JP2020029770A - 圧縮機及び圧縮機を有するガス圧送システム - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスガス中の液滴の分離性能を向上させた圧縮機を提供する。【解決手段】吸込流路を内側に有する側壁と、側壁に接続した旋回流配管と、旋回流配管に対して一方側に位置するステータと、を有する圧縮機であって、旋回流配管に対して他方側に位置する底部と、液滴を保持可能な保持部と、液滴を排出可能な排出部と、を有し、吸込流路及び圧縮機外部の間を、底部を通過して移動する場合の圧力損失は、吸込流路及び圧縮機外部の間を、旋回流配管を通過して移動する場合の圧力損失より大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機及び圧縮機を有するガス圧送システムに関する。

天然ガス（プロセスガス）を生産する生産プラントでは、地下の天然ガス田に向かう数千メートル長の井戸を掘り、天然ガスを採掘している。

生産プラントの稼動当初は、天然ガス田が持つ自噴圧力によって、地下から地上に向けて天然ガスが井戸を通って噴出する。しかしながら、例えば稼働から暫くすると自噴圧力が減衰していくため、天然ガスの噴出速度が低下して生産性が低下していく。

このため、井戸の中に圧縮機を設置して、天然ガスを地上に圧送するという方法が知られている。より天然ガス田に近い場所に圧縮機を設置することが生産効率改善の観点からは好ましいが、地下数千メートルの井戸元は高温であり、圧縮機のモータ等を冷却することが求められる。

そのような中、天然ガス田の天然ガスを用いてモータのステータ等を冷却する方法が検討されている。しかし、天然ガスには水や油などの液滴が異物として混入しており、これらの異物はモータの損傷の原因になるおそれがあることから、これら異物を除去した上でステータ側に流すことが望まれる。

異物を除去するための方法として、特許文献１は、ガス導入口３からサイクロン室２にプロセスガスを導入する際に旋回流を発生させて、遠心力効果でプロセスガスから油分を分離するサイクロンセパレータを開示している。油分を分離したプロセスガスは、上方に設けられたガス排出口４から回収される。

特開２０１３−１６３１４３号公報

遠心力効果で異物を除去する場合、効果的に異物を分離するには、旋回流速度を高速にすることが好ましい。そして同時に、分離した異物を外部に排出できるように構成することが好ましい。しかし、旋回流を形成するように配されたガス導入口以外から天然ガス田のプロセスガスが導入されると、旋回流速度が低減してしまい、異物分離効率が低下する。このため、旋回流速度への悪影響を抑制しつつ、異物を排出可能な構成が求められる。この点について特許文献１は、何ら言及していない。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、吸込流路を内側に有する側壁と、該側壁に接続した旋回流配管と、該旋回流配管に対して一方側に位置するステータと、を有する圧縮機であって、該旋回流配管に対して他方側に位置する底部と、液滴を保持可能な保持部と、液滴を排出可能な排出部と、を有し、前記吸込流路及び当該圧縮機外部の間を、前記底部を通過して移動する場合の圧力損失は、前記吸込流路及び当該圧縮機外部の間を、前記旋回流配管を通過して移動する場合の圧力損失より大きいことを特徴とする。

実施例１の圧縮機の全体構成図 図１のＡ−Ａ線断面図 実施例２の圧縮機の全体構成図 実施例３の圧縮機の全体構成図 実施例４の圧縮機の全体構成図 図５のＢ矢印方向から観察した図 実施例５の圧縮機の全体構成図 各実施例の圧縮機を設置したガス圧送システムの全体構成図

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、また、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は、必ずしも一の部材から成る必要はなく、例えば、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素と別の構成要素との一部が互いに重複すること、等を許容する。

図１は、実施例１の圧縮機１の全体構成を示す。圧縮機１は、プロセスガスを昇圧し圧送する圧縮部としての羽根車１１、羽根車１１の回転軸であるシャフト１２、及びシャフト１２に回転力を付与するステータ１３を有する圧縮機構部と、筒状の側壁１７によって側周を囲まれた空間である吸込流路１４、底部１５、及び旋回流配管１６を有する液滴分離部（異物分離部）とを備える。圧縮機１は、プロセスガス雰囲気中に設置することができる。吸込流路１４の一部は、本実施例のように、圧縮機構部を取り囲んでいても良い。

側壁１７は、筒状の軸線方向について、一方側に圧縮機構部を有し、他方側に底部１５を有する。底部１５は、吸込流路１４及び圧縮機１の外部の間に位置している。旋回流配管１６は、吸込流路１４及び圧縮機１の外部の間に位置し、吸込流路１４及び圧縮機１の外部を連通している。

