ЦЕНТРОБЕЖНОЕ СЖАТИЕ ВЛАЖНОГО ГАЗА ИЛИ РАСШИРЕНИЕ С УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ ОТ ЖИДКОГО ПОРШНЯ И/ИЛИ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
CENTRIFUGAL COMPRESSION OF MOIST GAS OR EXPANSION WITH DEVICE OF PROTECTION AGAINST LIQUID PISTON AND/OR SPRAY DEVICE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Данная заявка заявляет преимущество предварительной заявки на патент США 61/264414, поданной 25 ноября 2009 г., озаглавленной «Центробежное сжатие влажного газа или расширение с устройством защиты от поршня и/или распылительным устройством», которая во всей своей полноте приводится здесь в качестве ссылки.
Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Предмет изобретения, рассмотренный в данной заявке, относится к технологии, используемой в сжатии или расширении многофазной текучей среды в системе обработки текучей среды.
Описание уровня техники
Данный раздел предназначен для введения различных аспектов уровня техники, которые могут быть связаны с типичными вариантами настоящего изобретения. Предполагается, что данное рассмотрение способствует созданию основных принципов для облегчения лучшего понимания частных аспектов настоящего изобретения. Соответственно, должно быть понятно, что данный раздел должен восприниматься в этом свете и необязательно как подходы уровня техники.
Обычно подразумевается, что центробежные компрессоры или газовые расширители не обрабатывают жидкие поршни, и, таким образом, принимается, что они могут обрабатывать только фракцию одного процента жидкости по объему. Таким образом, во многих применениях дорогостоящие сепараторы жидкости, способы дегидратации и/или установки скрубберов используются для испытания и удаления или отделения жидкостей перед использованием центробежных компрессоров или расширителей. Указанные устройства часто предназначены для специальных рабочих условий и поэтому ограничены интервалом газовой объемной фракции ((ГОФ) (GVF)), которая может подаваться с заданной скоростью технологического потока. Даже с указанным дорогостоящим и сложным перерабатывающим оборудованием, если имеется неожиданно высокий уровень жидкостей, они могут быстро насыщать, заполнять и переливать сепараторы жидкости, как только их емкость для жидкости превышается, что приводит к поршневому движению (образованию пробки) в компрессорном или расширительном оборудовании.
Обычно могут использоваться многофазные насосы, если известно, что текучая среда будет обычно ниже 90% ГОФ. Центробежные компрессоры часто ограничиваются в применениях ГОФ 99,7 или выше, и даже это может вызвать проблемы в машине в отношении стабильности и повлиять на надежность уплотнений и подшипников. Поэтому для процессов вне указанного небольшого интервала современная практика состоит в разделении текучих сред перед использованием центробежного компрессора даже с разработанным ограничением с соответствующими способом и оборудованием. То же самое справедливо для газовых расширителей, которые представляют собой функционально центробежный компрессор, который наоборот высвобождает энергию в одной форме или другой при падении давления процесса в расширителе. Сепараторы, скрубберы и установки дегидратации являются не только дорогостоящими и ограниченными по объему жидкости и интервалу объемного потока, но они также имеют тенденцию быть громоздкими, обеспечивая дорогостоящее недвижимое имущество в таких местах, как морские платформы, подводная переработка или оборудование прибрежных участков. Указанное в сочетании со сложными системами контроля и дополнительным вспомогательным оборудованием, подобным насосам, регуляторам, контроллерам уровня, передающим устройствам и фильтрам, увеличивает сложность и вероятность отказа указанных систем. Пример способа, где поршни (пробки) могут вызвать сильное повреждение, показан на фигуре 1, на которой показано обслуживание типичной нефтяной или газовой скважины, где сепаратор 4 используется для отделения жидкости от газа, так что центробежный компрессор 21 и насос 12 могут затем использоваться для нагнетания газа и жидкости раздельно. Газ и жидкость затем объединяются снова под ссылочной позицией 14 для того, чтобы транспортироваться вместе по трубопроводу к перерабатывающему оборудованию. Если одна машина может использоваться для транспортирования объединенного потока, это потенциально значительно снижает общую стоимость и сложность всей системы.
