CN101956712A - 用于工业设备的过程流体的高压压缩单元及相关操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于工业设备的过程流体的高压压缩单元及相关操作方法。具体而言，一种用于过程流体的一体式高压压缩单元至少包括如下部件：第一压缩装置(C)，其能够将过程流体从大致气态的初始热力学状态(Pi，Ti)压缩至中间热力学状态(P1；T1)；第二压缩装置(P)，其机械地连接到第一压缩装置(C)上，且能够将过程流体从所述中间热力学状态(P1，T1)压缩至最终热力学状态(Pf，Tf)；能够驱动所述第一压缩装置(C)和第二压缩装置(P)的马达装置(M)；以及压力壳体或外壳(3)，在其中至少装入机械地彼此联接的所述第一压缩装置(C)和第二压缩装置(P)。

Description

用于工业设备的过程流体的高压压缩单元及相关操作方法 
技术领域
本发明涉及优选但非专门用于酸性或非酸性气体的再注入设备的高压压缩单元，以及用于压缩过程流体的相关方法。 
背景技术
如所公知的那样，压缩机是一种能够通过使用机械能来提高可压缩流体(气体)的压力的机器。在工业领域中用于处理设备的各种类型的压缩机包括所谓的离心式压缩机，在其中，能量通过称为转子或叶轮的构件以通常由驱动器(电动马达或蒸汽轮机)控制的旋转所引起的离心加速度的形式供给气体。 
离心式压缩机可装配有采用所谓单级构造的单个转子，或可具有串接布置的多个叶轮(因而称为多级压缩机)。更确切地说，离心式压缩机的各级一般由用于待压缩的气体的进入管路、能够将动能供给气体的叶轮，以及扩散器构成，扩散器的作用在于将出自叶轮的气体的动能转变成压力能。 
气体再注入一般是指将天然气或惰性气体再引入通常包含气体和液体原油两者的碳氢化合物地下沉积物中，以便提高沉积物自身内的压力，改善开采原油的能力，且因此改善油井产量。此外，气体、尤其是酸性气体再注入沉积物中可有助于减小环境影响，否则，如果需要除去因气体处理引起的残余物，则将会发生环境影响。 
″碳氢化合物″是指包含碳原子和氢原子的所有那些有机化合物。 
简而言之，在碳氢化合物中，碳原子(C)彼此相联以形成分子内核，而氢原子(H)从该内核延伸。到目前为止，已经分类出超过13万种碳氢化合物。最简单的碳氢化合物为甲烷，其具有化学式CH4。增加碳 原子的数目，则产生化学式为C2H6的乙烷、乙烯(或乙烯基)C2H4，以及乙炔C2H2。具体而言，原油由各种碳氢化合物、链烷的混合物构成，但各种碳氢化合物、链烷具有不同的外观、成分和物理/化学性质。在自然界中，碳氢化合物以各种形式存在，且与具有很小影响且很难除去的其它气体相混合。 
在石油和碳氢化合物行业中日益普遍的进行气体再注入的压缩设备中，需要具有可用的压缩单元，该压缩单元能够在高压下操作，目前可计量的高压为100巴(bar)至大约300bar。此外，可预计到的是，将来的应用需要压缩单元具有更高的性能，以便将气体压缩至超过500bar的压力。 
为了压缩流体，在没有冷凝物的情况下，可能的是通过限制或消除内部制冷来对其压缩，随之发生压缩过程自身的效率下降。 
同样，可能的是，一旦借助于压缩而达到流体的临界状态，则通过冷却使其冷凝，且借助于关于压缩单元自身而定位在外侧的泵继续压缩。 
常规高压压缩单元的一个缺点在于，事实上它们在技术上难以设计，因为在增大最大输出压力时会遇到各种机械或流体动力性质问题。这些技术难题的实例有：外部密封系统的复杂性、流体动力性能等。 
另一缺点在于，压缩单元日益需要在远高于过程流体的临界压力的压力下操作，从而导致上述技术问题的恶化。此外，超临界流体在高温下压缩会降低压缩机的效率。 
又一缺点在于，在正常的泵于压缩单元外部使用的情况下，即使这样使用可能有助于显著提高设备成本，但也会有很高的风险出现气体散失到大气中，如果存在酸性气体，则这特别关键。 
实际上，使用借助于通向外侧的轴机械地连接到压缩单元上的泵，尽管有时这会降低机器的机械复杂性(有可能使用单个马达来驱动压缩机和泵)，但其带来了气体从必须装配在连接该单元和泵的轴上的 外部动态密封件散失的巨大风险。 
因此，这些外部动态密封件在存在酸性流体时特别关键，其中，酸性流体提高了单元的设计和维护成本以便确保所需的安全性。 
再一缺点在于，事实上常规机器很庞大和笨重，且因此运输和安装相对昂贵，尤其是在重量很重要的海洋或水下应用中，举例来说，例如在平台、″浮动存储和卸载单元″(停泊在远海进行操作用于在从海洋油田采油之后存储石油的单元)，海底油井和其它情况中。 
因此，尽管目前在技术上取得了进展，但仍然存在问题，且认识到需要制造出用于流体、尤其是但非仅为酸性气体或危险气体的高压压缩单元，该高压压缩单元具有较高的性能，对于其构造和维护两者在经济上是可承受的，且同时确保降低散失到外部环境的风险。 
发明内容
本发明的主要目的在于制造一种用于工业设备中的高压压缩单元，该高压压缩单元能够至少部分地克服在公知技术中存在的上述问题。 
