近海海域水下使用的压缩机系统.pdf

本发明涉及一种尤其用于在近海海域输送气体或者油气混合物的压缩机系统(1)，包括一耐海水腐蚀的外壳(2)，所述外壳具有至少一输入待压缩气体或者油气混合物的一入口(3)，并且具有至少一输出压缩气体或者油气混合物的一出口(4)。一压缩机(8)安装于所述外壳(2)中，其输入侧与所述入口(3)相连，输出侧与所述出口(4)相连。用于驱动所述压缩机(8)的一电机(7)安装在所述外壳(2)之中，所述电机具有一定子组件(71)和一转子组件(72)。按照本发明所述，可通过所述压缩机系统(1)的所述外壳(2)内侧(GI)对所述定子组件(71)进行冷却。

1.  一种尤其用于在近海海域输送气体或者油气混合物的压缩机系统，包括
-一耐海水腐蚀的外壳(2)，且所述外壳具有至少一个输入待压缩气体或者油气混合物的入口(3)，以及至少一个输出压缩气体或者油气混合物的出口(4)，
-一安装于所述外壳(2)之中的压缩机(8)，其输入侧与所述入口(3)相连，输出侧与所述出口(4)相连；以及
-一安装于所述外壳(2)之中用来驱动所述压缩机(8)的电机(7)，所述电机具有一定子组件(71)和一转子组件(72)，
其特征在于，可以通过所述压缩机系统外壳(2)的内侧(GI)对所述电机(7)的所述定子组件(71)进行冷却。

2.  根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，所述定子组件(71)具有至少与外壳内侧(GI)基本齐平的定子外侧(SA)，且在所述定子外侧(SA)和外壳内侧(GI)之间填充有导热性良好的物质。

3.  根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，
-所述定子组件(71)与所述外壳(2)的内侧(GI)之间相隔一定距离，
-所述定子组件(71)与至少对面的一部分所述外壳内侧(GI)共同构成环形的冷却室(9)，并且
-在所述冷却室(9)内填充有一种冷却剂。

4.  根据权利要求3所述的压缩机系统，其特征在于，所述冷却剂是一种油。

5.  根据权利要求3或4所述的压缩机系统，其特征在于，在所述定子组件(71)之内布置有基本上沿着所述电机(7)旋转轴(DA)的轴向布置的冷却流道(75)。

6.  根据权利要求3至5中任一项所述的压缩机系统，其特征在于，所述压缩机系统具有一冷却剂循环泵。

7.  根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统，其特征在于，按照使所述电机(7)的旋转轴(DA)基本上处在垂直方向的方式安装符合规定用途的压缩机系统。

8.  根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统，其特征在于，所述外壳(2)具有一外壳外侧(GA)，且在所述外壳外侧(GA)上布置有复数个散热片(21)。

