BRPI0709131A2 - unidade de compressor - Google Patents
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Abstract
UNIDADE DE COMPRESSOR. A presente invenção refere-se a uma unidade de compressor (1), em particular para operação subaquática, onde o estator (16) do motor (2) é conectado em um recurso de resfriamento separado (40). é um objetivo de a invenção prover um recurso de resfriamento para o estator do motor elétrico, cujo recurso de resfriamento, em primeiro lugar, proporciona excelente confiabilidade operacional e, em segundo lugar, não exige qualquer troca de materiais com os arredores durante a operação. Para esse fim, existe a provisão que o recurso de resfriamento (40) seja configurado em tal maneira que existe uma circulação natural de um meio de resfriamento (56) no recurso de resfriamento (40) do estator (16) sob condições de operação. Uma vantagem decisiva da unidade do compressor (1) de acordo com a invenção se situa no fato que o recurso de resfriamento separado (40) do estator (16) pode ser adaptado precisamente para as condições de operação do último e, em particular, em primeiro lugar, a alta perda de potência e, em segundo lugar, a sensibilidade desse componente, podem ser consideradas.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "UNIDADE DECOMPRESSOR".
A presente invenção refere-se a uma unidade de compressorpara a compressão de um meio de bombeamento, em particular para a ope-ração subaquática, compreendendo um compressor e um motor elétrico quecompreende um estator e um rotor.
Desenvolvimentos recentes no campo de projeto de compressortambém se concentraram em disposições submarinas de grandes compres-sores que são planejados para serem usados para o bombeamento de ga-ses naturais. Por causa das condições de operação particulares, em particu-lar por causa da acessibilidade grandemente restrita tanto para finalidadesde manutenção quanto por meio de linhas de suprimento, os especialistassão confrontados com exigências majoritárias. As regulamentações ambien-tais relevantes proíbem qualquer troca de substâncias entre o equipamentoa ser instalado e a água do mar circundante. Além do mais, a água do mar éum meio agressivo e condições de temperatura e pressão extremas podemser encontradas nas várias profundidades do mar. Uma exigência adicional éque o equipamento deve, por um lado, ter uma duração extremamente longae, por outro lado, deve ser projetado para ser virtualmente livre de manuten-ção. Um fator agravante adicional é a contaminação não insignificante domeio a ser bombeado que, em alguns casos, é quimicamente agressivo.
Uma unidade de compressor do tipo acima mencionado já é co-nhecida do pedido de patente internacional WO 02/099286 A1·. A unidade decompressor descrita lá provê, para finalidades de resfriamento, que umaporção seja extraída para fora do meio de bombeamento, geralmente gásnatural, na área de um transbordamento dos estágios radiais do compressore seja usada para passar junto aos componentes a serem resfriados, emuma tal maneira que as perdas térmicas, que são na ordem da magnitude de100 - 200 kW, são dissipadas com o meio frio a ser bombeado.
Esse conceito para resfriamento da unidade do compressor éparticularmente vantajoso desde que o meio de bombeamento que deve sertransportado em qualquer caso é usado para dissipar as perdas térmicas enão existe necessidade de qualquer troca adicional de meios entre a unida-de do compressor e os componentes adicionais do ambiente. Entretanto,esse procedimento resulta em dificuldades particulares graças às caracterís-ticas químicas agressivas dos meios a serem bombeados. Embora seja sufi- ciente que o fluxo seja passado junto do rotor para resfriamento, medidas deresfriamento adicionais são necessárias para dissipar as perdas térmicaspara o estator.
Um risco adicional é o isolamento geralmente poroso do estatorque absorve parte do meio de bombeamento na área onde o meio de bom-beamento flui ao redor dele, enquanto o meio de bombeamento fica em con-tato com o estator como um meio de resfriamento, em uma tal maneira que,na eventualidade de uma queda de pressão repentina, por exemplo, no casode uma interrupção na operação, isso leva à expansão explosiva do meioabsorvido nos poros do isolamento, que é, em conseqüência, destruído.
As desvantagens descritas com seus altos riscos para a dispo-nibilidade de uma unidade de compressor são inaceitáveis em particular pa-ra a operação subaquática, por exemplo, para o bombeamento de gás natu-ral.