具体而言，本发明的一个目的在于制造一种能够以有效的方式操作、甚至在远高于100bar的压力下操作的高压压缩单元。 
本发明的另一目的在于制造一种高压压缩单元，其能够消除或至少减少可能的气体散逸到大气中，这在酸性气体的情况下对环境特别有害。 
根据本发明，这些目的是通过制造如权利要求1所述的用于工业设备的高压压缩单元以及利用如权利要求15中所述的压缩方法来实现的。 
本发明的有利方面在从属权利要求中进行了阐述。 
本发明的目的为采用用于过程流体的一体式高压压缩单元的形式，该高压压缩单元至少包括以下装置：第一压缩装置，其能够将过程流体从入口上的大致气态的初始热力学状态压缩为中间热力学状 态；第二压缩装置，其机械地连接到第一压缩装置上且能够将过程流体从所述中间热力学状态压缩至最终热力学状态；以及处于一定压力的单个壳体或封壳(也称为″压力壳体″或″压力边界″)，在其中至少定位了机械地相互联接的第一压缩装置和第二压缩装置。 
在本发明的一个特别有利的实施例中，驱动装置也定位在壳体内，直接联接到第一压缩装置和第二压缩装置上，以便产生特别紧凑的压缩单元。 
″第一压缩装置″有利且优选地指代一种装置，其适于将入口上的气体压缩至中间热力学状态，举例来说，例如借助于多级离心式压缩机或其它装置。 
″第二压缩装置″有利和优选地指代这样的一种装置，其能够将入口上的流体从中间状态压缩至最终热力学状态。 
具体而言，处于中间热力学状态的流体可处于液体状态或超临界状态；在第一情况(液体状态)下，第二装置可为压缩机或多级式离心泵，或其它装置，参见以下描述。 
作为一个优点，入口上的过程流体可为可包含液体或固体杂质的不同气体的混合物，举例来说，例如酸性气体(用于油井的再注入设备中)、碳氢化合物(石油化工设备中)、天然气(气化设备中)的混合物，或包含二氧化碳(CO2)的混合物或其它混合物。 
在本发明的优选实施例中，压缩单元以上述压力壳体仅在其外侧包括静态类型的机械密封件这样的一种方式制造；换言之，上述壳体包括″外部静态密封件″或没有″外部动态密封件″的″在外侧操作的垫圈″，即是说，避免提供从壳体内侧延伸至外侧的转子。 
然而，在此情况下，压力壳体优选为借助于一个或多个外壳制造，该一个或多个外壳在它们之间借助于上述″静态外部密封件″而密封连接，或可能由一个或多个附加外部壳体装入(围住)，这取决于具体的设计或安装要求。 
″动态密封件″应理解为用于隔离旋转部件位于其间的两种环境的 任何类型的机械密封件，且该机械密封件以至少部分地防止液体或气体泄漏这样的一种方式作用在部件自身上。 
″外部动态密封件″是指面朝机器外侧(环境侧)的密封件，其适于防止过程流体从伸入外部环境中的旋转机件朝外侧泄漏。 
″内部动态密封件″是指位于机器内(处在过程侧)的密封件，其用于防止机器自身的隔间内的泄漏。 
″静态密封件″是指在两个固定表面之间的能够隔离两种环境以免气体或流体泄漏的任何类型的机械密封件。 
静态密封件还可分类为″外部静态密封件″，即是说其面朝外侧(环境侧)，或″内部静态密封件″，即是说，位于机器内(处在过程侧)。 
为静态或动态的此类密封件在任何情况下都可由一系列构件和许多类型的材料形成，如本领域技术人员广为公知的那样，例如使用弹性体、金属或其它材料。 
压力壳体(由在其间具有密封连接的一个或多个外壳形成)具有至少一个入口孔(aperture)、一个出口孔，以及与流体连通的可能为横向的保养孔，这些孔具有用于过程流体的内部流动通路；壳体中的附加孔提供为用于电子/电学管理和控制系统。 
应当注意的是，压力壳体可由单个外壳制成，而在此情况下，可提供径向或轴向入口段(由具有外部静态密封件的盖封闭)，该入口段可为将装置引入外壳内所必需。 
根据本发明的第二压缩装置优选为能够以与没有减速器的第一装置相同的旋转速度操作，以免需要用于齿轮的润滑回路，这将额外地简化了单元的构造和维护。 
然而，不应当排除的是在第一压缩装置与第二压缩装置之间提供齿轮箱或速度转换器，以便相对于第一装置独立地调节第二装置的旋转速度。 
本发明的有利实施例提供了第一压缩装置和第二压缩装置借助于相同转子由驱动轴驱动，从而实现额外地减小对于机器的尺寸，或 借助于通过适合的机械接头轴向联接的多个转予而驱动。 
在这里的后一种情况下，这些机械接头可为挠性类型或刚性类型的，举例来说，例如直接联接件或具有前齿轮齿，或磁性联接件或其它类型。 
沿第一压缩装置与第二压缩装置之间的处理通路，可提供用于外部冷却流体的至少一个装置，以便总体上提高机器的输出。此外，可能的是在第一压缩装置和/或第二压缩装置的至少一些中间级之间提供附加的外部冷却装置，以便进一步提高机器的性能。 
在一个特别有利的实施例中，提供了用于驱动轴的至少一个通道孔，该通道孔位于第二压缩装置与单元中的一个其它装置之间。 
该通道孔可具有任何形式或尺寸，这取决于具体的应用，举例来说，例如具有恒定或可变的截面，大致关于转子同轴的大致圆柱形的形式，或其它形式。 
