Подводный компрессор, приводимый напрямую электродвигателем с постоянными магнитами, статор и ротор которого погружены в жидкость

Изобретение относится к компрессорной системе, содержащей компрессорный агрегат и двигательный агрегат, установленные на подшипниках, причем двигатель и подшипники погружены в охлаждающую, смазывающую и барьерную текучую среду, заключенную в корпусе, у которого имеется устройство охлаждения и устройство циркуляции. Двигательный агрегат представляет собой агрегат на основе электродвигателя с постоянными магнитами. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе компрессора, приспособленной к применению с погружением в жидкость, например к подводному применению.

Уровень техники

Существующие технические решения в области подводных компрессорных систем воспринимаются как дорогостоящие, сложные, крупногабаритные и тяжелые, в которых широко используется то, что могло бы считаться незрелыми технологиями в отношении подводной добычи нефти и газа и подводной обработки.

Одно из таких известных решений заключается в том, чтобы иметь герметически закрытую конструкцию с ротором, опирающимся на активные магнитные подшипники. Такие системы помещают в газовую атмосферу в герметичном корпусе, где двигатель и пенетраторы в большинстве случаев охлаждаются технологическим газом. Одна проблема, свойственная таким решениям, состоит в том, что они не выносят эксплуатации в агрессивной (кислотной) среде из-за наличия чувствительных электрических обмоток и соединений в среде технологического газа. Активные магнитные подшипники с современной системой управления добавляли бы сложность и удорожали такие системы. Один пример технического решения, содержащего по меньшей мере один из указанных признаков, раскрыт в ЕР 1826887.

Также известна другая компрессорная система для подводного применения с двумя вращающимися в противоположных направлениях электрическими двигателями, которые используются для создания относительной скорости, необходимой для сжатия газа. Статор и ротор электродвигателей погружены в жидкость, а подшипники являются подшипниками скольжения и смазываются жидкостью. Однако из-за того, что электродвигатели являются стандартными двигателями асинхронного типа с роторами большого диаметра и малым зазором между статором и ротором, скорость вращения ограничена вихревыми потерями, связанными с вязкостью и трением жидкости. Чтобы получить относительную скорость, необходимую для газового компрессора, используются два вращающихся в противоположных направлениях электродвигателя. Принцип встречного вращения имеет несколько основных недостатков. Один заключается в том, что трудно встроить уравновешивающий поршень, что означает, что упорный подшипник оказывается сильно нагруженным. Это ограничивает допустимое дифференциальное давление системы. Второй недостаток состоит в том, что термодинамический принцип может быть основан только на аксиальных лопастных колесах с ограниченной способностью создавать дифференциальное давление.

Третий недостаток заключается в том, что такая известная система также обладает высокой сложностью и сравнительно большими габаритами.

Третий известный подход к построению подводной компрессорной системы представляет собой компрессор с приводом от асинхронного электродвигателя, причем для увеличения скорости вращения компрессорного агрегата используется ускоряющая передача.

Среди близких в данной области технологий можно обнаружить погружные насосы, оснащенные агрегатом с асинхронным двигателем и смазываемыми подшипниками скольжения, причем все указанные устройства герметично закрыты в корпусе, заполненном жидкостью, которая действует в качестве хладагента, смазки и жидкостного барьера (чтобы воспрепятствовать поступлению технологической жидкости). Однако использование компрессорного агрегата в такой конструкции не дало бы желаемого результата. Асинхронный электродвигатель, погруженный в жидкость, не смог бы полностью соответствовать компрессорному агрегату, поскольку достижимая скорость вращения для таких электродвигателей, погруженных в жидкость, была бы недостаточно высокой для компрессорного агрегата. Из WO 2011/019334 также известно применение электродвигателя с постоянными магнитами для привода подводного насоса.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в создании другой компрессорной системы для работы в качестве погружаемой в жидкость компрессорной системы, особенным образом пригодной для подводного (морского) применения.

Задача решается посредством системы, раскрытой в формуле изобретения.

Согласно изобретению предлагается компрессорная система, содержащая компрессорный агрегат и агрегат с электродвигателем (двигательный агрегат). Согласно одному варианту осуществления компрессорный агрегат и двигательный агрегат могут быть размещены на общем валу или могут быть соединены муфтой, но все равно иметь общую ось вращения; согласно другому варианту указанные агрегаты могут быть соединены муфтой и иметь разные оси вращения. Согласно изобретению в одном его аспекте компрессор и электродвигатель могут вращаться с одинаковой скоростью и тем самым может не требоваться устройство для увеличения скорости компрессора относительно скорости электродвигателя.

