NO20110786A1 - Subsea kompressor direkte drevet av en permanentmagnetmotor med en stator og rotor nedsunket i vaeske - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et kompressorsystem omfattende en kompressorenhet og en motorenhet anordnet på lagre, hvor motor og lagre er nedsunket i en kjølende, smørende og barrierevæske innkapslet i et hus som har et kjølearrangement og et sirkulasjonsarrangement, hvor motorenheten er en permanentmagnetmotorenhet.

Description

Subsea kompressor direkte drevet av en permanentmagnetmotor med stator og rotor nedsunket i væske

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et kompressorsystem som er spesielt tilpasset for nedsunket bruk, for eksempel subsea bruk.

De gjeldende løsningene for subsea komprimering oppfattes dyre, komplekse, store og tunge med omfattende bruk av det som kan anses å være umoden teknologi sammenlignet med subsea olje- og gassundersøkelser (eng. oil and gas exploration) og subsea prosessering.

En av disse kjente løsningene er løsning som har en hermetisk forseglet kompressor/motor med rotoren opplagret (eng. supported) med aktive magnetiske lagre. Disse systemene plasseres i en gass-atmosfære (eng. gas atmosphere) inne i et forseglet hus, hvor motoren og penetratorer i de fleste tilfeller avkjøles med prosessgass. Et problem med disse løsningene er at de ikke tolererer vedlikehold med bruk av syre (eng. sour service), dette på grunn av de sensitive elektriske vindingene og koplingene i et prosessgassmiljø (eng. process gas environment). Aktive magnetiske lagre med et avansert kontrollsystem vil også bidra til kompleksiteten og kostnadene til systemet. Et eksempel på en løsning med i det minste noen av disse trekkene er beskrevet i EP1826887.

Det er også andre kjente kompressorsystemer til bruk subsea, med to kontraroterende elektriske motorer benyttet for å generere den relative hastigheten som behøves for gasskompresjon. Motorens stator og rotor er nedsunket i væske og lagrene er av ren væskesmurt type (eng. plain liquid lubricated type). Likevel, i og med at motorene er av standard induksjonstype med store rotordiametre og liten klaring mellom statoren og rotoren, er hastigheten begrenset som et resultat av motstandstapet (eng. windage losses) assosiert med viskositeten og friksjonen til væske. For å kunne oppnå den relative hastigheten som behøves for en gasskompresser, benyttes to kontraroterende motorer. Kontraroteringsprinsippet har noen store ulemper: En er at det er vanskelig å inkorporere et balansestempel (eng. balance piston), noe som betyr at aksiallagre er høybelastet. Dette begrenser det tillatte differensialtrykket til systemet. En annen ulempe er at det termodynamiske prinsippet kun kan baseres på aksielle impellere/blader med begrenset kapabilitet til å generere differensialtrykk.

En tredje ulempe er at dette kjente systemet også har høy kompleksitet og er av relativt stor størrelse.

Et tredje kjent subsea komprimeringskonsept er en induksjonsmotordrevet (eng. induction motor driven) kompressor som benytter oppgiring (eng. step-up gearing) for å øke hastigheten til kompressorenheten.

På et nærliggende teknisk fagfelt kan en finne nedsunkede pumper anordnet med en induksjonsmotorenhet og lagre som er rent væskesmurte, alle forseglet inne i et hus fylt med en væske som virker som en kjølende, smørende og barrierefluid (for å beskytte mot inntrenging av prosessfluid). Likevel, å benytte en kompressorenhet i denne konfigurasjonen ville ikke gitt det ønskede utfallet. En induksjonsmotor nedsunket i væske vil ikke være fullstendig kompatibel med en kompressorenhet, ettersom den oppnåelige rotasjonshastigheten for slike motorer nedsunket i væske ikke ville vært høye nok for en kompressorenhet. Det er også kjent fra WO2011/019334 å bruke en permanentmagnetmotor for å drive en subsea pumpe.

Den foreliggende oppfinnelsen har til hensikt å tilveiebringe et alternativt kompressorsystem til operering som et nedsunket kompressorsystem, spesielt egnet for subsea bruk.

Hensikten oppnås med et system slik som definert i de vedføyde kravene.

