JP5986351B2 - 工業プラントにおけるプロセス流体用高圧圧縮ユニット及び関連する作動方法 - Google Patents

Description

好ましくは、本発明は、限定ではないが、酸性又は非酸性のガスの再注入プラントで使用するための高圧圧縮ユニット、並びにプロセス流体を加圧するための関連する方法に関する。

よく知られるように、圧縮機は、機械的エネルギーを使用することによって圧縮性流体（ガス）を昇圧できる機械である。産業分野におけるプロセスプラントで使用される種々のタイプの圧縮機はいわゆる遠心圧縮機を含み、ここでは、一般に、ロータ又はインペラと呼ばれる構成部品を通じて動力伝達機構（電気モータ又は蒸気タービン）により制御される、回転による遠心加速度の形態でガスに対しエネルギーが印加される。

遠心圧縮機は、いわゆる単一段構成と呼ばれる単一のロータを備えることができ、或いは、直列に配列され、多段圧縮機として知られる複数のインペラを有することができる。より正確には、遠心圧縮機の段の各々は、通常、加圧されることになるガスと、ガスに運動エネルギーを供給できるインペラと、インペラから生じるガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する役割を有するディフューザとから構成される。

ガスの再注入とは、通常はガス及び液体両方の原油を包含する炭化水素の地下堆積物に天然ガス又は不活性ガスを導入し、堆積物自体の内部圧力を高めて、原油の抽出容量、従って坑井の産出量を向上させるようにすることを意味する。加えて、堆積物へのガス、詳細には酸性ガスの再注入は、他の場合ではガス処理の残留物の廃棄が必要となった場合に発生する環境への影響の軽減に寄与することができる。

「炭化水素」は、炭素及び水素の原子を含む有機化合物全てを意味する。

要約すると、炭化水素において、炭素原子（Ｃ）は互いにつながって分子コアを形成し、水素原子（Ｈ）がこのコアから延びている。現在のところ、１３万種以上の炭化水素が分類されている。最も単純な炭化水素は、化学式ＣＨ４を有するメタンである。炭素原子の数が増えると、化学式Ｃ２Ｈ６のエタン、Ｃ２Ｈ４のエテン（すなわちエチレン）、及びＣ２Ｈ２のアセチレンが得られる。詳細には、原油は、外観、組成、及び物理的／化学的特性は異なるが、種々の炭化水素及びアルカンの混合物からなる。炭化水素は、自然界に種々の形態で他のガスとの混合物の状態で存在し、これらはほとんど価値なく、廃棄が困難なものである。

ガスの再注入は、次第に石油及び炭化水素産業において普及しており、再注入を実施する圧縮プラントにおいて、現在のところ１００ｂａｒから約３００ｂａｒまで定量化可能な高圧で動作することができる圧縮ユニットを利用可能にすることが必要となる。更に、将来的な用途では、５００ｂａｒを超える圧力までガスを圧縮するためにより高性能の圧縮ユニットが必要となることが予測される。

凝縮することなく流体を圧縮するために、中間冷却を制限又は排除することによって流体を圧縮することが可能であるが、その結果として圧縮プロセス自体の効率の低下を伴う。

同様に、圧縮により流体の臨界状態に達すると、冷却によってこれを凝縮し、圧縮ユニット自体に対し外部に位置付けられるポンプを用いて圧縮を継続することが可能である。

従来の高圧圧縮ユニットの１つの欠点は、最大出力圧の増大の際に生じる機械的又は流体力学的特性の種々の問題に起因して、技術上設計が困難なことである。このような技術上の問題の例は、外部シール、流体力学性能、及びその他に関する複雑な問題である。

別の欠点は、プロセス流体の臨界圧力を遙かに上回る圧力で圧縮ユニットを作動させなければならなくなってきており、上述の技術上の問題を悪化させることになる。加えて、高温での超臨界流体の圧縮により、圧縮機効率が低下することになる。

更なる欠点は、通常のポンプが圧縮ユニットの外部から使用される場合には、このような利用がプラントコストの増大の原因となる可能性があるにもかかわらず、大気へのガスの損失が生じるリスクが高く、これは酸性ガスが存在する場合には特に重大なことである。

実際には、外部に通したシャフトを用いて圧縮ユニットに機械的に接続されるポンプを使用することは、場合によっては機械の機械的複雑さを低減できる（単一のモータを用いて圧縮機及びポンプを駆動することができる）可能性があるが、ユニット及びポンプを接続するシャフト上に備える必要がある外部の動的シールからガスが損失するリスクが大きくなる。

従って、これら外部動的シールは、酸性流体の存在下では特に重要であり、必要な安全性を保証するためにユニットの設計及び保守コストが増大する。

更に別の欠点は、従来の機械が嵩高で重量があり、従って、例えば、プラットフォーム、浮遊貯蔵積出ユニット（ＦＳＯ：海洋域から抽出された後に石油貯蔵用に外海で係留されて動作するユニット）、海底坑井、及び他の場合におけるなど、重量が重要な海上又は海底用途において特に、輸送及び設置に比較的高価なことである。

従って、技術的に発展した現在でもこの問題は依然としてあり、より高性能で、構造及び保守の両方で安価に維持され、且つ同時に外部環境への損失リスクの低減が保証される、流体、特に酸性又は危険ガス用の高圧圧縮ユニットの製造に対してその必要性が認識される。

本発明の目的は、既知の技術で存在する上述の問題を少なくとも部分的に解決することができる、工業プラントで使用するための高圧圧縮ユニットを提供することである。

詳細には、本発明の目的は、１００ｂａｒを遙かに上回る圧力でも効率的な方法で動作できる高圧圧縮ユニットを提供することである。

本発明の別の目的は、特に酸性ガスの場合には環境に有害となるガスの大気への可能性のある漏出を排除又は少なくとも低減できる、高圧圧縮ユニットを提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、請求項１において説明された工業プラント用の高圧圧縮ユニットを提供すること、並びに請求項１５のような圧縮方法により達成される。

