CN109312756A - 用于升高生产气体中的压力的具有气体轴承的模块化压缩机及系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于升高生产气体中的压力的系统及模块化压缩机(1)，其中在一组压缩机模块中，每个第二模块是转子模块(4)，所述转子模块(4)承载被驱动来相对于相邻静止模块(6)旋转的叶轮(5)，转子模块和静止模块组合提供压缩机级，在压缩机级中，生产气体穿过流动管道(7)加速，所述流动管道(7)穿过转子模块与静止模块之间的界面(8)，其中在所述界面处提供用于轴向负载和/或径向负载的至少一个轴承来将转子模块轴颈连接到静止模块上。所述至少一个轴承是气体轴承(15，15’，34)，其中通路(24；27)布置在静止模块(6)中，以将升高压力下的生产气体的提取部分从压缩机(1)引导至气体轴承(15，15’，34)。

Description

用于升高生产气体中的压力的具有气体轴承的模块化压缩机 及系统
技术领域
本发明涉及可操作成用于升高生产气体中的压力的模块化可堆叠设计的系统和压缩机。更确切地说，本发明涉及一种模块化压缩机，其中在一组压缩机模块中，每个第二模块是转子模块，所述转子模块承载被驱动来相对于相邻静止模块旋转的叶轮(impeller)，转子模块和静止模块组合提供压缩机级，在所述压缩机级中，生产气体经由管道加速，所述管道穿过转子模块与静止模块之间的界面，其中在所述界面处提供用于承受轴向负载和/或径向负载的至少一个轴承来将转子模块轴颈连接到静止模块上。
这种普通结构的模块化压缩机从US 5547350 A为先前已知的。
背景技术
在天然气生产中，无论是在陆地还是在海底，高功率输出压缩机可用于升高生产气体的压力，以有助于在长距离上输送，或者如果井压不足以将气体提升到地面，例如，多级构造的离心压缩机适用于生成范围从大约100巴的适当气体压力。常规多级离心压缩机通常包括在压缩机的每个级处支承许多转子叶片的具有转子轴的转子，以及密封组件、联接件和与转子相关联的其它元件。因此，当转子以例如大约5,000到25,000rpm的速度被驱动旋转时，转子构成产生相当大的静态轴向力和动态径向力的质量。用于无振动操作的转子的轴颈连接(Journaling)需要止推轴承(thrust bearings)和径向轴承，其可维持这些静态负载和动态负载。
油润滑的接触式轴承可用于支承和轴颈连接压缩机转子。然而，常规倾斜垫轴承(tilting pad bearing)的使用需要轴承腔与过程之间的分离，以确保轴承的正确流体动力润滑，且防止润滑介质的污染，所述污染将对润滑介质的润滑冷却性质有影响。
在期望避免油的应用中，如在海底环境中，例如，可改为使用无接触式主动或被动磁性轴承。然而，主动磁性轴承系统是复杂且相对昂贵的，且需要电子设备、传感器和功率控制用于持续监测和功率调节。另一方面，被动磁性轴承由于轴颈连接重转子质量所需的强磁场而基本上不可用于高功率压缩机应用，这使得组件非常复杂且昂贵。
轴颈连接压缩机或其它涡轮机的转子的另一个备选方案包括气体轴承的使用。气体轴承依靠空气或其它气体的供应而操作，供应空气或其它气体以在垫与转子的回转表面之间的界面处产生气体膜。然而，通常已知未经修改的传统气体轴承具有有限的容纳较大质量的转子组件的能力，例如在用于高功率输出机器(如，用于天然气生产的气体或湿气体压缩机)中使用的那些。
US 9121448 B2公开了密封阻尼器组件和混合气体倾斜垫轴颈轴承的组合，以补偿气体轴承的有限的静态负载和差的阻尼能力。轴承概念在US 8083413 B2中进一步公开。
发明内容
本发明的目的是提供适用于气体轴承来适应压缩机转子的压缩机和系统。
这一目的在如最初提出的用于升高生产气体中的压力的压缩机中得到满足，其中至少一个轴承是气体轴承，并且其中通路布置在静止模块中，以将升高压力下的生产气体的提取部分从压缩机引导至气体轴承。
将转子分成单独的转子模块会导致转子质量的对应减小，使得可能使用传统设计的不复杂的气体轴承来用于将转子模块悬置于压缩机中。当然，本发明并不排除使用更复杂的轴承设计。
