ГИДРОПОРШНЕВАЯ КОММУТИРУЕМАЯ СИСТЕМА ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОЙ, ИЛИ ГАЗООБРАЗНОЙ, ИЛИ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СРЕДЫ

Гидропоршневая коммутируемая система перекачки жидкой, или газообразной, или газожидкостной среды
Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к оборудованию, предназначенному для перекачки жидкости, газа и газожидкостных смесей, а также может быть использована в других отраслях техники, где требуется совместная перекачка жидкости и газа.
Перекачка газожидкостных смесей (ГЖС), в частности, одновременная откачка жидкости и газа из различного технологического оборудования используется, например, в установках подготовки нефти, нефтедобывающих скважинах и т.п. Типовым решением этой задачи является использование систем, включающих предварительное разделение ГЖС на газовую и жидкую фазы в газосепарационном устройстве, как правило, емкостного типа, и использование в дальнейшем насоса для откачки жидкости и, соответственно, компрессора для откачки газа. Системы подобного рода позволяют осуществлять перекачку газа и жидкости от нефтедобывающих скважин и широко используются в нефтедобывающей промышленности (см. Тронов В. П. «Сепарапия газа и сокращение потерь нефти, 2002, с.407). Недостатком подобных систем откачки газа и жидкости является значительная металлоемкость сепараторов и необходимость использования большого количества устройств КИП и А для отслеживания уровня раздела фаз, регулировки отсечной арматуры, включения и выключения компрессоров для предотвращения попадания на них перекачиваемой жидкости и, соответственно, газа на насосное оборудование.
Альтернативным решением применения перекачивающих систем, использующих предварительное разделение сред, являются мультифазные насос-компрессоры, являющиеся гидравлическими машинами объемного действия, позволяющие осуществить откачку ГЖС одним агрегатом, без предварительной сепарации (см. Тронов А.В. и др. «Опыт использования и
перспективы применения отечественного мультифазного насоса типа A3 «ВВ, Нефтепромысловое дело, №9, 2000, с.с.22-26). Недостатком подобных конструкций является их ограниченные возможности перекачки, связанные с наличием зазоров между рабочими органами, что приводит к возникновению внутренних перетоков жидкости и газа. Кроме того, насоскомпрессорные агрегаты являются устройствами сложной конструкции, что определяет их высокую стоимость изготовления, ремонта и обслуживания.
Наиболее близким решением можно считать, так называемую, бустерную систему нагнетания газа высокого давления (см. Жигов Р.И. «Пневмобурение, Обз. инф., 1952, с.57), включающую рабочую емкость всасывания и нагнетания в виде цилиндра, емкость для рабочей жидкости, трубопроводы, запорную и отсечную арматуру. В данной системе всасывание газа от источника в рабочую емкость в виде гидроцилиндра обеспечивается за счет разрежения, создаваемого при выкачивании из емкости рабочей жидкости, а вытеснение газа из рабочей емкости достигается путем нагнетания в нее рабочей жидкости. Схема работы бустерной системы эквивалентна одноходовому поршневому насосу. В качестве поршня используется рабочая жидкость, в качестве цилиндра рабочая емкость. Насос выполняет роль привода гидравлического поршня рабочей среды. Замена механического поршня жидкостью обеспечивает полное отсутствие зазоров между поршнем и цилиндром, что обеспечивает возможность получения высокого давления нагнетания.
Рассмотренная система позволяет перекачивать газ, а при определенных условиях и газ с нефтью при использовании в качестве рабочей среды пластовой минеральной воды. Однако, недостатком бустерной системы является ее значительная металлоемкость, отсутствие возможности автоматической коммутации направления перекачки рабочей жидкости, обусловленные большим диаметром корпуса значительные циклические знакопеременные нагрузки давления, приводящие к
напряжениям деформации материала корпуса и к изменению структуры металла и его разрушению.