Det er ifølge oppfinnelsen tilveiebrakt et kompressorsystem omfattende en kompressorenhet og en motorenhet. Motorrotoren og kompressorrotoren er i en utførelse laget på en felles aksling (eng. shaft) eller forbundet med kopling men likevel med en felles rotasjonsakse, et annet alternativ er å ha dem forbundet med en kopling og med forskjellige rotasjonsakser. Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen kan kompressoren og rotoren opereres ved samme hastighet, for slik å oppnå et arrangement hvor en ikke har behov for å øke kompressorhastigheten relativt motorhastigheten.

Rotordelen av motorsystemet, rotorsystemet, og roterende deler av kompressoren, er ifølge oppfinnelsen støttet med rene smørelagre. Motoren og kompressorenhetene installeres inne i et felles hus, hermetisk forseglet mot omgivelsene, og forseglet mot sjøvannsmiljøet (eng. seawater environment) dersom det benyttes subsea. Motorenheten og lagrene nedsenkes i en væske inne i huset, hvilken væske fungerer som en kjøle-, smøring- og barrierevæske. Denne væsken er heretter betegnet som barrierevæske. Barrierevæsken er omsluttet (eng. enclosed) inne i huset, og er i en utførelse utstyrt med mekaniske tetninger som barrierer mot gasskompresjonsseksjonen til enheten. Barrierevæsken kan holds på et trykk som er likt eller er høyere enn trykket i et prosessfluid, muligens med en liten definert lekkasje fra motor- og lageravdelingen inn i prosessen. Dette sikrer at kontaminanter fra prosessen ikke kan emergere inn i barrierevæsken. En hydraulisk kraftenhet eksternt kompressorenheten kan kontrollere barrierefluidtrykket og erstatte enhver barrierevæskelekkasje til prosessen. Det er ifølge oppfinnelsen i relasjon til huset og derav væsken, tilveiebrakt et kjølearrangement og et sirkulasjonsarrangement. Motoren er ifølge oppfinnelsen en

permanentmagnetmotor.

Permanentmagnetmotorenheten som skal benyttes med oppfinnelsen er kjennetegnet ved en høydensitets magnetisk fluks. Dette muliggjør at rotoren kan lages mer kompakt enn i en induksjonsmotor med tilsvarende prestasjonsevne (eng. rating). Rotormotstandstapet (eng. rotor windage losses) øker tilnærmelsesvis tilsvarende diameteren i fjerde poten. Slik vil en liten-diameter-kompakt rotor ha mye mindre tap, og kunne operere ved høyere hastighet, før effektivitetstapet blir kritisk. I tillegg tillater en permanentmagnetmotor en større differanse (eng. gap) mellom rotor og stator uten å ofre kraft faktoren (eng. sacrificing the power factor). Dette gir en økt reduksjon i motstandstapene. Trekk med en slik permanentmagnetmotor er beskrevet i WO2010014640, søker Direct Drive systems Inc.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen kan barrierevæskesirkulasjonsarrangementet omfatte en sirkulasjonsimpeller forbundet til motorens rotor. Denne sirkulasjonsimpelleren vil virke på væsken og sette væsken i bevegelse. Impelleren kan forbindes til en forlengelse av rotoren, med den samme rotasjonsaksen, eller så kan det være en link, som gir impelleren en forskjellig rotasjonsakse og eller rotasjonshastighet sammenlignet med rotoren. Sirkulasjonsimpelleren kan posisjoneres inne i huset eller eventuelt i et rør som er forbundet til huset. En annen mulighet er å for eksempel utforme huset og elementene inne i huset slik at det blir en naturlig konvektiv sirkulasjon av væsken på grunn av de varme og kalde delene i huset og elementene inne i huset, dette gir sirkulasjonsarrangementet og kjølearrangementet til oppfinnelsen. Slike sirkulasjonsprinsipper er kjent som varmerørprinsippet (eng. heat pipe principle) eller termosifongprinsippet (eng. thermo siphon principle). En annen mulighet kan være å tilveiebringe en separat sirkulasjonsenhet enten inne i eller i forbindelse med huset, for å danne sirkulasjonsarrangementet til oppfinnelsen. I en mulig utførelse kan huset utformes slik at det sammen med sirkulasjonsimpelleren skaper en sirkulasjon av væsken inne i huset. En mulig utforming av dette er å utforme huset med et traktformet element som leder mot sirkulasjonsimpelleren, for slik å skape en økt strømning av barrierevæsken inne i huset. I en utførelse kan det være ledekanaler i retning mot og bort fra sirkulasjonsimpelleren. Ifølge oppfinnelsen kan det være mer enn én sirkulasjonsimpeller som utgjør sirkulasjonsarrangementet.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen kan kjølearrangementet omfatte en kjøleenhet anordnet i en fluidsløyfe (eng. fluid loop) som strekker seg på utsiden av huset. Barrierevæsken inne i huset vil så bli ledet gjennom denne fluidsløyfen og bli avkjølt i denne prosessen. En annen mulighet er å utforme i det minste én seksjon av huset som en kjøleenhet, dvs. at kjølearrangementet kan omfatte en kjøleenhet anordnet ved eller i veggen til huset. En mulighet er å utforme denne kjøleenheten med finner i overflaten enten inne i og eller på utsiden for å øke varmeoverføringen gjennom veggen til huset. En annen mulighet er å ha en fluidsløyfe for det omkringliggende fluidet som strekker seg inn i og gjennom huset og som leder fluidene på utsiden gjennom huset, med en sirkulasjonsenhet inne i denne fluidsløyfen for tilveiebringelse av en kjølefluidstrømning gjennom denne fluidsløyfen. En annen mulighet er å ha en kombinasjon av noen eller alle disse alternativene. Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen kan sirkulasjonsarrangementet og kjølearrangementet være utformet i et felles arrangement eller være separate elementer, eller en kombinasjon av disse. I tillegg kan det være en, to, tre eller fire eller flere av dem.