Некоторыми дополнительными вопросами, связанными с жидкостями, являются не только стабильность машины, но также эрозия крыльчаток и распылителей, засорение и получаемый дисбаланс, если жидкости испаряются или выпариваются при сжатии в машине. Однако было показано, что эрозия может быть снижена или предотвращена замедлением скорости жидкости в точках соударения и снижением размера капель. Засорение также может быть снижено или даже устранено при увеличении уровней жидкости выше точки испарения в эффективной промывке внутренних частей машины.
Приведенное выше рассмотрение потребности техники предназначено быть скорее представительным, чем исчерпывающим. Технология, которая будет улучшать способность компрессоров или расширителей обрабатывать многофазный поток текучей среды с более высоким содержанием жидкости по сравнению с современным уровнем техники, будет иметь большое значение.
Краткое описание изобретения
Отмеченные выше проблемы в обработке потока многофазной текучей среды адресованы использованию устройства защиты от жидкого поршня и/или распылительного устройства для улучшения смешения выше по потоку жидкости с газом, таким образом давая возможность центробежному компрессору или расширителю лучше обрабатывать более высокие уровни жидкости. Распылительным устройством может быть любой из известных распылителей текучей среды или устройство смешения потока. Это может быть использовано в существующих разработках для способствования защите компрессора или расширителя от сбоев способа с дополнительным объемом жидкости или в качестве установленной единственной конструкции для способствования исключения части требуемого оборудования, такого как сепаратор или насос жидкости.
Устройство защиты от жидкого поршня (пробки) замедляет жидкий поршень и смешивает жидкость с газом уже в устройстве со снижением резкого изменения плотности. Это обеспечивает время для замедления двигателя компрессора, т.к. крутящий момент или нагрузка увеличивается с увеличением объема жидкости или снижением ГОФ. Распылительное устройство, кроме того, способствует превращению жидких поршней (пробок) в капли или туман, смешанные с газом, с лучшим содействием компрессору справиться с резким изменением плотности и нагрузки при снижении удара, что дает меньшую эрозию. Либо продукт, либо оба последовательно могут использоваться в применении компрессора или расширителя, где имеется возможность сбоев некоторых жидкостей или жидкости.
В контексте данного рассмотрения термин «распылительное устройство» означает любое устройство или механизм для расщепления жидкости на дымку, туман или спрей жидкости. Термин «распыленный», как использовано здесь, должен пониматься как означающий мелкие дискретные частицы жидкости. Также термин «устройство защиты от поршня (пробки)» означает любое устройство, которое способствует замедлению резкого изменения плотности текучей среды с высоким уровнем жидкости в газовом потоке при смешении предопределенного потока жидкости с газом, который течет впереди, вместе с или позади жидкости.
Вышеприведенное довольно широко отмечает характеристики и технические преимущества настоящего изобретения для того, чтобы могло быть лучше понято подробное описание изобретения, которое следует далее. Далее будут описаны дополнительные характеристики и преимущества изобретения, которые образуют объект формулы изобретения. Специалисты в данной области техники отметят, что рассмотренные концепция и отдельный вариант могут быть легко использованы в качестве основы для модификации или разработки других структур для осуществления тех же самых целей настоящего изобретения. Также должно быть понято специалистами в данной области техники, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема изобретения, как представлено в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание нескольких видов чертежей
Новые характеристики, которые считаются характеристиками изобретения, как для его организации, так и способа работы вместе с другими объектами и преимуществами будут лучше поняты из последующего описания при рассмотрении в сочетании с сопровождающими чертежами. Однако должно быть ясно понятно, что каждый из чертежей представлен только в целях иллюстрации и описания и не предназначен для определения пределов настоящего изобретения.
На фигуре 1 представлена схема известной системы обработки многофазной текучей среды.
На фигуре 2 представлена схема одного варианта системы обработки многофазной текучей среды согласно изобретению для сжатия многофазной текучей среды.
На фигуре 3 представлена схема другого варианта системы обработки многофазной текучей среды согласно изобретению для расширения многофазной текучей среды.
