０４と接触する。両方の電動機と接触した冷却された圧縮ガスは、ゾーン４に入り、そこで、バイパス導管３１０を通ってゾーン４に入った冷却された圧縮ガスと再び合流する。ゾーン４内のガス混合物は状態４によって特徴づけられ、ゾーン４内のガスの温度は、電動機３０２および３０４から除去した熱のために、ゾーン３内の温度よりもわずかに高い（この例では４５℃）。状態４によって特徴づけられたガス混合物は次いで、第２の圧縮機３０６ｂによってさらに圧縮され、状態５として、第２の圧縮機の出口２１０から電動機−圧縮機システム３００を出る。
【００３９】
一実施形態では、第１の圧縮機３０６ａおよび第２の圧縮機３０６を、単段式または多段式遠心圧縮機とすることができる。図３に示した例示的な実施形態では、第１の圧縮機３０６ａを２段式遠心圧縮機、第２の圧縮機３０６ｂを３段式遠心圧縮機とすることができる。第１の圧縮機３０６ａおよび第２の圧縮機３０６ｂはそれぞれ、固定継手要素または撓み継手要素１１６によって、第１の高速電動機３０２および第２の高速電動機３０４に結合することができる。しかしながら、図３に示した実施形態では、第１の電動機３０２の回転子が、第２の電動機３０４の回転子に結合されていない。この構成は、第１の圧縮機３０６ａと第２の圧縮機３０６ｂが異なる速度で動作することを可能にする。図３に示した例示的な実施形態では、第１の電動機３０２および第２の電動機３０４がともに、周波数制御回路（図示せず）を備えることができ、したがって、第１の電動機３０２および第２の電動機３０４はそれぞれ、第１の圧縮機３０６ａおよび第２の圧縮機３０６ｂの変化する動力要件を満たすことができ、その結果、エネルギーをかなり節約することができる。さらに、図３に示した実施形態では、第１の電動機３０２の回転子と第２の電動機３０４の回転子とが結合されていないため、回転子を支持するのに必要な磁気軸受の数が少なくてすむ。したがって、図３に示した例示的な実施形態は、電動機−圧縮機システム３００の高い動力要件にも対応する低コストでエネルギー効率のよいアーキテクチャを表していると考えられる。電動機−圧縮機システム３００の動作は、電動機−圧縮機システム２００の動作と同様であり、第１の圧縮機３０６ａが、酸性ガス混合物を、電動機３０２および３０４を最適な効率で冷却するのに適切な圧力範囲の第１の圧力まで圧縮する。第１の圧縮機３０６ａによって圧縮されると、初期酸性ガス混合物は熱を帯び、続いて、導管２１１、３０９および３１０を通って、圧力容器１０６に結合された熱交換器３０８を通過する。熱交換器３０８は、圧縮酸性ガス混合物を冷却し、さらに酸性ガス混合物から水分を除去する。熱交換器３０８によって冷却された圧縮酸性ガス混合物の一部分は次いで、戻し導管３０９を通して圧力容器１０６に戻され、電動機３０２および３０４と接触し、その後、ゾーン４内の第２の圧縮機３０６ｂの入口側へ注入される。酸性ガス混合物は次いで第２の圧縮機３０６ｂによってさらに圧縮される。圧縮された酸性ガス混合物は、出口２１０を通って電動機−圧縮機システム３００を出る。一実施形態では、システムを出た酸性ガスが状態５によって特徴づけられ、状態５では、温度が１７０℃にもなることがあり、圧力は、約６０バールから約２００バールの範囲にある。
【００４０】
図３に示した実施形態の代替実施形態では、熱交換器３０８が圧力容器１０６内に配置される。この実施形態ではさらに、熱交換器３０８を通過した酸性ガスの一部分が、それぞれの電動機３０２および３０４と接触し、ガスは最初に、状態３（すなわち約４０度の温度および約１０バールの圧力）によって特徴づけられた電動機３０２と接触する。酸性ガスの残りの部分は、バイパス導管３１０（または電動機３０２および３０４と接触しない他の代替流路）を通して、第２の圧縮機３０６ｂの入口側まで導くことができる。
【００４１】
図４Ａは、２００（図２）、３００（図３）などの電動機−圧縮機システムで実行される酸性ガス圧縮過程４００のエントロピーに対する温度のプロットである。図４Ａには、圧縮過程全体のさまざまな段階に関連したエントロピーおよび温度が相対値として示されている。それらのエントロピーおよび温度が、例示した過程の範囲を限定することは意図されていない。縦軸には相対温度、横軸には相対エントロピーがプロットされている。酸性ガス混合物の状態によって、この圧縮過程の全体を定義することができ、図４Ａで識別される状態１〜５は図２および図３に示した状態１〜５に対応し、状態１は、電動機−圧縮機システムの入口２０８における酸性ガス混合物の状態を指し、状態５は、電動機−圧縮機システムの出口２１０における酸性ガス混合物の状態を指し、状態２、３および４は、電動機−圧縮機システムの内部における酸性ガス混合物の中間状態を指す。
【００４２】
