Способ использования эффекта импульсного наддува, устройство для осуществления этого способа и способ модификации установки с поршневым компрессором
METHOD OF USING EFFECT OF PULSE CHARGING, DEVICE THEREFOR AND METHOD OF MODIFYING UNIT WITH PISTON COMPRESSOR

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения изобретения, описанные в данном документе, в целом относятся к установкам, использующим поршневые компрессоры в нефтегазовой промышленности, в частности, для конструктивного использования пульсаций давления для повышения объемного коэффициента полезного действия компрессора, т.е. для достижения эффекта импульсного наддува.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Компрессоры, использующиеся в нефтегазовой промышленности, должны соответствовать отраслевым техническим требованиям, учитывающим, например, что сжатый газ зачастую представляет собой коррозионную и воспламеняющуюся среду. Американский институт нефти (АИН), организация, устанавливающая соответствующие промышленные стандарты для оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности, издала документ АИН-618, включающий полный набор минимальных требований для поршневых компрессоров.
Компрессоры могут быть классифицированы как объемные компрессоры (например, поршневые, винтовые или лопаточные компрессоры) и динамические компрессоры (например, центробежные или осевые компрессоры). В объемных компрессорах сжатие осуществляется путем сначала улавливания газа, а затем уменьшения объема, в котором заключен этот газ. В динамических компрессорах сжатие достигается за счет превращения кинетической энергии, например, вращающегося элемента, в энергию давления, в определенном месте внутри компрессора.
1
1
2
2
2
3
Идеальный цикл сжатия (графически показан на Фиг.1 при наблюдении за изменением давления относительно объема) включает по меньшей мере четыре фазы: расширение, всасывание, сжатие и выпуск. Когда в конце цикла сжатия сжатая текучая среда выводится из камеры сжатия, небольшое количество текучей среды, имеющей давление P нагнетания, остается в замкнутом свободном неиспользованном объеме V (т.е. минимальном объеме камеры сжатия). В ходе фазы 1 расширения и фазы 2 всасывания цикла сжатия поршень перемещается с увеличением объема камеры сжатия. В начале фазы 1 расширения нагнетательный клапан закрывается (всасывающий клапан остается закрытым), затем давление остающейся в камере текучей среды снижается, так как увеличивается объем камеры сжатия, занимаемый текучей средой. Фаза всасывания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сжатия становится равным давлению P всасывания, приводя к открыванию всасывающего клапана при объеме V. В ходе фазы 2 всасывания объем камеры сжатия и количество предназначенной для сжатия текучей среды (при давлении P) увеличиваются до достижения максимального объема V камеры сжатия.
2
4
1
2
1
В ходе фаз сжатия и выпуска цикла сжатия поршень перемещается в направлении, противоположном направлению перемещения во время фазы расширения и фазы всасывания, с целью уменьшения объема камеры сжатия. В ходе фазы 3 сжатия всасывающие клапаны и нагнетательные клапаны закрыты (т.е. текучая среда не поступает в цилиндр и не выходит из цилиндра), давление текучей среды в камере сжатия увеличивается (от величины давления Р всасывания до величины давления нагнетания), так как объем камеры сжатия уменьшается до объема V. Фаза 4 нагнетания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сжатия становится равным давлению P нагнетания, приводя к открытию нагнетательного клапана. В ходе фазы 4 нагнетания текучая среда, имеющая давление Р, покидает камеру сжатия, пока не будет достигнут минимальный (свободный неиспользованный) объем V камеры сжатия.
3
2
3
1
Одним из показателей эффективности работы компрессора является объемный коэффициент полезного действия, который представляет собой отношение объема камеры сжатия, освобождаемого поршнем поршневого компрессора во время фазы всасывания V-V, к общему объему V-V, пройденному поршнем во время фазы сжатия.
