СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МУЛЬТИФАЗНОГО НАСОСА
METHOD AND DEVICE OF PROTECTING MULTIPHASE PUMP

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и может быть использовано в нефтегазовой промышленности для защиты мультифазных насосов от негативного воздействия высокой доли газовой фазы в перекачиваемой рабочей среде и/или «сухого хода».
Мультифазные насосы предназначены для перекачивания рабочей среды, содержащей разные агрегатные состояния вещества в различных пропорциях, но имеют ограничения по предельному содержанию газовой фазы в рабочей среде. Длительное воздействие среды с низкой долей жидкой фазы или при полном отсутствии жидкой фазы («сухой ход») является недопустимым, поскольку ведет к разрушению насоса. При режиме с низкой долей жидкой фазы или «сухом ходе» смазка, образованная жидкой фазой перекачиваемой рабочей среды, испаряясь, коксуется в зазорах либо выносится из зоны трения полностью, что ведет к разогреву рабочих органов и уплотнений насоса выше допустимых значений, падению давления и производительности насоса.
Известен способ эксплуатации многофазного винтового насоса и насос по патенту №2101571, принятый за прототип, где защита насоса от «сухого хода» обеспечивается за счет того, что с напорной стороны из перекачиваемой газосодержащей рабочей среды отделяют жидкую фазу и дозированно возвращают часть отделенной жидкой фазы в зону всасывания, поддерживая, таким образом, в состоянии циркуляции.
Для осуществления известного способа в нагнетательной полости, расположенной внутри корпуса винтового мультифазного насоса, выполнено устройство для отделения жидкой фазы из потока газосодержащей рабочей среды, содержащее нижний участок для приема отделенной жидкой фазы, соединенный перепускной линией с всасывающей полостью мультифазного насоса, образуя замкнутый контур для циркуляции количества жидкой фазы, обеспечивающей замыкание зазоров в рабочих органах и уплотнениях валов.
В качестве дозатора перепускаемой жидкой фазы используется дозировочный насос или диафрагма, обеспечивающая постоянную циркуляцию жидкой фазы в количестве 3% от номинальной производительности мультифазного насоса.
Недостатки решения по патенту №2101571 следующие.
1. Постоянная рециркуляция части рабочей жидкости (3% от номинальной производительности) неизбежно приводит к снижению КПД насоса, поскольку эта часть жидкости постоянно перекачивается вхолостую. Причем, при снижении содержания жидкой фазы в рабочей среде, поступающей на вход насоса, возрастает доля жидкой фазы, находящейся в постоянной циркуляции для смазки насоса, которая может значительно превышать заявленные 3% от поступающей к насосу жидкой фазы. Так, например, при снижении содержания жидкой фазы в перекачиваемой среде до 3% вся жидкая фаза, поступающая в насос, будет находиться в состоянии рециркуляции.
2. Ограниченный объем резервной жидкости не позволяет продолжительное время эксплуатировать мультифазный насос в режиме «сухого хода», поскольку часть резервной жидкости будет неизбежно уноситься вместе с потоком газа в напорную магистраль.
3. Решение, предложенное в прототипе, применимо только для двухвинтовых мультифазных насосов, поскольку количество рециркулирующей жидкости для защиты насоса (3% от номинальной производительности) связано с конкретной конструкцией насоса, приведенной в прототипе, и может быть недостаточным для мультифазных насосов других конструкций.
Технической задачей заявленных изобретений является обеспечение сохранения функциональных параметров различных типов мультифазных насосов при перекачивании газосодержащей рабочей среды с низкой долей жидкой фазы и во время режима «сухого хода».
Техническая задача решается тем, что в способе защиты мультифазного насоса, содержащего всасывающие и нагнетательные полости, рабочие органы и уплотнения валов, заключающемся в том, что во всасывающую полость мультифазного насоса осуществляют дополнительную подачу жидкой фазы, согласно изобретению дополнительную подачу жидкой фазы осуществляют в периоды снижения доли жидкой фазы в перекачиваемой газосодержащей рабочей среде ниже допустимого значения, при этом дополнительную подачу жидкой фазы осуществляют порциями, через интервалы времени, в течение которых жидкая фаза гарантированно сохраняется в количестве, достаточном для замыкания зазоров в рабочих органах и уплотнениях валов. Кроме того, количество жидкой фазы в порции соответствует, по меньшей мере, рабочему объему насоса.
