WO2007110271A1 - Verdichtereinheit und verwendung eines kühlmediums - Google Patents

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Definitions

  • Cooling has a closed circuit in which the cooling medium (pentaerythritol tetracarboxylic acid ester) circulates. It makes sense if the cooling has a heat exchanger, which by means of a flow line and a
  • Cooling system for the other elements of the compressor unit.
  • the separation of the cooling of the cooling system will meet the special requirements for the heat dissipation from the stator of a generic compressor unit.
  • the electromagnetic bearings 21, 22, 25 are cooled by means of a cooling system 31 to the operating temperature, wherein the cooling system 31 provides a tap 32 in an overcurrent of the compressor 3. From the tap 32, a portion of the Fordermediums, which is preferably natural gas, passed through a filter 35 and then guided by two separate pipes to the respective outer bearings (first radial bearing 21 and fourth radial bearing 24 and thrust bearing 25) by means of piping. This cooling by means of the cold Fordermediums (80) saves additional supply lines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinheit (1) zum Verdichten eines Fördermediums (62), insbesondere für den Unterwasserbetrieb, umfassend ein Verdichter (3) und einen elektrischen Motor (2), welcher einen Stator (16) und einen Rotor (15) umfasst, wobei der Stator (16) des Motors (2) mit einer gesonderten Kühlung (40) in Verbindung steht und mittels der gesonderten Kühlung (40) gekühlt wird, welche Kühlung (40) ein Kühlmedium (56) aufweist. Im Unterwasserbetrieb ist aufgrund der schlechten Zugänglichkeit und dem Gebot keinen stofflichen Austausch mit der Umgebung zu haben, die Kühlung von Maschinen besonders schwierig. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass das Kühlmedium (56) ein Pentaerythrittetracarbonsäureester ist.

Description

Beschreibung
Verdichtereinheit und Verwendung eines Kuhlmediums
Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinheit zum Verdichten eines Fordermediums, insbesondere für den Unterwasserbetrieb, umfassend ein Verdichter und einen elektrischen Motor, welcher einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator des Motors mit einer gesonderten Kühlung in Verbindung steht und mittels der gesonderten Kühlung gekühlt wird, welche Kühlung ein Kuhlmedium aufweist. Daneben ist die Verwendung eines besonderen Kuhlmediums für eine Kühlung eines Stators eines Motors einer Verdichtereinheit für den Betrieb unter Wasser Gegenstand der Erfindung.
Jüngste Entwicklungen im Bereich des Verdichterbaus konzentrieren sich auch auf Unterseeanordnungen großer Verdichter, welche der Forderung von Erdgasen dienen sollen. Aufgrund der besonderen Betriebsbedingungen, insbesondere wegen der stark eingeschränkten Zuganglichkeit sowohl zu Wartungszwecken als auch mittels Versorgungsleitungen sieht sich die Fachwelt vor große Herausforderungen gestellt. Einschlagige Umweltbestimmungen verbieten jeglichen stofflichen Austausch zwischen den zu installierenden Aggregaten und dem umgebenden Seewasser. Hinzu kommt, dass Seewasser ein aggressives Medium ist und in den verschiedenen Meerestiefen extreme Druck- und Temperaturbedingungen anzutreffen sind. Eine weitere Anforderung besteht darin, dass die Aggregate einerseits eine äußerst hohe Standzeit aufweisen sollen und andererseits nahezu wartungsfrei ausgebildet sein müssen. Erschwerend ist zusatzlich eine nicht unerhebliche Verschmutzung des teilweise chemisch aggressiven zu fordernden Mediums.
Eine Verdichtereinheit der vorgenannten Art ist bereits aus der internationalen Patentanmeldung WO 02/099286 Al bekannt. Die dort beschriebene Verdichtereinheit sieht zur Kühlung vor, dass aus dem Fordermedium, meist Erdgas, im Bereich einer Uberstromung der radialen Stufen des Verdichters eine Teilmenge abgezweigt wird und, mittels welcher die zu kühlenden Bauelemente umspült werden, so dass die Verlustwärme, die eine Größenordnung von 100 - 200 kW aufweist, mit dem kalten zu fördernden Medium abgeführt wird.
