JP2009530537A - 圧縮機装置 - Google Patents

Abstract

電動機（２）の固定子（１６）が固有の冷却装置（４０）に接続された、特に水中運転用の圧縮機装置（１）に関する。一方では優れた運転安全性を有し、他方では運転中における周辺との物質上の交換を必要としない、電動機の固定子に対する冷却装置を提供するために、冷却装置（４０）が、運転条件下において固定子（１６）の冷却装置（４０）における冷却材（４１）の自然循環が行われるように形成される。本発明に基づく圧縮機装置（１）の大きな利点は、固定子（１６）の固有の冷却装置（４０）が固定子（１６）の運転条件に正確に合わされ、特に一方では、高い損失動力が、他方では、この部品の損傷性が考慮されていることにある。

Description

本発明は、圧縮機と、固定子および回転子を含む電動機とを有し、搬送媒体を圧縮するための特に水中運転用の圧縮機装置に関する。

圧縮機の分野における最近の開発は、天然ガス搬送に使われる大形圧縮機の海底配置にも向けられている。特別な運転条件に基づいて、特に大きく制限された接近可能性のために、点検目的並びに供給配管敷設に関連して、当該業界は大きな挑戦を受けている。環境保護規制は、敷設すべき機器と周辺海水との間におけるあらゆる物質上の交換を禁じている。また、海水は腐食性媒体であり、種々の水深において極端な圧力・温度条件に遭遇する。更に、機器が一方では極めて長い耐用年数を有することが必要であり、他方ではほぼメンテナンスフリーに形成せねばならないという要件も存在する。部分的に化学的な腐食性を有する被搬送媒体のかなりの汚染も追加的問題として存在する。

冒頭に述べた形式の圧縮機装置は、既に国際公開第０２／０９９２８６号パンフレットで知られている。そこに記載された圧縮機装置は、冷却するために、圧縮機のラジアル段の転流路の領域において、搬送媒体、通常は天然ガスから部分流を分岐させ、その部分流によって被冷却構成要素を洗流するようにしている。これによって、１００〜２００ｋＷの大きさの損失熱が、搬送すべき低温媒体によって放出される。

圧縮機装置のその冷却構想は、損失熱の放出に元来搬送すべき搬送媒体を用い、圧縮機装置と周辺の他の要素との追加的媒体交換が不要なので、特に有利である。しかしこの方式は、搬送すべき媒体の腐食性化学特性のために特に問題が伴う。回転子の洗流冷却が十分である一方で、固定子に対し、損失熱を放出するために他の冷却処置が必要である。

もう１つのリスクは固定子の通常の多孔性を有する絶縁体にあり、該絶縁体は、冷却材として固定子と接触する搬送媒体による洗流部位において、搬送媒体を部分的に吸収し、これにより、瞬間的圧力降下時、例えば運転中断時、絶縁体の小穴に吸収された媒体が爆発的に膨張し、そのために、絶縁体が破損されることがある。

圧縮機装置の有用性に対する大きな問題を伴う上述した欠点は、特に例えば天然ガス搬送における水中運転に対して容認できない。

本発明の課題は、一方では優れた運転安全性を有し、他方では運転中における周辺との物質上の交換を必要としない、特に水中運転用の電動機駆動式圧縮機装置の電動機の固定子に対する冷却装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の圧縮機装置によって解決される。従属請求項に、各々本発明の有利な実施態様を示す。

本発明に基づく圧縮機装置の決定的な利点は、固定子固有の冷却装置を固定子の運転条件に正確に合わすことができ、特に一方では大きな損失動力を、他方ではその構造部品の損傷性を考慮できることにある。

特に汚れに対する固定子の損傷は、冷却装置が冷却材循環閉鎖回路を有することによって考慮している。本発明の目的に適った他の実施態様では、固定子が冷却路を備え、搬送媒体が冷却のため冷却路を貫流する。この形態は、搬送媒体による冷却時、搬送媒体の汚れが運転中に冷却路を通る流れを害し、場合によってその冷却路を閉塞する恐れを無し得る。本発明に基づく固有の冷却回路に基づいて、固定子冷却が運転確実となる。