本発明の有利な態様は、従属請求項で説明される。

本発明の課題は、入口での実質的にガス状の初期熱力学的状態から中間熱力学的状態にまでプロセス流体を圧縮できる第１の圧縮装置と、第１の圧縮装置に機械的に接続され、中間熱力学的状態から最終熱力学的状態にまでプロセス流体を圧縮できる第２の圧縮装置と、互いに機械的に結合された少なくとも前記第１及び第２の圧縮装置を配置する、圧力下の単一のケーシング又はエンベロープ（「圧力ケーシング」又は「圧力境界」とも呼ばれる）とを少なくとも備えた、プロセス流体用の高圧組み込み圧縮ユニットの形態を取る。

本発明の１つの特に有利な実施形態では、駆動装置はまた、第１及び第２の圧縮装置に直接結合されたケーシング内に配置され、特に小型の圧縮ユニットを提供するようにする。

「第１の圧縮装置」は、有利且つ好ましくは、例えば、多段遠心圧縮機又は他の装置などを用いて、入口ガスを中間熱力学的状態に圧縮するのに好適な装置を意味する。

「第２の圧縮装置」は、有利且つ好ましくは、入口ガスを中間状態から最終熱力学的状態にまで圧縮できる装置を意味する。

詳細には、中間熱力学的状態の流体は、液体又は超臨界状態とすることができ、最初の場合（液体状態）では、第２の装置は、以下で説明するように、圧縮機又は多段遠心ポンプ、もしくは他の装置とすることができる。

有利には、入口のプロセス流体は、例えば、酸性ガスの混合物（油井の再注入プラント）、炭化水素（石油化学プラント）、天然ガス（ガス化プラント）、又は二酸化炭素（ＣＯ２）を含む混合物、もしくはその他を含むことができる、様々なガスの混合物とすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、圧縮ユニットは、上述の圧力ケーシングが外側だけに静的タイプの機械的シールを含むように、換言すると、上述のケーシングは、「外部動的シール」なしで、すなわち、ケーシング内部から外部に延びるロータを設けることなく、「外部静的シール」又は「外側で動作するガスケット」を含む。

しかしながら、この場合、圧力ケーシングは、好ましくは、場合によっては、特定の設計又は設置要件に応じて１つ又はそれ以上の追加の外部ケーシングにより密封される、上述の「静的外部シール」により間にシール接続部を有して１つ又はそれ以上のシェルを用いて製造される。

「動的シール」とは、回転部材が間に位置決めされる２つの環境を隔てる役割を果たし、更に、液体又は気体の漏出を少なくとも部分的に阻止するように当該部材に作用する機械的シールの何れかのタイプであると理解される。

「外部動的シール」は、外部環境に突出する回転部品から外側に向かってプロセス流体の漏出を阻止するのに好適な機械の外側（環境側）に面するシールである。

「内部動的シール」は、機械内部（プロセス側）に位置付けられたシールであり、機械自体の構成部品内の漏出を阻止する役割を果たす。

「静的シール」は、気体又は液体の漏出を回避するため、２つの環境を隔てることができる２つの固定表面間の機械的シールの何れかのタイプを意味する。

静的シールはまた、外側（環境側）に面する「外部静的シール」と、機械内部（プロセス側）に位置付けられた「内部静的シール」とに分類することができる。

静的又は動的の何れかであるこのようなシールは、何れの場合においても、例えば、エラストマー、金属、又は他の材料を用いて、（当該技術分野で良く知られた）一連の構成部品及び多くのタイプの材料から形成することができる。

圧力ケーシング（間にシール接続部を有する１つ又はそれ以上のシェルから形成される）は、少なくとも１つの入口アパーチャと、１つの出口アパーチャと、場合によっては、プロセス流体の内部流路を備えた、流体連通した側方サービスアパーチャとを有し、電気／電子管理及び制御システム用にケーシング内に追加のアパーチャが設けられる。

圧力ケーシングは単一のシェルから製造することができ、この場合、（外部静的シールを備えたカバーにより閉鎖される）半径方向又は軸方向入口セクションを設けることができ、シェル内部に装置を導入するのに必要となる場合がある。

本発明による第２の圧縮装置は、好ましくは、速度低減要素を有することなく、第１の装置と同じ回転速度で作動し、ギア用の潤滑回路を必要性を避け、ユニットの組み立て及びメンテナンスを更に簡素化することができる。

しかしながら、第１及び第２の圧縮装置間にギアボックス又は速度変換器を設け、第２の装置の回転速度を第１の装置に対して独立して調節できるようにすることを除外すべきではない。

本発明の有利な実施形態では、第１及び第２の圧縮装置が、機械サイズの更なる低減を達成する同じロータを用いて、或いは、適切な機械式継手により軸方向に結合される複数のロータを用いて、駆動シャフトにより駆動されるようにする。

最後の事例では、これらの機械式継手は、例えば、ダイレクトカップリング、又は前方ギア歯付き、もしくは磁気カップリング、或いは他のタイプなど、可撓性又は固定タイプのものとすることができる。

第１及び第２の圧縮装置間のプロセス経路に沿って、機械出力を全体として増大させるために、流体の外部冷却用に少なくとも１つの装置を設けてもよい。更に、機械性能を更に高めるために、第１及び／又は第２の圧縮装置の中間段の少なくとも一部の間に追加の外部冷却装置を設けることも可能である。

１つの特定の有利な実施形態では、駆動シャフト用の少なくとも１つの通路アパーチャを第２の圧縮装置とユニット内の他の装置の１つとの間に配置することができる。

通路アパーチャは、例えば、一定もしくは可変断面、ロータに対してほぼ同軸の実質的に円筒形形状、或いは他の形状を有するなど、特定の用途に応じてあらゆる形状又は寸法を有することができる。

１つの特定の有利な駆動方法において、この通路アパーチャは、第２の圧縮装置と第１の圧縮装置の高圧側との間に位置付けられ、２つの装置間のシールシステムに加わる負荷を最小限にすると同時に、ユニットの機械的複雑さを低減するようにする。

別の有利な駆動方法において、駆動シャフト上のロータに作用する少なくとも１つの第１の内部動的シールがこのアパーチャ内部に設置され、１つの装置から別の装置へのプロセス流体の流れを少なくとも部分的に阻止するようにする。

