JP6117423B2

JP6117423B2 - 圧縮装置

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Publication number: JP6117423B2
Application number: JP2016502825A
Authority: JP
Inventors: 西原　淳夫; 淳夫西原; 大輔川口; 逸郎沢田
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Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2017-04-19
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Description

本発明は、圧縮装置に関し、特に高温環境で使用される圧縮装置に関する。

天然ガス田では、地上からガス層に達するガス井を開発し、ガス層に蓄えられた天然ガスを地上に自噴させて採取する。ガス井の開発当初はガス層の圧力が高く、天然ガスを地上まで自噴させることができるが、天然ガスを採取するにつれてガス層の圧力が低下し、ある限界圧力を下回ったところで自噴が停止する。そのため、従来は、ガス層の圧力がこの限界圧力を下回ったガス田は、まだ相当量の天然ガスがガス層に残留しているものの、枯渇したものとみなされていた。

しかしながら、近年、エネルギ価格の上昇と採掘技術の発展を背景として、自噴が停止したガス田から天然ガスを採取する方法が検討されている。その方法の一つとして、ガス井の底部に圧縮装置を設置し、この圧縮装置によってガス層の天然ガスを増圧して地上に送り出す方法が提唱され、そのための圧縮装置（ダウンホール圧縮装置）の研究開発が現在進められている。

ガス井の底部は環境条件が厳しいため、ダウンホール圧縮装置には高い耐環境性能が要求される。特に、ダウンホール圧縮装置に使用されるモータは耐熱温度が比較的低いため、環境温度が高いガス井の底部で動作するダウンホール圧縮装置の実現にはモータを適切に冷却する技術が不可欠である。モータの冷却手段を備えた圧縮装置として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載のものがある。

特許文献１には、ガス井で使用される圧縮装置に関し、圧縮ガスを外部との熱交換によって冷却し、冷却された圧縮ガスの一部をモータに接触させてモータを冷却する構成が開示されている。一方、特許文献２には、水中運転用の圧縮装置に関し、圧縮装置の内外を循環する冷却材を用いてモータを冷却する構成が開示されている。

特開２０１２−０１３０７２号公報特表２００９−５３０５３７号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されているモータの冷却方式は、いずれも外部との熱交換を利用したものであり、環境温度の低い地上や水中で動作する圧縮装置に適用した場合であれば、モータの温度を適切に下げることが可能である。

しかしながら、例えば地中深くで動作するダウンホール圧縮装置の場合は、環境温度が高いため、外部との熱交換を利用した冷却方式ではモータを適切に冷却できない可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温の動作環境においてもモータを適切に冷却できる圧縮装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸に取り付けられ、周囲ガスを圧縮して高圧ガスを放出する第１の圧縮機と、前記第１の回転軸の前記第１の圧縮機の上流側に取り付けられ、前記圧縮機を駆動する第１のモータと、前記圧縮機の上流側に設けられ、前記周囲ガスの一部を膨張させ、前記第１のモータの冷却に使用される低温ガスを生成する膨張手段とを備えるものとする。

本発明によれば、高温の動作環境においても圧縮装置のモータを適切に冷却することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る圧縮装置が設置されたガス井の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第１の実施形態に係る圧縮装置のモータの冷却に使用されるガスの状態遷移を示すＴＳ線図である。本発明の第２の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第３の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第４の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第５の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第６の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。本発明の第７の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る圧縮装置が設置されたガス井の断面図である。ガス井１は地上からガス層２に達する掘削穴であり、その内部には内壁を保護するための鋼管７０が設置されている。圧縮装置１０は、支持部材（図示せず）によってガス井１底部の鋼管７０の内壁に取り付けられる。圧縮装置１０は、鋼管７０内に配設された送電ケーブル８を介して地上に設置された電源装置９と接続される。圧縮装置１０と鋼管７０内壁との隙間には、圧縮装置１０の下方（上流側）と上方（下流側）とを分離し、圧縮装置１０の下流側から上流側へのガスの逆流を防止するパッカー７１が取り付けられている。圧縮装置１０は、自噴不能なレベルまで圧力が低下したガス層２の天然ガス（以下、周囲ガスという）８０，８２を吸入し、自噴可能な圧力まで圧縮した後、地上に向けて放出する。圧縮装置１０から放出された圧縮ガス８３は、鋼管７０内を上昇して地上に噴出し、ガス輸送管４を介してセパレータ５に送られ、ガス成分とオイル成分とに分離される。