近海海域水下使用的压缩机系统
技术领域
本发明涉及一种尤其用于在近海海域输送气体或者油气混合物的压缩机系统。所述压缩机系统包括一耐海水腐蚀的外壳，且所述外壳具有至少一个输入待压缩气体或者油气混合物的入口，并且具有至少一个输出压缩气体或者油气混合物的出口。所述系统具有一安装于所述外壳之中的压缩机，其输出侧与所述入口相连，输出侧与出口相连。在所述外壳之中安装有一电机，用来驱动所述压缩机，所述电机具有一定子组件和一转子组件。
背景技术
在近海水域输送油气对压缩机系统的要求很高。必须能够耐受恶劣气候、腐蚀性环境条件以及不可预知的气体成分。可以使用电机或者燃气轮机驱动压缩机系统。所述电机最好是一种无刷异步电机。通常使用高速运转的涡轮进行压缩，这种情况下最好将涡轮与电机安装在同一个轴上。无刷无齿轮驱动使得这类压缩机系统几乎不需要维护。也可以选用螺旋或者活塞压缩机进行压缩。
所述压缩机系统可以安装在海滨的石化设施、钻井平台上，也可以安装在水下。就后者而言，通常使用所述电机来驱动所述压缩机。
通常通过固定在所述压缩机系统外壳外侧上的管道来供应气体或油气混合物。通过另一个管道从输出侧以适当方式继续输送经过压缩后的气体或者油气混合物。也可以使用高压软管替代管道。
所述电机的装机功率在几百千瓦范围内，因此需要对所述电机进行冷却。通常使用循环油冷却装置作为独立的单元通过进油管与回油管连接到所述压缩机系统上。所述压缩机系统的缺点是体积庞大，因为循环油冷却装置安装在外面。
另一个缺点是安装于外部的循环油冷却装置在经过一段时间后可能会发生泄漏。一方面进油管与回油管可能会因为海水侵蚀或者机械作用(例如轴跳动)而发生泄漏。而从另一方面来看，所述压缩机系统外壳上的耐压型管道接头在经过一段时间后也有可能发生泄漏。就此而言，漏出的油或者油气混合物将对周围水域形成潜在的生态风险。
发明内容
本发明的目的之一在于阐述一种能够避免上述缺点的压缩机系统。
采用一种具有权利要求1所述特征的压缩机系统，即可实现本发明的这一目的。相关从属权利要求2至8所述均为其它有益的实施形式。
按照本发明所述，可通过所述压缩机系统外壳的内侧对电机定子组件进行冷却。
这种方式的优点在于不需要在外部安装循环油冷却系统。将冷却系统整合在所述压缩机系统之内可明显减少所需空间。由于所述电机内的大部分损耗热产生于所述定子组件之中，因此几乎能够在热源点排出热量，并且通过所述压缩机系统的壳壁将热量排出到外壳周围的海水之中。上述定子组件内的损耗热主要源于所述定子组件内的定子绕组电损耗以及叠片式定子组件内的磁滞损耗。
另一个更大的优点在于：可明显降低环境污染风险，因为冷却装置的所有部件均安装在所述外壳之中。不需要将循环冷却系统连接在所述外壳上，因此根本不存在潜在的泄漏连接点。
按照所述压缩机系统的一种实施形式所述，所述电机定子组件的定子外侧至少与所述外壳内侧基本齐平。在所述定子外侧与所述外壳内侧之间填充一种导热性良好的物质。所述导热性良好的物质例如可以是一种导热膏或者一种导热性良好的塑料。这样就可明显减小所述定子组件与所述外壳之间的传热热阻，改善所述电机的散热效果。
按照另一种适宜的实施形式所述，所述定子组件与所述外壳内侧相隔一定距离。所述定子组件在这种情况下至少与对面的一部分所述外壳内侧形成环形冷却室。在冷却室内有一种冷却剂。
由于所述定子组件完全浸没在冷却剂之中，且所述外壳内侧被冷却剂湿润，因此可显著减小所述定子组件与所述外壳之间的传热热阻。原因就在于所述定子组件上的高温部位(例如轴向突出的绕组端部)完全浸没在所述冷却剂之中，对这些高温关键部位的冷却效果特别好。所谓“轴向”指的是平行于电机旋转轴的方向。
所述冷却剂最好是一种液体，尤其是一种油，例如硅油或者矿物油。这种冷却剂除了具有很高的比热容之外，还有利于导电绕组端部的绝缘。也可以选用其它冷却液，例如水基冷却液。冷却剂还可以是一种制冷剂，例如这里所述的冷却剂是一种溶液，即一种液体/气体混合物。
按照另一种实施形式所述，在所述定子组件内基本上沿着电机旋转轴的轴向布置有冷却流道。这样比较有助于在所述定子组件内部进行冷却。
按照另一种实施形式所述，所述压缩机系统具有一冷却剂循环泵。以循环输送冷却剂的方式实现更为均匀、较高的冷却效率。