Техническая задача решается также тем, что в устройстве защиты мультифазного насоса, содержащем резервуар для отделения жидкой фазы из потока газосодержащей рабочей среды, соединенный с нагнетательной полостью мультифазного насоса, включающий нижний участок для приема резервного объема жидкой фазы в количестве, равном, по меньшей мере, одной порции, при этом нижний участок соединен посредством перепускной линии с всасывающей полостью мультифазного насоса, образуя замкнутый контур для циркуляции жидкой фазы, согласно изобретению резервуар снабжен выходной линией, при этом устройство содержит датчик жидкой фазы, встроенный в выходную линию, запорный механизм, встроенный в перепускную линию и связанный с датчиком жидкой фазы, блок управления запорным механизмом, обеспечивающий во время продолжения сигнала датчика жидкой фазы периодическое срабатывание запорного механизма и подачу порций жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса для смазки, отвода избыточного тепла и замыкания зазоров в рабочих органах и уплотнениях валов. Кроме того, резервуар снабжен контуром терморегуляции для резервного объема жидкой фазы. Кроме того, устройство защиты содержит коллектор с полостью увеличенного сечения.
Существует промежуток времени (гарантированное время действия смазки) после наступления режима сухого хода, когда отсутствие жидкой фазы на входе насоса не вызывает падения давления, снижение производительности и чрезмерного разогрева рабочих органов и уплотнений насоса. Это происходит за счет остаточной смазки, образованной жидкой фазой рабочей среды, находящейся на поверхности сопряженных деталей, рабочих органов и уплотнений, которая замыкает зазоры, обеспечивая сохранение подачи и поддерживает нормальную работоспособность насоса.
Гарантированное время действия смазки зависит от температуры и свойств жидкой фазы, а также от конструкции и параметров эксплуатации мультифазного насоса.
При подаче порций жидкой фазы через интервалы времени во всасывающую полость мультифазного насоса, осуществляемой на всем протяжении периода, когда содержание жидкой фазы в перекачиваемой среде опускается ниже допустимого значения или жидкая фаза отсутствует полностью («сухой ход»), мультифазный насос может нормально функционировать, т.к. каждая порция обеспечивает заполнение всего рабочего объема насоса жидкой фазой, что гарантирует надежную смазку трущихся поверхностей рабочих органов и уплотнений, а также отвод избыточного тепла, возникающего в процессе работы насоса. При этом в течение интервала времени до следующей порции гарантированно сохраняется достаточное количество смазки, образованной жидкой фазой, для замыкания зазоров в рабочих органах и уплотнениях, что обеспечивает сохранение подачи рабочей среды, а также высокий КПД мультифазного насоса, за счет того, что временной интервал между подачами порций жидкой фазы значительно превышает временной интервал, требуемый на прокачку одной порции жидкой фазы.
Наличие в устройстве защиты мультифазного насоса резервуара для жидкой фазы рабочей среды, датчика жидкой фазы, запорного механизма, а также блока управления запорным механизмом обеспечивает разделение рабочей среды на жидкую и газовую фазы, накопление определенного резервного объема жидкой фазы и позволяет осуществлять дополнительную подачу жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса для смазки и отвода избыточного тепла, в отличие от прототипа, только в периоды с низкой долей жидкой фазы или при «сухом ходе», в виде порций, равных, по меньшей мере, одному рабочему объему мультифазного насоса, через интервалы времени, не превышающие гарантированное время действия смазки, что обеспечивает сохранение высокой производительности и КПД мультифазного насоса.
На чертеже представлена схема устройства защиты мультифазного насоса, подключенного к мультифазному насосу.
Устройство защиты мультифазного насоса 1 содержит резервуар 2 с резервным объемом жидкой фазы рабочей среды 3 и контуром терморегуляции 4. Резервуар 2 содержит входную линию 5 и выходную линию 6 для подвода и отвода рабочей среды.
