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CN101410624B - 压缩机单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压缩机单元(1)，尤其用于水下工作，其中马达(2)的定子(16)与独立的冷却装置(40)处于连接。本发明的目的在于，提供一种用于电马达定子的冷却装置，其一方面可以提供杰出的工作安全性，另一方面则在工作期间不需要与外界进行物质上的交换。为此做出了如下设置，即冷却装置(40)被如此设置，使得在工作条件下冷却介质(56)在定子(16)的冷却装置(40)中进行自然循环。按照本发明的压缩机单元(1)的决定性优点在于，定子(16)的独立冷却装置(40)可以准确地配合定子的工作条件，尤其是一方面可以考虑较高的损失功率，另一方面又可以考虑构件的敏感性。

Description

压缩机单元
技术领域
本发明涉及一种用于压缩输送介质的压缩机单元，尤其用于水下工作，其包括压缩机和电马达，电马达包括定子和转子。
背景技术
压缩机制造领域的最新发展也几种在应该用于输送天然气的大型压缩机的水下装置上。由于特殊工作条件的缘故，尤其因为不管出于维护目的还是借助供应管道可操作性都受到了强烈限制，所以本技术领域面临很大的挑战。相关的环境条件决不允许在待安装设备和周围海水之间进行物质上的交换。另外，海水是侵蚀性介质并且在不同水深的情况下会遇到极端的压力和温度条件。还有一种需求是，设备一方面应该具有尽可能高的耐用度，另一方面必须近似无需维护地构成。部分化学侵蚀性输送介质的看似不大的污染也增加了难度。
前述类型的压缩机单元在国际专利申请文本WO 02/099286 A1中已经有所公开。那里公开的压缩机单元为了冷却而具有如下设置，即，在压缩机的径向级的溢流管路区域内从输送介质、多为天然气中分流出一部分量，借助该部分量对待冷却的组件进行围绕冲刷，以致于数量级在100-200kW的损失热量被待输送的冷输送介质导走。
从EP 1 069 313 A2中已知一种开文所述类型的压缩机单元，其电马达具有独立的冷却装置，该冷却装置利用氮气作为冷却介质进行工作，这种冷却介质借助另外被驱动的装置在循环中气态地输送。
从DE 196 23 553 A1中已知一种液力机，其中冷却介质借助泵在强制循环中输送。
这种用于冷却压缩机单元的方案尤其具有优点，原因在于，为了导轴损失热量而对总归要输送的输送介质进行了利用，并且不必在压缩机单元和周围的其它组件之间进行附加的介质交换。然而，由于待输送介质具有化学侵蚀性，所以这种方案也难以进行。为了将损失热量导走，在满足对转子进行围绕冲刷冷却的同时还有必要为定子设置其它的冷却措施。
另外一个风险在于定子的多孔绝缘件，其在围绕冲刷的区域中借助作为冷却介质与定子接触的输送介质将输送介质部分吸收，从而在突然降压的情况下、例如在工作中断时会导致吸入介质在绝缘件的孔中爆炸式地膨胀并从而造成绝缘件被毁。
这些对于压缩机单元的可用性来说具有高风险的已知缺点尤其对于水下工作而言、例如对于天然气开采而言是不能接受的。
发明内容
因此，本发明的目的在于，为尤其在海下工作的马达驱动的压缩机单元的电马达的定子提供冷却装置，其一方面可以提供杰出的工作安全性，另一方面则不需要在工作期间与外界进行物质上的交换。
为了解决该目的而提出了按照权利要求1所述的压缩机单元。从属权利要求包含了本发明的各种优选改型。
按照本发明的压缩单元的决定性优点在于，定子的独立冷却装置可以准确地配合定子的工作条件，尤其是一方面可以考虑较高的损失功率，另一方面又可以考虑该构件的敏感性。
尤其当冷却装置具有封闭的循环且冷却介质在该循环中环流时，可以考虑到定子针对污染的敏感性。在本发明的一种按照目的的改型中，定子设有冷却通道，用于冷却的输送介质流过这些冷却通道。这种设置方案可以在借助输送介质进行冷却时，避免在运转中输送介质的污染对通过通道的流动造成损害及可能造成通道堵塞的风险。由于按照本发明的独立循环，所以定子的冷却是安全的。
当冷却装置具有冷凝器时是富有意义的，冷凝器借助入流管和回流管与冷却的定子处于连接，其中冷却装置被如此设置，使得冷却介质在冷凝器、回流管、定子和入流管之间循环。该循环可以特别优选地借助自然形成的方式运转起来，从而实现在冷却介质的前述组件之间的自然循环。利用这种方式可以不用再另外设置用于冷却介质的输送设备，这降低了压缩机单元的复杂性，而且利用这种方式有利于提高实用性。为了保证特别广泛的热应用范围，也可以借助泵对冷却装置的循环进行驱动，从而持续形成强制循环。
特别优选让冷却介质如下地构成，即，在冷却装置的循环中至少有一部分冷却介质发生相变。在这种方式下的冷却效率特别高。在封闭的循环中对冷却介质的注入压力进行调节，使得在工作条件下在定子中吸热时至少有一部分冷却介质转入气相，并且在冷凝器中放热时这部分冷却介质又再度转入液相。
