CN101310426B - 通过管道传送天然气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过管道传送天然气的方法和设备。在天然气传送中使用的压缩机组件(200)包括：天然气压缩机(202)，该压缩机包括至少一级压缩；永磁型超同步电机(204)，其连接到天然气压缩机以驱动该压缩机；和外壳(230)，该压缩机位于所述外壳内，该压缩机被设置以便于增加正被传送的天然气的压力。

Description

通过管道传送天然气的方法和设备
技术领域
本发明一般涉及一种天然气传送系统，更特别地涉及一种通过管道传送天然气的方法和设备。
背景技术
在化学、石油和气体工业中需要气体压缩，主要用于把天然气从陆上或海上油井泵到加工工厂，用于随后气体传送或用于收集在贮存设备中以在高峰时间使用。在至少一些其它应用中，碳氢化合物加工工业和化学工业中的下游应用中也需要气体压缩，以便于分配到气体终端用户。
天然气典型地包括作为主要成分的甲烷且还可包括其它物质，包括杂质。天然气管道压缩机通常由燃气轮机、具有变速箱的次同步电机和/或由高速直接连接的感应或同步电机(high-speed directly coupled induction orsynchronous motors)驱动。已知的次同步电机具有在电源为50Hz时小于3000转每分钟(rpm)和在电源为60Hz时小于3600rpm的工作转子速度。已知的同步电机具有在电源为50Hz时大约为3000rpm和在电源为60Hz时大约为3600rpm的工作转子速度。已知的超同步电机具有在电源为50Hz时大于3000rpm和在电源为60Hz时大于3600rpm工作转子速度。
电驱动器(电机)在操作灵活性(可变速)、可维护性、可靠性、低资本成本和低操作成本、较佳的效率和环境兼容性方面优于机械驱动器(燃气轮机)。另外，电驱动器通常要求较小的安装空间(foot print)，易于与压缩机结合，且具有潜在的比机械驱动器高的可靠性。例如，一些已知的电驱动器不使用变速箱，以便于增加压缩机速度和使得结构通常比机械驱动器简单。超同步电驱动器可通过增加运行速度使得可以更快地压缩传动气体从而增加运行效率。
然而，电驱动器可能难于密封。例如，一些已知的超同步电驱动器不使用外部气体密封件。另外，至少一些已知的超同步电驱动器使用内部密封系统，即干式气体密封件，以便于将加工气体从环境密封。然而，这样的密封系统的复杂性可导致可用性的降低并增加保养成本。而且，这样的密封系统可易于导致泄漏到生产气体的(污染)或泄漏到环境(外飘)。
发明内容
在一个方面，提供一种用于传送天然气的压缩机组件。该组件包括：天然气压缩机，该压缩机包括至少一级压缩；永磁型超同步电机，其连接到天然气压缩机以为该压缩机提供动力；和外壳，该压缩机位于所述外壳内，该压缩机被设置以便于增加正被传送的天然气的压力。
在另一方面，提供了一种方法，其便于通过管道传送天然气。该方法包括：从处于第一压力下的第一段管道接收天然气；使用由原动机驱动的压缩站压缩该气体，该原动机包括具有永磁体的电机，该压缩的气体处于比第一压力大的第二压力下；和把第二压力的气体排放到第一段管道下游的第二段管道中。
在另一方面，提供了在传送天然气中使用的压缩站。该压缩站包括：用于增加被传送的天然气的压力的天然气压缩机；便于天然气传送的管道系统，该管道系统流动连通地连接到压缩机；永磁型超同步电机，其连接到压缩机以为该压缩机提供动力；电源变换器(power converter)，其连接到电机；速度和扭矩控制系统，用于控制电机。
附图说明
图1是地上天然气压缩站的典型实施例；
图2是可用于图1中所示的天然气压缩站的典型永磁型超同步电机的示意图；
图3是可用于图1中所示的天然气压缩站的典型在线(in-line)压缩机/电机组件的示意图；
