Beschreibung

Verfahren zum Betrieb einer Verdichtervorrichtung und zugehörige Verdichtervorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtervorrichtung und eine Verdichtervorrichtung mit einem elektrischen Antrieb, einem Verdichterraum und einem an den Verdichterraum angrenzenden Kühlraum, bei welchem der Verdichterraum von einer Trennwand in Gestalt eines Rohres umgeben ist, welche den Verdichterraum gegenüber einem Kühlraum kapselt und der Kühlraum Teil einer Kühleinrichtung ist und ein Kühlmedium beinhaltet, welches durch eine

Kühlkreislaufleitung aus dem Kühlraum heraus und in diesen hineingefördert werden kann, wobei das Kühlmedium zum Abführen von Wärme dient, welche hauptsächlich durch einen Statorteil des elektrischen Antriebes entsteht.

Bei bekannten Verdichtervorrichtungen bzw.

Kompressorvorrichtungen ist es üblich den Verdichterraum zu kühlen und dazu einen an den Verdichterraum angrenzenden Kühlraum vorzusehen. So ist es bei bekannten Kompressorvorrichtungen mit einem gemeinsamen Druckgehäuse für Antrieb und Kompressor bekannt, zur Trennung eines Verdichtermediums im Verdichterraum vom Kühlmedium im angrenzenden Kühlraum eine vergleichsweise dünne Trennwand vorzusehen. Diese Trennwand kann beispielsweise ein Rohr sein, welches bei einer Kompressorvorrichtung zwischen dessen elektrischem Stator und dem Rotor vorgesehen sein soll. Ein derartiges Rohr soll zur Erreichung der gewünschten elektrischen Funktionalität möglichst dünn gestaltet sein. Ein derart dünnwandiges Rohr ist in seiner Druckstabilität allerdings begrenzt, so dass im Hinblick auf die vorhandene

Drucksituation zwischen Verdichterraum und Kühlraum jegliches Gefahrenpotential ausgeschlossen werden muss.

Damit selbst bei hohen Kompressordrücken mit vergleichsweise dünnwandigen Rohren gearbeitet werden kann, ist es bekannt den Druck des Kühlmediums mit Hilfe eines Kolbenspeichers kleiner oder gleich dem Kompressordruck zu halten. Ein derartiges System, wie es beispielsweise aus EP 1 482 179 Bl bekannt ist, ist allerdings sehr aufwendig zu justieren und kann gegebenenfalls durch einen Einschluss von Gasen, wie beispielsweise Luft, in den Medien in seiner Funktion erheblich gestört werden.

Aus der WO 98/53182 ist bereits eine Mehrphasenpumpe für den unterseeischen Betrieb bekannt, bei der ein

Druckausgleichssystem für ein positives Druckgefälle zwischen einer Schmier- und Kühlflüssigkeit und dem Prozessmedium sorgt, wobei der antreibende Elektromotor mittels einer

Wellendichtung von der fördernden Pumpe getrennt ist und das antriebsseitige Volumen vollständig mit der Schmier- und Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Die WO 00/73621 Al, die WO 2007/055589 Al, die WO 2005/003512 Al, die US 2,423,436, die EP 0 550 381 Al beschäftigen sich ebenfalls mit Pumpen oder Verdichtern, die einen von dem Strömungsaggregat mittels einer Dichtung separierten Antrieb aufweisen, so dass das zu fördernde Prozessfluid nicht mit dem Antrieb in Kontakt tritt. Derartige Dichtungen sind aufwendig, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Dichtigkeit. Aus der WO

2007/110281 Al ist eine Verdichtereinheit bekannt, bei der ein Stator eines elektrischen Antriebs mittels einer zylindrischen Trennwand von einem Verdichterraum getrennt ist. Die Festigkeitsanforderungen an eine derartige Trennwand sind insbesondere bei einem hohen Druckniveau mittels herkömmlicher Materialien, die auch in Bezug auf das Verhalten in dem elektrischen Feld und die chemische Beständigkeit das Anforderungsprofils erfüllen, kaum zu erfüllen .