圧縮装置１０の動作中、圧縮装置１０に供給される電力の１０〜２０％程度はモータ４０（図２参照）の電力損失として熱に変換される。従って、圧縮装置１０は、モータ４０に内蔵されたコイルの絶縁材（図示せず）の信頼性を確保するため、またモータ４０に内蔵された永久磁石（図示せず）の減磁を防止するため、モータ４０が発生する熱を適切に除去し、モータ４０を所定の温度以下に維持する必要がある。

図２は、本実施形態に係る圧縮装置１０の構造図である。圧縮装置１０は、圧縮装置の外郭をなすケーシング１１と、軸受６０，６１によってケーシング１１の内部中央に回転自在に支持された回転軸５０と、回転軸５１の下流側から順に取り付けられた主圧縮機３０、副圧縮機３１、モータ４０及びタービン２０とを備えている。ケーシング１１は、外径の大きな主圧縮機３０を収容する部分と外径の小さいタービン２０、モータ４０及び副圧縮機３１を収容する部分とで内径が異なり、主圧縮機３０の上流側において段差面１１ａが形成されている。ケーシング１１の上端面には、主圧縮機３０から排出された圧縮ガス８３が放出される排出口１４が形成されている。ケーシング１１の段差面１１ａには、主圧縮機３０の入口付近に通じる複数の主吸込口１２が形成されている。ケーシング１１の下端面には、タービン２０の入口付近に通じる副吸込口１３が形成されている。

副吸込口１３から吸入された周囲ガス８０は、タービン２０を通過して断熱膨張し、低圧の低温ガス（以下、低温ガスという）８１となる。低温ガス８１は、モータの周囲を通過しながらモータ４０を冷却する。モータ４０の冷却に使用された低温ガス８１は、副圧縮機３１で周囲ガス８２とほぼ等しい圧力まで圧縮される。副圧縮機３１で圧縮されたガスは、主吸込口１２から吸入された周囲ガス８２と混合し、主圧縮機３０で所定の圧力まで圧縮されて圧縮ガス８３となり、地上に向けて放出される。

図３は、圧縮装置１０のモータ４０を冷却するガスの状態遷移を示すＴＳ線図である。実在のタービンや圧縮機では等エントロピ過程を実現することはできないが、図３においては、説明を簡略化して動作の理解を助けるため、タービン及び圧縮機による過程を等エントロピ過程で表現している。図３において、点１１１は、副吸込口１３から吸入した周囲ガス８０の状態を示している。点１１１の状態にある周囲ガス８０は、タービン２０で断熱膨張して温度と圧力が低下することにより低温ガス８１となり、点１１２で示す状態に至る。低温ガス８１は、等圧でモータ４０の熱を吸収することにより温度が上昇し、点１１３で示す状態に至る。モータ４０の冷却に使用された低温ガス８１は、副圧縮機３１で断熱圧縮されて温度が上昇し、点１１４の状態に至る。続いて、主吸込口１２から吸入した周囲ガス８２と混合されて温度が低下し、点１１５の状態に至る。最後に、主圧縮機３０で断熱圧縮されて温度と圧力が上昇することにより圧縮ガス８３となり、点１１６で示す状態で排出口１４から外部に放出される。このように、モータ４０から吸収した熱エネルギは、放熱器等で外部に逃がすことなく、ガスの内部エネルギとして保持されたまま地上まで輸送されるため、モータ４０の冷却に使用されるガスの状態遷移は閉じた冷凍サイクルを形成していない。

以上のように構成した本実施形態によれば、副吸込口１３から吸入した周囲ガス８０をタービン２０で断熱膨張して低温ガス８１に変換し、この低温ガス８１をモータ４０の周囲に流通させることにより、モータ４０を周囲環境よりも低温に維持することができる。その結果、モータ４０の絶縁材の信頼性を確保することができ、あるいは、より安価な絶縁材の使用が可能となる。さらに、モータ４０から吸収した熱を圧縮ガス８３の内部エネルギとして排出することにより、モータ４０を冷却するための放熱フィン等をケーシング１１の外側表面に設ける必要がなくなり、圧縮装置１０の小型化が可能となる。