Система ротора, т.е. роторная часть двигательного агрегата и вращающиеся части компрессора, в соответствии с изобретением поддерживаются смазываемыми подшипниками скольжения. Двигательный и компрессорный агрегаты установлены в общем корпусе, герметичном относительно окружающей среды; если система используется для подводных работ, то герметичном относительно морской воды. Двигательный агрегат и подшипники внутри корпуса погружены в жидкость, которая работает в качестве охлаждающей, смазывающей и барьерной жидкости. Указанная жидкость далее именуется барьерной жидкостью. Барьерная жидкость заключена в корпусе, при этом в одном варианте осуществления корпус содержит механические уплотнения в качестве барьеров для газокомпрессорной секции агрегата. Барьерную жидкость можно поддерживать при давлении, равном или превышающем давление технологической жидкости, и при определенной небольшой ее утечке из отсека двигателя и подшипников в технологическую среду. Это гарантирует, что загрязнения из технологического процесса не попадут в барьерную жидкость. Гидравлическая силовая установка снаружи от компрессорного агрегата может управлять давлением барьерной текучей среды и восполнять утечки барьерной среды в технологический процесс. Согласно изобретению, что касается корпуса и указанной жидкости, то предусмотрена система охлаждения и система циркуляции. Согласно изобретению двигательный агрегат представляет собой агрегат на основе электродвигателя с постоянными магнитами.

Двигательный агрегат на основе двигателя с постоянными магнитами отличается высокой плотностью магнитного потока. Это позволяет выполнить ротор более компактным по сравнению с асинхронным двигателем аналогичной номинальной мощности. Вихревые потери ротора возрастают пропорционально четвертой степени его диаметра, таким образом, компактный ротор небольшого диаметра обладает гораздо меньшими потерями и может работать при более высокой скорости вращения, пока снижение кпд не станет критичным. Кроме того, двигатель с постоянными магнитами позволяет иметь более широкий зазор между ротором и статором, не жертвуя при этом коэффициентом мощности. Это дает дополнительное снижение вихревых потерь. Характеристики такого двигателя с постоянными магнитами раскрыты в WO 2010014640, поданной на имя Direct Drive Systems Inc.

В соответствии с изобретением в одном его аспекте система циркуляции барьерной жидкости может содержать лопастное колесо, закрепленное на роторе электродвигателя. Такое обеспечивающее циркуляцию лопастное колесо будет воздействовать на жидкость и приводить жидкость в движение. Лопастное колесо может быть закреплено на хвостовике ротора, имеющем ту же ось вращения, или может быть организована связь, которая обеспечивает лопастному колесу другую ось вращения и/или скорость вращения, сопоставимую со скоростью вращения ротора. Обеспечивающее циркуляцию лопастное колесо может быть расположено внутри корпуса или в трубе, соединенной с корпусом, что возможно. Также имеется возможность организации, к примеру, корпуса и элементов внутри корпуса, так чтобы имела место естественная конвективная циркуляция жидкости за счет горячих и холодных частей корпуса и элементов внутри корпуса и таким образом - возможность построения системы циркуляции и системы охлаждения, соответствующих настоящему изобретению. Такие принципы для создания циркуляции известны под названием тепловой трубки или термосифона. Другая возможность состоит в организации отдельного циркуляционного агрегата либо внутри корпуса, либо связанного с корпусом и, таким образом, построении системы циркуляции, соответствующей настоящему изобретению. Согласно одному возможному варианту осуществления изобретения корпус можно выполнить так, чтобы он совместно с лопастным колесом создавал внутри себя циркуляцию жидкости. Одна возможность заключается в построении корпуса с воронкообразным элементом, который ведет к лопастному колесу и тем самым создает увеличенный расход барьерной жидкости внутри корпуса. Также может быть вариант создания направляющих каналов, ведущих к лопастному колесу и от лопастного колеса. Согласно изобретению для построения схемы циркуляции можно также использовать более одного лопастного колеса.

В соответствии с изобретением в другом его аспекте система охлаждения может содержать охладительный агрегат, расположенный в жидкостном контуре, проходящем снаружи корпуса. Барьерная жидкость, находящаяся внутри корпуса, в таком случае была бы направлена через жидкостной контур и охлаждена за счет указанного процесса. Другая возможность заключается в том, чтобы иметь корпус, у которого по меньшей мере одна часть выполнена в виде охладительного агрегата, т.е. система охлаждения может содержать охладительное устройство, построенное на стенке или в стенке корпуса. Одна возможность заключается в построении такого охлаждающего устройства с ребрами на поверхности либо внутри, либо снаружи для увеличения теплопередачи через стенку корпуса. Другая возможность состоит в организации жидкостного контура для окружающей текучей среды, который входит в корпус и проходит сквозь корпус, выводя текучую среду через корпус наружу, и устройства циркуляции внутри жидкостного контура для обеспечения потока охлаждающей текучей среды через указанный жидкостной контур. Еще одна возможность заключается в комбинации некоторых или всех упомянутых решений. Согласно одному аспекту изобретения система циркуляции и система охлаждения могут быть построены в виде общей конструкции, или в виде отдельных элементов, или же можно сочетать указанные возможности. Кроме того, указанные системы могут быть в количестве одной, двух, трех, четырех или более штук.

