Устройство для охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, установленных в перекачивающих станциях
DEVICE FOR COOLING OF ELECTRIC MOTORS OF PUMP UNITS INSTALLED IN TRANSFER STATIONS

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, к средствам охлаждения двигателей по замкнутому циклу с использованием легкоиспаряющихся и конденсирующихся жидкостей и может быть использовано для охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, установленных в помещениях перекачивающих станций.
Известно, что для перекачки любой жидкой среды (нефть, вода и др.) в нефтедобывающей, нефтеперекачивающей промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве используются высокопроизводительные и высоконапорные насосные агрегаты с асинхронными электродвигателями большой мощности (http://ozna.ru/catalog/list.php?SECTION_ID=13).
Несмотря на высокий коэффициент полезного действия (КПД), современные насосные агрегаты обладают недостатком, который значительно снижает их экономическую эффективность.
В первую очередь это относится к большим тепловыделениям и значительному перегреву электродвигателя перекачивающего насосного агрегата в процессе его непрерывной круглосуточной работы, который обусловлен ограниченностью рабочего пространства помещения, где он установлен, что снижает эффективность индивидуального воздушного вентилятора, которым оборудован асинхронный электродвигатель. В связи с этим обстоятельством происходит перегрев обмоток статора электродвигателя, что приводит к их быстрому износу из-за температурных деформаций, а также к срабатыванию автоматической защиты и его остановке для охлаждения и, соответственно, к простою в работе по перекачке среды.
Для защиты обмоток статора от перегрева, останавливается не только электродвигатель, но и, соответственно, охлаждающий вентилятор, при этом происходит температурное удлинение обмоток статора, так как электродвигатель является «аккумулятором» тепла, а избыточное тепловыделение снимается путем неэффективного радиационного излучения, что приводит к быстрому износу, как изоляции так и самих обмоток.
Для охлаждения температуры внутри помещения, например, для перекачки нефтепродуктов, применяется приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование (Правила технической эксплуатации нефтебаз. 6.8 Вентиляция, табл 6.2, Приказ №232 от 19 июня 2003 г., Минэнерго РФ).
Согласно табл. 6.2 температура внутри помещения для перекачки нефтепродуктов не должна подниматься выше 22-25 град С.
Известна система охлаждения электродвигателя переменного и постоянного тока с замкнутым циклом вентиляции (с установленным отдельным вентилятором) и дополнительным водяным охлаждением (http://elektrik-orenburg.ru/node/ventilyaciya-elektrodvigatelva-peremennogo-i-postoyannogo-toka).
В известной системе охлаждения выделяемое тепло электродвигателя не утилизируется, и не используется, например, для повышения температуры перекачиваемой среды (нефть, вода и др.), в частности при работе насосной нефтеперекачивающей станции с целью снижения вязкости перекачиваемого нефтепродукта или при работе кустовой насосной станции с целью теплового воздействия на пласт для увеличения нефтеотдачи.
Известна система охлаждения для привода автомобиля, в частности, для гибридного или электропривода и других альтернативных типов привода (пат. РФ №2596389, F01P 3/20, В60Н 1/32, B60K 11/00, H02K 9/18, приор. 27.04.2012, опубл. 10.11.2013).
Известная система охлаждения содержит контур охлаждения, например, предпочтительно для активного охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента автомобиля и по меньшей мере один функциональный контур, например, для поддержания температуры в салоне, в частности, для отопления салона автомобиля.
Контур охлаждения и функциональный контур для охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента и/или для поддержания температуры в салоне предпочтительно могут быть энергетически связаны, или соединены, друг с другом, в частности, посредством теплового насоса.
Указанная система охлаждения решает задачу создания низких температур для оптимального функционирования и/или для более компактных размеров применяемых в конструкции автомобиля электродвигателей.
Так, электродвигатели, например, содержат магниты и медные обмотки, потери в которых увеличиваются с увеличением температуры. Кроме того, максимальная температура четко ограничена требованиями температурной стойкости эмалевой изоляции и устойчивости к размагничиванию при температурных воздействиях. Чем ниже температура поддерживается в обмотке и магнитах, тем ниже мощность потерь и тем меньшего размера, соответственно, более компактным может быть выполнен электродвигатель.
Тепловой насос сконфигурирован таким образом, чтобы забирать тепло (жар или холод) от окружающего воздуха, соответственно, внешней среды, и передавать тепло для поддержания температуры в салоне. При этом речь может идти о тепловом насосе между контуром охлаждения и функциональным контуром. Для этой цели может быть также предусмотрен дополнительный тепловой насос, например тепловой насос между функциональным контуром и функциональным элементом. Контур охлаждения содержит нагнетатель, дроссель, испаритель, конденсатор и/или компрессор (фиг. 4, пат. РФ №2596389).
Таким образом, с помощью теплового насоса обеспечивается охлаждение электродвигателя и передача отобранного тепла в контур для обогрева салона.
Известная система работает эффективно в небольших рабочих пространствах, где не требуется значительного перетока воздуха, но не может обеспечить снижение температуры окружающего пространства в производственном помещении, например, насосной станции по перекачке нефтепродуктов или закачке воды в нефтяной пласт, в котором требуется приточно-вытяжная вентиляция и устанавливаются ограничения по температуре внутри помещения.
Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении уровня технологичности работ по перекачке жидких сред насосом в закрытом помещении, за счет обеспечения эффективной утилизации теплоизбытков, образующихся при работе насосной перекачивающей станции (нефть, вода и др.), вызванных электродвигателем для насоса, солнечной радиацией, технологическими трубопроводами, влияющих на эксплуатационные качества рабочего оборудования. Кроме того, уровень технологичности работ по перекачке жидкой среды насосной станцией повышается за счет направления утилизированных теплоизбытков на нагрев перекачиваемой среды, что в свою очередь снижает вязкость среды и уменьшает образование парафиновых отложений на стенках трубопровода, и исключает необходимость применения соответствующих ингибиторов, а также повышает температуру воды, закачиваемой в пласт, для теплового воздействия на нефтяной пласт.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, установленных в перекачивающих станциях, содержащем контур охлаждения электродвигателя и высокотемпературный контур, заполненные легкоиспаряющейся жидкостью и соединенные между собой посредством теплообменника и испарителя, компрессор и дроссель, в отличие от известного, компрессор установлен в высокотемпературном контуре, а дроссель - в контуре охлаждения электродвигателя, испаритель подсоединен к вентилятору, который установлен на валу электродвигателя, при этом ветилятор и испаритель образуют общий корпус воздуховода, обеспечивающий направленный к электродвигателю поток воздуха от вентилятора и испарителя, а через корпус теплообменника проходит поток перекачиваемой насосом жидкой среды, контактирующей со змеевиком теплообменника.
На входе в испаритель может быть установлен дополнительный вентилятор, образующий общий корпус воздуховода с испарителем.
В устройстве применен фреоновый испаритель с линиями подачи газообразного и жидкого фреона.
В устройстве общий корпус, которые образуют вентиляторы и испаритель, может быть выполнен из составных частей с фланцевыми соединенями.
На фигуре представлена принципиальная схема заявляемого устройства, содержащего два вентилятора, один из которых установлен на валу электродвигателя и соединен с испарителем, а другой - подсоединен к корпусу испарителя с другой стороны.
Устройство содержит установленные в насосном помещении 1 на основании 2 насосный агрегат - асинхронный электродвигатель 3 с насосом 4, перекачивающим по трубопроводам 5 и 6 жидкую среду, например, нефть или воду. На валу электродвигателя 3 закреплен выкидной вентилятор 7, к нему на фланцевом соединении прикреплен фреоновый испаритель 8, к которому подсоединен на фланцевом соединии дополнительный всасывающий вентилятор 9, кожуха которых образуют общий корпус воздуховода 10, один конец 11 которого открыт для забора воздуха из помещения 1, а другой - 12 направлен на вход электродвигателя 3. Общий корпус воздуховода 10 обеспечивает направленный к электродвигателю 3 холодный поток воздуха от вентиляторов 9 и 7 через испаритель 8. Электродвигатель 3 охлаждается при помощи устройства с тепловым насосом, в котором контур охлаждения электродвигателя содержит линию подачи охлажденного фреона 13 с дросселем 14, и высокотемпературный контур 15 с компрессором 16, заполненный газообразным фреоном, которые соединены между собой посредством теплообменника 17 и фреонового испарителя 8 со змеевиком 18. При этом через корпус 19 теплообменника 17 протекает поток перекачиваемой насосом жидкой среды, например, нефти или воды, контактирующей со змеевиком 20 теплообменника 17. Поз. 21 - показано стрелками направление потока воздуха, циркулирующего в помещении около электродвигателя 3.
Устройство работает следующим образом.
При запуске насосного агрегата, включающего в работу насос 4, от электродвигателя 3 начинается выделение тепла в помещение 1. Для охлаждения электродвигателя 3 на его валу установлен вентилятор 7. При запуске насосного агрегата 4 также запускается тепловой насос (ТН) для эффективного охлаждения электродвигателя 3. При запуске ТН, компрессор 16 сжимает фреон, который начинает циркулировать по замкнутому контуру, образуемому линиями с легкоиспаряющейся жидкостью (фреон) 15 и 13, соединенными с фреоновым испарителем 8 и теплоообменником 17, в котором горячий фреон после сжатия в компрессоре охлаждается и конденсируется. В змеевике 18 испарителя 8, вокруг которого проходит воздух из помещения 1, фреон в жидком состоянии нагревается от выделяемого тепла электродвигателя 3, солнечной радиации, трубопроводов и оборудования в помещении, закипает и испаряется. Подача воздуха обеспечивается посредством общего корпуса 10. Далее газообразный фреон сжимается компрессором 16. При увеличении давления (адиабатическое сжатие) фреона, его температура значительно увеличивается. Это тепло передается через змеевик 20 теплообменника 17, контактирующего с перекачиваемой жидкой средой по трубопроводу 6 через корпус 19 теплообменника 17, нагревается там и в нагретом виде прокачивается насосом 4, и далее подается трубопроводом 5 по технологической схеме.
После теплообменника 17 охлажденный фреон конденсируется, затем продавливается по линии 13 через дроссель (терморегулирующий вентиль) 14, после которого его давление падает, и вновь поступает в испаритель 8, где он снова испаряется и нагревается.
Дополнительный всасывающий вентилятор 9 обеспечивает нагнетание воздуха в воздуховод 10 для подачи его на вход в испаритель 8.
Применение теплового насоса с фреоновым испарителем обеспечивает поддержание необходимой постоянной температуры воздуха, направленного на охлаждение статора (теплообменной рубашки) электродвигателя (за счет дросселя можно установить любую температуру). За счет этого исключается перегрев электродвигателя, и соответственно нет простоев в перекачке среды в летний и переходный периоды, а также увеличивается ресурс электродвигателя насосного агрегата, исключаются плановые дорогостоящие ремонты по замене обмоток статора.
Обеспечивается выполнение условий энергосбережения и энергоэффективности, поскольку выделяемое тепло от электродвигателя, а также поступающее тепло от солнечной радиации и трубопроводов, идет на нагрев перекачиваемой среды, что в свою очередь уменьшает образование парафиновых отложений на стенках трубопроводов и исключает необходимость применения соответствующих ингибиторов, а также повышает температуру воды, закачиваемой в скважину, для теплового воздействия на нефтяной пласт.