СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПОСРЕДСТВОМ ВИНТОВОГО НАСОСА И ВИНТОВОЙ НАСОС
METHOD FOR TRANSPORTATION OF FLUID BY MEANS OF SCREW PUMP AND SCREW PUMP

Изобретение относится к способу транспортировки текучей среды посредством винтового насоса, в соответствии с которым привод по меньшей мере одного ведущего винта винтового насоса осуществляют посредством асинхронного двигателя. Кроме того, изобретение относится к винтовому насосу.
Винтовые насосы используют во многих областях для транспортировки текучих сред. При этом они дают возможность транспортировать чисто жидкие среды, например сырую или очищенную нефть. Однако часто требуется транспортировать смеси газов и жидкостей, например смеси, состоящие из нефти и природного газа.
Если газожидкостную смесь с относительно высокой долей газа транспортировать обычным винтовым насосом, то сжатие газа происходит, прежде всего, за счет того, что жидкость из насосных камер, которые уже находятся под относительно высоким давлением, течет обратно в предыдущие насосные камеры и там сжимает газ. Недостатком здесь является то, что текучую среду сначала перемещают, преодолевая относительно резкий градиент давления, а затем она, по меньшей мере частично, течет обратно в область меньшего давления. Это обычно приводит к тому, что требуемая мощность насоса почти не зависит от доли газа. Даже при высоких долях газа конструктивное решение насоса и управление им точно такие же, какими они были бы и при транспортировке одной жидкости.
В рамках внутреннего дальнейшего усовершенствования соответствующих насосов было установлено, что надлежащим выбором геометрии насоса и частоты вращения можно получить - в многофазном режиме работы при высоких долях газа, например 90% или более, - снижение требуемой приводной мощности винтового насоса, например, на 25% по сравнению с транспортировкой одной жидкости.
Но во многих случаях применения, в которых транспортируют многофазную смесь, например, при совместной добыче нефти и газа, могут возникать поршневые потоки, так что кратковременно приходится транспортировать текучую среду, содержащую почти 100% жидкости. Хотя вышеупомянутая разработка снижает требуемую приводную мощность лишь при высокой доле газа, но и в таких случаях применения все же наблюдается заметное снижение энергетических затрат. Однако асинхронный двигатель должен быть выполнен так, чтобы винтовой насос обеспечивал достаточную мощность для транспортировки одной жидкости. Поэтому снижение требуемой приводной мощности лишь при транспортировке текучих сред с высокой долей газа в большинстве случаев применения недостаточно для того, чтобы можно было также уменьшить массогабаритные и другие параметры привода винтового насоса и тем самым снизить затраты на приобретение винтового насоса.
В RU 2433306 С1 раскрыт такой мультифазный винтовой насос.
Таким образом, в основе изобретения лежит техническая проблема снижения затрат или, соответственно, технических издержек на обеспечение работы винтового насоса.
Эта техническая проблема решена посредством способа транспортировки текучей среды винтовым насосом, в соответствии с которым приведение в движение по меньшей мере одного ведущего винта винтового насоса осуществляют посредством асинхронного двигателя, причем
-синхронный двигатель работает с первой заданной частотой, причем в качестве текучей среды транспортируют газожидкостную смесь,
- определяют измеряемую характеристику (величину), зависящую от доли жидкости в текучей среде, и
- после выполнения условия изменения частоты, зависящего от указанной измеряемой характеристики, асинхронный двигатель работает на второй заданной частоте, сниженной по отношению к первой заданной частоте.
Как будет еще более подробно пояснено ниже, можно достичь снижения приводной мощности, требуемой для транспортировки текучих сред с высокой долей газа, по сравнению с приводной мощностью, требуемой для транспортировки только одних жидкостей, в частности, при относительно высоких значениях частоты вращения винтового насоса. Чтобы получить достаточно высокую частоту вращения у относительно небольших по габаритам насосов, предпочтительно использовать асинхронный двигатель в так называемой области ослабления поля, в котором максимального напряжения, используемого для питания обмоток асинхронного двигателя, из-за индуктивности катушек и используемой частоты недостаточно для достижения максимального тока и, следовательно, максимальной напряженности поля в асинхронном двигателе. Это использовано в способе согласно изобретению, по которому при выполнении условия изменения частоты происходит уменьшение заданной частоты, так что ослабление поля не происходит или происходит по меньшей мере в меньшей степени, что делает возможным, таким образом, получение более высокого крутящего момента при той же мощности. Тем самым асинхронный двигатель может быть выполнен так, что он обеспечивает достаточно высокий крутящий момент на первой заданной частоте, чтобы транспортировать текучую среду с высокой долей газа, например, не менее 90% или, соответственно, с соответствующей долей жидкости не более 10%. Если на основании измеряемой характеристики установлено, что доля жидкости в текучей среде слишком высокая, то заданная частота может быть снижена на основании выполнения условия изменения частоты, благодаря чему может быть обеспечен достаточно высокий крутящий момент для транспортировки текучей среды с более высокой долей жидкости, например, содержащей только одну жидкость. Как результат, асинхронный двигатель и/или его источник питания могут при по существу той же производительности транспортировки иметь меньшие массогабаритные и иные параметры, чем это могло бы быть без понижения заданной частоты согласно изобретению.