Согласно одному аспекту система может содержать средства создания давления, рассчитанные на создание внутри корпуса давления барьерной жидкости, равного или превышающего давление технологической текучей среды на входе компрессорного агрегата.

Согласно одному аспекту компрессорный агрегат может содержать внутри себя одну, две, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять или более ступеней компрессора или лопастных колес компрессора. Согласно изобретению в одном его аспекте в основе компрессорного агрегата лежит принцип радиального центробежного компрессора с лопастными колесами с бандажом или без бандажа, с направляющими лопатками или без направляющих лопаток, с открытыми диффузорами или лопаточными диффузорами. В корпусе также может быть более одного компрессорного агрегата. Компрессорный агрегат может содержать лопастные колеса, скомпонованные «в линию» (in-line) или «спина к спине» (back-to-back). Согласно одному варианту осуществления изобретения с каждой стороны двигательного агрегата может быть установлено по компрессорному агрегату. Возможно сочетание любых из вышеперечисленных конструктивных подходов.

Согласно изобретению в другом его аспекте на валу или роторе системы может быть установлен балансировочный поршень. Другая возможность может заключаться в разделении компрессорного агрегата на две части и компоновке указанных двух частей «спина к спине».

Согласно изобретению в еще одном его аспекте роторный элемент компрессорного агрегата и двигательного агрегата может осуществлять непосредственное соединение между двигательным агрегатом и компрессорным агрегатом в виде упругой муфты, жесткой муфты или общего вала. Компрессорный агрегат и двигательный агрегат могут иметь общий вал.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет раскрыто на примере варианта его осуществления, который не ограничивает собой идею и объем изобретения, и со ссылками на прилагаемый чертеж компрессорной системы, причем фиг. 1 изображает компрессорную систему по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Компрессорная система содержит компрессорный агрегат 1 и агрегат 2 электродвигателя с постоянными магнитами (в дальнейшем двигательный агрегат), причем оба агрегата выполнены с общей осью ротора или валом 3. Компрессорный агрегат 1 содержит впускное отверстие 12 для технологической текучей среды и выпускное отверстие 13 для технологической текучей среды. Вал 3 установлен на смазываемых подшипниках скольжения - первом подшипнике 4 на первой стороне двигательного агрегата 2, втором подшипнике 5 между двигательным агрегатом 2 и компрессорным агрегатом 1 и третьем подшипнике 6 на стороне компрессорного агрегата 1, противоположной двигательному агрегату 2. Двигательный агрегат 2, а также первый, второй и третий подшипники 4, 5, 6 - все размещены в корпусе 7, заполненном жидкостью. Указанные подшипники также являются опорой для роторной части компрессорного агрегата. Указанная жидкость служит смазкой для подшипников 4, 5, 6. Кроме того, указанная жидкость работает в качестве барьерной текучей среды, поскольку на выпускном отверстии компрессорного агрегата 1 она поддерживается под давлением, равным или превышающим давление технологической текучей среды. Это препятствует поступлению технологической текучей среды в корпус и тем самым удерживает всякие опасные элементы, присутствующие в технологической текучей среде, в стороне от элементов внутри корпуса. Жидкость также действует в качестве хладагента для двигательного агрегата 2 и других элементов внутри корпуса, поскольку предусмотрена система охлаждения с жидкостными контурами 15, 16, проходящими снаружи корпуса - к охладительному агрегату 14 для охлаждения жидкости, и для обеспечения циркуляции жидкости. Корпус 7 разделен на три основные камеры посредством двух разделительных или уплотнительных элементов 11, 12, при этом двигательный агрегат расположен с одной стороны от уплотнителя 11, а компрессорный агрегат 1 расположен между двумя уплотнителями 11, 12 и третьим подшипником 6 в третьей камере. Жидкостные контуры выполнены так, что один первый контур 15 соединяет камеру, содержащую двигательный агрегат 2, с камерой, содержащей третий подшипник 6, а второй контур 16 соединяет камеру, содержащую третий подшипник 6, с камерой, содержащей двигательный агрегат 2. Также внутри корпуса 7 предусмотрено лопастное колесо 8 барьерной текучей среды, чтобы поддерживать циркуляцию барьерной текучей среды, пока используется компрессорная система. Лопастное колесо 8 будет также помогать создавать течение в жидкостных контурах 15, 16, охлаждая тем самым жидкость. Лопастное колесо 8 барьерной текучей среды в данном варианте осуществления закреплено непосредственно на валу 3. Поскольку в данном варианте осуществления компрессорный агрегат 1 является единым агрегатом, предусмотрен уравновешивающий поршень 9 для компенсации осевых усилий от компрессорного агрегата, когда он работает.

