RU2394172C1

RU2394172C1 - Compressor unit and use of coolant

Info

Publication number: RU2394172C1
Application number: RU2008142100/06A
Authority: RU
Inventors: Мария БАДЕ (DE); Мария БАДЕ; Аксель МЕЛЕ (DE); Аксель МЕЛЕ; Гюнтер ЦВАРГ (DE); Гюнтер ЦВАРГ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2010-07-10
Also published as: WO2007110271A1; BRPI0709178A2; RU2008142100A; NO20084447L; US20100232984A1; EP1999378A1; CN101410626A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: compressor assembly 1 intended for compression of extracted medium 80, particularly in underwater conditions, comprises compressor 3 and motor 2 consisting of stator 16 and rotor 15. Stator 16 of motor 2 communicates with separate cooling device 40 and is cooled via the latter that contains coolant 56. Cooling of machinery in underwater conditions is particularly difficult because of hard access and absence of physical exchange with ambient medium. To solve the problem, pentaerythritol and tetracarboxylic acid ether is used as coolant 56.

EFFECT: higher operating reliability.

15 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к компрессорному блоку для сжатия добываемой среды, в частности для подводной эксплуатации, содержащему компрессор и электродвигатель, состоящий из статора и ротора, причем статор электродвигателя связан с отдельным охлаждающим устройством и охлаждается посредством отдельного охлаждающего устройства, содержащего охлаждающую среду. Помимо этого объектом изобретения является применение особой охлаждающей среды для охлаждения статора электродвигателя компрессорного блока для работы под водой.The invention relates to a compressor unit for compressing a production medium, in particular for underwater operation, comprising a compressor and an electric motor consisting of a stator and a rotor, the electric motor stator being connected to a separate cooling device and cooled by a separate cooling device containing a cooling medium. In addition, the object of the invention is the use of a special cooling medium for cooling the stator of the electric motor of the compressor unit for operation under water.

Новейшие разработки в области компрессоростроения сконцентрированы на подводном расположении мощных компрессоров, которые должны служить для добычи природного газа. Вследствие особых эксплуатационных условий, в частности из-за сильно ограниченного доступа для обслуживания и соединительных линий, специалисты стоят перед большими требованиями. Требования защиты окружающей среды в этой области запрещают любой материальный обмен между устанавливаемыми агрегатами и окружающей их морской водой. К тому же морская вода является агрессивной средой, и на различных морских глубинах встречаются предельные условия давления и температуры. Другое требование состоит в том, что агрегаты, с одной стороны, должны иметь крайне длительный срок службы, а, с другой стороны, должны быть выполнены почти не требующими обслуживания. Дополнительным осложняющим обстоятельством является значительное загрязнение частично химически агрессивной добываемой среды.The latest developments in the field of compressor engineering are concentrated on the underwater arrangement of powerful compressors, which should serve for the extraction of natural gas. Due to the special operating conditions, in particular due to the very limited access for maintenance and connecting lines, specialists are faced with great demands. Environmental protection requirements in this area prohibit any material exchange between the installed units and the surrounding sea water. In addition, sea water is an aggressive environment, and extreme pressure and temperature conditions are encountered at various sea depths. Another requirement is that the units, on the one hand, must have an extremely long service life, and, on the other hand, must be made almost maintenance-free. An additional complicating circumstance is the significant pollution of the partially chemically aggressive mining environment.

Компрессорный блок описанного выше рода уже известен из международной патентной заявки WO 01/099286 A1. В описанном в ней компрессорном блоке для охлаждения предусмотрено, что от добываемой среды, большей частью природного газа, в зоне перетока радиальных ступеней компрессора отводится часть его количества, обтекающая охлаждаемые конструктивные элементы, так что потери тепла, составляющие порядка 100-200 кВт, отводятся с холодной добываемой средой.A compressor unit of the kind described above is already known from international patent application WO 01/099286 A1. In the compressor unit described for cooling, it is provided that a part of its quantity, flowing around the cooled structural elements, is removed from the produced medium, mainly natural gas, in the overflow zone of the radial stages of the compressor, so that heat losses of about 100-200 kW are removed from cold mined medium.