Соответствующая заданная частота может быть подана на блок управления двигателем или, соответственно, преобразователь частоты, обеспечивающий электропитание асинхронного двигателя. Заданная частота может в зависимости от числа пар полюсов асинхронного двигателя определять заданную частоту вращения асинхронного двигателя. Чтобы несмотря на имеющееся в асинхронных двигателях скольжение фактически получить заданную частоту вращения, частота переменного тока, подводимого к асинхронному двигателю, может быть установлена выше заданной частоты, например, благодаря обратной связи по частоте вращения или благодаря предварительно заданному смещению. Альтернативно заданную частоту можно использовать также непосредственно как частоту подводимого к асинхронному двигателю переменного тока, из-за чего фактически полученная частота вращения асинхронного двигателя оказывается из-за скольжения несколько ниже заданной частоты вращения.
По сравнению с альтернативным способом транспортировки текучей среды, согласно которому независимо от измеряемой характеристики или, соответственно, доли жидкости работа происходила бы по существу на более низкой второй заданной частоте, способ согласно изобретению имеет несколько преимуществ. С одной стороны, использование первой заданной частоты до тех пор, пока условие изменения частоты не выполнено, приводит к более высокой частоте вращения асинхронного двигателя и, следовательно, ведущего винта по сравнению с работой на второй заданной частоте и тем самым также к более высокой производительности транспортировки винтового насоса, имеющего в остальном то же конструктивное решение. Это особенно предпочтительно, когда выполнение условия изменения частоты имеет место только в течение некоторой части рабочего времени, так как в этом случае способ согласно изобретению обеспечивает примерно такую же производительность транспортировки, как и при непрерывном использовании первой заданной частоты и соответственно адаптированном конструктивном решении асинхронного двигателя. Например, в тех случаях, когда транспортировка жидкостных пробок происходит лишь редко или, соответственно, кратковременно, а в остальное время имеет место высокая доля газа, способ согласно изобретению позволяет получить почти такую же производительность транспортировки, как и при использовании соответственно большего по массогабаритным и иным параметрам асинхронного двигателя, постоянно работающего на первой заданной частоте.
Как уже было пояснено, использование относительно высокой частоты вращения позволяет особенно заметно снизить приводную мощность, необходимую при транспортировке текучей среды с высокой долей газа, по сравнению с транспортировкой только одной жидкости. Поэтому длительное снижение используемой заданной частоты и, следовательно, частоты вращения было бы неблагоприятным с позиции требуемой мощности, если в течение большей части рабочего времени происходит транспортировка текучих сред с очень малой долей жидкости.
В способе согласно изобретению во время работы винтового насоса, за исключением фаз запуска и выбега, снижение заданной частоты относительно первой заданной частоты может происходить, в частности, исключительно при выполнении или, соответственно, после выполнения условия изменения частоты. Получение измеряемой характеристики и проверка условия изменения частоты предпочтительно происходит многократно, в частности, периодически. В частности, контроль измеряемой характеристики может осуществляться также после перехода ко второй заданной частоте или, соответственно, после выполнения условия изменения частоты, и может осуществляться оценка дополнительного условия изменения частоты, при выполнении или, соответственно, после выполнения которого происходит возврат к первой заданной частоте.
Другими словами, управляющее устройство может приводить асинхронный двигатель в первом рабочем режиме с первой заданной частотой и во втором рабочем режиме - со второй заданной частотой, причем в зависимости от измеряемой характеристики, т.е., в частности, при выполнении условия изменения частоты или, соответственно, дополнительного условия изменения частоты, происходит переход между рабочими режимами.
Переменный ток, используемый для работы асинхронного двигателя, может быть, в частности, трехфазным током или, соответственно, трехфазным переменным током со сдвигом фаз, в частности, 120° между фазами. На разные полюса асинхронного двигателя при этом подают напряжение от разных фаз многофазного переменного тока.
Измеряемой характеристикой может быть крутящий момент, создаваемый асинхронной машиной (асинхронным двигателем), или сила переменного тока, подводимого к асинхрасинхрононной машине, или частота вращения асинхронной машины. При более высокой доле жидкости в транспортируемой текучей среде вращению ведущего винта и, соответственно, асинхронного двигателя противодействует повышенный тормозной момент. Сначала это ведет к торможению ведущего винта и, следовательно, асинхронного двигателя, обнаруживаемому посредством контроля частоты вращения.
Одновременно такое снижение частоты вращения ведет к увеличенному скольжению асинхронной машины. Поскольку асинхронные машины обычно работают выше точки опрокидывания, то такое увеличение скольжения ведет к увеличению крутящего момента асинхронной машины и, следовательно, к увеличению силы переменного тока, в частности, к увеличению активного тока. Создаваемый крутящий момент может быть измерен, например, датчиком крутящего момента. Силу тока или, соответственно, силу активного тока можно определить датчиком тока. При этом может быть, в частности, использовано то, что преобразователи частоты, а также, например, преобразователи напряжения или, соответственно, тока, часто уже обеспечивают относящуюся к силе тока информацию, например, пропорциональное активному току напряжение, на отдельном выходе, благодаря чему измеряемая характеристика может быть получена, например, посредством считывания такого выхода.
Дополнительно или альтернативно к поясненному выше косвенному определению доли жидкости через зависящие от нее измеряемые характеристики, относящиеся к параметрам асинхронной машины, в качестве измеряемой характеристики может быть также непосредственно определен и оценен по меньшей мере один параметр текучей среды, например электропроводность, теплопроводность, температурная проводимость или плотность транспортируемой текучей среды.
Подходы для получения соответствующих характеристик текучей среды в принципе известны из уровня техники и могут быть использованы в способе согласно изобретению, чтобы определить долю жидкости или, соответственно, в рамках условия изменения частоты оценить ее в качестве измеряемой характеристики.