图4是可用于图1中所示的天然气压缩站的典型变频驱动器(VFD)的方块图。
具体实施方式
图1是地上天然气压缩站1 0的典型实施例。天然气管道12被连接到吸入集管14，该吸入集气管使得气体流入由电机18驱动的天然气压缩机16。进入压缩机16的气体被压缩且经由排出集气管20返回到管道12。压缩机入口阻塞阀(blocking valve)22和出口阻塞阀24使得压缩机16的控制更加方便。旁路集气管32包括压缩站旁路阻塞阀26。净气机28流动连通地连接在吸入集气管14中，以便于在气体被引入压缩机16之前从气体中去除杂质。在典型实施例中，压缩机16和电机18被连接到公用压缩机/电机轴30。
气流从管道12穿过站10，如图1中箭头所示。基于阻塞阀22、阻塞阀24和阻塞阀26的相对位置，吸气集气管14引导气体到压缩机16。例如，阻塞阀22和24是常开的，以允许气体流动穿过站10。气体由此流进压缩机16且被压缩到较高的密度和较小的体积。电机18经由共用轴30驱动压缩机16。被压缩的气体通过排气集气管20离开压缩机16。阀22和24可被关闭以在维护操作期间隔离元件，譬如净气机28、压缩机16和/或电机18。
旁路集气管阻塞阀26是常闭的，以防止气体在压缩机16运行时从排气集气管20回流到吸气集气管14。阀26可在站10停机以供维护或其它操作需要时打开。
图2是永磁型超同步电机100的示意图，该电机可被用于天然气压缩站10。电机100包括定子102，该定子102具有形成在其中的固定铁心104，固定铁心104具有多个槽106且三相电枢绕组108缠绕在槽106中。电机110包括由导磁性材料制造的轴112。中间套114通常由与轴112相同的材料制造且绕轴112圆周地延伸。中间套114包括高拉伸强度电磁钢片116、多个导电性永磁体118和有导电碳纤维制造的增强构件120。
永磁体118包围在中间套114的外围，增强构件120绕永磁体118圆周地延伸。磁体118可包括但不限于高能量密度稀土永磁材料，例如钕-铁-硼(Nd-Fe-B)或钐-钴(Sm-Co)。典型地用于定义和比较包括永磁体的磁体的能量密度的指标是最大能量乘积，常称为BHMax，BHMax是特定磁场下磁场通量密度(B)乘以相关磁场强度(H)的乘积。该乘积代表了特定磁体的最大的、理论上可能的能量密度。Nd-Fe-B永磁体的BHMax的通常数值可在79.6至382千焦每立方米(KJ/m3)(10至48兆-高斯-奥斯特(MGOe))的范围内。Sm-Co永磁体的BHMax的通常数值可在119至255KJ/m3(15至32MGOe)的范围内。为了比较，具有较低能量密度的磁体包括具有在4.8至12.7KJ/m3(0.6至1.6MGOe)范围内的BHMax的柔性永磁体。Nd-Fe-B和Sm-Co永磁体的高能量密度有助于提供较高的抗退磁性和较长的使用寿命。替换地，可使用非稀土永磁体。
转子到定子的气隙122便于转子110和定子102磁场相互作用，以产生旋转力，其导致转子110旋转。电源，例如可变频率驱动器(VFD)124通过多个电源线缆126连接到电机100。转子110还可被连接到一装置，例如连接到压缩机，例如压缩机16(在图1中示出)，其在电机100上引起一负载
在电机100的典型实施例中，VFD124供应预定电压和频率的三相电给电枢绕组108。旋转电磁场在定子102中产生。磁场的相对强度与VFD124传递的电压成比例。磁体118感生磁场。由于定子102的磁场旋转，转子110的磁场与定子102的磁场在气隙120中相互作用。更具体地在转子110中感生的磁场试图将其自身与在定子102中感生的磁场对齐。两个相互作用的磁场产生扭矩，由此，转子110旋转。