Эта концепция охлаждения компрессорного блока предпочтительна, в частности, потому, что для отвода потерь тепла используется транспортируемая добываемая среда и между компрессорным блоком и другими компонентами окружающего пространства необязательно должен происходить дополнительный материальный обмен. Однако особые трудности возникают в этой концепции из-за агрессивности добываемых сред.This cooling concept of the compressor unit is preferable, in particular, because a transported production medium is used to remove heat losses, and additional material exchange does not have to occur between the compressor unit and other components of the surrounding space. However, particular difficulties arise in this concept due to the aggressiveness of the production media.

Нередко добываемая среда сильно загрязнена и вследствие обтекания восприимчивых деталей может нарушить их функционирование. Поэтому, например, подшипники - упорные и радиальные - заключаются в кожух, так что между окружающим пространством и этими деталями не происходит материального обмена. Вследствие этого приходится использовать магнитные подшипники. То же относится к ротору и статору, которые защищены от агрессивных добываемых сред аналогичным образом посредством кожуха. В то время как охлаждения ротора обтеканием достаточно, для охлаждения статора требуются дополнительные меры, чтобы отводить потери тепла. В одном решении из уровня техники предусмотрено, что статор снабжен охлаждающими каналами, а добываемая среда протекает для охлаждения по ним. Это выполнение скрывает в себе ту опасность, что загрязнения добываемой среды в процессе эксплуатации могут нарушить течение по каналам и засорить их. Другая опасность таится в пористой, как правило, изоляции статора, которая в зоне обтекания частично поглощает добываемую среду, вступающую в контакт со статором в качестве охлаждающей среды, так что при резком падении давления, например при остановке работы, происходит взрывоподобное расширение поглощенной среды в порах изоляции, которая вследствие этого разрушается.Often, the extracted medium is highly contaminated and, as a result of the flow around sensitive parts, can interfere with their functioning. Therefore, for example, bearings - thrust and radial - are enclosed in a casing, so that between the surrounding space and these parts there is no material exchange. As a result, it is necessary to use magnetic bearings. The same applies to the rotor and stator, which are protected against aggressive production media in a similar way through the casing. While cooling the rotor by flow around is sufficient, additional measures are needed to cool the stator to avert heat loss. One prior art solution provides that the stator is provided with cooling channels, and the production medium flows for cooling through them. This implementation conceals the danger that pollution of the produced environment during operation can disrupt the flow through the channels and clog them. Another danger lies in the porous, as a rule, stator insulation, which partially absorbs the produced medium in the flow zone, which comes into contact with the stator as a cooling medium, so that when the pressure drops sharply, for example, when the work is stopped, an explosive expansion of the absorbed medium in the pores occurs isolation, which is therefore destroyed.

Описанные недостатки с их высокими рисками в отношении готовности компрессорного блока к работе абсолютно неприемлемы, в частности, для подводной эксплуатации, например при добыче природного газа.The described shortcomings with their high risks regarding the readiness of the compressor unit for operation are absolutely unacceptable, in particular, for underwater operation, for example, in the extraction of natural gas.

В основе изобретения лежит задача создания охлаждающего устройства для статора электродвигателя компрессорного блока, в частности для подводной эксплуатации, которое, с одной стороны, обеспечивало бы высокую эксплуатационную надежность, а, с другой стороны, не требовало бы во время эксплуатации материального обмена с окружающим пространством.The basis of the invention is the creation of a cooling device for the stator of the compressor motor, in particular for underwater operation, which, on the one hand, would ensure high operational reliability, and, on the other hand, would not require material exchange with the surrounding space during operation.

Эта задача решается за счет применения сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты в качестве охлаждающей среды в охлаждающем устройстве для статора электродвигателя компрессорного блока.This problem is solved through the use of pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester as a cooling medium in a cooling device for a stator of an electric motor of a compressor unit.

Ниже приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.The following are preferred embodiments of the invention.

