КОМПРЕССОРНЫЙ БЛОК И ПРИМЕНЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ
COMPRESSOR UNIT AND USE OF COOLANT

Изобретение относится к компрессорному блоку для сжатия добываемой среды, в частности для подводной эксплуатации, содержащему компрессор и электродвигатель, состоящий из статора и ротора, причем статор электродвигателя связан с отдельным охлаждающим устройством и охлаждается посредством отдельного охлаждающего устройства, содержащего охлаждающую среду. Помимо этого объектом изобретения является применение особой охлаждающей среды для охлаждения статора электродвигателя компрессорного блока для работы под водой.
Новейшие разработки в области компрессоростроения сконцентрированы на подводном расположении мощных компрессоров, которые должны служить для добычи природного газа. Вследствие особых эксплуатационных условий, в частности из-за сильно ограниченного доступа для обслуживания и соединительных линий, специалисты стоят перед большими требованиями. Требования защиты окружающей среды в этой области запрещают любой материальный обмен между устанавливаемыми агрегатами и окружающей их морской водой. К тому же морская вода является агрессивной средой, и на различных морских глубинах встречаются предельные условия давления и температуры. Другое требование состоит в том, что агрегаты, с одной стороны, должны иметь крайне длительный срок службы, а, с другой стороны, должны быть выполнены почти не требующими обслуживания. Дополнительным осложняющим обстоятельством является значительное загрязнение частично химически агрессивной добываемой среды.
Компрессорный блок описанного выше рода уже известен из международной патентной заявки WO 01/099286 A1. В описанном в ней компрессорном блоке для охлаждения предусмотрено, что от добываемой среды, большей частью природного газа, в зоне перетока радиальных ступеней компрессора отводится часть его количества, обтекающая охлаждаемые конструктивные элементы, так что потери тепла, составляющие порядка 100-200 кВт, отводятся с холодной добываемой средой.
Эта концепция охлаждения компрессорного блока предпочтительна, в частности, потому, что для отвода потерь тепла используется транспортируемая добываемая среда и между компрессорным блоком и другими компонентами окружающего пространства необязательно должен происходить дополнительный материальный обмен. Однако особые трудности возникают в этой концепции из-за агрессивности добываемых сред.
Нередко добываемая среда сильно загрязнена и вследствие обтекания восприимчивых деталей может нарушить их функционирование. Поэтому, например, подшипники - упорные и радиальные - заключаются в кожух, так что между окружающим пространством и этими деталями не происходит материального обмена. Вследствие этого приходится использовать магнитные подшипники. То же относится к ротору и статору, которые защищены от агрессивных добываемых сред аналогичным образом посредством кожуха. В то время как охлаждения ротора обтеканием достаточно, для охлаждения статора требуются дополнительные меры, чтобы отводить потери тепла. В одном решении из уровня техники предусмотрено, что статор снабжен охлаждающими каналами, а добываемая среда протекает для охлаждения по ним. Это выполнение скрывает в себе ту опасность, что загрязнения добываемой среды в процессе эксплуатации могут нарушить течение по каналам и засорить их. Другая опасность таится в пористой, как правило, изоляции статора, которая в зоне обтекания частично поглощает добываемую среду, вступающую в контакт со статором в качестве охлаждающей среды, так что при резком падении давления, например при остановке работы, происходит взрывоподобное расширение поглощенной среды в порах изоляции, которая вследствие этого разрушается.
Описанные недостатки с их высокими рисками в отношении готовности компрессорного блока к работе абсолютно неприемлемы, в частности, для подводной эксплуатации, например при добыче природного газа.
В основе изобретения лежит задача создания охлаждающего устройства для статора электродвигателя компрессорного блока, в частности для подводной эксплуатации, которое, с одной стороны, обеспечивало бы высокую эксплуатационную надежность, а, с другой стороны, не требовало бы во время эксплуатации материального обмена с окружающим пространством.
Эта задача решается за счет применения сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты в качестве охлаждающей среды в охлаждающем устройстве для статора электродвигателя компрессорного блока.
Ниже приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Особенно предпочтительным вариантом эксплуатации охлаждающего устройства является применение сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты в качестве охлаждающей среды для охлаждения статора электродвигателя при работе под водой.
Помимо этого важными преимуществами применения указанного сложного эфира являются высокая точка его воспламенения и связанная с этим уменьшенная опасность пожара. Важными преимуществами являются также низкие коррозионные свойства и хорошая совместимость с применяемыми в этой области изоляционными материалами, например слюдяными лентами и эпоксидной смолой или пропиточными смолами.
В качестве примера сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты следует привести сложноэфирные жидкости «Midel» или «Shell Fluid 4600». Эти жидкости не только прекрасные изоляторы и совместимы с окружающими материалами, но и отвечают также высоким требованиям противопожарной охраны, а также высоким требованиям к экологической совместимости, поскольку они, в частности, не классифицируются как водоопасные.
Целесообразно остаток карбоновой кислоты является линейным и однократно метил-разветвленным. Предпочтительно, если он имеет среднее число атомов углерода ≥1.
Кроме того, учитывается восприимчивость статора к загрязнению, если охлаждающее устройство содержит замкнутый контур, в котором циркулирует охлаждающая среда (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты). При этом целесообразно, если охлаждающее устройство содержит теплообменник, который посредством подающей и сливной линий связан с охлаждаемым статором, причем охлаждающее устройство выполнено таким образом, что охлаждающая среда (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты) циркулирует между теплообменником, сливной линией, статором и подающей линией.
Циркуляция может приводиться в действие посредством естественной конвекции, так что возникает естественная циркуляция между вышеназванными конструктивными элементами охлаждающей среды. Однако предпочтительной является эксплуатация контура охлаждающей среды с принудительной циркуляцией посредством насоса. При этом не должно происходить смены фаз. Это обеспечивает особенно широкий диапазон теплового применения.