Задачей предлагаемого решения является сокрапдение материальных затрат и повышение производительности и надежности перекачки газа, жидкости и ГЖС, при одновременном увеличении давления нагнетания и длительности безремонтной работы перекачиваюш,ей системы.
Указанная задача решается за счет того, что в системе перекачки газа и/или жидкости, содержаш,ей первую емкость в виде цилиндра, оборудованную в верхней части приемным и выпускным трубопроводами, снабженными каждый обратным клапаном и соединенными с линией всасывания и линией нагнетания соответственно для обеспечения всасывания в цилиндр перекачиваемой среды за счет разрежения при выкачивании из него рабочей жидкости и вытеснения перекачиваемой среды из цилиндра за счет нагнетания в него рабочей жидкости, вторую емкость с выпускным трубопроводом в верхней части и насос, соединенный с указанными емкостями в их нижних частях через систему клапанов, обеспечиваюш,ую попеременное подключение емкостей, соответственно, к приему и выпуску насоса для попеременного перекачивания рабочей жидкости из одной емкости в другую и обратно, вторая емкость выполнена также в виде цилиндра и оборудована в верхней части аналогично первой емкости дополнительно приемным трубопроводом, при этом ее приемный и выпускной трубопроводы снабжены каждый обратным клапаном и соединены соответственно с указанными линиями всасывания и нагнетания для обеспечения всасывания и вытеснения перекачиваемой среды из второй емкости аналогично первой.
Кроме того, каждый приемный и выпускной трубопровод снабжен гидравлическим накопителем.
Шцтц
предпочтительно цилиндры расположены вертикально, причем каждый приемный трубопровод соединен с соответствующим цилиндром тангенциально, а каждый выпускной трубопровод - по его оси.
При давлении до 16 атм система клапанов представляет собой гидравлическое коммутирующее устройство в виде сегментного роторного коммутатора, а при давлении от 16 до 25 атм - в виде роторного коммутатора револьверного типа.
В каждом цилиндре ход рабочей среды, выполняющем роль поршня, не превышает 20% высоты цилиндра, а скорость ее движения не превышает 0,1 диаметра цилиндра в секунду.
Система клапанов соединена с каждым из цилиндров трубопроводом отбора и трубопроводом подачи рабочей жидкости, которые подсоединены к соответствующему цилиндру в его нижней части тангенциально к нему и симметрично друг другу относительно плоскости, проходящей через ось цилиндра.
Схема работы предлагаемой системы перекачки эквивалентна двухходовому поршневому насосу, в котором роль поршней выполняет рабочая жидкость, цилиндры выполняют роль гидроцилиндров, роль привода поршней выполняет насос с системой клапанов, образующих гидравлический коммутатор.
На чертеже показана принципиальная схема предлагаемой гидропоршневой коммутируемой системы перекачки, где 1 - насос, 2 и 3 цилиндры, 4, 5, 6, 7 - клапаны, образующие систему клапанов гидравлического коммутатора, обеспечивающую попеременную перекачку жидкости из одной емкости в другую и обратно, 8, 10 - обратные клапаны приемного трубопровода, 9, 11 - обратные клапаны выпускного трубопровода.
Перекачивающая система работает следующим образом.
открыты, а клапаны 5 и 7 закрыты. Происходит заполнение цилиндра 2 перекачиваемой средой и вытеснение перекачиваемой среды из цилиндра 3, Обратный клапан 11 приемного трубопровода цилиндра 2 и обратный клапан 8 выпускного трубопровода цилиндра 3 открыты. Обратный клапан 10 выпускного трубопровода цилиндра 2 и обратный клапан 9 приемного трубопровода цилиндра 3 закрыты.
2 шаг. Рабочая жидкость откачивается насосом из цилиндра 3 в цилиндр 2, при этом клапаны 5 и 7 открыты, а клапаны 4 и 6 закрыты. Происходит заполнение цилиндра 3 перекачиваемой средой и вытеснение перекачиваемой среды из цилиндра 2. Обратный клапан 9 приемного трубопровода цилиндра 3 и обратный клапан 10 выпускного трубопровода цилиндра 2 открыты. Обратный клапан 8 выпускного трубопровода цилиндра 3 и обратный клапан 11 приемного трубопровода цилиндра 2 закрыты.
