JP3976495B2

JP3976495B2 - 液中モータポンプ

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Publication number: JP3976495B2
Application number: JP2000324336A
Authority: JP
Inventors: 修正高
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: JP2002130191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚液管により地下の液中に吊下げられて設置される液中モータポンプに関し、特に比較的深い位置における大出力の封液式の液中モータポンプであって、地下岩盤内に備蓄された石油類の払出し用として好適な液中モータポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に液中モータには、内部がポンプ揚液に開放された開放式と内部がポンプ揚液から隔離された密閉式とが知られている。開放式モータは、ポンプ揚液の一部を内部に貫流させることができるので冷却が容易であるが、ポンプ揚液に導電性、腐食性、摩耗性、などがある場合には不向きであり、そのような場合は、密閉式が用いられる。
密閉式モータでは、ポンプ揚液をモータ内部に貫流させて冷却することができないので、モータの仕様に応じて別の適切な冷却方法が採用されている。
【０００３】
最も簡単で一般的な方法は、モータケーシングの外側を流れるポンプ揚液でモータケーシングの外面から冷却する方法である。
この冷却方法は、伝熱面積がモータの表面積に限定されるので、冷却能力に限りがあり、小出力モータに適用されるが、大出力モータには適用できない。冷却能力は、モータケーシングの表面に冷却フインを付けて向上させることができるけれども、それでも適用モータ出力には限界がある。従って、大出力液中モータの冷却方式には、モータに熱交換器を付属させ、モータ内部に封入された冷却液をこの熱交換器とモータ内部との間に循環させる方式が採用されている。
【０００４】
このように熱交換器を設けることは知られているが、その設置位置に関しては図５および図６に示すように、従来２つの方式が知られている。
すなわち、その１つは、図５に示す熱交換器５１を含むモータ冷却ユニットを地上に設け、この冷却ユニットと地下のモータ２とを入口配管５３および出口配管５４で接続して、モータ内部と冷却ユニットとの間で冷却液をモータ冷却液循環ポンプ１２３で循環させる方式である。なお、図中、符号１２４および１２５はそれぞれ熱交換器２次冷却液入口配管および出口配管を示している。
この方式は、冷却ユニットや配管の設備比が高くなり、地上に冷却ユニット設置用スペースが必要である。そしてポンプのメンテナンス時に冷却配管の取外し再取付けが必要であり、メンテナンス作業が面倒になり、作業性が悪いという問題がある。
【０００５】
もう１つは、熱交換器をモータの外周に設置してポンプ揚液で冷却する方式である。この場合、熱交換器を含めたモータ部分の外径が大きくなるため、井戸の内径を大きくする必要があり、井戸の建設費が高くなると言う問題がある。
【０００６】
また、この方式には、熱交換器伝熱管面へのポンプ揚液の流し方に２通りある。
１つは、ポンプの上流側流路である井戸内面とモータ外面との間の環状流路に伝熱管外面を爆す方法である。この場合は、該環状流路がポンプの吸込み流路で有ることから、キャビテーションの発生を避けるため、流速を抑える必要があるので、充分な熱伝達率が得られないと言う問題がある。
【０００７】
もう１つは、図６に示すように、２次冷却液として、ポンプ１の吐出し側または中間段からポンプ揚液の一部を配管１２４によりパイパスさせ、熱交換器５１を通し、配管１２５で吸込み側に戻す方式である。