図４Ａに示したプロットを検討するときに図２を参照する場合、酸性ガス混合物の圧縮は、温度５５℃の状態１からスタートする。酸性ガス混合物は次いで、第１の圧縮機２０４ａによって、状態１（Ｔ＝５５℃）から、エントロピーは同じだが、温度は状態１よりも高い状態２（Ｔ＝１７０℃）へ、等エントロピー的に（ｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ）圧縮される。その後、圧縮された酸性ガス混合物は熱交換器２１２へ導かれ、そこで、状態２（Ｔ＝１７０℃）から状態３（Ｔ＝４０℃）へ、等圧的に（ｉｓｏｂａｒｉｃａｌｌｙ）冷却される。状態３のエントロピーは状態２よりも高いが、温度は状態２よりも低い。状態３を有する冷却された圧縮酸性ガス混合物は次いで、電動機１０２と接触する。酸性ガス混合物は、電動機１０２をほぼ等圧的に冷却し、温度およびエントロピーが状態３よりも高い状態４（Ｔ＝４５℃）に到達する。酸性ガス混合物は続いて第２の圧縮機２０４ｂに供給され、そこで、エントロピーは状態４と同じだが、温度は状態４よりも高い最終的な状態５（Ｔ＝１７０℃）へ、等エントロピー的に圧縮される。
【００４３】
図４Ｂは、２００（図２）、３００（図３）などの電動機−圧縮機システムで実行される図４Ａに示す同じ酸性ガス圧縮過程４００の圧力に対する温度のプロットである。図４Ｂには、圧縮過程全体のさまざまな段階に関連した圧力および温度が相対値として示されている。それらの圧力および温度が、例示した過程の範囲を限定することは意図されていない。縦軸には相対温度、横軸には相対圧力がプロットされている。酸性ガス混合物の状態によって、この圧縮過程の全体を定義することができ、図４Ｂで識別される状態１〜５は図２および図３に示した状態１〜５に対応し、状態１は、電動機−圧縮機システムの入口２０８における酸性ガス混合物の状態を指し、状態５は、電動機−圧縮機システムの出口２１０における酸性ガス混合物の状態を指し、状態２、３および４は、電動機−圧縮機システムの内部における酸性ガス混合物の中間状態を指す。
【００４４】
図４Ｂに示したプロットを検討するときに図２を参照する場合、酸性ガス混合物の圧縮は、状態１（Ｐ＝１〜２バール、Ｔ＝５５℃）からスタートする。酸性ガス混合物は次いで、第１の圧縮機２０４ａによって、状態２（Ｐ＝１０バール、Ｔ＝１７０℃）へ、等エントロピー的に圧縮される。圧縮された酸性ガス混合物は次いで熱交換器２１２へ導かれ、そこで、状態２（Ｐ＝１０バール、Ｔ＝１７０℃）から状態３（Ｐ＝１０バール、Ｔ＝４０℃）へ、等圧的に冷却される。冷却された圧縮酸性ガス混合物は次いで、電動機１０２内を通り抜ける。酸性ガス混合物は、電動機１０２をほぼ等圧的に冷却し、状態４（Ｐ＝１０バール、Ｔ＝４５℃）に到達する。酸性ガス混合物は続いて第２の圧縮機２０４ｂに供給され、そこで、最終的な状態５（Ｐ＝６０〜２００バール、Ｔ＝１７０℃）へ、等エントロピー的に圧縮される。
【００４５】
図５は、図２に示すように構成された電動機−圧縮機システムの第１の圧縮機および第２の圧縮機を駆動するのに使用する電動機を効率的に冷却する本発明の例示的な一実施形態に基づく方法５００を示す流れ図である。
【００４６】
方法５００は、硫化水素および二酸化炭素を含む初期酸性ガス混合物を第１の圧力まで圧縮するブロック５０２から始まる。硫化水素を約１０から約９５体積パーセント、二酸化炭素を約９０から約５体積パーセント含む酸性ガス混合物を、第１の圧縮機によって、約５バールから約２０バールの範囲の第１の圧力まで等エントロピー的に圧縮する。酸性ガス混合物による電動機の最大冷却効率は、約５バールから約２０バールの範囲のある圧力の酸性ガスが電動機と接触したときに達成することができる。したがって、第１の圧縮機は、第１の圧縮機を駆動するのに使用する電動機を効率的に冷却するのに必要なヘッドプレッシャを、酸性ガス混合物に与える。ブロック５０２で酸性ガス混合物を最適な圧力範囲まで圧縮した後、ブロック５０４に対応する方法ステップを実行する。
【００４７】
ブロック５０４では、ブロック５０２で形成した圧縮ガス混合物を、約２０℃から約５０℃の範囲のある温度まで冷却する。ブロック５０２で圧縮したガス混合物を熱交換器内へ導く。熱交換器は、２つのユニット、すなわち圧縮された高温の酸性ガス混合物を、約２０℃から約５０℃のおおよその範囲のある温度まで冷却する冷却ユニットと、圧縮された高温の酸性ガス混合物から水分を除去するウォーターノックアウトユニットとを備えることができる。冷却工程および水除去工程はともに等圧的に実施され、その結果形成された冷却された圧縮ガスは、約５バールから約２０バールの範囲のある圧力で熱交換器を出る。圧縮された高温の酸性ガス混合物を約２０℃から約５０℃の適切な温度範囲まで冷却すると、冷却された圧縮ガスの電動機内での冷却効率が向上し、酸性ガス混合物から水分を除去すると、酸性ガス混合物の腐食性が低下する。
