Подводный модуль компрессора и способ регулирования давления в подводном модуле компрессора - RU2329405C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к подводным модулям компрессора для сжатия углеводородных газов в притоке к скважине и, в частности, к подводному модулю компрессора, содержащему охранный кожух, компрессор и электродвигатель, отделенный уплотнительным элементом.

Проблемы подводных компрессоров, работающих от электродвигателей, заключаются в том, что заполненные газом электродвигатели необходимо содержать как можно более сухими для исключения коррозии. Существуют другие проблемы, относящиеся к осаждению углеводородных конденсатов и к попаданию воды внутрь электродвигателя. Особо важно исключить наличие воды, содержащей H₂S или CO₂, которые могут образовывать кислоты и поэтому могут быть причиной ускоренной коррозии. На решение этих проблем направлены патенты Норвегии NO 172075 и NO 173197 и также патентная заявка Норвегии 20015199.

В известных подводных модулях компрессора используются обычные подшипники на масляной смазке или т.п. Автор данного изобретения исследовал возможности применения магнитных подшипников в этих подводных модулях компрессора, т.к. их применение обеспечивает несколько преимуществ особенно во время эксплуатации. Магнитные подшипники более надежные и более дешевые в эксплуатации. Особенно важным является то обстоятельство, что применение магнитных подшипников устраняет необходимость в использовании смазочного масла и поэтому устраняет проблемы, возникающие по причине разбавления смазочного масла контактирующими с ним углеводородными газами, скапливания углеводородных конденсатов или воды в смазочном масле или ухудшения состояния смазочного масла с течением времени из-за его применения именно в подводных модулях компрессора. Проблема, сопряженная с применением магнитных подшипников без оболочек в подводном модуле компрессора, во многих отношениях похожа на проблемы, связанные с применением электродвигателей, а именно в обоих случаях нужна полностью сухая атмосфера для должного длительного функционирования. Магнитные подшипники в оболочках также существуют или находятся в стадии разработки. Заявлено, что они могут работать в необработанном углеводородном газе притока к скважине. Но имеются причины считать, что для долгосрочного функционирования и надежности этого типа магнитных подшипников целесообразно, чтобы они находились и работали в сухой атмосфере.

Целью настоящего изобретения является создание подводного модуля газового компрессора и способа регулирования давления в нем, обеспечивающих полностью или почти полностью сухую среду для электродвигателя и для магнитных подшипников.

Эта цель достигается тем, что в подводном модуле газового компрессора, имеющего охранный кожух, содержащем электродвигатель и компрессор, приводным образом соединенный с по меньшей мере одним валом, причем компрессор и электродвигатель изолированы друг от друга по меньшей мере одним уплотнением, в результате чего охранный кожух разделен на первый и второй отсеки, в которых расположены компрессор и электродвигатель, соответственно, согласно изобретению, по меньшей мере один вал опирается на магнитные подшипники, управляемые блоком управления, установленным снаружи охранного кожуха и соединенным с магнитными подшипниками проводными соединениями и подводными разъемными соединителями.

Электронные и электрические компоненты магнитных подшипников находятся в отдельном охранном кожухе вблизи модуля компрессора. Этот охранный кожух заполнен инертным газом, обычно азотом или инертной жидкостью, и давление внутри него находится в пределах одного бара или в пределах, допустимых для электронных компонентов. Между кожухом для электронных компонентов магнитных подшипников и кожухом модуля компрессора проходит значительное число проводов. По этим проводам в магнитные подшипники подается регулируемый ток намагничивания, и также по ним передаются сигналы от датчиков магнитных подшипников в управляющие электронные компоненты в охранном кожухе для электронных компонентов магнитных подшипников. Специальные вставки в стенках охранных кожухов предотвращают попадание морской воды в них. Провода между охранным кожухом электронных компонентов и модулем компрессора можно либо соединить с подводными разъемными соединителями, либо их можно соединить сухим образом.

Охранный кожух ориентирован вертикально.

Электродвигатель может быть установлен над компрессором, при этом второй отсек охранного кожуха расположен над его первым отсеком.