なお、本実施形態に係る圧縮装置１０では、モータ４０が主圧縮機３０に加えて副圧縮機３１を駆動するため、主圧縮機３０のみを駆動する構成と比べてモータ４０の消費電力が増加するが、周囲ガス８０が断熱膨張する際にタービン２０で回収したエネルギを副圧縮機３１の駆動に使用することにより、副圧縮機３１の駆動に必要な電力を抑えることができる。

また、モータ４０の熱損失は供給電力の１０〜２０％程度であるため、その熱を除去するために必要なガスの量は圧縮装置１０が吸入する周囲ガス８０，８２の全量である必要はない。本実施形態における圧縮装置１０では、周囲ガス８０，８２の一部（副吸込口１３から吸入する周囲ガス８０）のみを断熱膨張させて冷却に用いることにより、全量を膨張させる場合と比べてタービン２０及び副圧縮機３１の容量を主圧縮機３０の数分の１程度に抑えることができ、低温ガス８１を生成するために必要な電力を抑えることができる。

さらに、冷却に使用した低温ガス８１を副圧縮機３１で周囲ガス８２とほぼ等しい圧力まで圧縮することにより、主圧縮機３０の入口付近の圧力が一定に保たれ、主圧縮機３０による圧縮効率の低下を防止することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ａについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ａの副圧縮機３１は、モータ４０の直下流位置において軸受６４，６５で回転軸５０周りを回転自在に支持された中空の回転軸５２に取り付けられている。回転軸５２の副圧縮機３１の直上流位置には、モータ４２が取り付けられている。一方、タービン２０は、モータ４０の直上流位置において軸受６２，６３で回転軸５０周りを回転自在に支持された中空の回転軸５１に取り付けられている。回転軸５１のタービン２０の直下流位置には、発電機４１が取り付けられている。

副圧縮機３１はモータ４２によって駆動され、発電機４１はタービン２０で回収した動力によって駆動される。発電機４１で発生させた電力は、必要に応じてモータ４２に供給され、副圧縮機３１の駆動に使用される。

以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を達成できる。さらに、タービン２０及び副圧縮機３１と主圧縮機３０とをそれぞれ非同期に回転させることにより、周囲ガス８０の圧力や圧縮ガス８３の圧力等の環境条件の変化や、起動時を含む広範囲の運転条件に柔軟に対応することができる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ｂについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ｂの送電ケーブル８は、ケーブル保護管９４を通して鋼管７０内に配設されている。ケーブル保護管９４は、断熱部材で構成され、高温の圧縮ガス８３からケーブル保護管９４内への熱の侵入を防止する。ケーシング１１外部の鋼管７０内壁付近には、熱交換器９０が設けられている。熱交換器９０の一方の流路９０ａの一端はガス輸送管９１を介してケーシング１１内のタービン２０出口付近に連通し、流路９０ａの他端はガス輸送管９２を介してケーシング１１内の副圧縮機３１の入口付近に連通している。熱交換器９０の他方の流路９０ｂの一端はガス輸送管９３を介してケーシング１１内の主圧縮機３０の出口付近に連通し、流路９０ｂの他端はケーブル保護管９４に連通している。

低温ガス８１の一部は、タービン２０の出口付近からガス輸送管９１を介して熱交換器９０に導かれ、ガス輸送管９３を介して導かれた圧縮ガス８３の一部と熱交換した後、ガス輸送管９２を介して副圧縮機３１の入口付近に導かれ、モータ４０の冷却に使用された低温ガス８１と合流する。一方、ガス輸送管９３を介して導かれた圧縮ガス８３の一部は、ガス輸送管９１を介して導かれた低温ガス８１の一部との熱交換により低温の圧縮ガス（以下、低温圧縮ガスという）８４となり、ケーブル保護管９４に流入する。低温圧縮ガス８４は、送電ケーブル８を冷却しながらケーブル保護管９４内を上昇し、地上で圧縮ガス８３と合流する。ここで、低温ガス８１の一部をケーブル保護管９４に流入させる構成も考えられが、低温ガス８１の圧力は自噴可能な圧力に満たず、ケーブル保護管９４に流入した低温ガス８１は地上まで到達できない。従って、低温ガス８１の一部をケーブル保護管９４に流入させる構成では、送電ケーブル８全体を冷却することは困難である。