本発明の好ましい実施形態では、第１の内部シールは、通路アパーチャの対向する側部に取り付けられた装置間の高度な流体力学的分離を提供しないようにする。

本発明の別の実施形態によれば、第１の内部動的シールからのある程度の制御損失又は漏出を可能にすることもでき、これは、ユニット自体の動作に有用であり、或いは、シールを排除することもできる（以下の説明を参照）。

しかしながら、取り付けられている場合に第１の内部動的シールは、高度な分離は必要ではないので、設計、設置、及びメンテナンスが特に簡単且つ安価である。

本発明の別の有利な実施形態によれば、駆動シャフト上のロータの可能な機械式継手のうちの少なくとも１つは、層流損失を最小限にするために通路アパーチャ内に位置付けられる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、駆動シャフト上のロータ用の少なくとも１つの第１の機械式支持軸受が通路アパーチャ内に設けられ、特に、駆動シャフトの長さ並びにロータの重量及び寸法に応じて、ロータ動特性、静的及び動的負荷分布、並びに機械支持体に伝達される力を最適化する。

この第１の軸受は、例えば、磁気又は流体静力学的に支持された従来のタイプのもの、或いは別のタイプのものとすることができる。

アパーチャ内部の第１の軸受の設置は、例えば、ロータの軸方向長さが十分に短い構成などにおいて、ロータ支持、機械的バランシング、又はユニットのロータ動特性を必要としない場合には排除することができる（以下の説明を参照）点を除外すべきではない。

最後に、上述の構成要素（第１のシール、第１の軸受、又は継手）の１つ又はそれ以上、或いはこれらの組み合わせは、通路アパーチャ内に位置付けることができる。

更に機械式支持軸受は、特定の設計要因に応じて駆動シャフトのロータ上に異なる数量及び位置で設けられる。

上述の機械式支持軸受の全ては、基本的に従来のタイプのものであり、例えば磁気タイプの軸受、又は流体静圧支持体もしくはその他を備えたものなど、潤滑を必要としないタイプのものが好ましい。

１つの有利な実施形態では、少なくとも１つの冷却システムが設けられ、プロセス流体を用いて上記の機械式軸受を冷却し、プラントの機械的複雑さを簡素化し、このような冷却に使用される流体の量に起因する性能損失を小さくする見返りとして、設置及びメンテナンスのコストを大幅に低減することができる。

詳細には、本発明によるユニットは、既知のタイプの保護障壁により提供される重要な機械構成要素（例えば、モータ巻線及び可能性のある磁気軸受などの電気的構成要素）に対して、極めて短時間に損傷を及ぼす可能性がある腐食剤又は浸食剤をプロセス流体が含む場合には、その保護システムを含むことができる。

ユニットの複雑さ及びコストがかなり増大することになる、適切な冷却流体回路を設ける必要がある場合には、プロセス流体以外の冷却流体を使用できることを完全に除外すべきではない。

上記の冷却システムは、上述の１つ又はそれ以上の機械的支持軸受の冷却後にプロセス流体をユニット内に循環して戻すことができる、閉鎖タイプの少なくとも１つの流体力学冷却回路を用いて提供することができる。

詳細には、通路アパーチャ内の第１の軸受の可能性のある位置決めは、上述の利点を提供するが、特にこの軸受が冷却温度を上回る高温でプロセス流体により少なくとも部分的に送給される場合には、ユニットの特定の構成の結果としてその冷却に関する問題を示す可能性がある。

このような問題に対処すると同時に、ユニットの冷却の最適化及び機械的複雑さの低減を試みて、取り付けられる可能性があるシールの結果として通路アパーチャ内のプロセス流体の流れの条件又は他の環境など、種々の構成及び作動要件に応じたこの第１の軸受用の第１の流体力学冷却回路について研究が行われてきた。

本発明の好ましい実施形態では、第１の圧縮装置は、１つ又はそれ以上の段を備えた遠心圧縮機であり、各段が遠心インペラ及びステータ内の関連するチャンネルと共に形成され、駆動装置は電気モータであり、第２の圧縮装置は、１つ又はそれ以上の段を有する液体又は超臨界流体用ポンプ又は遠心圧縮機であり、各段はまた、１つの遠心インペラ及びステータ内の関連するチャンネルから形成される。

詳細には、第１及び第２の圧縮装置の遠心インペラは、好ましくは、駆動シャフトの同じロータ上で組み合わされ、特に小型の圧縮ユニットを得るようにする。

用語「超臨界流体」は、「臨界温度」よりも高い温度で、「臨界圧力」よりも高い圧力の流体を意味する。このような条件では、流体の特性は、液体の特性（例えば、密度）に部分的に類似し、気体の特性と部分的に同様（例えば、粘性）である（図１Ｂに関する以下の説明を参照）。別の態様によれば、本発明は、プロセス流体の圧縮方法に関し、該方法は、「動的外部シール」ではなく「静的外部シール」により閉鎖された単一の圧力ケーシング又は加圧エンベロープを提供する段階、実質的にガス状の初期熱力学的状態から中間の熱力学的状態にまで入口上の流体を圧縮することができる少なくとも１つの第１の圧縮装置と、第１の圧縮装置に機械的に接続され、中間熱力学的状態から最終熱力学的状態にまでプロセス流体を圧縮することができる少なくとも１つの第２の圧縮装置と、同じ駆動シャフトを通じて上記第１及び第２の圧縮装置を駆動できる少なくとも１つのモータ装置と、を上記単一圧力ケーシング又は加圧ベッセル内部に設ける段階、プロセス流体を最終熱力学的状態又は供給状態にまで圧縮するようにモータ装置を作動させる段階、を少なくとも含む。

１つの特に有利な駆動方法では、作動段階は、プロセス流体を超臨界レベルで中間熱力学的状態にまで圧縮するよう第１の圧縮装置を作動させ、この超臨界流体を超臨界熱力学的状態から最終供給のための熱力学的状態にまで更に圧縮するよう第２の圧縮装置を作動させるようにする。