При использовании в качестве рабочей жидкости воды система способна перекачивать газ, воду, нерастворимую и несмешиваюшуюся с водой жидкость, смесь «вода+газ+нерастворимая и несмешивающаяся с водой жидкость.
Отсутствие технологических зазоров между поршнем и цилиндром перекачивающей системы обеспечивает высокое давление нагнетания.
В предлагаемой конструкции используются цилиндры (гидроцилиндры) с малым диаметром - до 300 мм. Такое решение обусловлено влиянием значительного количества циклов знакопеременных нагрузок давления, что при больших диаметрах цилиндров приводит к возникновению высоких знакопеременных напряжений и прочностной усталости металла вплоть до изменения его структуры и разрушения. Это можно компенсировать увеличением толщины стенки, но более приемлемый путь - уменьшение диаметра цилиндра.
цилиндра нефти рабочей жидкостью (водой). Вследствие неполного вытеснения возникает эффект разгазирования остаточной нефти во всасывающем цилиндре, что эквивалентно холостому ходу поршня. Вертикальное размещение цилиндров максимальным образом способствует полному вытеснению перекачиваемой среды. Кроме того, такое расположение цилиндров существенно уменьшает площадь границы раздела фаз «вода - нефть+газ, что снижает скорость процесса насыщения воды растворенным газом и уменьшает газонасыщенность воды, как рабочей жидкости, что снижает величину холостого хода гидравлического поршня.
При использовании предлагаемой перекачивающей системы следует соблюдать следующие условия.
1.Скорость движения гидравлического поршня U не должна превышать 0,1 диаметра гидроцилиндра D в секунду.
2.Ход гидравлического поршня не должен превышать 20% длины гидроцилиндра.
Эти условия исключают произвольное самоэмульгирования рабочей среды с перекачиваемой средой и диффузионный размыв включений дисперсной фазы, приводящий к насыщению рабочей среды фрагментами дисперсной фазы в количестве, способном вызвать значительную газонасыщенность воды и, соответственно, возникновение эффекта холостого хода гидравлического поршня.
В конструкции используется тангенциальное подсоединение следующих трубопроводов: приемного к коммутатору и от коммутатора к цилиндрам. Подсоединение выпускного трубопровода - вертикальное по оси цилиндра. Это обуславливает дополнительное уменьшение возможности образования эмульсии перекачиваемой и рабочей сред, вследствие создания принудительного вращения жидкости в цилиндре за счет проявления дополнительного сепарационного эффекта из-за возникновения центробежных сил при вращательном движении.
в предлагаемой перекачивающей системе коммутация насоса на откачку рабочей жидкости из одного цилиндра в другой и, соответственно, обратно, достигается за счет использования механического коммутатора. При невысоких давлениях нагнетания (до 16 атм) используется простой сегментный роторный коммутатор. При давлениях нагнетания от 16 до 25 атм используется более сложный роторный коммутатор револьверного типа, в котором минимизированы внутренние перетоки рабочей жидкости.
Для предотвращения перетока газа через обратные клапаны все клапаны с двух сторон снабжены гидравлическими накопителями емкостью не менее 2 литров.
Предлагаемая система перекачки установлена на ГЗПУ-41 НГДУ «Азнакаевскнефть ОАО «Татнефть и используется для откачки ГЖС с водоочистного комплекса АОСВ (Аппарат очистки сточных вод комплекс флотационных машин) следующего состава: газ нефтяной 92%, нефть - 6%, вода пластовая минерализованная - 2%.
Давление нагнетания ГЖС - до 8 атм. Объем перекачиваемой ГЖС 8 мЗ/час. Работа системы непрерывная.