КОМПРЕССОРНЫЙ БЛОК
COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к компрессорному блоку для сжатия технологической текучей среды, содержащему компрессор с входом, по меньшей мере, одной ступенью сжатия и выходом, электродвигатель со статором и ротором, охлаждающую систему для охлаждения электродвигателя, при этом охлаждающая система содержит охлаждающую текучую среду.
Компрессорные блоки указанного выше типа используются во множестве применений в широких диапазонах размеров. Специальный интерес представляет применение электрически приводимого в действие компрессора в комбинации с газонепроницаемым или герметично закрытым корпусом, закрывающим электродвигатель и компрессор, так что исключается необходимость использования уплотнения ротора. Поскольку уплотнение ротора является всегда сложным и дорогостоящим, в частности, за счет обычно подключаемой вспомогательной системы, которая обычно должна поставлять уплотнительную текучую среду, то применение без уплотнения представляет чрезвычайный интерес. Другими причинами для получения машины без уплотнения являются новые области применения компрессорных блоков. В целом, новые применения концентрируются на исключении обмена среды между технологической текучей средой, подлежащей сжатию, и окружению. Одним возможным использованием является сжатие токсичных текучих сред, для которых вспомогательная система для поставки уплотнительной текучей среды для уплотнения вала является экстремально сложной. Другим, даже еще более интересным применением является сжатие газа, в частности природного газа, ниже уровня моря, соответственно, в окружении морской воды. Экономический интерес к этим компрессорным блокам становится все выше за счет нехватки ископаемых топлив и новые возможности более эффективной эксплуатации ресурсов природного газа в океане.
Однако новые разработки сжатия природного газа ниже уровня моря непосредственно у устья скважины сопровождаются большими техническими проблемами, связанными со сложными условиями работы и плохой доступностью компрессорного блока. Большими трудностями являются низкие температуры вблизи точки замерзания, высокое давление окружающей химически агрессивной морской воды, не очищенные и химически агрессивные подлежащие сжатию текучие среды, при этом природный газ имеет различное давление всасывания и несет наряду с посторонними частицами также не газообразные текучие среды, соответственно, жидкости в значительных количествах.
Кроме того, в течение срока службы скважины давление добываемого природного газа значительно уменьшается и, вследствие защиты окружающей среды, не допускается обмен сред между компрессорным блоком и окружением.
Компрессор и электродвигатель могут быть расположены без уплотнения вала в одном корпусе, когда предусмотрена разделительная стенка между статором электродвигателя и ротором, при этом разделительная стенка отделяет внутреннюю часть статора от технологической текучей среды. Такая разделительная стенка, которая предпочтительно имеет цилиндрическую форму, должна выполнять несколько требований, которые трудно поддаются комбинированию. Статор электрического двигателя нуждается в охлаждающей системе для отвода тепла, создаваемого в статоре. В частности, за счет изменяющегося давления технологической текучей среды перегородка должна выдерживать различные давления между технологической текучей средой, которая расположена в зазоре между ротором и статором, и охлаждающей текучей средой внутри статора. Наряду с этим необходимо исключать вихревые токи в перегородке, и поэтому материал перегородки должен быть электрически не проводящим. Кроме того, перегородка не должна быть очень толстой для сохранения эффективности электродвигателя, и она должна выдерживать воздействие химически агрессивной технологической текучей среды в течение длительного периода времени без необходимости замены. Материал для выполнения всех этих требований является почти недоступным или очень дорогостоящим, и поэтому одной целью изобретения является уменьшение механической нагрузки перегородки.
Согласно настоящему изобретению создан компрессорный блок для сжатия технологической текучей среды, содержащий компрессор с входом, по меньшей мере, одной ступенью сжатия и выходом, электродвигатель со статором и ротором, охлаждающую систему для охлаждения электродвигателя, при этом охлаждающая система содержит охлаждающую текучую среду и соединена с первым терминалом компенсатора давления в пути передачи давления, при этом второй терминал компенсатора давления соединен с точкой в пути прохождения потока технологической текучей среды, причем технологическая текучая среда проходит по пути прохождения потока от входа через ступени сжатия и через выход, при этом упомянутая точка в пути прохождения потока располагается между входом и выходом, причем компенсатор давления создает определенное соотношение между давлением текучей среды в охлаждающей системе и давлением технологической текучей среды в пути прохождения потока.
