ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СЕПАРАТОР И ЦЕНТРОБЕЖНАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА СО ВСТРОЕННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ СЕПАРАТОРОМ Российский патент 2020 года по МПК F04D17/10 

Изобретение в общем относится к центробежным компрессорам со встроенным двигателем, и неограничивающее воплощение изобретения относится к компрессорным установкам со встроенным двигателем, работающим при относительно низкой мощности. В качестве неограничивающего примера диапазона их мощности можно привести диапазон от 400 кВт до 700 кВт, при этом на выходе установки получают газ, сжатый до давления, составляющего, например, от 25 до 30 бар (от 2,5 до 3 МПа), и потоки, составляющие, например, до 10000 м³/час.

Для такого типа функционирования на линиях сжатия газа устанавливают компрессоры, работающие при относительно низких расходах (потоках), которые способны обеспечивать относительно высокие коэффициенты сжатия (отношение давлений).

Из предшествующего уровня техники известно, что в компрессорах со встроенным двигателем с относительно малой мощностью применяются высокоскоростные электродвигатели, то есть двигатели, имеющие частоту вращения, которая превышает частоту электропитания, при низком напряжении, составляющем менее 1 кВ, соединенные с односекционным компрессором, состоящим из одного или двух несимметрично расположенных дисков. Двигатель и компрессор соединены в едином корпусе, работающем под давлением. Обычно вал (tree line) установлен на двух радиальных магнитных подшипниках и осевой опоре. В этом отношении известны конструкции, в которых применяется компрессор со встроенным двигателем, снабженный центробежным колесом, функционирующим как газожидкостной сепаратор.

Кроме того, можно упомянуть документ WO 2013/140184, в котором рассмотрен компрессор со встроенным двигателем, интегрированный в трубопровод для транспортировки газа, подвергаемого сжатию.

В частности, изобретение относится к компрессорной установке со встроенным двигателем, предназначенной для размещения на океанской платформе или плавучей системе для добычи, хранения и отгрузки, которую обычно обозначают термином ПСДХО ("плавучая система для добычи, хранения и отгрузки"). Насколько известно заявителям, если компрессорная установка со встроенным двигателем предназначена для размещения на платформе или на плавучей системе, ее объем и, в частности, ее площадь, занимаемая на площадке, представляет собой критерий, который должен быть учтен изготовителями компрессорных машин.

Эта проблема возникает постоянно, поскольку выше по потоку относительно компрессорной установки со встроенным двигателем установлен газожидкостной сепаратор, который предназначен для поддержания газа, направляемого в компрессор со встроенным двигателем, в максимально сухом состоянии путем предотвращения попадания в компрессор жидких фаз, что с большой вероятностью будет приводить к повреждению компрессора, в особенности дисков компрессора, особенно в результате эрозии.

Таким образом, задача изобретения состоит в преодолении указанных недостатков и, в частности, предоставлении компрессорной установки со встроенным двигателем, занимающей уменьшенную площадь на рабочей площадке (участке), с упрощенным проведением текущего обслуживания и ремонта и, кроме того, позволяющей уменьшить потерю давления между сепаратором и компрессором со встроенным двигателем.

Согласно первому аспекту, задачей изобретения является газожидкостной сепаратор для центробежного компрессора со встроенным двигателем, включающий резервуар, внутри которого размещена по меньшей мере одна ступень газового сепаратора, подходящая для разделения газовой фазы и жидкой фазы, поступивших в резервуар.

Ступень компрессора, которая предназначена для приема по меньшей мере одной части отделенной газовой фазы, таким образом, интегрирована с сепаратором, что позволяет оптимизировать объем всей установки и, следует отметить, значительно уменьшить площадь, занимаемую установкой на рабочем участке.

Согласно другой характеристике газожидкостного сепаратора, камера закрыта запорной крышкой (плитой), присоединяемой к компрессору со встроенным двигателем и фиксируемой на резервуаре.

Предпочтительно камера представляет собой камеру, непроницаемую по отношению к внешней среде, окружающей резервуар, и между запорной крышкой и резервуаром размещен воздухонепроницаемый герметизирующий элемент.

Предпочтительно внутри резервуара, на участке входа в ступень компрессора размещены средства для направления газовой фазы в камере.