在一种特别有利的驱动方法中，该通道孔位于第二压缩装置与第一压缩装置高压侧之间，以便最大限度地减小在两个装置之间的密封系统上的负载，同时降低单元的机械复杂性。 
在另一有利的驱动方法中，作用在驱动轴上的转子上的至少一个第一内部动态密封件安装在该孔内，以便至少部分地阻止过程流体从一个装置传送至另一个。 
本发明的优选实施例提供了第一内部密封件不会在装配于通道孔相对侧上的装置之间提供高度的流体动力隔离。 
根据本发明的另外的实施例，还有可能从第一内部动态密封件处提供一些受控的散失或泄漏，这对于单元自身的操作是有用的，或作为备选，将其除去，参见以下描述。 
然而，第一内部动态密封件(当其已装配时)在设计、安装和维护方面特别简单和经济，因为其不需要确保高度隔离。 
根据本发明的另一有利实施例，用于驱动轴上的转子的可能的机械接头中的至少一个位于通道孔中，以便最大限度地减小层流损失。 
根据本发明的另一有利实施例，用于驱动轴上的转子的至少一个第一机械支承轴承提供在通道孔内，以便优化转子动力、静态负载分配和动态负载分配，以及传递给机器支承件的力，这具体地取决于驱动轴的长度以及转子的重量和尺寸。 
该第一轴承可为常规类型，例如磁性或流体静力支承的，或可为其它类型。 
不应排除的是，如果不需要支承转子或不需要机械平衡或不需要单元的转子动力，例如，在转子轴向长度足够短的构造中(见以下描述)，则可避免将第一轴承安装在孔内。 
最后，一个或多个上述构件(第一密封件、第一轴承或接头)或它们的组合可位于通道孔中。 
根据具体的设计要求，以不同的数量和在驱动轴上的转子上的不同位置提供了另外的机械支承轴承。 
所有上述机械轴承都可基本上为常规类型，优选的是不需要润滑的类型，举例来说，例如磁性类型的轴承或具有流体静力支承的轴承等。 
在一个特别有利的实施例中，提供了至少一个冷却系统，该冷却系统能够借助于过程流体来冷却所述机械轴承，以便简化设备的机械复杂性和极大地降低安装和维护的成本，代之以由于用来这样冷却的流体量而引起在性能方面的较小损失。 
具体而言，根据本发明，在过程流体包含能够在很短的时间内损坏这些物件的腐蚀性剂或侵蚀性剂的情况下，该单元可包括用于关键性机械构件(例如，电学构件如马达绕组和可能的磁性轴承)的借助于公知类型的防护屏障(barrier)制成的保护系统。 
不应完全排除的是，可能使用不同于过程流体的冷却流体；在此情况下，必须提供适合的冷却回路，这将较大地增加单元的复杂性和成本。 
以上冷却系统可制造成具有封闭类型的至少一个流体动态冷却 回路，即是说，能够在冷却上述一个或多个机械支承轴承之后使过程流体返回在单元内循环。 
具体而言，第一轴承可能定位在通道孔中尽管提供了上述优点，但由于单元的特定构造而可能呈现出关于对其冷却的困难，尤其是如果该轴承至少部分地供送有处于高于冷却温度的高温下的过程流体。 
为了努力克服这些困难，同时优化冷却和降低对于单元的机械复杂性，已经针对用于该第一轴承的第一流体动态冷却回路取决于各种构造和操作要求进行了研究，举例来说，例如由于可能装配于该处的密封件而造成的过程流体在通道孔内流动的状况，或其它情形。 
在本发明的优选实施例中，第一压缩装置为具有一级或多级的离心式压缩机，各级均形成为具有离心式叶轮和位于定子中的相关槽道(channel)，驱动装置为电动马达，而第二压缩装置为用于液体或超流体的具有一级或多级的泵或离心式压缩机，各级也分别由一个离心式叶轮和位于定子中的相关槽道形成。 
具体而言，第一压缩装置和第二压缩装置的离心式叶轮优选为结合在位于驱动轴上的相同转子上，以便实现特别紧凑的压缩单元。 
用语″超临界流体″是指温度高于″临界温度″且压力高于″临界压力″的流体。在此情况下，流体的性质部分地类似于液体的性质(例如，密度)，且部分地与气体的性质(例如，粘度)相似，见参照图1B的以下描述。根据另一方面，本发明涉及一种用于压缩过程流体的方法，其至少包括如下阶段： 
提供借助于″静态外部密封件″封闭的单个压力壳体或加压封壳，即是说，没有″动态外部密封件″； 
在所述单个压力壳体或加压容器内提供：至少一个第一压缩装置，其能够将入口上的流体从一种大致气态的热力学状态压缩至中间热力学状态；至少一个第二压缩装置，其机械地连接到第一压缩装置上且能够将过程流体从中间热力学状态压缩至最终热力学状态；以及至少一个马达装置，其能够通过相同的驱动轴驱动上述第一装置和第 二装置； 
启动马达装置，以便将过程流体压缩至最终热力学状态或输送状态。 
在一种特别有利的驱动方法中，启动阶段提供了启动用于将过程流体压缩至超临界水平下的中间热力学状态的第一压缩装置，以及启动第二压缩装置，以便将该超临界流体从超临界热力学状态进一步压缩至用于最终输送的热力学状态。 
不可完全排除的是，处于中间热力学状态下的流体可为液相，这取决于具体应用。 
随后的中间阶段可提供为用以在借助于第一压缩装置和/或第二压缩装置进行压缩期间冷却过程流体。 
上述启动阶段还可提供如下初始子阶段中的至少一个： 