Dieses Konzept zur Kühlung der Verdichtereinheit ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da zum Abfuhr der Verlustwärme das ohnehin zu transportierende Fördermedium genutzt wird und kein zusätzlicher Medienaustausch zwischen der Verdichtereinheit und weiteren Komponenten der Umgebung erfolgen muss. Besondere Schwierigkeiten bringt dieses Vorgehen jedoch aufgrund der aggressiven Chemie der zu fördernden Medien mit sich.
Häufig ist das Fördermedium stark verschmutzt und kann empfindliche Bauteile aufgrund der Umspülung in ihrer Funktion beeinträchtigen. Daher werden beispielsweise die
Lager, die Axiallager und die Radiallager gekapselt, so dass kein stofflicher Austausch zwischen der Umgebung und diesen Bauteilen stattfindet. Dadurch bedingt müssen Magnetlager eingesetzt werden. Gleiches gilt für den Rotor und den Stator, die in ähnlicher Weise mittels einer Kapselung gegen die aggressiven Fördermedien geschützt sind. Während eine umspülende Kühlung des Rotors ausreichend ist, sind für den Stator weitere Kühlmaßnahmen erforderlich, um die Verlustwärme abzuführen. Eine Lösung aus dem Stand der Technik sieht vor, dass der Stator mit Kühlkanälen versehen ist und das Fördermedium zur Kühlung diese Kanäle durchströmt. Diese Ausbildung birgt das Risiko, dass die Verschmutzungen des Fördermediums im Laufe des Betriebes die Strömung durch die Kanäle beeinträchtigen und diese gegebenenfalls auch verstopfen. Ein weiteres Risiko liegt in der regelmäßig porösen Isolierung des Stators, welche im Bereich der Umspülung das als Kühlmedium mit dem Stator in Kontakt tretende Fördermedium teilweise absorbiert, so dass es bei einem plötzlichen Druckabfall, beispielsweise bei einer Unterbrechung des Betriebes, zu explosionsartigen Expansionen des absorbierten Mediums in den Poren der Isolation kommt, die infolgedessen zerstört wird.
Die beschriebenen Nachteile mit ihren hohen Risiken für die Verfügbarkeit einer Verdichtereinheit sind insbesondere für den Unterwasserbetrieb, beispielsweise bei der Erdgasförderung, absolut inakzeptabel.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Kühlung für den Stator eines Elektromotors einer motorbetrieben Verdichtereinheit, insbesondere für den Unterseebetrieb, zu schaffen, die einerseits eine hervorragende Betriebssicherheit bietet und andererseits keinen stofflichen Austausch mit der Umgebung während des Betriebes erfordert.
Zur Lösung wird eine Verdichtereinheit nach Anspruch 1 und die Verwendung eines Pentaerythrittetracarbonsäureesters als Kühlmedium nach Anspruch 11 vorgeschlagen. Die Unteransprüche beinhalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung .
Eine besonders vorteilhafte Variante zum Betrieb der Kühlung ist die Verwendung eines Pentaerythrittetracarbonsäureesters als Kühlmedium der Kühlung des Stators des Motors beim Betrieb unter Wasser.
Daneben sind der hohe Flammpunkt des Pentaerythrittetracarbonsäureesters und die damit einhergehende reduzierte Brandgefahr ein gewichtiger Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verwendung. Hinzu kommen die geringe Korrosionseigenschaft und die hervorragende Verträglichkeit mit den in diesen Bereichen verwendeten Isoliermaterialen, wie zum Beispiel Glimmerbändern und Epoxidharz bzw. Tränkharze.