Выходная линия 6 со встроенным в нее датчиком жидкости 7 располагается на таком расстоянии от нижнего участка резервуара, чтобы объем резервной жидкости составлял не менее одной порции.
От нижнего участка резервуара 2 отходит перепускная линия 8, оборудованная запорным механизмом 9. Устройство защиты также включает коллектор 10 и блок управления 11 запорным механизмом 9, связанный с датчиком жидкости 7.
Мультифазный насос 12 содержит полость всасывания 13 и полость нагнетания 14, рабочие органы 15 и уплотнения валов 16.
Устройство защиты 1 соединяется с мультифазным насосом 12 следующим образом: перепускная линия 8 сообщается с полостью всасывания 13 через коллектор 10; полость нагнетания 14 сообщается с резервуаром 2.
Способ осуществляется следующим образом.
Рабочая среда, подводимая к мультифазному насосу 12, через коллектор 10 поступает в его всасывающую полость 13, где рабочие органы 15 перемещают рабочую среду в нагнетательную полость 14. Затем рабочая среда поступает в резервуар 2 устройства защиты 1, где за счет сил гравитации, а также изменения скорости и направления движения происходит ее разделение на жидкую и газовую фазы.
В результате в нижней части резервуара 2 собирается резервный объем жидкой фазы рабочей среды 3. При этом выходная линия 6 располагается на такой высоте от нижнего участка резервуара 2, чтобы объем резервной жидкости был равен, по меньшей мере, одной порции для смазки мультифазного насоса.
При достижении требуемого резервного объема жидкой фазы 3 излишки жидкой и газовой фазы поступают в выходную линию 6, в которой установлен датчик жидкой фазы 7, и далее выводятся из устройства защиты 1. При наступлении и во время продолжения режима с низкой долей жидкой фазы или «сухого хода» соответствующий сигнал от датчика жидкой фазы 7 поступает в блок управления 11, который, в свою очередь, через заданные интервалы времени подает сигналы на срабатывание запорного механизма 9.
В результате, при срабатывании запорного механизма 9 порция жидкой фазы по перепускной линии 8, подсоединенной к нижнему участку резервуара 2, через коллектор 10 поступает во всасывающую полость 13. При этом количество жидкой фазы в порции должно соответствовать, по меньшей мере, одному рабочему объему мультифазного насоса 12. Затем, перемещаясь с помощью рабочих органов 15 мультифазного насоса 12, эта порция жидкой фазы вновь поступает в резервуар 2 устройства защиты 1, обеспечивая смазку рабочих органов 15 и уплотнений валов 16. В промежутках между порциями жидкой фазы мультифазный насос 12 перекачивает преимущественно газовую фазу рабочей среды без ущерба для рабочих органов 15 и уплотнений валов 16.
Количество жидкой фазы в порции, подаваемое на вход насоса при однократном срабатывании запорного механизма 9, обеспечивает надежную смазку рабочих органов 15, уплотнений валов 16 и других узлов насоса и отвод от них избыточного тепла, поскольку заполняет рабочий объем насоса полностью. Продолжительность временного интервала между срабатываниями запорного механизма 9 гарантирует наличие достаточного количество жидкой фазы, замыкающей зазоры в рабочих органах и уплотнениях валов для сохранения подачи рабочей среды мультифазного насоса вплоть до следующего срабатывания запорного механизма 9.
Пример
Коэффициент использования производительности насоса, который показывает, какая часть теоретической производительности мультифазного насоса используется для перекачки рабочей среды для способа, используемого в прототипе, имеет вид:
,
см
где Q - производительность жидкой фазы для смазки мультифазного насоса;
Q - теоретическая производительность мультифазного насоса
Тот же коэффициент использования производительности для заявляемого изобретения будет иметь вид
где τ - гарантированное время действия смазки;
t - временной интервал, в течение которого прокачивается одна порция жидкой фазы для смазки мультифазного насоса.
3
Экспериментально определенное минимальное содержание жидкой фазы в перекачиваемой среде для винтового героторного насоса У1НВ3-110.3.04.155 составляет 15-25%, а интервал времени (τ), в течение которого сохраняется достаточное количество смазки для замыкания зазоров в рабочих органах и уплотнениях (гарантированное время действия смазки), составляет величину от 60 до 120 секунд для разных режимов работы данного насоса. При этом его рабочий объем составляет 1 дм, а время (t), необходимое для прокачки одной порции жидкой фазы для смазки, составляет менее чем 4 секунды.