本実施例の側壁１７は円筒状である。吸込流路１４は、羽根車１１側から底部１５側に向かう方向に重力が作用する向きで配されている。すなわち、吸込流路１４中の物質は、羽根車１１側ではなく底部１５側に向かう重力加速度を受ける。

羽根車１１、シャフト１２、及びステータ１３は、側壁１７の内側のうち、旋回流配管１６に対して一方側に配されている。後述するように、側壁１７の内側にはプロセスガスが導入されるところ、高温になり得るステータ１３等をこのプロセスガスによって冷却できる。また、底部１５は、旋回流配管１６に対して他方側に配されている。

吸込流路１４及び吸込流路１４外部の間を、羽根車１１を通過して移動する際の圧力損失よりも、吸込流路１４及び吸込流路１４外部の間を、底部１５を通過して移動する際の圧力損失の方が大きい値になるように、底部１５は構成されている。

圧縮機１は、液滴を含んだプロセスガスを、圧縮機１の外部から、旋回流配管１６を介して吸込流路１４に導入する。底部１５を通過する際の圧力損失は大きいため、導入されたプロセスガスは羽根車１１側へ流れていく。プロセスガスは、ステータ１３、シャフト１２周囲の空間を経て羽根車１１に到達し、羽根車１１で昇圧されてさらに下流へ圧送される。すなわち、一部のプロセスガスは、ステータ１３とシャフト１２の間にある隙間を流れることで、モータ発熱部の冷却ガスとして使用される。

また、吸込流路１４及び吸込流路１４外部を、底部１５を通過して移動する際の圧力損失は、吸込流路１４及び吸込流路１４外部を、旋回流配管１６を通過して移動する際の圧力損失より大きい。このため、圧縮機１周囲のプロセスガスは、略全部又は全部が旋回流配管１６を介して吸込流路１４に進入し、羽根車１１に流れる。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。旋回流配管１６は、側壁１７の略接線方向を延在方向として側壁１７に接続している。これにより、矢印Ｄ１に示すように略接線方向でプロセスガスが吸込流路１４内に流入し、吸込流路１４内で矢印Ｄ２に示すように側壁１７の内周に沿って旋回し、プロセスガスの旋回流が発生する。この旋回流によってプロセスガス中の液滴に遠心力が作用するため、液滴が吸込流路１４の外径側に移動し、側壁１７内面に付着する。付着した液滴は液膜を形成し、重力によって、羽根車１１に対して反対の方向の底部１５に向かって下降していく。したがって、底部１５に向かって液滴が進む。

本実施例の底部１５は、吸込流路１４の下方を塞ぐ蓋である。このため、底部１５を介して圧縮機１の外部からプロセスガスが進入することはないので、旋回流配管１６から流入したプロセスガスの旋回流が弱まることを効果的に抑制できる。

本実施例の場合、分離された液滴は、底部１５に保持されていくため、底部１５が液滴の保持部としての機能を果たす。一方、旋回流配管１６は、底部１５より上側に位置しているため、液滴が旋回流配管１６と同じ高さまで貯留されると、液滴は旋回流配管１６を通じて圧縮機１の外部に排出される。すなわち、本実施例では旋回流配管１６が液滴の排出部としての機能を果たす。

旋回流配管１６は、側壁１７に対して略水平に接続しても良いが、側壁１７側が上向きとなるように傾斜して接続しても良い。こうすると、排出されるべき液滴が旋回流配管１６内に溜まることを抑制できるので、効果的に液滴を排出できる。

本実施例によれば、旋回流配管１６による旋回流の形成を効果的に行いつつ、すなわちプロセスガス中の液滴を効果的に分離しつつ、液滴を外部に排出できる圧縮機１を提供できる。

本実施例の構成は、以下の点を除き実施例１と同様に構成できる。
図３は、本実施例の圧縮機１の全体構成図である。本実施例では、底部１５は、上面１５１と、上面１５１から下方に向かって延在する側面１５２とを有している。側面１５２は、側壁１７の内壁と略平行に形成されており、本実施例では側壁の形状と同様の円筒状である。側面１５２は、側壁１７の内壁に比べて、いわば一回り小さい形状にされているため、側面１５２及び側壁１７の間には、液滴の保持部及び排出部としての機能を果たす細隙流路１４１が形成されている。細隙流路１４１は、液滴が側壁１７及び側面１５２の間に保持される寸法に設定されている。このような寸法として好ましい範囲は、液滴の粘度、圧縮機１周囲の温度等を考慮して予め求めておくことができるが、例えば、側壁１７の内面から側面１５２の外面の寸法を２ｍｍ以上３ｍｍ以下に、側面１５２の延在長さを１７０ｍｍ以上２１０ｍｍ以下にすることができる。液滴としては水が想定され、例えば環境圧力は１０ＭＰａ、環境温度は１４０℃、粘度は０．１９８０５ｍＰａ・ｓである。液滴を保持及び排出できるこのような底部１５を設けることで、細隙流路１４１を通過する際の圧力損失を大きくできることからプロセスガスの進入を抑制できる。よって、液滴分離部１外部から底部１５側を通じてプロセスガスが流入し、旋回流が弱まることを抑制できる。なお、このような細隙流路１４１を形成するためには、種々公知の方法を採用できるが、例えば側面１５２と側壁１７の間にリブを設けて、側面１５２を固定する構造が考えられる。