Особенно предпочтительным вариантом эксплуатации охлаждающего устройства является применение сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты в качестве охлаждающей среды для охлаждения статора электродвигателя при работе под водой.A particularly preferred embodiment of the operation of the cooling device is the use of pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester as a cooling medium for cooling the stator of an electric motor when operating under water.

Помимо этого важными преимуществами применения указанного сложного эфира являются высокая точка его воспламенения и связанная с этим уменьшенная опасность пожара. Важными преимуществами являются также низкие коррозионные свойства и хорошая совместимость с применяемыми в этой области изоляционными материалами, например слюдяными лентами и эпоксидной смолой или пропиточными смолами.In addition, important advantages of using this ester are its high flash point and the associated reduced risk of fire. Other important advantages are low corrosion properties and good compatibility with insulation materials used in this field, such as mica tapes and epoxy resins or impregnating resins.

В качестве примера сложного эфира пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты следует привести сложноэфирные жидкости «Midel» или «Shell Fluid 4600». Эти жидкости не только прекрасные изоляторы и совместимы с окружающими материалами, но и отвечают также высоким требованиям противопожарной охраны, а также высоким требованиям к экологической совместимости, поскольку они, в частности, не классифицируются как водоопасные.As an example of pentaerythritol ester and tetracarboxylic acid ester, Midel or Shell Fluid 4600 ester fluids should be mentioned. These liquids are not only excellent insulators and are compatible with surrounding materials, but also meet the high fire protection requirements as well as the high environmental compatibility requirements, since they, in particular, are not classified as water hazardous.

Целесообразно остаток карбоновой кислоты является линейным и однократно метил-разветвленным. Предпочтительно, если он имеет среднее число атомов углерода ≥1.Suitably, the carboxylic acid residue is linear and once methyl-branched. Preferably, if it has an average number of carbon atoms ≥1.

Кроме того, учитывается восприимчивость статора к загрязнению, если охлаждающее устройство содержит замкнутый контур, в котором циркулирует охлаждающая среда (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты). При этом целесообразно, если охлаждающее устройство содержит теплообменник, который посредством подающей и сливной линий связан с охлаждаемым статором, причем охлаждающее устройство выполнено таким образом, что охлаждающая среда (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты) циркулирует между теплообменником, сливной линией, статором и подающей линией.In addition, the stator susceptibility to contamination is taken into account if the cooling device contains a closed circuit in which the cooling medium (pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester) circulates. It is advisable if the cooling device contains a heat exchanger, which is connected through the supply and drain lines to the stator to be cooled, and the cooling device is designed in such a way that the cooling medium (pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester) circulates between the heat exchanger, drain line, stator and supply line .

Циркуляция может приводиться в действие посредством естественной конвекции, так что возникает естественная циркуляция между вышеназванными конструктивными элементами охлаждающей среды. Однако предпочтительной является эксплуатация контура охлаждающей среды с принудительной циркуляцией посредством насоса. При этом не должно происходить смены фаз. Это обеспечивает особенно широкий диапазон теплового применения.The circulation can be driven by natural convection, so that there is a natural circulation between the above structural elements of the cooling medium. However, it is preferable to operate a forced-circulation cooling medium circuit by means of a pump. In this case, no phase change should occur. This provides a particularly wide range of thermal applications.

Также целесообразно, если охлаждающее устройство рассчитано на максимальное рабочее давление.It is also advisable if the cooling device is designed for maximum working pressure.

Особенно целесообразными в смысле изобретения являются, с одной стороны, отдельное охлаждающее устройство для статора электродвигателя компрессорного блока, а, с другой стороны, другая охлаждающая система для других элементов компрессорного блока. Отделение охлаждающего устройства от охлаждающей системы отвечает особым требованиям к теплоотводу от статора родового компрессорного блока.Particularly advantageous in the sense of the invention are, on the one hand, a separate cooling device for the stator of the compressor motor, and, on the other hand, another cooling system for other elements of the compressor block. The separation of the cooling device from the cooling system meets the special requirements for heat removal from the stator of the generic compressor unit.