В одном из воплощений сепаратор включает средства охлаждения рециркулируемого газа и/или сжатого газа выше по потоку относительно компрессора со встроенным двигателем или другого газа, обрабатываемого в компрессоре со встроенным двигателем, причем указанные средства охлаждения размещены вокруг резервуара. Система охлаждения может быть установлена со стороны всасывания или со стороны сжатия среды компрессорной установки со встроенным двигателем.

В одном из воплощений сепаратор размещен вертикально. Он может включать единственную ступень компрессора.

Однако, в различных воплощениях сепаратор может включать по меньшей мере один сепаратор, выбранный из циклонного, S-образного или инерциального сепаратора.

Изобретение также относится к центробежной компрессорной установке со встроенным двигателем, включающей компрессор со встроенным двигателем, имеющим моторный привод, обеспечивающий вращение компрессора, и включающей сепаратор, рассмотренный выше, где указанный компрессор интегрирован с сепаратором.

Предпочтительно набор активных магнитных подшипников поддерживает вал компрессора со встроенным двигателем в осевом и радиальном направлении.

В одном из воплощений компрессор представляет собой компрессор с осевым обратным потоком и включает изогнутый выпуск, подходящий для возможного извлечения компрессора.

Предпочтительно привод и компрессор затем монтируют в общем резервуаре, непроницаемом по отношению к газу, обрабатываемому компрессором со встроенным двигателем, и герметично фиксируют в резервуаре сепаратора.

Компрессор может представлять собой компрессор с радиальным обратным потоком и включать радиальный выпуск, причем вся эта система включает моторный привод и диск с компрессорными лопатками компрессора, составляющие узел, который может быть разобран.

В одном из воплощений компрессорная установка со встроенным двигателем включает установленные в общем резервуаре узел компрессора со встроенным двигателем, сепаратор, системы охлаждения с двойной перегородкой, запорный насосный клапан и средства управления компрессорной установкой со встроенным двигателем.

Другие задачи, характеристики и преимущества изобретения станут ясны после прочтения приведенного ниже описания, которое представляет собой неограничивающий пример, и из сопроводительных фигур, в которых:

На Фиг. 1 представлено перспективное изображение компрессора со встроенным двигателем согласно изобретению;

На Фиг. 2 схематично представлен пример воплощения компрессора со встроенным двигателем с радиальным обратным потоком, интегрированного с сепаратором согласно одному из примеров воплощения изобретения;

На Фиг. 3 схематично представлен пример воплощения компрессора со встроенным двигателем с осевым обратным потоком, интегрированного с сепаратором согласно одному из примеров воплощения изобретения;

На Фиг. 4 представлен детализированный вид компрессора со встроенным двигателем, показанного на Фиг. 2;

На Фиг. 5 представлено другое воплощение компрессора со встроенным двигателем, показанного на Фиг. 2;

На Фиг. 6 представлены подшипники вала компрессоров со встроенным двигателем, показанных на Фиг. 1-3;

На Фиг. 7 и 7А представлены технологические схемы процедуры обработки газа с помощью компрессорной установки со встроенным двигателем; и

На Фиг. 8 представлен один из примеров воплощения процедуры, представленной на Фиг. 7 и 7А, осуществляемой с помощью компрессорной установки со встроенным двигателем согласно изобретению.

На Фиг. 1-3 представлена компрессорная установка со встроенным двигателем согласно изобретению, включающая центробежный узел 1 компрессора со встроенным двигателем, показанный на Фиг. 1, и газожидкостный сепаратор 2 или очистное устройство, показанное на Фиг. 2 и Фиг. 3.

Согласно настоящему изобретению, компрессорная установка со встроенным двигателем предназначена для размещения на океанской платформе или на платформе ПСДХО.

Как более подробно указано ниже, для снижения площади, занимаемой на рабочей площадке компрессорной установкой со встроенным двигателем, компрессор со встроенным двигателем интегрирован с сепаратором. В частности, компрессионная ступень компрессора со встроенным двигателем интегрирована с сепаратором.

Компрессор 1 со встроенным двигателем включает, прежде всего, двигатель 3, представляющий собой высокоскоростной электродвигатель, то есть с частотой вращения, превышающей частоту электропитания, который приводит во вращение вал, на котором жестко закреплены, например, с помощью хиртового соединения, один или более одного дисков с лопатками.

В представленном воплощении компрессор 1 со встроенным двигателем включает единственную ступень сжатия 4, включающую единственный диск с лопатками, установленный на валу.