さて、羽根車１１が駆動して、プロセスガスが旋回流配管１６から流入して旋回流になると、遠心力効果で液滴が側壁１７に付着して液膜Ｌを形成する。この液膜は重力により底部１５に向かって下降し、細隙流路１４１に保持されていく。細隙流路１４１に保持され得る液滴の量には上限があり、液滴の自重によって一部が保持され、残部は細隙流路１４１をさらに下降して外部に排出される。

例えばプロセスガスを昇圧する羽根車１１の運転当初は、液滴が細隙流路１４１に保持されていないため、細隙流路１４１をプロセスガスが通過できる状態ではあるが、細隙流路１４１の寸法が小さく、旋回流配管１６を通過する際の圧力損失より大きい圧力損失にされているため、その流入量は小さく抑えられる。このため、羽根車１１の運転当初も効果的に旋回流を形成することができる。そして、液滴が細隙流路１４１に保持されると、液滴が側壁１７及び側面１５２の間の蓋の役割を果たして、圧力損失値がさらに大きくなるので、細隙流路１４１を通じての吸込流路１４へのプロセスガス進入をさらに抑制できる。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏するとともに、分離した液滴を外部に効果的に排出可能な圧縮機１を提供できる。なお、液滴Ｌが存在しない状態の細隙流路１４１の圧力損失値は、例えば、旋回流配管１６の圧力損失値の４倍以上にすることができる。

本実施例の構成は、以下の点を除き実施例１又は２と同様に構成できる。
図４は、本実施例の圧縮機１の全体構成図である。本実施例の圧縮機１は、旋回流配管１６より上側かつ羽根車１１の間に、側壁１７の内面から内側に向けて突出した凸部１７１を有している。凸部１７１は、側壁１７の内面全周に亘って設けられており、本実施例においては略円環状である。

吸込流路１４に流入したプロセスガスは、旋回流配管１６よりも上側に位置する羽根車１１に向かうため、その流れに力を受けて、側壁１７を液滴が上昇し得る。凸部１７１を設けることで、そのような液滴の上昇を抑制することができる。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏するとともに、液滴がステータ１３等に接触するおそれを低減した圧縮機１を提供できる。

本実施例の構成は、以下の点を除き実施例１乃至３何れかと同様に構成できる。

図５は本実施例の圧縮機１の全体構成図、図６は図５のＢ矢印方向から観察した図である。旋回流配管１６より上側かつ羽根車１１の間には、障害物１８が設けられている。障害物１８は、側壁１７の内面から内側に向けて突出した凸部１８１と、吸込流路１４の一部を塞ぐ部分壁１８２とを有している。

凸部１８１は、実施例３に例示した凸部１７１と同様に構成でき、液滴の上昇を抑制できる。部分壁１８２は、吸込流路１４を流路方向（矢印Ｂ方向）に沿って観察した場合、吸込流路１４のうち、側壁１７近傍又は吸込流路１４の中央側に設けられた構造物である。本実施例では、流路方向視で十字型に形成されている。部分壁１８２によってプロセスガスの旋回流を減速させることができる。プロセスガスの旋回流を減速させた上で羽根車１１にプロセスガスを吸引させることで、圧縮効率を好適にすることができる。

旋回流によって液滴を分離した後に旋回流を減速させることが好ましいため、障害物１８は、旋回流配管１６から例えば０．１５ｍ以上離れた位置に設けると良い。

障害物１８は、旋回流の減速を充分に行うべく、流路方向に沿って、例えば旋回流配管１６から羽根車１１までの距離の５％以上、１０％以上、１５％以上、又は２０％以上延在しても良い。また、障害物１８を１つに限らず複数個設けても良い。このようにすると、旋回流の減速をより効果的に行うことができる。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏するとともに、昇圧効率を改善した圧縮機１を提供できる。なお、凸部１８１を省略して部分壁１８２のみを設けても良い。

本実施例の構成は、以下の点を除き実施例１乃至４何れかと同様にできる。
図７は、本実施例の圧縮機１の全体構成図である。本実施例では、底部１５は、側壁１７の内面に略接して摺動する、液滴の保持部としての機能を果たす底板１５３と、底板１５３に接続した弾性体１５４とを有する弁によって構成されている。圧縮機１は、旋回流配管１６より下方に、圧縮機１の外部に連通した、液滴の排出部としての機能を果たす孔１９を有している。