按照一种适宜的实施形式所述，按照使所述电机的旋转轴基本上处在垂直方向的方式安装符合规定用途的压缩机系统。所述冷却流道同样如此。这种布置形式能够在冷却室内部自动形成冷却循环。相应流道内的冷却剂受热后就会上升，然后从所述定子组件的轴向上端面向外流出。后续流来的冷却剂迫使受热后的冷却剂朝向比冷却剂温度低的所述外壳内侧流动。随后的冷却作用将增大所述冷却剂的比重，从而使其下沉。当到达所述冷却室下端时，就会朝向所述定子组件的轴向下端面吸入冷却后的所述冷却剂，从而完成冷却循环。所述外壳外侧周围的低温海水这时的摄氏温度在个位数范围内，可起到冷却源的作用。受热后的所述冷却剂与低温海水之间的温度梯度很大，从而使得大量热流从冷却剂经由壳壁传递给海水。
为了定向控制冷却室内形成的循环液体流，也可以在例如所述定子组件的轴向端上安装一些导流板。
按照另一种有益实施形式所述，所述外壳具有一外壳外侧，外壳外侧上排列有复数个散热片。这些散热片能明显增大与海水接触的冷却面。视形状与所述散热片数量而定，增大后的所述冷却面可以是所述压缩机系统外壳表面积的数倍。所述散热片最好指向背离所述外壳外侧的方向。
所述外壳最好具有圆柱形结构形态。在这种情况下，冷却体沿径向指向背离所述外壳外侧的方向。所谓“径向”指的是朝向以及背离圆柱形外壳对称轴的方向。所述对称轴通常与所述电机的旋转轴重合。
附图说明
关于本发明的其它有益特征，可参阅以下根据附图所示实施例所做的解释。相关附图如下：
附图1本发明第一种实施形式的压缩机系统的剖视图，剖切线为所述电机和压缩机的旋转轴线，
附图2本发明第二种实施形式的压缩机系统的剖视图，
附图3本发明第三种实施形式的压缩机系统的剖视图，以及
附图4为附图3所示压缩机系统的侧视图，从附图2所示观察方向IV进行观察。
附图1所示为本发明第一种实施形式的压缩机系统1的剖视图，剖切线为电机7和压缩机8的旋转轴线DA。
附图1至3所示的所述压缩机系统尤其可用来在近海海域输送气体和/或者油气混合物。所述外壳2能够抗海水侵蚀。所述外壳2适宜用钢制成，并且具有防腐蚀保护涂层。所使用的钢也可以是一种不锈钢。也可选用抗海水侵蚀的铝来制成所述外壳2。最好对所述外壳进行耐压设计，尤其是根据所述压缩机系统1在海平面以下或者海底的使用深度进行设计。不仅对所述外壳2有耐压要求，对所述外壳之中的电缆套管也有耐压要求，例如所述压缩机系统1的电源电缆以及控制和/或者监测电缆的电缆套管。
所述外壳2例如具有一用于输入待压缩气体或油气混合物的入口3，并且具有一用于输出压缩气体或者油气混合物的出口4。也可以具有多个开口3、4。在这两个所述开口3、4上通常安装有连接元件(例如接头或者法兰)，以便能够连接导管或者高压软管。应针对所要求的耐压性，以适当方式选择连接元件以及导管的技术参数。
所述压缩机8安装于所述外壳2之中，其输入侧与所述入口3相连，输出侧与所述出口4相连。所述开口3、4区域内所示的箭头表示流动方向。按照附图1所示的例子，所述压缩机8具有一个涡轮81，涡轮具有图中并未详细标注的涡轮叶片。涡轮直径沿轴向(即流动方向)逐渐减小，压缩率与压力则逐渐增大。附图标记83表示高压输出管道。从这里通过所述外壳2内部并未标注的管道连接朝向所述出口3输送压缩后的气体。
在所述外壳2中还安装有用来驱动所述压缩机8的电机7。所述电机7具有所述定子组件71以及所述转子组件72。此外按照附图1所示的例子，所述压缩机8以及电机7具有一穿过轴承6的共同的轴5。
按照本发明所述，可通过所述压缩机系统1的所述外壳内侧GI对所述电机7的定子组件71进行冷却。按照附图1所示的例子，通过与所述外壳内侧GI齐平的定子外侧SA进行冷却。所述定子外侧SA与所述外壳内侧GI之间的接触范围内的箭头表示热流。为了提高冷却效率，在所述定子外侧SA与外壳内侧GI之间可以填充一种导热性良好的物质，例如导热膏、润滑脂或者类似物质。
图中所示的所述压缩机系统1经过适当安装，使得所述电机7的旋转轴DA基本上处在垂直方向，也可以使其处在水平位置。
此外，所述外壳2的外壳外侧GA上还排列有数个向外突出的散热片21。本实施例中的所述外壳2为圆柱形构造，其散热片21沿径向指向背离所述外壳外侧GA的方向。附图2和3所示所述压缩机系统1的备选实施形式就具有这种圆柱形构造。
附图2所示为本发明第二种实施形式的所述压缩机系统1的剖视图。图中所示的所述压缩机系统1相对于所述电机7的旋转轴DA垂直安装。