典型实施例中的永磁型超同步电机100提供比替换驱动机构(alternatedrive mechanism)有优势的多种特征。例如，该实施例使得电机100转速在约10000至20000转每分钟(rpm)范围，而不需要如变速箱这样的附加元件来增加输出速度。替换地，可使用超过20000rpm的电机速度。增加的速度允许气体更快速的压缩，由此增加压缩站10的效率和有效性。此外，在该实施例消除了附加元件，例如变速箱，导致较小的安装空间和相关维护的消除。该实施例的另一特征是消除了磨损元件，例如碳基集流环(slip ring)。变速箱或类似元件以及集流环的维护的消除有助于增加压缩站10的可靠性。
图3是典型的在线压缩机/电机组件200的示意图，该组件可被用于天然气压缩站10(图1中示出)。组件200包括天然气离心压缩机202，其经由共用轴206连接到永磁型超同步电机204。电机204经由多个电源缆线210接收来自VFD208的电源。多个电机支撑件212与多个磁性轴承214和多个渐停轴承(rundown bearing)216协作，为电机204和压缩机202提供轴向和径向支撑。渐停轴承216在磁性轴承214失效的情况下为轴206提供径向和轴向支撑。
磁性轴承214可以是主动型的。控制子系统(在图3中未示出)可被与磁性轴承214一起使用，以确定可旋转的轴承元件(在图3中未示出)相对于固定元件(在图3中未示出)在任意给定时刻的位置和便于磁性调整来纠正在任意给定角度位置的任意偏差。替换地，可使用非磁性轴承，例如滚珠轴承。
电机204还包括多个定子绕组218、转子220和气隙222。转子220包括多个永磁体118(在图2中示出)。压缩机202包括至少一个离心轮226。可使用多个扩压器叶片来引导压缩机202的排气。轴承214和216通过轴206为压缩机202和电机204提供轴向和径向支撑。
压缩机202和电机204定位在外壳230中。外壳230包括进气法兰232、进气增压室(intake plenum)234、排气增压室238和排气法兰240。多个轴向引导叶片(图3中未示出)可定位在排气增压室中，以便于引导压缩机202排气。支撑件212连接到外壳230。
在典型实施例中，组件200还包括电机冷却气体供应集气管242、电机冷却供应法兰246、供应增压室246和电机冷却风扇248。
穿过组件200的气体流动路径在图3中用箭头示出。压缩机202从与组件200通过进气法兰232流动连通的管道(图3中未示出)中抽取气体。电机204通过轴206旋转压缩机202。气体进入法兰232且被导向进气增压室234。压缩机轮226的旋转导致径向向外的力作用在气体中，这有助于气体进入排气增压室238和进入经由排气法兰240连接到组件200的管道(图3中未示出)的传送。增压室238的变窄的结构有助于在气体返回到管道前增加气体的压力。
部分气体流动穿过电机定子绕组218以冷却电机204。在气流进入进气增压室234之前，通过电机冷却气体供应集气管242从进气气流中吸取气体。该气体经由法兰244进入增压室246。风扇248被旋转地连接到轴206且在组件200运行期间与轴206一起旋转。风扇248造成位于增压室246中的气体偏压，以使得气体经由电机绕组218流向风扇进气增压室234。这有助于定子绕组218内产生的热的传递。气体还在绕组218和组件外壳230之间流动，以有助于从组件200的散热。电机定子绕组218内的气体压力高于一个大气压，即101.3千帕(KPa)(14.7磅每平方英寸(psi)，有助于有效地冷却电机。来自定子218内部和外部的的冷却气体经由限定在电机支撑件212中的开口(图3中未示出)排出，在该开口处该气体在被吸入压缩机202之前与进入增压室234的气流混合。
离开压缩机202的气体的压力与压缩机轮226旋转速度成比例。旋转速度与电机204的输出扭矩成比例。因此，组件200排气压力与电机扭矩成比例。