この場合、バイパス流量が大きいとポンプ効率が大きく低下するし、少ないと吸込み側に戻るポンプ揚液の温度上昇が大きくなって、ポンプ揚液が液化ガスなどの場合にキャビテーションを生じるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、冷却配管が簡単でしかも井戸の内径を大きくせず、しかもポンプ吸込み部での圧力低下や温度上昇によるキャビテーションの発生がなく、そして大出力に適する液中モータポンプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液中に設置される液中モータポンプにおいて、ポンプ部の下部の吸込み側に液中モータ部を設け、且つポンプ部の上部の吐出側に熱交換器を設けてある。
また本発明によれば、揚液管により、前記液中に吊下げられて設置されている。
【００１０】
さらに本発明によれば、前記液中モータは冷却液を密閉して封入しており、そしてその内部に冷却液を循環させる羽根車を備え、前記熱交換器は上部が揚液管と接続されており、そして外面がポンプの吐出流れに接触する伝熱管を備え、その伝熱管には前記冷却液を循環させる羽根車からの冷却液が導かれている。
【００１１】
そして本発明によれば、前記液中モータの内部に通じる２本の小径管を地上に導き、その１本を地上に設置した補給液タンクの液相部に連結し、他の１本を前記補給液タンクの気相部に連結するか又は大気に開放するように構成してある。
さらに本発明によれば、前記液中モータと地上の補給液タンクを連結する小径管に小ポンプを設置して、モータ冷却液のサンプリングを可能にしている。
【００１２】
したがって、液中モータ部とポンプ部と熱交換器とは直列状態に配置されており、井戸の内径が小さくてすむ。そして冷却液を循環させる羽根車により冷却液は熱交換器の伝熱管を通るが、その際ポンプによって吸上げられる液で熱交換される。そたために効率もよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１および図２は本発明を実施した液中モータポンプを示し、本来は図１および図２は１つの図面で示すべきところ、縮尺の関係で不明瞭となるので上半分の液中モータ部２と熱交換器３とを図１に示し、下半分にポンプ部１を図２に示してある。
【００１４】
ポンプ部１は複数段（図示の例では２段）のポンプユニットＰ１、Ｐ２よりなり、それらのケーシング１１はボルト１２で縦方向に直列に接続されており、それらのケーシング１１の中にはそれぞれ羽根車１３が収納されている。
【００１５】
それらのケーシング１１および羽根車１３を貫通してポンプ軸１４が延びており、そのポンプ軸１４に羽根車１３がキー１５により固着され、ポンプ軸１４の回転力が羽根車１３に伝達されるようになっている。
なお、ポンプユニットの数は任意に選択できることは明らかである。
【００１６】
図示の例において、１段目のケーシング１１には吸込みカバー１６がボルト１２−１で取付けられており、この吸込みカバー１６には吸込み口１６−１およびモータ接続フランジに１６−２が設けられている。そしてポンプ部１はモータ接続フランジ１６−２で液中モータ部２と結合されて一体化されている。
【００１７】
また、ポンプ軸１４の下端は吸込みカバー１６の内部に位置しており、この内部の位置で軸継手１７によりモータ軸２５の上端に接続され、以てモータ軸２５の回転力がポンプ軸１４に伝達されるようになっている。
【００１８】
液中モータ部２は、内部に円筒状の固定子２２を装着したモータケーシング２１と、その固定子２２の内部に半径方向の隙間２３を有して半径方向内方に装着された回転子２４で構成されている。