Als Beispiel für Pentaerythrittetracarbonsäureester sind die Esterflüssigkeiten „Midel" oder das „Shell Fluid 4600" zu nennen. Diese Flüssigkeiten sind jeweils nicht nur ein hervorragender Isolator und mit den umgebenden Materialen verträglich, sondern entsprechen auch den hohen Brandschutzanforderungen sowie hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit, da sie insbesondere als nicht wassergefährdend einzustufen sind.
Insbesondere der Empfindlichkeit des Stators gegen
Verschmutzung wird Rechnung getragen, wenn die Kühlung einen geschlossenen Kreislauf aufweist, in dem das Kühlmedium (Pentaerythrittetracarbonsäureester) umläuft. Hierbei ist es sinnvoll, wenn die Kühlung einen Wärmetauscher aufweist, welcher mittels einer Vorlaufleitung und einer
Rücklaufleitung mit dem gekühlten Stator in Verbindung steht, wobei die Kühlung derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium (Pentaerythrittetracarbonsäureester) zwischen dem Wärmetauscher, der Rücklaufleitung, dem Stator und der Vorlaufleitung zirkuliert.
Die Zirkulation kann mittels natürlicher Konfektion angetrieben sein, so dass sich ein Naturumlauf zwischen den vorgenannten Bauelementen des Kühlmediums ergibt. Bevorzugt wird jedoch der Betrieb des Kreislaufs des Kühlmediums im Zwangsumlauf mittels einer Pumpe. Hierbei sollte kein
Phasenwechsel erfolgen, dies gewährleistet einen besonders weiten thermischen Einsatzbereich.
Besonders zweckmäßig im Sinne der Erfindung sind einerseits eine gesonderte Kühlung für den Stator des elektrischen Motors der Verdichtereinheit und andererseits ein anderes
Kühlsystem für die weiteren Elemente der Verdichtereinheit. Die Trennung der Kühlung von dem Kühlsystem wird den besonderen Anforderungen an die Wärmeabfuhr aus dem Stator einer gattungsgemäßen Verdichtereinheit gerecht.
Das Kühlsystem, welches unter anderem den Verdichter und auch den Rotor des Motors kühlt, sieht als Kühlmedium besonders vorteilhaft das Fördermedium vor, so dass die Verlustwärme mit dem zu verdichtenden Fördermedium abgeführt wird. Dies ist besonders bei der Unterseeförderung von Erdgas zweckmäßig, da dieses regelmäßig verhältnismäßig kalt ist. Insbesondere der Rotor kann sinnvoll von dem Fordermedium in dem offenen Kreislauf umspult werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines speziellen Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Längsschnitts durch eine erfindungsgemaße Verdichtereinheit .
Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt längs einer erfindungsgemaßen Verdichtereinheit 1, welche als wesentliche Bauteile einen Motor 2 und einen Verdichter 3 in einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse 4 aufweist. Das Gehäuse 4 beherbergt den Motor 2 und den Verdichter 3. Im Bereich des Übergang von dem Motor 2 zu dem Verdichter 3 ist das Gehäuse 4 mit einem Einlass 6 und einem Auslass 7 versehen, wobei durch den Einlass 6 mittels eines Ansaugstutzens 8 das zu verdichtende Fluid angesaugt wird und durch den Auslass 7 das verdichtete Fluid abströmt.
Die Verdichtereinheit 1 ist im Betrieb vertikal angeordnet, wobei ein Motorrotor 15 des Motors 2 über einem
Verdichterrotor 9 des Verdichters 3 zu einer gemeinsamen Welle 19 vereint sind, die sich um eine gemeinsame vertikale Drehachse 60 dreht.
Der Motorrotor 15 ist in einem ersten Radiallager 21 am oberen Ende des Motorrotors 15 gelagert.
Der Verdichterrotor 9 ist mittels eines zweiten Radiallagers 22 in unterer Position gelagert.