Явление пульсаций давления, возникающее снаружи поршневого компрессора, происходит в результате дискретного характера потока газа внутри поршневого компрессора. Упомянутые пульсации давления могут привести к значительной вибрации и усталостному напряжению, к высокому уровню шума, а также к снижению коэффициента полезного действия компрессора. АИН-618 содержит подробные требования в отношении акустических исследований, которые должны проводиться при разработке установки, содержащей поршневой компрессор, для предотвращения, помимо прочего, разрушающего воздействия пульсаций давления. Во избежание распространения упомянутых пульсаций по всей установке, перед всасывающими клапанами и после выпускных клапанов компрессоров устанавливают ресиверы, которые служат в качестве демпфера для поршневого компрессора, отделяя его от остальной части установки. Например, на Фиг.2 показана упрощенная модель переходных средств, расположенных между поршневым компрессором 10 и остальной частью установки. В данном случае термин «переходные средства» обозначает все элементы, расположенные между клапаном 20 поршневого компрессора 10, и трубой 30 установки, через которую газ направляется к остальной части установки (например, нефтегазовой установки) или от нее. Поршневой компрессор 10 содержит поршень 40, который с помощью трубы 50 соединен с ресивером 60. Ресивер 60 далее соединен с нефтегазовой установкой с помощью трубы 30.
Ресивер 60, наполненный предназначенным для сжатия или сжатым газом (в зависимости от того, где расположен ресивер - перед всасывающим клапаном или после выпускного клапана поршневого компрессора 10) имеет высокий акустический импеданс и действует как отражатель пульсаций, пропуская лишь мелкие фракции в направлении трубы 30 установки.
Частота пульсаций давления, создаваемых поршневым компрессором 10, представляет собой частоту процесса сжатия в поршневом компрессоре. Резонансное явление происходит в случае, если собственная частота f колебания трубы 30 равна частоте пульсаций давления, создаваемых поршневым компрессором. Собственная частота f колебаний трубы 50 зависит от скорости звука с в газе и длины L трубы 50. В первом приближении имеется следующее соотношение между данными величинами: f=c/(2L). Если вдоль трубы 50 образуются стационарные продольные волны сжатия, то для снижения амплитуды стационарных продольных волн сжатия могут использоваться дросселирующие отверстия (т.е. локальное сужение трубы).
Таким образом, традиционно пульсации давления (которые по существу возникают в силу дискретного характера потока газа в поршневом компрессоре) рассеивается, никак не используясь.
Целесообразно предложить способы и устройства (включенные в состав или выполняющие функции в нефтегазовых установках, имеющих в своем составе поршневой компрессор), которые конструктивно используют пульсации давления с целью повышения коэффициента полезного действия поршневых компрессоров.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых вариантах выполнения имеются приводной клапан и устройство для циркуляции газа, выполненные таким образом, что они имеют частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Клапан приводится в действие с обеспечением повышения объемного коэффициента полезного действия компрессора, конструктивно использующего внутренние пульсации давления. Такой способ использования импульсов давления для повышения коэффициента полезного действия известен как эффект импульсного наддува.
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения устройство содержит устройство для циркуляции газа и регулятор. Устройство для циркуляции газа имеет канал, по которому газ (предназначенный для сжатия или после сжатия) циркулирует между поршневым компрессором и ресивером, который служит в качестве демпфера, соединяющего поток газа от поршневого компрессора к нефтегазовой установке. Устройство для циркуляции газа выполнено таким образом, что оно имеет частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Регулятор выполнен с обеспечением управления временем переключения клапана, расположенного между поршневым компрессором и устройством для циркуляции газа, с обеспечением конструктивного использования пульсаций давления, возникающих в устройстве для циркуляции газа, с обеспечением повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предлагается способ использования эффекта импульсного наддува для повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора. Указанный способ включает использование устройства для циркуляции газа, расположенного между клапаном поршневого компрессора и ресивером, который служит в качестве демпфера, соединяющего поршневой компрессор с нефтегазовой установкой, при этом устройство для циркуляции газа выполнено таким образом, что оно имеет частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Способ дополнительно включает управление временем срабатывания клапана с обеспечением