向气体轴承供给取自压缩机的生产气体是一种解决方案，其需要最少的结构措施(measures)来确保使用(access)轴承且将供给气体供应至轴承。
在一个实施例中，气体供给通路布置在静止模块(stationary module)中，以将生产气体从压缩机流动管道的扩散器区段(diffusor section)中的内部气体分接头(tap)供给到气体轴承。
在一个实施例中，压缩机是无轴式(shaft-less)压缩机，且气体供给通路布置在静止模块中，以将生产气体从通向压缩机的中空中心(hollow centre)的内部进料口(internal infeed port)供给到气体轴承。
在又一个实施例中，气体供给通路布置在静止模块中，以将生产气体从静止模块的外部上的外部进料口供给气体轴承。
所有上述实施例受益于短气体通路，其可简单地通过钻孔操作来实现。
在最后两个实施例中，内部进料口和/或外部进料口优选布置成与压缩机的生产气体排放(production gas discharge)流动连通。该解决方案提供了若干优点，其中一个优点在于有可能调节气体向轴承的供给，另一个优点在于有可能避免穿过静止模块的生产气体管道的结构修改，且再一个优点在于在压缩机的下游端处可以以此方式获得最高可能压力下的供给气体。
在优选实施例中，气体分接管线连接至压缩机排放，且布置成具有阀来用于提取生产气体，生产气体经由蓄积器(accumulator)和/或分离器(separator)来供应至外部进料口和/或内部进料口。
结构简单且可靠的设计包括歧管(manifold pipe)，其布置成用于将来自蓄积器/分离器的生产气体分配到静止模块的进料口。
优选实施例通过分开气相和液相且移除液相来提供将干气体供给气体轴承的优点。
供应气体穿过气体轴承进入转子模块与静止模块之间的界面，且其中旋转部分之间的所述界面借助于迷宫式密封件与生产气体管道和外部环境隔离。
至少一个非气体轴承的轴承可布置在转子模块与相邻静止模块之间。非气体轴承布置成用于在气体压力不足以操作气体轴承时在启动或关闭的瞬态模式中支承转子。至少一个非气体轴承可布置成承受轴向或推力负载，且至少非气体轴承可布置成承受径向负载。
非气体止推轴承或径向轴承是接触式轴承，优选包括但不限于多晶金刚石(PCD)垫的接触式轴承。PCD轴承由于长使用寿命且维护要求最低的优点而可能是有利的。
用于将润滑剂和/或冷却流体供应至非气体轴承的通路有利地布置在静止模块中。用于润滑剂/冷却流体的该通路可从外部润滑剂源/冷却流体源经由压缩机的中空无轴中心和/或经由入口/出口静止叶片供应。
转子模块包括环形电机(ring motor)，环形电机包括永磁体转子和电磁体定子。使用环形电机的一个优点在于可避免移动电机部分，因此避免了用于将经历磨损的移动部分的轴颈连接和润滑的措施。
在优选实施例中，转子磁体支承在压缩机转子模块上，而定子磁体固定相邻静止模块之间，并与转子磁体成同心关系。该实施例的一个优点在于可避免电源的滑动接触。
通过单独的可变速度驱动器对每个转子模块独立地供能和控制。一组压缩机模块中的每隔一个转子模块可相对于前一个或相邻一个转子模块沿相反的旋转方向被驱动。该实施例的一个优点在于，静止模块中的回流管道可更简单地设计，因为由上游转子的叶轮给予径向旋转分量的流动由下游转子的反转叶轮重新变直(re-straightened)。例如，静止模块中的回流管道可布置成完全没有导流引导件，或具有仅部分地延伸穿过回流管道的叶片。
本发明的目的在用于升高生产气体中的压力的系统中进一步得到满足，该系统包括模块化压缩机，其中旋转压缩机模块轴颈连接到静止压缩机模块上的气体轴承中。系统的主要特征在于升高压力下的生产气体从压缩机提取，且为了气体轴承的操作而供应。
在优选的实施例中，该系统包括连接至压缩机排放的气体分接管线；布置成经由气体分接管线接收从压缩机排放提取的生产气体的蓄积器和/或分离器，以及布置成将生产气体从蓄积器/分离器供应至静止压缩机模块中的气体轴承的歧管。备选地或除了歧管之外，分配器管可位于模块化压缩机的无轴中空中心中。
附图说明