Предпочтительно, компенсатор давления содержит камеру, которая частично заполнена технологической текучей средой и частично охлаждающей текучей средой.
Предпочтительно, предусмотрен подвижный разделительный элемент между текучими средами, который обеспечивает состояние механического равновесия между давлениями текучих сред, но предотвращает смешивание текучих сред.
Предпочтительно, разделительный элемент является поршнем или мембраной.
Предпочтительно, компрессор содержит, по меньшей мере, две последовательные ступени сжатия, соединенные с помощью перекрестного соединения, причем второй терминал компенсатора давления соединен с перекрестным соединением между первой ступенью и второй ступенью компрессора.
Предпочтительно, электродвигатель и компрессор расположены в общем газонепроницаемом корпусе.
Предпочтительно, компрессор и ротор электродвигателя опираются на общий вал, который опирается на магнитные подшипники.
Предпочтительно, магнитные подшипники охлаждаются с помощью технологической текучей среды.
Предпочтительно, зазор между статором и ротором электродвигателя заполнен технологической текучей средой, и перегородка отделяет технологическую текучую среду от охлаждающей текучей среды охлаждающей системы.
Предпочтительно, второй терминал компенсатора соединен с точкой в пути прохождения потока так, что охлаждающая текучая среда имеет более высокое давление, чем технологическая текучая среда в зоне перегородки.
Предпочтительно, предусмотрен насос в охлаждающей системе, который повышает давление охлаждающей текучей среды в статоре для сохранения более высокого давления охлаждающей текучей среды относительно технологической текучей среды в зоне перегородки.
Предпочтительно, охлаждающая система содержит теплообменник для охлаждения охлаждающей текучей среды.
Предпочтительно, циркуляция охлаждающей текучей среды происходит под действием естественной конвекции.
Предпочтительно, охлаждающая текучая среда циркулирует по принципу термосифона.
Предпочтительно, теплообменник расположен ниже по потоку насоса.
Предпочтительно, насос расположен ниже по потоку соединения с первым терминалом.
Таким образом цель согласно изобретению достигается с помощью компрессорного блока указанного выше типа, охлаждающая система которого соединена с первым терминалом компенсатора давления в пути передачи давления. При этом второй терминал компенсатора давления соединен с точкой в пути прохождения технологической текучей среды, протекающей от входного трубопровода через ступени компрессора и выходной трубопровод, при этом компенсатор давления создает определенное соотношение между давлением текучей среды в охлаждающей системе и давлением технологической текучей среды в пути прохождения потока.
Охлаждающая система может работать с открытым контуром, при этом охлаждающая текучая среда постоянно заменяется, однако предпочтительно охлаждающая текучая среда циркулирует в закрытом контуре, по меньшей мере, в первичном контуре, который удаляет тепло непосредственно из статора электродвигателя. Охлаждающая текучая среда может быть газом или жидкостью, или же может применяться с изменением фазы. Предпочтительно используется компенсатор давления для почти выравнивания давления между технологической текучей средой и охлаждающей текучей средой, однако он может быть также выполнен для создания определенной разницы давления между этими текучими средами или для создания специального соотношения между давлениями или для комбинирования этих эффектов.
Основное преимущество, достигаемое с помощью данного изобретения, - уменьшение механической нагрузки перегородки, которую можно выполнять в этом случае главным образом для повышения эффективности работы. Компенсатор предпочтительно уменьшает разницу давления на перегородке и возможно комбинирует это со специальным направлением разницы давления, сохраняемой при всех возможных рабочих условиях.