启动外部供送回路，用于至少部分地将处于热力学状态下的过程流体再填充到第二压缩装置中，该过程流体类似于由第一压缩装置所供送的过程流体；而然后启动第一压缩装置，且同时通过相同的驱动轴启动第二压缩装置；或者 
相对于第一压缩装置以一定延迟来启动第二压缩装置，以此方式在第二压缩装置启动之前至少部分地对其填充；或者 
通过相同的驱动轴同时地启动第一压缩装置和第二压缩装置；在此情况下，第二装置在空转模式下旋转，直到流体到达而对其填充。 
根据本发明的压缩单元的一个优点在于，实际上其能够以有效且高效的方式在高压下操作，从而至少部分地克服对于公知压缩单元的问题。 
具体而言，根据一个优选实施例，该单元能够将过程流体压缩至远高于其具有高输出的临界压力的压力，因为处于超临界状态的流体的压缩很大程度是借助于离心泵进行的，该离心泵所遭受的效率降低小于由离心式压缩机所遭受的效率降低。 
另一优点在于，实际上极大降低了可能出现气体散失到大气(在酸 性气体的情况下尤其关键)的风险，因为朝向外部环境密封的系统尤其是有效和高效的；同时，还降低了朝向外部环境的所述密封系统的定期维护和检查的要求，且因此降低了设计和维护两者的成本。 
又一优点在于，此类单元因为有可能提供许多构造而极为通用，这取决于设备、环境条件或工作流体类型，举例来说，例如沙漠中的设备、水下设备、向油井等再注入气体的设备。具体而言，可能的构造可通过压缩装置和/或马达的不同相对定位、通过机械轴承(例如，在通道孔中提供至少一个第一支承轴承)的不同数目或定位或其它方式来实现。 
然而，另一优点在于，有可能执行根据本发明的单元的动态旋转平衡，这对于此类机器由于它们特定的使用要求而是特别关键的方面，举例来说，例如基于最大功率、入口和/或输送口上的流体状态，回转数目等。 
又一优点在于，有可能压缩不同流体的混合物，举例来说，例如酸性气体和/或含尘气体的混合物，从而获得高压缩性能和最大限度地减少可能的缺点。 
在根据本发明的压缩单元在用于将酸性气体再注入碳氢化合物井中的设备中使用的情况下，可看到一个特定实施例的一个优点在于，当与具有常规压缩单元的再注入相比时，实际上有可能提高井的输出(即是说，提高开采的碳氢化合物总量)，这是因为有可能在压力很高的超临界阶段且以极为安全的方式再注入气体。 
最后，根据本发明的压缩单元具有特别高的性能，且特别通用，同时对于环境和用户较为安全。 
根据本发明的方法和装置的另外的有利特征和实施例在所附权利要求中指出，且将参照实施例的一些非穷尽的实例在下文中进一步描述。 
附图说明
通过参照示意性附图可更好理解本发明，且其一些目的和优点对于本领域技术人员可变得明显，附图示出了本发明的实用但非穷尽的实例。在附图中： 
图1A为根据本发明制造的高压压缩单元的一个实施例的纵向截面的示意性视图； 
图1B为示出二氧化碳CO2的相图的示意图； 
图2为根据本发明的一个实施例的高压压缩单元的构件的纵向截面的示意性视图；以及 
图3为根据本发明的另一个实施例的高压压缩单元的构件的纵向截面的示意性视图； 
图4为根据本发明的又一实施例的高压压缩单元的构件的纵向截面的示意性视图；以及 
图5A至图5C示出了根据本发明的压缩单元的示意性形式的不同构造。 
具体实施方式
在附图中，其中的相同标号代表在所有不同图中的相同部分，根据本发明的一个实施例示出的高压压缩单元指示为1，并且包括单个压力壳体或封壳3，在其内部至少定位有以下部件： 
第一压缩装置C，其能够将过程流体F从入口(处于入口压力Pi和入口温度Ti下，这取决于流体类型和具体应用)上的一种大致气态的热力学状态压缩至中间热力学状态(处于中间压力P1和中间温度T1)； 
第二压缩装置P，其能够将流体F从中间热力学状态(除可能的散失之外)压缩至最终热力学状态(处于出口压力Pf和出口温度Tf)，且沿相同的驱动轴X1机械地联接到第一装置C上；以及 
沿驱动轴X1机械地联接以便驱动压缩装置C和P的电动马达装置M。 
具体而言，入口压力Pi可实质上较低(大约1bar)或实质上较高(高于100bar)；以及出口压力Pf对应地可高于100bar，或确切而言高达大约500bar或更高。温度Ti和Tf可根据对于所用特定流体的相方程式相应地变化，这取决于相关应用或过程。 
在此所示的实施例中，第一压缩装置C为具有六级C1至C6(各级均包括离心式叶轮和定子凹槽系统)的离心式压缩机以及马达装置M，该马达装置M为密封型的电动马达，其介于压缩机C的第二级C2与第三级C3之间。 
例如，在同一拥有人的专利申请US-2007-196215以及通用电气(General Electric)名下的US-2008-275865中描述了用于压缩单元的类似构造。 
很明显，级数和它们相对于马达M的定位可取决于具体构造和使用要求而变化，参见下文。 
压力壳体3是使用多个外壳3A，3B，3C，3E和3F制成的，这些外壳通过在图1A中部分地示出的外部静态密封件2A至2D和多个螺栓4A至4D而彼此靠近密封闭合。 