На фигуре 4 представлена схема объединенных устройства защиты от поршня и распылительного устройства.
На фигуре 5 представлен модифицированный вариант системы обработки многофазной текучей среды, показанной на фигуре 2.
Должно быть отмечено, что чертежи являются только примерами нескольких вариантов настоящего изобретения и поэтому не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, чертежи обычно не выполнены в масштабе, но выполнены в целях удобства и ясности в показе различных аспектов изобретения.
Подробное описание изобретения
Ссылка теперь делается на типичные варианты и специальный язык, используемый для их описания. Однако понятно, что поэтому никакого ограничения объема изобретения не подразумевается. Изменения других модификаций характеристик изобретения, описанных здесь, и дополнительные применения принципов изобретения, как описано здесь, которые будут иметься у специалиста в данной области техники, имеющего в своем распоряжении данное описание, должны считаться находящимися в объеме изобретения. Кроме того, прежде чем рассмотрены и описаны частные варианты настоящего изобретения, должно быть понятно, что данное изобретение не ограничивается частным способом и материалами, рассмотренными здесь, т.к. они могут варьироваться в некоторой степени. Также должно быть понятно, что используемая здесь терминология используется только в целях описания частных вариантов и не предназначена быть ограничивающей, т.к. объем настоящего изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.
На фигуре 1 показана известная система обработки многофазной текучей среды в условиях работы устья скважины. Текучая среда, которая может содержать, например, воду, нефть и газ, направляется в охлаждающее устройство 1 и затем в разделительный резервуар 4 через контрольный клапан 2 и трубопровод 3. Вода отделяется, и насос 6 подает воду в удаленное местонахождение по трубопроводу 7. Нефть и конденсат собираются, и насос 12 подает нефть и конденсат в трубопровод 15 через трубопроводы 11 и 13. Газ идет из сепаратора 4 в компрессор 21 по трубопроводу 20, затем он проходит через контрольный клапан 23 и объединяется с потоком нефть/конденсат под ссылочной позицией 14. Предусматривается линия 30 рециклирования, которая содержит клапан 31, охлаждающее устройство 32 и контрольный клапан 33.
Принципы изобретения показаны в одном варианте, как схематически представлено на фигуре 2. Многофазная текучая среда, например текучая среда из устья скважины, направляется в устройство по трубопроводу 50, контрольному клапану 51 и трубопроводу 52. Смесь жидкости и газа поступает в устройство 55 обработки текучей среды. Устройством обработки текучей среды может быть устройство защиты от поршня (пробки) или известное распылительное устройство, такое как одна или более распылительных форсунок или смеситель потока. Им также может быть комбинация указанных элементов. Пример объединенных устройства защиты от поршня и распылительного устройства показан на фигуре 4. Жидкость накапливается во внутренней камере 107, а газ идет в наружную камеру 108. Перегородки 104 предусматриваются на стенках внутренней камеры 107 для обеспечения резких увеличений разлива жидкости в газовом потоке и смешения с газом. Таким образом, резкое увеличение потока жидкости замедляется за счет использовании части газа еще в устройстве защиты от поршня для снижения объема жидкости. Распылительные форсунки 105 на нижнем конце камеры жидкости измельчают жидкость и распыляют ее в газовый поток ниже по потоку от суженной части 109 пути газового потока. Потоки распыленной жидкости и газа продолжают течь через трубопроводную часть 106. Типичное устройство защиты от поршня и распылительное устройство является доступным от Framo Engineering AS. Смеситель потока может включать противозакручивающие лопатки или вихревые камеры с противовращением.
Что касается снова фигуры 2, смесь, выходящая из устройства 55 обработки текучей среды, течет по трубопроводу 56 в компрессор 58. Сжатая текучая среда выходит из компрессора 58 по трубопроводу 60 и 61 к контрольному клапану 62 и к распределительному трубопроводу 63, который подает сжатую текучую среду к требуемому местоположению. Под ссылочной позицией 66 предусматривается линия рециклирования смеси из компрессора 58, которая содержит клапан 67 и контрольный клапан 69.