冷却装置が凝縮器を有し、該凝縮器が送り配管と戻り配管で被冷却固定子に接続され、冷却装置が、冷却材が凝縮器と戻り配管と固定子と送り配管とを経て循環するように形成するとよい。この循環は特に自然対流で実行され、上述の構成要素間で冷却材の自然循環が生ずる。かくして、冷却材に対する補助的な搬送処置を省略でき、これは圧縮機装置の複雑性を低減し、もって高い稼動性に貢献する。特に幅広い温度範囲での使用を保証すべく、常に強制循環が生ずるよう、冷却装置の循環をポンプで行うこともできる。

冷却材が、冷却装置の回路内で、冷却材の少なくとも一部の相転換が行われるように選定すると特に目的に適う。かくして、冷却力が特に高くなる。閉鎖回路で、冷却材の封入圧力が、運転条件下で固定子での熱吸収中に、冷却材の少なくとも一部が気相に移行し、凝縮器での放熱中にその気相部分が再び液相に転換するように設定し得る。

冷却材として、アンモニア、二酸化炭素および炭化水素が適している。炭化水素はハロゲン化することも非ハロゲン化することもでき、非ハロゲン化炭化水素は、アンモニアや二酸化炭素と同様に、ハロゲン化水素に比べて環境保護上から有利である。

本発明において、一方で圧縮機装置の電動機の固定子固有の冷却が、他方で圧縮機装置の他の構成要素に対する冷却系が、特に目的に適っている。冷却装置と冷却系との分離により、上述した圧縮機装置の固定子からの放熱についての特別な要件に応じられる。

特に圧縮機と共に電動機回転子を冷却する冷却系は、冷却材として搬送媒体を利用するとよく、これにより、損失熱を圧縮すべき搬送媒体で排出できる。これは、特に天然ガスが一般に比較的低温であるので、ガスの海底搬送の際に目的に適っている。特に回転子は搬送媒体によって開放回路で効果的に洗流できる。

一般に搬送媒体はひどく汚れており、損耗し易い部品は洗流に基づいてその機能を害されることがある。従って、回転子の軸受、即ちスラスト軸受とラジアル軸受を、周辺とその部品との間で物質上の交換が生じないように、密封形成するとよい。これに伴い、磁気軸受が必要となる。同じことは固定子と回転子に対しても当てはまり、これらは同様に腐食性搬送媒体に対してカプセルによって保護し得る。

一方で固定子の周辺領域において圧縮機装置の残りの構成要素を冷却系によって冷却するために利用される低温搬送媒体により外側からかかる圧力と、他方で冷却装置の内圧とから生ずる最大差圧に対し、固定子の冷却装置を安価に設計可能とすべく、搬送媒体により生ずる種々の圧力に対し、冷却装置において種々の運転圧力を利用することと、その運転圧力に関連して冷却装置の冷却材を交換することが有利である。これは、具体例として天然ガスを搬送する際、入口における搬送媒体の圧力が規模および産出量に応じて４０〜１４０×１０⁵Ｐａの範囲で変化し、従って、天然ガスの全搬送時間にわたり同一の冷却材だけで冷却装置が運転される場合には、冷却装置が２００×１０⁵Ｐａまでの差圧に対し設計せねばならないことを意味する。搬送媒体の圧力に応じ、冷却材を例えばプロパン、ブタン、フレオンの順序で交換することで、より低い差圧に基づく設計が可能となる。冷却材の交換は、他の点検作業と同時に行うとよい。

以下、図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。

図１は本発明に基づく圧縮機装置１を概略縦断面図で示し、この圧縮機装置１は主要部品として、気密ハウジング４内に電動機２と圧縮機３を有している。即ち、ハウジング４は電動機２と圧縮機３を収容している。ハウジング４は電動機２から圧縮機３への移行部に入口６を備え、該入口６を通して吸込みノズル８から被圧縮流体が吸い込まれ、圧縮済み流体は、ハウジング４の圧縮機３の出口部に在る出口７を通して排出される。

圧縮機装置１は運転中に垂直に配置され、電動機２の回転子１５は圧縮機３のロータ９にわたり共通軸１９の形に一体化され、この共通軸１９は共通垂直回転軸線６０を中心として回転する。

