СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОМПРЕССОРНЫХ МОДУЛЕЙ ОТ ПРИТОКА ЗАГРЯЗНЕННОГО ГАЗА
METHOD AND DEVICE TO PROTECT COMPRESSOR MODULES AGAINST INFLOW OF CONTAMINATED GAS

Настоящее изобретение относится к газонаполненным электродвигателям, которые используются в компрессорных модулях под водой или над ней для сжатия углеводородных газов в притоке в скважине, и более конкретно, к компрессорному модулю, который содержит кожух под давлением, оснащенный компрессором и электродвигателем. Однако изобретение также хорошо подходит для вращающегося оборудования других типов, которое используется под поверхностью моря или над ним, на суше или на морских платформах.
В известных подводных компрессорных модулях применяются подшипники со смазкой и т.п. Настоящее изобретение дает возможность использовать магнитные подшипники в таких компрессорных модулях под водой, которые будут обладать рядом преимуществ, особенно во время эксплуатации. Магнитные подшипники являются более надежными и делают компрессорный модуль менее дорогостоящим в эксплуатации. Особым преимуществом является то, что магнитные подшипники исключают использование смазочного масла и, таким образом, устраняют потенциальные проблемы, которые могут случиться: разбавление смазочного масла углеводородными газами, с которыми масло находится в контакте, накопление углеводородных конденсатов или воды в смазочном масле или ухудшение свойств смазочного масла со временем вследствие его конкретного использования в подводных компрессорных модулях. Проблемы, с которыми сталкиваются при использовании негерметизированных магнитных подшипников в компрессорном модуле под водой, во многих отношениях сходны с проблемами, связанными с использованием электродвигателей, так как в обоих случаях требуется чистая сухая атмосфера для надлежащего функционирования на протяжении времени. Кроме того, существуют или находятся в процессе разработки герметизированные магнитные подшипники. Как утверждают, эти подшипники способны работать в необработанном притоке углеводородного газа из скважины. Однако, как полагают, было бы также полезно, чтобы магнитные подшипники этих типов были установлены и работали в сухой, чистой атмосфере для улучшения их работоспособности и надежности при длительном использовании.
Известно использование на суше компрессорных модулей с компрессором, электродвигателем и магнитными подшипниками, установленными в кожухе под давлением. В этом случае электродвигатель и магнитные подшипники охлаждают с использованием замкнутой системы, где сжатый газ от стороны нагнетания или промежуточной ступени компрессора в достаточном количестве подается непосредственно к электродвигателю и промывает его, обеспечивая достижение необходимого охлаждения. Таким образом, электродвигатель и магнитные подшипники непрерывно открыты к среде, которую сжимают в компрессоре. Это техническое решение не пригодно для подводных компрессоров, в которых сжимают углеводородный газ или другую среду, которая может содержать конденсат, воду или другие частицы и загрязнения. Такая непрерывная подача газа, содержащего загрязнения, и промывание им электродвигателя и негерметизированных магнитных подшипников может со временем привести к проблемам коррозии, напряжений и накопления отложений. Доступ к подводным компрессорам затруднен, когда они находятся на больших океанских глубинах и далеко от берега, и следовательно, они должны быть способны действовать в течение длительного периода времени без какого-либо вмешательства в их работу и технического обслуживания. Для достижения высокой надежности необходимо защитить газонаполненный электродвигатель от среды, сжатой компрессором, и избегать непрерывной подачи загрязненного газа при охлаждении электродвигателя и магнитных подшипников.
На трубопроводе для подачи газа к электродвигателю возможна установка фильтра, сепаратора и т.п. для того, чтобы позволить удаление конденсата, воды и частиц или других загрязнений. Это потребует дополнительного оборудования, что приведет к меньшей надежности в техническом обслуживании. В настоящее время отсутствует опыт использования систем обработки этого типа в случаях применения под водой, и следовательно, существует необходимость в более надежном техническом решении, касающемся подводных компрессоров. С другой стороны, чистый газ для защиты и охлаждения электродвигателя может быть подан по трубам с берега, но это, как оказалось, является весьма дорогостоящим, потому что подводные компрессоры часто находятся далеко от берега и на длинном пути от ближайшей морской платформы. Технические решения этого типа описываются в заявках на патент Норвегии 20033034 и 20054179, а также в Международной заявке WO 2005/003512.
C современной технологией не пригодны ранее описанные технические решения по защите газонаполненных электродвигателей в подводных компрессорных модулях. Следовательно, существует необходимость в обеспечении оптимальной защиты газонаполненного электродвигателя и магнитных подшипников от конденсата, воды, частиц или других загрязнений, которые уносятся вместе со сжатой средой от компрессора.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается способ защиты компрессорных модулей от нежелательного притока загрязненного газа, содержащих кожух под давлением, который посредством одного или более уплотнительных элементов, по существу, разделен на первую камеру, оснащенную компрессором, и вторую камеру, оснащенную газонаполненным электродвигателем, при этом компрессор и электродвигатель соединены друг с другом с возможностью приведения в действие, по меньшей мере, одним валом, отличающийся тем, что защищают вторую камеру с электродвигателем от непосредственного притока загрязненного газа из первой камеры с компрессором посредством сжатого газа, который подают от места отвода у первой или промежуточной ступени компрессора или от впуска компрессора, и вводят сжатый газ непосредственно в уплотнение или между двумя или более уплотнениями для обеспечения потока через, по меньшей мере, одно уплотнение обратно к первой камере с компрессором.