この回転子２４は任意適宜の固定手段例えば焼嵌めによってモータ軸２５に固定され、そのモータ軸２５は上部ラジアル軸受２８と下部ラジアル軸受２９と上側スラスト軸受３０と下側スラスト軸受３１とで回転自在に支持されている。
【００１９】
このモータケーシング２１の上端部及び下端部には、それぞれ上部軸受ブラケット２６及び下部軸受ブラケット２７が設けられ、それらのブラケット２６、２７は、モータケーシンク２１の両端部を閉止すると共に、上部ラジアル軸受２８及び下部ラジアル軸受２９を保持している。この下部軸受ブラケット２７には下部スラスト軸受室２７−１が形成され、その下端はスラスト受けカバー３２で閉止されている。
【００２０】
このスラスト軸受室２７−１内には、スラストディスク３３がモータ軸２５に固定されており、このスラストディスク３３を上下に挟むように上側スラスト軸受３０及び下側スラスト軸受３１に配設されている。これらの上側スラスト軸受３０及び下側スラスト軸受３１はスラスト軸受室２７−１の上面及びスラスト受けカバー３２にそれぞれ固定されている。
【００２１】
このスラスト受けカバー３２の下側には循環羽根車カバー３４が取付けられ、両者の間に循環羽根車室３４−２が形成されている。そしてモータ軸２５の下端はスラスト受けカバー３２を貫通して循環羽根車室３４−２に達しており、この循環羽根車室３４−２には循環羽根車３５が取付けられている。
【００２２】
前記モータケーシング２１の上端には接続ケーシング３７が設けられ、この接続ケーシング３７はモータケーシング２１の上部開口に差し込まれた上部軸受ブラケット２６をモータケーシング２１の内面上端部に設けた円周溝にはめ込まれた割りリング３６を介してモータケーシング２１に固定するフランジ部３７−１及びモータ２とポンプ１とを接続するフランジ部３７−２を備えている。
【００２３】
また接続ケーシング３７の内部で、モータ軸２５が上部軸受ブラケット２６を貫通する部分には、軸封装置３８が装着されている。
そして、固定子巻線３９に電力を供給する口出し線４０は、上部軸受ブラケット２６に設けた穴から外部に引き出され、その貫通部はケーブルグランド４１等により密封されている。
【００２４】
前記循環羽根車カバー３４には、モータ冷却液の吸込み穴３４−１が設けられ、循環羽根車３５はこの穴からモータ冷却液を吸込み、そのモータ冷却液は、スラスト受けカバー３２の穴３２−１、下部軸受ブラケット２７の穴２７−２、固定子２２と回転子２４との隙間２３及び固定子２２とモータケーシング２１との間に設けた縦溝４２を経て、上部軸受ブラケット２６の穴２６−１からモータの外部に送出されるようになってい。また、下部軸受ブラケット２７には、モータ冷却液の充填穴２７−３が設けられている。
【００２５】
熱交換器３は、熱交換器ケーシング５１と伝熱管５２で構成されている。この熱交換器ケーシング５１はほぼ円筒形で、下部にポンプケーシング接続フランジ５１−１と、上部に揚液管接続フランジ５１−２とを備えている。また、熱交換器ケーシング５１の下部には、逆止弁室５１−３が設けられ、その逆止弁室５１−３内には逆止弁１８が収納されている。
【００２６】
この逆止弁１８は、ポンプケーシング１１に取付けられたガイド棒１９に沿って上下に移動可能に設けられ、停止中は重力により下方に落下し、弁座２０に着座してポンプ揚液の逆流を防止し、運転中はポンプ揚液の流れにより押し上げられて流路２０−１が形成され、揚液が行われるようになっている。
【００２７】
前記伝熱管５２は、つる巻状に形成した細管で構成され、熱交換器ケーシング５１の内部に装着されていて、上端に入口ノズル５２−１が、そして下端に出口ノズル５２−２が取付けられている。
前記入口ノズル５２−１及び出口ノズル５２−２は熱交換器ケーシング５１を貫通して延び、両ノズルの先端は熱交換器ケーシング５１の外に出ている。また、この貫通部は溶接で固定し、貫通部からの液漏れを防止している。