很明显，本文通过举例的方式指出了使用螺栓4A-4D的紧固系统，但也可使用任何其它公知类型[的紧固系统]；此外，螺栓4A-4D和密封件2A-2D的数目和布置取决于外壳3A-3F的数目和它们的形状，这可能取决于特定构造要求而变化。 
此外，有可能提供又一外部容器壳体，为简单起见在附图中并未示出。 
壳体3具有分别在外壳3A和3C中用于流体F的入口孔6A和出口孔6B，以及用于流体F的横向保养孔6C，6F，6G，6H和6M，参见以下描述。又一孔6L提供成用于所述单元1的操作和控制所需的电学/电子连接(在图1A中为简单起见并未示出)。 
本文所示的第二压缩装置P为向下游布置在压缩机C的高压侧上的6级离心泵，还参见参照图2、图3和图4的描述。 
作为一个优点，泵P的进入侧与壳体3内的压缩机C的输送侧(高压级)并排安置，以便最大限度地减小在两个装置之间的密封系统上的负载，同时降低单元的机械复杂性。 
驱动轴X1(在所述的构造中)借助于与压缩单元C和马达M相关的第一转子7A以及与泵P相关的第二转子7B制成；转子7A和7B借助于机械联接件9轴向地联接，还参见图2；因此，马达M直接驱动压缩机C或泵P。 
很明显，驱动轴X1可制造成具有不同数量的转子，例如，一个单个的转子或两个以上，这主要取决于它们的长度。 
在图1A中，还应当注意的是，在压缩机C与泵P之间存在通道孔10(还参见参照图2、图3和图4的描述)，在其中提供了联接件9和第一支承轴承11A。 
孔10其存在形式为大致圆柱形且与转子7B同轴，但不可完全排除的是，孔10可取决于具体应用而制造成具有不同的形式和尺寸。 
此外，提供了第二支承轴承11B以在朝向泵P1的端部支承驱动轴X1的端部，分别装配在关于压缩机C的相对端部处的第三支承轴承11C和第四支承轴承11D，以及分别装配在关于马达M的相对端部处的第五支承轴承11E和第六支承轴承11F。 
作为一个优点，第四轴承11D为轴向类型，且能够至少部分地经受轴向负载，这归因于平衡系统(为简单起见在附图中并未示出)，其提供了面向压缩机C的轴承侧进行加压，举例而言，如参照上文的专利申请中所述的那样。 
应当注意的是，在本文所述的单元1的构造中，以这样的方式提供了支承轴承11A-11F以便有助于机器的纵向平衡和径向平衡；因此，有可能提供不同的单元构造，在其中，轴承的数目和/或位置取决于具体应用而有所不同。 
此外，提供了封闭类型的冷却系统21用于使用过程流体冷却机械轴承11A-11F。 
具体而言，系统9可包括至少一条流体动态冷却回路(在图1A中为简单起见并未示出)，该回路能够提供从压缩机C的末级C5或C6中的一个到轴承11B至11D的流体连结(连接，link)，以便使用过程流体自身来使它们冷却。 
此外，提供了用于流体F的第一外部冷却装置13，该装置13流体连结到压缩机C的输送孔6G的入口和泵P的进入孔6H的出口上，以便冷却离开压缩机C的在进入泵P之前的过程流体。 
此外，可提供示意性地指示为13A和13B的另外的冷却装置，其借助于分别在入口6C，6E和出口6D，6F处的横向保养孔而与压缩机C的一些级C1-C2和C4-C5流体连接，以便进行相继的冷却，从而提高流体的压缩程度。 
应当注意的是，各横向保养孔6A-6F当提供时，均提供有带外部静态密封件的联接凸缘(在附图中为简单起见并未示出)。 
在本发明的一个有利实施例中，还提供了在图1A中以点划线指出的外部供送回路16，其包括借助于连接管16B和三通阀16C在泵P与可能的第一冷却器13之间具有流体连结的储器16A，以便至少部分地利用低于与在机器1起动期间由压缩机C供送流体的相同状态下的流体填充泵P，也参见以上描述。图1B中示出了对于二氧化碳(CO2)的相图，其中，横坐标中示出了单位为摄氏度的温度，而纵坐标中示出了单位为bar的压力。 
该图示出了四种热力学状态，其中，CO2可处状态取决于温度/压力：气态流体(在环境状态下)、液态流体、固态或者超临界状态(处于高压和高温下)。此外，应当注意在其中具有热力学气相FG、固体FS、液相FL的第一三相点T1，以及在其中热力学气相FG、液相FL和超流体相FSF共存所处的临界点T2。三相点处于大约210℃的温度和大约8bar的压力下，而临界点T2处于大约90℃的温度和大约300bar的压力下。 
很明显，对于CO2的该图仅作为实例给出，因为该单元可利用比 CO2侵蚀性和危险性更大的流体工作，举例来说，例如H2S、N2等。 
应当注意的是，通常″离心式压缩机″限定为利用气态流体工作的机器，以及″离心泵″限定为利用液态流体工作的机器，而处于超临界相的流体可通过压缩机或离心泵处理。具体而言，定义″用于超临界流体的离心泵″可限定为利用呈现低密度的超临界流体工作的机器，而″用于超临界流体的离心式压缩机″则为利用具有高密度的超临界流体工作的机器。 