中間熱力学的状態の流体は、特定応用に応じて液相状態にある可能性があることは完全には排除できない。

第１及び／又は第２の圧縮装置を用いて実施される圧縮中にプロセス流体を冷却する後続の中間段階を設けてもよい。

上述の作動段階はまた、第１の圧縮装置により送給されるのと類似した熱力学的状態のプロセス流体で第２の圧縮装置を少なくとも部分的に再充填するよう外部送給回路を作動させて、同じ駆動シャフトを通して第１の圧縮装置及び第２の圧縮装置を同時に作動させる段階、又は、第２の圧縮装置を作動前に少なくとも部分的に充填するようにして、第１の圧縮装置に対して遅延して第２の圧縮装置を作動させる段階、又は、流体が充填されるまでは第２の圧縮装置をアイドルモードで回転させ、同じ駆動シャフトを通じて第１及び第２の圧縮装置を同時に作動させる段階のうちの少なくとも１つを提供する。

本発明による圧縮ユニットの１つの利点は、高圧時に効率的及び効果的な方法で動作し、公知の圧縮ユニットに関する問題を少なくとも部分的に解決することができることである。

詳細には、１つの好ましい実施形態によれば、このようなユニットは、超臨界状態の流体の圧縮は遠心ポンプを用いて大きな範囲まで実施され、遠心圧縮機が行うよりも小さい効率低下を生じるので、高出力で臨界圧力を遙かに上回る圧力までプロセス流体を圧縮することができる。

別の利点は、外部環境へのシールシステムが特に効果的で効率的であるので、大気へのガスの漏出が生じる可能性があるリスクの大幅な低減がある（特に、酸性ガスの場合には重要）と同時に、外部環境に対するシールシステムの定期的メンテナンス及び検査の必要性も低減され、従って、設計及びメンテナンス両方のコストが低減されることである。

更に別の利点は、例えば、砂漠でのプラント、海洋プラント、油井用のガスの再注入プラント、又はその他など、プラント、環境条件、又は作動流体のタイプに応じて多くの構成を提供できるので、このようなユニットが極めて多用途なことである。詳細には、可能性のある構成は、圧縮装置及び／又はモータの異なる相対位置決め、機械式軸受の異なる数又は位置決め（例えば、通路アパーチャ内の少なくとも１つの第１の支持軸受を設ける）、或いは他の方法によって達成することができる。

しかしながら、別の利点は、本発明によるユニットの動的回転バランシングを実施することができることであり、この種の機械では、例えば、最大出力、入口及び／又は供給時の流体条件、回転数、その他などに基づいて、その用途の特定の需要の結果として、特に重要な態様である。

更なる利点は、例えば、酸性及び／又は汚染ガスの混合物など、異なる流体の混合物を圧縮することができ、高い圧縮性能を得て、可能性のある欠点を最小限にすることである。

１つの特定の実施形態の１つの利点は、炭化水素油井への酸性ガスの再注入のためにプラントで使用される本発明による圧縮ユニットの事例において、ガスを超高圧の超臨界段で且つ極めて安全な手法で再注入することができるので、従来の圧縮ユニットを用いた再注入と比べて油井の出力を増大（すなわち、抽出される炭化水素の量を増大）できる点であることが分かる。

最後に、本発明による圧縮ユニットは、特に高い性能を有し、特に多機能であると同時に、環境及びユーザにとってより安全である。

本発明による方法及び装置の更なる有利な特徴及び実施形態は、添付の請求項に示されており、非網羅的な幾つかの実施形態の例を参照しながら以下で更に説明する。

非網羅的な本発明の実施可能な実施例を示す添付の概略図面を参照することにより、本発明をよりよく理解することができ、当業者に対して多くの目的及び利点を明らかにすることができる。

本発明に従って製造される高圧圧縮ユニットの１つの実施形態の長手方向概略断面図。 二酸化炭素（ＣＯ２）の状態図を示す概略的グラフ。 本発明の１つの実施形態による高圧圧縮ユニットの構成部品の長手方向概略断面図。 本発明の別の実施形態による高圧圧縮ユニットの構成部品の長手方向概略断面図。 本発明の更なる実施形態による高圧圧縮ユニットの構成部品の長手方向概略断面図。 本発明の実施形態による圧縮ユニットの異なる構成の概略図。 本発明の実施形態による圧縮ユニットの異なる構成の概略図。 本発明の実施形態による圧縮ユニットの異なる構成の概略図。

全ての異なる図面で同じ符号が同じ要素を示す図面において、参照符号１で示された、本発明の１つの実施形態による高圧圧縮ユニットが図示されており、単一の圧力ケーシング又はエンベロープ３を含み、その内部には、少なくとも以下のものが配置されている。
・入口において実質的にガス状の熱力学的状態（流体のタイプ及び特定用途に応じて、入口圧力Ｐｉ、及び出口温度Ｔｉにおいて）から中間の熱力学的状態（中間圧力Ｐ１及び中間温度Ｔ１）にまでプロセス流体Ｆを圧縮することができる第１の圧縮装置Ｃ。
・中間熱力学的状態（可能性のある損失を除く）から最終熱力学的状態（出口圧力Ｐｆ及び出口温度Ｔｆにおいて）にまで流体Ｆを圧縮することができ、同じ駆動シャフトＸ１に沿って第１の装置Ｃに機械的に結合可能な第２の圧縮装置Ｐ。
・駆動シャフトＸ１に沿って機械的に結合されて圧縮装置Ｃ及びＰを駆動するためのモータ装置Ｍ。

詳細には、入口圧力Ｐｉは、基本的に低圧（約１ｂａｒ）又は基本的に高圧（１００ｂａｒを上回る）とすることができ、これに対応して、出口圧力Ｐｆは、１００ｂａｒを上回り、或いは最大で約５００ｂａｒ又はそれ以上とすることができる。温度Ｔｉ及びＴｆは、関連用途又はプロセスに応じて、使用される特定の流体についての位相方程式に従って変えることができる。

本明細書で示す実施形態において、第１の圧縮装置Ｃは、６つの段Ｃ１〜Ｃ６（各々が遠心インペラ及びステータ溝システムを含む）と、圧縮機Ｃの第２の段Ｃ２及び第３の段Ｃ３間に配置されたシールタイプの電気モータであるモータ装置Ｍとを有する遠心圧縮機である。

