ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА И НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ С РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ
CENTRIFUGAL SEPARATOR FOR SEPARATION OF GAS AND IMMISCIBLE LIQUIDS WITH DIFFERENT DENSITY

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для сепарации газа, нефти и воды.
Известен центробежный сепаратор для разделения несмешивающихся жидкостей с использованием кинетической энергии перекачиваемого продукта. Сепаратор содержит входной патрубок с направляющим аппаратом, неподвижный корпус, закручивающий аппарат с лопатками и турбиной (устройство закручивания потока смеси жидкостей), механический разделитель (направляющие-ловушки, направленные в приемник-накопитель с непрерывной выгрузкой), заслонки приемника-накопителя (выгружающий аппарат). [Патент на полезную модель №63242, МПК B01D 21/26, опубл. 27.05.2007, БИ №14].
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является сложность конструктивного исполнения и недостаточно высокое качество разделения исходного продукта, обусловленное невысоким значением центробежной силы закрученного потока.
Известен центробежный сепаратор для разделения несмешивающихся жидкостей с различной плотностью с использованием кинетической энергии перекачиваемого продукта, содержащий входной патрубок, устройство закручивания потока смеси жидкостей, механический разделитель и выгружающий аппарат с непрерывной выгрузкой, при этом входной патрубок присоединен к сепаратору по касательной к корпусу устройства закручивания потока, выполненного в виде плоской Архимедовой спирали, направляющей движение потока от периферии к центру, а разделитель потоков выполнен в виде неподвижной перегородки, снабженной поворотной лопастью с возможностью поворота ее сервоприводом, соединенным с системой управления, вход которой соединен с датчиком положения линии раздела жидкостей, при этом датчик положения линии раздела жидкостей выполнен в виде контактной гребенки, между соседними зубцами которой включены резисторы одинакового номинала [пат. RU №2456085, кл. B04B 5/12, B01D 17/038. Опубл. 20.07.2012 г.]
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является сложность конструктивного исполнения и недостаточно высокое качество разделения исходного продукта, обусловленное невысоким значением разрешения датчика положения линии раздела жидкостей.
Технический результат - упрощение конструкции сепаратора и повышение качества разделения смеси жидкостей.
Технический результат достигается тем, что в центробежном сепараторе для разделения газа и несмешивающихся жидкостей с различной плотностью с использованием кинетической энергии перекачиваемого продукта, содержащем входной патрубок, неподвижный корпус, устройство закручивания потока смеси жидкостей, механический разделитель потока и выгружающий аппарат с непрерывной выгрузкой, причем входной патрубок присоединен к сепаратору по касательной к корпусу устройства закручивания потока, выполненного в виде плоской Архимедовой спирали, разделитель потока выполнен в виде неподвижной перегородки, снабженной поворотной лопастью с возможностью поворота ее сервоприводом, соединенным с системой управления, в отличие от прототипа поворотная лопасть снабжена двумя датчиками электропроводимости разделяемых жидкостей, размещенными на противоположных сторонах поворотной лопасти, датчики соединены с электросхемой, управляющей сервоприводом поворота лопасти, а электросхема содержит логический элемент 17 для повышения разрешающей способности разделителя потока.
На фиг. 1 изображен общий вид сепаратора.
На фиг. 2 представлена схема устройства в разрезе.
На фиг. 3 представлена схема разделения потоков разных жидкостей.
На фиг. 4 показана электросхема устройства датчика границы раздела жидкостей.
Центробежный сепаратор для разделения газа и несмешивающихся жидкостей с различной плотностью содержит неподвижный корпус, входной патрубок 1, присоединенный к спирали 2, выполненной в виде плоской спирали (устройство закручивания потока смеси жидкостей), в центре которой размещены труба для вывода газа 3 и выходной патрубок 4. Входной патрубок 1 присоединен к сепаратору по касательной к корпусу устройства закручивания потока смеси жидкостей. Выходная труба (выгружающий аппарат с непрерывной выгрузкой) разделяется на патрубок для вывода воды 5 и патрубок для вывода нефти 6. Между трубами 5 и 6 размещена неподвижная разделительная перегородка 7 (механический разделитель потока) с поворотной лопастью 8 (фиг. 2).
Лопасть 8 снабжена серводвигателем 9. Вдоль потока жидкости на лопасти 8 установлен датчик положения границы раздела жидкостей, состоящий из контактов 10 и 11 (фиг. 3), соединенный с входом системы управления 12 (фиг. 4), выполненного в виде, например, контроллера или релейной схемы. Выходной вал серводвигателя 9 соединен с поворотной лопастью 8, на которой закреплены контакты 10 и 11.
Система управления 12 (фиг. 4), содержит серводвигатель 9, соединенный с релейной схемой, состоящей из двух реле - 13 и 14, подключенных к источнику электропитания через контакты 10 и 11. Контакты реле 15 и 16 составляют логическую схему 17, которая подключает серводвигатель 9 к источнику электропитания только в том случае, когда эти контакты находятся в одинаковом положении - реле 13 и реле 14 либо оба включены, либо оба выключены. Диоды 18 и 19 включены параллельно конечным выключателям 20 и 21 для возможности реверса серводвигателя 9, когда срабатывает один из конечных выключателей. Контакты реле 22 и 23 служат для изменения направления вращения серводвигателя 9.
