УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ И ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА

Предложение относится к области сжатия и перекачки газа, в частности, представляет собой устройство для компримирования газа до 30 МПа и может найти применение при транспортировке газа, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Известен «Способ квазиизотермического сжатия и перекачки газа жидкостным насосом возвратно-поступательного действия» (патент РФ №2151913, F04B, 35/02, 39/06, опубл. Бюл. №18 от 27.06.2000 г.), включающий подачу газа в дополнительную камеру, сообщенную с рабочей камерой насоса, отличающийся тем, что сжатие и последующую перекачку газа осуществляют путем воздействия на него давления нагнетаемой насосом жидкости через плавучую, проницаемую, твердофазную среду (перегородка из проницаемого, пористого материала, перегородка из слоя волокнистого материала, перегородка из слоя плавучих, проницаемых гранул), размещенную на границе раздела жидкой и газовой фаз и обладающую капиллярным эффектом и развитой поверхностью.
Для реализации способа используется камера с плавучей, проницаемой, твердофазной средой (перегородка из проницаемого, пористого материала, перегородка из слоя волокнистого материала, перегородка из слоя плавучих, проницаемых гранул), размещенной на границе раздела жидкой и газовой фаз и обладающую капиллярным эффектом и развитой поверхностью.
Недостатками являются:
- сложность и дороговизна изготовления пористой волокнистой структуры материала перегородки и плавучих гранул;
- малые периоды времени между обслуживаниями, так как капиллярный эффект в процессе эксплуатации устройства снижается из-за засорения капилляров твердыми, маслянистыми частицами, присутствующими в газонефтяной смеси;
- необходимость использования предварительных фильтрующих устройств для отделения крупных твердых частиц, что приводит к снижению продуктивности установки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство для дожимания газа» (патент РФ №2262003, F04B, 39/06, 19/06, опубл. Бюл. №28 от 10.10.2005 г.), содержащее нагнетатель возвратно-поступательного действия с приводом, вертикальную, цилиндрическую, компрессионную камеру со всасывающим газовым и нагнетательным клапанами, расположенными в верхней части компрессионной
p
ж
p
ж
ж
ж
п.п.
к.к.
п.п.
к.к.
камеры, жидкостным клапаном, механическим газожидкостным разделителем и питательным насосом, отличающееся тем, что механический газожидкостной разделитель выполнен в виде поплавка, перекрывающего поперечное сечение компрессионной камеры, плавучесть которого определяется из соотношения p=(0,1-0,95)·p, где p - плотность разделителя, p - плотность жидкости, причем по перефирии поплавка выполнены сквозные отверстия для прохода жидкости гидрозатвора, а привод нагнетателя выполнен высокооборотным. Суммарная площадь сквозных отверстий в поплавке выбирается с учетом прохода объема жидкости (V), обеспечивающего стабильность фазы нагнетателя, из соотношения V=h·S, где h - глубина подтопления поплавка в верхней мертвой точке; S - площадь поперечного сечения компрессионной камеры.
Недостатками являются:
- сложность и дороговизна изготовления поплавка, который должен обладать плавучестью в интервале 0,1-0,95 от плотности жидкости;
- высокие требования к изготовлению сквозных отверстий по периферии поплавка;
- малые периоды времени между обслуживаниями при работе с газонефтяной эмульсией в виде газожидкостной смеси, трудно обеспечить постоянство оптимальной работы устройства из-за изменения суммарной площади отверстий, вызываемой отложениями, например, битума.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание простого недорогого в изготовлении надежного с постоянными характеристиками в течении всего срока работы с большим межремонтным периодом.
Техническая задача решается устройством для сжатия и перекачки газа, содержащим нагнетатель возвратно поступательного действия с приводом, газожидкостной разделитель, цилиндрическую компрессионную камеру с газовыми верхним нагнетательным и всасывающим клапанами, расположенными выше газожидкостного разделителя, нижний всасывающий жидкостной клапан и жидкостной насос.
Новым является то, что газожидкостной разделитель выполнен в виде мембраны, перекрывающей поперечное сечение компрессионной камеры и расположенной над жидкостью, с перепускным самоцентрирующимся подпружиненным клапаном, при этом мембрана выполнена с возможностью всасывания через газовый всасывающий клапан, сжатия и перекачки газа через верхний нагнетательный клапан под действием нагнетателя, воздействующего на мембрану посредством жидкости.
Новым является также то, что компрессионная камера состоит из верхней и нижней секций, зафиксированных относительно друг друга фланцевым соединением, а мембрана
выполнена из армированной, бензостойкой резины и закреплена по разъему фланцевого соединения.
Новым является также то, что верхний нагнетательный клапан снабжен фильтром из пористого материала со стороны компрессионной камеры.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства.
Устройством для сжатия и перекачки газа содержит нагнетатель 1 возвратно поступательного действия с приводом (на черт. не показан), вертикальную цилиндрическую компрессионную камеру 2 с газовыми верхним нагнетательным 3 и всасывающим 4 клапанами, расположенными выше газожидкостного разделителя 5, выполненного в виде мембраны, перекрывающей поперечное сечение компрессионной камеры 2, нижний всасывающий жидкостной клапан 6 и жидкостной насос 7. Мембрана 5 расположена над жидкостью 8 и снабжена перепускным самоцентрирующимся подпружиненным клапаном 9. Мембрана 5 выполнена с возможностью всасывания через газовый всасывающий клапан 4, сжатия и перекачки газа через верхний нагнетательный клапан 3 под действием нагнетателя 1, воздействующего на мембрану 5 посредством жидкости 8.