【００２８】
前記熱交換器入口ノズル５２−１は液中モータ２の上部軸受２６の穴２６−１と熱交換器入口配管５３で接続され、熱交換器出口ノズル５２−２は液中モータ２の循環羽根車カバー３４の吸込み穴３４−１に熱交換器出口配管５４で接続されている。そして熱交換器入口配管５３の熱交換器側管継手５３−１の頂部には、空気抜き穴５３−２が設けられている。
【００２９】
次に図３を参照して本発明を実施した液中モータポンプの使用の態様の一例について説明する。なお、図３の実施例では４段ポンプが示されている。
【００３０】
図３において、ポンプ１と液中モータポンプ部２と熱交換器３とからなる液中モータポンプは、井戸１０２内に挿入した揚液管１０１で吊下げられ、所定の位置に設置されている。
この揚液管１０１の最上端は地上の基礎面１０３に設置された井戸蓋１０４に固定されている。この井戸蓋１０４の地上側には吐出し管１０５が取付けられている。この井戸蓋１０４には揚液管１０１の内径とほぼ同径の穴が明いていて、揚液管１０１と吐出し管１０５の管路を連通させている。
【００３１】
モータ冷却液補給タンク１１１は地上に設置されており、このモータ冷却液補給タンク１１１の底部とモータ冷却液充填穴２７−３（図２参照）とは冷却液補給小径管１０９で連結されている。
また、熱交換器入口配管５３の最上部の空気抜き穴には、空気抜き用小径管１１０が取付けられ、この空気抜き用小径管１１０は、井戸蓋１０４を貫通して地上まで導かれ、端部は冷却液補給タンクの気相部１１１−１に接続されている。しかしながら、地上において大気に開放してもよい。
【００３２】
液中モータポンプの駆動電力は、地上給電線１０８からターミナルヘッダー１０７を経て、電力ケーブル１０６により液中モータ部２に供給されるようになっている。
この電力ケーブル１０６の一端は液中モータ部２の口出し線に接続され、他端は井戸蓋１０４に取付けられたターミナルヘッダー１０７に接続され、中間部は揚液管１０１に沿わせ、ケーブルバンド１１８により適当な間隔で冷却液補給小径管１０９及び空気抜き用小径管１１０と共に揚液管１０１に支持されている。
【００３３】
熱交換器３の外面上部と液中モータ部２の外面下部には、それぞれ３ないし４個のラグ１１９、１２０が設けられ、各ラグにはガイドローラ１２１、１２２が取付けられている。このガイドローラ１２１、１２２は、液中モータポンプの据付け、引上げ時に井戸内壁に接触した時の摩擦を軽減してスムーズな据付け、引き上げを可能にするものである。
【００３４】
次に熱交換器３による液中モータの冷却の態様について説明する。
液中モータポンプの運転中は、熱交換器３で冷却されたモータ冷却液は、熱交換器出口配管５４を経て、循環羽根車カバー３４の冷却液吸込み穴３４−１から循環羽根車３５に吸込まれる。
この冷却液は、循環羽根車３５のポンプ作用により、穴３２−１及び穴２７−２を経てモータケーシング２１内に入り、固定子２２と回転子２４との隙間２３及び固定子２２とモータケーシング２１との間に設けた縦溝４２を上向きに流れて固定子２２及び回転子２４で発生する熱を奪う。そして、上部軸受ブラケット２６に設けられた穴２６−１から熱交換器入口配管５３を経て熱交換器３の伝熱管５２内に入る。
【００３５】
伝熱管５２の外面は、ポンプの吐出し流れに爆されているので、液中モータ内部を通過する間に昇温した冷却液は、伝熱管５２内を通過する間にポンプ揚液により冷却されて低温になり、熱交換器出口配管５４に送り出される。以上のようにモータ冷却液が循環されることにより、固定子２２及び回転子２４の温度を適切に維持することができる。
【００３６】