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtervorrichtung und eine zugehörige Verdichtervorrichtung zu schaffen, bei dem die oben genannten Probleme auf kostengünstige Weise gelöst und insgesamt ein

gefahrenlos zu betreibender Kompressor selbst für hohe Kompressionsdrücke geschaffen ist. Die erfindungsgemäße Lösung soll insbesondere für Verdichtervorrichtungen in der öl- und Gasindustrie verwendbar sein.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betrieb einer Verdichtervorrichtung gemäß Anspruch 1 und einer Verdichtervorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Verdichtervorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Druck des Kühlmediums während des Betriebs der Verdichtervorrichtung über dem Druck des Verdichter- bzw. Kompressormediums gehalten. Erfindungsgemäß ist dadurch gewährleistet, dass selbst bei Undichtigkeiten an einer Trennwand zwischen Verdichterraum und Kühlraum kein Gas aus der

Verdichtervorrichtung in das Kühlmedium austreten kann. Die erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung ist im Hinblick auf die Gefahrensituation an der Trennwand zwischen

Verdichterraum und Kühlraum besonders gut abgesichert. Das Gasvolumen des Verdichterraums ist durch den höheren Druck im Kühlraum und den zugehörigen Kühlkreislauf sicher abgedichtet .

Erfindungsgemäß bevorzugt werden insbesondere temperatur- und/oder druckbedingte Volumenänderungen im Kühlraum mittels einer Ausgleichseinrichtung durch Einschleusen und Ausschleusen von Kühlmedien in den bzw. aus dem Kühlraum ausgeglichen. Neben der damit erzielten Absicherung der Drucksituation im Kühlraum sind das derartige erfindungsgemäße System und das zugehörige Verfahren ferner unabhängig im Hinblick auf die tatsächliche Größe bzw. das Volumen des Kühlkreislaufs der Verdichtervorrichtung. Egal ob

ein großes oder ein kleines Volumen des Kühlkreislaufs vorliegt, das Volumen kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung stets vollständig gefüllt werden.

Bevorzugt werden bei der erfindungsgemäßen Lösung ferner Gasblasen aus dem Kühlmedium mittels einer Entlüftungseinrichtung abgeführt. Diese

Entlüftungseinrichtung trägt ebenfalls zur Sicherstellung des erfindungsgemäßen, im Vergleich zum Verdichterraum höheren Drucks im Kühlraum bei.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner die oben genannte Ausgleichseinrichtung mit einem Differenzdruckregler zum Regeln des Differenzdruckes zwischen dem Kühlraum und dem Verdichterraum gestaltet, der einen Regelkolben und ein mit diesem betätigbares Regelventil aufweist. Auf den Regelkolben wirkt dabei vorteilhaft auf einer Seite der Druck des Kompressors bzw. der Druck, welcher im Verdichterraum vorherrscht. Auf der anderen Seite des Regelkolbens steht insbesondere der Druck des Kühlmediums an, der, damit er höher als der Druck im Verdichterraum gehalten werden kann, durch eine zusätzlich am Regelkolben wirkende Kraft erhöht wird.

Besonders bevorzugt ist der Differenzdruckregler dabei mit einem Regelkolben gestaltet, der eine mit dem Kühlraum fluidleitend verbundene erste Kolbenkammer und eine mit dem Verdichterraum fluidleitend verbundene zweite Kolbenkammer aufweist und bei dem der Regelkolben auf der Seite der zweiten Kolbenkammer federnd in Richtung zur ersten Kolbenkammer vorgespannt ist. Die derartige federnde Vorspannung erzeugt in der ersten Kolbenkammer eine Druckerhöhung im Vergleich zur zweiten Kolbenkammer, so dass auf diese Weise der Druck des Kühlmediums, wie erfindungsgemäß vorgesehen, höher als der Druck des Verdichtermediums gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Ausgleichseinrichtung ist ferner bevorzugt mit einer Differenzdruckmesseinrichtung zum Messen

des Differenzdrucks zwischen dem Kühlraum und dem Verdichterraum gestaltet. Die

Differenzdruckmessungseinrichtung ermittelt während des Betriebs der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung den genannten Differenzdruck und erzeugt ein Signal, dass bei geringem oder keinem Differenzdruck mit der oben genannten Ausgleichseinrichtung Kühlmedium in den Kühlkreislauf in den Kühlraum eingeschleust wird.