Переход от первой заданной частоты ко второй заданной частоте может быть произведен непрерывно или в несколько этапов в течение некоторого промежутка времени после выполнения условия изменения частоты. Дополнительно или альтернативно переход от первой заданной частоты ко второй заданной частоте может быть произведен посредством регулирующего контура, регулирующего (настраивающего) измеряемую характеристику с обеспечением достижения ей заданного значения. Непрерывное или по меньшей мере многоступенчатое изменение заданной частоты позволяет избежать резкого изменения крутящего момента, способного привести к чрезмерным механическим нагрузкам на компонентах винтового насоса. Например, заданная частота может быть предварительно установлена цифровой обработкой сигнала, например, микроконтроллером, повышающим при выполнении условия изменения частоты заданную частоту псевдонепрерывно рампообразно.
В качестве регулирующего контура для регулирования заданной частоты в качестве управляющего параметра могут быть использованы обычные регуляторы, например, интегральные или пропорционально-интегральные регуляторы. Если соответствующий регулирующий контур выполнен так, что первая заданная частота не может быть превышена, т.е. верхней границей частоты при регулировании является первая заданная частота, то выполнение условия изменения частоты соответствует состоянию регулятора, при котором значение частоты опускается ниже значения первой заданной частоты, и, таким образом, насыщение регулировочной характеристики не происходит. Использование регулирующего контура позволяет, в частности, изменять гибким образом заданную частоту в зависимости от фактической доли жидкости или, соответственно, от ее влияния на создаваемый крутящий момент, требуемый для поддержания частоты вращения.
Первая заданная частота может быть по меньшей мере на 10% или по меньшей мере на 20% больше граничной частоты асинхронной машины, с которой при заданном максимальном рабочем напряжении начинается область ослабления поля. Дополнительно или альтернативно первая заданная частота может быть не более чем на 30% или не более чем на 40% больше граничной частоты. Первую заданную частоту используют, в частности, при нормальной эксплуатации винтового насоса. Как уже было пояснено в начале, для транспортировки, в частности, текучих сред с низкой долей жидкости и, следовательно, с высокой долей газа может быть предпочтительным использовать относительно высокие значения частоты вращения и, таким образом, управлять асинхронной машиной в области ослабления поля, т.е. выше граничной частоты, называемой также типовой точкой. Однако достигаемый крутящий момент приблизительно пропорционален квадрату отношения граничной частоты к заданной частоте, так что, если бы заданная частота превышала граничную частоту слишком сильно, то это привело бы к очень низким значениям крутящего момента. Поэтому приведенные выше границы для первой заданной частоты представляются предпочтительными.
Дополнительно или альтернативно вторая заданная частота может быть больше граничной частоты или равна граничной частоте. Такой выбор второй заданной частоты является предпочтительным, поскольку при снижении заданной частоты ниже граничной частоты напряжение, подаваемое на асинхронный двигатель, должно быть уменьшено, чтобы не допустить чрезмерного тока и вызванного этим возможного повреждения асинхронного двигателя. Однако ниже граничной частоты это, как правило, приводит к постоянному крутящему моменту, что означает, что дальнейшее снижение заданной частоты ниже граничной частоты не дало бы никаких дополнительных преимуществ и в то же время снизило бы производительность транспортировки винтового насоса.
Граничная частота или, соответственно, типовая точка может соответствовать частоте сети 50 Гц или 60 Гц, так что, например, при двух парах полюсов при работе от сети будет получена синхронная частота вращения 1500 об/мин или, соответственно, 1800 об/мин. Рабочая точка или, соответственно, первая заданная частота может быть выбрана тогда, например, как 70 Гц, что дает при нормальной работе, т.е. когда доля жидкости не слишком высокая, синхронную частоту вращения 2100 об/мин.
В способе согласно изобретению может быть использован винтовой насос, имеющий корпус, который образует по меньшей мере один впуск для текучей среды и один выпуск для текучей среды и в котором размещены по меньшей мере один ведущий винт и по меньшей мере один связанный с ним с возможностью вращения ведомый винт винтового насоса, ограничивающие в каждом угловом положении ведущего винта вместе с корпусом несколько насосных камер, причем ведущий винт вращают посредством асинхронной машины в приводном направлении, в результате чего происходит закрывание соответствующей одной из насосных камер, первоначально открытой в направлении соответствующего впуска для текучей среды, перемещение сформированной закрытой насосной камеры в осевом направлении к выпуску для текучей среды и ее открывание там в направлении выпуска для текучей среды при достижении угла поворота для открывания, причем приведение ведущего винта в движение, по меньшей мере до выполнения условия изменения частоты, осуществляют так, что при доле жидкости ниже предельного значения при заданной геометрии винтового насоса давление в соответствующей насосной камере до достижения и/или при достижении угла поворота для открывания повышено по сравнению с давлением всасывания винтового насоса, действующим в области соответствующего впуска для текучей среды, не более чем на 20% или не более чем на 10% от перепада давления между давлением всасывания и давлением в области выпуска для текучей среды. Это может быть применимо, например, до предельного значения доли жидкости, равного 1% или 3%, или 5%, или 10%, или 15% или также до предельного значения, лежащего между указанными значениями.
Было установлено, что соответствующей адаптацией геометрии насоса и/или частоты вращения насоса обратный поток текучей среды через остающиеся зазоры между насосными камерами может быть уменьшен настолько, что основная часть повышения создаваемого винтовым насосом давления происходит только после открывания соответствующей насосной камеры к выпуску для текучей среды. При достаточной частоте вращения или, соответственно, при надлежащей геометрии насоса можно при этом по меньшей мере приблизительно предположить, что уже находящаяся в области выпуска для текучей среды жидкость из-за ее инерции по существу не течет в открывающуюся насосную камеру, а вместо этого ее можно рассматривать приблизительно как жесткую стенку, к которой прижимают газожидкостную смесь. Если жидкость в открывающейся камере имеет высокую долю газа, то имеет место такая же высокая эффективность, как в газовых компрессорах, направляющих газ к жесткой стенке корпуса. Однако здесь в отличие от указанных газовых компрессоров можно транспортировать также текучие среды с очень высокой долей жидкости или, соответственно, одной только жидкости.