下文将参照士来更详细阐释本发明的实施例。在附图中：
图1为示出第一实施例中的本发明的总体设置的局部截面示意图，
图2为示出第二实施例中的本发明的总体设置的对应于图1的视图，
图3示出根据本发明的若干实施例布置的模块化可堆叠的压缩机的截面切开细节，
图4和5为对应于图3的截面视图，示出了具有气体轴承的模块化可堆叠的压缩机的备选实施例，以及
图6和7为示出用于将气体供应至模块化可堆叠的压缩机中的空气轴承的备选路径的示图。
具体实施方式
参看图1和2，用于升高生产气体中的压力的系统的部件包括具有压缩机入口(inlet)2和压缩机排放(discharge)3的压缩机1。压缩机1是模块化设计，包括布置成堆叠(stacked)构造的旋转压缩机模块4和静止压缩机模块5。更确切地说，在一组压缩机模块中，每个第二模块是转子模块4，所述转子模块4承载叶轮5，且被驱动来相对于相邻静止模块6旋转，转子模块和静止模块组合提供压缩机级，在压缩机级中，生产气体经由流动管道(flow duct)7加速，流动管道7穿过转子模块与静止模块之间的界面8。
蓄积器9布置成接收和保持升高压力下的生产气体的一部分，其可经由气体分接管线(gas tap line)10从压缩机排放3提取。阀11可布置在气体分接管线上以调节待提取的气体量。排水管(drain pipe)12布置在蓄积器上来排出可沉积到蓄积器的内壁上的液体。在此意义上，蓄积器9还可看作是分离器，其有效用于分离生产气体中的多相。
蓄积器9上的气体出口13连接至歧管14，歧管14布置成将生产气体供应至压缩机。更精确地说，歧管14布置成将从压缩机排放提取的生产气体分配至布置在旋转模块4与静止模块6之间的界面8处的径向气体轴承15和止推气体轴承15’。
图2示出了修改的实施例，其中布置了分配器管16，以替代或补充歧管14来用于经由无轴式压缩机1的中空中心17供应生产气体。
如下文进一步详细所述，用于气体轴承的操作的气体经由供给通路供应，供给通路形成在模块化压缩机的静止模块6中。
参看图3，以较大比例示出了模块化且可堆叠的压缩机1的切开细节。更精确地说，图3示出了布置在图1和2的示图中的左手一半压缩机中的两个静止模块6之间的转子模块4的截面视图。在此方面，应指出，可修改所示压缩机1以便在水平或垂直方向上操作。
模块化压缩机1是多级离心压缩机(multistage centrifugal compressor)，其中每个级包括转子模块4和静止模块6。借助于环形电机而驱动转子模块4旋转，所述环形电机包括电磁体定子18，所述电磁体定子18包括铁芯19和定子绕组20。定子18静止地收纳在两个静止压缩机模块6之间，且围绕转子模块4成同心关系固定。永磁体21支承在转子模块的外周，当磁体21经历当由交变电流供给定子绕组20时所生成的交变磁场时，磁体21引起转子模块4围绕转子中心C旋转(见图1)。可借助于单独的专用可变速度驱动器(VSD)来针对每个转子模块4独立地控制旋转速度和旋转方向。
转子模块4承载叶轮5，叶轮5布置在穿过转子模块4的径向-轴向延伸的流动管道区段中。更精确地说，叶轮5包括围绕转子中心C布置成环的一组弯曲叶轮叶片。在通过相邻下游静止压缩机模块6形成的径向-轴向延伸的流动管道区段中，叶轮5朝扩散器区段22和返回通道23沿流动方向F加速生产气体穿过流动管道。
在从转子模块过渡到静止模块中，气流穿过压缩机模块之间的界面8。界面8是适应从生产气体施加到转子模块的径向负载和推力负载中的不可避免的变化引起的转子移动的足够宽度的间隙。作用于转子上的变化的轴向负载和径向负载基本上在布置于压缩机模块之间的界面处的径向轴承和止推轴承中被吸收。在本发明中，轴承以气体轴承15或15’的形式实现，每个气体轴承包括倾斜轴承垫15”。径向气体轴承15和止推气体轴承15’位于静止模块6中。
气体轴承15、15’可为如本领域的技术人员已知的那些的传统设计。为了正确操作，它们需要足够压力的空气/气体来在轴承中的气体可透过的垫与由轴承支承的旋转构件的相对表面之间产生气体的膜和缓冲。
在本发明中，用于产生气体膜的气体从生产气流提取，且经由布置成穿过静止模块6的供给通路供应至轴承。