Die Ausgleichseinrichtung ist dazu bevorzugt mit einem

Druckerzeuger zum Nachfördern von Kühlmedium in den Kühlraum gestaltet, welcher insbesondere, wie oben erläutert, von der Differenzdruckmesseinrichtung betätigbar ist.

Ferner ist die Ausgleichseinrichtung bevorzugt mit einem Druckablass zum Ablassen von Kühlmedium aus dem Kühlraum gestaltet, welche insbesondere von dem oben genanntem Regelkolben betätigbar ist. Als Druckablass kann ferner vorteilhaft ein überdruckventil und/oder ein Sicherheitsventil an dem Druckerzeuger vorgesehen sein. Zur Absicherung der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung sind ferner vorteilhaft so genannte Differenzdruckabsicherungen zwischen der Druckseite des Kühlmediums und der Druckseite des Verdichtermediums vorgesehen, die bei einem erhöhtem Differenzdruck zwischen diesen beiden Seiten eines erfindungsgemäßen Kompressors ab einer vorbestimmten Druckschwelle eine Druckentlastung mittels einer beweglichen Wand sicherstellen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt die Fig. einen stark schematischen Funktionsplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung .

Eine Verdichtervorrichtung 10 ist in Gestalt eines Turbokompressors ausgebildet und weist dabei einen

Verdichterraum 12 mit einem darin teilweise integrierten Antrieb (nicht dargestellt) des Turbokompressors auf. In dem Verdichterraum 12 befindet sich ein (nicht näher veranschaulichtes) Verdichtermedium.

Der Verdichterraum 12 ist von einer Trennwand 14 in Gestalt eines Rohres umgeben, welche den Verdichterraum 12 gegenüber einem Kühlraum 16 kapselt. Der Kühlraum 16 ist Teil einer Kühleinrichtung 18 und beinhaltet ein (nicht näher veranschaulichtes) Kühlmedium, welches durch eine

Kühlkreislaufleitung 20 aus dem Kühlraum 16 heraus und in diesen hineingefördert werden kann. Das Kühlmedium dient dabei zum Abführen von Wärme, welche hauptsächlich durch den Statorteil des elektrischen Antriebes entsteht. In die Kühlkreislaufleitung 20 sind dazu eine Kühlpumpe 22 mit einem zugehörigen Kühlpumpenantrieb 24 sowie ein Kühler 26 in Reihe geschaltet .

An der Verdichtervorrichtung 10 ist eine Differenzdruckregeleinrichtung 28 vorgesehen, die einen

Regelkolben 30 aufweist. Der Regelkolben 30 trennt eine erste Kolbenkammer 32 von einer zweiten Kolbenkammer 34 ab, wobei in der ersten Kolbenkammer 32 der Druck des Kühlmediums und in der zweiten Kolbenkammer 34 der Druck des Verdichtermediums ansteht. In der zweiten Kolbenkammer 34 befindet sich ferner ein Federelement 36, mittels dem der Regelkolben 30 federnd in Richtung auf die erste Kolbenkammer 32 gedrängt wird. Auf diese Weise herrscht in der ersten Kolbenkammer 32 ein im Vergleich zur zweiten Kolbenkammer 34 höherer Druck.

Vom Regelkolben 30 ist ferner ein Ventil 38 betätigbar, mittels dem Kühlmedium aus der Kühlkreislaufleitung 20 ausgeschleust werden kann. Dieses Ausschleusen findet statt, wenn sich das Volumen des Kühlmediums in der

