СПОСОБ РАБОТЫ ДЛЯ НАСОСА, В ОСОБЕННОСТИ ДЛЯ МУЛЬТИФАЗНОГО НАСОСА, И НАСОС
METHOD OF OPERATION FOR PUMP, PARTICULARLY FOR MULTIPHASE PUMP, AND PUMP

Изобретение относится к способу работы насоса, в особенности, мультифазного насоса, и к насосу, в особенности, мультифазному насосу для передачи текучей среды в соответствии с преамбулой независимого пункта формулы изобретения, соответствующей категории.
Уровень техники
Из уровня техники известен документ US 6007306 A1 (28.12.1999), в котором раскрыта мультифазная насосная система с обратной связью, в которой регулирующий клапан не управляется крутящим моментом насоса, скоростью насоса или потребляемой мощностью насоса. Вместо этого регулирующий клапан управляется параметрами, которые зависят от перекачиваемой текучей среды, то есть не могут быть установлены непосредственно на насосе.
Из документа DE 102010047298 A1 (05.04.2012) известен способ работы для насоса (центробежного насоса 1) для перекачки текучей среды со стороны низкого давления в сторону высокого давления. Однако, в данном решении не используется крутящий момент насоса, скорость насоса или потребляемая мощность насоса в качестве рабочих параметров. Вместо этого управляющий клапан (перепускной клапан 22) управляется через перепад давления PD, то есть перепад давления PD используется в качестве рабочего параметра. Этот параметр также зависит от перекачиваемой текучей среды и не может быть установлен непосредственно на насосе.
Документ WO 01/06128 A1 (25.01.2001) раскрывает мультифазную насосную систему с обратной связью, в которой предусмотрен регулирующий клапан (средство регулирования потока). Регулирующий клапан может использоваться для регулирования количества рециркулируемой текучей среды. Насосная система также имеет измеритель для измерения объемного расхода и давления рециркулирующей текучей среды с использованием значений, полученных измерителем, для управления регулирующим клапаном. Соответственно, регулирующий клапан не управляется крутящим моментом насоса, скоростью насоса или потребляемой мощностью насоса. Скорее, регулирующий клапан здесь также управляется через параметры, которые зависят от перекачиваемой текучей среды, то есть не могут быть установлены непосредственно на насосе.
Мультифазные насосы являются насосами, посредством которых могут быть переданы текучие среды, которые содержат смесь из множества фаз, например, жидкую фазу и газообразную фазу. Такие насосы хорошо известны на протяжении длительного времени, и выпускаются в большом количестве вариантов осуществления, часто как центробежные насосы, например, как насосы с односторонним всасыванием, или как насосы с двусторонним всасыванием, и как одноступенчатые или многоступенчатые насосы. Область применения этих насосов является очень широкой; они используются, например, в нефтяной и газовой промышленности для передачи смеси нефти и природного газа и, в частности, как поднимающие давление насосы, которые также называют бустерными насосами.
Это известная технология для увеличения или расширения использования или эксплуатации нефтяных месторождений с использованием таких бустерных насосов. В особенности, когда естественно присутствующее давление в нефтяном месторождении снижается при увеличении добычи нефти, давление, оказываемое на скважину, восстанавливается посредством бустерного насоса благодаря подаче насоса так, что нефть может продолжать вытекать из скважины.
Эти поднимающие давление насосы зачастую должны генерировать высокие давления, потому что скважины являются очень глубокими или являются трудными для доступа, так что очень длинные линии или трубопроводы требуются между скважиной и обрабатывающим или накопительным оборудованием. Это, в частности, применяется также для подводных применений, когда, например, выход из скважины находится на морском дне, а обрабатывающее или накопительное оборудование предусмотрено на суше, на буровой платформе или на судне, таком как FPSO (плавучая установка для добычи, хранения и отгрузки нефти). Необходим бустерный насос для нагнетания на большие геодезические высоты и для того, чтобы быть в состоянии генерировать, соответственно, высокое давление.
Эффективность и рабочая характеристика мультифазного насоса зависят в очень высокой степени от состава текущей фазы или распределения фаз мультифазной текучей среды, которая должна быть передана. Относительный объем частей жидкой фазы и газообразной фазы - например, при добыче нефти - подвержен очень большим колебаниям, которые обусловлены природной первопричиной, с одной стороны, но также вызваны линиями соединения, с другой стороны. Здесь имеются несколько эффектов, с помощью которых жидкая фаза может накапливаться в некоторых областях до тех пор, пока поперечное сечение линии не будет полностью заполнено жидкой фазой, и повышение давления в газообразной фазе возникает перед точкой, где давление становится настолько большим, что жидкая фаза резко выбрасывается. Другие взаимодействия между газообразной фазой и жидкой фазой могут также привести к пульсациям давления в линии. Колебания в распределении фаз мультифазной текучей среды являются, таким образом, вызванными архитектурой и динамическими воздействиями линейной системы.