圧縮ユニットについての同様の構成は、例えば、同一出願人による米国特許出願公開２００７−１９６２１５並びに出願人名がＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃの米国特許公開２００８−２７５８６５において記載されている。

段の数及びモータ装置Ｍに対するこれら段の位置決めは、特定の構造又は使用要件（以下を参照）に応じて変わる可能性があることは明らかである。

圧力ケーシング３は、図１に部分的に示す外部静的シール２Ａ〜２Ｄ及び幾つかのボルト４Ａ〜４Ｄによって互いにシールされて閉鎖される複数のシェル３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｅ、及び３Ｆを使用して形成される。

ボルト４Ａ〜４Ｄを用いた締結システムは、例証として本明細書で示されており、他の何れかの既知の（締結システムの）タイプを使用することができ、更に、ボルト４Ａ〜４Ｄ及びシール２Ａ〜２Ｄの数及び配列は、シェル３Ａ〜３Ｆの数、並びにそれらの形状に応じて決まり、特定の構造要件に応じて様々とすることができる。

更に、簡単にするために図には示されていない別の外部コンテナケーシングを設けることもできる。

ケーシング３は、シェル３Ａ及び３Ｃそれぞれにおいて流体Ｆ用の入口アパーチャ６Ａ及び出口アパーチャ６Ｂと、流体Ｆ用の側方サービスアパーチャ６Ｃ、６Ｆ、６Ｇ、及び６Ｍとを有する（以下の説明を参照）。上記のユニット１の動作及び制御に必要な電気／電子接続部（簡単にするために図１には示していない）用には、別のアパーチャ６Ｌが設けられる。

本明細書で示される第２の圧縮装置Ｐは、圧縮機Ｃの高圧側下流に配列された、６段遠心ポンプ（同様に、図２、３、及び４を引用する説明を参照のこと）である。

有利には、ポンプＰの吸入側は、ケーシング３内部の圧縮機Ｃの送給側（高圧段）と並置され、２つの装置間のシールシステムに掛かる負荷を最小限にすると同時に、ユニットの機械的複雑さを低減するようにする。

駆動シャフトＸ１は、圧縮機Ｃ及びモータＭに関連する第１のロータ７Ａ、及びポンプＰに関連する第２のロータ７Ｂを用いて上述の構成で製造され、ロータ７Ａ及び７Ｂは、機械的カップリング９（図２を参照）を用いて軸方向に結合され、従って、モータＭは、圧縮機Ｃ又はポンプＰ何れかを直接駆動する。

駆動シャフトＸ１は、例えば、基本的にその長さに応じて、単一のロータ、又は２つよりも多いロータなど、異なる数のロータを備えて製造することができる。また、図１では、圧縮機ＣとポンプＰとの間に通路アパーチャ１０（図１、図３、図４）があり、カップリング９及び第１の支持軸受１１Ａを備えている点に留意されたい。

アパーチャ１０は、ロータ７Ｂと同軸でほぼ円筒形の形態で提示されるが、特定の用途に応じて異なる形状及び寸法でアパーチャ１０を製造できることを完全に排除しなくてもよい。

加えて、ポンプＰ１に向けた端部にて駆動シャフトＸ１の端部を支持する第２の支持軸受１１Ｂと、圧縮機Ｃに対して対向する端部に取り付けられた第３及び第４の支持軸受１１Ｃ及び１１Ｄと、モータＭに対して対向する端部に取り付けられた第５及び第６の支持軸受１１Ｅ及び１１Ｆを設けることができる。

有利には、第４の支持軸受１１Ｄは、軸方向タイプであり、簡単にするために図示していないが、バランシングシステムの結果、少なくとも部分的に軸方向負荷に耐えることができ、該バランシングシステムは、例えば、上記で引用した特許出願で記載されるように、圧縮機Ｃに面する軸受の側部を加圧することを可能にする。

本明細書で上述されるユニット１の構成において、支持軸受１１Ａ〜１１Ｆは、機械の長手方向及び半径方向のバランシングを可能にするようにして設けられ、従って、特定の用途に応じて軸受の数及び／又は位置が異なるユニットの様々な構成を可能にすることができる点に留意されたい。

加えて、プロセス流体を用いて機械軸受１１Ａ〜１１Ｆを冷却する閉鎖型冷却システム２１が設けられる。

詳細には、システム９は、簡単にするために図１には図示されていない、少なくとも１つの流体力学冷却回路を備えることができ、該冷却回路は、圧縮機Ｃの最後の段Ｃ５又はＣ６の１つから軸受１１Ｂから１１Ｄに流体リンクを提供し、プロセス流体自体を用いてこれらを冷却することができる。

加えて、圧縮機Ｃの送給アパーチャ６Ｇの入口及びポンプＰの吸入アパーチャ６Ｈの出口への流体リンクを備え、ポンプＰに流入する前に圧縮機Ｃから出るプロセス流体を冷却するようにする第１の外部冷却装置１３が設けられる。

加えて、入口及び出口６Ｃ、６Ｅ及び６Ｄ、６Ｆそれぞれにおいて横方向サービスアパーチャを用いて圧縮機Ｃの段Ｃ１〜Ｃ２及びＣ４〜Ｃ５の一部と流体接続し、連続した冷却を実施して流体の圧縮度を高めるようにするため、概略的に１３Ａ及び１３Ｂで示す別の冷却装置を設けることができる。

各側方サービスアパーチャ６Ａ〜６Ｆは、必要な場合には、簡単にするために図示されていないが、外部静的シールを備えたカップリングフランジが設けられる点に留意されたい。

本発明の１つの有利な実施形態において、図１で破線で示した外部送給回路１６も設けられ、該回路は、接続パイプ１６Ｂ及び三方バルブ１６Ｃを用いてポンプＰと実施可能な第１の冷却器１３との間で流体リンクを有するタンク１６Ａを備え、機械１の始動中に圧縮機Ｃにより送給される（上記説明を参照）のと同じ条件下で流体をポンプＰに少なくとも部分的に充填するようにする。図１Ｂには、横座標に温度（摂氏）が示され、立て座標に圧力（ｂａｒ）が示された二酸化炭素（ＣＯ２）の状態図を図示している。