在此描述和所附权利要求中，还理解到″第二压缩装置″是指能够压缩处于液相或超临界相(如上文所述)、呈高密度或低密度的流体的机器，且为简单起见，我们可将其通称为″离心泵″。单元1的操作提供从入口孔6A获取过程流体(见箭头F1，其示出了流体的流动方向)，使其在压缩机C的第一级C1中经受第一压缩，以便流体经由横向孔6B流出而在冷却器13A内流动，且之后经由孔6C在第二级C2中受到压缩。流体从第二级C2流入出口孔6D，且然后进入入口孔6M穿过马达M(冷却马达M和轴承11F)，且到达第三级C3；在第四级C4之后，该流体然后经由横向孔6E流出，以便流入冷却器13B中，且之后传递至第五级C5，而随后通向第六级C6。流体从第六级C6经由输送孔6G流出，以便传递穿过冷却器13，且之后经由进入孔6H供送到泵P中。在泵P内，流体如参照图2至图4所述那样进行处理，使其经由出口孔6B流出。 
图2示出了图1A中的泵P的放大截面，其中，特别应当注意的是壳体3的外壳3C和横向外壳3F，以及由第一轴承11A和第二轴承11B(各轴承均由磁性轴承和附加的保养轴承构成)所支承的第二转子7B。该泵P为具有六级P1至P6(分别包括离心式叶轮和定子凹槽系统15)的类型，在一种构造中，前三级形成低压段，而后三级形成高压段，以便将流体F的压力P1升高到出口压力或输送压力Pf。很明显，该泵P仅以说明的目的进行描述，且其可为任何其它类型或构造，例如，往复泵或其它类型。 
在该图中，还可观察到位于泵P与压缩机C之间的通道孔10，在本文所述的构造中，通道孔10在内部装配有联接件9和第一轴承11A。 
很明显，该通道孔10取决于具体应用可制造成具有不同的形式和尺寸，参见以上描述。 
在一个特别有利的实施例中，也参见图2，提供了第一内部动态密封件，其用于与压缩机C输送侧附近的孔10相关联的转子7A，能够至少部分地防止流体从压缩机C的输送侧传递到所述孔10内。 
该第一密封件19可为迷宫型(也称为″迷宫式密封件″、″蜂窝式密封件″、″阻尼密封件″或″干燥气体密封件″)或其它类型。应当注意的是，可在密封件19中提供受控的泄漏；同样，有可能除去密封件19，参见以下描述。 
如上文指出的那样，第一轴承11A在通道孔10中的位置尽管呈现出对于纵向平衡和旋转动态平衡的上述优点，但还存在关于对其冷却的困难，因为轴承11A可至少部分地浸没于高温下的过程流体中，该流体由于始自第一密封件19的泄漏而从压缩机C的高压侧流出，其温度高于轴承11A所需的冷却温度。 
在第一实施例中，冷却系统21包括使用管路22A，22B或22C(仍参看图2)产生的至少一条第一流体动态回路22，仍参见箭头F2a，该第一流体动态回路22能够使来自于第一级P1、中间级P2-P6，或分别来自于泵P的出口孔6B的一部分过程流体排出。 
然而，相比于压缩机C所输出的那些，所排出流体的压力较高而温度较低；以此方式，流体可冷却轴承11A和穿过孔10，从孔10流体可经由第一密封件19呈从所述密封件泄漏或散失的方式流出，从而将其自身再引入压缩机C的输出中。在第二实施例中，冷却系统21包括利用第一管路23A产生的至少一条第二流体动态回路23(参见图3)，该第二流体动态回路23能够使来自于泵P的进口6G的一部分过程流体排出，并且安装在轴承11A的支承件15B上和/或穿过安装在 支承件15B与转子7B之间的第二管路23B。 
有利的是，提供了第一减压管23D或第二减压管23E，以便提供在轴承11A与压缩机C的级C1至C6中的一个级之间的流体连结，或分别便于提供在孔10与压缩机C的级C1至C6中的一个级之间的流体连结，以便朝压缩机C引导冷却流体。 
在此情况下，可能的密封件19容许从压缩机C朝泵P的散失或泄漏，来自于泵P的流体可与经由槽道23A或23B从压缩机C吸取的冷却流体相混合。 
在第三实施例中，冷却系统21包括至少一条第三流体动态回路24(参见图4)，其能够借助于一部分过程流体来冷却轴承11A，该过程流体(见箭头F2c)通过从第一密封件19的校准排出而来自压缩机C的输出，或作为备选，从开孔进入通道孔10中，即是说，除去了密封件19。 
此外，在支承件15B上提供了用于轴承11A的适合的管道24A和/或围绕转子7B产生的空间24B，以便提供在轴承11A与泵P的第一级P1之间的流体连结(仍参看箭头F2c)，以此方式使得冷却流体可与泵P上游的过程流体相混合。 
结合该第三流体动态回路24，还可在压缩机C与泵P之间，或最好在通道孔10中提供冷却装置(为简单起见在图中并未示出)，以便容许冷却，至少该部分流体用于冷却下来至适于更为有效地冷却轴承11A的温度。 
对于任何一种上述冷却回路，还有可能提供另外的加压系统(为简单起见在图中并未示出)，以便沿适当的方向提高所述孔10中的流体的压力，例如，键入在轴7B中的螺旋表面，或在孔10中的模制喷嘴形状，或其它解决方案。 
然而，应当理解的是，用于轴承11A的上述流体动态冷却回路22，23和24对于本发明而言不论如何绝非穷尽的，因为它们仅代表了本发明自身实施例的实例。 