Первый отсек может быть соединен со входной линией и выходной линией для впуска и выпуска газа соответственно, причем входная и выходная линии имеют соответствующие клапаны для перекрытия линий, первый отсек охранного кожуха подразделен на третий отсек другим уплотнительным элементом, имеющим другой подшипник, по меньшей мере один вал опирается на магнитные подшипники во втором отсеке и на магнитные подшипники в первом отсеке, и имеется регулятор давления и объема, посредством текучей среды сообщающийся со вторым отсеком и с источником газа и содержащий средство для определения соответствующих давлений во входной и выходной линиях, исходя из величины определяемого давления, регулятор давления и объема способен регулировать давление, при котором газ из источника газа инжектируется во второй отсек.

Регулятор давления и объема может быть дополнительно соединен с третьим отсеком, причем исходя из величины определяемого давления регулятор давления и объема способен регулировать давление, при котором газ из источника газа инжектируется в третий отсек.

Уплотнительные элементы могут быть уплотнениями вала.

Источник газа может быть источником инертного газа, причем инертный газ может подводиться во второй отсек.

Источником газа может быть приток к скважине, и углеводородный газ отводится из выхода компрессора или из промежуточной ступени, проходит через теплообменник, заслонку и газоочиститель, посредством чего высушенный углеводородный газ инжектируется во второй отсек.

Углеводородный газ, отводимый из выхода компрессора или из промежуточной ступени, может смешиваться с частью инертного газа для поддержания точки росы ниже точки росы охлаждающей среды.

Текучая среда может состоять из смеси инертного газа и углеводородного газа, при этом пропорция инертного газа в смеси обеспечивает точку росы, исключающую конденсацию, предпочтительно ниже температуры морской воды во всех режимах работы или во время выключения.

Указанная цель достигается способом регулирования давления в вышеописанном подводном модуле газового компрессора, при котором сжимают газовый приток к скважине, поступающий под давлением всасывания в компрессор, в первом отсеке охранного кожуха, выпускают газ из первого отсека под давлением выпуска, и согласно изобретению определяют давления всасывания и выпуска, инжектируют сухой или инертный газ из источника газа во второй отсек под давлением инжекции, которое превышает давление всасывания, в результате чего предотвращается течение текучей среды непосредственно из первого отсека во второй отсек.

Можно дополнительно определять давление выпуска перед инжектированием сухого или инертного газа во второй отсек.

В другом варианте способа регулирования давления в подводном модуле газового компрессора, когда компрессор бездействует и клапаны перекрыты, определяют давление всасывания перед первым отсеком, определяют давление выпуска после первого отсека, инжектируют сухой или инертный газ из источника газа во второй отсек под давлением инжекции, которое превышает давление всасывания и давление выпуска, при этом предотвращается течение текучей среды непосредственно из первого отсека во второй отсек и попадание влажного газа и жидкостей из источника природного газа в модуль компрессора.

Сухой или инертный газ можно инжектировать под давлением инжекции в третий отсек, ограничиваемый уплотнительным элементом.

Источник газа может быть источником инертного газа, который инжектируют во второй отсек.

Источником газа может быть приток к скважине, и углеводородный газ может отводиться из выхода компрессора или из промежуточной ступени, проходит через теплообменник, заслонку и газоочиститель, в результате чего высушенный углеводородный газ инжектируется во второй отсек.

Варианты осуществления настоящего изобретения ниже излагается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых аналогичные детали имеют аналогичные ссылочные обозначения.

Фиг.1 схематически изображает вариант системы согласно изобретению.

Фиг.2 схематически изображает второй вариант системы согласно изобретению.

Фиг.3 схематически изображает третий вариант системы согласно изобретению.

На фиг.1 показана система согласно изобретению, содержащая охранный кожух 3, имеющий электродвигатель 1, который соединен с компрессором 2 одним или несколькими валами 13. Электродвигатель и компрессор имеют магнитные подшипники. Если вал 13 подсоединен гибкой муфтой между валом компрессора и электродвигателем, то необходимо шесть подшипников, т.е. по одному упорному подшипнику и двум радиальным подшипникам, и достаточными будут только три подшипника, если вал 13 является единичным валом, или если валы компрессора и электродвигателя связаны жесткой муфтой, т.е. необходим один упорный подшипник и два радиальных подшипника для всего модуля компрессора. Внутренняя полость охранного кожуха разделена по существу на два отсека уплотнительным элементом 14. Этот уплотнительный элемент, или уплотнение вала, известно из уровня техники. Уплотнение 14 по существу разделяет внутренний объем охранного кожуха 3 на первый отсек, в котором находится компрессор 2 с магнитными подшипниками 12', и второй отсек, в котором находится электродвигатель 1 с магнитными подшипниками 12. Необходимые электронные компоненты для регулирования и контролирования магнитных подшипников указаны ссылочной позицией 16, которая указывает блок, подключенный к магнитным подшипникам.