氨气、二氧化碳以及碳氢化合物都能很好地但当冷却介质的角色。碳氢化合物不仅可以是卤化的、也可以是非卤化的，出于环保的原因，非卤化的碳氢化合物也像氨气、二氧化碳一样相对于卤化的氢气而言是优选的。
按照本发明特别优选的是，一方面为压缩机单元的电马达的定子设置独立的冷却装置，另一方面为压缩机单元的其它元件设置冷却系统。冷却装置与冷却系统的分隔考虑了从属于此类的压缩机单元的定子导出热量的特殊需求。
另外冷却了压缩机和马达转子的冷却系统特别优选输送介质作为冷却介质，从而损失热量可以利用待压缩的输送介质导走。这特别对于海下输送天然气来说是有利的，因为天然气通常是较冷的。尤其是转子可以富有意义地被开放式循环中的输送介质围绕地冲刷。
通常情况下输送介质非常脏并且会由于围绕冲刷而对敏感构件在其功能上造成损害。所以富有意义的是将转子的轴承、即轴向轴承和径向轴承封装地设置，从而不会发生外界与这些构件之间的物质交换。因此必须要设置磁轴承。这也适用于转子和定子，它们可以以类似的方式借助封装件避免受到侵蚀性输送介质的伤害。
为了不必耗费过多地构成能够针对最大压差的定子冷却装置-最大压差一方面源自在定子周围区域中用于借助冷却系统来冷却压缩机单元其余组件的冷却的输送介质的外部压力，另一方面源自冷却装置的内部压力-而富有意义的是，为输送介质中的不同压力设置不同的冷却装置工作压力，并且根据该工作压力更换冷却装置的冷却介质。这在输送天然气的具体应用中意味着，在流入口处的输送介质的压力可以根据地层开采的不同尺度在40bar和140bar之间改变，因此，当冷却装置在开采天然气的整个期间都利用相同的冷却介质工作时，冷却装置的压差应该设为可达200bar。当根据输送介质的压力更换冷却介质时，优选只设计成减小的压差，例如以丙烷、丁烷、氟利昂的顺序。冷却介质的更换优选与其它维护工作同步进行。
附图说明
下面借助附图所示的特定实施例对本发明作详细描述。其中：
图1是按照本发明的压缩机单元的纵向截面的示意图；
图2是具有作为温差环流系统的独立冷却装置的压缩机单元马达示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了沿着按照本发明的压缩机单元1的截面，该压缩机单元1作为主要构件具有在气密构成的外壳4中的马达2和压缩机3。外壳4对马达2和压缩机3给予保护。外壳4在从马达2至压缩机3的过渡区域中设有流入口6和流出口7，其中通过流入口6借助吸入接管8将待压缩的流体吸入并通过流出口7让压缩过的流体流走。
压缩机单元1在工作中设为垂直，其中马达2的马达转子16通过压缩机3的压缩机转子9联合成共同的轴19，轴19围绕共同的垂直旋转轴线60转动。
马达转子15支承在马达转子15上端处的第一径向轴承21中。
压缩机转子9借助第二径向轴承22支承在下方的位置中。
在共同的轴19的上端处-即在马达转子15的上端处-设有轴向轴承25。径向轴承和轴向轴承电磁式地工作并各自封装地设置。其中，径向轴承在圆周方向上围绕轴19的相应支承位置延伸，并且整体式地环绕360°。
作为离心压缩机构成的压缩机3具有三个压缩机级11，它们分别借助溢流管路33处于连接。在压缩机级11上出现的压差用于压缩机转子9上实现推力，这种推力被传递到马达转子15上，并且与由压缩机转子9和马达转子15形成的总转子的重力方向相反，从而在额定工作状态下最大程度地实现了推力平衡。利用这种方式可以让轴向轴承25具有与在水平设置旋转轴线60的情况下相比较小的几何尺寸。
借助冷却系统31将电磁轴承21、22、25冷却至工作温度，其中冷却系统31设有在压缩机3溢流管路中的龙头32。借助管道使得一部分输送介质、优选使得天然气从龙头32流过过滤器35并接着流过两个独立的管道并被分别引至靠外的轴承位置(第一径向轴承21和第四径向轴承22及轴向轴承25)。这种借助冷的输送介质进行的冷却节省了附加的供应管道。
马达转子15被定子16围绕，定子16具有封装件39，以便侵蚀性的输送介质不会对定子16的线圈造成损害。封装件在这里优选被构造成其能够承受满负荷的工作压力。这样做也是因为为定子设置了独立冷却装置40，其内循环着自属的冷却介质。其中，泵42支持自然循环用于实现通过换热器43的循环。
至少将封装件39如此设置，使得在定子16和马达转子15之间延伸的段虽然具有薄的壁厚但却能够在借助冷却介质将定子冷却装置40完全充满的时候维持设计压力。利用这种方式可以避免该区域中较大的涡流损失并提高整个装置的效率。
依靠输送介质的压力可以在压力上对定子冷却装置40的充入物或冷却介质加以匹配，从而使得封装件始终在压差的平衡区域内工作。相应地可以在进行维护工作时将冷却介质更换，例如按照降压的顺序从丙烷到丁烷到氟利昂。