尽管在图3中示出了单级离心压缩机，组件200仅是示意性的。其它实施例可包括多于一级的离心压缩机。其它实施例还可包括其它类型的压缩机，例如但不限于轴向或导管风扇型(ducted fan-type)。
图3还示出了在线结构。替换实施例可包括一结构，其中电机204在气体流动路径外，电机204直接旋转地连接到压缩机202，且热量通过独立的冷却方法从电机去除，例如通过气流。用于旋转连接的装置可包括刚性联结器(coupling)。替换地，可使用挠性联结器，例如膜式挠性联结器包括膜片联结器、挠性构件联结器或压盘联结器(laminated disc coupling)。
图4是典型可变频率驱动器(VFD)250的基本方框图，其可用于天然气压缩站10(图1中示出)。VDF250包括二极管桥式整流器252、直流滤波电路254、逆变器(inverter)256和控制调节器258。VDF250使用脉冲宽度调制(PWM)来控制永磁型超同步电机251。电机251包括定子253和转子255。转子255包括多个高能量密度永磁体(在图4中未示出)，该永磁体感生磁场。PWM特征使得定子253的电压和频率的值通过逆变器256而被改变。传送给定子253的电源的电压和频率的改变控制转子255的速度和扭矩。
当时，整流器252接收作为初级电源输入给定子253供电的三相交流(AC)电输入信号260。整流器252把AC信号260整流为DC信号262，其可包括附加到DC分量的高频分量。DC信号262被滤波电路254接收，其去除高频分量且传送滤波后的平滑DC输出信号264到逆变器256。调节器258处理多个参考信号270和多个反馈信号272且产生信号268。在一个实施例中，参考信号270指示期望的电机转子255速度，反馈信号272指示实际电机转子255速度。用于信号270和272的替换实施例可包括定子电流、转子位置和定子频率，代替或附加到电机转子速度。
逆变器256接收来自调节器25 8的多个输入控制信号258。控制信号268包括多个控制逆变器256的命令。逆变器256基于接收的信号268修正信号264，以产生多个输出脉冲到定子253，当需要保持预定的电压-频率比时，其通过调制信号266电压脉冲宽度和频率，由此调节定子253的电磁场。定子253和转子255的磁场的相互作用产生的输出扭矩传递到转子255。传递到转子255的输出扭矩被转换为转子255的旋转，其中转子255的扭矩的调制控制转子255的速度。调节器258计算定子253绕组电压脉冲宽度和频率，以操作电机处于期望的速度。从逆变器256传递给定子253的电力信号266随增长的脉冲宽度而增加，其随后增加电机251输出扭矩和转子255的速度。
通过永磁型超同步电机的固有的有利特征的作用，电机251输出扭矩和转子255速度的调制有助于压缩站10(图1)的有效控制。例如，如果站10(图1)的下游气体压力被要求时，转子255速度和扭矩被增加到预定数值，且离开压缩机202的气体压力相应地增加。
此处描述的压缩站有助于通过管道传送天然气。更具体地，压缩站组件包括连接到永磁型超同步电机的压缩设备。永磁型超同步电机具有与电感应电机相关的优点，包括较少和较小的元件导致的较小的安装空间，以及由于在较高速度下工作而导致的较高效率和消除了磨损元件，例如碳基集电环。因此，压缩站的运行效率可被增加且该站的资产成本和维护成本可降低。
尽管此处所述和/或所示的方法和系统是关于天然气压缩站且更具体地是关于永磁型超同步电机而被描述和/或示出，此处所述和/或所示的方法和系统不限于永磁型超同步电机或天然气压缩站。更确切地说，此处所述和/或所示方法和系统可用于任意系统中的任意配置中的任意机器。
上文中详细描述了天然气传送方法的典型实施例。该方法、装置和系统不限于此处描述的特定天然气压缩站配置组件，而是，该天然气压缩站配置可与此处描述的其它方法、装置和系统独立和分开使用，或与此处没有描述的其它天然气压缩站配置组合使用。例如其它天然气压缩站配置还可利用此处描述的方法组合。