更精确地说，在一个实施例中，供给通路24布置成将生产气体的提取部分从布置在流动管道7的扩散器区段22中的内部气体分接头25供给气体轴承15、15’。取决于气体轴承的压力需要，内部气体分接头25可位于扩散器区段的下游端处(在该处，压力恢复最大化)，或穿过静止模块的管道中的任何其它位置处。
在另一个实施例中，供给通路24可布置成从内部进料口26接收生产气体，所述进料口26可用于将气体从压缩机排放经由无轴式压缩机的中空中心供应。
在又一个实施例中，气体供给通路27布置在静止模块中，以将生产气体从外部进料口28供给气体轴承，端口28可用于静止模块外部来将气体从压缩机排放经由歧管14供应。
又一个实施例预见到经由在入口定子导叶或出口定子导叶中加工的通路来将生产气体供应至气体轴承，该通路延伸穿过静止模块中的管道通路。
将理解这些实施例可全部以不同组合来使用。
气体轴承15、15’布置在转子模块与静止模块之间的界面8的长度内，转子模块和静止模块可借助于迷宫式密封件(labyrinth seals)29与外部环境隔离，所述迷宫式密封件29可为径向和/或轴向的。
在图3中所示的实施例中，非气体轴承30可作为着陆轴承或后备轴承安装，且在对气体轴承的气体供应不足以使其正确操作时有效用于在瞬态模式中悬置转子模块4。如图2中示意性指出，非气体轴承30是接触式轴承，其可供有来自润滑剂流体供应源31的润滑剂和/或冷却流体。润滑剂流体可有利地是生产气体，其经由如图2和3中所示的无轴式压缩机的中空中心供应至静止模块中的润滑剂流体通路33的进料口32。备选地，润滑剂可为乙二醇(glycol)。
前一实施例的备选方案在图4和5中示出，其中相似的元件由相同的参考标号标记。图3的实施例与图4和5的实施例之间的差异在于前一实施例包括凸出径向轴承15，其具有向外面朝压缩机的外周的轴承垫，后一实施例包括凹入径向轴承34，即，其中轴承垫向内面朝压缩机的中心。
尽管未在图4和5的实施例中示出，但应理解，可安装后备轴承以在过渡模式下操作，这基本上参照图3的实施例来阐释。
穿过旋转模块4的材料的通路35有利地布置成平衡转子模块4的上游侧和下游侧上的气体轴承回路中的压力，由此这些回路在迷宫式密封件29上连接至由叶轮5生成的吸入压力PS。
图6和7中图解示出了将生产气体供给模块化可堆叠的压缩机的气体轴承的主要回路。图6示出了从流动管道7中的生产气流F提取气体，以便经由气体供应管线24供给转子4轴颈连接在其中的气体轴承15、15’或34。
图7示出了从压缩机排放3提取生产气体来经由罐9和控制阀36供给气体轴承15、15’或34，阀可受控制来设置供应至气体轴承的气体中的压力与压缩机中的生产气体的压力之间的适当压差。

Claims (20)

1.一种用于升高生产气体中的压力的模块化压缩机(1)，其中在一组压缩机模块中，每个第二模块是转子模块(4)，所述转子模块(4)承载被驱动来相对于相邻静止模块(6)旋转的叶轮(5)，转子模块和静止模块组合提供压缩机级，在所述压缩机级中，生产气体经由穿过所述转子模块与所述静止模块之间的界面(8)的流动管道(7)加速，其中在所述界面处提供用于承受轴向负载和/或径向负载的至少一个轴承来将所述转子模块轴颈连接到所述静止模块上，其特征在于，所述至少一个轴承是气体轴承(15，15’，34)，其中通路(24；27)布置在所述静止模块(6)中，以将升高压力下的生产气体的提取部分从所述压缩机(1)引导至所述气体轴承(15，15’，34)。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其中气体供给通路(24)布置在所述静止模块中，以将生产气体从所述压缩机的流动管道(7)的扩散器区段(22)中的内部气体分接头(25)供给到所述气体轴承(15)。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机，其中所述压缩机是无轴式压缩机，且气体供给通路(24)布置在所述静止模块(6)中，以将生产气体从通向所述压缩机的中空中心(17)的内部进料口(26)供给到所述气体轴承(15，15’，34)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的压缩机，其中气体供给通路(27)布置在所述静止模块(6)中，以将生产气体从所述静止模块的外部上的外部进料口(28)供给到所述气体轴承(15，15’，34)。