A invenção é baseada, portanto, no objetivo de prover uma dis- posição de resfriamento para o estator de um motor elétrico de uma unidadede compressor acionada por motor, em particular para a operação submari-na, que, por um lado, oferece excelente confiabilidade operacional e, poroutro lado, não exige que quaisquer substâncias sejam trocadas com o am-biente durante a operação.
Uma unidade de compressor como reivindicada na reivindicação1 é proposta a fim de resolver esse problema. Cada uma das reivindicaçõesdependentes contém desenvolvimentos vantajosos da invenção.
Uma vantagem principal da unidade do compressor de acordocom a invenção é que o resfriamento separado do estator pode ser igualado precisamente com as suas condições de operação e, em particular, é possí-vel considerar, por um lado, as altas perdas de potência e, por outro lado, asensibilidade desse componente.Em particular, a sensibilidade do estator à contaminação é con-siderada se a disposição de resfriamento tem um circuito fechado no qualum meio de resfriamento circula. Um desenvolvimento conveniente da in-venção proporciona que o estator seja provido com canais de resfriamento eque o meio de bombeamento flua através desses canais para resfriamento.Quando usando o meio de bombeamento para finalidades de resfriamento,essa modalidade envolve o risco que a contaminação do meio de bombea-mento durante o decorrer da operação afete adversamente o fluxo atravésdos canais, e possa também bloqueá-los. A disposição de resfriamento doestator é operacionalmente confiável por causa do circuito separado de a-cordo com a invenção.
É conveniente que a disposição de resfriamento tenha um con-densador que é conectado no estator resfriado por meio de uma linha dealimentação e uma linha de retorno, com a disposição de resfriamento sendoprojetada tal que o meio de resfriamento circula entre o condensador, a linhade retorno, o estator e a linha de alimentação. A circulação pode ser condu-zida particularmente de maneira vantajosa por meio da convecção natural,assim resultando em uma circulação natural do meio de resfriamento entreos componentes acima mencionados. Isso torna possível evitar precauçõesde bombeamento adicionais para o meio de resfriamento, assim reduzindo acomplexidade da unidade do compressor e, dessa maneira, contribuindopara alta disponibilidade. A fim de garantir uma faixa de operação térmicaparticularmente ampla, a circulação na disposição de resfriamento podetambém ser conduzida por meio de uma bomba em uma tal maneira queisso sempre resulta em uma circulação forçada.
O meio de resfriamento é, de maneira particularmente vantajo-sa, em uma tal forma que uma mudança de fase de pelo menos uma partedo meio de resfriamento acontece na circulação na disposição de resfria-mento. Isso resulta no desempenho de resfriamento sendo particularmenteelevado. A pressão do enchimento do meio de resfriamento no circuito fe-chado pode ser ajustada tal que, nas condições de operação, pelo menosuma porção do meio de resfriamento muda para a fase gasosa durante aabsorção de calor no estator e essa porção retorna para a fase líquida du-rante a emissão de calor no condensador.
Amônia, bióxido de carbono e hidrocarbonetos são altamenteadequados para uso como um meio de resfriamento. Os hidrocarbonetospodem ser halogenados e não halogenados, em cujo caso os hidrocarbone-tos não halogenados são vantajosos sobre os hidrocarbonetos halogenados,da mesma maneira como amônia e bióxido de carbono, por razões de com-patibilidade ambiental.
Para as finalidades da invenção, o resfriamento separado para oestator do motor elétrico da unidade do compressor, por um lado, e um sis-tema de resfriamento para os elementos adicionais da unidade do compres-sor, por outro lado, são particularmente convenientes. A separação do resfri-amento do sistema de resfriamento é apropriada para as exigências particu-lares para a dissipação térmica do estator de uma unidade do compressordesse tipo genérico.
O sistema de resfriamento que, entre outras coisas, resfria ocompressor e o rotor do motor bem como de maneira particularmente vanta-josa provê o meio de bombeamento como o meio de resfriamento, como umresultado do que as perdas térmicas são dissipadas com o meio de bombe-amento a ser comprimido. Isso é particularmente vantajoso para bombea-mento submarino de gás natural, desde que isso é, de forma geral, relativa-mente frio.