В одном варианте выполнения изобретения предлагается компенсатор давления, содержащий камеру, которая частично заполнена технологической текучей средой и частично охлаждающей текучей средой, и при этом предусмотрен подвижный разделительный элемент между текучими средами, который позволяет создавать состояние механического равновесия между давлениями текучих сред, но предотвращает смешивание текучих сред. Такая конструкция компенсатора является простым путем реализации изобретения на практике. Разделительный элемент может быть поршнем, например, цилиндрической формы, движущимся в соответствующей имеющей цилиндрическую форму камере компенсатора. Если поршень движется в вертикальном направлении, то можно использовать силу тяжести для создания заданной разницы давления между двумя разделенными текучими средами. Кроме того, разницу давления можно создавать за счет воздействия текучих сред на соответствующие различные площади поверхности. Другим путем создания разницы давления с использованием компенсатора является предусмотрение упругого элемента, например пружины, которая нагружает поршень в одном направлении. Эти конструкции можно применять по отдельности или в любой комбинации друг с другом.
Другой возможностью разделения двух текучих сред и предотвращения их смешивания является предусмотрение мембраны в качестве разделительного элемента.
Предпочтительно, разница давления между двумя текучими средами создается так, что охлаждающая текучая среда имеет более высокий уровень давления, чем технологическая текучая среда в зоне перегородки. Даже при предположении небольших утечек охлаждающая текучая среда не загрязняется технологической текучей средой, и поэтому не создается опасности охлаждению статора. Кроме того, можно выбирать охлаждающую текучую среду более высокой вязкости, так что она не может входить в небольшие отверстия или поры перегородки.
Другой возможностью сохранения определенной разницы давления является предусмотрение насоса в контуре охлаждающей текучей среды, который повышает давление, в частности, в зоне перегородки. Поэтому предпочтительной точкой установки насоса является по потоку перед перегородкой, соответственно, статором. Поскольку охлаждающая текучая среда протекает предпочтительно в закрытом первичном контуре, любое расположение в закрытом контуре между соединением с первым терминалом компенсатора и статора является предпочтительным. Таким образом, потеря давления в каналах для охлаждающей текучей среды через статор добавляется к разнице давления между технологической текучей средой и охлаждающей текучей средой. Использование насоса имеет то дополнительное преимущество, что всегда гарантируется поток охлаждающей текучей среды.
В другом варианте выполнения изобретения предлагается компрессор, который содержит, по меньшей мере, две последовательные ступени сжатия, соединенные с помощью перекрестного соединения между первой ступенью и второй ступенью компрессора, при этом первый терминал компенсатора соединен с перекрестным соединением. Эта система обеспечивает более высокий уровень давления охлаждающей текучей среды по сравнению с технологической текучей средой на входе. Такое извлечение можно предпочтительно использовать для охлаждения модулей компрессорного блока, используя технологическую текучую среду и создавая поток от извлечения через подлежащие охлаждению модули к входу технологической текучей среды в компрессор. Если давление извлечения является достаточно высоким по сравнению с входным давлением, то получается хорошее охлаждающее действие за счет разницы давления между извлечением и входным давлением технологической текучей среды.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагается общий газонепроницаемый корпус для электродвигателя и компрессора компрессорного блока. Как указывалось выше, такой вариант выполнения обеспечивает расположение без уплотнения.
Предпочтительно, компрессор и ротор опираются на общий вал, который опирается на магнитные подшипники. Общий вал может быть собран из нескольких частей, которые могут опираться на отдельные комплекты подшипников, и части могут быть соединены с помощью трубчатого вала. Преимуществом использования магнитных подшипников является отсутствие смазки и возможность охлаждения подшипников с использованием технологической текучей среды.
Как указывалось выше, предусмотрен окружной зазор между ротором и статором электродвигателя, проходящий в радиальном направлении вала, через который технологическая текучая среда протекает также с целью охлаждения. Основным преимуществом этой конструкции является исключение уплотнения вала относительно технологической текучей среды.