В охлаждающей системе, которая охлаждает, в том числе, компрессор и ротор электродвигателя, в качестве охлаждающей среды особенно предпочтительно предусмотрена добываемая среда, так что потери тепла отводятся со сжимаемой добываемой средой. Это особенно целесообразно при подводной добыче природного газа, поскольку он, как правило, относительно холодный.In a cooling system that cools, including the compressor and the rotor of the electric motor, a production medium is particularly preferably provided as a cooling medium, so that heat loss is removed with the compressible production medium. This is especially useful for underwater natural gas production, as it is usually relatively cold.

В частности, ротор может целесообразно обтекаться добываемой средой в открытом контуре.In particular, the rotor may expediently flow around the produced medium in an open circuit.

Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью специального примера его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:Below the invention is explained in more detail using a special example of its implementation with reference to the drawings, which depict:

- фиг.1: схематичный продольный разрез предложенного в изобретении компрессорного блока.- figure 1: a schematic longitudinal section proposed in the invention of the compressor unit.

На фиг.1 схематично изображен разрез вдоль компрессорного блока 1, который в качестве основных деталей содержит электродвигатель 2 и компрессор 3 в газонепроницаемом корпусе 4. Корпус 4 заключает в себе электродвигатель 2 и компрессор 3. В зоне перехода от электродвигателя 2 к компрессору 3 корпус 4 снабжен впускным 6 и выпускным 7 отверстиями, причем через впускное отверстие 6 посредством всасывающего патрубка 8 сжимаемая текучая среда всасывается, а через выпускное отверстие 7 вытекает.Figure 1 schematically shows a section along the compressor unit 1, which as the main parts contains an electric motor 2 and a compressor 3 in a gas-tight housing 4. The housing 4 comprises an electric motor 2 and a compressor 3. In the transition zone from the electric motor 2 to the compressor 3, the housing 4 equipped with inlet 6 and outlet 7 openings, and through the inlet 6 by means of the suction pipe 8, the compressible fluid is sucked in, and flows out through the outlet 7.

При работе компрессорный блок 1 расположен вертикально, причем ротор 15 электродвигателя 2 и расположенный под ним ротор 9 компрессора 3 объединены в общий вал 19, вращающийся вокруг общей вертикальной оси 60 вращения.During operation, the compressor unit 1 is located vertically, with the rotor 15 of the electric motor 2 and the rotor 9 of the compressor 3 located below it are combined in a common shaft 19, rotating around a common vertical axis of rotation 60.

Ротор 15 установлен в первом радиальном подшипнике 21 на своем верхнем конце.The rotor 15 is mounted in a first radial bearing 21 at its upper end.

Ротор 9 посредством второго радиального подшипника 22 установлен в нижнем положении.The rotor 9 by means of a second radial bearing 22 is installed in the lower position.

На верхнем конце общего вала 19, т.е. на верхнем конце ротора 15, предусмотрен осевой подшипник 25. Радиальные и упорный подшипники работают от электромагнитов и соответственно заключены в кожухи. Радиальные подшипники расположены при этом в направлении периферии вокруг соответствующего места опоры вала 19, выполнены с возможностью вращения на 360° и неразъемными.At the upper end of the common shaft 19, i.e. on the upper end of the rotor 15, an axial bearing 25 is provided. The radial and thrust bearings operate from electromagnets and are respectively enclosed in housings. In this case, the radial bearings are located in the direction of the periphery around the corresponding place of the shaft support 19, are made to rotate 360 ° and are integral.

Выполненный центробежным компрессор 3 содержит три ступени 11, соответственно сообщенные посредством перетока 33. Возникающие на ступенях 11 разности давления создают тягу на роторе 9, которая передается на ротор 15 и направлена навстречу массе образованного роторами 9, 15 общего ротора, так что в номинальном режиме происходит значительная компенсация тяги.The centrifugal compressor 3 comprises three stages 11, respectively communicated through the overflow 33. The pressure differences arising on the stages 11 create a thrust on the rotor 9, which is transmitted to the rotor 15 and is directed towards the mass of the common rotor formed by the rotors 9, 15, so that in the nominal mode significant traction compensation.