Можно отметить, что ступень сжатия 4 включает резервуар 5, в котором размещен компрессорный диск с лопатками и который включает осевой или радиальный впуск 6 для подачи газа в компрессор со встроенным двигателем и выпуск 7, через который сжатый газ извлекают из компрессора со встроенным двигателем.

В представленных примерах впуск 6 представляет собой осевой впуск.

В воплощении, представленном на Фиг. 2, выпуск компрессора со встроенным двигателем расположен радиально, хотя в воплощении, представленном на Фиг. 3, выпуск имеет осевую ориентацию, то есть расположен параллельно главной оси компрессора со встроенным двигателем.

При предполагаемом применении газ, направляемый в компрессорную установку со встроенным двигателем, представляет собой влажный газ, то есть газ, содержащий жидкую фазу, состоящую из частиц жидкости, суспендированных в газе.

Для предотвращения поступления влаги из окружающей среды в ступень компрессора газ сначала отделяют в сепараторе 2 и лишь затем направляют в осевой впуск 6 ступени 4 компрессора.

Таким образом, газожидкостной сепаратор 2 включает резервуар 8, который в рассматриваемом воплощении имеет в целом цилиндрическую форму, включающий впуск 9, через который влажный газ проходит через ступени разделения, после чего газ засасывается в компрессор со встроенным двигателем.

Рассматривая направление перемещения газовых потоков (стрелки F), можно отметить, что газожидкостной сепаратор включает, например, первую ступень 10 сепаратора, в которой происходит отделение частиц жидкости за счет разности количества движения (величины импульса) и затем за счет действия силы тяжести, после чего газ поступает, например, во вторую ступень 11 сепаратора, включающую набор препятствий, устанавливаемых на пути газового потока и расположенных ниже по потоку относительно первой ступени.

В альтернативном варианте вторая ступень 11 может представлять собой циклон. Предпочтительно вторая ступень 11 может включать несколько ступеней разделения.

В альтернативном варианте газожидкостной сепаратор первой ступени может быть инерциальным.

Ступени сепаратора, установленные в резервуаре 8, состоят из элементов, известных специалисту в данной области техники. Таким образом, они не будут подробно рассмотрены ниже.

Однако, следует отметить, что они пригодны для разделения жидкой и газовой фаз, которые поступили в сепаратор 2, так чтобы выпускать сухой газ к ступени 4 компрессора ниже по потоку относительно второй ступени 11.

Слив D позволяет извлекать жидкость, накапливающуюся внизу сепаратора.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 также показано, что для интеграции компрессора со встроенным двигателем в сепаратор резервуар 8 сепаратора включает головную секцию 12, имеющую, в общем, цилиндрическую форму с увеличенным диаметром, в которой диспергируется газовая фаза, отделяемая ступенями 10 и 11 сепаратора, и которая ограничивает камеру 13, в которой расположена ступень 4 компрессора. Эта головная секция 12 расположена на конце, противоположном впуску 9 в сепаратор.

Компрессор со встроенным двигателем снабжен запорной крышкой 14, которая зафиксирована на головной секции 12 винтами или шпильками V (показанными на Фиг. 3) таким образом, что ступень 4 компрессора расположена в камере 13 на пути перемещения потока сухого газа.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 также показаны диффузор 16, предназначенный для направления газообразных потоков в ступень компрессора, выполненный, например, в виде усеченного конуса, сужающегося в направлении впуска 6 в компрессор 1 со встроенным двигателем, а также перфорированная пластина 14', производящая коррекцию потока, направляемого из сепаратора в S-образный изгиб.

Компрессор со встроенным двигателем может быть интегрирован с сепаратором в соответствии с двумя геометрическими конфигурациями, то есть в соответствии с радиальным или осевым направлением обратного потока. Согласно двум конфигурациям обратного потока, устройство, состоящее из сепаратора и компрессора со встроенным двигателем, может быть расположено вертикально или горизонтально.

Как показано на Фиг. 2, а также на Фиг. 4, на котором представлена рабочая часть компрессора со встроенным двигателем, интегрированного с сепаратором, в конфигурации с радиальным обратным потоком, компрессор со встроенным двигателем предпочтительно имеет модульную конфигурацию и включает спиральный патрубок 17, выпускное отверстие которого открывается в выпуск 7 и который смонтирован на фланце Е, установленном внутри средней части головной секции 12 и зафиксированном на ней с применением промежуточных воздухонепроницаемых герметизирующих элементов 15.