このグラフは、ＣＯ２が温度／圧力に応じて位置することができる４つの熱力学的状態、すなわち、ガス状流体（大気条件下）、液状流体、固体、又は超臨界（高圧及び高温時）を示している。加えて、第１の三重点Ｔ１は、熱力学的気相ＦＧ、固相ＦＳ、液相ＦＬが共存し、臨界点Ｔ２は、熱力学的気相ＦＧ、液相ＦＬ、及び超流動相ＦＳＦが共存する点に留意されたい。三重点は、温度約２１０℃、圧力約８ｂａｒであり、臨界点Ｔ２は、温度約９０℃、圧力約３００ｂａｒである。

このユニットは、例えば、Ｈ２Ｓ、Ｎ２、及びその他など、ＣＯ２よりも過酷で危険な流体でも有利に機能することができるので、ＣＯ２のこの図は、本明細書で例証として与えられることは明らかである。

一般に、「遠心圧縮機」は、ガス状流体で機能する機械として定義され、「遠心ポンプ」は、液状流体で機能する機械として定義されるが、超臨界相の流体は、圧縮機又は遠心ポンプの何れかで処理できる点に留意されたい。詳細には、定義「超臨界流体用遠心ポンプ」は、低密度を示す超臨界流体で機能する機械として定義することができ、「超臨界流体用遠心圧縮機」は、高密度の超臨界流体で機能する機械である。本明細書及び添付の請求項では、「第２の圧縮装置」はまた、液相又は超臨界相（上記で示した）の流体を高密度又は低密度で圧縮することができる機械を意味すると理解されるが、簡単にするために一般的な用語「遠心ポンプ」と呼ぶこともできる。ユニット１の動作は、プロセス流体（入口アパーチャ６Ａからの流体の流れ方向を示す矢印Ｆ１を参照）を取り込み、圧縮機Ｃの第１の段Ｃ１において第１の圧縮を受けて、流体が横方向アパーチャ６Ｂを介して出て冷却器１３Ａ内部に流れ、次いで、アパーチャ６Ｃを介して第２の段Ｃ２で加圧されるようにする。流体は、第２段Ｃ２から出口アパーチャ６Ｄ、次いでモータＭを通じて入口アパーチャ６Ｍに流れて（モータＭ及び軸受１１Ｆを冷却する）第３の段Ｃ３に達し、第４段Ｃ４後に横方向アパーチャ６Ｅを介して出て冷却器１３Ｂに流れるようにし、次いで、第５段Ｃ５、続いて第６段Ｃ６に移行する。流体が第６段Ｃ６から送給アパーチャ６Ｇを介して出て、冷却器１３を通過するようにし、次いで、吸入アパーチャ６Ｈを通じてポンプＰに送給される。ポンプＰ内部では、流体は、図２から４を参照して説明されたように処理され、出口アパーチャ６Ｂを通って出るようになる。

図２は、図１からのポンプＰの拡大断面を示しており、ここでは詳細には、ケーシング３のシェル３Ｃ及び側方シェル３Ｆ、並びに第１の軸受１１Ｅ及び第２の軸受１１Ｂ（各々が磁気軸受及び追加のサービス軸受から構成される）により支持される第２のロータ７Ｂに留意されたい。このポンプＰは、６つの段Ｐ１〜Ｐ６（各々が遠心インペラ及びステータ溝システム１５を含む）のタイプのものであり、この構成において、最初の３つの段が低圧セクションを形成し、次の３つの段が高圧セクションを形成し、流体Ｆの圧力Ｐ１を出口又は供給圧力Ｐｆまで上昇させるようにする。このポンプＰは、説明の目的で記載されているに過ぎず、例えば、往復ポンプ又は他のタイプなど、他の何れかのタイプ又は構成のものとすることができる点は明らかである。

この図ではまた、ポンプＰと圧縮機Ｃ間に通路アパーチャ１０を観察することができ、本明細書に記載される構成では、カップリング９及び第１の軸受１１Ａを内部に備えている。

このような通路アパーチャ１０は、特定の用途（上記説明を参照）に応じて異なる形態及び寸法で製造することができる点は明らかである。

１つの特定の有利な実施形態では、図２を更に参照すると、圧縮機Ｃの供給側の近傍にあるアパーチャ１０に関連するロータ７Ａの第１の内部動的シールが設けられ、少なくとも部分的に流体が圧縮機Ｃの供給側から上記アパーチャ１０の内部に通過するのを阻止することができる。

このような第１のシール１９は、ラビリンスタイプ（「ラビリンスシール」、「ハニカムシール」、「ダンパーシール」、又は「乾式ガスシール」とも呼ばれる）又は他のタイプのものとすることができる。シール１９において制御される漏出を可能にすることができ、同様に、以下で説明するようにシール１９を排除することもできる点に留意されたい。

上記で示すように、通路アパーチャ１０における第１の軸受１１Ａの位置は、長手方向バランシング及び半径方向の動的バランシングについて上記の利点を提供するが、軸受１１Ａが第１のシール１９からの漏出に起因して圧縮機Ｃの高圧側から発生する高温のプロセス流体に少なくとも部分的に浸漬される可能性があり、この流体の温度は、軸受１１Ａｂに必要な冷却温度よりも高温であるので、軸受の冷却に関する問題も提示される。

第１の実施形態において、冷却システム２１は、第１の段Ｐ１から、又は中間段Ｐ２〜Ｐ６から、或いはポンプＰの出口アパーチャ６Ｂからプロセス流体の一部を取り出す（矢印Ｆ２ａを参照）ことができるダクト２２Ａ、２２Ｂ、又は２２Ｃを用いて製造された少なくとも１つの第１の流体力学回路２２を備える。

圧縮機Ｃの出力と比較すると、取り出された流体は、その圧力はより高いが温度はより低く、このようにして流体は、軸受１１Ａを冷却してアパーチャ１０を貫通することができ、第１のシール１９を介して漏出又は損失の形態でここから出て、圧縮機Ｃの出力に再導入することができる。第２の実施形態では、冷却システム２１は、ポンプＰの吸入口６Ｇからプロセス流体の一部を取り出すことができ且つ軸受１１Ａの支持体１５Ｂ上に装着される第１のダクト２３Ａと共に製造され、及び／又は支持体１５Ｂ及びロータ７Ｂ間に装着された第２のダクト２３Ｂを通る少なくとも１つの第２の流体力学回路２３（図３を参照）を含む。