以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を達成できる。さらに、送電ケーブル８を断熱性を有するケーブル保護管９４内に配設するとともに、圧縮ガス８３の一部を低温ガス８１の一部との熱交換によって低温圧縮ガス８４に変換し、ケーブル保護管９４内を通して地上まで送ることにより、送電ケーブル８を圧縮ガス８３の熱から保護することができる。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ｃについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ｃのモータ４０は、回転軸５０のタービン２０の直上流位置に取り付けられており、副吸込口１３は、ケーシング１１側面のタービン２０入口近傍に形成されている。モータ４０の外周には熱輸送管１００の一端が巻き付けられており、熱輸送管１００の他端はタービン２０と副圧縮機３１の間に配設された放熱器１０１に接続されている。モータ４０で発生した熱は、熱輸送管１００を通して放熱器１０１まで輸送され、放熱器１０１によって低温ガス８１中に放出される。熱輸送管としては、ヒートパイプ、熱サイフォン等の冷媒の相変化を応用したデバイスが好適である。

以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を達成できる。さらに、モータ４０をタービン２０の下流側ではなく、高温となる主圧縮機３０からさらに離間したタービン２０の上流側に配置することにより、モータ４０の温度上昇を抑えることが可能となる。

図７は、本発明の第５の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ｄについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ｄのモータ４０は、回転軸５０の主圧縮機３０の直上流位置に取り付けられ、タービン２０及び副圧縮機３１は、モータ４０の直上流位置において軸受６２，６３で回転軸５０周りを回転自在に支持された中空の回転軸５１に取り付けられている。回転軸５１の副圧縮機３１の直下流位置には、モータ４２が取り付けられている。タービン２０と副圧縮機３１の間は、仕切板１５によって上流側と下流側とに仕切られている。モータ４０，４２の外周部にはガス輸送管９５が取り付けられており、ガス輸送管９５の両端は、仕切板１５の上流側のタービン２０出口付近と仕切板１５の下流側の副圧縮機３１入口付近とにそれぞれ開口している。

タービン２０及び副圧縮機３１はモータ４２によって駆動される。タービン２０から排出された低温ガス８１は、ガス輸送管９５に流入してモータ４０，４２の冷却に使用された後、副圧縮機３１の入口付近に導かれる。

以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を達成できる。さらに、タービン２０及び副圧縮機３１を主圧縮機３０と非同期に回転させることにより、広範囲の運転条件に対応することができる。なお、モータ４０及びモータ４２はタービン２０の上流側に設置しても良く、その場合は、ガス輸送管９５に代えて、第４の実施形態で説明した冷媒の相変化を応用した熱輸送管１００（図６参照）を用いることが可能である。

図８は、本発明の第６の実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ｅについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ｅは、タービン２０（図２参照）に代えて膨張弁２１を備える。副吸込口１３から吸入された周囲ガス８０は、膨張弁２１を通過して断熱膨張し、低温ガス８１となる。

以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、タービンを備えないことにより、圧縮装置１０Ｅの構造が簡易となる。

図９は、本発明の第７の本実施形態に係る圧縮装置の構造図である。以下、本実施形態に係る圧縮装置１０Ｆについて、第１の実施形態に係る圧縮装置１０（図２参照）との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る圧縮装置１０Ｆは、副圧縮機３１（図２参照）を備えておらず、タービン２０は、回転軸５０の上流側において軸受６４，６５で回転軸５０とは独立に支持された回転軸５３に取り付けられている。回転軸５３のタービン２０の直下流位置には、発電機４１が取り付けられている。発電機４１は、ケーブル１２０を介して、ケーシング１１の外部に配設されたヒータ１２１に接続されている。