Двигатель 3, имеющий вал 18, на котором зафиксирован диск с лопатками 20, представляет собой узел, который может быть разобран и который установлен по центру на головной секции 12 сепаратора и на спиральном патрубке 17.

Согласно изобретению, конец вала 18 имеет оживальную (стрельчатую) форму 21, способствующую направлению газообразных потоков.

Согласно другому воплощению, показанному на Фиг. 5, спиральный патрубок 17 занимает значительную часть высоты головной секции 12 и имеет более упрощенную в исполнении асимметричную форму.

Как и в воплощении, раскрытом при описании Фиг. 4, двигатель, вал и центробежный диск составляют узел, который может быть разобран и который устанавливают по центру на головной секции сепаратора и на спиральном патрубке.

Спиральный патрубок также может быть разобран.

Как показано на Фиг. 2, в конфигурации с радиальным обратным потоком головная секция 12 снабжена основаниями Р, позволяющими размещать моторный узел двигателя на несущей платформе S.

Как показано на Фиг. 3 и согласно тому, что имеется во всех конфигурациях, резервуар компрессора и двигатель заключены в общий резервуар, работающий под давлением и герметично удерживающий газ, обрабатываемый компрессором.

Общий резервуар также включает запорную крышку 14, которая зафиксирована резьбовым соединением на верхней части головной секции сепаратора. Как показано, выпускной патрубок 7 изогнут, что позволяет осуществлять монтаж и демонтаж двигателя и компрессора.

Благодаря описанной выше конструкции ступень 4 компрессора интегрирована с сепаратором 2 и размещена в герметизированном объеме, давление в котором равно давлению газа, обрабатываемого компрессором, и которое превышает атмосферное давление.

Таким образом, резервуар 5 ступени компрессора может быть изготовлен из металла пониженной толщины, что, таким образом, ограничит стоимость изготовления ступени компрессора.

Также следует отметить, что в рассмотренных примерах воплощения компрессор и электрические двигатели смонтированы в общем герметичном резервуаре. Также двигатель находится под давлением, величина которого лежит между давлением всасывания и давлением обратного потока компрессора.

Кроме того, применение полностью воздухонепроницаемого общего резервуара для двигателя и для компрессора, предотвращающего просачивание в атмосферу, позволяет полностью устранить традиционно используемую воздухонепроницаемую обшивку.

Кроме того, конструкция компрессора 1 со встроенным двигателем предпочтительно имеет компактную конфигурацию, включающую ротор и вал, опирающийся на активные магнитные подшипники.

В частности, как показано на Фиг. 6, где представлен вал 18, на котором установлены центробежные лопатки 20, можно отметить, что вал компрессора со встроенным двигателем поддерживается в радиальном направлении двумя подшипниками 22 и 23, расположенными по обеим сторонам активной части двигателя М. Кроме того, единственная опора 24 без масла, обычно магнитная, поддерживает вал 18 в осевом направлении. Эта опора 24 может быть расположена, как показано, между радиальными подшипниками 22 и 23, или она может быть расположена за пределами подшипников.

На Фиг. 7 схематично представлена технологическая схема.

На изображении представлен компрессор 1, в который из сепаратора 2 направляют сухой газ, и из выпускного отверстия которого отведено ответвление на впускное отверстие компрессора, для предотвращения перекачивания в компрессоре, вызываемого изменением течения жидкости в компрессоре на обратное. В конструкции, представленной на Фиг. 7, охлаждающая система расположена выше по потоку относительно компрессорной установки со встроенным двигателем.

На Фиг. 7А представлена альтернатива предшествующему решению, в которой охлаждающая система расположена ниже по потоку относительно компрессорной установки со встроенным двигателем.

Охлаждающая установка размещена выше по потоку или ниже по потоку относительно сепаратора и предназначена для охлаждения горячего газа, получаемого из компрессора 1 со встроенным двигателем (в случае перекачивания), из компрессора со встроенным двигателем, расположенного выше по потоку, или из другого технологического участка.