До достижения угла поворота для открывания соответствующая насосная камера - за исключением отклонений из-за допусков -одинаково герметична по отношению к впуску для текучей среды или, соответственно, по отношению к смежной в направлении впуска для текучей среды насосной камере и к выпуску для текучей среды. Таким образом, обмен текучей средой в обоих направлениях возможен по существу только через радиальные и осевые зазоры насоса. Открывание насосной камеры в направлении выпуска для текучей среды при достижении угла поворота для открывания происходит в результате того, что проход соответствующего винта, образующего насосную камеру, или, соответственно, стенка, ограничивающая соответствующий проход к выпуску для текучей среды, заканчивается в определенном угловом положении, зависящем от угла поворота винта. Это приводит к тому, что, начиная с некоторого определенного предельного угла, возникает зазор в окружном направлении между этой стенкой и другим винтом, ограничивающим насосную камеру. Через этот зазор в окружном направлении происходит открывание насосной камеры к выпуску для текучей среды. Таким образом, угол поворота для открывания может быть определен как тот угол, с которого дополнительно к осевым или, соответственно, радиальным зазорам возникает зазор в окружном направлении. Альтернативно угол поворота для открывания может быть определен через поперечное сечение потока, обеспечивающее обмен текучей средой между насосной камерой и выпуском для текучей среды. Когда это поперечное сечение потока возрастает на 50% или 100% или 200% по сравнению с закрытой насосной камерой, то достижение этого предела можно определить как достижение угла поворота для открывания.
Используемый винтовой насос может быть одно- или двухпоточным, т.е. иметь один или два впуска для текучей среды, расположенных друг напротив друга в осевом направлении. Винтовой насос может иметь два, три или более винтов. Отдельные винты могут быть, например, двухзаходными. Однако отдельные или все винты могут быть однозаходными или трехзаходными или иметь также большее количество заходов.
Спиральные профили соответствующих ведущего винта и ведомого винта могут быть выбраны так, чтобы приходящееся на каждый ведущий винт и ведомый винт среднее значение количества насосных камер, закрытых как по отношению к впуску для текучей среды, так и по отношению к выпуску для текучей среды, составляло максимум 1,5 при угле поворота ведущего винта, составляющем 360°. Если используют, например, ровно один ведущий винт и ровно один ведомый винт, то в среднем могут быть полностью закрыты максимум три насосные камеры. Среднее значение может быть получено, например, путем подсчета количества закрытых камер для соответствующего угла поворота ведущего винта на угол 360° и последующего деления результата на 360°. При постоянной частоте вращения это соответствует подсчету количества одновременно закрытых насосных камер за один период вращения ведущего винта и делению на период вращения.
Хотя в винтовых насосах для транспортировки текучей среды обычно желательно использование относительно большого количества в осевом направлении последовательно расположенных насосных камер, в рамках изобретения было установлено, что использование относительно небольшого количества камер, закрытых максимально одновременно, при уменьшенной длине спирального профиля дает увеличение объема для отдельных насосных камер. Таким образом, то же количество жидкости, текущей обратно через зазоры насоса, приводит к меньшему относительному изменению остающегося для доли газа объема, что дает меньшее сжатие газа и, следовательно, меньшее повышение давления перед открыванием насосной камеры к выпуску для текучей среды.
Геометрия используемого винтового насоса и заданная частота вращения на первой заданной частоте могут быть выбраны так, чтобы окружная скорость на наружном диаметре спирального профиля ведущего винта или по меньшей мере одного из ведущих винтов, и/или ведомого винта или по меньшей мере одного из ведомых винтов составляла по меньшей мере 15 м/с. Это может быть применимо, в частности, ко всем ведущим и ведомым винтам. Окружная скорость может быть рассчитана как произведение наружного диаметра спирального профиля, заданной частоты вращения и числа ”π”. Заданная частота вращения может быть пропорциональна заданной частоте, причем коэффициент пропорциональности задан посредством количества пар полюсов асинхронной машины. Таким образом, указанное условие может быть достигнуто, в частности, при использовании большой частоты вращения или, соответственно, большого наружного диаметра профиля. В результате вклад жидкости, текущей обратно через зазоры, в сжатие газа может быть уменьшен, и, тем самым, может быть достигнута более высокая эффективность при высокой доле газа.
Дополнительно или альтернативно геометрия насоса и заданная частота вращения на первой заданной частоте могут быть выбраны так, чтобы осевая скорость соответствующей насосной камеры при осевом движении к выпуску для текучей среды составляла по меньшей мере 4 м/с. Осевая скорость зависит как от шага захода или, соответственно, заходов соответствующего винта, так и от частоты вращения. Другими словами, высокая осевая скорость может быть достигнута посредством больших частот вращения или, соответственно, больших шагов или, соответственно, относительно длинных насосных камер. Все эти факторы приводят к уменьшению влияния текущей обратно жидкости на давление в насосной камере и, таким образом, к поясненному выше повышению эффективности.