5.根据权利要求4所述的压缩机，其中气体供给通路布置成穿过所述静止模块中的静止导叶。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的压缩机，其中所述内部进料口和/或所述外部进料口(26；28)与所述压缩机的生产气体排放(3)流动连通。
7.根据权利要求6所述的压缩机，其中生产气体分接管线(10)连接至所述压缩机排放(3)，且布置成具有阀(11)来用于提取生产气体，所述生产气体经由蓄积器和/或分离器(9)来供应至所述外部进料口和/或内部进料口(26；28)。
8.根据权利要求6所述的压缩机，其中对所述进料口的生产气体供应包括歧管(14)，所述歧管(14)布置成将来自所述蓄积器/分离器(9)的生产气体分配至所述静止模块的进料口(26；28)。
9.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中供给气体穿过所述气体轴承进入所述转子模块的旋转部分与所述静止模块之间的界面(8)，并且其中所述界面借助于迷宫式密封件(29)与生产气体管道和所述外部环境隔离开。
10.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中止推轴承(30)布置在所述静止模块(6)与所述转子模块(4)之间，所述止推轴承(30)不是气体轴承。
11.根据权利要求10所述的压缩机，其中所述止推轴承(30)是接触式轴承。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述接触式轴承(30)包括多晶金刚石垫。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的压缩机，其还包括所述静止模块(6)中的通路(33)，所述通路用于将润滑剂和/或冷却流体经由所述压缩机的中空无轴中心(17)供应至接触式轴承(30)。
14.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中所述转子模块(4)包括环形电机，所述环形电机包括永磁体转子(21)和电磁体定子(18)。
15.根据权利要求14所述的压缩机，其中转子磁体(21)支承在所述压缩机的转子模块(4)上，而定子磁体(19)固定在相邻静止模块(6)之间，并与所述转子磁体成同心关系。
16.根据权利要求14或15所述的压缩机，其中所述一组压缩机模块中的每隔一个转子模块(4)相对于相邻一个转子模块沿相反的旋转方向被驱动。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的压缩机，其中每个转子模块(4)经由单独的可变速度驱动器而被独立地控制。
18.一种用于升高生产气体中的压力的系统，所述系统包括模块化压缩机(1)，其中旋转压缩机模块(4)轴颈连接在静止压缩机模块(6)上的气体轴承(15，15’，34)中，其特征在 于，升高压力下的生产气体从所述压缩机提取且供应至所述气体轴承来用于所述气体轴承的操作。
19.根据权利要求18所述的系统，其包括：
-连接到压缩机排放(3)的气体分接管线(10)，
-蓄积器和/或分离器(9)，所述蓄积器和/或分离器(9)布置成经由气体分接管线接收从所述压缩机排放提取的生产气体，
-歧管(14)，所述歧管(14)布置成将来自所述蓄积器/分离器(9)的生产气体供应至所述静止压缩机模块(6)中的气体轴承(15)。
20.根据权利要求19所述的系统，其中分配器管(16)位于所述模块化压缩机的无轴中空中心中。
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