有利には、第１又は第２のレリーフ管２３Ｄ、２３Ｅが設けられ、軸受１１Ａと圧縮機Ｃの段Ｃ１からＣ６のうちの１つとの間に流体リンク（矢印Ｆ２ｂを参照）を形成し、或いは、アパーチャ９と圧縮機Ｃの段Ｃ１からＣ６のうちの１つとの間に流体リンクを形成し、圧縮機Ｃに向けて冷却流体を配向するようにする。

この場合、実施可能なシール１９は、圧縮機ＣからポンプＰに向けた損失又は漏出を許容し、ここからの流体は、チャンネル２３Ａ又は２３Ｂを通って圧縮機Ｃから引き込まれる冷却流体と混合することができる。

第３の実施形態では、冷却システム２１は、第１のシール１９からの較正タッピングを介して圧縮機Ｃの出力から、もしくは代替として孔から（すなわち、シール１９が排除される）通路アパーチャ１０に流入（矢印Ｆ２ｃを参照）するプロセス流体の一部により軸受１１Ａを冷却することができる少なくとも第３の流体力学回路２４（図４を参照）を備える。

加えて、軸受１１Ａの支持体１５Ｂ上に好適な配管２４Ａ及び／又はロータ７Ｂの周りに生成されるスペース２４が設けられ、軸受１１ＡとポンプＰの第１の段Ｐ１との間に流体リンク（矢印Ｆ２Ｃを参照）を形成するようにする。

また、この流体力学的回路２４と組み合わせて、圧縮機ＣとポンプＰとの間、より望ましくは、進路アパーチャ１０内に冷却装置（簡単にするために図示せず）を設けることができ、冷却、すなわち冷却に使用される流体の少なくとも一部を、軸受１１Ａをより効果的に冷却するのに好適な温度まで冷却できるようにする。上述の冷却回路の何れかにおいて、加圧システム（簡単にするために図示せず）を更に設け、例えば、シャフト７Ｂに適合された螺旋表面又はアパーチャ１０のモデル化ノズル形状もしくはその他など、アパーチャ１０の流体圧力を適切な方向に高めるようにすることが可能である。

しかしながら、軸受１１Ａ用の上述の流体力学冷却回路２２、２３、及び２４は、本発明の実施形態の実施例を示しているに過ぎないので、本発明をどのようにも網羅するものではないことは理解される。

例えば、ポンプＰの上流側及び第１の冷却装置１３の下流側にあるプロセス流体の一部を取り出す管体（簡単にするために図示せず）、或いは、圧縮機Ｃの１つの段からプロセス流体を取り出して、冷却器及び次に軸受１１Ａ内に導入し、結果として圧縮機Ｃ又は何らかの代替の構成に戻すようにすることができる別の管体を設けることができる。第４の軸受１１Ｄを冷却するために、冷却システム２１は、ポンプＰの段Ｐ１〜Ｐ６の１つから流体の一部を取り出し、これを軸受１１Ｄ及び次いでポンプＰの段Ｐ２〜Ｐ６の１つに送ることができる第４の流体力学回路（簡単にするために図示せず）を備えることができる。

ユニット１に設置された他の軸受１１Ｂ〜１１Ｆを冷却するために、冷却システム２１は、同様に、ポンプＰの１つの段から及び／又は圧縮機Ｃから流体の一部を取り出し、これを各軸受１１Ｂ〜１１Ｆに送給し、次いで最も近いプロセス流に再導入するようにすることができる少なくとも１つの追加の流体力学回路（同様に、簡単にするために図示せず）を設けることができる。

本明細書で例証として記載される冷却システム２１は、本発明をどのようにも網羅するものではないことは明らかである。

図５Ａは、前出の図の圧縮ユニット１の構成を概略的に示しており、ここでは詳細には軸受１１Ａ〜１１Ｆの位置付けに留意されたい。

この構成は、特に小型であると同時に、様々な機械の最適バランシングを保証するので、ロータの動的バランシングを可能にする。

図５Ｂは、前出の機械と同様であるが、圧縮機Ｃの段Ｃ３からＣ６が排除された機械の別の構成を示している。

この場合、アパーチャ１０、軸受１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｆ、及び冷却システムは、以下で説明する構成の１つで具現化することができる。このようにして、更に小型で且つ動特性が堅牢な圧縮ユニットを得ることが可能になる。

図５Ｃは、上述と同様であるが、圧縮機Ｃの最初の２つの段Ｃ１、Ｃ２が排除された本発明の別の構成による、圧縮ユニットを示しており、この場合も同様に、特に小型で且つ堅牢なユニットが得られる。

アパーチャ１０、軸受１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｅ、及び１１Ｆ、並びに冷却システムは、上述の構成のうちの１つで製造することができ、詳細には、モータＭ及び軸受１１Ｆは、好適な下流側タップを可能にすることによって冷却することができる。

特定の応用に必要な動作条件（流体の圧力及び温度、その他）及び／又は回転速度に基づいて、多数の構成が想定できるので、上記の構成は、本発明をどのようにも網羅するものではないことは明らかである。

例えば、２つの軸受１１Ａ又は１１Ｄの少なくとも１つ、もしくはその両方を排除し、場合によってはこれらを堅固な機械式カップリング又は単一の堅固なロータと置き換え、或いは、他の解決策を実施することもできる。

また、例えば圧縮機Ｃの段数を低減すること、又は設計を他の方法により最適化することによって、軸受１１Ｅ又は１１Ｆの少なくとも１つ、もしくはその両方を排除することもできる。

その上、特定の用途に基づいて、圧縮機Ｃ及び／又はポンプＰもしくは冷却装置１３、１３Ａ及び１３Ｂの様々な構成を提供することができる。

更に有利な実施形態によれば、ケーシング３は、ユニットの取り付け及びメンテナンスを容易にするために、圧縮機Ｃ、ポンプＰ、及びモータＭの軸方向の挿入及び取り出しを可能にするようにして製造することができる。この最後の構成において、通路アパーチャ１０は、このような挿入及び取り出しを可能にするために、内部に施工できる成形壁と十分なクリアランスが設けられる点に留意されたい。