Такие эффекты могут привести мультифазный насос к вхождению в нестабильное рабочее состояние, которое также называется помпажем или пульсацией, обусловленной слишком низкой скоростью потока. Такие нестабильные рабочие состояния характеризуются чрезвычайно колеблющимися скоростями потока, скачками давления, большими колебаниями рабочей характеристики и давления, а также сильными вибрациями насоса. Такие нестабильные рабочие состояния представляют экстремально высокую нагрузку на сам насос и на примыкающее оборудование. Если мультифазный насос работает слишком долго в таком нестабильном рабочем состоянии, это может привести к преждевременной усталости материала, гораздо более высокому износу, дефектам, вплоть до выхода из строя всего насоса, посредством чего возникают неблагоприятные эффекты на оборудовании, предусмотренном ниже от насоса. Выход из строя мультифазного насоса может даже привести к полному прерыванию производственного процесса, что, естественно, очень невыгодно с экономической точки зрения.
Для устранения или, по меньшей мере, ослабления проблем, связанных с изменениями в распределении фаз, известным является обеспечение буферной емкости перед мультифазным насосом, объем, и внутренняя конструкция которой приспособлены для соответствующего применения. Эта буферная емкость действует, так сказать, в качестве фильтра или в качестве интегратора и может, таким образом, поглощать или демпфировать внезапные изменения в распределении фаз текучей среды, так что она не может войти во входное отверстие мультифазного насоса или только в очень ослабленном виде.
Однако, поскольку такие буферные емкости не могут быть сконструированы любого желаемого размера, и поскольку они также не могут гасить все варианты распределения фаз, защита от недостаточного потока или регулятор помпажа зачастую предусматриваются на мультифазном насосе. Это обычно также называется регулированием помпажа или защитой от помпажа и предназначено для предотвращения мультифазного насоса от вхождения в такое нестабильное рабочее состояние. Известной мерой для регулирования помпажа или регулирования является обеспечение обратной линии, через которую текучая среда, передаваемая посредством мультифазного насоса, может быть передана обратно от стороны нагнетания насоса к стороне впуска. Один или также более регулирующих клапанов, например, два регулирующих клапана, предусматриваются в этой обратной линии и могут управляться с помощью регулятора помпажа и, соответственно, допускать меньший или больший поток через обратную линию. Если, например, предусмотрены два регулирующих клапана, один зачастую предназначен для компенсации колебаний в распределении фаз, в то время как другой очень быстро открывает общее поперечное сечение для потока в обратной линии в случае чрезвычайно больших колебаний. Логическая схема регулятора помпажа, как правило, является встроенной в устройство регулирования насоса, которое на сегодняшний день, как правило, выполнено в виде системы цифрового управления.
Если очень высокие пропорции газа присутствуют в многофазной текучей среде, подлежащей нагнетанию, то система охлаждения может, в частности, также быть предусмотрена в обратной линии, чтобы избежать слишком большой тепловой нагрузки или теплообразования.
Измеритель скорости потока, дополнительно предусматривается между отверстием обратной линии на стороне впуска и входным отверстием мультифазного насоса.
Предельная кривая чаще всего хранится в соответствующем блоке регулирования для регулятора помпажа. Когда предельная кривая достигнута, контрмеры должны быть инициированы. Предельная кривая фиксируется на основе предельного помпажа, который обозначает совокупность параметров, при которых переход в нестабильное рабочее состояние имеет место. Этот предельный помпаж определяется на основании эмпирических значений и/или на основании экспериментально определенных данных. Предельная кривая затем фиксируется с определенным «запасом прочности» от предельного помпажа, чтобы избежать нестабильных рабочих состояний во время работы насоса. Если насос достигает предельной кривой во время работы, то регулятор помпажа управляет регулирующим клапаном или регулирующими клапанами таким образом, что обратный поток в обратной линии увеличивается, и насос снова отходит от предельной кривой.
Регуляторы помпажа или средства защиты против недостаточного потока, известные сегодня, требуют знания текущей (фактической) скорости потока, текущего (фактического) распределения фаз передаваемой мультифазной текучей среды, и текущей (фактической) скорости вращения насоса. Прямое измерение скорости потока и фактического распределения фаз с использованием одного инструмента или датчика является, однако, невозможным, так как такие измерительные инструменты не доступны. Поэтому измеритель скорости потока должен быть выполнен в виде мультифазного измерителя скорости потока. Мультифазный измеритель скорости потока определяет скорость потока на основе одновременного технического измерения непосредственно доступных значений процесса, таких как абсолютное давление, перепад давления, плотность и температура, которые затем обрабатываются в полуэмпирической модели для определения или оценки фактической скорости потока и фактического распределения фаз текучей среды в мультифазном измерителе скорости потока.
Такие мультифазные измерители скорости потока очень сложные, дорогостоящие и являются устройствами сложной формы, которые имеют некоторые дополнительные недостатки. Различные датчики в мультифазных измерителях скорости потока для измерения различных параметров процесса имеют очень большие отклонения в отношении частоты обновления, соответственно, определенного параметра процесса. Датчик с наименьшей частотой обновления, таким образом, естественно, обусловливает максимально возможную частоту обновления мультифазного измерителя скорости потока. Эта максимальная частота обновления иногда недостаточна для обеспечения надежного регулирования помпажа или надежной защиты от недостаточного потока. Для подводных установок и для связанных с морскими условиями эксплуатации в особенности соответствующие части устройства, имеют еще меньшие частоты обновления, которые дополнительно уменьшают динамику рабочей характеристики регулятора помпажа. Так как больший запас прочности от предельной кривой, таким образом, необходим, чтобы избежать нестабильных рабочих состояний, рабочий диапазон мультифазного насоса дополнительно ограничивается.