É particularmente conveniente que o meio de bombeamento fluaao redor do rotor no circuito aberto.
O meio de bombeamento é, com freqüência, altamente contami-nado e pode afetar adversamente a operação dos componentes sensíveisquando ele flui ao redor deles. Portanto, é conveniente projetar os mancaisdo rotor, especificamente os mancais axiais e os mancais radiais, em umaforma encapsulada, tal que nenhuma substância é trocada entre o ambientee esses componentes. Isso significa que mancais magnéticos devem serusados. Isso também se aplica ao rotor e ao estator, que podem ser protegi-dos em uma maneira similar por meio da encapsulação contra os meios debombeamento agressivos.
A fim de garantir que não exista necessidade de projetar a dis-posição de resfriamento do estator em uma maneira onerosa para a máximadiferença de pressão - resultante, por um lado, da pressão externamenteaplicada do meio de bombeamento de resfriamento que é usado na área aoredor do estator a fim de resfriar os outros componentes da unidade do com-pressor por meio do sistema de resfriamento, e por outro lado, da pressãointerna da disposição de resfriamento - é conveniente prover pressões deoperação diferentes para a disposição de resfriamento para pressões dife-rentes do meio de bombeamento, e mudar o meio de resfriamento para res-friamento como uma função da pressão de operação. A aplicação específicana qual o gás natural está sendo bombeado, isso significa que a pressão domeio de bombeamento na entrada pode variar entre 4 MPa e 14 MPa (40 bare 140 bar) dependendo da quantidade e rendimento do depósito, e, portanto,que a disposição de resfriamento deve ser projetada para uma pressão dife-rencial de até 20 MPa (200 bar) se a disposição de resfriamento é operadasomente com o mesmo meio de resfriamento sobre todo o período durante oqual o gás natural está sendo bombeado. Vantajosamente, é possível proje-tar somente uma diferença de pressão reduzida se o meio de resfriamento éalterado como uma função da pressão do meio de bombeamento, por exem-plo, na seqüência propano, butano, freon. A mudança no meio de resfria-mento pode ser vantajosamente sincronizada com outras tarefas de manutenção.
A invenção será explicada em mais detalhes no texto seguinteusando uma modalidade exemplar específica e com referência aos dese-nhos nos quais:
figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma seção longi-tudinal através de uma unidade do compressor de acordo com a invenção, e
figura 2 mostra uma ilustração esquemática do motor da unida-de do compressor com a disposição de resfriamento separada, como umtermosifão.
A figura 1 mostra, esquematicamente, uma seção ao longo deuma unidade do compressor 1 de acordo com a invenção que tem, comocomponentes principais, um motor 2 e um compressor 3 em um alojamentohermético ao gás 4. O alojamento 4 acomoda o motor 2 e o compressor 3.O alojamento 4 é provido com uma entrada 6 e uma saída 7 na área da jun-ção entre o motor 2 e o compressor 3, com o fluido a ser comprimido sendosugado para dentro através da entrada 6 por meio de um toco de conexãode sucção 8 e com o fluido comprimido fluindo para fora através da saída 7.
A unidade do compressor 1 é disposta verticalmente durante aoperação, com um rotor do motor 15 do motor 2 acima de um rotor do com-pressor 9 do compressor 3 sendo combinado para formar um eixo comum 19que gira ao redor de um eixo geométrico de rotação vertical comum 60.
O rotor do motor 15 é suportado em um primeiro mancai radial21 na extremidade superior do rotor do motor 15.
O rotor do compressor 9 é suportado por meio de um segundomancai radial 22 na posição inferior.
Um mancai axial 25 é provido na extremidade superior do eixocomum 19, isto quer dizer na extremidade superior do rotor do motor 15. Osmancais radiais e o mancai axial operam eletromagneticamente e são en-capsulados individualmente. Nesse caso, os mancais radiais se estendem20 ao redor do ponto de mancai respectivo do eixo 19 na direção circunferenciale nesse caso são circunferenciais através de 360° e são ininterruptos.
