Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для охлаждения электрических установок для насосных агрегатов, установленных в перекачивающих станциях

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, к средствам охлаждения двигателей и электрооборудования по замкнутому циклу с использованием легкоиспаряющихся и конденсирующихся жидкостей, и может быть использовано для охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, подшипниковых узлов и частотных преобразователей электродвигателей насосных агрегатов, установленных в помещениях перекачивающих станций.

Известно, что для перекачки любой жидкой среды (нефть, вода и др.) в нефтедобывающей, нефтеперекачивающей промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве используются высокопроизводительные и высоконапорные насосные агрегаты с асинхронными электродвигателями большой мощности с частотными преобразователями для регулирования производительности современных насосных перекачивающих станций.

Несмотря на высокий коэффициент полезного действия (КПД), современные насосные агрегаты и частотные преобразователи электродвигателей насосных агрегатов обладают недостатком, который значительно снижает их экономическую эффективность.

В первую очередь это относится к большим тепловыделениям и значительному перегреву самого электродвигателя и частотного преобразователя электродвигателя перекачивающего насосного агрегата в процессе их непрерывной круглосуточной работы, который обусловлен ограниченностью рабочего пространства помещения, где они установлены, что снижает эффективность индивидуального воздушного вентилятора, которым оборудован асинхронный электродвигатель и частотный преобразователь. В связи с этим обстоятельством происходит: перегрев обмоток статора электродвигателя и перегрев на транзисторах или тиристорных выпрямителях частотного преобразователя электродвигателя, что приводит к их быстрому износу из-за температурных деформаций, а также к срабатыванию автоматической защиты и их остановке для охлаждения и, соответственно, к простою в работе по перекачке среды.

Для защиты обмоток статора от перегрева, останавливается не только электродвигатель, но и, соответственно, охлаждающий вентилятор, при этом происходит температурное удлинение обмоток статора, так как электродвигатель является «аккумулятором» тепла, а избыточное тепловыделение снимается путем неэффективного радиационного излучения, что приводит к быстрому износу, как изоляции так и самих обмоток.

Для охлаждения температуры внутри помещения, например, для перекачки нефтепродуктов и воды, применяется приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование.

Согласно паспортов на электродвигатель и частотный преобразователь электродвигателя насосного агрегата, температура внутри помещения для перекачки нефтепродуктов и воды и в помещении, где установлен частотный преобразователь не должна подниматься выше 40 град С.

Известна система охлаждения электродвигателя переменного и постоянного тока с замкнутым циклом вентиляции (с установленным отдельным вентилятором) и дополнительным водяным охлаждением (http://elektrik-orenburg.ru/node/ventilvaciya-elektrodvigatelva-peremennogo-i-postoyannogo-toka).

Недостаток известной системы охлаждения заключается в том, что выделяемое тепло электродвигателя не утилизируется, и не используется, например, для повышения температуры перекачиваемой среды (нефть, вода и др.), в частности при работе насосной нефтеперекачивающей станции, с целью снижения вязкости перекачиваемого нефтепродукта или при работе кустовой насосной станции с целью теплового воздействия на пласт для увеличения нефтеотдачи.

Известно устройство для охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, установленных в перекачивающих станциях (Пат. РФ №2688059, приоритет 28.05.2018 г., опубл. 17.05. 2019 г. Принят за прототип).

Известное устройство содержит контур охлаждения электродвигателя и высокотемпературный контур, заполненные легкоиспаряющейся жидкостью и соединенные между собой посредством теплообменника и испарителя, компрессор и дроссель, при этом компрессор установлен в высокотемпературном контуре, а дроссель - в контуре охлаждения электродвигателя, испаритель подсоединен к вентилятору, который установлен на валу электродвигателя, кроме того, вентилятор и испаритель образуют общий корпус воздуховода, обеспечивающий направленный к электродвигателю охлажденный поток воздуха от вентилятора и испарителя, а через корпус теплообменника проходит поток перекачиваемой насосом жидкой среды, контактирующей со змеевиком теплообменника.

Известное устройство решает задачу повышения уровня технологичности работ по перекачке жидких сред насосом в закрытом помещении, за счет обеспечения эффективной утилизации теплоизбытков при работе электродвигателя.

В известной системе охлаждения электродвигателя насосного агрегата утилизируется выделяемое тепло от электродвигателя, но, выделяемое тепло от частотного преобразователя, которым снабжен электродвигатель, не утилизируется, и не используется, например, для повышения температуры перекачиваемой среды (нефть, вода и др.), в частности при работе насосной нефте-водоперекачивающей станции с целью снижения вязкости перекачиваемого нефтепродукта или воды, что значительно увеличило бы производительность насосной перекачивающей станции.

Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении уровня технологичности работ по перекачке жидких сред насосом в закрытом помещении, за счет обеспечения эффективной утилизации теплоизбытков, образующихся при работе насосной перекачивающей станции (нефть, вода и др.), вызванных электродвигателем для насоса, подшипниковых узлов, частотным преобразователем электродвигателя насосного агрегата, солнечной радиацией, технологическими трубопроводами, влияющих на эксплуатационные качества рабочего оборудования. Кроме того, уровень технологичности работ по перекачке жидкой среды насосной станцией повышается за счет направления утилизированных теплоизбытков на нагрев перекачиваемой среды, что в свою очередь снижает вязкость среды и увеличивает КПД насоса.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для охлаждения электрических установок для насосных агрегатов, установленных в перекачивающих станциях, содержащем соединенные друг с другом посредством испарителя и теплообменника заполненные легкоиспаряющейся жидкостью контур охлаждения и высокотемпературный контур каждой из электрических установок, в частности, включающих электродвигатель насосных агрегатов и частотный преобразователь электродвигателя насосных агрегатов, при этом высокотемпературные контуры электрических установок соединены между собой и снабжены общим компрессором, установленным на входе в теплообменник, а контуры охлаждения указанных электрических установок соединены между собой и снабжены отдельными дросселями, установленными на входе в испаритель каждой электрической установки, кроме того, испаритель в контуре охлаждения указанного электродвигателя подсоединен к вентилятору, который установлен на валу этого электродвигателя, указанный вентилятор и упомянутый испаритель размещены в общем корпусе воздуховода, обеспечивающего направленный к указанному электродвигателю поток воздуха от вентилятора и этого испарителя, а испаритель в контуре охлаждения частотного преобразователя установлен в сборном корпусе воздуховода, куда поступает направленный поток воздуха от вытяжных вентиляторов, установленных на выходе из корпуса частотного перобразователя, кроме того, через корпус теплообменника проходит поток перекачиваемой насосным агрегатом жидкой среды, контактирующей со змеевиком теплообменника.

При этом испарители и компрессор заполнены жидким фреоном и соединены между собой линиями подачи газообразного и жидкого фреона, а общий корпус воздуховода, который образуют вентиляторы и испаритель каждой электрической установки может быть выполнен из составных частей с фланцевыми соединениями.

На фигуре представлена принципиальная схема заявляемого устройства.

Устройство для охлаждения электродвигателя насосного агрегата, подшипниковых узлов электродвигателя и насосного агрегата, содержит установленные в насосном помещении 1 на основании 2 насосный агрегат - асинхронный электродвигатель 3 с насосом 4, перекачивающим по трубопроводам 5 и 6 жидкую среду, например, нефть, нефтепродукты или воду. На валу электродвигателя 3 закреплен выкидной вентилятор 7, к нему на фланцевом соединении прикреплен фреоновый испаритель 8, к которому подсоединен на фланцевом соединении дополнительный всасывающий вентилятор 9, кожуха которых образуют общий корпус воздуховода 10, один конец 11 которого открыт для забора воздуха из помещения 1, а другой - 12 направлен на вход электродвигателя 3. Общий корпус воздуховода 10 обеспечивает направленный к электродвигателю 3 холодный поток воздуха от вентиляторов 9 и 7 через испаритель 8. Электродвигатель 3 охлаждается при помощи устройства с тепловым насосом, в котором контур охлаждения электродвигателя содержит линию подачи охлажденного фреона 13 с дросселем 14, и высокотемпературный контур 15 с компрессором 16, заполненный газообразным фреоном, которые соединены между собой посредством теплообменника 17 и фреонового испарителя 8 со змеевиком 18. При этом через корпус 19 теплообменника 17 протекает поток перекачиваемой насосом жидкой среды, например, нефти или воды, контактирующей со змеевиком 20 теплообменника 17. Поз. 21 - показано стрелками направление потока воздуха, циркулирующего в помещении около электродвигателя 3.

Устройство для охлаждения частотного преобразователя электродвигателя насосного агрегата содержит частотный преобразователь 22 электродвигателя 3 с охлаждающими вытяжными вентиляторами 23 и приточными решетками 24. К вентиляторам крепится сборный воздуховод 25. На выбросе из сборного воздуховода 25 на фланцевом соединении устанавливается фреоновый испаритель 26 со змеевиком 27, к которому подведена линия подачи охлажденного фреона 28 с дросселем 29. От испарителя 26 отводится линия высокотемпературного контура 30. При этом высокотемпературные контуры 15 и 30 электрических установок соединены между собой и снабжены общим компрессором 16, установленным на входе в теплообменник 17, а контуры охлаждения 13 и 28 указанных электрических установок соединены между собой и снабжены отдельными дросселями 14 и 29, установленными на входе в испаритель 8 и 26 каждой электрической установки соответственно.

Поз. 31 - показано стрелками направление потока воздуха, циркулирующего в помещении 32 частотного преобразователя 22 электродвигателя 3.

Устройство работает следующим образом.