Компрессионная камера 2 может состоять из верхней 10 и нижней 11 секций, зафиксированных относительно друг друга фланцевым соединением 12, а мембрана 5 выполнены из армированной, бензостойкой резины и закреплена по разъему фланцевого соединения 12.
Верхний нагнетательный клапан 3 может быть снабжен фильтром 13 со стороны компрессионной камеры 2.
Принцип работы устройства следующий.
Жидкость 8 подается жидкостным насосом 7 через всасывающий жидкостной клапан 6 в компрессионную камеру 2. Одновременно нагнетатель 1 под действием привода (возвратно-поступательное движение типовых нагнетателей 1 мощностью 125 или 370 кВт обеспечивает кривошипно-шатунный, высокооборотный 200-400 об/мин, механизм привода) перемещается вправо, всасывая жидкость 8 в нижнюю секцию 11 компрессионной камеры 2. Затем нагнетатель 1 двигаясь обратно влево, сжимает объем жидкости 8 в компрессионной камере 2, растягивая мембрану 5, закрепленную во фланцевом соединении 12, в сторону верхней секции 10 компрессионной камеры 2, выталкивая газ из нее через верхний нагнетательный клапан 3. Затем жидкостный насос 7 останавливают.
Далее нагнетатель 1 перемещается вправо, втягивая мембрану 5 в нижнюю секцию 11, которая приводит к всасыванию газа через газовый всасывающий клапан 4 в верхнюю секцию 10. При этом в нижней секции 11 создается разрежение, которое приводит выделению газа из жидкости 8 и скапливанию его вместе с парами жидкости 8 под мембраной
из
5. Затем нагнетатель 1, двигаясь обратным ходом влево, сжимает объем жидкости 8 в компрессионной камере 2, растягивая мембрану 5 в сторону верхней секции 10 компрессионной камеры 2, выталкивая газ из нее через верхний нагнетательный клапан 3. При достижении расчетного давления Р подпружиненный клапан 9 открывается и газ с парами жидкости 8 перемещается из нижней секции 11 в верхнюю 10. Для достижения перемещения газа с парами жидкости из одной секции 11 в другую 10 с сохранением работоспособности устройства, расчетное давление Р должно быть незначительно ниже (не более чем на 5%) избыточного P, (МПа) создаваемого нагнетателем, которое рассчитывается по формуле:
ж
где h - высота столба жидкости в камере, м;
к
2
S - площадь поперечного сечения компрессионной камеры, м;
м
3
ρ - плотность материала мембраны, кг/см;
Е - условно-равновесный модуль упругости резины.
Согласно ГОСТ 11-053-75 определяется условно-равновесный модуль упругости резины (Е, МПа) при температурах 50-150°С, из формулы:
где F - усилие в растянутой мембране, Н;
2
S - площадь поперечного сечения мембраны, м;
0
L -длина участка нерастянутой мембраны, мм;
L - длина участка растянутой мембраны, мм.
Далее процесс повторяется.
Конструкция подпружиненного клапана 9 остается работоспособной в течение длительного времени, так как работоспособность клапана зависит от усилия прижатия, которое исчезнет только после разрушения пружины (показана условно) или самого клапана, что требует значительного времени. Из-за большой площади пропускания выделившегося газа подпружиненным клапаном 9 отложения на его седле и самом клапане мало влияют на его рабочие характеристики.
Для компенсации снижения уровня жидкости 8 в нижней секции 11, которая уменьшается из-за постоянного перемещения выделенного газа и паров в верхнюю секцию 10, периодически включают жидкостный насос и восполняют потери жидкости.
При необходимости верхний нагнетательный клапан 3 может быть снабжен со стороны компрессионной камеры 2 влагоотделяющим фильтром 13, выполненным, например, из пористого (медь, бронза и пр.) или волокнистого материала. Влагоотделяющий
фильтр 13 уменьшает количество влаги в перекачиваемом газе, что снижает скорость окислительных процессов в металлических трубопроводах (на черт. не показаны), используемых для перекачки газа.
На практике мембрана 5 была выполнена из армированной, бензостойкой резины.
3
Для изготовления мембраны 5 по своим физико-механическим и технологическим свойствам подошла среднетвердая, маслостойкая резина на основе бутадиен - нитрильного каучука СКН-26, эксплуатируемая в нефтяных жидкостях при перепаде давления менее 50 МПа и температур от -60 до 150°С (см. В.В.Шайдаков «Свойства и испытания резин» Москва, «Химия», 2002 г.). При исследовании выявлено, что набухание резин на основе СНК в среде нефтепродуктов тем меньше, чем больше в молекулах каучука нитрила акриловой кислоты (НАК). Условно-равновесный модуль упругости резины (Е) для маслостойкой резины СКН-26 соответствует 13 МПа, прочность маслостойкой резины мембраны составляет 20МПа, плотность колеблется от 1020 до 2120 кг/см, твердость резины составляет 40-90 ед. по Шору, и по своим качествам вполне соответствует для использования в качестве газожидкостного разделителя в заявленном устройстве и позволяет устройству иметь постоянные характеристики в процессе всего периода работы.
В начале следующего цикла работы жидкостный насос 7 включают при перемещении нагнетателя 1 вправо, засасывая недостающую жидкость для поддержания необходимого уровня в нижней секций 11 компрессионной камеры 2. Затем весь процесс повторяется.
Предлагаемое устройство для сжатия и перекачки газа, благодаря использованию газожидкостного делителя в виде мембраны с перепускным самоцентрирующимся подпружиненным расчетным усилием клапаном, просто и недорого в изготовлении, надежно с постоянными характеристиками в работе и большим межремонтым периодом из-за использования простых и надежных деталей.