O compressor 3 é na forma de um compressor centrífugo e temtrês estágios de compressor 11 que são conectados, cada um, por meio deum transbordamento 33. As diferenças de pressão que resultam através dos25 estágios do compressor 11 garantem que existe um empuxo no rotor docompressor 9 que é transmitido no rotor do motor 15 e é direcionado contraa força de gravidade de todo o rotor resultante compreendendo o rotor docompressor 9 e o rotor do motor 15, assim resultando em um grau muito altode correspondência de empuxo durante a operação calculada. Isso permite30 que o mancai axial 25 seja projetado para ser comparativamente menor doque se o eixo geométrico de rotação 60 fosse para ser disposto horizontal-mente.Os mancais eletromagnéticos 21, 22, 25 são resfriados para atemperatura de operação por meio de um sistema de resfriamento 31, com osistema de resfriamento 31 provendo uma derivação 32 em um transborda-mento do compressor 3. Uma porção do meio de bombeamento, que é pre-ferivelmente gás natural, é passada da derivação 32 por meio de canaliza-ções através de um filtro 35 e é então passada através de duas canalizaçõesseparadas para os pontos respectivos de mancai externo (primeiro mancairadial 21 e quarto mancai radial 24 bem como o mancai axial 25). Esse res-friamento por meio do meio de bombeamento frio 80 evita as linhas de su-primento adicionais.
O rotor do motor 15 é circundado por um estator 16 que tem en-capsulação 39, tal que o meio de bombeamento agressivo 80 não danificaos enrolamentos do estator 16. A encapsulação é, nesse caso, preferivel-mente projetada tal que ela pode contribuir para a pressão de operaçãocompleta. Isso é também porque uma disposição de resfriamento separada40 é provida para o estator, em cuja disposição de resfriamento 40, um meiode resfriamento dedicado 56 circula. Uma bomba 42 nesse caso garante acirculação via um trocador de calor 43, ajudando a circulação natural.
Pelo menos a encapsulação 39 é projetada tal que a seção quese estende entre o estator 16 e o rotor do motor 15, embora tendo uma es-pessura de parede fina é, contudo, capaz de suportar a pressão de projetoquando a disposição de resfriamento do estator 40 está completamentecheia por intermédio do meio de resfriamento 56. Isso torna possível evitarperdas relativamente altas de corrente parasita nessa área, assim melho-rando a eficiência da disposição geral.
Dependendo da pressão do meio de bombeamento, a pressãodo enchimento ou o meio de resfriamento 56 na disposição de resfriamentodo estator 40 pode ser igualado tal que a encapsulação é sempre operadana faixa de projeto da diferença de pressão. O meio de resfriamento 56 podeser adequadamente alterado durante as tarefas de manutenção, por exem-plo, na seqüência de propano para butano para freon, na seqüência da pres-são cadente.O rotor do compressor 9 convenientemente tem um eixo decompressor 10 no qual os estágios do compressor 11 individuais são monta-dos. Isso pode ser feito preferivelmente por meio de um ajuste de contraçãotérmica. Um travamento, por exemplo, por meio de polígonos, é da mesma maneira possível. Uma outra modalidade provê estágios diferentes de com-pressor 11 a serem soldados entre si, assim resultando em um rotor decompressor 9 integral.
A figura 2 mostra o rotor do motor 15, o estator 16 e a disposi-ção de resfriamento 40. A disposição de resfriamento 40 tem um circuito deresfriamento 50 que se estende através dos canais de resfriamento 51, á-reas de coleta 52 dispostas em ambos os lados dos canais de resfriamento51, para linhas que conectam essas áreas de coleta, especificamente umalinha de alimentação 53 e uma linha de retorno 54, bem como um conden-sador 55 disposto entre a linha de alimentação 53 e a linha de retorno 54. O meio de resfriamento 56, por exemplo, um hidrocarboneto, começa a fluirnos canais de resfriamento 51 do estator 16, flui através da linha de alimen-tação 53 para dentro do condensador 55 onde o meio de resfriamento 56 écondensado e a seguir flui como um líquido através da linha de retorno 54para dentro de uma área de coleta 52 que fica localizada na extremidade de retorno dos canais de resfriamento 51. O circuito é fechado, e a pressão e aquantidade com a qual ele está cheio são escolhidas tal que uma mudançade fase acontece entre a alimentação e o retorno. A diferença de temperatu-ra entre a alimentação e o retorno é de preferência de -263,15°C (10 K).O condensador fica localizado geodesicamente no ponto mais alto (diferença de altura ΔΗ), assim permitindo uma circulação natural. Uma bomba 42 podeser disposta no retorno para ajudar isso. O estator é encapsulado e o resfri-amento por intermédio do meio de bombeamento 80 que flui ao redor do ro-tor 15 acontece em um vão entre o rotor 15 e o estator 16.