例如，有可能提供管(为简单起见在图中并未示出)用以排出处在泵P上游和第一冷却装置13下游的部分过程流体，或提供另一管，该管能够从压缩机C的一级排出过程流体，将其引入冷却器中而然后进入轴承11A中，且因此将其发送回压缩机C，或提供一些备选布置。 
为了冷却第四轴承11D，冷却系统21可包括第四流体动态回路(为简单起见在图中并未示出)，该回路能够排出来自于泵P的级P1-P6中的一个级的部分流体，将其发送至所述轴承11D，且然后发送至所述泵P后续级P2-P6中的一个级。 
为了冷却安装在单元1中的其它轴承11B至11F，冷却系统21同样可提供至少一条附加的流体动态回路(为简单起见也未在图中示出)，该回路能够排出来自于泵P的一个级和/或来自压缩机C的部分流体，以便将其供送到各轴承11B-11F中，而然后将其再引入最近的过程流中。 
很明显，本文以举例的方式描述的冷却系统21对于本发明而言不论如何绝非穷尽的。 
图5A以示意性的方式示出了在先前附图中的压缩机单元1的构造，其中尤其应当注意轴承11A-11F的定位。 
该构造特别紧凑，同时有助于转子的动态平衡，因为其确保了不同机器(压缩机C、泵P和马达M)的最佳平衡。 
图5B示出了另一机器构造，其类似于前述机器，但已除去了其中压缩机C的级C3至C6。 
在此情况下，孔10、轴承11A，11B，11C，11D和11F，以及冷却系统可采用下文所述的其中一种构造而予以实施。 
以此方式，有可能获得甚至更为紧凑且其动力学特性更为稳健的压缩单元。 
图5C示出了根据本发明另一构造的压缩单元，其类似于上文那些，但已除去了其中压缩机C的前两级C1，C2，从而在此情况下也获得了特别紧凑和稳健的单元。 
孔10、轴承11A，11B，11D，11E和11F以及冷却系统可制造成具有 上述的其中一种构造；具体而言，马达M和轴承11F可通过提供适合的下游支管(tap)而冷却。 
很明显，上述构造对于本发明而言决非穷尽的，因为可基于操作状态(流体的压力和温度等)和/或对于具体应用所需的旋转速度而构想出许多构造。 
例如，有可能除去两个轴承11A或11D中的至少一个，或除去它们两者，有可能利用刚性机械联结件或单个刚性转子来替换它们，或其它解决方案。 
还有可能除去轴承11E或11F中的至少一个，或它们两者，例如，通过减少压缩机C的级数或以其它方式优化该设计。 
此外，有可能基于具体应用提供对于压缩机C和/或泵P或冷却装置13，13A和13B的不同构造。 
根据又一有利的实施例，壳体3可采用这样的方式(使用单个外壳或多个外壳)制成为致使容许压缩机C、泵P和马达M的轴向插入和抽出，以便有助于所述单元的装配和维护。应当注意的是，在该后一构造中，通道孔10提供了足够的间隙用以容许此种插入和抽出，并且在其内部可施加模制壁。 
引用″本发明的实施例″或″本发明的实施例的形式″是指所描述的一个具体特征结构或系统，其归入在本发明的至少一个实施例中。因此，此类引用不必是指相同的实施例，且可采用任何方式结合在根据本发明的一个或多个压缩单元内。 
应当理解的是，任意示图仅代表本发明的可能的非限制性实施例，这些实施例可在其形式和布置上有所变化，而不会超出基于本发明的原理的范围。所附权利要求中可能存在的参考标号仅具有在参照前述说明和附图的情况下使它们更易于阅读的目的，且并非以任何方式限制保护范围。 

Claims (17)

1.一种用于工作流体的高压一体式压缩单元，其特征在于，所述压缩单元至少包括以下部件：
第一压缩装置(C)，其能够将所述工作流体从大致气态的初始热力学状态(Pi，Ti)压缩至中间热力学状态(P1，T1)；
第二压缩装置(P)，其机械地连接到所述第一压缩装置(C)上，且能够将所述过程流体从所述中间热力学状态(P1，T1)压缩至最终热力学状态(Pf，Tf)；
马达装置(M)，其能够驱动所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)；以及
压力壳体(3)，在其中至少装入机械地彼此联接的所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)。
2.根据权利要求1所述的压缩单元，其特征在于，所述马达装置(M)装入在所述压力壳体(3)中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的压缩单元，其特征在于，所述马达装置(M)直接联接到所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)上。