Углеводородный газ (газ притока к скважине) под давлением p_s всасывания поступает в первый отсек по линии 11. Газ выпускается из компрессора под давлением выпускания p_d, когда клапан 9 открыт во время работы. В процессе работы, когда компрессор 2 сжимает газ притока к скважине, то клапан 8 перекрыт, и клапаны 7 и 9 открыты. Поэтому углеводородный газ входит в него и сжимается обычным образом. Как упомянуто выше, существенно важно, чтобы второй отсек, в котором находится электродвигатель 1, содержал сухую и некоррозионную среду. Поэтому линия 11 соединена с источником 10 газа для инжекции газа из этого источника во второй отсек. Этой инжекции газа под давлением p₁ во второй отсек содействует регулятор 4 давления и объема. Регулятор 4 давления и объема регулирует давление инжекции исходя из определяемых давлений всасывания и выпуска по линиям 5 и 6 определения давления соответственно. Для предотвращения попадания углеводородного газа из первого отсека и во второй отсек в процессе работы регулятор давления и объема обеспечивает, чтобы давление p₁ всегда превышало давление всасывания. В выключенном состоянии или в состоянии бездействия клапаны 7 и 9 перекрыты и клапан 8 открыт. В некоторых переходных состояниях давление выпуска может быть меньше давления всасывания. Поэтому регулятор 4 давления и объема должен корректировать давление (p₁) инжекции газа, чтобы давление инжекции газа превышало давление всасывания или давление выпуска в зависимости от большего из этих двух давлений. Поскольку клапаны 7 и 9 перекрыты, когда компрессор не работает, давление во всем модуле 3 будет уравновешено с давлением p₁ инжекции, и тем самым будет предотвращено попадание влажного газа или жидкостей из линии 11 в модуль компрессора 3, который защищает электродвигатель и подшипники.

Фиг.2 показывает в принципе систему, аналогичную системе согласно фиг.1, но имеет альтернативный источник сухого инжектируемого газа. Согласно фиг.2, инертный газ из источника 10 можно во время работы компрессора заменить углеводородным газом, отводимым с выхода компрессора или из промежуточной ступени, охлажденным в теплообменнике 60, дросселированным в клапане Джоуля-Томсона 70 перед его поступлением в газоочиститель 80. Эта система и способ раскрыты в патентной заявке Норвегии 20015199. В этой конструкции клапан 83 перекрыт, и при этом клапан 82 открыт во время работы компрессора. Обычная выпускная линия 81 газоочистителя обычно подает собранную жидкость, которая также может содержать частицы, обратно в сторону всасывания, и имеется линия 120 введения ингибитора для образования гидратов (дополнительно).

Когда компрессор выключен или бездействует, клапан 82 перекрыт, и клапан 83 открыт, и инжектируемый газ из источника 10 и давление p₁ инжекции регулируются в соответствии с приводимым выше описанием. Клапаны 7 и 9 перекрыты, клапан 8 открыт.

Альтернативный способ поддержания точки росы инжектируемого газа ниже температуры морской воды во время работы заключается в смешивании углеводородного газа, отводимого с выхода компрессора или из промежуточной ступени, с частью газа из источника 10, достаточной, чтобы поддерживать точку росы ниже температуры морской воды. Поэтому можно устранить необходимость применения клапана 70 и также применения холодильника 60 и газоочистителя 80.

Фиг.3 показывает еще один вариант осуществления изобретения, в котором первый отсек по существу подразделен еще на один отсек, при этом компрессор также расположен в первом отсеке, третий отсек, теперь ограничиваемый уплотнением 15 вала, содержит магнитный подшипник 12, также расположенный в инертном газе под давлением p₁.

Как упомянуто выше, электродвигатель и компрессор можно соединить одним или несколькими валами 13 (например, единичным валом или спаренными валами). Электродвигатель 1 и компрессор 2 имеют магнитные подшипники 12. В случае спаренного вала нужны шесть подшипников, т.е. один упорный подшипник и два радиальных подшипника и для того, и для другого вала. Если применяется единичный вал или жесткая муфта между валом электродвигателя и валом компрессора, то достаточными будут три подшипника, т.е. один упорный подшипник и два радиальных подшипника на весь модуль компрессора.