Предпочтительно, второй терминал компенсатора соединен с путем прохождения потока так, что охлаждающая текучая среда имеет более высокое давление, чем технологическая текучая среда в зоне перегородки. Это соединение должно соответствовать соединению первого терминала с охлаждающей системой, так что в обоих соединениях используются потери давления в соответствии с потоком обеих текучих сред для получения желаемой разницы давления.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается теплообменник для охлаждения охлаждающей текучей среды в системе охлаждения. Теплообменник обеспечивает обмен тепла между первичной охлаждающей текучей средой, протекающей в системе охлаждения, и вторичной охлаждающей текучей средой, которая может быть любого адекватного типа, например воздухом или, например, морской водой.
В частности, для работы под водой, где возможности технического обслуживания имеются редко, в предпочтительной конструкции охлаждающей системы используется естественная конвекция в качестве движущей силы для циркуляции охлаждающей текучей среды. Естественную конвекцию можно предпочтительно использовать, в частности, для первичного охлаждающего контура, соответственно, первичной охлаждающей текучей среды. Охлаждающая система может быть выполнена так, что охлаждающая текучая среда циркулирует по принципу термосифона. В целом, термосифон является способом пассивного теплообмена на основе естественной конвекции, которая приводит к циркуляции жидкости в вертикальном замкнутом контуре без необходимости обычного насоса. Целью является упрощение нагнетания жидкости и/или переноса тепла за счет исключения стоимости и недостатков обычного жидкостного насоса.
Указанные выше свойства и другие признаки и преимущества изобретения и возможность их достижения, а также более подробное пояснение самого изобретения следуют из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - блок-схема компрессорного блока, согласно изобретению, содержащего систему охлаждения и компенсатор давления.
Фиг.2-7 - различные выполнения компрессорного блока с различным расположением контура текучей среды системы охлаждения, электродвигателя со статором и ротором и зазором между ними, через который протекает технологическая текучая среда, компенсатора, согласно изобретению, теплообменника, извлечения технологической текучей среды и насоса, если он имеется.
На фиг.1 показана блок-схема компрессорного блока 1, согласно изобретению. Он содержит компрессор 2, электродвигатель 3, которые оба заключены в газонепроницаемый корпус 4, и систему 5 охлаждения.
Компрессорный блок 1 сжимает технологическую текучую среду 6, которая протекает по пути 7 прохождения потока от входного трубопровода 8 через ступени 9, 10, 11 сжатия компрессора 2 в выходной трубопровод. Предпочтительно, технологическая текучая среда 6 является природным газом, а компрессорный блок 1 расположен не изображенным образом над устьем скважины на океанском дне ниже уровня моря.
Компрессор 2 имеет общий вал 15 с ротором 16 электродвигателя 3, при этом вал опирается на два радиальных магнитных подшипника 17, 18 и осевой магнитный подшипник 19. Электродвигатель 3 содержит наряду с ротором 16 статор 20, который генерирует вращающееся магнитное поле для приведения во вращение ротора 16. Генерирование магнитного поля связано со значительной потерей мощности, которая создает тепло, которое необходимо отводить для исключения теплового разрушения. Тепловой поток от статора 20 обеспечивается с помощью охлаждающей системы 5, в которой циркулирует охлаждающая текучая среда 23 в контуре 25.
Магнитные подшипники 17, 18, 19 охлаждаются с помощью технологической текучей среды 6, ответвляемой от перекрестного соединения 30 между первой ступенью 9 и второй ступенью 10 компрессора 2. Технологическая текучая среда 6 протекает от ее извлечения 31 через охлаждающие каналы, которые не изображены, подшипников 17, 18, 19 обратно к входному трубопроводу 8 внутри компрессора 2.