Am oberen Ende der gemeinsamen Welle 19 - also am oberen Ende des Motorrotors 15 - ist ein Axiallager 25 vorgesehen. Die Radiallager und das Axiallager arbeiten elektromagnetisch und sind jeweils gekapselt ausgeführt. Die Radiallager erstrecken sich hierbei in Umfangsrichtung um die jeweilige Lagerstelle der Welle 19 und sind hierbei 360° umlaufend und ungeteilt ausgebildet .
Der als Zentrifugalverdichter ausgebildete Verdichter 3 weist drei Verdichterstufen 11 auf, die jeweils mittels einer Uberstromung 33 in Verbindung stehen. Die sich an den
Verdichterstufen 11 ergebenen Druckdifferenzen sorgen für einen Schub an dem Verdichterrotor 9, der sich auf dem Motorrotor 15 übertragt und entgegen der Gewichtskraft des sich ergebenden gesamten Rotors aus Verdichterrotor 9 und Motorrotor 15, gerichtet ist, so dass ein im Nennbetrieb weitestgehender Schubausgleich erfolgt. Auf diese Weise kann das Axiallager 25 vergleichsweise kleiner dimensioniert sein als bei einer horizontalen Anordnung der Drehachse 60.
Die elektromagnetischen Lager 21, 22, 25 sind mittels eines Kuhlsystems 31 auf Betriebstemperatur gekühlt, wobei das Kuhlsystem 31 eine Anzapfung 32 in einer Uberstromung des Verdichters 3 vorsieht. Von der Anzapfung 32 wird mittels Rohrleitungen ein Teil des Fordermediums, welches vorzugsweise Erdgas ist, durch einen Filter 35 geleitet und anschließend durch zwei separate Rohrleitungen zu den jeweils äußeren Lagerstellen (erstes Radiallager 21 und viertes Radiallager 24 sowie Axiallager 25) gefuhrt. Diese Kühlung mittels des kalten Fordermediums (80) erspart zusatzliche Versorgungsleitungen .
Der Motorrotor 15 ist von einem Stator 16 umgeben, der eine
Kapselung 39 aufweist, so dass das aggressive Fordermedium 80 Wicklungen des Stators 16 nicht beschädigt. Die Kapselung ist hierbei bevorzugt so ausgelegt, dass sie den vollen Betriebsdruck zu ertragen vermag. Dies auch deshalb, weil eine separate Kühlung 40 für den Stator vorgesehen ist, in der ein eigenes
Kuhlmedium (Pentaerythrittetracarbonsaureester) 56 zirkuliert. Eine Pumpe 42 sorgt hierbei für einen Kreislauf über einen Wärmetauscher 43. Zumindest ist die Kapselung 39 derart ausgeführt, dass der Abschnitt, der sich zwischen dem Stator 16 und dem Motorrotor 15 erstreckt zwar eine dünne Wandstärke aufweist jedoch bei einer vollständigen Füllung der Statorkühlung 40 mittels des Kühlmediums 56 in der Lage ist, dem Auslegedruck Stand zu halten. Auf diese Weise werden größere Wirbelstromverluste in diesem Bereich vermieden und der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verbessert sich.
Der Verdichterrotor 9 weist zweckmäßig eine Verdichterwelle 10 auf, auf der die einzelnen
Verdichterstufen 11 montiert sind. Dies kann bevorzugt mittels einer thermischen Schrumpfpassung erfolgen. Ebenso ist ein Formschluss, beispielsweise mittels Polygonen möglich. Eine andere Ausführungsform sieht eine Schweißung verschiedener Verdichterstufen 11 an einander vor, aus der ein einstückiger Verdichterrotor 9 resultiert.