Уплотнение 14 вала подразделяет охранный кожух 3 на два отсека: первый отсек, заключающий в себе компрессор 2, и второй отсек, заключающий в себе электродвигатель 1 и (дополнительно) корпус соединительной муфты.

Модуль компрессора может также иметь уплотнение 15 вала компрессора на конце вала, противоположном стороне электродвигателя, тем самым образуя третий отсек.

Магнитные подшипники компрессора 2 можно разместить в первом отсеке, если они являются подшипниками с оболочками, и в этом случае третий отсек излишний, или если определено, что они должны быть в сухой среде, то их помещают во втором и третьем отсеках.

Во втором (и выборочно третьем) отсеке создается избыточное давление газа при давлении p₁ для предотвращения попадания углеводородных газов из первого отсека. Создающим избыточное давление газом при давлении p₁ может быть инертный газ из источника 10 или, например, высушенный углеводородный газ, отводимый из выхода компрессора или из промежуточной ступени, прошедший теплообмен с охлаждающей средой (например, с морской водой) в теплообменнике 60 и дросселированный до поступления в газоочиститель 80, согласно оборудованию и технологии, описываемым в патентной заявке Норвегии 20015199. Как вариант, газ под избыточным давлением p₁ может быть смесью обоих вышеупомянутых газов.

В процессе работы компрессор 2 создает давление всасывания p_s и давление выпуска p_d. Давления выпуска обычно находятся в пределах p_d=70-150 бар, и давление всасывания в пределах 40-140 бар.

В процессе работы клапаны 7 и 9 открыты, и клапан 8 перекрыт, и p_d>p_s. Для предотвращения попадания газа во второй (и выборочно в третий) отсек давление второго отсека должно превышать давление всасывания, т.е. p₁>p₂.

Это обеспечивается регулятором 4 давления и объема, определяющим p_s по линии 5 и корректирующим p₁ соответственно.

В ситуациях выключения или бездействия клапаны 7 и 9 перекрыты, и клапан 8 открыт в некоторых переходных состояниях p_ds. Поэтому регулятор 4 должен корректировать давление инертного газа, чтобы p₁>p_s или p₁>р_d, в зависимости от большего значения. В этих случаях давление внутри всего модуля 3 (первый, второй и (выборочно) третий отсек) будет равно p₁, которое будет предотвращать утечку влажного газа из линий 11 природного газа в модуль до и после компрессора.

Если модуль компрессора установлен в компрессорной станции согласно патентной заявке Норвегии 20034055, то защиту электродвигателя компрессора и магнитных подшипников (второй и (выборочно) третий отсек) от водяного конденсата и углеводородов можно будет значительно упростить. В этом случае, в принципе, не будет необходимости в инжекции инертного или сухого углеводородного газа во время работы компрессора, т.к. среда в модуле компрессора и в рециркуляционной линии защиты от скачка давления будет полностью сухой во время работы. Поэтому упомянутая инжекция нужна только тогда, когда компрессор выключен или бездействует. Но во время работы непрерывно подводится слабый поток инжекции (постороннего) газа для защиты от конденсации.

Реферат

Изобретение относится, в частности, к подводному модулю газового компрессора, имеющего охранный кожух, содержащему уплотнительный элемент (14), по существу ограничивающий в охранном кожухе первый отсек, в котором расположен компрессор (2), и второй отсек, в котором расположен электродвигатель (1), причем компрессор и электродвигатель приводным образом соединены с по меньшей мере одним валом (13). Первый отсек соединен с входной линией (11) и выходной линией для изолирования углеводородного газа и для нагнетания газа. Второй отсек имеет магнитные подшипники (12), на которые опирается по меньшей мере один вал, и регулятор давления и объема, который посредством текучей среды сообщается со вторым отсеком и источником (10, 11) газа. Модуль содержит средство для определения соответствующих давлений во входной и выходной линиях, причем исходя из величины определяемого давления регулятор давления и объема регулирует давление, под которым газ инжектируется во второй отсек. Подводный модуль газового компрессора отличается тем, что по меньшей мере один вал опирается на магнитные подшипники, управляемые блоком (16) управления, при этом подшипники и блок управления установлены по меньшей мере в одном охранном кожухе, содержащем текучую среду, находящуюся под регулируемым давлением, и защищены от попадания морской воды. Такое выполнение подводного модуля обеспечивает полностью или почти полностью сухую среду для электродвигателя и для магнитных подшипников. 3 н. и 13 з.п.ф-лы, 3 ил.

Формула