与附图1所示实施形式的区别在于，所述定子组件71与所述外壳2的内侧GI相隔一定距离。中间径向距离最好在5cm至15cm范围内。视所述电机7的装机功率而定，距离值也可以大于这一范围(例如20cm)，或者小于这一范围(例如3cm)。所述定子组件71与至少对面的一部分所述外壳内侧GI共同构成环形的冷却室9，其中有一种冷却剂9。沿轴向从所述定子组件71向外伸出的定子组件71绕组端部73也可以在所述冷却室9之中。附图2所示实施例中的所述冷却室9仅有一个腔室，也可以具有多个腔室，这种情况下通过径向-轴向延伸的隔壁将相邻的腔室相互分开。
所述冷却室9包括两个箍圈91、92以及一圆盘94。这两个箍圈91、92的内径等于所述定子组件71的内径。第一箍圈91密封安装于所述定子组件71的下方轴向端面上，例如可采用焊接方式。所述箍圈91的对称轴与所述电机7的旋转轴DA处在一条直线上。第一箍圈91的轴向高度几乎等于所述定子组件71与所述外壳2底板22之间的轴向距离。第一箍圈91的下边缘与所述底板22之间可以通过一个密封圈93进行密封，或者与所述底板22密实焊接在一起。
第二箍圈92以适当方式安装在所述定子组件71的上方轴向端上。所述圆盘94的内径大致等于所述箍圈91、92的内径。外径大致等于所述外壳2的内径。第二箍圈92和所述圆盘94最好相互密实焊接在一起，共同构成一个法兰92、94。所述圆盘94或者法兰92、94的外边缘与所述外壳内侧GI之间可以通过另一个密封圈95进行密封，或者与所述外壳内侧GI密实焊接在一起。所述的箍圈91、92、圆盘94、定子组件71的径向内侧以及外壳内侧GI构成一个空心圆柱体。
在冷却室9内填充有一种冷却剂，最好是一种油作为冷却液。尤其可使用基于矿物油或者基于硅油的变压器油。最好用冷却液注满整个所述冷却室9。在所述外壳2之中以及冷却室9之外可以有一个冷却液膨胀罐，以便补偿温度引起的冷却剂体积变化。
也可以选用一种制冷剂例如来替代油。为了环保起见，特别适宜使用不含FCKW的例如在这种情况下，所述冷却室9内填充有一种溶液，也就是一种液体/气体混合物。
此外，在所述定子组件71中还有一种基本上沿着所述电机7旋转轴DA的轴向延伸的冷却流道75。由于所述定子组件71浸没在冷却剂之中，因此其中同样也注满了冷却剂。在所述压缩机系统1运行过程中，冷却剂在所述冷却室9内循环流动，如流动箭头所示。所述冷却流道75内的受热冷却剂向上运动，然后沿着低温的所述外壳内侧GI自上而下在相反方向重新冷却下来。循环流动的冷却剂流过特别热的所述的绕组端部73，将其有效冷却下来。
水平箭头表示从冷却剂经由所述外壳2的壳壁将热量传递到所述外壳2外侧GA周围的海水之中。所述冷却室9内形成的冷却循环也可以称作一次冷却循环，而在所述外壳外侧(当然仅在水域平静的情况下)则形成一种沿着所述外壳外侧GA自下而上的对流。也可以将海水的冷却作用称作二次冷却。
为了进一步提高冷却效率，所述压缩机系统1可以具有一个冷却剂循环泵。所述循环泵可以是例如一个安装在所述冷却室9之中或之上的离心泵。
与附图1相比，所述外壳2的外侧GA上的散热片21比较短，仅在所述冷却室9对面的外壳2的轴向“高温”区域内延伸。就此而言，通过待压缩气体或者油气混合物对所述压缩机8进行冷却。
附图3所示为本发明第三种实施形式的压缩机系统1的剖视图。
与附图2相比，所述冷却室9基本上呈圆环形，且所述冷却室9具有弯曲的冷却室壁96、97，其形状有助于循环流动过程。因此在结构体积相同的情况下，这种实施形式的冷却效率更大。所述冷却室壁96、97除了形成所述冷却室9之外，也起到导流作用。附图标记98、99所示为用来在所述冷却室壁96、97与外壳内侧GI之间进行密封的密封圈。所述冷却室壁96、97也可与外壳内壁GI密实焊接在一起。
附图4为附图3所示所述压缩机系统1的侧视图，从附图3所示观察方向IV进行观察。
附图4的观察方向对准入口3，也就是朝向压缩机。从附图4还可看出，所述定子组件71具有数个在圆周方向均匀分布的所述冷却流道75。所述冷却流道75相对于所述绕组端部73的两侧排列在与所述绕组端部73之间的径向位置中(比较附图2和附图3)。所述冷却流道75最好排列在所述定子组件71的磁场作用较弱的区域内。多个流道75能够从内部有效冷却所述定子组件71。
在所述外壳外侧GA上可看见数个沿径向背离外壳侧面方向排列的所述散热片21。所述散热片21能显著增大通过海水进行冷却的冷却面。所述散热片21最好是所述压缩机系统1的外壳2的整体组成部分。尤其可用铸铁制成外壳2。
本发明所述的压缩机系统也适用于功率在几百千瓦至十兆瓦、每分钟转速高达15000转的高速压缩机系统。