電動機回転子１５は、その上端が第１ラジアル軸受２１で支持されている。

圧縮機ロータ９は、その下部が第２ラジアル軸受２２で支持されている。

共通軸１９の上端、即ち電動機回転子１５の上端に、スラスト軸受２５が設けられている。該ラジアル軸受とスラスト軸受は電磁式に作動し、各々カプセル構造をなしている。それらラジアル軸受は共通軸１９の各軸受箇所の周りを円周方向、この場合には３６０°にわたり延び、非分割構造に形成されている。

遠心圧縮機として形成された圧縮機３は３つの圧縮段１１を有し、各圧縮段１１は各々転流路３３にて接続されている。これら圧縮段１１で生ずる圧力差は、圧縮機ロータ９に推力（スラスト）を生じさせ、該推力は回転子１５に伝達され、圧縮機ロータ９と回転子５から成るロータ全体の重力と逆に向けられ、これにより、定格運転中、推力が十分に相殺される。かくして、スラスト軸受２５は、回転軸線６０が水平に配置されている場合より比較的小形に設計できる。

電磁式軸受２１、２２、２５は冷却系３１により運転温度に冷却され、冷却系３１は圧縮機３の転流路に抽出口３２を有している。搬送媒体、特に天然ガスの一部が、その抽出口３２から配管を通してフィルタ３５に導かれ、続いて、別個の２本の配管を通して各々外側軸受箇所（第１ラジアル軸受２１と第２ラジアル軸受２２並びにスラスト軸受２５）に導かれる。この低温搬送媒体（８０）による冷却は、追加の供給管を不要とする。

回転子１５はカプセル３９を有する固定子１６で取り囲まれ、この結果腐食性搬送媒体（８０）が固定子６の巻線を傷めることはない。カプセル３９は、運転全圧に耐え得るように設計されているとよい。これは、固定子に対して固有の冷却材４１が循環する独立した冷却装置４０を設けることでも実現される。その場合、ポンプ４２は熱交換器４３を通る回路における自然循環を支援する働きをする。

少なくともカプセル３９は、固定子１６と回転子１５の間の箇所が薄い壁厚を持つが、固定子冷却装置４０に冷却材４１を完全封入した際に設計圧力状態に耐えるように形成される。かくして、その箇所での大きな渦電流損を防ぎ、装置全体の効率を向上できる。

搬送媒体の圧力に応じて、固定子冷却装置４０の封入圧力ないし冷却材４１を、その圧力に合わすことができ、これに伴い、カプセルは常に設計範囲内の圧力差で運転される。監視作業中に、相応して冷却材４１を交換し、例えば圧力低下の順にプロパンからブタン、フレオンの順序で交換することができる。

圧縮機ロータ９は、個々の圧縮段１１が取り付けられた圧縮機軸１０を有するとよい。その取付けは、好適には焼嵌めにより行える。例えば多角形体のかみ合い結合による取付けも可能である。他の実施態様では、単一の圧縮機ロータ９を生じさせるべく、種々の圧縮段１１を相互に溶接する。

図２は、電動機２の回転子１５と固定子１６および冷却装置４０を示す。冷却装置４０は冷却回路５０を有し、該冷却回路５０は、（固定子１６内の）冷却路５１、冷却路５１の両端に各々配置された集合室５２、両集合室５０に各々続く配管、即ち送り配管５３と戻り配管５４並びに両配管５３、５４間に配置された凝縮器５５を通って延びている。冷却材４１、例えば炭化水素は先ず固定子１６の冷却路５１に流入し、送り配管５３を経て凝縮器５５に流入し、そこで、冷却材４１が凝縮し、最終的に液体として戻り配管５４を経て冷却路５１の帰還側端に存在する集合室５２に流入する。この回路は閉鎖形であり、圧力ないし封入量は、送り配管と戻り配管との間で相交換が起こるように選定されている。好適には、送り配管と戻り配管との間における温度差は１０Ｋ（ケルビン）である。凝縮器５５は測地学的に最高点（高低差ΔＨ）に存在し、これにより、自然循環が可能である。帰還路に循環を支援すべくポンプ４２を配置することができる。固定子はカプセル構造となっており、回転子１５と固定子１６との間の隙間で、回転子１５を洗流する搬送媒体８０によって冷却される。