弾性体１５４としては、例えばバネを採用することができる。弾性体１５４は、底板１５３の自重のみが加わっている場合、底板１５３より下方に孔１９が位置するように調整されている。

底板１５３が側壁１７に略摺動するように設けられているため、孔１９を通じて圧縮機１内に進入しようとするプロセスガスは、底板１５３より上側に通過することを抑制されている。このため、圧力損失は大きく、旋回流配管１６を通じて進入する旋回流が弱まることを抑制できる。また、液滴が底板１５３の上側に保持され始めると、側壁１７及び底板１５３の間に隙間が生じていても、液滴がその部分の蓋となり、プロセスガスの進入を抑制できる。

そして、底板１５３の上側に保持される液滴の量が増加していくと、液滴の重量に応じて弾性体１５３が圧縮され、底板１５３が下降していく。そして、液滴の重量が所定以上になると、底板１５３の上面が孔１９の高さに一致するようになり、孔１９を介して液滴が排出される。液滴の一部又は全部が排出されることで、底板１５３に保持される液滴の重量が軽くなるため、弾性体１５４は再び底板１５３を持上げ、底板１５３の上面が孔１９より上側に位置するようになる。

底板１５３の形状は特に限られないが、例えば、平面状でも良いし、孔１９に向かって下り傾斜となる凸形状でも良い。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏するとともに、分離した液滴を外部に効果的に排出可能な圧縮機１を提供できる。

［ガス圧送システム］
図８は、各実施例で例示した本発明に係る圧縮機１を設置したガス圧送システム２の全体構成図である。圧縮機１は、地下数千ｍ以上、例えば１０００ｍ以上の深さにまで掘られた井戸２１中に位置する天然ガス田２２に設置することができる。このような場所に設置された圧縮機１は、液滴分離部にて天然ガス中の異物を分離し、この天然ガスを利用してステータ等を冷却し、この天然ガスを羽根車１１で昇圧して地上に向けて送ることができる。

１・・・圧縮機
１１・・・羽根車（昇圧部）
１２・・・シャフト
１３・・・ステータ
１４・・・吸込流路
１４１・・・細隙流路（保持部及び排出部）
１５・・・底部
１５１・・・上面
１５２・・・側面
１５３・・・底板（保持部）
１５４・・・弾性体
１６・・・旋回流配管（排出部）
１７・・・側壁
１７１・・・凸部
１８・・・障害物
１８１・・・凸部
１８２・・・部分壁
１９・・・孔（排出部）
２・・・ガス圧送システム
２１・・・井戸
２２・・・天然ガス田

Claims (8)

1. 吸込流路を内側に有する側壁と、
   該側壁に接続した旋回流配管と、
   該旋回流配管に対して一方側に位置するステータと、を有する圧縮機であって、
   該旋回流配管に対して他方側に位置する底部と、
   液滴を保持可能な保持部と、
   液滴を排出可能な排出部と、を有し、
   前記吸込流路及び当該圧縮機外部の間を、前記底部を通過して移動する場合の圧力損失は、前記吸込流路及び当該圧縮機外部の間を、前記旋回流配管を通過して移動する場合の圧力損失より大きいことを特徴とする圧縮機。
2. 前記底部は、蓋であり、
   該蓋が、前記保持部として機能することが可能で、
   前記旋回流配管が前記排出部として機能することが可能なことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記旋回流配管は、前記側壁側が上向きになるよう傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記底部は、前記側壁との間に細隙流路を形成し、
   該細隙流路が、前記保持部及び前記排出部として機能することが可能なことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
5. 前記底部は、底板と、該底板に接続した弾性体と、を有し、
   孔を有し、
   前記弾性体は、前記底板の重量が加わっている場合、前記底板を前記孔及び前記旋回流配管の間に位置させ、前記底板の重量より大きい所定値以上の重量が加わっている場合、前記底板を前記孔と同じ高さに位置させ、
   前記底板が前記保持部として機能することが可能であり、
   前記孔が前記排出部として機能することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 前記旋回流配管及び前記モータの間に、前記側壁内面から内側に突出した凸部を有することを特徴とする請求項１乃至５何れか一項に記載の圧縮機。
7. 前記旋回流配管及び前記ステータの間に、前記吸込流路の流路方向視において、該吸込流路の中央側を塞ぐ部分壁を有することを特徴とする請求項１乃至６何れか一項に記載の圧縮機。
8. 請求項１乃至７何れか一項に記載の圧縮機を、地下１０００ｍ以上の深さのガス田に設置し、ガスを昇圧して地上に向けて送るガス圧送システム。

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