конструктивного использования пульсаций давления, возникающих в устройстве для циркуляции газа, с обеспечением повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предложен способ модификации установки с поршневым компрессором. В установке с поршневым компрессором имеется впускное отверстие или выпускное отверстие, которые посредством ресивера, служащего в качестве демпфера, отделены от остальной части устройства. Установка с поршневым компрессором модифицирована для использования эффекта импульсного наддува поршневого компрессора для повышения его объемного коэффициента полезного действия. Способ включает модификацию устройства для циркуляции газа, соединяющего впускное отверстие или выпускное отверстие поршневого компрессора с ресивером, путем присоединения по меньшей мере одного акустического резонатора к трубе устройства для циркуляции газа для того, чтобы устройство для циркуляции газа имело частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Способ дополнительно включает присоединение клапана, расположенного между поршневым компрессором и устройством для циркуляции газа, к регулятору, выполненному с обеспечением управления временем срабатывания клапана, для конструктивного использования пульсаций давления, возникающих в устройстве для циркуляции газа, с обеспечением повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, включенные в описание и являющиеся частью описания, иллюстрируют один или несколько вариантов выполнения и вместе с описанием поясняют эти варианты. На чертежах:
Фиг.1 представляет собой кривую зависимости давления от объема, иллюстрирующую идеальный цикл сжатия.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение традиционных переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.5 представляет схематическое изображение переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.6 представляет схематическое изображение переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.7 представляет схематическое изображение переходных средств между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.8 представляет схематическое изображение переходных средств, расположенного между поршневым компрессором и нефтегазовой установкой, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.9 представляет собой блок-схему способа использования пульсаций, по сути возникающих во время работы поршневого компрессора, для повышения коэффициента полезного действия компрессора, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг.10 представляет собой блок-схему способа модификации установки с поршневым компрессором в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Последующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает изобретение. Вместе с тем, объем изобретения определяется прилагаемыми пунктами формулы изобретения. Последующие варианты выполнения описаны, для ясности, в отношении терминологии и конструкции поршневых компрессоров, используемых в нефтегазовой установке (т.е. в системе или оборудовании). Тем не менее, представленные ниже варианты выполнения не ограничены упомянутой системой, они могут использоваться при других аналогичных технических условиях.
Ссылка в описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к вышеупомянутому варианту выполнения, включена в по меньшей мере один вариант выполнения раскрываемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в различных местах по всему описанию, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретный признак, конструкция или характеристика могут быть объединены любым соответствующим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
В некоторых вариантах выполнения, описанных ниже, устройство для циркуляции газа имеет канал, по которому газ (предназначенный для сжатия или после сжатия) циркулирует между поршневым компрессором (т.е. его камерой сжатия) и ресивером. Устройство для циркуляции газа выполнено таким образом, что оно имеет частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Кроме того, для повышения коэффициента полезного действия компрессора клапаном, расположенным между камерой сжатия и устройством для циркуляции газа, управляют с обеспечением его открытия в зависимости от фазы пульсаций давления вблизи клапана, расположенного в устройстве для циркуляции газа.
2
2
С учетом того, что клапан представляет собой всасывающий клапан, увеличение давления в устройстве для циркуляции газа, расположенного вблизи всасывающего клапана, при открытом клапане приводит к увеличению количества газа, поступающего для сжатия в объем камеры сжатия. Всасывание, осуществляющееся при более высоком давлении Р+Δp, где Δp обусловлено эффектом импульсного наддува, показано на Фиг.1 пунктирной линией. Поскольку объем , соответствующий пересечению пунктирной линии с линией, показывающей фазу 1 расширения, меньше объема V, то объемный коэффициент полезного действия увеличивается, так как увеличивается действия, .