Изобретение раскрыто на примере варианта его осуществления, который не ограничивает собой идею и объем изобретения, причем для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения. Возможно использование другого числа подшипников, например четырех или пяти подшипников, и большего числа разделительных или механических уплотнений, если вопросы динамики ротора потребуют такого решения, как например, в случае, если используется упругая муфта, длинный вал, длинный ротор компрессора и т.п. Охлаждение и циркуляция могут быть выполнены другим способом, который отличается от изображенного на прилагаемом чертеже. К примеру, в конструкции могут отсутствовать отдельные охлаждающие патрубки снаружи корпуса, поскольку они могут быть расположены на поверхности или в стенке корпуса.

1. Компрессорная система, содержащая компрессорный агрегат (1) и двигательный агрегат (2), причем роторная часть двигательного агрегата (2) и вращающиеся части компрессорного агрегата (1) поддерживаются смазываемыми подшипниками (4, 5, 6) скольжения, отличающаяся тем, что двигательный агрегат (2) и указанные подшипники (4, 5, 6) погружены в охлаждающую, смазывающую и барьерную текучую среду, заключенную в корпусе (7), который снабжен устройством (14) охлаждения и устройством циркуляции, при этом двигательный агрегат (2) выполнен в виде агрегата (2) на основе электродвигателя с постоянными магнитами.

2. Компрессорная система по п. 1, в которой указанные подшипники (4, 5, 6) включают в себя первый подшипник (4), расположенный на одной стороне двигательного агрегата (2), второй подшипник (5), расположенный между двигательным агрегатом (2) и компрессорным агрегатом (1), и третий подшипник (6), расположенный на стороне компрессорного агрегата (1), противоположной двигательному агрегату (2).

3. Компрессорная система по п. 2, в которой корпус (7) разделен на три основные камеры посредством двух разделительных или уплотнительных элементов (11, 12), при этом двигательный агрегат (2) расположен с одной стороны от первого разделительного элемента (11), а компрессорный агрегат (1) расположен между первым (11) и вторым (12) разделительными элементами и третьим подшипником (6) в третьей камере.

4. Компрессорная система по п. 1, в которой компрессорный агрегат (1) и двигательный агрегат (2) выполнены с возможностью вращения с одинаковой скоростью.

5. Компрессорная система по п. 1, в которой компрессорный агрегат (1) выполнен в виде радиального центробежного компрессора.

6. Компрессорная система по п. 1, в которой устройство циркуляции содержит лопастное колесо (8), закрепленное на валу (3) двигательного агрегата (2).

7. Компрессорная система по п. 1, в которой устройство охлаждения содержит охладительный агрегат (14), соединенный с корпусом (7) посредством жидкостного контура (15, 16).

8. Компрессорная система по п. 7, в которой жидкостные контуры (15, 16) выполнены так, что один первый контур (15) соединяет камеру, содержащую двигательный агрегат (2), с камерой, содержащей третий подшипник (6), а второй контур (16) соединяет камеру, содержащую третий подшипник (6), с камерой, содержащей двигательный агрегат (2).

9. Компрессорная система по п. 1, в которой устройство охлаждения содержит охладительный агрегат (14), размещенный на стенке корпуса (7).

10. Компрессорная система по п. 1, в которой содержит средства создания давления, рассчитанные на создание внутри корпуса (7) давления текучей среды, равного или превышающего давление технологической текучей среды на выходе (13) компрессорного агрегата (1).

11. Компрессорная система по п. 1, в которой на валу (3) системы установлен уравновешивающий поршень (9).

12. Компрессорная система по п. 1, в которой компрессорный агрегат (1) и двигательный агрегат (2) установлены на общем валу (3).

13. Компрессорная система по любому из предшествующих пунктов, в которой лопастные колеса компрессорного агрегата скомпонованы «спиной к спине».

14. Компрессорная система по любому из пп. 1-9, в которой лопастные колеса компрессорного агрегата (1) скомпонованы «в линию».

15. Компрессорная система по п. 1, в которой на каждой стороне двигательного агрегата (2) расположено по одному компрессорному агрегату (1).