Кроме того, эти сложные мультифазные измерители скорости потока требуют значительного пространства для их установки, которое зачастую не имеется, например, на платформах, FPSOs, или в подводном расположении на морском дне.
Кроме того, поток мультифазной текучей среды имеет динамические эффекты, которые изменяют фактическое распределение фаз вдоль линии. Поэтому было бы желательно простое и надежное регулирование помпажа для измерения скорости потока непосредственно перед входом насоса, так чтобы реальное распределение фаз, присутствующих в мультифазном насосе, также определялось. Установка мультифазного измерителя скорости потока непосредственно перед входом насоса, однако, часто вообще невозможна, например, по причинам пространства.
Подобные проблемы также могут возникнуть с однофазными насосами, то есть с насосами, которые служат для передачи однофазной текучей среды, например, жидкости. Именно здесь также часто необходимо или желательно обеспечение регуляторов помпажа или защиты от недостаточного потока для насоса. Регуляторы помпажа, известные сегодня, как правило, используют сигналы от измерителей скорости потока, которые измеряют количество протекающей жидкости соответствующим аналогичным образом, как описано выше со ссылкой к мультифазным измерителям скорости потока. Подобные проблемы, как описано дополнительно выше, также происходят с этими измерителями скорости потока, а именно, они не могут, в частности, часто быть расположены в нужном месте, или только с большим трудом, и их частоты обновления часто слишком малы, или задержки в передаче сигнала слишком велики, так что регулятор помпажа должен быть разработан с очень большими запасами прочности. Рабочий диапазон, в котором насос может безопасно работать, таким образом, ограничен.
Исходя из этого уровня техники, задачей этого изобретения является предложение способа работы для насоса, в частности, для мультифазного насоса, и соответствующего насоса, в частности, мультифазного насоса, в котором надежное регулирование помпажа или надежная защита от недостаточного потока реализованы простым способом, который, в частности, не зависит от сложных мультифазных измерителей скорости потока или измерителей скорости потока.
Объекты изобретения, удовлетворяющие этой задаче, характеризуются признаками независимых пунктов формулы изобретения соответствующей категории.
В соответствии с изобретением, предложен способ работы для насоса, в частности, для мультифазного насоса для передачи текучей среды со стороны низкого давления к стороне высокого давления, в котором предусмотрена обратная линия для возвращения текучей среды со стороны высокого давления к стороне низкого давления, способ, в котором регулирующий клапан в обратной линии управляется посредством блока регулирования помпажа для предотвращения нестабильного рабочего состояния, при этом упомянутый регулирующий клапан регулирует поток через обратную линию, в котором предельная кривая для параметра регулирования хранится в блоке регулирования помпажа, причем фактическое значение параметра регулирования сравнивается с предельной кривой во время работы насоса, и в котором, как только фактическое значение параметра регулирования достигнет предельной кривой, регулирующий клапан в обратной линии регулируется таким образом, что фактическое значение параметра регулирования перемещается от предельной кривой, и в котором рабочий параметр насоса используется в качестве параметра регулирования.
Термин "рабочий параметр" означает те параметры, которые определяют работу насоса, и которые могут быть установлены посредством мониторинга или устройством регулирования насоса, то есть, например, скорость вращения насоса, уровень его энергопотребления, крутящий момент, при котором насос приводится в действие, и т.д. В смысле этого применения такими рабочими параметрами являются, в частности, не те, которые предопределены самой текучей средой, такие как распределение фаз текучей среды (в случае мультифазной текучей среды) или ее вязкость, так как эти значения не могут быть введены или установлены на самом насосе.
Поскольку блок регулирования помпажа использует рабочий параметр для предотвращения нестабильного рабочего состояния насоса, ему больше нет необходимости оценивать или определять значения, которые могут быть обнаружены исключительно с большим трудом - если это вообще имеет место - путем измерения, например, фактического распределения фаз в текучей среде, которая должна быть передана. В особенности, можно обойтись без сложных и очень дорогостоящих частей устройства, таких как мультифазный измеритель скорости потока или также измеритель скорости потока и, тем не менее, обеспечить надежное и стабильное регулирование помпажа или защиту от недостаточного потока насоса, в частности, мультифазного насоса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, предельная кривая показывает четкую зависимость между рабочим параметром и перепадом давления, генерируемым насосом, в частности, мультифазным насосом, поскольку этот перепад давления может быть определен очень просто и может быть обнаружен измерением.
Перепад давления между давлением на входе и давлением на выходе насоса предпочтительно обнаруживается посредством измерения для сравнения фактического значения рабочего параметра с предельной кривой. Это может быть обеспечено простым образом, когда обнаруженное преобладающее фактическое значение равно тому перепаду давления, который сейчас генерируется насосом.
Было признано предпочтительным на практике, если рабочий параметр, используемый блоком регулирования помпажа, находится в уникальном взаимоотношении с крутящим моментом, при котором насос приводится в действие.
Тот крутящий момент, при котором насос приводится в действие, в особенности предпочтительно используется в качестве рабочего параметра. Признание того, что зависимость мгновенного крутящего момента от перепада давления, генерируемого насосом, позволяет фиксацию предельной кривой, которая может надежно предотвратить попадание насоса в неустойчивое рабочее состояние, является удивительным.