尽管本发明已通过各种具体实施例而被描述，本领域技术人员将认识到，本发明用权利要求书的精神和范围内的修改来实施。

Claims (15)

1.一种用于传送天然气的压缩机组件(200)，所述组件包括：
天然气压缩机(202)，该压缩机包括至少一级压缩，其增加流经它的天然气的压力；
永磁型超同步电机(204)，其连接到所述天然气压缩机以为所述压缩机提供动力；
外壳(230)，包括用于冷却气体的供应增压室和进气增压室，所述压缩机和所述永磁型超同步电机都位于所述外壳内；
吸气头，用于将气体供应到所述压缩机组件，所述吸气头被连接到所述外壳外表面用于引导进气流到所述进气增压室中；以及
冷却气体供应头，配置为接收来自所述壳体的进气流的一部分，其被从所述吸气头转移并被引导到所述供应增压室以便于冷却所述永磁型超同步电机。
2.根据权利要求1所述的压缩机组件(200)，其中所述压缩机(202)包括轴向式压缩机、离心式压缩机和导管风扇式压缩机中的至少一个。
3.如权利要求1所述的压缩机组件(200)，其中所述永磁型超同步电机(204)包括多个高能量密度磁体(118)。
4.如权利要求1所述的压缩机组件(200)，其中所述压缩机(202)和所述电机(204)通过在所述压缩机和所述电机之间延伸的可旋转联结器而连接到一起。
5.如权利要求1所述的压缩机组件(200)，其中所述外壳(230)包括多个管道接头，其有助于流体流进所述压缩机(202)和有助于流体流出所述压缩机。
6.如权利要求1所述的压缩机组件(200)，其中所述外壳包括多个彼此密封地连接的外壳元件。
7.如权利要求6所述的压缩机组件(200)，其中所述电机(204)和所述压缩机(202)被连接在一起且定位在所述外壳(230)中，使得至少一部分供应到所述压缩机的气体被引导向所述电机，以便于冷却所述电机。
8.如权利要求7所述的压缩机组件(200)，其中所述压缩机(202)通过多个磁性轴承(214)而被轴向地和径向地支撑。
9.一种在传送天然气中使用的压缩站(10)，所述压缩站包括：
天然气压缩机(202)，用于增加被传送的天然气的压力；
用于天然气传送的管道系统，所述管道系统流动连通地连接到所述压缩机；
永磁型超同步电机(204)，其连接到所述压缩机，用于为所述压缩机提供动力；
外壳，包括用于冷却气体的供应增压室和进气增压室，所述压缩机和永磁型超同步电机都位于所述外壳内；
吸气头，用于将气体供应到所述压缩站，所述吸气头被连接到所述外壳外表面用于引导进气流到所述进气增压室中；
冷却气体供应头，配置为接收来自所述壳体的进气流的一部分，其被从所述吸气头转移并被引导到所述供应增压室以便于冷却所述永磁型超同步电机；
连接到所述电机的电源转换器；和
速度和扭矩控制系统，用于控制所述电机；
10.如权利要求9所述的压缩站，其中所述压缩机(202)包括轴向式压缩机、离心式压缩机和导管风扇式压缩机中的至少一个。
11.如权利要求9所述的压缩站，其中所述管道系统包括多个管道、多个阀和多个管道支撑件。
12.如权利要求9所述的压缩站，其中所述永磁型超同步电机包括多个高能量密度磁体。
13.如权利要求9所述的压缩站，其中所述电机和所述压缩机通过多个磁性轴承而被轴向地和径向地支撑，使得至少一部分供应到所述压缩机的气体被引导向所述电机，以便于冷却所述电机。
14.如权利要求9所述的压缩站，其中所述电源转换器包括变频驱动器(VFD)设备，其中所述变频驱动器包括频率转换设备。
15.如权利要求9所述的压缩站，其中所述速度和扭矩控制系统包括变频驱动器(VFD)设备，其中所述变频驱动器包括频率转换设备。
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