【００４８】
ブロック５０６で、冷却されたガス混合物の少なくとも一部分を電動機と接触させる。冷却された圧縮酸性ガス混合物が電動機と接触するときには、風損が生じることがある。電動機の構成要素と接触する冷却された圧縮ガスの量を制限することによって、風損を制御し、最小化することができる。約２０℃から約５０℃の範囲のある温度の等圧条件下で、冷却された圧縮酸性ガス混合物と電動機とを接触させると、電動機の風損と電動機の冷却の間の合理的なトレードオフを達成することができる。
【００４９】
本出願に開示した電動機−圧縮機システムは特に、酸性ガス混合物を圧縮し、圧縮された酸性ガス混合物を電動機を冷却するための冷却材として使用するように構成されている。酸性ガス混合物の腐食性は、その良好とは言えない除熱能力と相まって、既存の電動機−圧縮機構成が高い冷却効率を達成することを困難にする。本明細書に開示した電動機−圧縮機システムは、天然ガスの精製中に生成される酸性ガス混合物の安全で効率的な取扱いを可能にする。ガス混合物による電動機の冷却効率を最大にすることができる冷却された圧縮ガス混合物の最適な状態を得る方法。さらに、圧力容器を使用して電動機を取り囲むと、この工程に含まれる高い圧力にもかかわらず、酸性ガス混合物の漏れの可能性が排除される。
【００５０】
上記の実施形態に示した値の範囲は例示だけが目的であり、上記の実施形態に示した値の範囲が本発明の範囲を限定し、または本発明の範囲を逸脱させることは意図されていないことは当業者には明白である。
【００５１】
本発明を、現時点において最も実際的と考えられるさまざまな実施形態に関して説明したが、本発明は、開示した実施形態だけに限定されず、反対に、添付の特許請求項の趣旨および範囲に含まれるさまざまな変更および等価の配置をカバーすることが意図されていることを理解されたい。
【００５２】
本書は、本発明をその最良の形態を含めて開示するため、ならびに任意の装置またはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれた任意の方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするためにいくつかの例を使用する。本発明の特許性のある範囲は下記の特許請求の範囲によって定義され、この範囲が、当業者が思いつくその他の例を含むことがある。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字表現と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字表現との差異が実質的にない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００５３】
１００  電動機−圧縮機システム
１０２  電動機
１０４  第２の圧縮機
１０６  圧力容器のハウジング
１０８  電動機の固定子
１１０  電動機の回転子
１１２  駆動軸
１１２ａ  回転子／駆動軸結合体の端部
１１２ｂ  回転子／駆動軸結合体の反対端
１１４ａ  電動機の磁気軸受
１１４ｂ  電動機の磁気軸受
１１６  継手要素
１１８  第２の圧縮機１０４の回転子
１２０ａ  第２の圧縮機に関連した磁気軸受
１２０ｂ  第２の圧縮機に関連した磁気軸受
１２２  固定子封入ユニット
１２４  回転子耐食性ケーシング
２００  電動機−圧縮機システム
２０４ａ  第１の圧縮機
２０４ｂ  第２の圧縮機
２０６  磁気軸受
２０８  第１の圧縮機の入口
２１０  第２の圧縮機の出口
２１１  圧力容器１０６を熱交換器２１２／３０８に連結する導管
２１２  圧力容器１０６に結合された熱交換器
２１３  ガス戻し導管
２１４  バイパス導管
３００  電動機−圧縮機システム
３０２  第１の高速電動機
３０４  第２の高速電動機
３０６ａ  電動機３０２に結合された第１の圧縮機
３０６ｂ  電動機３０４に結合された第２の圧縮機
３０８  熱交換器
３０９  戻し導管
３１０  バイパス導管
４００  酸性ガス圧縮過程全体のエントロピーに対する温度のプロット
４００  酸性ガス圧縮過程全体の圧力に対する温度のプロット
５００  第１の圧縮機と第２の圧縮機の間に配置された電動機を効率的に冷却する方法
５０２  方法ステップ（方法ブロック）
５０４  方法ステップ（方法ブロック）
５０６  方法ステップ（方法ブロック）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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