CN101978169B - 压缩机单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有压缩机(2)和马达(3)的压缩机单元(1)，所述压缩机和所述马达优选地以无密封方式被公共壳体(4)封装，其中所述马达(3)的定子(20)被冷却系统(5)冷却。分隔件(41)在定子(20)的区域内将工艺流体(6)分离于冷却流体(23)。为了减小分隔件(41)上的机械载荷，使用压力补偿器(53)在工艺流体(6)压力和冷却流体(23)压力之间建立特定关系。

Description

压缩机单元
技术领域
本发明涉及压缩工艺流体的压缩机单元，其包括具有入口、至少一个压缩级和出口的压缩机、具有定子和转子的马达、冷却马达的冷却系统，其中所述冷却系统包含冷却流体。
背景技术
上述类型的压缩机单元以各种尺寸范围用于各种应用中。特别感兴趣的应用是与封装马达和压缩机的不透气或密封闭合的壳体相结合使用的电动压缩机，这样避免了使用转子密封的必要性。因为转子密封总是复杂且昂贵的，具体原因在于通常连接的辅助系统，该辅助系统通常需要来提供密封流体，所以人们对于无密封的应用是极感兴趣的。努力获得无密封机器的进一步原因在于压缩机单元的新的应用领域。大体而言，新应用关注于避免在被压缩的工艺流体和周围环境之间的介质交换。一种可能用途是有毒流体的压缩，为此提供密封流体来进行轴密封的辅助系统是极其复杂的。另一种更吸引人的应用是在海平面以下利用周围海水进行的气体压缩，具体是天然气的压缩。由于化石燃料的短缺以及更有效地开采海洋中的天然气能源这种新的可能性，所以这些压缩机单元的经济利益日益增长。
不过，在海平面以下在井口处直接压缩天然气的这种新的研究伴随着与困难的操作条件和难以通达压缩机单元相关的大量技术问题。主要的挑战在于处于冰点附近的低温、周围化学侵蚀性海水的高压、要被压缩的不纯净且化学侵蚀性的流体，其中天然气的抽吸压力变化并且承载大量的外来颗粒及非气态流体，即液体。
此外，在井的使用期限内，开采的天然气的压力显著减小，并且由于环境保护问题，不允许在压缩机单元和周围环境之间存在介质交换。
发明内容
当在马达的定子和转子之间设置分隔壁时，压缩机和马达可以被设置在一个壳体中且没有轴密封，其中该分隔壁将定子的内部分离于工艺流体。这样的分隔壁优选地是圆筒形的且必须满足难以被结合在一起的多种要求。电动马达的定子需要冷却系统来耗散掉定子中产生的热。特别地，由于变化的工艺流体压力，分隔件必须应付在位于转子和定子之间的间隙内的工艺流体和在定子内部的冷却流体之间的大差动压力。此外，必须避免在分隔件中存在漩涡，并且因而分隔件材料不应该是导电的。而且，分隔件不能被构建得较厚以便维持马达的效率，并且必须长期承受化学侵蚀性工艺流体而不被更换。满足所有这些要求的材料几乎不存在或非常昂贵，因此本发明的一个目标是减少分隔件上的机械载荷。
通过上述类型的压缩机单元来实现该目标，其中冷却系统以压力传输的方式被连接到压力补偿器的第一终端。其中压力补偿器的第二终端被连接到工艺流体从入口管线流动通过压缩级并通过出口管线的流动路径内的位置，其中压力补偿器在冷却系统内的流体压力和流动通路内的工艺流体压力之间建立特定关系。
冷却系统可以在开放环路中工作，其中冷却流体被持续交换，不过优选地是冷却流体在闭合环路中至少在主环路内循环，其直接从马达的定子去除热。冷却流体可以是气体或液体或者可以在相变情况下工作。压力补偿器优选地被用于几乎均衡工艺流体和冷却流体之间的压力，不过也可以被构建成在这些流体之间建立特定压力差或者在压力之间产生特殊比例或者结合这些效果。
本发明实现的一个主要优点在于减少了分隔件上的机械载荷，这可以被构建成更关注于运行效率。补偿器有利地减小了分隔件上的压力差并且最终将其结合于所有可能工况下所维持的压力差的特殊方向。
本发明的一种实施例提供了压力补偿器，其包括腔室，该腔室部分地填充有工艺流体且部分地填充有冷却流体，并且其中活动的分离元件被设置在所述流体之间，这允许在所述流体的压力之间建立机械平衡状态且阻止流体混合。这样的补偿器设计是实践本发明的简单方式。分离元件可以是在补偿器的相应圆筒形腔室中运动的例如圆筒形的活塞。如果活塞能够沿竖直方向运动，则重力可以被用于在两种分离的流体之间建立限定的压力差。此外，可以通过将活塞的不同表面区域暴露于相应流体来建立压力差。使用补偿器来提供压力差的另一种方式是提供弹性元件，例如弹簧，从而沿一个方向来弹性加载活塞。这些设计可以被单独地实施或者可以以任意方式彼此结合。