К тому же, величина Δp не является фиксированной прибавкой давления, так как она меняется по времени между максимальным положительным значением и максимальным отрицательным значением. Регулятор может определять момент открытия клапана 20 для достижения максимального давления Δp (путем добавления или вычитания) в момент открытия клапана или для обеспечения более высокого результирующего давления, по сравнению с давлением всасывания во время (или в конце) фазы всасывания.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение переходных средств 100 (то есть, устройств), расположенных между поршневым компрессором 10 и ресивером 60, обеспечивающим, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, буферный объем газа для нефтегазовой установки. Большой объем газа в ресивере 60 препятствует распространению пульсаций или в значительной степени гасит пульсации давления, возникающие в газе снаружи поршневого компрессора 10 в результате вариаций потока в поршневом компрессоре 10 (т.е. за счет эффекта импульсного наддува). Переходные средства 100 содержат устройство для циркуляции газа и регулятор 110. В устройстве для циркуляции газа имеется канал, по которому газ, (предназначенный для сжатия или после сжатия) циркулирует между поршневым компрессором 10 и ресивером 50. Устройство для циркуляции газа выполнено таким образом, что оно имеет частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Устройство для циркуляции газа содержит трубу 130 и прямоточный резонатор 140, площадь сечения которого больше площади сечения трубы. Точное расположение прямоточного резонатора 140 по ходу трубы 130 не сказывается на акустических характеристиках устройства для циркуляции газа.
Регулятор 110 управляет работой привода (не показан), который приводит в действие клапан 120. То есть, регулятор 110 управляет временем срабатывания клапана 120 относительно фазы импульсов давления (за счет эффекта импульсного наддува) вблизи клапана для использования импульсов давления для повышения объемного коэффициента полезного действия компрессора. Если клапан 120 представляет собой всасывающий клапан, то регулятор 110 управляет временем срабатывания клапана 120 с обеспечением достижения максимальной величины давления Δp, добавленной к давлению всасывания при открытом клапане 120 (то есть, во время фазы всасывания цикла сжатия).
В другом иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг.4, устройство для циркуляции газа переходных средств 101 в дополнение к прямоточному резонатору 140 содержит ответвительный резонатор 150. В некоторых случаях ответвительный резонатор 150 может быть соединен с прямоточным резонатором 140 с помощью резонаторного клапана 160. Резонаторный клапан 160 может переключаться для соединения ответвительного резонатора 150 с трубой 130 или отсоединения ответвительного резонатора 150 от трубы 130 в зависимости от состава газа (который влияет на скорость звука в газе и, следовательно, на частоту резонанса устройства для циркуляции газа). Регулятор 110 может управлять работой резонаторного клапана 160.
В другом варианте выполнения, изображенном на Фиг.5, устройство для циркуляции газа переходных средств 102 вместо прямоточного резонатора 140 содержит ответвительную трубу 170. В некоторых случаях ответвительная труба 170 может быть соединена с трубой 130 с помощью резонаторного клапана 180. Резонаторный клапан 180 может переключаться для соединения ответвительной трубы 170 с трубой 130 или отсоединения ответвительной трубы 170 от трубы 130, например, в зависимости от состава газа (который влияет на скорость звука в газе и, следовательно, на частоту резонанса устройства для циркуляции газа). Регулятор 110 может управлять работой резонаторного клапана 180.
Кроме того, в другом иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг.6, устройство для циркуляции газа переходных средств 103 содержит ответвительный резонатор 200, присоединенный к трубе 130. В некоторых случаях ответвительный резонатор 200 может быть соединен с трубой 130 с помощью резонаторного клапана 210. Резонаторный клапан 210 может переключаться для соединения ответвительного резонатора 200 с трубой 130 или отсоединения ответвительного резонатора 200 от трубы 130, например, в зависимости от состава газа (который влияет на скорость звука в газе и, следовательно, на частоту резонанса устройства для циркуляции газа). Регулятор 110 может управлять работой резонаторного клапана 210.
В другом варианте выполнения, изображенном на Фиг.7, устройство для циркуляции газа переходных средств 104 содержит дополнительный ответвительный резонатор 220, соединенный с ответвительным резонатором 200. В некоторых случаях ответвительный резонатор 200 и/или дополнительный ответвительный резонатор 220 могут быть соединены с трубой 130 и с ответвительным резонатором 200, соответственно, с помощью резонаторных клапанов 210 и 230. Резонаторные клапаны 210 и 230 могут переключаться для соединения, соответственно, ответвительного резонатора 200 и/или дополнительного ответвительного резонатора 220 или отсоединения резонатора 200 и/или дополнительного резонатора 220 в зависимости от состава газа (который влияет на скорость звука в газе и, следовательно, на частоту резонанса устройства для циркуляции газа). Регулятор 110 может управлять работой резонаторного клапана 210 и/или 230.