Электромагнитные подшипники 21, 22, 25 охлаждаются охлаждающей системой 31 до рабочей температуры, причем охлаждающая система 31 предусматривает ответвление 32 в одном перетоке компрессора 3. Из ответвления 32 по трубопроводам через фильтр 35 направляется часть добываемой среды, преимущественно природного газа, а затем по двум отдельным трубопроводам - к внешним местам опоры (первый 21 и четвертый 24 радиальный подшипники и упорный подшипник 25). Это охлаждение посредством холодной добываемой среды 80 делает ненужными дополнительные питающие линии.The electromagnetic bearings 21, 22, 25 are cooled by the cooling system 31 to operating temperature, and the cooling system 31 provides a branch 32 in one compressor overflow 3. From the branch 32 through the pipelines, a portion of the produced medium, mainly natural gas, is sent through the filter 35, and then two separate pipelines - to external places of support (first 21 and fourth 24 radial bearings and thrust bearing 25). This cooling by means of the cold production medium 80 makes additional supply lines unnecessary.

Ротор 15 окружен статором 16, содержащим кожух 39, так что агрессивная добываемая среда 80 не повреждает обмотки статора 16. При этом кожух рассчитан предпочтительно так, что он способен выдерживать полное рабочее давление. Это происходит потому, что предусмотрено отдельное охлаждающее устройство 40 для статора 16, содержащее собственную циркулирующую охлаждающую среду 56 (сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты). Насос 42 обеспечивает при этом контур через теплообменник 43.The rotor 15 is surrounded by a stator 16 containing a casing 39, so that the aggressive production medium 80 does not damage the stator winding 16. The casing is preferably designed so that it can withstand the full working pressure. This is because a separate cooling device 40 is provided for the stator 16 containing its own circulating cooling medium 56 (pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester). The pump 42 provides a circuit through the heat exchanger 43.

По меньшей мере, кожух 39 выполнен таким образом, что участок, расположенный между статором 16 и ротором 15, хотя и имеет небольшую толщину стенки, однако при полном заполнении охлаждающего устройства 40 охлаждающей средой 56 способен выдерживать расчетное давление. Таким образом, в этой зоне предотвращаются потери от вихревых токов и повышается кпд всего устройства.At least the casing 39 is designed so that the area located between the stator 16 and the rotor 15, although it has a small wall thickness, however, when the cooling device 40 is completely filled with cooling medium 56, it is able to withstand the design pressure. Thus, in this zone losses from eddy currents are prevented and the efficiency of the entire device is increased.

Ротор 9 целесообразно содержит вал 10, на котором смонтированы ступени 11 компрессора. Это может осуществляться предпочтительно горячей прессовой посадкой. Точно так же возможно геометрическое замыкание, например посредством многоугольников. В другом варианте предусмотрена сварка различных ступеней 11 компрессора друг с другом, в результате чего возникает монолитный ротор 9.The rotor 9 expediently comprises a shaft 10 on which the compressor stages 11 are mounted. This can preferably be done by hot pressing. Geometric closure is also possible, for example by means of polygons. In another embodiment, welding of the various stages of the compressor 11 with each other is provided, resulting in a monolithic rotor 9.