分离两种流体且防止混合的另一种可能方式是提供隔膜作为分离元件。
优选地，在两种流体之间建立压力差，使得在分隔件区域内冷却流体比工艺流体处于更高的压力水平。假定几乎无泄漏，则这种方式下冷却流体不会被工艺流体污染且因而不会危害到对于定子的冷却。此外，可以选择具有更大粘性的冷却流体，以便其不能进入分隔件的小孔或孔穴中。
维持特定压力差的另一种可能方式是在冷却流体环路中提供泵，这具体地增加了分隔件区域内的压力。因此，泵的优选安装点是在分隔件的上游，即相应地在定子上游。因为冷却流体优选地在主闭合环路内流动，所以优选地是补偿器的第一终端和定子的连接之间的闭合环路中的任意位置。这样，冷却流体通过定子的通道上的压力损失会增加工艺流体和冷却流体之间的压力差。使用泵具有进一步的优点在于始终确保了冷却流体的流动。
本发明的另一种实施例提供了一种压缩机，该压缩机包括在压缩机的第一级和第二级之间由转换连接件以串联次序连接的至少两个压缩级，其中补偿器的第一终端被连接于转换连接件。这种构造实现了在入口处冷却流体比工艺流体具有更高的压力水平。这种汲取件也可以有利地被用于冷却压缩机单元的模块，所述模块使用工艺流体并且建立从汲取件通过要被冷却的模块到达工艺流体进入压缩机的入口的流动。如果汲取压力相对于入口压力足够高，则由于工艺流体在汲取压力和入口压力之间的差动压力而会获得良好的冷却效果。
另一种优选实施例为压缩机单元的马达和压缩机提供了共用不透气壳体。如上所述，这样的实施例使得无密封构造成为可能。
优选地，压缩机和转子由公共轴来支撑，该公共轴由磁性轴承支撑。公共轴可以由多个部件组装而成，其可以由独立组的轴承支撑，并且所述部件可以被套筒轴连接。使用磁性轴承的一种优点在于，避免了使用任何润滑剂并且可以使用工艺流体来冷却轴承。
如上所述，优选地提供沿轴的轴向方向延伸的在马达的转子和定子之间的周向间隙，工艺流体通过该间隙流动以便也用于冷却目的。这种设计的一个主要优点在于，再次避免了对于工艺流体的轴密封。
优选地，补偿器的第二终端被连接到流动路径，使得在分隔件的区域内冷却流体比工艺流体具有更高的压力。这种连接应该对应于第一终端与冷却系统的连接，以便这两种连接均根据两种流体的流动利用压力损失来获得所需压力差。
本发明的优选实施例提供用于冷却冷却系统内的冷却流体的换热器。换热器使得在冷却系统中流动的主冷却流体和次冷却流体之间进行热交换，其中所述次冷却流体可以是任意适当类型，例如是空气或例如是海水。
具体对于水下操作而言，即在罕有维护机会的情况下，冷却系统的一种优选设计使用自然对流作为冷却流体循环的推动力。自然对流可以特别有利地用于主冷却环路，即相应地有利于主冷却流体。冷却系统可以被设计成使得通过温差环流(热虹吸)原理来循环冷却流体。大体而言，温差环流是基于自然对流的被动热交换方法，其在不需要常规泵的情况下使得液体沿竖直闭环回路循环。其目的在于通过避免常规液体泵的成本和复杂性来简化对液体和/或热传递的泵送。
附图说明
通过结合附图来参考实现本发明的当前最佳模式的下述描述，可以更加显而易见到本发明的上述贡献、其他特征和优点及其获得方式，并且将更好地理解发明本身，附图中：
图1示出了根据本发明的压缩机单元的示意性流程图，其包括冷却系统和压力补偿器，
图2-7分别示出了压缩机单元的不同示意图，其具有不同构造的冷却系统流体环路、带有定子和转子及其间的间隙(工艺流体通过该间隙流动)的马达、根据本发明的补偿器、换热器、工艺流体的汲取件以及适当时候的泵。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的压缩机单元1的流程图的示意性总揽图。包括压缩机2、马达3和冷却系统5，压缩机2和马达3由不透气壳体4一同封装。