Между статором 20 и ротором 16 электродвигателя 3 предусмотрен зазор 40, через который технологическая текучая среда 6 протекает от извлечения 31 обратно во входной трубопровод 8. Статор 20 окружает цилиндрический ротор 16 с отделением от зазора с помощью перегородки 41, соответственно, перегородочной стенки 42. Эту перегородку 41 называют иногда «банкой» или «перегородочной трубой». Перегородка 41 должна выдерживать различные давления между технологической текучей средой 6 в зоне перегородки 41 и охлаждающей текучей средой 23 охлаждающей системы 5 в статоре 20. Для исключения высоких потерь на вихревые токи и обеспечения хорошей эффективности электродвигателя 3, перегородка 41 должна быть тонкостенной и электрически не проводящей. Кроме того, перегородка 41 должна быть выполнена из химически инертного материала для выдерживания химической агрессивности технологической текучей среды 6.
В направлении потока охлаждающей текучей среды 23 контур 25 охлаждающей системы 5 проходит в основном через следующие модули в указанном порядке: статор 20, фильтр 45, насос 46, теплообменник 47. Кроме того, между статором 20 и фильтром 45 первый терминал 51 компенсатора 53 давления соединен с контуром 25. Второй терминал 52 компенсатора 53 давления соединен с извлечением 31.
Компенсатор 53 давления содержит камеру 65 и заполнен частично технологической текучей средой 6 и частично охлаждающей текучей средой 23, при этом эти обе текучие среды отделены друг от друга для предотвращения смешивания с помощью подвижного разделительного элемента 64 цилиндрической формы, который может перемещаться в продольном направлении имеющей цилиндрическую форму камеры 65. Разделительный элемент 64 выполнен в виде поршня 66, однако может быть также мембраной. Подвижный поршень 66 обеспечивает механическое равновесие между давлением технологической текучей среды 6 и охлаждающей текучей среды 23. В зоне поршня 66, соответственно, компенсатора 53, охлаждающая текучая среда 23 имеет более высокое давление, чем технологическая текучая среда 6, за счет веса поршня, если продольная ось камеры 65 ориентирована вертикально. Дополнительно к этому, насос 46 повышает давление охлаждающей текучей среды 23, прежде чем она попадает в теплообменник 47 и затем в статор 20, так что в статоре 20 охлаждающая текучая среда 23 имеет более высокое давление, чем технологическая текучая среда 6, протекающая через зазор 40. Поэтому в случае утечки в зоне статора технологическая текучая среда 6 не может входить в статор 20.
Предпочтительно, вал 15 компрессорного блока 1 ориентирован вертикально для минимизации нагрузки радиальных подшипников 17, 18, и осевая нагрузка, вызываемая разницей давления в компрессоре 2, по меньшей мере, частично компенсируется во время нормальной работы за счет веса вала 15 относительно веса всего ротора компрессорного блока 1.
На фиг.2 показана принципиальная схема компрессорного блока 1, согласно фиг.1, в упрощенном виде. В частности, более детально показаны перегородка 41 и поток через зазор 40. Теплообменник 47 работает с жидкостью 83, которая может быть водой. Компенсатор 53 соединен своим первым терминалом 51 с контуром 25 между статором 20 и насосом 46.
На фиг.3 показан компрессорный блок 1 с охлаждаемым воздухом теплообменником 47, при этом компенсатор 53 соединен своим первым терминалом 51 с контуром 25 между теплообменником 47 и статором 20. Таким образом, обеспечивается почти одинаковое давление между технологической текучей средой 6 и охлаждающей текучей средой 23 в зоне перегородки 41, соответственно, зазора 40.
На фиг.4 показана в упрощенном виде система, согласно фиг.3, однако с охлаждаемым водой теплообменником 47.
На фиг.5 показана упрощенно принципиальная схема, в которой теплообменник 47 работает с охлаждением морской водой, предпочтительно для работы в глубине моря.
На фиг.6 и 7 показан упрощенно компрессорный блок 1 без насоса 46 в контуре 25, при этом охлаждающая текучая среда 23 циркулирует лишь за счет естественной конвекции.
На фиг.7 показан специальный случай принципа термосифона, при этом охлаждающая текучая среда 23 входит в теплообменник 47 в виде газа 80 и выходит из него в виде жидкости 83.