На фиг.2 изображены ротор 15, статор 16 и охлаждающее устройство 40. Оно содержит охлаждающий контур 50, который образован охлаждающими каналами 51, расположенными с обеих сторон от охлаждающих каналов 51 коллекторами 52, присоединенными к ним линиями, а именно подающей 53 и сливной 54, а также расположенным между обеими линиями 53, 54 теплообменником 55. Охлаждающая среда 56, а именно сложный эфир пентаэритрита и тетракарбоновой кислоты под торговым названием «Midel», течет, начиная с охлаждающих каналов 51 статора 16, по подающей линии 53 в теплообменник 55, где она охлаждается, и поступает по сливной линии 54 в коллектор 52, находящийся на конце охлаждающих каналов 51 со стороны слива. Контур замкнут. Преимущественно разность температур между подающей 53 и сливной 54 линиями составляет 10 К. Теплообменник 55 находится геодезически в наивысшей точке (разность высот ΔН), так что поддерживается естественная конвекция. Насос 42 расположен в сливе. Статор заключен в кожух, и в щели между ротором 15 и статором 16 охлаждение происходит посредством добываемой среды 80, которая обтекает ротор 15.Figure 2 shows the rotor 15, the stator 16 and the cooling device 40. It contains a cooling circuit 50, which is formed by cooling channels 51 located on both sides of the cooling channels 51 by collectors 52 connected to them by lines, namely, the supply 53 and the drain 54 and also located between the two lines 53, 54 of the heat exchanger 55. The cooling medium 56, namely the ester of pentaerythritol and tetracarboxylic acid under the trade name "Midel", flows, starting from the cooling channels 51 of the stator 16, through the supply line 53 to the heat exchanger 55, g e it is cooled and flows through line 54 into the drain manifold 52, located at the end of the cooling channel 51 by the drain. The circuit is closed. Advantageously, the temperature difference between the supply 53 and the drain 54 lines is 10 K. The heat exchanger 55 is located geodesically at the highest point (height difference ΔH), so that natural convection is maintained. Pump 42 is located in the drain. The stator is enclosed in a casing, and in the gap between the rotor 15 and the stator 16, cooling occurs through the produced medium 80, which flows around the rotor 15.

Claims

1. A compressor unit (1) for compressing the produced medium (80), in particular for underwater operation, comprising a compressor (3) and an electric motor (2), consisting of a stator (16) and a rotor (15), the stator (16) of an electric motor (2) is connected to a separate cooling device (40) and is configured to be cooled by a separate cooling device (40) containing a cooling medium (56), characterized in that the cooling medium (56) is an ester of pentaerythritol and tetracarboxylic acid.

2. The block according to claim 1, characterized in that the carboxylic acid residue is linear and once methyl-branched.

3. The block according to claim 2, characterized in that the carboxylic acid residue has an average number of carbon atoms of ≥7.

4. Block according to one of the preceding paragraphs, characterized in that the cooling device (40) comprises a closed circuit (cooling circuit 50) with a circulating cooling medium (56).

5. Block according to claim 1, characterized in that the cooling device (40) comprises a heat exchanger (55), which is connected via a supply line (53) and a drain line (54) to the cooled stator (16), the cooling device (40) made with the possibility of circulation of the cooling medium (56) between the heat exchanger (55), the drain line (54), the stator (16) and the feed line (53).

6. Block according to claim 1, characterized in that a pump (42) is provided in the drain line (54), configured to supply a cooling medium (56), as a result of which forced circulation occurs.

7. The block according to claim 1, characterized in that the cooling device is designed for maximum working pressure.

8. Block according to claim 1, characterized in that the compressor (2), bearings (radial bearings 21, 24 and thrust bearing 25) and the rotor (15) of the electric motor (2) are connected with an additional cooling system with the possibility of cooling by it.

9. Block according to claim 2, characterized in that the cooling system (31) contains a cooling medium, which is the produced medium.

10. The block according to claim 1, characterized in that the produced medium is natural gas.

11. Block according to claim 1, characterized in that the cooling system (31) is configured to flow around the rotor (15) with a cooling medium.

12. The use of pentaerythritol and tetracarboxylic acid ester as a cooling medium (56) of a cooling device (40) for a stator (16) of an electric motor (2) of a compressor unit (1) for operation under water.

13. The use according to claim 12, characterized in that the carboxylic acid residue is linear and once methyl-branched.

14. The application of item 13, wherein the carboxylic acid residue has an average number of carbon atoms of ≥7.

15. The application of paragraphs.12, 13 or 14, characterized in that the cooling device is made with the possibility of operation with forced circulation.