压缩机单元1压缩工艺流体6，该工艺流体6沿流动路径7从入口管线8经过压缩机2的三个压缩级9、10、11流入出口管线12。优选地，工艺流体6是天然气，并且压缩机单元1以未示出方式位于海平面以下海洋海底上的井口上方。
压缩机2与马达3的转子16共用公共轴15，该轴由两个径向磁性轴承17、18以及一个轴向磁性轴承19支撑。马达3包括在转子16旁边的定子20，该定子20产生旋转磁场来驱动转子16。磁场的产生会导致显著的功率损失，这会生热，而热必须被导走以避免热破坏。来自定子20的热通量是通过冷却系统5来建立的，其中冷却流体23在环路25内循环。
磁性轴承17、18、19由工艺流体6冷却，该工艺流体从压缩机2的第一级9和第二级10之间的转换连接件30流出。来自这个汲取件31的工艺流体6流动通过轴承17、18、19的冷却通道(没有被进一步示出)返回到压缩机2内部的入口管线8。
在马达3的定子20和转子16之间提供间隙40，工艺流体6从汲取件31流动通过该间隙40返回到入口管线8。定子20借助于分隔件41即相应分隔件壁42以圆筒方式连结于间隙而围绕转子16。这个分隔件41有时也被称为“罐”或“分隔管”。分隔件41必须应付分隔件41区域内的工艺流体6和定子20内的冷却流体23之间的差动压力。为了避免大的涡流损失并且为了产生良好的马达3效率，分隔件41必须是薄壁且不导电的。此外，分隔件41必须是化学惰性材料以便耐受工艺流体6的化学侵蚀。
在冷却流体33的流动方向中，冷却系统5的环路35基本按如下次序流过下述模块：定子20、过滤器45、泵46和换热器47。此外，在定子20和过滤器45之间，压力补偿器53的第一终端51被连接到环路25。压力补偿器53的第二终端52被连接到汲取件31。
压力补偿器53包括腔室65且部分地填充有工艺流体6和冷却流体23，其中这两种流体被圆筒形的活运分离元件64彼此分开以便防止混合，该活动分离元件64可以沿圆筒形腔室65的纵向方向运动。分离元件64被构建成活塞66不过也可以是隔膜。活动的活塞66使得在工艺流体6的压力和冷却流体23的压力之间存在机械均衡。如果腔室65的纵向轴线被竖直对准，则因为活塞重力的原因，在活塞66的即相应在补偿器53的区域中，冷却流体23具有的压力稍大于工艺流体6的压力。此外，泵46增加了冷却流体23在进入换热器47且随后进入定子20之前的压力，以便在定子20内冷却流体23具有的压力大于流经间隙40的工艺流体6的压力。因此，在定子的区域内存在任意泄漏的情况下，工艺流体6不能够进入定子20。
优选地，压缩机单元1的轴15被竖直对准以便最小化在径向轴承17、18上的载荷，并且在正常运行期间通过轴15的重力且相应的压缩机单元1的整个转子的重力来至少部分地补偿由于压缩机2上的压力差导致的推力。
图2以简化图示出了图1的压缩机单元1的原理。特别更具体地示出了分隔件41和通过间隙40的流动。使用液体17(可以是水)来运行换热器47。补偿器53以其第一终端51连接到定子20和泵46之间的环路25。
图3示出了带有空冷换热器47的压缩机单元1，其中补偿器53以其第一终端51连接到换热器47和定子20之间的环路25。这样，在分隔件41的区域内且相应地在间隙40的区域内，在工艺流体6和冷却流体23之间产生几乎相等的压力。
图4的简化原理基本示出了图3的构造，不过具有液冷换热器47。
图5的简化流程图示出了优选地在海下操作中相应在海水冷却的情况下运行的换热器47。
图6和图7以简化形式示出了压缩机单元1，其在环路25中不具有任何泵46，其中冷却流体23仅通过自然对流来循环。
图7示出了温差环流原理的具体情况，其中冷却流体23作为气体80进入换热器47且作为液体83离开该换热器。

Claims (16)

1.一种用于压缩工艺流体(6)的压缩机单元(1)，包括
带有入口(8)、至少一个压缩级(9，10，11)和出口(12)的压缩机(2)，
带有定子(20)和转子(16)的马达(3)，
冷却所述马达(3)的冷却系统(5)，
其中所述冷却系统(5)包含冷却流体(23)，
其特征在于，
所述冷却系统(5)以压力传输方式被连接到压力补偿器(53)的第一终端(51)，