Предпочтительной мерой является для предельной кривой обозначение зависимости крутящего момента от перепада давления, при котором насос еще надежно работает в стабильном рабочем состоянии. Это означает, что предельная кривая, предпочтительно, зафиксирована таким образом, что она не работает в точности, где происходит переход насоса в нестабильное рабочее состояние, а скорее там, где обеспечивается запас безопасности.
Это является предпочтительным для этой цели, если предельная кривая фиксируется на интервале от нижней предельной линии помпажа, где нижняя предельная линия помпажа обозначает соответствующее значение рабочего параметра, при котором насос переходит в нестабильное рабочее состояние.
Эта линия нижнего предела помпажа, предпочтительно, определяется с помощью экспериментальных тестовых данных, для определения которых насос вводится в нестабильное рабочее состояние. Это может иметь место, например, на испытательном стенде перед приемом насоса в эксплуатацию, где насос затем намеренно приводят в нестабильное рабочее состояние (пульсацию), для того, чтобы таким образом определить, при каких значениях рабочего параметра этот переход имеет место.
Также может, естественно, быть предпочтительным, если эмпирические значения используются для определения нижней предельной линии помпажа. Время, настоящим, может быть сохранено за счет уменьшения экспериментальных усилий для определения нижней предельной линии помпажа для соответствующего насоса.
С точки зрения устройства, предпочтительно, если блок регулирования помпажа интегрирован в устройство регулирования для управления насосом.
Чтобы свести к минимуму стоимость и сложность и, таким образом, сделать способ работы особенно простым, является предпочтительной мерой, если фактическое значение рабочего параметра обеспечивается посредством частотно-регулируемого привода для насоса.
Является предпочтительным использование способа работы, когда насос используется в качестве повышающего давление насоса (бустерного насоса) для добычи нефти и добычи газа, в частности при подводной добыче нефти и добыче газа.
Насос, в особенности, мультифазный насос, дополнительно предложенный изобретением для подачи текучей среды со стороны низкого давления к стороне высокого давления, имеющий впуск и выпуск для текучей среды, и имеющий блок регулирования помпажа для того, чтобы избежать нестабильного рабочего состояния, который обеспечивает управляющий сигнал для регулирующего клапана в обратной линии для возвращения текучей среды со стороны высокого давления к стороне низкого давления, причем предельная кривая для параметра регулирования присутствует в блоке регулирования помпажа, где блок регулирования помпажа сравнивает фактическое значение параметра регулирования во время работы насоса с предельной кривой, и где блок регулирования помпажа обеспечивает управляющий сигнал как только фактическое значение параметра регулирования достигает предельной кривой, при этом упомянутый управляющий сигнал, способный управлять регулирующим клапаном в обратной линии таким образом, что фактическое значение параметра регулирования перемещается от предельной кривой, где параметр регулирования является рабочим параметром насоса.
Преимущества и предпочтительные варианты осуществления насоса в этом отношении соответствуют тем, которые описаны выше, в связи со способом работы в соответствии с изобретением.
В частности, также является особенно предпочтительным в отношении насоса, если рабочим параметром является крутящий момент для приведения в действие насоса и предельная кривая показывает зависимость крутящего момента от перепада давления между давлением на впуске и давлением на выпуске.
Насос предпочтительно выполнен в виде центробежного насоса и повышающего давление насоса для добычи нефти и добычи газа, в особенности, для подводной добычи нефти и добычи газа.
Чрезвычайно надежное регулирование помпажа для предотвращения нестабильных рабочих состояний возможно с помощью способа работы в соответствии с изобретением, или с помощью насоса в соответствии с изобретением. Поскольку рабочий параметр, требуемый для управления, является очень простым и доступным с очень высокой частотой обновления, очень быстрые изменения условий процесса могут также быть признанными и соответствующими. Это в особенности обеспечивается за счет использования рабочего параметра насоса при подводных применениях, так как отсутствуют задержки сигнала, которые вызваны, например, компонентами, установленными под водой, или их связью с компонентами, расположенными над водой. Преимущество дополнительно получается в результате того, что запас прочности от нестабильных состояний может быть уменьшен, или может быть сведен к минимуму, так что насос может работать в гораздо большем рабочем диапазоне.
Дополнительным преимуществом способа работы в соответствии с изобретением и насоса в соответствии с изобретением является то, что они также могут быть модернизированы без проблем в уже существующих насосах, т.е., что существующие насосы могут быть изменены в насосы в соответствии с изобретением простым способом. Для этой цели большие модификации устройств зачастую не требуются.
Дополнительные предпочтительные меры и варианты осуществления изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Далее изобретение будет пояснено более подробно как в отношении устройства, так и в отношении аспекта технологии производства со ссылкой к вариантам осуществления и к чертежам. На чертежах представлены:
Фиг. 1: схематичное представление, иллюстрирующее вариант осуществления изобретения;
Фиг. 2: представление взаимосвязи перепада давления, генерируемого вариантом осуществления мультифазного насоса со скоростью потока; и
Фиг. 3: представление предельной кривой и линии нижнего предела помпажа при применении крутящего момента от перепада давления.