「本発明の１つの実施形態」又は「本発明の実施形態の形態」の記載は、本明細書に記載される１つの特定の特徴構造又はシステムが本発明の実施形態の少なくとも１つに含まれることを意味する。従って、このような記載は、必ずしも同じ実施形態について言及している訳でなく、本発明による１つ又はそれ以上の圧縮ユニット内でどのような方法かで組み合わせることができる。

あらゆる例証は、本発明の実施可能な非限定的な実施形態を示しており、本発明が基礎とする概念の範囲を逸脱することなく形態及び配列を変えることができる。添付の請求項における参照符号が付けられている場合があるが、これは、上記の説明及び添付図面を参照しながらこれらを読むのを容易にする目的に過ぎず、本発明をどのようにも限定するものではない。

１ 圧縮ユニット
２Ａ〜２Ｄ 外部静的シール
３ 圧力ケーシング
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｅ、及び３Ｆ シェル
４Ａ〜４Ｄ ボルト
６Ａ 入口アパーチャ
６Ｂ 出口アパーチャ
Ｃ 第１の圧縮装置
Ｐ 第２の圧縮装置
Ｍ モータ装置

Claims (14)

1. プロセス流体用の高圧組み込み圧縮ユニットであって、
   実質的にガス状の初期熱力学的状態から、前記初期熱力学的状態より高密度の中間の熱力学的状態にまでプロセス流体を圧縮する第１の圧縮装置と、
   前記第１の圧縮装置に機械的に接続され、前記中間熱力学的状態から液体又は超臨界状態までプロセス流体を圧縮するポンプと、
   前記第１の圧縮装置および前記ポンプに流体連通し、前記第１の圧縮装置から出て前記ポンプに入る前のプロセス流体を冷却する外部装置と、
   前記圧縮ユニットの始動中に、前記第１の圧縮装置により送給されるのと実質的に同じ熱力学的状態の前記プロセス流体で前記ポンプを少なくとも部分的に充填する外部供給回路と、
   前記第１の圧縮装置及び前記ポンプを駆動するモータ装置と、
   互いに機械的に結合された少なくとも前記第１の圧縮装置及び前記ポンプを密封する圧力ケーシングと、
   を備える、圧縮ユニット。
2. 前記モータ装置が、前記圧力ケーシング内に密封される、請求項１に記載の圧縮ユニット。
3. 前記モータ装置が、前記第１の圧縮装置及び前記ポンプに直接結合される、請求項１又は２に記載の圧縮ユニット。
4. 前記第１の圧縮装置、前記ポンプ及び前記モータ装置が、単一の駆動軸上で互いに機械的に結合される、請求項１から３のいずれかに記載の圧縮ユニット。
5. 前記圧力ケーシングが、外側に静的タイプの機械的シールのみを含む、請求項１から４のいずれかに記載の圧縮ユニット。
6. 前記ポンプが、前記第１の圧縮装置と同じ回転速度で作動する、請求項１から５のいずれかに記載の圧縮ユニット。
7. 前記第１の圧縮装置及び前記ポンプが、ステータチャンネルに関連するそれぞれの遠心インペラを含む遠心タイプのものであり、前記遠心インペラが、駆動軸線に沿って関連付けられ、前記駆動軸線と同軸の少なくともロータにより駆動される、請求項１から６のいずれかに記載の圧縮ユニット。
8. 前記ポンプと前記機械の装置の１つとの間で 前記軸線に沿って配置された少なくともロータ用の少なくとも開口通路を備える、請求項１から７のいずれかに記載の圧縮ユニット。
9. 前記開口通路が、前記ポンプと前記第１の圧縮装置の高圧側との間に配置される、請求項８に記載の圧縮ユニット。
10. 前記開口通路が、
    前記ユニットの作動に有効な較正損失又は漏出が少ないように前記少なくともロータ上で作動する少なくとも第１の内部動的シールと、
    前記少なくともロータの２つのペアを機械的にカップリングする少なくとも機械式カップリングと、
    前記少なくともロータ用の少なくとも第１の機械式軸受と、
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項８又は９に記載の圧縮ユニット。
11. 前記プロセス流体を用いて前記少なくともロータ用の１つ又はそれ以上の機械式軸受を冷却する少なくとも閉鎖形冷却システムを備える、請求項１から１０のいずれかに記載の圧縮ユニット。
12. 前記第１の圧縮装置又は前記ポンプの連続する段間に流体接続でプロセス流体用の少なくとも冷却装置を備える、請求項１から１１のいずれかに記載の圧縮ユニット。
13. プロセス流体を圧縮する方法であって、
    機械の外部に向けて静的シール又はガスケットにより閉鎖される圧力ケーシングを提供するステップと、
    実質的にガス状の初期熱力学的状態から、前記初期熱力学的状態より高密度の中間の熱力学的状態までプロセス流体を圧縮する少なくとも１つの第１の圧縮装置と、
    前記第１の圧縮装置に機械的に接続され、前記中間熱力学的状態から液体又は超臨界状態までプロセス流体を圧縮する少なくとも１つのポンプと、
    前記第１の圧縮装置および前記ポンプに流体連通して前記第１の圧縮装置から出て前記ポンプに入る前のプロセス流体を冷却する外部装置と、
    前記圧縮ユニットの始動中に、前記第１の圧縮装置により送給されるのと実質的に同じ熱力学的状態の前記プロセス流体で前記ポンプを少なくとも部分的に充填する外部供給回路と、
    前記第１の圧縮装置及び前記ポンプを駆動することができるモータ装置と、
    を前記圧力ケーシング内部に設けるステップと、
    前記プロセス流体を圧縮するように前記装置を作動させるステップと、
    を含む、方法。
14. 前記作動させるステップが、超臨界流体状態で前記中間熱力学的状態まで前記プロセス流体を圧縮するよう前記第１の圧縮装置を作動させ、前記プロセス流体を少なくとも１回冷却した後に、前記中間熱力学的状態から液体又は超臨界状態まで前記プロセス流体を更に圧縮するよう前記ポンプを作動させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
    

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