На фигуре 3 показано применение принципов изобретения в расширительной системе. Многофазная текучая среда проходит через многофазный расходомер 82, контрольный клапан 84 и трубопровод 85 в устройство 55 обработки текучей среды, из которого смесь течет через трубопровод 91, расширитель 93, трубопровод 94, контрольный клапан 95 и распределительный трубопровод 96. Расширитель 93 может быть соединен с генератором или компрессором 92 или любым устройством, которое требует источника энергии. Байпасная линия 99, 97 вместе с клапаном 98 предусматривается для обхода расширителя 93. Гидротрансформатор 90 может быть расположен между расширителем 93 и генератором или компрессором 90.
Комбинирование одного или обоих из устройства защиты от поршня (пробки) и распылительного устройства с регулированием крутящего момента или снижения скорости с увеличенной нагрузкой, уровня жидкости или общей плотности текучей среды будет дополнительно обеспечивать более широкий рабочий интервал для центробежного компрессора или расширителя. Регулирование скорости компрессора, например, может быть достигнуто при использовании привода с регулируемой скоростью, как показано на фигуре 2. Привод 57 с регулируемой скоростью (VSD), такой как мотор или другой механический или электрический двигатель, включая (но не ограничиваясь этим) газовый мотор, паровую или газовую турбину, расширитель, гидравлическую турбину, соединяется с компрессором 58. Приводной механизм, регулирующий крутящий момент или скорость, между приводом и компрессором может быть электронным, гидравлическим или механическим. Подходящие средства регулирования привода с регулируемой скоростью могут включать в себя датчики крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, ГОФ или входной мощности.
Регулирование скорости или крутящего момента помогает сделать компрессоры и расширители более устойчивыми, таким образом увеличивая надежность и снижая стоимость содержания в условиях заправки при разработке системы с лучшим управлением жидкими поршнями и многофазным потоком. Это может быть применено во всех видах применений центробежного компрессора и расширителя, где жидкости присутствуют или потенциально присутствуют в способе, включая обслуживание устья скважины, подводные компрессоры или расширители, расширение СПГ (LNG) (сжиженного природного газа), компрессоры влажного газа и другие способы выше и ниже по потоку.
Вариантом регулирования крутящего момента является использование гидротрансформатора вместо использования USD привода. Затем для привода компрессора могут быть использованы традиционные моторы с фиксированной скоростью, газовые турбины и связанные механические приводы.
Для расширителя регулирование потока может использовать двух- или трехфазный расходомер 82 с работой клапана 84 впускного потока или впускных направляющих лопаток для того, чтобы снизить поток, когда ГОФ падает с увеличенным уровнем жидкости, как показано на фигуре 3. Другими вариантами является использование гидротрансформатора 90 между газовым расширителем 93 и чем он приводится в действие или любой другой способ с измерением плотности текучей среды, многофазной смеси потока, выходной мощности или крутящего момента.
Как показано на фигуре 5, привод 57 с регулируемой скоростью с фигуры 2 может быть заменен приводом 102 с фиксированной скоростью. Гидротрансформатор 101 может быть расположен между приводом с фиксированной скоростью и компрессором 58, чтобы обеспечивать варьирование скорости компрессора 58.
Настоящее изобретение дополнительно описано в следующих вариантах:
Вариант А
Устройство для сжатия многофазной текучей среды, содержащее:
первый трубопровод для транспортирования многофазной текучей среды;
устройство защиты от поршня, соединенное с первым трубопроводом;
центробежный компрессор, соединенный с выпуском устройства защиты от поршня; и
распределительный трубопровод, соединенный с компрессором, для транспортирования сжатой многофазной текучей среды в требуемое местоположение.
Вариант В
Устройство варианта А, дополнительно содержащее распылительное устройство, расположенное в первом трубопроводе.
Вариант С
Устройство варианта В, в котором распылительное устройство представляет собой смеситель потока, который включает в себя, по меньшей мере, две противозакручивающиеся лопатки или вихревые камеры с противовращением.
Вариант D
Устройство любого из вариантов А-С, в котором двигатель для компрессора представляет собой электрический или газовый мотор, газовую или паровую турбину, расширитель, гидравлическую турбину.