Наряду со способом согласно изобретению настоящее изобретение относится к винтовому насосу для транспортировки текучей среды, имеющему корпус, в котором размещены по меньшей мере один ведущий винт и по меньшей мере один связанный с ним с возможностью вращения ведомый винт винтового насоса, асинхронный двигатель для приведения в движение ведущего винта и управляющее устройство для подачи электропитания на асинхронный двигатель, причем управляющее устройство выполнено с возможностью осуществления способа согласно изобретению. В частности, управляющее устройство обеспечивает работу асинхронного двигателя в первом рабочем режиме с первой заданной частотой и во втором рабочем режиме со второй заданной частотой. С помощью внутренних или внешних датчиков, которые уже были пояснены выше, управляющее устройство может получать измеряемую характеристику и работать в первом или втором рабочем режиме в зависимости от измеряемой характеристики. В частности, переход во второй рабочий режим может происходить при выполнении или после выполнения условия изменения частоты в зависимости от измеряемой характеристики.
Винтовой насос согласно изобретению может быть далее усовершенствован признаками, поясненными для способа согласно изобретению, с названными там преимуществами и наоборот.
В частности, корпус может содержать по меньшей мере один впуск для текучей среды и один выпуск для текучей среды, причем ведущий винт и ведомый винт в каждом угловом положении ведущего винта вместе с корпусом ограничивают несколько насосных камер, причем асинхронная машина выполнена с возможностью вращения ведущего винта в приводном направлении, в результате чего происходит закрывание одной из соответствующих насосных камер, первоначально открытой в направлении соответствующего впуска для текучей среды, перемещение образованной закрытой насосной камеры в осевом направлении к выпуску для текучей среды и ее открывание там в направлении выпуска для текучей среды при достижении угла поворота для открывания, причем спиральные профили соответствующих ведущего винта и ведомого винта выбраны так, что приходящееся на ведущий винт и ведомый винт среднее значение количества насосных камер, закрытых как по отношению к впуску для текучей среды, так и по отношению к выпуску текучей среды, составляет максимум 1,5 при угле поворота ведущего винта, составляющем 360°.
В винтовом насосе согласно изобретению, с одной стороны, внутренний диаметр спирального профиля ведущего винта или по меньшей мере одного из ведущих винтов, и/или ведомого винта или по меньшей мере одного из ведомых винтов может быть меньше 0,7 от наружного диаметра соответствующего спирального профиля, и/или, с другой стороны, средний окружной зазор между наружным краем спирального профиля ведущего винта или по меньшей мере одного из ведущих винтов, и/или ведомого винта или по меньшей мере одного из ведомых винтов и корпусом может быть меньше 0,002 от наружного диаметра соответствующего спирального профиля. Благодаря относительно большой разнице между внутренним и наружным диаметрами можно получить большой объем насосной камеры, что означает, что то же количество текущей обратно жидкости приводит к меньшему повышению давления в насосной камере, и потому требуется меньшая мощность при высокой доле газа в текучей среде. Относительно узкие зазоры могут дополнительно или альтернативно ограничивать количество текущей обратно текучей среды и таким образом также способствовать высокой эффективности транспортировки текучей среды с высокой долей газа. В частности, среднее значение ширины окружного зазора вдоль длины окружного зазора можно рассматривать как средний окружной зазор. Дополнительно усреднение может быть выполнено посредством поворота ведущего винта на 360°, чтобы учесть изменения окружного зазора при вращении винта.
Дальнейшие преимущества и подробности настоящего изобретения следуют из описанных ниже примеров вариантов осуществления изобретения, а также сопроводительных чертежей, на которых схематично показаны:
Фиг. 1 пример варианта осуществления винтового насоса в соответствии с изобретением,
Фиг. 2 зависимость мощности и крутящего момента от заданной частоты для двух асинхронных двигателей,
Фиг. 3 блок-схема примера варианта осуществления способа согласно изобретению,
Фиг. 4 детальный вид показанного на фиг.1 винтового насоса, и
Фиг. 5 дополнительный детальный вид показанного на фиг. 1 винтового насоса.
На фиг. 1 схематично показан винтовой насос 1 для транспортировки текучей среды 45 от впуска 3 для текучей среды к выпуску 4 для текучей среды. Для транспортировки текучей среды 45 в корпусе 2 винтового насоса 1 расположены приводимый в движение асинхронным двигателем 10 ведущий винт 5 и соединенный с ним через редуктор 26 ведомый винт 6. Для наглядности показан относительно просто выполненный винтовой насос 1, являющийся однопоточным, т.е. имеющим только один впуск 3 для текучей среды, и использующий только один ведомый винт 6. Однако приведенные далее разъяснения могут быть применены также к многопоточным винтовым насосам или, соответственно, винтовым насосам с более чем двумя винтами, например, с множеством ведомых винтов или даже с множеством ведущих винтов.
У обычных винтовых насосов, как уже было пояснено в общей части описания, для транспортировки жидкостей и газов требуется по меньшей мере примерно одинаковый крутящий момент и, следовательно, также одинаковая мощность асинхронного двигателя 10. Зависимость между крутящим моментом 31 или, соответственно, мощностью 32 и частотой вращения для такого распространенного конструктивного решения винтового насоса показана на фиг. 2. Здесь ось X показывает частоту вращения в оборотах в минуту (об/мин), левая ось Y 28 - крутящий момент в Ньютон-метрах (Нм), а правая ось Y 29 - мощность в киловаттах (кВт).
В рамках дальнейшего усовершенствования соответствующих насосов было установлено, что надлежащим выбором геометрии насоса и частоты вращения винтового насоса 1, как будет пояснено далее со ссылкой на фиг.4 и 5, можно получить заметное снижение требуемого крутящего момента при транспортировке текучей среды 45 с высокой долей газа и, соответственно, с низкой долей жидкости. Благодаря этому для транспортировки текучей среды 45 с высокой долей газа можно использовать асинхронный двигатель 10 с меньшими массогабаритными и иными параметрами. Также для этого асинхронного двигателя 10 с меньшими массогабаритными и иными параметрами на фиг. 2 показана зависимость между частотой вращения, представленной на оси X 27, и получаемым крутящим моментом 34 или, соответственно, требуемой мощностью 35. Представленные на фиг. 2 значения частоты вращения являются, соответственно, заданными значениями частоты вращения. Кроме того, на фиг. 2 отмечена заданная частота вращения, достигаемая при соответствующей заданной частоте 37, 38. Например, при использовании асинхронного двигателя 10 с двумя парами полюсов первая заданная частота 37, равная 70 Гц, соответствует заданной частоте вращения 2100 об/мин.