Ifølge et aspekt kan systemet omfatte trykkmidler tilpasset for å tilveiebringe et trykk i barrierevæsken inne i huset ved et trykk som er likt eller høyere enn trykket i et prosessfluid ved innløpet til kompressorenheten.

Ifølge et aspekt kan kompressorenheten ha en, to, tre, fire, fem, seks, sju, åtte, ni eller flere kompressorsteg eller kompressorimpellere inne i kompressorenheten. Kompressorenheten er ifølge et aspekt vd oppfinnelsen basert på radial sentrifugalkompressorprinsippet med impellere med eller uten dyser og med eller uten ledeskovler, og med åpne eller skovlede diffusorer (eng. open or vaned diffusors). Det kan også være mer enn én kompressorenhet i huset. Kompressorenheten kan ha kompressorimpellere og de kan være anordnet in-line eller fortløpende etter hverandre (eng. back-to-back). I en utførelse kan kompressorenheten være posisjonert på hver ende av en motorenhet. Hvilken som helst kombinasjon av de ovenfor nevnte trekkene er mulig.

Ifølge et annet aspekt kan det være anordnet et balansestempel på akslingen eller rotoren til systemet. En annen mulighet kan være å ha kompressorenheten inndelt i to deler og at disse to delene er anordnet i en løsning fortløpende etter hverandre (eng. back to back solution).

Ifølge et ytterligere aspekt kan rotorelementet til kompressorenheten og motorenheten være anordnet med en direkte forbindelse mellom motorenheten og kompressorenheten som en fleksibel kopling, stiv kopling eller felles aksling. Kompressorenheten og motorenheten kan ha en felles aksling.

Oppfinnelsen skal nå bli utredet i en ikke-begrensende utførelse og med referanse til den vedføyde tegningen som viser en skjematisk tegning av et kompressorsystem i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Kompressorsystemet omfatter en kompressorenhet 1 og en

permanentmagnetmotorenhet 2, begge anordnet med en felles rotoraksel eller aksling 3. Kompressorenheten 1 har et prosessfluidinnløp 12 og et prosessfluidutløp 13. Rotoren er anordnet på rene smørelagre, et første lager 4 på en side av motorenheten 2, et andre lager 5 mellom motorenheten 2 og kompressorenheten 1, og et tredje lager 6 på motsatt side av kompressoren 1 sammenlignet med motorenheten 2. Motorenheten 2 og første, andre og tredje lagre 4, 5, 6 er alle anordnet inne i et hus 7 fylt med en væske. Dette er også lagrene for rotordelen av kompressorenheten. Denne væsken vil virke som en smøring for lagrene 4, 5, 6. I tillegg vil væsken også virke som et barrierefluid i og med at den blir holdt ved et trykk som er likt eller høyere enn trykket i prosessfluidet ved utløpet 13 til kompressorenheten 1. Dette vil forhindre at prosessfluidet kommer inn i huset og dermed holde enhver ødeleggende komponent (eng. element) i prosessfluidet borte

