КОМПРЕССОРНЫЙ БЛОК
COMPRESSOR AIR UNIT

Изобретение относится к компрессорному блоку для сжатия добываемой среды, в частности для подводной эксплуатации, содержащему компрессор и электродвигатель, состоящий из статора и ротора.
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 наличия питающих линий, специалисты стоят перед большими вызовами. 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 предельно длительный срок службы, а с другой стороны, должны быть выполнены так, чтобы они почти не требовали 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 А1. 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.
Из ЕР 10693131 А2 уже известен компрессорный блок описанного выше рода, электродвигатель которого содержит отдельное охлаждающее устройство, работающее на газообразном азоте в качестве охлаждающей среды, который циркулирует в контуре посредством дополнительного приводного устройства.
Из DE 19623553 А1 уже известна энергомашина, в которой охлаждающая среда принудительно циркулирует посредством насоса.
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 агрессивных химических свойств добываемых сред. В то время как охлаждения ротора обтеканием достаточно, для охлаждения статора требуются дополнительные меры, чтобы отводить потери тепла.
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 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 посредством компрессорного блока указанного в начале типа, в котором статор электродвигателя связан с отдельным охлаждающим устройством, посредством которого осуществляется охлаждение статора электродвигателя, при этом охлаждающее устройство выполнено с возможностью естественной циркуляции в нем в эксплуатационных условиях охлаждающей среды, при этом охлаждающее устройство содержит конденсатор, который посредством, по меньшей мере, одной подающей линии и, по меньшей мере, одной сливной линии связан с охлаждаемым статором, при этом охлаждающее устройство выполнено с возможностью циркуляции охлаждающей среды между конденсатором, сливной линией, статором и подающей линией.
Решающим преимуществом предложенного в изобретении компрессорного блока является то, что отдельное охлаждающее устройство статора может быть точно согласовано с его эксплуатационными условиями и, в частности, можно, с одной стороны, учесть высокую мощность потерь, а с другой стороны, чувствительность этого конструктивного элемента.
В частности, восприимчивость статора к загрязнению учитывается в том случае, если охлаждающее устройство содержит замкнутый контур, в котором циркулирует охлаждающая среда. В одной целесообразной модификации статор снабжен охлаждающими каналами и добываемая среда протекает для охлаждения по этим каналам. Такое выполнение таит в себе при охлаждении посредством добываемой среды ту опасность, что ее загрязнения в процессе эксплуатации могут нарушить течение по каналам и даже засорить их. Благодаря отдельному контуру охлаждение статора является эксплуатационно-надежным.
За счет использования естественной циркуляции охлаждающей среды можно отказаться от дополнительных мер по транспортировке охлаждающей среды, что уменьшает комплексность компрессорного блока и способствует, тем самым, высокой готовности к работе. Чтобы обеспечить особенно широкий диапазон теплового применения, циркуляция в охлаждающем устройстве может осуществляться также посредством насоса, так что всегда возникает принудительная циркуляция.
Особенно целесообразно охлаждающая среда выполнена так, что при ее циркуляции в охлаждающем устройстве происходит смена фаз, по меньшей мере, одной ее части. Таким образом, охлаждающая способность особенно высока. В замкнутом контуре давление наполнения охлаждающей средой таково, чтобы в эксплуатационных условиях во время теплопоглощения в статоре, по меньшей мере, часть охлаждающей среды переходила в газовую фазу, а во время теплоотдачи в конденсаторе эта часть снова переходила в жидкую фазу.
Хорошей пригодностью в качестве охлаждающей среды обладают аммиак, диоксид углерода и углеводороды. Углеводороды могут быть галогенированными и негалогенированными, причем негалогенированные углеводороды, так же как аммиак и диоксид углерода, по экологическим причинам предпочтительны по сравнению с галогенированными углеводородами.
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.