Figur 2 zeigt den Motorrotor 15, den Stator 16 und die Kühlung 40. Die Kühlung 40 weist einen Kühlkreislauf 50 auf, welcher sich durch Kühlkanäle 51, beidseitig der Kühlkanäle 51 angeordnete Sammelräume 52 sich in diese Sammelräume anschließende Leitungen, nämlich eine Vorlaufleitung 53 und eine Rücklautleitung 54 sowie zwischen der Vorlaufleitung 53 und der Rücklaufleitung 54 angeordneten Wärmetauscher 55 erstreckt. Das Kühlmedium 56, nämlich ein Pentaerythrittetracarbonsäureester mit dem Handelsnamen
„Midel", strömt beginnend in Kühlkanälen 51 des Stators 16, durch die Vorlaufleitung 53 in den Wärmetauscher 55, wo das Kühlemedium 56 abgekühlt wird durch die Rücklaufleitung 54 in einen am rücklaufseitigen Ende der Kühlkanäle 51 befindlichen Sammelraum 52 einströmt. Der Kreislauf ist geschlossen.
Vorzugsweise ist die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 1OK. Der Wärmetauscher befindet sich geodätisch am höchsten Punkt (Höhendifferenz ΔH) , so dass die natürliche Konvektion unterstützt. Eine Pumpe 42 ist im Rücklauf angeordnet. Der Stator ist gekapselt und in einem Spalt zwischen dem Rotor 15 und dem Stator 16 erfolgt eine Kühlung mittels des Fördermediums 80, das den Rotor 15 umspült.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichtereinheit (1) zum Verdichten eines Fördermediums (62), insbesondere für den Unterwasserbetrieb, umfassend ein Verdichter (3) und einen elektrischen Motor (2), welcher einen Stator (16) und einen Rotor (15) umfasst, wobei der Stator (16) des Motors (2) mit einer gesonderten Kühlung (40) in Verbindung steht und mittels der gesonderten Kühlung (40) gekühlt wird, welche Kühlung (40) ein Kühlmedium (56) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (56) ein
Pentaerythrittetracarbonsäureester ist .
2. Verdichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonsäurerest linear und einfach
Methyl-verzweigt ist.
3. Verdichtereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonsäurerest eine mittlere C-Zahl ≥ 7 aufweist .
4. Verdichtereinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kühlung (40) einen geschlossenen Kreislauf (Kühlkreislauf 50) aufweist, in dem das Kühlmedium (56) umläuft.
5. Verdichtereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kühlung (40) einen Wärmetauscher (55) aufweist, welcher mittels einer Vorlaufleitung (53) und einer Rücklaufleitung (54) mit dem gekühlten Stator (16) in Verbindung steht, wobei die Kühlung (40) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium (56) zwischen dem Wärmetauscher (55), der Rücklaufleitung (54), dem Stator (16) und der Vorlaufleitung (53) zirkuliert.
6. Verdichtereinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Rücklaufleitung (54) eine Pumpe (61) vorgesehen ist, welche das Kühlmedium (56) fördert, so dass ein Zwangsumlauf erfolgt.
7. Verdichtereinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung für den maximalen Betriebsdruck ausgelegt ist.
8. Verdichtereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3), Lager (Radiallager 21 - 24, Axiallager 25) der Verdichtereinheit (1) und der Rotor (15) des Motors (2) mit einem weiteren Kühlsystem in Verbindung stehen und mittels dieses Kühlsystems gekühlt werden.
9. Verdichtereinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (31) ein Kühlmedium aufweist, welches das Fördermedium ist.
10. Verdichtereinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördermedium Erdgas ist.
11. Verdichtereinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (31) derart ausgebildet ist, dass der
Rotor (15) von dem Kühlmedium umspült wird.
12. Verwendung eines Pentaerythrittetracarbonsäureester als Kühlmedium (56) einer Kühlung (40) für einen Stator (16) eines Motors (2) einer Verdichtereinheit (1) für den Betrieb unter Wasser.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonsäurerest des Pentaerythrittetracarbonsäureester linear und einfach Methyl-verzweigt ist.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonsäurerest eine mittlere C-Zahl >7 aufweist.
15. Verwendung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung im Zwangsumlauf betrieben wird.
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