Если теперь винтовой насос 1 рассчитан, например, на заданную частоту вращения 2100 об/мин и тем самым на соответствующую производительность транспортировки, и если при этом исходить из транспортировки текучей среды с высокой долей газа, то в результате вместо крутящего момента 30, который требовался бы для транспортировки жидкости, получаем требуемый крутящий момент 33. Соответственно, происходит также снижение требуемой мощности асинхронного двигателя 10, причем в зависимости от геометрии, частоты вращения и доли жидкости может быть достигнута разница 36 в мощности до 25% от мощности 32 при транспортировке только одной жидкости.
При транспортировке многофазных смесей, как правило, нельзя предполагать однородную смесь, поэтому винтовой насос 1 должен быть выполнен так, чтобы он мог, по меньшей мере временно, транспортировать текучую среду 45 с долей жидкости до 100%. В простейшем случае асинхронный двигатель 10 мог бы быть выполнен так, чтобы он при используемой первой заданной частоте 37 мог обеспечить достаточно высокий крутящий момент 30, обеспечивая возможность транспортировки также только одних жидкостей. Возможность транспортировки текучей среды 45 с высокой долей газа с меньшей мощностью в этом случае снизила бы потребность в энергии и, следовательно, эксплуатационные расходы винтового насоса 1, но технические издержки и затраты на приобретение останутся неизменными, поскольку асинхронный двигатель 10 по-прежнему должен иметь такие же массогабаритные и иные параметры, как и винтовой насос, используемый для транспортировки только одной жидкости.
Чтобы сделать возможным использование асинхронного двигателя 10 также с меньшими массогабаритными и иными параметрами, вместо этого в винтовом насосе 1 с целью обеспечения подачи переменного тока 42 на асинхронный двигатель 10 используют управляющее устройство 19, реализующее способ управления, поясненный ниже со ссылкой на фиг. 3.
На этапе S1 при этом асинхронный двигатель 10 сначала работает с первой заданной частотой 37. Здесь в рамках разъяснения способа предполагается, что сначала происходит транспортировка газожидкостной смеси с относительно высокой долей газа, так что получаемый крутящий момент 33 достаточен для поддержания требуемой частоты вращения.
Чтобы обеспечить подачу переменного напряжения 42, например, подаваемый переменный ток 43, в частности трехфазный ток, может быть сначала выпрямлен выпрямителем 20 для получения постоянного тока 44, преобразуемого затем инвертором 21 в переменный ток 42, в частности также в трехфазный ток. Инвертор 21 может посредством, например, широтно-импульсной модуляции обеспечивать переменное напряжение 42 в широком диапазоне заданной частоты, а также изменять амплитуду напряжения. Таким образом, процедура на этапе S1 соответствует обычной процедуре обеспечения подачи переменного тока для асинхронного двигателя, когда требуется заданная частота, отличная от сетевой.
На этапе S2 измерительный и управляющий элемент 22 получает измеряемую характеристику 46, зависящую от доли жидкости в текучей среде. Если доля жидкости 45 возрастает, то это приводит к росту тормозного момента на ведущих и ведомых винтах 5, 6 и, следовательно, на асинхронном двигателе 10, что снижает частоту вращения асинхронного двигателя 10. Это, в свою очередь, приводит к увеличению скольжения и, таким образом по меньшей мере до тех пор, пока точка опрокидывания асинхронного двигателя еще не достигнута, к увеличению крутящего момента, обеспечиваемого асинхронным двигателем 10, и к увеличению силы переменного тока, подводимого к асинхронному двигателю 10.
Таким образом, простой возможностью получения походящей измеряемой характеристики является датчик тока 23, измеряющий силу переменного тока 42. Он показан на фиг.1 для наглядности как отдельный компонент. Во многих случаях, однако, инвертор 21 или, соответственно, в более общем случае, преобразователь частоты, обеспечивающий подачу переменного тока 42, может уже обеспечивать выпускной сигнал, в частности, напряжение, пропорциональное силе тока, так что измеряемая характеристика может быть получена, например, посредством аналого-цифрового преобразования этого напряжения.
Альтернативно измеряемой характеристикой может быть, например, также частота вращения или крутящий момент, получаемые посредством расположенного в области ведущего винта датчика 24, или измеряемое значение датчика 25 текучей среды, измеряющего, например электропроводность или теплопроводность текучей среды 45.
На этапе S3 происходит оценка условия 47 изменения частоты, зависящего от измеряемой характеристики 46. Условие изменения частоты может быть выполнено, например, если измеряемая характеристика превышает предварительно заданное предельное значение или, соответственно, опускается ниже предварительно заданного предельного значения. Например, условие 47 изменения частоты может быть выполнено, когда крутящий момент, создаваемый асинхронным двигателем, или сила переменного тока, подводимого к асинхронному двигателю, превышает предельное значение, или когда фактическая частота вращения асинхронного двигателя опускается ниже предельного значения. Если условие 47 изменения частоты не выполнено, то способ может быть повторен с шага S1, причем, в частности, получение измеряемой характеристики и проверка условия изменения частоты могут происходить периодически.