Вариант Е
Устройство любого из вариантов А-D, дополнительно содержащее устройство регулирования скорости компрессора на основе создаваемого крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, измерения многофазного потока или выходной мощности.
Вариант F
Устройство варианта В или С, в котором устройство защиты от поршня и распылительное устройство объединены в корпусе, имеющем впуск и выпуск, в котором корпус содержит:
первую камеру для накапливания жидкости;
вторую камеру для накапливания газа;
множество перегородок между первой и второй камерами для обеспечения возможности накопленной жидкости в первой камере разливаться во второй камере; и
множество распылительных форсунок, расположенных в концевой части первой камеры.
Вариант G
Устройство согласно варианту F, в котором корпус сужается от впуска к выпуску.
Вариант Н
Устройство по любому из вариантов A-G, дополнительно содержащее трубопровод рециклирования, соединенный на одном конце с выпуском компрессора и на его другом конце с первым трубопроводом.
Вариант I
Устройство согласно варианту Н, дополнительно содержащее клапан рециклирования в трубопроводе рециклирования.
Вариант J
Устройство для расширения многофазной текучей среды, содержащее:
первый трубопровод для транспортирования многофазной текучей среды;
устройство защиты от поршня, соединенное с первым трубопроводом;
расширитель, соединенный с выпуском устройства защиты от поршня; и
трубопровод, соединенный с расширителем, для транспортирования многофазной текучей среды в требуемое местоположение.
Вариант К
Устройство варианта J, дополнительно содержащее распылительное устройство, соединенное с первым трубопроводом.
Вариант L
Устройство варианта К, в котором распылительное устройство представляет собой смеситель потока, который включает в себя, по меньшей мере, две противозакручивающиеся лопатки или вихревые камеры с противовращением.
Вариант М
Устройство любого из вариантов J-L, дополнительно содержащее генератор или компрессор, соединенный с валом выходной мощности расширителя.
Вариант N
Устройство варианта К или L, в котором устройство защиты от поршня и распылительное устройство объединены в корпусе, имеющем впуск и выпуск, в котором корпус содержит:
первую камеру для накапливания жидкости;
вторую камеру для накапливания газа;
множество перегородок между первой и второй камерами для обеспечения возможности накопленной жидкости в первой камере разливаться во второй камере; и
множество распылительных форсунок, расположенных в концевой части первой камеры.
Вариант О
Устройство согласно варианту N, в котором корпус сужается от впуска к выпуску.
Вариант Р
Устройство по любому из вариантов J-O, дополнительно содержащее байпасный трубопровод, соединенный на одном конце с выпуском расширителя и на его другом конце с первым трубопроводом.
Вариант Q
Устройство согласно варианту Р, дополнительно содержащее байпасный клапан в байпасном трубопроводе.
Вариант R
Устройство по любому из вариантов J-Q, дополнительно содержащее устройство регулирования скорости расширителя или приводного оборудования на основе создаваемого крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, измерения многофазного потока или выходной мощности.
Вариант S
Способ сжатия многофазной текучей среды, содержащий следующие стадии:
обеспечение устройства защиты от поршня или распылительного устройства;
направление потока многофазной текучей среды в устройство защиты от поршня или распылительное устройство;
направление потока, выходящего из устройства защиты от поршня или распылительного устройства, в приемную часть центробежного компрессора; и
сжатие многофазной текучей среды.
Вариант Т
Способ сжатия многофазной текучей среды, содержащей компоненты жидкости и газа, который содержит следующие стадии:
отделение жидкости от газа в корпусе;
распыление жидкости;
повторное направление распыленной жидкости обратно в газовый поток; и
сжатие полученной смеси распыленной жидкости и газа.
Вариант U
Способ расширения сжатой многофазной текучей среды, содержащий следующие стадии:
обеспечение устройства защиты от поршня или распылительного устройства;
направление потока многофазной текучей среды в устройство защиты от поршня или распылительное устройство;
направление потока, выходящего из устройства защиты от поршня или распылительного устройства, в приемную часть расширителя; и
расширение многофазной текучей среды.