Фиг. 1 иллюстрирует в схематичное представление варианта осуществления изобретения как в отношении устройства, так и в отношении технического приема. В дальнейшем, вариант осуществления рабочего способа в соответствии с изобретением, и вариант осуществления насоса в соответствии с изобретением, который обозначен в целом ссылочной позицией 1, будет описан со ссылкой к фиг. 1. Насос здесь сконфигурирован как мультифазный насос. В этом отношении ссылка делается на примерную характеристику для применения, важного на практике, в котором мультифазный насос 1 сконфигурирован как центробежный насос и как поднимающий давление насос, который также обычно называют бустерным насосом. В этом применении мультифазный насос используется для добычи нефти и газа и, в особенности для подводной добычи нефти и добычи газа, при котором выпускное отверстие 100 скважины расположено на морском дне, откуда нефть и природный газ передаются к устройству 200 хранения и обработки, расположенному на поверхности океана. Скважина 100 продолжается вверх и в месторождение нефти, которое не показано на фиг. 1. В этом отношении, устройство 200 хранения и обработки может быть установлено на земле или также в прибрежном районе, например, на платформе, которая закреплена к морскому дну. Устройство 200 хранения и обработки может, естественно, также быть расположено плавающим в океане, например, в виде FPSO.
В этом варианте осуществления текучая среда, которая должна быть передана мультифазным насосом 1, является, следовательно, ммультифазной текучей средой, которая содержит, по меньшей мере, одну газообразную фазу и одну жидкую фазу. Задачей мультифазного насоса 1, используемого в качестве бустерного насоса, в этом отношении, является понижение давления на выходе из скважины 100, например, на величину в диапазоне от 10 до 40 бар, так что текучая среда может выходить скважины 100, или так, что скорость потока текучей среды, подаваемой из скважины 100, увеличивается. Эта мера, которая является сама по себе известной, является в частности, предпочтительной, когда степень истощения нефтяных месторождений увеличивается, потому что уменьшается естественное давление, преобладающее в месторождении нефти. Мультифазный насос 1 может, например, генерировать перепад давления свыше 150 бар, с генерированием, перепада давления с естественной сильной зависимостью от фактической плотности текучей среды, и тем самым, от ее фактического распределения фаз. В зависимости от применения, мультифазный насос 1 может быть расположен на морском дне вблизи ствола скважины 100, или на каком-то расстоянии от него, или в прибрежном районе, то есть, например, на (буровой) платформе или на FPSO, или также на суше.
Изобретение, естественно, не ограничивается этой конкретной областью применения, но также подходит для всех остальных применений, в которых мультифазные насосы могут быть использованы или развернуты. Изобретение, в частности, подходит для мультифазных насосов, которые являются центробежными насосами. Изобретение также не ограничено мультифазными насосами, а скорее, как правило, пригодно для насосов, которые являются также однофазными насосами, в которых текучая среда, которая должна быть передана, включает в себя одну фазу, которая является, например, жидкостью.
Линии, через которые может протекать текучая среда, представлены сплошными линиями на фиг. 1, в то время как сигнальные соединения представлены в виде пунктирных линий.
Мультифазный насос 1 включает в себя впуск 10, через который текучая среда поступает в мультифазный насос 1, а также выпуск 20, через который перемещаемая текучая среда выходит из мультифазного насоса 1. В дальнейшем, область, расположенная перед мультифазным насосом 1, называется стороной низкого давления, а область, расположенная позади, называется стороной высокого давления.
Первый датчик 11 давления, посредством которого то давление, при котором текучая среда поступает в мультифазный насос 1, может быть измерено, предусмотрен на впуске 10 мультифазного насоса 1. Второй датчик 12 давления, посредством которого давление, при котором текучая среда выходит из мультифазного насоса 1, может быть измерено, предусмотрен на выпуске 20 мультифазного насоса 1. Соответствующее фактическое значение перепада давления, генерируемого мультифазным насосом 1, может, таким образом, быть определено из разностного сигнала от двух датчиков 11 ,12 давления. Все датчики давления, сами по себе известные, пригодны в качестве датчиков 11, 12 давления. Датчики 11, 12 давления, предпочтительно, каждый располагается непосредственно на впуске 10 или на выпуске 20 мультифазного насоса 1.
Мультифазный насос 1 приводится в действие частотно-регулируемым приводом 2 (VFD, или также приводом с переменной скоростью VSD), который приводит вал мультифазного насоса 1 во вращение вместе с рабочим колесом или колесами (не показаны), расположенными на нем. Частотно-регулируемый привод 2 находится в сигнальной связи с устройством 3 регулирования для управления мультифазным насосом, как обозначает двойная стрелка А на фиг. 1, и может обмениваться данными в обоих направлениях с устройством 3 регулирования. Устройство 3 регулирования, предпочтительно, сконфигурировано в виде цифрового устройства 3 регулирования.
Два датчика 11 и 12 давления находятся каждый в связи сигналами с устройством 3 регулирования, как обозначают две стрелки В и С на фиг. 1.
Блок 4 регулирования помпажа, кроме того, предусмотрен для предотвращения нестабильных рабочих состояний мультифазного насоса 1 и является, предпочтительно, интегрированным в устройство 3 регулирования. Термины "защита от недостаточного потока" или "регулирование помпажа" также, как правило, используются для блока 4 регулирования помпажа.