Устройство работает следующим образом.
В патрубок 1 направляют поток смеси жидкостей, обладающий собственной кинетической энергией. Поток, двигаясь по спирали 2, имеющему форму плоской двухвитковой спирали, подвергается воздействию центробежной силы, причем чем ближе жидкость подходит к центру, тем большая величина центробежной силы на нее действует (фиг. 2). Поскольку в потоке движутся жидкости с разной плотностью, например нефть и вода, центробежная сила действует на них по-разному. Вода, как более плотная жидкость, движется вдоль внешней стенки канала, а нефть вытесняется к внутренней стенке. При подходе к разделительной перегородке 7 с поворотной лопастью 8 жидкость представляет собой два сформированных слоя - нефти и воды.
Поток нефти и воды, расслоенный при центрифугировании (газ отделяется раньше и выводится через трубу 3, фиг. 1 и 2), подается в выходной патрубок 4 (фиг. 3). Заранее не известно соотношение количества воды и нефти в потоке, поэтому положение границы раздела нефти и воды может быть произвольным. Для того чтобы направить острие лопасти 8 (фиг. 2 и 3) на границу раздела нефти и воды и отделить нефть от воды, направив воду в патрубок 5, а нефть - в патрубок 6, нужно определить положение границы раздела в поперечном сечении выходного патрубка 4. Для этого служит датчик положения, состоящий из пары контактов 10 и пары контактов 11. Принципом определения границы раздела нефти и воды является разность электрической проводимости минерализованной скважинной воды и нефти. Известно, что минерализованная вода является хорошим проводником тока, а нефть обладает изоляционными свойствами. Если острие лопасти 8 направлено на границу раздела нефти и воды, то контакты 10 замыкаются через поток воды, при этом реле 13 включено, его контакты 15, 22 и 23 замкнуты. Контакты 11 находятся в потоке нефти и поэтому электрическая цепь не замкнута, реле 14 не включено, его контакты 16 разомкнуты, поэтому электропитание на серводвигатель 9 не подается. В случае изменения положения границы раздела воды и нефти возможны два варианта: первый - увеличивается слой воды, второй - увеличивается слой нефти. И в том, и в другом случае смещается граница раздела нефти и воды. Система управления должна изменить положение лопасти таким образом, чтобы ее острие установить на границе раздела нефти и воды.
В первом случае - вода омывает контакты 10 и 11. Тогда оба реле 13 и 14 включены, их контакты 15 и 16 находятся в одинаковом положении, цепь электропитания серводвигателя замкнута и его вращение (фиг. 3) обеспечивает поворот лопасти 8 в сторону границы раздела нефти и воды. Серводвигатель 9 работает до тех пор, пока включены оба реле - 13 и 14. Как только острие лопасти 8 достигает границы раздела нефти и воды, контакты 11 начинают омываться потоком нефти, электроконтакт между ними прерывается, реле 14 отключается, а серводвигатель 9 прекращает работу.
Во втором случае - нефть омывает контакты 10 и 11 (фиг. 3, 4). Тогда оба реле - 13 и 14 выключены. Их контакты 15 и 16 находятся в одинаковом положении, цепь электропитания серводвигателя 9 замкнута, а контакты 22 и 23 меняют полярность источника электропитания и серводвигатель 9, вращаясь в обратную сторону, перемещает острие лопасти 8 (фиг. 3) в сторону границы раздела нефти и воды до тех пор, пока контакты 10 не начнут омываться водой, замыкающей их, что приведет к включению реле 13 и отключению электропитания серводвигателя 9 в результате работы логического элемента 17.
Безопасная работа электросхемы обеспечивается выбором низковольтного электропитания - не более 6 В, а реле выбираются с низким значением тока срабатывания - не выше 10 мА. Серводвигатель постоянного тока выбирается со статором в виде постоянного магнита, что дает возможность его реверса простым изменением полярности электропитания.
Быстродействие автомата (постоянная времени) обеспечивается скоростью срабатывания реле (не более 20 мс) и частотой вращения сервопривода (до 6000 об/мин). Этих условий достаточно для точного слежения за изменением границы раздела нефти и воды. При этом, руководствуясь критерием устойчивости Михайлова, можно избежать перерегулирования и сопровождающих его автоколебаний. Общее быстродействие автомата можно оценить как 0,1-1,0 с, что количественно представляет скорость реакции на изменение в характеристика потока жидкости.
Таким образом, с помощью релейной схемы управления устройство автоматически находит положение границы раздела нефти и воды, что повышает качество их разделения и в целом улучшает процесс сепарации. Кроме того, указанный результат достигается с применением минимальных технических средств, что упрощает конструкцию устройства.
Из приведенного примера видно, что использование спирали для разделения потока несмешивающихся жидкостей позволяет упростить конструкцию сепаратора за счет исключения вращающихся частей и использованием меньшего количества деталей и узлов, что позволяет уменьшить затраты на ее изготовление и повысить надежность функционирования. Использование предлагаемого сепаратора обеспечивает также высокое качество разделения смеси, практически полностью устраняющее попадание воды в нефть за счет увеличения разрешающей способности автомата слежения за перемещением границы между потоками воды и нефти.
Предлагаемая конструкция находит промышленное применение для подготовки товарной нефти на нефтепромыслах.