压缩机转子9按照目的具有压缩机轴10，压缩机轴10上安置了单独的压缩机级11。这可以优选地借助热缩配合来实现。例如借助多角件的形状配合连接也是可以的。在另一种实施例中，不同压缩机级11彼此被焊接，从而形成一个整体的压缩机转子9。
图2示出了马达转子15、定子16和冷却装置40。冷却装置40具有冷却循环50，冷却循环50通过冷却通道51、设在冷却通道51两侧的聚集室52、连接到该聚集室上的管路即入流管53、回流管54、以及设置在入流管53和回流管54之间的冷凝器55形成。冷却介质、例如碳氢化合物先流入定子16的冷却通道51，然后经过入流管53流入冷凝器55，在那里冷却介质被冷凝并接着作为液体通过回流管54流入位于冷却通道51回流侧末端处的聚集室52。该循环是封闭的并且压力或填充量这样选择，使得能够发生入流与回流之间的相变。优选让入流与回流之间的温度差为10K。冷凝器就大地测量学来讲位于最高点上(高度差ΔH)，从而可以进行自然循环。作为支持可以在回流中设置泵42。定子是被封装的，在转子15和定子16之间的空隙中借助于输送介质80进行冷却，输送介质80对转子15进行围绕冲刷。

Claims (14)

1.一种用于压缩输送介质的压缩机单元(1)，其包括压缩机(3)和电马达(2)，该电马达(2)包括定子(16)和转子(15)，其中所述电马达(2)的定子(16)与独立的冷却装置(40)连接并借助所述独立的冷却装置(40)进行冷却，其中，冷却装置(40)被如此设置，使得在工作条件下冷却介质在定子(16)的冷却装置(40)中进行自然循环，其中，冷却装置(40)具有冷凝器(55)，该冷凝器(55)借助至少一个入流管(53)和至少一个回流管(54)与被冷却的定子(16)连接，其中冷却装置(40)被如此设置，使得冷却介质在冷凝器(55)、回流管(54)、定子(16)和入流管(53)之间循环。
2.按权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却装置(40)具有封闭的循环，冷却介质在该循环中环流。
3.按权利要求1或2所述的压缩机单元(1)，其特征在于，在回流管(54)中设有输送冷却介质的泵(42)，从而实现强制循环。
4.按权利要求1或2所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却介质如下地构成，即，在封闭的循环中在工作条件时工作压力下在循环中冷却介质至少部分地发生相变，也就是说，在定子(16)中吸热时冷却介质转入气相，而在冷凝器(55)中放热时冷却介质转入液相。
5.按权利要求1或2所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却介质是碳氢化合物。
6.按权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征在于，压缩机(3)、压缩机单元(1)的轴承以及电马达(2)的转子(15)与另外的冷却系统连接并借助该冷却系统进行冷却。
7.按权利要求1或2所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却系统(31)具有冷却介质，该冷却介质是输送介质。
8.按权利要求7所述的压缩机单元(1)，其特征在于，输送介质是天然气。
9.按权利要求1或2所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却系统(31)被如此设置，使得电马达的转子(15)被冷却介质围绕地冲刷。
10.按权利要求7所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却装置(40)的壁与冷却的输送介质交界，并且针对输送介质的压力与所有工作状态中冷却介质(41)的压力之间的最大压差进行构造。
11.按权利要求7所述的压缩机单元(1)，其特征在于，冷却装置(40)的壁与冷却的输送介质交界，并且不是针对输送介质的压力与所有工作状态中冷却介质的压力之间的最大压差进行构造，而是根据输送介质的压力来提高或降低冷却介质的压力。
12.按权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征在于，所述压缩机单元(1)用于水下工作。
13.用于运行按前述权利要求之一所述压缩机单元(1)的方法，其特征在于，当流入口(6)处的输送介质的压力改变时，对冷却装置(40)的冷却介质进行更换，并且当流入口(6)处的输送介质的压力降低时，也减小冷却装置(40)的冷却介质的工作压力。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，当冷却介质的工作压力改变时，把冷却介质换成其它冷却介质。
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