図４は、本発明の他の実施例を示す系統図であり、冷却液補給小径管１０９の途中に小ポンプ１１２を設置し、空気抜き用小径管を分岐してサンプリングパイプ１１７を取付けたものである。このサンプリングパイプ１１７を分岐した部分の冷却液補給タンク側とサンプリングパイプ側の各々に止め弁１１３、１１４が設けられている。また、冷却液補給小径管１０９には、小ポンプ１１２のバイパス管１１５及びバイパス弁１１６が配設されている。
【００３７】
この実施例においては、作動に際し、バイパス弁１１６と止め弁１１３を閉じ、止め弁１１４を開いて、小ポンプ１１２を運転すると、冷却液補給タンク１１１内の冷却液を強制的に液中モータ内に送り込み、液中モータ内に封入されていた冷却液をサンプリングパイプ１１７から取出すことができる。
【００３８】
したがって、モータ冷却液を定期的にサンプリングして、劣化の度合いを検査することができるので、冷却液の交換時期を適切に計画することができる。なお、冷却液サンプリング時以外に、バイパス弁１１６及び止め弁１１３を開き、止め弁１１４を閉じ、小ポンプ１１２は停止しておけばよい。
【００３９】
以上の通り、液中モータ部２とポンプ部１と熱交換器３とが直列に配置されているので、冷却関係の配管が比較的に簡単となり、また小径化が可能で井戸の内径を小さくできる。そして熱交換器３がポンプ部１の吐出し側に設けているので、ポンプ部からの液は自然に熱交換器３を通過して揚液管１０１に流れるので、吸込み側の圧力損失や吸込み温度の上昇等の弊害がないばかりでなく、ポンプ部の吐出し液のエネルギー損失がない。
【００４０】
また、冷却液補給タンク１１１、冷却液補給小径管１０９及び空気抜き用小径管１１０を設けることにより、次の効果が得られる。
すなわち、液中モータ部２の内部は、冷却液補給タンク１１１の液位１１１−２からのヘッド差圧が作用するため、井戸の内圧より高くなり、そのため、液中モータ部２の冷却液が軸封装置３８から井戸側に漏洩することがあるが、井戸内のポンプ揚液が液中モータ中に侵入して不具合を起こす恐れが無い。なお、井戸内圧力が高く、地面からのヘッド差だけで液中モータの内圧を井戸内圧より高くできない場合は、冷却液補給タンクの設置位置を井戸内圧に見合った高い位置にするか、又は冷却液補給液タンクの液面を窒素などのガスで適切に加圧すればよい。
【００４１】
また液中モータ部２の冷却液が上記のように外部に漏洩した場合、冷却液は、冷却液補給タンク１１１から冷却液補給小径管１０９を経て自動的に補給されるので、冷却液の不足による不具合を防止できる。
【００４２】
さらに冷却液補給小径管１０９は冷却液の循環用ではなく補給用であり、空気抜き用小径管１１０はその補給を容易にするための空気抜き用であるから、いずれも小径のもので充分であり、ローラ巻きの長い管を使用できる。このように長い管を使用すれば、途中に管継手が無いため、メンテナンスの作業性がよく、漏洩に対する信頼性も向上する。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば下記のすぐれた効果を奏する。
（ａ）地上の液中モータ冷却ユニット及びこの冷却ユニットと液中モータ間の配管が不要で、かつ井戸径を大きくする必要の無い大出力液中モータを得ることができる。
（ｂ）液中モータ部の内圧を外圧より高くして、ポンプ揚液の液中モータ内への侵入を防止し、モータ内冷却液が外部に漏出したときは、地上の冷却液補給タンクから自動的に液中モータ内に冷却液が補給できる。
（ｃ）冷却液補給小径管及び空気抜き用小径管はロール巻きが可能な長い細管を使用できるので、メンテナンスの作業性がよく、漏洩に対する信頼性が向上する。
（ｄ）冷却液の定期的サンプリングができるので、冷却液の交換時期を適切に計画することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した液中モータポンプの上半分のポンプ部および熱交換器を示す縦断面図。