Кроме того, согласно второму аспекту изобретения предлагается устройство для защиты компрессорных модулей от нежелательного притока загрязненного газа, содержащих кожух под давлением, который посредством одного или более уплотнительных элементов, по существу, разделен на первую камеру, оснащенную компрессором, и вторую камеру, оснащенную газонаполненным электродвигателем, при этом компрессор и электродвигатель соединены друг с другом с возможностью приведения в действие, по меньшей мере, одним валом, отличающееся тем, что вторая камера с электродвигателем защищена от непосредственного притока загрязненного газа из первой камеры с компрессором посредством сжатого газа, который подается от места отвода у первой или промежуточной ступени компрессора или от впуска компрессора, при этом сжатый газ вводится непосредственно в уплотнение или между двумя или более уплотнениями для обеспечения потока через, по меньшей мере, одно уплотнение обратно к первой камере с компрессором.
В зависимых пунктах формулы изобретения изложены дополнительные предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Согласно изобретению обеспечивается, что никакой газ не подается из продуктового потока непосредственно в газонаполненный электродвигатель. Изобретение дополнительно предусматривает использование замкнутого контура охлаждения для охлаждения самого электродвигателя, в котором газ в газонаполненном электродвигателе циркулирует через кожух электродвигателя и через магнитные подшипники к охладителю электродвигателя, расположенному снаружи находящегося под давлением кожуха компрессорного модуля. В охладителе электродвигателя применяется охлаждение окружающей морской водой для отвода тепла, которое выделяется в результате потерь и трения в электродвигателе и магнитных подшипниках. Принудительную циркуляцию газа в контуре охлаждения можно достичь, используя вентилятор и т.п., соединенный с валом электродвигателя, и охлаждающий газ рециркулирует через контур охлаждения электродвигателя, пока не существует никакой обмен через уплотнения, которые отделяют вторую камеру с электродвигателем от первой камеры с компрессором. Применение замкнутого контура охлаждения приводит к очень большому снижению количества частиц и загрязнений, действию которых подвергается электродвигатель, потому что единственная подача нового газа происходит через уплотнения между электродвигателем и компрессором вследствие как диффузии через уплотнения, так и перепада давления через уплотнения между первой и второй камерами в компрессорном модуле. Кроме того, замкнутый контур охлаждения имеет преимущество в том, что на охлаждение электродвигателя не влияет температура среды, которую сжимают в компрессоре, и возможное повышение температуры на входе компрессора в результате рециркуляции через компрессор.
Кроме того, замкнутый контур охлаждения приводит к более высокому кпд электродвигателя, чем если бы электродвигатель охлаждали, позволяя сравнительно сжатому газу проходить от первой ступени или промежуточной ступени компрессора обратно к стороне всасывания для повторного сжатия.
Для ясности необходимо отметить, что вторая камера с электродвигателем, упоминаемая в описании изобретения, может также содержать другие секции или отсеки, например отдельный отсек для муфты сцепления валов, расположенный между уплотнительной системой и самой камерой с электродвигателем. Аналогично, первая камера с компрессором может также содержать другие секции, например, она может иметь подшипниковый отсек у конца вала компрессора, наиболее отдаленного от электродвигателя. Однако это, в принципе, не имеет никакого значения для понимания настоящего изобретения. То, что важно, так это чтобы где-нибудь между электродвигателем и компрессором было расположено, по меньшей мере, одно уплотнение, которое защищает электродвигатель.
Сжатый газ от компрессора отводят на стороне нагнетания компрессора в подходящем месте с точки зрения уноса загрязнений и частиц. Газ, который вдувают в уплотнение или между уплотнениями, во время нормальной работы без перепадов давления течет обратно к стороне всасывания компрессора, так как электродвигатель находится в замкнутом пространстве, за исключением отверстия над уплотнениями по направлению к компрессору. Таким образом, предотвращается поток загрязненного газа, поступающего от впускного отверстия компрессора, непосредственно из первой камеры во вторую камеру. Когда имеются перепады давления, то при повышенном давлении всасывания компрессора имеет место поток уплотнительного газа через уплотнения во вторую камеру с электродвигателем до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, а при пониженном давлении имеет место поток уплотнительного газа из второй камеры в первую камеру до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.
Ниже описываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид первого варианта выполнения устройства согласно изобретению;
фиг. 2 представляет собой схематичный вид второго варианте выполнения устройства согласно изобретению.