所述压力补偿器(53)的第二终端(52)被连接到所述工艺流体(6)从入口(8)管线流动通过所述压缩级(9，10，11)且流动通过出口管线(12)的流动路径(7)内的位置，其中所述压力补偿器(53)在所述冷却系统(5)内的流体压力和所述流动路径(7)内的工艺流体(6)压力之间建立压力均衡、压力差或比例关系，以及
所述压缩机(2)包括由转换连接件(30)以串联次序连接的至少两个压缩级(9，20，11)，并且所述压力补偿器(53)的所述第二终端(52)被连接到在所述压缩机(2)的第一级(9)和第二级(10)之间的所述转换连接件(30)。
2.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述压力补偿器(53)包括腔室(65)，该腔室(65)部分地填充有工艺流体(6)且部分地填充有冷却流体(23)，活动分离元件(64)被设置在所述工艺流体(6)和冷却流体(23)之间，且允许在所述流体的压力之间建立机械平衡状态且防止所述流体的混合。
3.根据权利要求2所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述分离元件(64)是活塞(66)。
4.根据权利要求2所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述分离元件(64)是隔膜。
5.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述马达(3)和所述压缩机(2)被不透气壳体(4)一同封装。
6.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述压缩机(2)和所述马达(3)的所述转子(16)由公共轴(15)支撑，该公共轴由磁性轴承(17，18，19)支撑。
7.根据权利要求6所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述磁性轴承(17，18，19)由所述工艺流体(6)冷却。
8.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
在所述马达(3)的所述定子(20)和所述转子(16)之间的间隙(40)填充有工艺流体(6)，且分隔件(41)将所述工艺流体(6)分离于所述冷却系统(5)的所述冷却流体(23)。
9.根据权利要求8所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述压力补偿器(53)的所述第二终端(52)被连接于所述流动路径(7)，使得在所述分隔件(41)的区域内所述冷却流体(23)比所述工艺流体(6)具有更高的压力。
10.根据权利要求8所述的压缩机单元(1)，特征在于
泵(46)被设置在所述冷却系统(5)内，其增加了在所述定子(20)内所述冷却流体(23)的压力，从而在所述分隔件(41)的区域内维持所述冷却流体(23)相对于所述工艺流体(6)的更高的压力。
11.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述冷却系统(5)包括用于冷却所述冷却流体(23)的换热器(47)。
12.根据权利要求10所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述冷却系统(5)包括用于冷却所述冷却流体(23)的换热器(47)。
13.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述冷却流体(23)的循环由自然对流来推动。
14.根据权利要求13所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述冷却流体(23)通过温差环流的原理而循环。
15.根据权利要求12所述的压缩机单元(1)，特征在于
所述换热器(47)位于所述泵(46)的下游。
16.根据权利要求10或15所述的压缩机单元(1)，特征在于所述泵(46)位于与所述第一终端(51)的连接处的下游。
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