【図２】図１で示した液中モータポンプの下半分の液中モータ部を示す縦断面図。
【図３】本発明を実施した液中モータポンプの据付けの態様を示す断面図。
【図４】本発明の別の実施例を示す地上部の系統図。
【図５】従来例を示す説明図。
【図６】他の従来例を示す説明図。
【符号の説明】
１・・・ポンプ
２・・・液中モータ
３・・・熱交換器
１１・・・ケーシング
１２・・・ボルト
１２−１・・・ボルト
１３・・・羽根車
１４・・・ポンプ軸
１５・・・キー
１６・・・吸込みカバー
１６−１・・・吸込み口
１６−２・・・モータ接続フランジ
１７・・・軸継手
１８・・・逆止弁
１９・・・ガイド棒
２０・・・弁座
２０−１・・・流路
２１・・・モータケーシング
２２・・・固定子
２３・・・隙間
２４・・・回転子
２５・・・モータ軸
２６・・・上部軸受ブラケット
２６−１・・・穴
２７・・・下部軸受ブラケット
２７−１・・・スラスト軸受室
２７−２・・・穴
２７−３・・・充填穴
２８・・・上部ラジアル軸受
２９・・・下部ラジアル軸受
３０・・・上側スラスト軸受
３１・・・下側スラスト軸受
３２・・・スラスト受けカバー
３２−１・・・穴
３３・・・スラストディスク
３４・・・循環羽根車カバー
３４−１・・・吸込み穴
３４−２・・・循環羽根車室
３５・・・循環羽根車
３６・・・割りリング
３７・・・接続ケーシング
３７−１・・・フランジ部
３７−２・・・フランジ部
３８・・・軸封装置
３９・・・固定子巻線
４０・・・口出し線
４１・・・ケーブルグランド
４２・・・縦溝
５１・・・熱交換器ケーシング
５１−１・・・ポンプケーシング接続フランジ
５１−２・・・揚液管接続フランジ
５１−３・・・逆止弁室
５２・・・伝熱管
５２−１・・・入口ノズル
５２−２・・・出口ノズル
５３・・・熱交換器入口配管
５３−１・・・熱交換器側管継手
５３−２・・・空気抜き穴
５４・・・熱交換器出口配管
１０１・・・揚液管
１０２・・・井戸
１０３・・・基礎面
１０４・・・井戸蓋
１０５・・・吐出し管
１０６・・・電力ケーブル
１０７・・・ターミナルヘッダー
１０８・・・地上給電線
１０９・・・冷却液補給小径管
１１０・・・空気抜き用小径管
１１１・・・冷却液補給タンク
１１１−１・・・気相部
１１１−２・・・液位
１１２・・・小ポンプ
１１３・・・止め弁
１１４・・・止め弁
１１５・・・バイパス管
１１６・・・バイパス弁
１１７・・・サンプリングパイプ
１１８・・・ケーブルバンド
１１９・・・ラグ
１２０・・・ラグ
１２１・・・ガイドローラ
１２２・・・ガイドローラ
１２３・・・モータ冷却液循環ポンプ
１２４・・・熱交換器２次冷却液入口配管
１２５・・・熱交換器２次冷却液出口配管

Claims

液中に設置される液中モータポンプにおいて、ポンプ部の下部の吸込み側に液中モータ部を設け、且つポンプ部の上部の吐出側に熱交換器を設けたことを特徴とする液中モータポンプ。
揚液管により、前記液中に吊下げられて設置されることを特徴とする請求項１に記載の液中モータポンプ。
前記液中モータは冷却液を密閉して封入しており、そしてその内部に冷却液を循環させる羽根車を備え、前記熱交換器は上部が揚液管と接続されており、そして外面がポンプの吐出流れに接触する伝熱管を備え、その伝熱管には前記冷却液を循環させる羽根車からの冷却液が導かれていることを特徴とする請求項２に記載の液中モータポンプ。
前記液中モータの内部に通じる２本の小径管を地上に導き、その１本を地上に設置した補給液タンクの液相部に連結し、他の１本を前記補給液タンクの気相部に連結するか又は大気に開放するように構成した請求項３に記載の液中モータポンプ。
前記液中モータと地上の補給液タンクを連結する小径管に小ポンプを設置して、モータ冷却液のサンプリングを可能にした請求項４に記載の液中モータポンプ。