Также целесообразно, если охлаждающее устройство рассчитано на максимальное рабочее давление.
Особенно целесообразными в смысле изобретения являются, с одной стороны, отдельное охлаждающее устройство для статора электродвигателя компрессорного блока, а, с другой стороны, другая охлаждающая система для других элементов компрессорного блока. Отделение охлаждающего устройства от охлаждающей системы отвечает особым требованиям к теплоотводу от статора родового компрессорного блока.
В охлаждающей системе, которая охлаждает, в том числе, компрессор и ротор электродвигателя, в качестве охлаждающей среды особенно предпочтительно предусмотрена добываемая среда, так что потери тепла отводятся со сжимаемой добываемой средой. Это особенно целесообразно при подводной добыче природного газа, поскольку он, как правило, относительно холодный.
В частности, ротор может целесообразно обтекаться добываемой средой в открытом контуре.
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью специального примера его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: схематичный продольный разрез предложенного в изобретении компрессорного блока.
На фиг.1 схематично изображен разрез вдоль компрессорного блока 1, который в качестве основных деталей содержит электродвигатель 2 и компрессор 3 в газонепроницаемом корпусе 4. Корпус 4 заключает в себе электродвигатель 2 и компрессор 3. В зоне перехода от электродвигателя 2 к компрессору 3 корпус 4 снабжен впускным 6 и выпускным 7 отверстиями, причем через впускное отверстие 6 посредством всасывающего патрубка 8 сжимаемая текучая среда всасывается, а через выпускное отверстие 7 вытекает.
При работе компрессорный блок 1 расположен вертикально, причем ротор 15 электродвигателя 2 и расположенный под ним ротор 9 компрессора 3 объединены в общий вал 19, вращающийся вокруг общей вертикальной оси 60 вращения.
Ротор 15 установлен в первом радиальном подшипнике 21 на своем верхнем конце.
Ротор 9 посредством второго радиального подшипника 22 установлен в нижнем положении.
На верхнем конце общего вала 19, т.е. на верхнем конце ротора 15, предусмотрен осевой подшипник 25. Радиальные и упорный подшипники работают от электромагнитов и соответственно заключены в кожухи. Радиальные подшипники расположены при этом в направлении периферии вокруг соответствующего места опоры вала 19, выполнены с возможностью вращения на 360° и неразъемными.
Выполненный центробежным компрессор 3 содержит три ступени 11, соответственно сообщенные посредством перетока 33. Возникающие на ступенях 11 разности давления создают тягу на роторе 9, которая передается на ротор 15 и направлена навстречу массе образованного роторами 9, 15 общего ротора, так что в номинальном режиме происходит значительная компенсация тяги.
Электромагнитные подшипники 21, 22, 25 охлаждаются охлаждающей системой 31 до рабочей температуры, причем охлаждающая система 31 предусматривает ответвление 32 в одном перетоке компрессора 3. Из ответвления 32 по трубопроводам через фильтр 35 направляется часть добываемой среды, преимущественно природного газа, а затем по двум отдельным трубопроводам - к внешним местам опоры (первый 21 и четвертый 24 радиальный подшипники и упорный подшипник 25). Это охлаждение посредством холодной добываемой среды 80 делает ненужными дополнительные питающие линии.
Ротор 15 окружен статором 16, содержащим кожух 39, так что агрессивная добываемая среда 80 не повреждает обмотки статора 16. При этом кожух рассчитан предпочтительно так, что он способен выдерживать полное рабочее давление. Это происходит потому, что предусмотрено отдельное охлаждающее устройство 40 для статора 16, содержащее собственную циркулирующую охлаждающую среду 56 (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты). Насос 42 обеспечивает при этом контур через теплообменник 43.
По меньшей мере, кожух 39 выполнен таким образом, что участок, расположенный между статором 16 и ротором 15, хотя и имеет небольшую толщину стенки, однако при полном заполнении охлаждающего устройства 40 охлаждающей средой 56 способен выдерживать расчетное давление. Таким образом, в этой зоне предотвращаются потери от вихревых токов и повышается кпд всего устройства.
Ротор 9 целесообразно содержит вал 10, на котором смонтированы ступени 11 компрессора. Это может осуществляться предпочтительно горячей прессовой посадкой. Точно так же возможно геометрическое замыкание, например посредством многоугольников. В другом варианте предусмотрена сварка различных ступеней 11 компрессора друг с другом, в результате чего возникает монолитный ротор 9.
На фиг.2 изображены ротор 15, статор 16 и охлаждающее устройство 40. Оно содержит охлаждающий контур 50, который образован охлаждающими каналами 51, расположенными с обеих сторон от охлаждающих каналов 51 коллекторами 52, присоединенными к ним линиями, а именно подающей 53 и сливной 54, а также расположенным между обеими линиями 53, 54 теплообменником 55. Охлаждающая среда 56, а именно сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты под торговым названием «Midel», течет, начиная с охлаждающих каналов 51 статора 16, по подающей линии 53 в теплообменник 55, где она охлаждается, и поступает по сливной линии 54 в коллектор 52, находящийся на конце охлаждающих каналов 51 со стороны слива. Контур замкнут. Преимущественно разность температур между подающей 53 и сливной 54 линиями составляет 10 К. Теплообменник 55 находится геодезически в наивысшей точке (разность высот ΔН), так что поддерживается естественная конвекция. Насос 42 расположен в сливе. Статор заключен в кожух, и в щели между ротором 15 и статором 16 охлаждение происходит посредством добываемой среды 80, которая обтекает ротор 15.