本発明に基づく圧縮機装置の概略縦断面図。 圧縮機装置における熱サイホンとしての固有冷却装置を備えた電動機の概略縦断面図。

符号の説明

１ 圧縮機装置、２ 電動機、１５ 回転子、１６ 固定子、３１ 冷却系、４０ 冷却装置、４１ 冷却材、４２ ポンプ、５０ 冷却回路、５３ 送り配管、５５ 凝縮器、８０ 搬送媒体

Claims (14)

1. 圧縮機（３）と、固定子（１６）および回転子（１５）を含む電動機（２）とを有し、電動機（２）の固定子（１６）が、固有の冷却装置（４０）に接続され、該冷却装置（４０）によって冷却される搬送媒体（８０）を圧縮するための圧縮機装置（１）であって、
   冷却装置（４０）が、運転条件下において固定子（１６）の冷却装置（４０）における冷却材（４１）の自然循環が行われるように形成されていることを特徴とする圧縮機装置。
2. 冷却装置（４０）が、冷却材（４１）が循環する閉鎖回路（冷却回路５０）を有していることを特徴とする請求項１記載の圧縮機装置。
3. 冷却装置（４０）が凝縮器（５５）を有し、該凝縮器（５５）が、少なくとも１つの送り配管（５３）と少なくとも１つの戻り配管（５４）によって被冷却固定子（１６）に接続され、冷却装置（４０）が、冷却材（４１）が、凝縮器（５５）と戻り配管（５４）と固定子（１６）と送り配管（５３）とを通して循環するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧縮機装置。
4. 戻り配管（５４）に冷却材（４１）を搬送するポンプ（４２）が設けられ、該ポンプにより強制循環が行われることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の圧縮機装置。
5. 閉鎖回路（冷却回路５０）において運転条件下で循環路における運転圧力の下で冷却材（４１）の相転換が少なくとも部分的に行われ、固定子（１６）での吸熱中に、冷却材（４１）が気相に移行し、凝縮器（５５）での放熱中に、冷却材（４１）が液相に移行するように冷却材（４１）が選定されていることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の圧縮機装置。
6. 冷却材（４１）が炭化水素であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の圧縮機装置。
7. 圧縮機（３）、圧縮機装置（１）の軸受（ラジアル軸受２１、２２、スラスト軸受２５）および電動機（２）の回転子（１５）が、別の冷却系（３１）に接続され、該冷却系（３１）によって冷却されることを特徴とする請求項１記載の圧縮機装置。
8. 冷却系（３１）が搬送媒体（８０）である冷却材を有していることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の圧縮機装置。
9. 搬送媒体（８０）が天然ガスであることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の圧縮機装置。
10. 冷却系（３１）が、電動機回転子（１５）が冷却材によって洗流されるように形成されていることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の圧縮機装置。
11. 冷却装置（４０）の壁が、低温搬送媒体に隣接し、全運転状態にわたる搬送媒体（８０）の圧力と冷却材の圧力との差圧に対して設計されていることを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の圧縮機装置。
12. 冷却装置（４０）の壁が、低温搬送媒体（８０）に隣接し、全運転状態にわたる搬送媒体（８０）の圧力と冷却材（４１）の圧力との最大差圧に対応しておらず、冷却材の圧力が搬送媒体（８０）の圧力に応じて増減されることを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の圧縮機装置。
13. 請求項１から１２の１つに記載の圧縮機装置（１）の運転方法であって、
    入口（６）における搬送媒体（８０）の圧力が変化した際、冷却装置（４０）の冷却材（４１）が交換され、入口（６）における搬送媒体（８０）の圧力が低下した際、冷却装置（４０）の冷却材（４１）の運転圧力も低下されることを特徴とする圧縮機装置の運転方法。
14. 冷却材（４１）の運転圧力を変化する際、冷却材（４１）が異なった冷却材と交換されることを特徴とする請求項１３記載の方法。

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