4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的压缩单元，其特征在于，所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)以及所述马达装置(M)在单个驱动轴线(X1)上彼此机械地联接。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述压力壳体(3)在其外侧包括仅为静态类型的机械密封件(2A，2B，2C，2D)。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述工作流体在所述中间热力学状态(P1，T1)和/或所述最终热力学状态(Pf，Tf)大致处于液体状态或超临界状态。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述工作流体在所述中间热力学状态(P1，T1)和/或所述最终热力学状态(Pf，Tf)具有大于80bar、优选大于100bar的压力。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述第二压缩装置(P)能够在所述第一压缩装置(C)的相同旋转速度下工作。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)为离心类型的，包括与定子槽道相关联的相应离心式叶轮(C1-C6；P1-P6)；所述离心式叶轮(C1-C6；P1-P6)沿所述驱动轴线(X1)相关联，且由与所述驱动轴线(X1)同轴的至少一个转子(7A，7B)驱动。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述压缩单元至少包括用于至少一个转子(7A；7B)的通道开口(10)，所述至少一个转子(7A；7B)沿所述驱动轴线(X1)设置在所述第二压缩装置(P)与所述机器的所述装置(P；M)中的一个之间。
11.根据权利要求10所述的压缩单元，其特征在于，所述开口通道(10)安置在所述第一压缩装置(C)的高压侧与所述第二压缩装置(P)之间。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的压缩单元，其特征在于，所述开口通道(10)包括以下构件中的至少一个：
至少一个第一内部动态密封件(19)，其在所述至少一个转子(7A，7B)上工作用以提供对所述单元的工作有用的较小校准损失或泄漏；
至少一个机械联接件(9)，其能够机械地联接所述至少一个转子(7A；7B)的两部分；
用于所述至少一个转子(7A；7B)的至少一个第一机械轴承(11A)。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述压缩单元包括能够借助于所述工作流体来冷却用于所述至少一个转子(7A；7B)的一个或多个机械轴承(11A-11F)的至少一个封闭型冷却系统(21；23；25)。
14.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩单元，其特征在于，所述压缩单元包括用于所述工作流体的至少一个冷却器(13；13A；13B)，所述冷却器(13；13A；13B)在所述第一压缩装置(C)或所述第二压缩装置(P)的连续的级之间成流体连接。
15.一种用以压缩工作流体的方法，至少包括以下步骤：
提供由静态外部密封件或垫圈朝所述机器的外侧封闭的压力壳体(3)；
在所述压力壳体(3)内提供：至少一个第一压缩装置(C)，其能够将所述工作流体从大致气态的初始热力学状态(Pi，Ti)压缩至中间热力学状态(P1；T1)；至少一个第二压缩装置(P)，其机械地连接到所述第一压缩装置(C)上，且能够将所述工作流体从所述中间热力学状态(P1，T1)压缩至最终热力学状态(Pf，Tf)；以及马达装置(M)，其能够驱动所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)；以及
启动所述装置(C，P，M)，以便压缩所述工作流体。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述启动阶段包括启动所述第一压缩装置(C)，以便在超临界流体条件下将所述工作流体压缩至所述中间热力学状态(P1，T1)，以及启动所述第二压缩装置(P)以将所述工作流体从所述中间热力学状态(P1，T1)进一步压缩至所述最终热力学状态(Pf，Tf)；最终之后，冷却所述工作流体至少一次。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其特征在于，所述启动阶段包括以下初始子阶段中的至少一个：
启动外部动力供给回路(16)以利用工作流体填充所述第二压缩装置(P)；所述工作流体大致处于与将由所述第一压缩装置(C)供送的工作流体相同的热力学状态下；然后启动所述第一压缩装置(C)，且同时启动所述第二压缩装置(P)；或者
迟于所述第一压缩装置(C)启动所述第二压缩装置(P)，以便在其启动之前，容许所述工作流体至少部分地填充所述第二压缩装置(P)；或者
同时启动所述第一压缩装置(C)和所述第二压缩装置(P)。
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