Компрессорный модуль, показанный на фиг. 1, содержит газонаполненный электродвигатель 1 и компрессор 2, соединенные, по меньшей мере, одним валом 9 и расположенные в общем кожухе 3, находящемся под давлением. Для понимания настоящего изобретения не имеет никакого значения то, установлены ли электродвигатель и компрессор на общем жестком валу или имеют ли они отдельные валы, соединенные жесткой муфтой, либо имеется ли гибкая муфта между валом электродвигателя и валом компрессора, или нет. Кроме того, осевые уплотнения 4 расположены между компрессором 2 и электродвигателем, тем самым разделяя кожух под давлением на первую камеру 8 с компрессором 2 и вторую камеру 7 с электродвигателем 1. Понятно, что количество осевых уплотнений не обязательно является таким, как это показано на чертежах, а может варьироваться от только одного уплотнения до более двух уплотнений, которые показаны. Вал 9 поддерживается на магнитных подшипниках 11, как, например, показанных на фиг. 1, но количество и расположение магнитных подшипников, конечно, не ограничиваются показанным вариантом. Вал 9 предпочтительно поддерживается посредством магнитных подшипников 11. Количество и расположение магнитных подшипников могут отличаться от того, что показано на чертежах. Хотя для поддержания вала предпочтительно использовать магнитные подшипники, настоящее изобретение, конечно, применимо с подшипниками других типов. Компрессорный модуль имеет впускную трубу 5 к камере с компрессором и выпускную трубу 6 от нее.
Место 13 отвода уплотнительного газа к, по меньшей мере, одному осевому уплотнению 4 показано находящимся ниже по потоку первой ступени или промежуточной ступени компрессора, или, в качестве альтернативы, место отвода может находиться на выпуске 16 компрессора. От места 13 отвода или выпуска 16 уплотнительный газ по внешнему трубопроводу 14 или внутреннему каналу транспортируется к месту между двумя или более осевыми уплотнениями. Однако понятно, что уплотнительный газ может быть введен непосредственно внутрь осевого уплотнения (не показано на чертежах), так что при этом способе потребуется, например, только одно осевое уплотнение.
На чертежах компрессорный модуль показан расположенным вертикально, но он, кроме того, может иметь горизонтальное расположение.
Для создания принудительной циркуляции в камере 7 с электродвигателем используется вентилятор или небольшой компрессор 10, соединенный с валом электродвигателя. Охладитель 12 электродвигателя расположен снаружи кожуха 3 под давлением. Таким образом, газонаполненный электродвигатель 1 охлаждают с использованием замкнутого контура охлаждения. Вентилятор или небольшой компрессор 10, таким образом, обеспечивают принудительную циркуляцию газа в камере 7 с электродвигателем. Газ циркулирует через вторую камеру 7 с электродвигателем 1 мимо магнитных подшипников 11, удаляя выделившееся тепло, и затем отводится к охладителю 12 электродвигателя, где тепло выделяется в окружающую морскую воду. Нет никакой подачи газа ко второй камере 7, за исключением возможной диффузии через осевые уплотнения 4 или выравнивания давления через осевые уплотнения 4 вследствие повышения давления у впускной трубы 5 компрессора. Это означает, что во время нормальной работы не происходит никакой подачи углеводородного газа от впускной трубы 5 компрессора или первой камеры 8 с компрессором внутрь второй камеры 7 с электродвигателем. Следовательно, газонаполненный электродвигатель защищен от конденсата, воды, частиц или других загрязнений, которые могут быть привнесены вместе с углеводородным газом через впускную трубу компрессора.
Согласно данному способу уплотнительный газ, таким образом, вводится между второй камерой 7 с электродвигателем и первой камерой 8 с компрессором, т.е. между осевыми уплотнениями 4, или, с другой стороны, непосредственно внутрь осевого уплотнения от места 13 отвода уплотнительного газа ниже по потоку первой или промежуточной ступени компрессора по трубопроводу 14 или каналу. Место отвода может быть расположено ниже по потоку необязательной крыльчатки на компрессоре 2, но не требуется большее давление, чем получаемое на первой крыльчатке. Кроме того, место отвода должно быть расположено так, чтобы вместе с уплотнительным газом уносилось минимальное количество загрязнений. Альтернативное место отвода уплотнительного газа расположено на выпуске 16 компрессора или ниже по потоку компрессора, где давление газа является достаточно высоким. Во время нормальной работы уплотнительный газ, таким образом, течет через осевые уплотнения 4 и внутрь первой камеры 8 с компрессором. При увеличении давления у впускной трубы 5 компрессора уплотнительный газ течет во вторую камеру 7 с электродвигателем 1 до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие давлений.
На фиг. 2 показано устройство 17 для обработки газа, которое введено в линию 14 для подачи уплотнительного газа. Устройство для обработки газа может состоять из фильтра и т.п. для удаления конденсата, воды, частиц или других загрязнений. Уплотнительный газ по-прежнему вдувается в уплотнение 4 или между уплотнениями, которые разделяют первую камеру 8 с компрессором 2 и вторую камеру 7 с газонаполненным электродвигателем 1. Таким образом, устройство для обработки газа может обеспечить более оптимальную защиту второй камеры.