[发明专利]压缩机单元

说明书

技术领域

本发明涉及压缩工艺流体的压缩机单元，其包括具有入口、至少一个压缩级和出口的压缩机、具有定子和转子的马达、冷却马达的冷却系统，其中所述冷却系统包含冷却流体。

背景技术

上述类型的压缩机单元以各种尺寸范围用于各种应用中。特别感兴趣的应用是与封装马达和压缩机的不透气或密封闭合的壳体相结合使用的电动压缩机，这样避免了使用转子密封的必要性。因为转子密封总是复杂且昂贵的，具体原因在于通常连接的辅助系统，该辅助系统通常需要来提供密封流体，所以人们对于无密封的应用是极感兴趣的。努力获得无密封机器的进一步原因在于压缩机单元的新的应用领域。大体而言，新应用关注于避免在被压缩的工艺流体和周围环境之间的介质交换。一种可能用途是有毒流体的压缩，为此提供密封流体来进行轴密封的辅助系统是极其复杂的。另一种更吸引人的应用是在海平面以下利用周围海水进行的气体压缩，具体是天然气的压缩。由于化石燃料的短缺以及更有效地开采海洋中的天然气能源这种新的可能性，所以这些压缩机单元的经济利益日益增长。

不过，在海平面以下在井口处直接压缩天然气的这种新的研究伴随着与困难的操作条件和难以通达压缩机单元相关的大量技术问题。主要的挑战在于处于冰点附近的低温、周围化学侵蚀性海水的高压、要被压缩的不纯净且化学侵蚀性的流体，其中天然气的抽吸压力变化并且承载大量的外来颗粒及非气态流体，即液体。

此外，在井的使用期限内，开采的天然气的压力显著减小，并且由于环境保护问题，不允许在压缩机单元和周围环境之间存在介质交换。

发明内容

当在马达的定子和转子之间设置分隔壁时，压缩机和马达可以被设置在一个壳体中且没有轴密封，其中该分隔壁将定子的内部分离于工艺流体。这样的分隔壁优选地是圆筒形的且必须满足难以被结合在一起的多种要求。电动马达的定子需要冷却系统来耗散掉定子中产生的热。特别地，由于变化的工艺流体压力，分隔件必须应付在位于转子和定子之间的间隙内的工艺流体和在定子内部的冷却流体之间的大差动压力。此外，必须避免在分隔件中存在漩涡，并且因而分隔件材料不应该是导电的。而且，分隔件不能被构建得较厚以便维持马达的效率，并且必须长期承受化学侵蚀性工艺流体而不被更换。满足所有这些要求的材料几乎不存在或非常昂贵，因此本发明的一个目标是减少分隔件上的机械载荷。

通过上述类型的压缩机单元来实现该目标，其中冷却系统以压力传输的方式被连接到压力补偿器的第一终端。其中压力补偿器的第二终端被连接到工艺流体从入口管线流动通过压缩级并通过出口管线的流动路径内的位置，其中压力补偿器在冷却系统内的流体压力和流动通路内的工艺流体压力之间建立特定关系。

冷却系统可以在开放环路中工作，其中冷却流体被持续交换，不过优选地是冷却流体在闭合环路中至少在主环路内循环，其直接从马达的定子去除热。冷却流体可以是气体或液体或者可以在相变情况下工作。压力补偿器优选地被用于几乎均衡工艺流体和冷却流体之间的压力，不过也可以被构建成在这些流体之间建立特定压力差或者在压力之间产生特殊比例或者结合这些效果。

本发明实现的一个主要优点在于减少了分隔件上的机械载荷，这可以被构建成更关注于运行效率。补偿器有利地减小了分隔件上的压力差并且最终将其结合于所有可能工况下所维持的压力差的特殊方向。

本发明的一种实施例提供了压力补偿器，其包括腔室，该腔室部分地填充有工艺流体且部分地填充有冷却流体，并且其中活动的分离元件被设置在所述流体之间，这允许在所述流体的压力之间建立机械平衡状态且阻止流体混合。这样的补偿器设计是实践本发明的简单方式。分离元件可以是在补偿器的相应圆筒形腔室中运动的例如圆筒形的活塞。如果活塞能够沿竖直方向运动，则重力可以被用于在两种分离的流体之间建立限定的压力差。此外，可以通过将活塞的不同表面区域暴露于相应流体来建立压力差。使用补偿器来提供压力差的另一种方式是提供弹性元件，例如弹簧，从而沿一个方向来弹性加载活塞。这些设计可以被单独地实施或者可以以任意方式彼此结合。

分离两种流体且防止混合的另一种可能方式是提供隔膜作为分离元件。

优选地，在两种流体之间建立压力差，使得在分隔件区域内冷却流体比工艺流体处于更高的压力水平。假定几乎无泄漏，则这种方式下冷却流体不会被工艺流体污染且因而不会危害到对于定子的冷却。此外，可以选择具有更大粘性的冷却流体，以便其不能进入分隔件的小孔或孔穴中。