Kühlkreislaufleitung 20 im Bereich zwischen dem Kühlraum 16 und der Kühlpumpe 22 (insbesondere auf Grund einer Erwärmung des Kühlmediums) ausdehnt. Die derartige Ausdehnung des Kühlmediums führt dazu, dass der Regelkolben 30 in Richtung

zur zweiten Kolbenkammer 34 gedrängt wird und dadurch das Ventil 38 geöffnet wird. Das Ventil 38 gibt dann eine Leitung zu einer Nachfüll- und Speichereinrichtung 40 frei, durch die Kühlmedium abfliesen kann. Das Ventil 38 ist im eingebauten Zustand im System an der höchsten Stelle angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass das Ventil 38 die Funktion einer Entlüftungseinrichtung übernimmt und das System über das Ventil 38 entlüftet wird. Eine Differenzdruckmesseinrichtung 42 ist dazu vorgesehen, den Differenzdruck zwischen der ersten Kolbenkammer 32 und der zweiten Kolbenkammer 34 messtechnisch zu erfassen. Die Differenzdruckmesseinrichtung 42 weist dazu ein Messmittel 44 und einen Signalerzeuger 46 einer vordefinierten oberen Messschwelle sowie einen Signalerzeuger 48 einer vordefinierten unteren Messschwelle auf. Wenn der

Differenzdruck zwischen der ersten Kolbenkammer 32 und der zweiten Kolbenkammer 34 unter den Wert der unteren Messschwelle absinkt, erzeugt der Signalerzeuger 48 ein elektrisches Signal, welches zu einer Steuerung 50 eines Nachfüllpumpenantriebs 52 geleitet wird. Der

Nachfüllpumpenantrieb 52 gehört zu einer Nachfüllpumpe 54, mittels der Kühlmedium aus einem Speichertank 56 der Nachfüll- und Speichereinrichtung 40 vorbei an einem Sicherheitsventil 58 durch eine Rückschlagarmatur 60 und ein Absperrorgan 62 in die Kühlkreislaufleitung 20 eingeschleust werden kann.

Das Sicherheitsventil 58 sichert die Nachfüll- und Speichereinrichtung 40 und im Wesentlichen die durchführende Leitung hinter der Pumpe 54 dabei gegen überdruck z. B. bei geschlossener Rückschlagarmatur 60 oder geschlossenem Absperrorgan ab, während die Rückschlagarmatur 60 einen Rückfluss von Kühlmittel aus der Kühlkreislaufleitung 20 zurück in den Speichertank 56 während des Stillstands der Nachfüllpumpe 54 verhindert.

Das Kühlmedium wird mittels der Nachfüllpumpe 54 in die Kühlkreislaufleitung 20 zwischen dem Kühlraum 16 und der Kühlpumpe 22 eingeleitet, so dass damit auch der Druck im

Kühlraum 16 sowie in der ersten Kolbenkammer 32 erhört wird. Diese Erhöhung des Drucks erfolgt solange, bis mit dem Signalerzeuger 46 die obere Messschwelle für die Druckdifferenz zwischen der ersten Kolbenkammer 32 und der zweiten Kolbenkammer 34 ermittelt wird.

Auf diese Weise bilden die Differenzdruckregeleinrichtung 28 mit ihrem Ventil 38, die Differenzdruckmesseinrichtung 42 sowie die Nachfüll- und Speichereinrichtung 40 mit ihrer Nachfüllpumpe 54 zusammen eine Ausgleichseinrichtung 64, mittels der sichergestellt ist, dass während des Betriebs der Verdichtervorrichtung 10 der Druck des Kühlmediums im Kühlraum 16 über den Druck des Verdichtermediums im Verdichterraum 12 gehalten wird.

An der Nachfüll- und Speichereinrichtung 40 ist schließlich noch ein Regelventil 66 zum Einschleusen von Stickstoff in den Speichertank 56 vorgesehen, was bei Kühlmedien stattfindet, die empfindlich gegen Luftfeuchtigkeit oder Luftsauerstoff reagieren bzw. die gegen eine äußere

Atmosphäre abgeschirmt werden sollen. Ein am Speichertank 56 ferner vorgesehenes überdruckventil 68 sichert dabei den Speichertank 56 gegen überdruck ab.

Ferner sind zwischen dem Kühlraum 16 und dem Verdichterraum 12 noch zwei Differenzdruckabsicherungen 70 und 72 zwischengeschaltet, die bei einem überhohen Differenzdruck zwischen dem Verdichterraum 12 und dem Kühlraum 16 zu beiden Seiten (d.h. einmal in Richtung des Verdichterraums 12 und einmal in Richtung des Kühlraums 16) ab einer vordefinierten Druckschwelle eine Druckentlastung bilden können.