Впуск 10 мультифазного насоса 1 соединен на стороне низкого давления со скважиной 100 по линии 5 подачи, через которую текучая среда может протекать от скважины 100 к впуску 10. Выпуск 20 мультифазного насоса 1 соединен на стороне высокого давления с устройством 200 хранения и обработки через выпускную линию 6, через которую текучая среда может протекать от мультифазного насоса 1 к устройству 200 хранения и обработки. В зависимости от того, где мультифазный насос 1 расположен в соответствующем случае, линия 5 подачи и выпускная линия 6, могут каждая иметь длину от менее одного метра и до нескольких километров.
Буферная емкость 7, предпочтительно, предусмотрена в линии 5 подачи, которая служит, в некотором смысле, известным способом, для компенсации изменений в распределении фаз текучей среды. Эти изменения могут быть вызваны естественно инициированными колебаниями соотношения газ-жидкость в текучей среде, выходящей из скважины, или также с архитектурой и линейными динамиками линии 5 подачи. Буферная емкость 7 действует как фильтр, или в качестве интегратора, и может, таким образом, поглощать или демпефировать резкие изменения в распределении фаз текучей среды.
Обратная линия 8 для текучей среды, кроме того, предусмотрена, которая соединяет сторону высокого давления со стороной низкого давления. Обратная линия 8 ответвляется от выпускной линии 6 ниже выпуска 20 мультифазного насоса 1 и выходит перед буферной емкостью 7 в линию 5 подачи, так что текучая среда может выходить обратно через обратную линию 8 от стороны высокого давления к стороне низкого давления. По меньшей мере один регулирующий клапан 9 предусмотрен в обратной линии 8 и находится в связи с блоком 4 регулирования помпажа, как обозначено стрелкой D на фиг. 1. Регулирующий клапан 9 выполнен в виде регулирующего клапана, посредством которого поперечное сечение потока в обратной линии 8 может изменяться от полностью закрытого состояния (отсутствия возврата текучей среды) до полностью открытого состояния (максимального поперечного сечения потока). Обратная линия 8 служит для регулирования помпажа и, следовательно, для предотвращения нестабильных рабочих состояний мультифазного насоса 1, которые также известны как пульсация.
Если поток через мультифазный насос 1 достаточно большой, регулирующий клапан 9 полностью закрыт, так что текучая среда не может течь обратно через обратную линию 8 к стороне низкого давления. Если, как будет описано ниже, превышение предельной кривой для параметра регулирования обнаруживается блоком 4 регулирования помпажа, обусловленное, например, слишком малым количеством текучей среды, поступающей на впуск 10 (область недогруза), то блок 4 регулирования помпажа управляет регулирующим клапаном 9 таким образом, что он открывает обратную линию 8 частично или полностью, так что часть перемещаемой текучей среды может течь обратно от стороны высокого давления к стороне низкого давления. Регулирующий клапан 9 в этом отношении открывается настолько широко, пока фактическое значение параметра регулирования снова станет ниже предельной кривой.
Регулирующий клапан 9 предпочтительно сконфигурирован таким образом, что он может изменять открытое поперечное сечение потока обратной линии 8 непрерывно от полностью закрытого состояния до полностью открытого состояния. Также, естественно, можно обеспечить более одного регулирующего клапана, например, два регулирующих клапана в обратной линии 8, которые являются, таким образом, расположены параллельно в обратной линии 8. Альтернативно, два клапана также могут быть расположены один за другим, то есть последовательно, в обратной линии 8, с одним из двух клапанов, таким образом, предпочтительно, являющимся быстродействующим открыто/закрытым клапаном, и другим клапаном, являющимся регулирующим клапаном, который сконфигурирован в виде регулирующего клапана.
Охладитель 13, например теплообменник, может, кроме того, быть предусмотрен в обратной линии 8 для извлечения тепла из рециркуляционной текучей среды. Эта мера, в частности, предпочтительна, когда текучая среда имеет высокую часть газа. Накапливание тепла может быть предотвращено охладителем 13.
Как уже упоминалось, блок 4 регулирования помпажа использует фактическое значение параметра регулирования, чтобы избежать нестабильных рабочих состояний мультифазного насоса 1 или насоса 1. Этот параметр регулирования является рабочим параметром, в соответствии с изобретением. Как уже объяснялось, термин "рабочий параметр" означает те параметры, которые могут определять работу насоса 1, и которые могут быть установлены с помощью устройства 4 регулирования насоса 1, то есть, например, скорость вращения мультифазного насоса 1, его энергопотребление, крутящий момент, при котором мультифазный насос 1 приводится в действие, и т.д. Рабочие параметры являются, поэтому, теми значениями, которые регулируют работу насоса 1 или мультифазного насоса 1, и которые могут быть установлены непосредственно - или косвенно через отличный рабочий параметр - в насосе 1 или мультифазном насосе 1.
Применение рабочего параметра в качестве параметра регулирования, в частности, имеет то преимущество, что те значения процесса, которые не могут быть определены, или которые могут быть определены только с большим трудом или только очень неточно, такие как фактическое распределение фаз текучей среды, больше не должны быть известны для регулирования помпажа. В случае варианта осуществления насоса, такого как однофазный насос, например, больше нет необходимости знать фактический поток, так, что можно обойтись без измерителя скорости потока.