fra elementene i inne i huset. Væsken vil også virke som en kjølevæske for motorenheten 2 og andre elementer inne i huset fordi det er tilveiebrakt et kjølearrangement, med væskesløyfer som strekker seg utenfor huset til en kjøleenhet 14 for å kjøle væsken og tilveiebringe en sirkulasjon i fluidet. Huset 7 er inndelt i tre hovedkamre av to delere (eng. dividers) eller tetningselementer 11, 12, med motorenheten på en side av delerne 11, kompressorenheten mellom de to delerne 11, 12 og det tredje lageret 6 i det siste kammeret. Væskesløyfene er slik konfigurert slik at en første sløyfe 15 forbinder kammeret med motorenheten 2 med kammeret med det tredje lageret 6, og en andre sløyfe 6 forbinder dette kammeret med det tredje lageret 6 med kammeret med motorenheten 2. Det er også tilveiebrakt en barrierefluidimpeller 8 inne i huset 7 for å holde barrierefluidet i sirkulasjon så lenge kompressorsystemet er i bruk. Impelleren 8 vil også understøtte i dannelsen av en strømning gjennom væskesløyfene 15, 16, og slik kjøle væsken. Barrierefluidimpelleren 8 er i denne utførelsen direkte forbundet til akselen er akslingen 3. Ettersom kompressorenheten 1 i denne utførelsen er én enhet, er det også tilveiebrakt et balansestempel 9 for å avbalansere aksielle krefter fra kompressorenheten under operasjon.

Oppfinnelsen er nå utredet med referanse til en ikke-begrensende utførelse og en fagmann vil forstå at det kan gjøres forandringer og modifikasjoner til utførelsen som er innenfor rammen av oppfinnelsen slik den er definert i de vedføyde kravene. Et annet antall lagre, slik som fire eller fem lagre og flere delere eller mekaniske tetninger er mulig dersom rotordynamikkproblemstillinger krever dette, som for eksempel dersom det er en fleksibel kopling, en lang aksling, lang kompressorrotor eller andre problemstillinger. Kjøle- og sirkulasjonsarrangementene kan være utformet på en annen måte enn det som er skjematisk skissert på den vedføyde figuren. Det kan eksempelvis være slik at det ikke er noen spesifikke kjølerør på utsiden av huset da disse kan posisjoneres i overflaten eller veggen til huset.

Claims (12)

1. Kompressorsystem omfattende en kompressorenhet og en motorenhet anordnet på lagre, hvor motor og lagre er nedsunket i en kjølende, smørende og barrierevæske innkapslet i et hus som har et kjølearrangement og et sirkulasjonsarrangement, hvor motorenheten er en permanentmagnetmotorenhet.

2. Kompressorsystem ifølge krav 1, hvor kompressoren og motoren opererer på samme hastighet.

3. Kompressorsystem ifølge krav 1 eller 2, hvor kompressorenheten er en radial sentrifugalenhet.

4. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor sirkulasjonsarrangementet omfatter en sirkulasjonsimpeller festet til rotoren til motoren.

5. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor kjølearrangementet omfatter en kjøleenhet anordnet i en fluid-sløyfe i relasjon til huset.

6. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor kjølearrangementet omfatter en kjøleenhet anordnet ved veggen til huset.

7. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor systemet omfatter trykkmidler tilpasset for å tilveiebringe et trykk i væsken inne i huset ved et trykk som er likt eller høyere enn trykket i et prosessfluid ved utløpet av kompressorenheten.

8. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor det er anordnet et balansestempel på rotoren til systemet.

9. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor kompressorenheten og motorenheten er anordnet med en felles rotor.

10. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor kompressorenheten er anordnet fortløpende etter hverandre.

11. Kompressorsystem ifølge et av kravene 1 til 9, hvor kompressorenheten er anordnet som en in-line løsning.

12. Kompressorsystem ifølge et av de foregående kravene, hvor én kompressorenhet er anordnet på hver ende av motorenheten.