Claims (14)
1. Unidade de compressor (1) para a compressão de um meiode bombeamento (80), em particular para a operação subaquática, compre-endendo um compressor (3) e um motor elétrico (2) que compreende umestator (16) e um rotor (15), com o estator (16) do motor (2) sendo conecta-do em uma disposição de resfriamento separada (40) e sendo resfriado porintermédio da disposição de resfriamento separada (40), caracterizada pelofato de que a disposição de resfriamento (40) é projetada tal que um meio deresfriamento (56) naturalmente circula na disposição de resfriamento (40) doestator (16) nas condições de operação.
2. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que a disposição de resfria-mento (40) tem um circuito fechado (circuito de resfriamento 50) no qual omeio de resfriamento (56) circula.
3. Unidade de compressor (1) de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a disposição de resfriamento (40) tem umcondensador (55) que é conectado no estator resfriado (16) por meio de pelomenos uma linha de alimentação (53) e pelo menos uma linha de retorno(54), com a disposição de resfriamento (40) sendo projetada tal que o meiode resfriamento (56) circula entre o condensador (55), a linha de retorno(54), o estator (16) e a linha de alimentação (53).
4. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que uma bomba (42) é pro-vida na linha de retorno (54) e bombeia o meio de resfriamento (56), tal queuma circulação forçada é produzida.
5. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o meio de resfriamento(56) é de tal forma que uma mudança de fase do meio de resfriamento (56)acontece, pelo menos parcialmente, na circulação em particular no circuitofechado (circuito de resfriamento 50) nas condições de operação e na pres-são de operação, especificamente com o meio de resfriamento (56) mudan-do para a fase gasosa durante a absorção de calor no estator (16), e com omeio de resfriamento (56) mudando para a fase líquida durante a emissãode calor no condensador (55).
6. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o meio de resfriamento(56) é um hidrocarboneto.
7. Unidade de compressor (1) de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que o compressor (3), os mancais (mancais radi-ais 21-24, mancai axial 25) da unidade do compressor (1) e o rotor (15) domotor (2) são conectados em um sistema de resfriamento adicional e sãoresfriados por intermédio desse sistema de resfriamento.
8. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o sistema de resfriamen-to (31) tem um meio de resfriamento que é o meio de bombeamento (80).
9. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o meio de bombeamen-to (80) é gás natural.
10. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o sistema de resfriamen-to (31) é projetado tal que o meio de resfriamento flui ao redor do rotor domotor (15).
11. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes 8 a 10, caracterizada pelo fato de que as paredes dadisposição de resfriamento (40) são adjacentes ao meio de bombeamentodo resfriamento e são projetadas para uma pressão diferencial máxima entrea pressão do meio de bombeamento (80) e a pressão do meio de resfria-mento em todos os estados de operação.
12. Unidade de compressor (1) de acordo com uma das reivindi-cações precedentes 8 a 10, caracterizada pelo fato de que as paredes dadisposição de resfriamento (40) são adjacentes ao meio de bombeamentodo resfriamento e não são projetadas para uma pressão diferencial máximaentre a pressão do meio de bombeamento (80) e a pressão do meio de res-friamento em todos os estados de operação, e a pressão do meio de resfri-amento é aumentada ou diminuída como uma função da pressão do meio debombeamento (80).
13. Método para a operação de uma unidade de compressor (1)como definida em uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelofato de que, quando a pressão do meio de bombeamento (80) na entrada (6)varia, o meio de resfriamento (40) na disposição de resfriamento (41) é alte-rado, e quando a pressão do meio de bombeamento (80) na entrada (6) cai,a pressão de operação do meio de resfriamento (40) na disposição de resfri-amento (41) é também reduzida.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pe-lo fato de que, quando a pressão de operação do meio de resfriamento (40)muda, o meio de resfriamento (40) é substituído por um diferente.
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