В варианте осуществления, описанном здесь, отношение между рабочим параметром и перепадом давления, генерируемым мультифазным насосом 1, используется для регулирования помпажа. Этот перепад давления может быть определен путем измерения очень легко и очень точно с помощью двух датчиков 11 и 12 давления во время работы мультифазного насоса 1.
Фиг. 2 представляет, для лучшего понимания, типовую рабочую диаграмму мультифазного насоса 1, в которой показано отношение перепада давления, генерируемого мультифазным насосом 1, к скорости потока текучей среды, передаваемой мультифазным насосом 1. Скорость потока Q нанесена по горизонтальной оси, а перепад давления DP по вертикальной оси. С мультифазной текучей средой это отношение, естественно, очень сильно зависит от распределения фаз передаваемой текучей среды. Это распределение фаз текучей среды, имеющей жидкую фазу и газообразную фазу, как правило, характеризуется значением GVF (ОДГ: объемная доля газа), которое обозначает соотношение объемного расхода газовой фазы и объемного расхода текучей среды. Значение ОДГ поэтому лежит между 0 и 1 или от 0 до 100%, где значение 0 означает, что только жидкая фаза присутствует, и значение 1 или 100% означает, что только газообразная фаза присутствует.
Фиг. 2 представляет перепад давления DP в зависимости от скорости потока Q для пяти различных значений ОДГ. Соответствующее значение ОДГ постоянно на изо-ОДГ кривых, обозначенных 101 и показанных сплошными линиями. В этом отношении, самая низкая изо-ОДГ кривая 101, или кривая самая дальняя влево в соответствии с представлением, соответствует наибольшему значению ОДГ. Более высокая или дальняя правая на диаграмме изо-ОДГ кривая 101, является наименьшим соответствующим значением ОДГ. Кроме того, изо-мощностные кривые 102 также представлены штрихпунктирными линиями на фиг. 2, на которых соответствующая мощность, потребляемая мультифазным насосом 1, является постоянной.
Линия 50 нижнего предела помпажа, кроме того, представлена на фиг. 2 (сплошной линией), которая, как правило, также называется линией помпажа. Если эта линия 50 нижнего предела помпажа превышена так, что мультифазный насос 1 перемещается в область, отмеченную как 40, выше линии 50 нижнего предела помпажа, мультифазный насос 1 находится в нестабильном рабочем состоянии. Это может быть легко различимо со ссылкой к фиг. 2, как изменения в фактическом распределении фаз текучей среды могут очень резко привести к превышению линии 50 нижнего предела помпажа и, таким образом, к нестабильным рабочим состояниям. Изменение фактического распределения фаз соответствует, например, к переходу от одной изо-ОДГ кривой 101 к другой.
Для того чтобы надежно избежать таких нестабильных рабочих состояний в области 40 во время работы мультифазного насоса 1, предельная кривая 60 зафиксирована для рабочего параметра, используемого в качестве параметра регулирования, и разнесена от линии 50 нижнего предела помпажа ниже линии 50 нижнего предела помпажа в изображении в соответствии с фиг. 2. Предельная кривая 60 представлена пунктирной линией на фиг. 2.
Если рабочий параметр, используемый в качестве параметра регулирования теперь достигает предельную кривую 60 в процессе работы мультифазного насоса 1, блок 4 регулирования помпажа управляет регулирующим клапаном 9 таким образом, что поток через обратную линию 8 увеличивается, и остается таким до тех пор, пока фактическое значение рабочего параметра, используемого в качестве параметра регулирования, не отходит от предельной кривой 60 и от области 40 нестабильных рабочих состояний.
Естественно, необходимо для этой цели, чтобы предельная кривая или линия нижнего предела помпажа являлась известной для рабочего параметра, специально используемого в блоке регулирования помпажа, и ее прогрессия являлась известной в зависимости от значения, которое может быть измерено или определено просто и надежно во время работы мультифазного насоса 1.
В связи с этим, оказалась особенно предпочтительным, когда зависимость рабочего параметра от перепада давления определяется перепадом давления, который фактически генерируется мультифазным насосом 1. Предельная кривая или линия нижнего предела помпажа, таким образом, обозначает однозначную взаимосвязь между рабочим параметром и перепадом давления.
В принципе, все рабочие параметры подходят для регулирования помпажа. Однако оказалось предпочтительным для рабочего параметра быть в однозначной взаимосвязи с крутящим моментом, при котором мультифазный насос 1 приводится в действие. Крутящий момент, при котором насос приводится в действие, в особенности предпочтительно используется в качестве рабочего параметра.
Крутящий момент является рабочим параметром, который постоянно доступен в эксплуатации и, следовательно, обеспечивает очень высокую частоту обновления. Фактическое значение крутящего момента, воспринимаемого мультифазным насосом 1, может быть обеспечено в любой момент посредством частотно-регулируемого привода 2.
Перепад давления DP может быть измерен очень простым и надежным способом посредством двух датчиков 11, 12 давления, которые передают значения давления, измеренного ими, через сигнальные соединения В и С, соответственно, к блоку 4 регулирования помпажа, который определяет фактическое значение перепада давления DP от них.