Как показано на Фиг. 8, конструкция компрессорной установки со встроенным двигателем позволяет вовлекать в способ системы, обеспечивающие осуществление способа, показанного на Фиг. 7 и Фиг. 7А. В этом примере воплощения, который соответствует конфигурации с радиальным обратным потоком и в котором сепаратор 2 интегрирован с компрессором 4, приводимым в действие электрическим двигателем 3, компрессорная установка со встроенным двигателем также участвует в охлаждении 25, которое обеспечивает охлаждение рециркулируемых газов, направляемых из компрессора 4, из компрессора, расположенного выше по потоку, или из другого технологического участка. На той же раме, на которой установлена компрессорная установка со встроенным двигателем, также может быть установлен запорный насосный клапан. Однако следует отметить, что охлаждающее устройство 25 также может быть заключено в двойной корпус, расположенный вокруг сепаратора 2.

Наконец, следует отметить, что в предпочтительном воплощении источник низкого напряжения для электродвигателя и магнитных подшипников также может быть интегрирован на ту же раму с учетом локальных директив по соблюдению безопасности, применимых к обрабатываемому газу.

Как полагают авторы изобретения, описанное изобретение, согласно которому ступень компрессора со встроенным двигателем интегрирована с сепаратором, позволяет значительно снизить площадь, занимаемую на площадке всей конструкцией, которая включает сепаратор, компрессор со встроенным двигателем и вспомогательные устройства.

Изобретение также позволяет снизить массу компрессора со встроенным двигателем благодаря помещению компрессора под давлением в сепараторе.

Текущий ремонт и обслуживание также упрощаются из-за возможности проведения монтажа и демонтажа за счет модульного строения конструкции.

Также следует отметить, что интегрирование ступени компрессора с сепаратором позволяет снизить потери давления по длине линий перекачивания, расположенных для выполнения технологических операций между сепаратором и компрессором со встроенным двигателем.

Аналогично, благодаря снижению объема обратного потока и вероятности повреждения линии транспортировки газа, облегчается контроль блокировки компрессора.

Газожидкостной сепаратор для центробежного компрессора со встроенным двигателем включает резервуар (8), внутри которого размещена по меньшей мере одна ступень (10, 11) газового сепаратора, пригодная для отделения газовой фазы от жидкой фазы, подаваемых на впуск резервуара. Внутри резервуара (8) имеется камера (13), в которой протекает газовая фаза, отделенная в указанной ступени (10, 11) сепаратора, и в которой установлена ступень (4) компрессора (1) со встроенным двигателем. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Газожидкостной сепаратор с интегрированным компрессором, включающий:

резервуар, ограничивающий внутренний объем, включающий первую часть, имеющую диаметр, и головную часть, имеющую увеличенный диаметр по сравнению с диаметром первой части,

по меньшей мере одну ступень сепаратора, обеспеченную в первой части резервуара, для отделения газовой фазы и жидкой фазы от потока текучей среды, подаваемой в резервуар, и

компрессор, включающий ступень компрессора, обеспеченную в головной части резервуара, для приема по меньшей мере одной части газовой фазы, отделенной от потока текучей среды по меньшей мере одной ступенью сепаратора, и двигатель для приведения в действие ступени компрессора.

2. Сепаратор по п. 1, в котором внутренний объем резервуара заблокирован с одной стороны запорной крышкой, соединенной с частью компрессора.

3. Сепаратор по п. 1, дополнительно включающий диффузор, обеспеченный во внутреннем объеме резервуара между по меньшей мере одной ступенью сепаратора и ступенью компрессора.

4. Сепаратор по п. 1, дополнительно включающий охлаждающую установку для охлаждения газа, выходящего из компрессора.

5. Сепаратор по п. 1, где указанная по меньшей мере одна ступень сепаратора установлена вертикально.

6. Сепаратор по п. 1, где указанная по меньшей мере одна ступень сепаратора включает по меньшей мере один из циклонного сепаратора, S-образного сепаратора и инерциального сепаратора.

7. Сепаратор по п. 1, где указанная по меньшей мере одна ступень сепаратора включает первую ступень и вторую ступень.

8. Сепаратор по п. 1, дополнительно включающий набор активных магнитных подшипников, поддерживающих в осевом и радиальном направлениях вал привода двигателя компрессора.

9. Сепаратор по п. 1, где компрессор представляет собой компрессор с осевым потоком.

10. Сепаратор по п. 1, где двигатель и ступень компрессора установлены в общем корпусе.

11. Сепаратор по п. 1, где компрессор представляет собой центробежный компрессор.

12. Сепаратор по п. 10, где вторая ступень включает множество ступеней разделения.