Однако после выполнения условия 47 изменения частоты на этапе S4 асинхронный двигатель 10 работает на второй заданной частоте 38, сниженной по отношению к первой заданной частоте 37. Изменение заданной частоты может происходить в течение некоторого промежутка 50 времени, чтобы избежать резкого изменения крутящего момента. Как показано на фиг. 2, при использовании более низкой, второй заданной частоты 38 может быть получен крутящий момент 39, соответствующий, в показанном примере, крутящему моменту 30, требуемому для транспортировки одной только жидкости при первоначально используемой частоте вращения 2100 об/мин. При этом для простоты предполагается, что крутящий момент, необходимый для поддержания частоты вращения, не зависит от частоты вращения. В винтовых насосах, если частота вращения не слишком низкая, для поддержания более низкой частоты вращения обычно необходим и меньший крутящий момент, поэтому вторая заданная частота 38 может быть выбрана также немного выше, чем показано на фиг. 2.
Поясненное выше увеличение в зависимости от необходимости крутящего момента возможно потому, что первая и вторая заданные частоты 37, 38 лежат в области 40 ослабления поля асинхронного двигателя 10, т.е. в области, в которой из-за ограниченного максимального рабочего напряжения, которое может быть обеспечено управляющим устройством 19 или, соответственно, которое можно без риска повреждения оборудования подать на асинхронный двигатель 10, в катушках асинхронного двигателя 10 не могут быть больше получены максимальные токи и, следовательно, максимальные напряженности поля. Для достижения высокой эффективности при транспортировке текучих сред с высокой долей газа предпочтительно использовать относительно высокую частоту вращения ведущего и ведомого винтов и, таким образом, асинхронного двигателя 10. Чтобы одновременно получить насос с меньшими массогабаритными и иными параметрами, обычно в любом случае предпочтительно при нормальной работе винтового насоса использовать заданные частоты в области 40 ослабления поля, т.е. выше граничной частоты 41 асинхронного двигателя 10. В показанном примере для более четкого выделения поясненного выше эффекта используют первую заданную частоту 37, превышающую примерно на 40% граничную частоту 41. В реальных вариантах реализации описанной процедуры, в зависимости от конкретного применения, целесообразно использовать значения первой заданной частоты 37, превышающие значение граничной частоты 41 на 20-30%.
Эксплуатацию асинхронного двигателя 10 с переменным током 42 на второй заданной частоте 38 и, таким образом, с меньшей частотой вращения следует осуществлять обычно только временно, например, во время транспортировки жидкостной пробки. Поэтому на этапе S5 снова получают измеряемую характеристику 48, зависящую от доли жидкости в текучей среде. При этом могут быть получены те же характеристики, которые уже были пояснены для измеряемой характеристики 46.
На этапе S6 происходит оценка дополнительного условия 49 изменения частоты, и, если оно выполнено, то возврат к первой заданной частоте 37 и, таким образом, продолжение способа на этапе S1. Однако если дальнейшее условие изменения частоты не выполнено, то происходит повторение способа с этапа S4.
Описанный способ может быть также модифицирован в том, что, например, вместо упомянутого сравнения предельных значений в рамках условия изменения частоты используют регулирующий контур 51 как часть измерительного и управляющего элемента 22, который пытается обеспечить регулирование измеряемой характеристики 46 с достижением ей заданного значения, причем заданная частота 37, 38 служит управляющим параметром. При этом управляющий параметр может быть ограничен так, чтобы первая заданная частота не могла быть превышена, например, посредством обеспечения звена насыщения. Невыполнение условия изменения частоты соответствует в этом случае насыщению регулирующего контура 51. Пока регулятор не выходит за пределы области насыщения, первая заданная частота действует как управляющий параметр.
На фиг. 4 и 5 показаны различные детальные виды винтового насоса, требующего при транспортировке текучей среды, представляющей собой газожидкостную смесь с низкой долей жидкости, заметно меньшей, например на 25%, мощности, чем при транспортировке жидкости. Здесь на фиг. 4 схематично показан вид в перспективе ведущего винта 5 и ведомого винта 6 винтового насоса 1, причем для наглядности корпус не показан. Фиг. 4 иллюстрирует, в частности, форму спиральных профилей ведущего винта 5 и ведомого винта 6, а также их вхождение в зацепление. На фиг. 5 показано торцовое сечение, на котором, в частности, видно взаимодействие ведущего винта 5 и ведомого винта 6 с корпусом 2 для образования нескольких отдельных насосных камер 7, 8, 9, также обозначенных на фиг. 4, поскольку они выходят за пределы плоскости сечения, показанной на фиг. 2.
Как уже было рассмотрено со ссылкой на фиг. 1, ведомый винт 6 связан с возможностью вращения с ведущим винтом 5 посредством соединительного устройства 26, причем в данном примере исходят из передаточного отношения 1:1. Таким образом, когда ведущий винт 5 приводится от асинхронного двигателя 10 в приводном направлении 11, вращение ведомого винта 6 происходит в противоположном направлении 12 вращения и стой же скоростью. Частоту вращения предварительно задает посредством поясненного выше выбора заданной частоты 37, 38 управляющее устройство 19.
Благодаря вхождению в зацепление спиральных профилей ведущего винта 5 и ведомого винта 6 текучая среда, находящаяся в корпусе 2, поступает в несколько отделенных друг от друга насосных камер 7, 8, 9. Разделение или, соответственно, закрывание насосных камер 7, 8, 9 не является полностью герметичным из-за радиального зазора 17 между корпусом 2 и ведущим винтом 5 или, соответственно, ведомым винтом 6 и из-за остающихся осевых зазоров между входящими в зацепление спиральными профилями, а допускает некоторый обмен текучей средой между насосными камерами 7, 8, 9, который можно рассматривать также как утечку.