При запуске насосного агрегата 4 при помощи частотного преобразователя 22, включающего в работу электродвигатель 3 и соответственно насос 4, от электродвигателя 3 начинается выделение тепла в помещение 1, а от частотного преобразователя 22 - в помещение частотного преобразователя 32. Для охлаждения электродвигателя 3 на его валу установлен вентилятор 7. При запуске насосного агрегата 4 также запускается тепловой насос (ТН) для эффективного охлаждения электродвигателя 3 с подшипниковыми узлами и частотного преобразователя 22 электродвигателя 3. При запуске ТН компрессор 16 сжимает фреон, который начинает циркулировать по замкнутому контуру, в который входят соединенные между собой высокотемпературные контуры 15 и 30 электрических установок и соединенные между собой контуры охлаждения 13 и 28 указанных электрических установок. В контурах 13 и 28 установлены дроссели 14 и 29, установленные на входе в испаритель 8 и 26 каждой электрической установки соответственно.

Отвод тепла из помещения 1, где установлен электродвигатель 3 происходит следующим образом.

В змеевике 18 испарителя 8, вокруг которого проходит воздух из помещения 1, фреон в жидком состоянии нагревается от выделяемого тепла электродвигателя 3 с подшипниковым узлом (на фиг. не показано), солнечной радиации, трубопроводов и оборудования в помещении, закипает и испаряется. Подача воздуха обеспечивается посредством общего корпуса 10. Далее газообразный фреон в линии 15, (соединенной с линией 30), сжимается компрессором 16. При увеличении давления (адиабатическое сжатие) фреона, его температура значительно увеличивается. Это тепло передается через змеевик 20 теплообменника 17, контактирующего с перекачиваемой жидкой средой по трубопроводу 6 через корпус 19 теплообменника 17, нагревается там и в нагретом виде прокачивается насосом 4, и далее подается трубопроводом 5 по технологической схеме.

После теплообменника 17 охлажденный фреон конденсируется, затем продавливается по линии 13 через дроссель (терморегулирующий вентиль) 14, после которого его давление падает, и вновь поступает в испаритель 8, где он снова испаряется и нагревается.

Дополнительный всасывающий вентилятор 9 обеспечивает нагнетание воздуха в воздуховод 10 для подачи его на вход в испаритель 8.

Отвод тепла из помещения 32, где установлен частотный проебразователь 22 происходит следующим образом.

При запуске компрессора 16 фреон также начинает циркулировать по линии 28 с дросселем 29 и линии 30 через фреоновый испаритель 26 со змеевиком 27. В змеевике 27 испарителя 26, через которого проходит горячий воздух из частотного преобразователя 22, фреон в жидком состоянии нагревается от выделяемого тепла частотного преобразователя, солнечной радиации и оборудования в помещении, закипает и испаряется. Подача воздуха обеспечивается посредством сборного воздуховода 25 при помощи вытяжных вентиляторов 23. Охлажденный воздух после фреонового испарителя 26 по направлению воздуха 31, циркулирующего в помещении частотного преобразователя электродвигателя 32, далее через приточные решетки 24, попадает внутрь частотного преобразователя 22. Контур циркуляции воздуха замыкается и повторяется. Испарившийся фреон в газообразном виде после испарителя 26 по линии 30 (соединенной с линией 15) также попадает в компрессор 16, тем самым увеличивая теплопроизводительность теплообменника 17 для нагрева перекачиваемой среды (нефть, нефтепродукты, вода).

Применение ТП с фреоновыми испарителями обеспечивает следующие преимущества.

Поддерживается необходимая постоянная температура воздуха в помещении машинного зала, направленного на охлаждение статора (теплообменной рубашки) электродвигателя (за счет дросселя можно установить любую необходимую температуру). За счет этого исключается перегрев электродвигателя, и соответственно нет простоев в перекачке среды в летний и переходный периоды, а также увеличивается ресурс электродвигателя насосного агрегата, исключаются плановые дорогостоящие ремонты по замене обмоток статора. Также отсутствие связи с окружающей средой исключает попадание летающих насекомых, пыли, пуха, песка, атмосферных осадков и диких животных через открытые ворота или двери в помещение машинного зала, где установлен(ы) насосные агрегаты с электродвигателями.

Поддерживается необходимая постоянная температура воздуха в помещении частотного преобразователя электродвигателя, направленного на охлаждение оборудования частотного преобразователя электродвигателя и другого электрооборудования, установленного в одном помещении (за счет дросселя можно установить любую необходимую температуру). За счет этого исключается перегрев частотного преобразователя, и соответственно нет простоев в перекачке среды в летний и переходный периоды, а также увеличивается ресурс частотного преобразователя электродвигателя насосного агрегата, исключаются плановые дорогостоящие ремонты по замене оборудования. Также отсутствие связи с окружающей средой исключает попадание летающих насекомых, пыли, пуха, песка, атмосферных осадков в помещение частотного преобразователя.

Обеспечивается выполнение условий энергосбережения и энергоэффективности, поскольку выделяемое тепло от электродвигателя, частотного преобразователя, подшипниковых узлов, а также поступающее тепло от солнечной радиации и трубопроводов, идет на нагрев перекачиваемой среды, что в свою очередь увеличивает температуру перекачиваемой жидкости перед насосом, уменьшает вязкость и тем самым увеличивает производительность насосной перекачивающей станции в целом.