Подставляя численные параметры насоса У1НВ3-110.3.04.155 в формулы для прототипа и предлагаемого изобретения получим:
для способа, используемого в прототипе:
для предлагаемого изобретения:
Приведенные цифры показывают, что для защиты мультифазного винтового героторного насоса У1НВ3-110.3.04.155 в периоды с низкой долей жидкой фазы или «сухом ходе» с помощью заявляемого изобретения требуется значительно меньше жидкой фазы, что обеспечивает высокую производительность и КПД насоса.
Таким образом, устройство защиты для мультифазного насоса обеспечивает накопление и хранение нерасходуемого запаса жидкой фазы рабочей среды, а также циркуляцию порций жидкой фазы для смазки и охлаждения рабочих органов и уплотнений валов мультифазного насоса при наступлении и во время продолжения режима с низкой долей жидкой фазы в перекачиваемой среде или «сухом ходе». Резервуар 2 обеспечивает хранение нерасходуемого объема жидкой фазы 3 в количестве, равном, по меньшей мере, одной порции для смазки и охлаждения насоса.
В качестве запорного механизма 9 может быть использована автоматизированная запорная трубопроводная арматура. При использовании запорной арматуры подача жидкой фазы из резервуара осуществляется за счет перепада давления, развиваемого мультифазным насосом 12, а регулирование количества жидкой фазы в порции осуществляется за счет изменения проходного сечения и/или продолжительности протока жидкой фазы через запорную арматуру.
В резервуаре 2 устройства защиты 1 предусмотрен контур терморегуляции 4 для резервного объема жидкой фазы. Терморегуляция обеспечивает охлаждение резервной жидкой фазы при длительных периодах режима с низкой долей жидкой фазы в рабочей среде или «сухого хода» либо ее подогрев, например, в зимний период для уменьшения вязкости.
В качестве датчика жидкой фазы 7 может использоваться любой датчик, регистрирующий прохождение границей раздела жидкой и газообразной фаз некоторого заданного уровня в выходной линии 6, соответствующего критическому содержанию жидкой фазы для конкретного типа насоса. Снижение доли жидкой фазы в выходной линии 6 ниже критического вызывает срабатывание датчика жидкой фазы 7, который подает соответствующий сигнал в блок управления 11.
Блок управления 11 при возникновении и во время продолжения сигнала от датчика жидкой фазы 7 выдает команды на срабатывание запорного механизма 9 через заданные интервалы времени. При срабатывании запорного механизма 9 заданная порция резервной жидкости из накопительной емкости 2 по перепускной линии 8 через коллектор 10 и входной патрубок 13 поступает в мультифазный насос 12.
Конструкция коллектора 10 позволяет осуществить параллельное подключение к полости всасывания 13 перепускной линии 8 и трубопровода, подводящего рабочую среду, а также обеспечить защиту мультифазного насоса и трубопроводов от гидроудара при подаче порций резервной жидкости за счет полости увеличенного сечения в корпусе коллектора 10, предназначенной для образования «воздушного (газового) колпака».
Задание и регулирование продолжительности интервала времени между срабатываниями запорного механизма может осуществляться с помощью таймера, встроенного в блок управления 11, или с помощью внешнего контрольно-измерительного устройства, установленного на насосе и предназначенного для контроля температуры рабочих органов и/или уплотнений насоса, изменение которой с течением времени прямым или косвенным образом связано с недостатком или отсутствием жидкой фазы в подводимой к насосу рабочей среде.
Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют сохранить функциональные параметры мультифазных насосов при перекачивании газосодержащей рабочей среды с низкой долей жидкой фазы и во время режима «сухого хода». При этом в конструкции устройства защиты предусмотрена возможность изменения настроек размера порции, продолжительности интервала между порциями и отслеживаемого допустимого содержания жидкой фазы в перекачиваемой среде, что позволяет использовать его для мультифазных насосов различного типа.