В другом варианте выполнения, изображенном на Фиг.8, в устройстве для циркуляции газа переходных средств 105 имеется ответвительный резонатор 200, соединенный с ресивером посредством вспомогательной трубы 240. Резонаторный клапан 250, расположенный на вспомогательной трубе 240, переключается в зависимости от состава газа.
В различных вариантах выполнения, изображенных на Фиг.3-8, а также в других эквивалентных вариантах выполнения реализуется способ 300 использования пульсаций, по существу возникающих снаружи в результате работы поршневого компрессора, для повышения объемного коэффициента полезного действия компрессора. Как показано на Фиг.9, способ 300 на этапе S310 включает размещение устройства для циркуляции газа между клапаном поршневого компрессора и ресивером, который служит в качестве демпфера, отделяющего поршневой компрессор от нефтегазовой установки, при этом устройство для циркуляции газа выполнено с возможностью иметь частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Способ 300 на этапе S320 дополнительно включает управление временем срабатывания клапана для использования пульсаций давления, возникающих в устройстве для циркуляции газа за счет эффекта импульсного наддува, для повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора.
В одном варианте выполнения осуществление этапа S310 способа 300 может включать присоединение ответвительного резонатора или ответвительной трубы к трубе, соединяющей клапан с ресивером. В другом варианте выполнения осуществление этапа S310 способа 300 может включать переключение одного или нескольких резонаторных клапанов, присоединяющих акустические резонаторы к трубе, соединяющей клапан с ресивером.
Существующая установка с поршневым компрессором может быть модифицирована для того, чтобы можно было использовать пульсации, возникающие при работе поршневого компрессора, для повышения коэффициента полезного действия компрессора. На Фиг.10 представлена блок-схема 400 способа модификации установки с поршневым компрессором, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Способ включает, на этапе S410, модификацию устройства для циркуляции газа, соединяющего впускное отверстие или выпускное отверстие поршневого компрессора с ресивером, путем добавления по меньшей мере одного акустического резонатора к трубе устройства для циркуляции газа для того, чтобы устройство для циркуляции газа имело частоту резонанса, по существу равную частоте выполнения циклов сжатия в поршневом компрессоре. Способ 400, на этапе S420, дополнительно включает присоединение клапана, расположенного между поршневым компрессором и устройством для циркуляции газа, к регулятору, выполненному с возможностью управления временем срабатывания клапана для использования пульсаций давления, возникающих в устройстве для циркуляции газа, благодаря эффекту импульсного наддува поршневого компрессора, для повышения его объемного коэффициента полезного действия.
В одном варианте выполнения способа 400 указанный по меньшей мере один акустический резонатор может включать прямоточный акустический резонатор, ответвительный акустический резонатор или ответвительную трубу. В другом варианте выполнения способ 400 может дополнительно включать соединение указанного по меньшей мере одного акустического резонатора с устройством с помощью резонаторного клапана.
В раскрытых иллюстративных вариантах выполнения предложены устройства (приспособления) и способы конструктивного использования пульсаций давления (т.е. эффекта импульсного наддува), возникающих вблизи поршневых компрессоров в результате вариаций потока, для повышения объемного коэффициента полезного действия компрессора. Следует понимать, что данное описание не ограничивает изобретение. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены для включения альтернатив, модификаций и эквивалентов, включенных в сущность и объем изобретения, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения для исчерпывающего понимания заявленного изобретения описаны многочисленные конкретные детали. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут быть осуществлены без указанных конкретных деталей.
Несмотря на то, что признаки и элементы представленных иллюстративных вариантов выполнения описаны в этих вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может использоваться отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения изобретения, или же в различных комбинациях с другими признаками и элементами, описанными в настоящем документе, или без них.
В упомянутом описании используются примеры раскрытого объекта изобретения для того, чтобы любой специалист в данной области техники имел возможность применить их на практике, включая сборку и использование любых устройств или систем и осуществление любых предусмотренных способов. Патентоспособный объем объекта изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать в себя другие примеры, которые будет очевидны для специалистов в данной области техники. Предполагается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения.