ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С КЛАПАНОМ СИНХРОНИЗАЦИИ И СВЯЗАННЫЙ С НИМ СПОСОБ
RECIPROCATING COMPRESSOR WITH TIMING VALVE AND RELATED METHOD

ПРЕДПОСЫЛКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в настоящем описании, как правило, относятся к поршневым компрессорам, используемым в нефтяной и газовой промышленности, а более конкретно к увеличению объема всасывания и уменьшения влияния на объем мертвого пространства с использованием клапана синхронизации, который приводится в действие для открытия во время фазы расширения цикла сжатия.
ОБСУЖДЕНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Компрессоры, которые используются в нефтяной и газовой промышленности, должны отвечать конкретным отраслевым требованиям, которые учитывают, например, что сжатая текучая среда часто является коррозионно-активной и горючей. Американский Институт Нефти (API), организация, которая устанавливает признанные отраслевые стандарты для оборудования, используемого в нефтяной и газовой промышленности, опубликовала документ API618, в котором перечислен полный набор минимальных требований для поршневых компрессоров.
Компрессоры могут быть классифицированы как объемные компрессоры (например, поршневые, винтовые или лопастные компрессоры) или динамические компрессоры (например, центробежные компрессоры или осевые компрессоры). В объемных компрессорах сжатие достигается путем улавливания газа, а затем уменьшения объема, в который заключен этот газ. В динамических компрессорах сжатие достигается путем преобразования кинетической энергии (например, вращающегося элемента) в энергию давления в заданном месте внутри компрессора.
Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию традиционного двухкамерного поршневого компрессора 10, используемого в нефтяной и газовой промышленности. Однокамерные поршневые компрессоры используются менее часто, но работают в соответствии с аналогичным циклом сжатия, что и двухкамерные поршневые компрессоры.
В компрессоре 10 сжатие текучей среды происходит в цилиндре 20. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) вводится в цилиндр 20 через впускное отверстие 30 и через клапаны 32 и 34 и после сжатия выводится через клапаны 42 и 44, а затем через выпускное отверстие 40. Сжатие представляет собой циклический процесс, в котором текучая среда сжимается за счет перемещения поршня 50 вдоль продольной оси цилиндра 20, между головным концом и концом 28 со стороны кривошипно-шатунного механизма. Поршень 50 делит цилиндр 20 на две камеры 22 и 24, работающие в различных фазах цикла сжатия, причем объем камеры 22 является наименьшим, когда объем камеры 24 наибольший, и наоборот.
Всасывающие клапаны 32 и 34 открываются в разное время, чтобы обеспечить возможность подачи предназначенной для сжатия текучей среды из впускного отверстия 30, соответственно, в камеры 22 и 24. Нагнетательные клапаны 42 и 44 открываются, чтобы обеспечить возможность выпуска сжатой текучей среды из камер, соответственно, 22 и 24, через выпускное отверстие 40. Поршень 50 перемещается за счет энергии, передаваемой от коленчатого вала 60 с помощью ползуна 70 и штока 80 поршня. Традиционно всасывающие и нагнетательные клапаны (например, 32, 34, 42 и 44), используемые в поршневом компрессоре, являются автоматическими клапанами, которые переключаются между закрытым состоянием и открытым состоянием благодаря перепаду давления на клапане.
1
1
2
2
2
3
Идеальный цикл сжатия (графически показанный на Фиг. 2, показывающей процесс изменения давления от объема) содержит по меньшей мере четыре фазы: расширение, всасывание, сжатие и нагнетание. Когда сжатая текучая среда удаляется из камеры в конце цикла сжатия, небольшое количество текучей среды при давлении Р нагнетания остается захваченной в объеме V мертвого пространства (т.е. минимальном объеме камеры). Во время фазы 1 расширения и фазы 2 всасывания цикла сжатия поршень перемещается, чтобы увеличить объем камеры. В начале фазы 1 расширения нагнетательный клапан закрыт (всасывающий клапан остается закрытым), а затем давление захваченной текучей среды падает, поскольку объем камеры, доступный для текучей среды, возрастает. Фаза всасывания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры становится равным давлению Р всасывания, приводя к открытию всасывающего клапана при объеме V. Во время фазы 2 всасывания объем камеры и количество подлежащей сжатию текучей среды (при давлении Р) увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут максимальный объем V.
2
1
4
1
1
1
Во время фаз сжатия и нагнетания цикла сжатия поршень перемещается в направлении, противоположном направлению перемещения во время фаз расширения и всасывания, чтобы уменьшить объем камеры. Во время фазы 3 сжатия как всасывающий клапан, так и нагнетательный клапан закрыты (т.е. текучая среда не входит и не выходит из цилиндра), давление текучей среды в камере возрастает (от давления Р всасывания до давления P нагнетания), так как объем камеры уменьшается до V. Фаза 4 подачи цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сравнивается с давлением Р нагнетания, приводя к открытию нагнетательного клапана. Во время фазы 4 подачи текучая среда при давлении P нагнетания удаляется из камеры до тех пор, пока не будет достигнут минимальный объем V (мертвого пространства) камеры.
3
2
3
1
Одним из показателей эффективности компрессора является объемный коэффициент полезного действия, который представляет собой соотношение между объемом V-V камеры, проходящим поршнем поршневого компрессора во время фазы всасывания, и общим объемом V-V, проходящим поршнем во время цикла сжатия. Можно считать, что целью компрессора является нагнетание настолько большого количества сжатой текучей среды, насколько это возможно. Чем больше объемный коэффициент полезного действия, тем больше текучей среды сжимается в каждом цикле сжатия. Один из важных источников неэффективности в поршневом компрессоре связан с объемом мертвого пространства, который представляет собой объем сжатого газа, который не выпускается из камеры во время фазы нагнетания.
2
Если всасывающий клапан открывается рано, до того как из-за расширения газа давление в камере упадет до давления Р всасывания, то небольшое количество из оставшегося в камере сжатого воздуха будет выходить из камеры. Тем не менее сила, необходимая для открытия всасывающего клапана, является большой, пропорциональной площади проходного сечения потока клапана и перепаду давления через всасывающий клапан (то есть разности давлений между давлением внутри камеры и давлением всасывания). Такая большая сила требует наличия большого исполнительного механизма, который также будет иметь короткое время срабатывания. На практическом уровне раннее открытие всасывающего клапана в настоящее время не представляется возможным.
Соответственно, было бы желательно предусмотреть способы и устройства, пригодные для использования в поршневых компрессорах для нефтяной и газовой промышленности, которые дают эффект, похожий на раннее открытие всасывающего клапана.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Некоторые из вариантов выполнения относятся к клапану синхронизации, открываемому во время фазы расширения в камере поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности. Наличие клапана синхронизации и его работа приводят к увеличению объема всасывания (и, следовательно, объемного коэффициента полезного действия) и несколько смягчает негативный эффект, связанный с объемом мертвого пространства.
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения, поршневой компрессор имеет камеру, клапан синхронизации, исполнительный механизм и контроллер. Текучая среда, поступающая в камеру через всасывающий клапан, сжимается внутри камеры, и сжатая текучая среда удаляется из камеры через нагнетательный клапан. Клапан синхронизации расположен между камерой и объемом текучей среды при давлении разгрузки, которое ниже, чем давление в камере, когда клапан синхронизации открыт. Исполнительный механизм выполнен с возможностью приведения в действие клапана синхронизации. Контроллер выполнен с возможностью управления исполнительным механизмом с обеспечением открытия клапана синхронизации во время фазы расширения цикла сжатия и закрытия клапана синхронизации, когда давление разгрузки становится равным давлению в камере или когда всасывающий клапан открыт.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, предложен способ увеличения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора. Способ включает использование клапана синхронизации, расположенного между камерой поршневого компрессора и объемом текучей среды при давлении разгрузки, и управление открытием клапана синхронизации во время фазы расширения цикла сжатия, когда давление разгрузки меньше, чем давление внутри камеры. Площадь проходного сечения клапана синхронизации меньше, чем площадь проходного сечения всасывающего клапана поршневого компрессора.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, предложен способ модернизации компрессора для удаления текучей среды из камеры во время фазы расширения цикла сжатия. Способ включает (1) использование клапана синхронизации, расположенного между камерой и объемом текучей среды при давлении разгрузки, (2) установку исполнительного механизма, выполненного с возможностью приведения в действие клапана синхронизации, и (3) соединение контроллера с исполнительным механизмом. Контроллер выполнен с возможностью управления исполнительным механизмом с обеспечением открытия клапана синхронизации во время фазы расширения цикла сжатия, когда давление в камере больше, чем давление разгрузки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в описание и составляют его часть, иллюстрируют один или несколько вариантов выполнения и вместе с описанием объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:
Фиг. 1 схематически изображает традиционный двухкамерный поршневой компрессор;
Фиг. 2 изображает график давления от объема, иллюстрирующий идеальный цикл сжатия;
Фиг. 3 схематически изображает поршневой компрессор в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 4 изображает график давления от объема, иллюстрирующий эффект от клапана синхронизации, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 5 иллюстрирует расположение клапанов на головном конце поршневого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 6 иллюстрирует расположение клапанов на головном конце двухкамерного поршневого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 7 иллюстрирует расположение клапанов на конце со стороны кривошипно-шатунного механизма двухкамерного поршневого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг.8 представляет собой блок-схему последовательности операций способа по увеличению объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения и
Фиг. 9 представляет собой блок-схему последовательности операций способа модернизации поршневого компрессора для удаления текучей среды из камеры во время фазы расширения цикла сжатия в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приводится со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Последующие варианты выполнения для простоты описаны в отношении терминологии и конструкции поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности. Тем не менее, варианты выполнения, которые будут обсуждаться в последующем, не ограничиваются этим оборудованием, но могут быть применены к другому оборудованию.
Ссылка в настоящем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого предмета изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
В некоторых вариантах выполнения, описанных ниже, объемный коэффициент полезного действия поршневого компрессора увеличен благодаря использованию клапана синхронизации, открытого во время фазы расширения цикла сжатия, чтобы обеспечить возможность выхода текучей среды из камеры поршневого компрессора. Клапан синхронизации соединен с объемом текучей среды, имеющим давление разгрузки, которое ниже, чем давление текучей среды в камере.
На Фиг. 3 проиллюстрирован поршневой компрессор 100, выполненный в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Поршневой компрессор 100 имеет одну камеру 110. Тем не менее, настоящая концепция изобретения также применима к двухкамерным поршневым компрессорам.
Поршень 120 совершает возвратно-поступательное перемещение, чтобы сжимать текучую среду внутри камеры 110. Поршню 120 передается возвратно-поступательное движение от коленчатого вала 125. Поршень 120 перемещается в направлении к головному концу 115 камеры 110 и от него. Другими словами, головной конец 115 перпендикулярен направлению, вдоль которого перемещается поршень 120.
Предназначенная для сжатия текучая среда поступает в камеру 110 через всасывающий клапан 130 из всасывающего канала 135. После сжатия текучая среда удаляется из камеры 110 через нагнетательный клапан 140 по направлению к нагнетательному каналу 145. В показанном варианте выполнения всасывающий клапан 130 и нагнетательный клапан 145 расположены на головном конце 115 камеры 110.
Клапан 150 синхронизации выполнен с возможностью обеспечения выхода текучей среды из камеры во время фазы расширения цикла сжатия в камере 110. Клапан 150 синхронизации приводится в действие с помощью исполнительного механизма 160. Клапан 150 синхронизации расположен между камерой 110 и объемом текучей среды, имеющей давление разгрузки, которое меньше, чем давление в камере 110. На Фиг. 3 клапан 150 синхронизации показан соединенным со всасывающим клапаном 135, но в других вариантах выполнения клапаны синхронизации могут быть соединены по-разному с отдельным объемом текучей среды, имеющей давление разгрузки, которое ниже, чем давление в камере 110, когда клапан 150 синхронизации открыт.
Клапан 150 синхронизации представляет собой приводной клапан. Усилие, необходимое для открытия клапана синхронизации, пропорционально разности давлений между противоположными сторонами клапана 150 синхронизации и проходному сечению потока клапана 150 синхронизации. В целях создания большой силы необходим большой (в отношении объема) исполнительный механизм. Таким образом, площадь проходного сечения потока клапана 150 синхронизации меньше (даже существенно меньше), чем площадь проходного сечения потока всасывающего клапана 130, так чтобы было можно открыть клапан 150 синхронизации с помощью небольшого (в отношении объема) исполнительного механизма 160.
2
Контроллер 170 управляет исполнительным механизмом 160 для открытия клапана 170 синхронизации во время фазы расширения цикла сжатия. Чем меньше сила, которую должен обеспечить исполнительный механизм 160, чтобы открыть клапан 150, тем раньше может быть открыт клапан 150 синхронизации. Контроллер 170 управляет исполнительным механизмом 160 для закрытия клапана 150 синхронизации после того, как давление в камере 110 становится равным давлению разгрузки, или после того, как всасывающий клапан 130 откроется. Клапан 150 синхронизации должен быть закрыт до конца фазы всасывания цикла сжатия. Так как в варианте выполнения, показанном на Фиг. 3, клапан 150 синхронизации соединен со всасывающим каналом 135, давление разгрузки равно давлению Р всасывания.
Всасывающий клапан 130 может представлять собой автоматический клапан, открывающийся, когда давление в камере по существу равно давлению текучей среды во всасывающем канале, причем всасывающий клапан расположен между камерой и всасывающим каналом. Тем не менее всасывающий клапан может также представлять собой приводной клапан, при этом его исполнительный механизм (не показан) может управляться контроллером 170.
n
2
А
A
График давления от объема, показанный на Фиг. 4, иллюстрирует эффект от использования клапана 150 синхронизации. Если клапан синхронизации не используется, как показано на Фиг. 2, то фаза 1 расширения представляет собой политропный процесс, pV=const (в идеале n=γ для адиабатического процесса), который заканчивается, когда давление в камере достигает давления Р всасывания, приводя к срабатыванию и открытию всасывающего клапана 130. Клапан 150 синхронизации открывается, когда давление в камере равно Р (точка А на графике) за счет силы, создаваемой исполнительным механизмом 160. Если площадь проходного сечения потока клапана 150 синхронизации большая, или же поршень 120 не продолжил перемещение после открытия клапана синхронизации (т.е., объем камеры 110 оставался постоянным), то вместо политропного процесса в камере 110 будет иметь место изохорный процесс А-А' (т.е. давление будет падать при постоянном объеме V, что показано на графике в виде вертикальной линии).
2
2
2
2
Однако, в действительности, площадь проходного сечения потока клапана 150 синхронизации мала и поршень 120 продолжает перемещение после того, как клапан синхронизации открыт. Давление внутри камеры 110 падает за счет перемещения поршня 120, увеличивающего объем камеры 110, и потому, что текучая среда выходит из камеры 110 через клапан 150 синхронизации. Линия А-А'' на графике представляет зависимость давления от объема после открытия клапана 150 синхронизации. Линия А-А'' расположена между кривой A-(P, V), соответствующей расширению без открытия клапана синхронизации, а вертикальная линия А-А' соответствует изохорическому процессу. Это расширение, которое происходит во время открытия клапана 150 синхронизации, быстрее (по сравнению с тем, когда клапан синхронизации не открыт) приводит к достижению давления внутри камеры 110, равному давлению Р всасывания. Кроме того, объем  в конце расширения при использовании клапана синхронизации меньше, чем объем V в конце фазы расширения без использования клапана синхронизации. Поскольку , объемный коэффициент полезного действия (который представляет собой соотношение между объемом камеры, проходимым поршнем поршневого компрессора во время фазы всасывания, и общим объемом, проходимым поршнем во время цикла сжатия) возрастает.
В некоторых вариантах выполнения в поршневом компрессоре используется несколько клапанов синхронизации. Например, на Фиг. 5 показано расположение клапанов синхронизации на головном конце 215 однокамерного или двухкамерного поршневого компрессора. В этом устройстве два клапана 250 и 255 синхронизации расположены по существу симметрично относительно средней линии «О» головного конца 215. Всасывающий клапан 230 и нагнетательный клапан 240 также расположены по существу симметрично относительно средней линии «О» головного конца 215.
Поршневой компрессор 100, показанный на Фиг. 3, представляет собой поршневой компрессор, имеющий одну камеру. Тем не менее, та же изобретательская идея может быть применена к двухкамерному поршневому компрессору, имеющему цилиндр, разделенный поршнем на две камеры. Клапан синхронизации может быть предусмотрен для одной или обеих камер двухкамерного поршневого компрессора. Два всасывающих клапана 330 и 332, два нагнетательных клапана 340 и 342 и клапан 350 синхронизации могут быть расположены на головном конце 315 двухкамерного поршневого компрессора, как показано на Фиг. 6.
Клапаны могут быть расположены на головном конце и/или на конце со стороны кривошипно-шатунного механизма двухкамерного поршневого компрессора. Два всасывающих клапана 430 и 432, два нагнетательных клапана 440 и 442 и два клапана 450 и 452 синхронизации могут быть расположены на конце 416 со стороны кривошипно-шатунного механизма двухкамерного поршневого компрессора, как показано на Фиг. 7. Головной конец и конец со стороны кривошипно-шатунного механизма двухкамерного поршневого компрессора по существу перпендикулярны направлению, вдоль которого перемещается поршень. Конец 416 имеет дополнительное отверстие 418, через которое поршню передается возвратно-поступательное перемещение (например, от коленчатого вала через штанги и траверсы).
Тем не менее, в еще одном варианте выполнения (1) всасывающий клапан, нагнетательный клапан и клапан синхронизации одной камеры могут быть расположены на головном конце цилиндра двухкамерного поршневого компрессора, а (2) всасывающий клапан, нагнетательный клапан и клапан синхронизации другой камеры могут быть расположены на конце со стороны кривошипно-шатунного механизма цилиндра.
Блок-схема последовательности операций способа 500 повышения объемного коэффициента полезного действия поршневого компрессора показана на Фиг. 8. Способ 500 включает, на этапе S510, установку клапана синхронизации, расположенного между камерой поршневого компрессора и объемом текучей среды при давлении разгрузки. Кроме того, способ 500 включает, на этапе S520, управление открытием клапана синхронизации во время фазы расширения цикла сжатия, выполняемого внутри камеры, когда давление разгрузки меньше, чем давление внутри камеры. Клапан синхронизации имеет площадь проходного сечения потока, которая меньше, чем площадь проходного сечения потока всасывающего клапана поршневого компрессора.
Существующие поршневые компрессоры могут быть модернизированы для увеличения их объемного коэффициента полезного действия. Блок-схема последовательности операций способа 600 модернизации поршневого компрессора для удаления текучей среды из камеры во время фазы расширения цикла сжатия проиллюстрирована на Фиг. 9. Способ 600 включает, на этапе S610, установку клапана синхронизации в камеру, причем клапан синхронизации размещают между камерой и объемом текучей среды при давлении разгрузки. Способ 600 дополнительно включает, на этапе S620, установку исполнительного механизма, выполненного с возможностью приведения в действие клапана синхронизации, и, на этапе S630, соединение контроллера с исполнительным механизмом. Контроллер выполнен с возможностью управления исполнительным механизмом таким образом, что клапан синхронизации должен открываться во время фазы расширения цикла сжатия, когда давление в камере больше, чем давление разгрузки. Клапан синхронизации может быть соединен с всасывающим каналом, к которому также подсоединен всасывающий клапан поршневого компрессора. Площадь проходного сечения потока клапана синхронизации может быть значительно меньше, чем площадь проходного сечения потока всасывающего клапана камеры.
Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают способы и устройства, используемые в поршневых компрессорах, чтобы увеличить объем всасывания (и, таким образом, объемный коэффициент полезного действия), и для снижения эффекта, связанного с объемом мертвого пространства, путем использования клапана синхронизации, который приводится в действие, чтобы открываться во время фазы расширения цикла сжатия. Следует иметь в виду, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые включены в рамки сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения изложены многочисленные конкретные детали, для того чтобы обеспечить полное понимание заявленного изобретения. Тем не менее, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут применяться на практике и без этих конкретных деталей.
Хотя признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может быть использован отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими раскрытыми здесь признаками и элементами, или без них.
Это описание использует примеры предмета изобретения, раскрытого здесь, чтобы обеспечить любому специалисту в данной области техники возможность использовать изобретение на практике, в том числе изготавливать и использовать любые устройства или системы, и осуществлять любые включенные способы. Патентоспособный объем предмета изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам в данной области техники. Такие другие примеры предназначены находиться в пределах объема формулы изобретения.