Вариант V
Способ расширения сжатой многофазной текучей среды, содержащей компоненты жидкости и газа, который содержит следующие стадии:
отделение жидкости от газа в камере;
распыление жидкости;
повторное направление распыленной жидкости обратно в газовый поток; и
расширение полученной смеси распыленной жидкости и газа.
Вариант W
Способ варианта S, дополнительно содержащий стадию направления многофазной текучей среды через смеситель потока перед ее сжатием.
Вариант Х
Способ варианта S, в котором компрессором является центробежный компрессор.
Вариант Y
Способ варианта S, дополнительно содержащий стадию использования электрического или газового мотора, газовой или паровой турбины, расширителя, гидравлической турбины или другого приводного устройства для обеспечения мощности компрессора.
Вариант Z
Устройство варианта Т, дополнительно содержащее устройство регулирования скорости компрессора на основе создаваемого крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, измерения многофазного потока или выходной мощности.
Вариант АА
Устройство для сжатия многофазной текучей среды, содержащее:
первый трубопровод для транспортирования многофазной текучей среды;
распылительное устройство, соединенное с первым трубопроводом;
компрессор, соединенный с выпуском распылительного устройства; и
распределительный трубопровод, соединенный с компрессором, для транспортирования сжатой многофазной текучей среды в требуемое местоположение.
Вариант ВВ
Устройство варианта АА, в котором распределительное устройство содержит одну или более распылительных форсунок или смеситель потока, соединенных с первым трубопроводом.
Вариант СС
Устройство варианта АА или ВВ, дополнительно содержащее электрический или газовый мотор, газовую или паровую турбину, расширитель, гидравлическую турбину или другое приводное устройство для обеспечения мощности компрессора.
Вариант DD
Устройство по любому из вариантов АА-СС, дополнительно содержащее устройство регулирования скорости компрессора на основе крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, ГОФ или входной мощности.
Вариант ЕЕ
Устройство для расширения многофазной текучей среды, содержащее:
первый трубопровод для транспортирования многофазной текучей среды;
распылительное устройство, соединенное с первым трубопроводом;
расширитель, соединенный с выпуском распылительного устройства; и
распределительный трубопровод, соединенный с расширителем, для транспортирования расширенной многофазной текучей среды в требуемое местоположение.
Вариант FF
Устройство варианта ЕЕ, дополнительно содержащее устройство защиты от поршня, соединенное с первым трубопроводом.
Вариант GG
Устройство варианта ЕЕ или FF, дополнительно содержащее устройство регулирования скорости расширителя или приводного оборудования на основе создаваемого крутящего момента, нагрузки, плотности текучей среды, измерения многофазного потока, ГОФ или выходной мощности.
Вариант НН
Устройство по любому из вариантов ЕЕ-GG, дополнительно содержащее генератор или компрессор, соединенный с валом выходной мощности расширителя.
Вариант II
Устройство варианта НН, дополнительно содержащее байпасный трубопровод, соединенный на одном конце с выпуском расширителя и на его другом конце с первым трубопроводом.
Вариант JJ
Устройство варианта II, дополнительно содержащее байпасный клапан в байпасном трубопроводе.
Вариант КК
Устройство по любому из вариантов ЕЕ-JJ, в котором распылительным устройством является смеситель потока или одна или более распылительных форсунок.
Вариант LL
Устройство по любому из вариантов Е, R, Y или DD, в котором устройство управления или регулирования установленного параметра состоит из датчика крутящего момента, датчика плотности текучей среды, многофазного расходомера, датчика входной мощности, преобразователя крутящего момента, компьютеризованной контрольной системы, впускного или выпускного регулирующего клапана, клапана рецикла, привода с регулируемой скоростью, электродвигателя с постоянным магнитом или другого подобного устройства.
Должно быть понятно, что приведенное выше является только подробным описанием отдельных вариантов данного изобретения, и что многочисленные изменения, модификации и альтернативы к рассмотренным вариантам могут быть сделаны в соответствии с рассмотрением без отступления от объема изобретения. В большей степени объем изобретения определен только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.