В угловом положении ведущего винта 5 и ведомого винта 6, показанном на фиг. 4, насосная камера 7 открыта по отношению к впуску 3 для текучей среды, так как свободный конец 13 стенки 15 у спирального витка ведущего винта 5 на фиг. 1 направлен вверх, оставляя зазор в окружном направлении между этим свободным концом 13 и ведомым винтом 6, дающий возможность текучей среде течь между насосной камерой 7 и впуском 3 для текучей среды. Соответственно, насосная камера 8, обозначенная на фиг. 4 точками на ее наружной поверхности, открыта по отношению к выпуску 4 для текучей среды, поскольку свободный конец 14 ограничивающей ее стенки 15 из-за углового положения, в свою очередь, отстоит от ведомого винта 6, образуя, таким образом, радиальный зазор, через который может течь текучая среда. Насосная камера 9 закрыта как по отношению к впуску 3 для текучей среды, так и по отношению к выпуску 4 для текучей среды.
При приводе ведущего винта 5 в приводном направлении 11 происходит сначала перемещение свободного конца 13 стенки 15 в сторону ведомого винта 6 и тем самым закрывание первоначально открытой насосной камеры 7. Дальнейшее вращение ведет затем к смещению закрытой насосной камеры к выпуску 4 для текучей среды. При достижении определенного угла поворота для открывания далее происходит открывание насосной камеры по отношению к выпуску 4 для текучей среды, причем поворот на 90° после достижения угла поворота для открывания приводит к расположению насосной камеры 8, показанному на фиг. 1, при котором между свободным концом 14 и ведомым винтом 6 уже образован зазор в окружном направлении определенной ширины.
Было установлено, что потребляемая мощность при транспортировке газожидкостных смесей с высокой долей газа может быть заметно снижена, если будет достигнуто, что сжатие газа при транспортировке происходит прежде всего не за счет того, что текучая среда течет обратно от выпуска для текучей среды или, соответственно, расположенных ниже по потоку насосных камер в закрытые насосные камеры и сжимает там газ, а что сжатие газа и, таким образом, также повышение давления в насосных камерах 7, 8, 9 происходит по существу только после открывания соответствующей насосной камеры по отношению к выпуску 4 для текучей среды. В показанном примере этого достигают, с одной стороны, выбором надлежащей геометрии насоса, а с другой стороны, использованием достаточно высокой частоты вращения. Таким образом, может быть достигнуто, что давление в соответствующей насосной камере 7, 8, 9 до достижения или, соответственно, при достижении угла поворота для открывания возрастает по сравнению с давлением всасывания винтового насоса 1, действующим в области соответствующего впуска 3 для текучей среды, лишь на несколько процентов от перепада давления между давлением всасывания и давлением в области выпуска 4 для текучей среды. Например, давление в насосной камере при открывании может составлять не более чем 10% или не более чем 20% от перепада давления выше давления всасывания.
В принципе, описанный выше режим может быть достигнут и только одним выбором достаточно высокой частоты вращения также при традиционной геометрии насоса, однако требуемые при этом высокие частоты вращения могут привести при определенных обстоятельствах к высоким нагрузкам или, соответственно, сильному износу насоса. Поэтому в винтовом насосе 1 используют специальную геометрию насоса, позволяющую получить описанный выше режим уже при относительно низкой частоте вращения, например, уже при 1000 об/мин или 1800 об/мин. В частности, вместо обычного для винтовых насосов использования нескольких последовательно расположенных в осевом направлении насосных камер используют относительно небольшое количество насосных камер или, соответственно, оборотов спиральных витков ведущего винта 5 и ведомого винта 6. В угловом положении, показанном на фиг. 4, только ровно одна насосная камера 9 закрыта как по отношению к впуску 3 для текучей среды, так и по отношению к выпуску 4 для текучей среды. В зависимости от конкретного геометрического исполнения свободных концов 13, 14 стенки 15 это может привести к тому, что независимо от углового положения ведущего винта 5 и ведомого винта 6 в показанном примере может быть не более одной или не более двух одновременно закрытых насосных камеры.
Благодаря использованию относительно небольшого количества последовательно расположенных в осевом направлении насосных камер достигается относительно большой объем отдельных насосных камер, в результате чего то же количество жидкости, текущей обратно через зазоры в соответствующую насосную камеру, меньше влияет на давление в насосной камере. Для достижения большого объема насосных камер 7-9 также предпочтительно, чтобы внутренний диаметр 16 спирального профиля ведущего и ведомого винтов 5, 6, как это, в частности, хорошо видно на фиг. 5, был заметно, например, приблизительно в 2 раза, меньше наружного диаметра 18 соответствующего винта.
Использование достаточно узкого радиального зазора 17 между корпусом 2 и соответствующим наружным диаметром 18 ведущего винта 5 или, соответственно, ведомого винта 6 может также далее уменьшить количество жидкости, текущей обратно в соответствующую насосную камеру 7, 8, 9. Например, радиальный зазор 25 может быть менее двух тысячных от наружного диаметра 18.
Как пояснено выше, геометрия винтового насоса 1 и достаточно высокая частота вращения воздействуют вместе для достижения описанных выше эффектов. При этом при заданной геометрии насоса частота вращения должна быть выбрана так, чтобы осевая скорость перемещения соответствующих насосных камер 7, 8, 9 к выпуску 4 для текучей среды была не менее 4 м/с, и/или чтобы окружная скорость на наружном профиле 18 ведущего винта 5 или, соответственно, ведомого винта 6 была не менее 15 м/с.