モータ４０で主圧縮機３０を駆動するとタービン２０の下流側が低圧となり、副吸込口１３から吸入した周囲ガス８０は、タービン２０を通過して断熱膨張し、低温ガス８１となる。低温ガス８１は、モータ４０の周囲を通過しながらモータ４０を冷却する。モータ４０の冷却に使用された低温ガス８１は、主吸込口１２から吸入した周囲ガス８２と混合し、主圧縮機３０で圧縮されて圧縮ガス８３となり、排出口１４から放出される。タービン２０で回収したエネルギは、発電機４１によって電力に変換され、さらにヒータ１２１によって熱に変換される。ヒータ１２１で発生した熱は、圧縮ガス８３中に放散され、圧縮ガス８３とともに地上に送り出される。

以上のように構成した本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、副圧縮機を備えないことにより、圧縮装置１０Ｆの構造が簡易となる。また、タービン２０を回転軸５０とは独立した回転軸５３に取り付けたことにより、起動時に主圧縮機３０とタービン２０とを協調させる制御が不要となるため、圧縮装置１０の制御を簡略化できる。なお、図９中、ヒータ１２１を圧縮装置１０の下流側に配置しているが、上流側に配置することも可能である。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ圧縮装置
２０タービン（膨張手段）
２１膨張弁（膨張手段）
３０主圧縮機（第１の圧縮機）
３１副圧縮機（第２の圧縮機）
４０，４２モータ
４１発電機
５０回転軸（第１の回転軸）
５１，５３回転軸（第２の回転軸）
８０，８２周囲ガス
８１低温ガス
８３圧縮ガス
８４低温圧縮ガス
９０熱交換器
９４ケーブル保護管
１００熱輸送管
１０１放熱器

Claims

第１の回転軸と、
前記第１の回転軸に取り付けられ、周囲ガスを圧縮して高圧の圧縮ガスを放出する第１の圧縮機と、
前記第１の回転軸の前記第１の圧縮機の上流側に取り付けられ、前記圧縮機を駆動する第１のモータと、
前記圧縮機の上流側に設けられ、前記周囲ガスの一部を膨張させ、前記第１のモータの冷却に使用される低温ガスを生成する膨張手段と
を備えたことを特徴とする圧縮装置。
請求項１に記載の圧縮装置において、
前記第１の圧縮機の上流側でかつ前記膨張手段の下流側に設けられ、前記第１のモータの冷却に使用された前記低温ガスを前記周囲ガスと等しい圧力まで圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第１の圧縮機は、前記第２の圧縮機によって圧縮された前記低温ガスと、前記周囲ガスの残りの一部とを混合圧縮して前記圧縮ガスを生成すること
を特徴とする圧縮装置。
請求項１に記載の圧縮装置において、
前記膨張手段がタービンであることを特徴とする圧縮装置。
請求項３に記載の圧縮装置において、
前記タービンは、前記第１の回転軸に取り付けられ、前記第１のモータによって駆動されること
を特徴とする圧縮装置。
請求項３に記載の圧縮装置において、
前記第１の回転軸とは独立に設けられた第２の回転軸と、
前記第２の回転軸に取り付けられた第２のモータとを更に備え、
前記タービンは、前記第２の回転軸に取り付けられ、前記第２のモータによって駆動され、
前記膨張手段は、前記周囲ガスの一部を膨張させ、前記第１のモータ及び前記第２のモータの冷却に使用される低温ガスを生成すること
を特徴とする圧縮装置。
請求項１乃至５に記載の圧縮装置において、
前記圧縮装置は、ガス井に設置されるダウンホール圧縮装置であり、
地上に配置された電源装置と、
前記電源装置と前記ダウンホール圧縮装置とを接続する送電ケーブルと、
前記送電ケーブルを挿通するケーブル保護管と、
前記ケーブル保護管と前記ダウンホール圧縮装置との間に設けられ、前記低温ガスの一部との熱交換により、前記圧縮ガスの一部を低温の圧縮ガスに変換し、前記ケーブル保護管に流入させる熱交換器と
を更に備えたこと特徴とする圧縮装置。
請求項１乃至５に記載の圧縮装置において、
前記膨張手段の下流側に設置された放熱器と、
前記第１のモータと前記放熱器とを接続する熱輸送管と
を備えたことを特徴とする圧縮装置。
請求項１又は２に記載の圧縮装置において、
前記膨張手段が膨張弁であることを特徴とする圧縮装置。