Нередко добываемая среда сильно загрязнена и вследствие обтекания восприимчивых деталей может нарушить их функционирование. Поэтому целесообразно заключить подшипники ротора, а именно упорные и радиальные, в кожух так, чтобы между окружающим пространством и этими деталями не происходило материального обмена. Вследствие этого должны использоваться магнитные подшипники. То же относится к ротору и статору, которые защищены от агрессивных добываемых сред аналогичным образом посредством кожуха.
Чтобы охлаждающее устройство для статора не было дорогостоящим для максимальной разности давлений, являющейся результатом, с одной стороны, внешнего давления охлаждающей добываемой среды, используемой в зоне окружения статора для охлаждения остальных конструктивных элементов компрессорного блока, а с другой стороны, внутреннего давления охлаждающего устройства, целесообразно предусмотреть для разных давлений добываемой среды разные рабочие давления охлаждающего устройства и в зависимости от рабочего давления менять охлаждающую среду. В конкретном случае добычи природного газа это означает, что давление добываемой среды на входе может варьироваться от 40 до 140 бар в зависимости от величины и разработки месторождения и поэтому охлаждающее устройство должно быть рассчитано на разность давлений до 200 бар, если охлаждающее устройство эксплуатируется с одной и той же охлаждающей средой в течение всего времени добычи природного газа. Предпочтительно расчет возможен только на уменьшенную разность давлений, если в зависимости от давления добываемой среды охлаждающая среда меняется, например, в такой последовательности: пропан, бутан, фреон. Смена охлаждающей среды может осуществляться одновременно с другими работами по обслуживанию.
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью специального примера его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: схематично продольный разрез предложенного в изобретении компрессорного блока;
- фиг.2: схематично электродвигатель компрессорного блока с отдельным охлаждающим устройством в виде термосифона.
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 упорный подшипник 25. Радиальные и упорный подшипники имеют электромагнитный принцип работы 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. Таким образом, упорный подшипник 25 может быть выполнен сравнительно меньше, чем при горизонтальном расположении оси 60 вращения.
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 второй 24 радиальные подшипники и упорный подшипник 25). Это охлаждение посредством холодной добываемой среды делает ненужными дополнительные питающие линии.
Ротор 15 окружен статором 16, содержащим кожух 39, так что агрессивная добываемая среда 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, в котором циркулирует собственная охлаждающая среда. Насос 42 обеспечивает при этом контур через теплообменник 43, поддерживая естественную циркуляцию.
По меньшей мере, кожух 39 выполнен таким образом, что участок, расположенный между статором 16 и ротором 15, имеет, правда, небольшую толщину стенки, однако при полном заполнении охлаждающего устройства 40 охлаждающей средой способен выдерживать расчетное давление. Таким образом, в этой зоне предотвращаются крупные потери от вихревых токов и повышается КПД всего устройства.
В зависимости от давления добываемой среды заполнение или охлаждающую среду охлаждающего статор устройства 40 можно согласовать с давлением, так что кожух всегда эксплуатируется в расчетном диапазоне разности давлений. Соответственно во время работ по обслуживанию можно менять охлаждающую среду, например по мере падения давления с пропана на бутан и на фреон.
Ротор 9 целесообразно содержит вал 10, на котором смонтированы отдельные ступени 11 компрессора. Это может осуществляться предпочтительно посредством горячей прессовой посадки. 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 конденсатором 55. Охлаждающая среда, например углеводород, течет, начиная с охлаждающих каналов 51 статора 16, по подающей линии 53 в конденсатор 55, где она конденсируется и поступает по сливной линии 54 в коллектор 52, находящийся на конце охлаждающих каналов 51 со стороны слива. Контур замкнут, и давление или заполненное количество выбрано так, что между подающей и сливной линиями происходит смена фаз. Преимущественно разность температур между подающей 53 и сливной 54 линиями составляет 10 К. Конденсатор находится геодезически в наивысшей точке (разность высот ΔН), так что поддерживается естественная циркуляция. В сливной линии может быть расположен поддерживающий естественную циркуляцию насос 42. Статор заключен в кожух, и в щели между ротором 15 и статором 16 охлаждение происходит посредством добываемой среды 80, которая обтекает ротор 15.