Для определения предельной кривой 60' (см. Фиг. 3) или линии 50' нижнего предела помпажа для крутящего момента, воспринимаемого мультифазным насосом 1, предпочтительно используются экспериментальные данные, которые определяются на испытательном стенде, например, перед вводом в эксплуатацию мультифазного насоса 1.
Фиг. 3 представляет предельную кривую 60' и линию нижнего предела помпажа 50'при приложении крутящего момента как функцию от перепада давления. Перепад давления DP представлен по горизонтальной оси, а крутящий момент Т, воспринимаемый мультифазным насосом, представлен по вертикальной оси. Ромбы, отмеченные как 105, представляют экспериментально определенные тестовые данные, при которых мультифазный насос работает в нестабильном рабочем состоянии. Для определения этих тестовых данных 105, мультифазный насос 1 намеренно приводится в нестабильное рабочее состояние на испытательном стенде, например путем изменения потока и/или путем изменения распределения фаз текучей среды. Последнее естественно возможно на испытательном стенде. В этом отношении, соответственно определяется, при каком значении крутящего момента T, и при каких значениях перепада давления DP мультифазный насос 1 входит в нестабильное рабочее состояние. Эти нестабильные рабочие состояния могут быть обнаружены очень просто, например, путем возникновения сильной вибрации, резкого понижения давления на выпуске 20 мультифазного насоса 1, или посредством других изменений. Тестовые данные 105 могут быть определены таким образом.
Впоследствии, линия 50' нижнего предела помпажа затем фиксируется так, чтобы - в соответствии с представлением на фиг. 3 - все тестовые данные 105 лежали чуть ниже линии 50' нижнего предела помпажа. Предельная кривая 60', показанная пунктирной линией на фиг. 3, затем устанавливается с запасом прочности выше и, предпочтительно, продолжающейся параллельно линии 50' нижнего предела помпажа. Выбор запаса между линией 50' нижнего предела помпажа и предельной кривой 60', подходящей для применения, не представляет никаких проблем для специалиста. Несомненным для работы мультифазного насоса теперь является то, что мультифазный насос 1 не входит в нестабильное рабочее состояние до тех пор, пока он работает над предельной кривой 60', в соответствии с иллюстрацией (фиг. 3).
Альтернативно или дополнительно, можно также использовать эмпирические значения для определения предельной кривой 60', которые уже были определены с помощью других насосов, например, или которые известны другим способом. Расчетные эксплуатационные данные, или данные, полученные с помощью моделирования, могут также альтернативно или дополнительно использоваться для определения линии 50' нижнего предела помпажа или предельной кривой 60'.
Предельная кривая 60' теперь хранится в блоке 4 регулирования помпажа для нормальной работы. Это может быть реализовано, например, поскольку предельная кривая 60' хранится в качестве справочной таблицы, или в качестве аналитической параметризованной функции в блоке 4 регулирования помпажа. Если определенная взаимосвязь между рабочим параметром, здесь крутящим моментом Т, и перепадом давления DP является особенно простой, например линейной, соответствующая функция, например, линейное уравнение, может храниться в блоке 4 регулирования помпажа. Во время работы мультифазного насоса 1, блок 4 регулирования помпажа определяет соответствующую фактическую величину перепада давления DP, которое просто генерируется мультифазным насосом 1, с помощью сигналов датчиков 11, 12 давления. Блок 4 регулирования помпажа теперь может определить, используя фактическое значение крутящего момента T, обеспеченное частотно-регулируемым приводом 2, является ли фактическое значение крутящего момента T еще далеким от предельной кривой 60' посредством сравнения с предельной кривой 60'. Как только фактическое значение крутящего момента T для фактического перепада давления DP достигает предельной кривой 60', то блок 4 регулирования помпажа управляет регулирующим клапаном 9 в обратной линии 8 таким образом, что обратная линия 8, тем самым, открывается, или открывается шире. Обратная линия 8 открывается дополнительно пока крутящий момент Т снова отдаляется от предельной кривой 60' и от предельной линии 50' нижнего предела помпажа.
Таким образом, обеспечивается, что мультифазный насос 1 не входит в нестабильное рабочее состояние во время нормальной работы. В этом отношении, очень высокие частоты обновления являются особенно предпочтительными, при которых перепад давления DP и фактическое значение рабочего параметра, здесь крутящего момента Т, могут быть определены.
Было обнаружено, что фиксация предельной кривой со ссылкой на сопоставление крутящего момента Т, который воспринимается мультифазным насосом 1, с перепадом давления DP, который генерируется мультифазным насосом 1, приводит к однозначной взаимосвязи для соответствующей гидравлической конфигурации, которая в противном случае независит от текущих условий эксплуатации этого мультифазного насоса 1, например, фактического распределения фаз в мультифазной текучей среде.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на вариант осуществления мультифазного насоса 1, следует понимать, что изобретение не ограничивается мультифазными насосами, а также охватывает, в том же смысле, однофазные насосы и насосы в целом. В этом отношении, насос, соответственно, может быть сконфигурирован в виде одноступенчатого насоса или многоступенчатого насоса. Насос, предпочтительно, сконфигурирован в виде центробежного насоса или в виде спирально-осевого насоса.