Клапанный узел, использующийся в поршневых компрессорах, поршневой компрессор и способ модификации компрессора
VALVE ASSEMBLY USED IN PISTON COMPRESSORS, PISTON COMPRESSOR AND METHOD OF MODIFYING COMPRESSOR

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Описанные в настоящем документе варианты выполнения изобретения в целом относятся к приводным клапанам, применяющимся в поршневых компрессорах для нефтегазовой промышленности, и, в частности, к устройствам и способам, относящимся к клапанам, в которых закрывающие клапанные элементы соединены с приводимыми в действие контрседлами.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Компрессоры представляют собой механические устройства, применяющиеся для увеличения давления газа, и могут быть использованы в двигателях, турбинах, электростанциях, криогенных устройствах, при переработке нефти и газа и т.д. В связи с их широким использованием, в целях повышения коэффициента полезного действия компрессора и устранения проблем, связанных с конкретными ситуациями, объектом исследования становятся различные устройства и способы, относящиеся к компрессорам. Одной особенностью, которую следует учитывать при использовании компрессоров в нефтегазовой промышленности, является то, что сжатая текучая среда зачастую представляет собой коррозионную и легковоспламеняющуюся среду. Американский институт нефти (АИН), организация, устанавливающая соответствующие промышленные стандарты для оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности, издал 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 передачи кинетической энергии, обычно вращающегося элемента, такого как рабочее колесо, к сжимаемому компрессором газу.
Фиг.1 представляет собой иллюстрацию традиционного двухкамерного поршневого компрессора 10, использующегося в нефтегазовой промышленности. Сжатие осуществляется в цилиндре 20. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) подается в цилиндр 20 через впускное отверстие 30 и после сжатия выводится через выпускное отверстие 40. Сжатие представляет собой циклический процесс, в котором газ сжимается при перемещении поршня 50 вдоль цилиндра 20, между поршневой полостью 26 и головкой 28 кривошипа цилиндра 20. Поршень 50 по существу делит цилиндр 20 на две камеры 22 и 24 сжатия, которые работают в различных фазах цикла сжатия, при этом когда объем камеры 24 сжатия максимальный, объем камеры 22 сжатия минимальный, и наоборот.
1
2
Всасывающие клапаны 32 и 34 открываются, обеспечивая возможность перемещения предназначенной для сжатия текучей среды (т.е. имеющей первое давление p) из впускного отверстия 30 через всасывающие клапаны 32 и 34 в камеры соответственно 22 и 24 сжатия. Выпускные клапаны 42 и 44 открываются, обеспечивая возможность выхода текучей среды, которая была сжата (т.е. имеет второе давление р), из камер соответственно 22 и 24 сжатия через выпускное отверстие 40. Поршень 50 перемещается за счет энергии, передаваемой от коленчатого вала 60 через крейцкопф 70 и шток 80 поршня.
Традиционно всасывающие клапаны и клапаны сжатия, использующиеся в поршневых компрессорах, представляют собой автоматические клапаны, переключаемые между открытым и закрытым положениями в зависимости от перепада давления на клапане. Фиг.2А и 2В иллюстрируют работу автоматического клапана 100, содержащего седло 110 и контрседло 120. Расстояние d между седлом 110 и контрседлом 120 остается неизменным в течение всего цикла сжатия (например, между ними может находиться прокладка 115). Фиг.2А иллюстрирует клапан 100 в открытом положении, Фиг.2В иллюстрирует клапан 100 в закрытом положении.
В открытом положении, изображенном на Фиг.2А, закрывающий клапанный элемент 130 смещается вниз к контрседлу 120, обеспечивая возможность протекания текучей среды через впускное отверстие 140 и выпускное отверстие 150. Закрывающий клапанный элемент 130 может быть выполнен в форме диска, тарелки, нескольких тарелок или колец, при этом различие в форме определяет название клапана: дисковый клапан, тарельчатый клапан, мультитарельчатый клапан или кольцевой клапан. На Фиг.2А и 2В представлена общая схема расположения, независимо от подробностей, относящихся к конкретной форме закрывающего клапанного элемента 130. Фиг.3 иллюстрирует детали кольцевого клапана, работающего, как показано на Фиг.2А и 2В: седло 110 и контрседло 120, имеющие круглые отверстия 140 и 150 на поверхности, пружины 160, расположенные на контрседле 120, и кольца 131 (которые представляют собой закрывающий клапанный элемент).
1
2
1
2
На Фиг.2А пружина 160 расположена между закрывающим клапанным элементом 130 и контрседлом 120. В зависимости от степени деформации пружина 160 участвует в установке точки открытия клапана, при этом на пути движения потока упругая деформирующая сила оказывает давление, равное силе, поделенной на площадь закрывающего клапанного элемента 130. В открытом положении первое давление p перед впускным отверстием 140 больше, чем давление р в конечном положении текучей среды за выпускным отверстием 150. Если пружина 160 деформируется, когда закрывающий клапанный элемент 130 смещается вниз к контрседлу 120 (как показано на Фиг.2А), разница давлений (р-р) между давлением перед клапаном и за клапаном должна быть больше, чем давление за счет действия пружины 160 (т.е. отношение упругой деформирующей силы и площади закрывающего клапанного элемента).
1
2
1
2
В закрытом положении, проиллюстрированном на Фиг.2В, закрывающий клапанный элемент 130 не допускает движения текучей среды от впускного отверстия 140 к выпускному отверстию 150. Зачастую пружина 160 выполнена с возможностью содействия более быстрого закрытия клапана, поэтому она известна как «возвратная» пружина, закрывающая клапан 100, даже если давление p в исходном положении и давление р в конечном положении одинаковы (p=р).
1
2
1
2
Как описано выше, клапаны в поршневом компрессоре могут переключаться между открытым положением и закрытым положением в зависимости от перепада давления между давлением p в исходном положении текучей среды и давлением р в конечном положении текучей среды. Пружины используются для ускорения переключения между открытым и закрытым положениями, а перепад давления на клапане (р-р) может меняться динамически. Кроме того, закрывающий клапанный элемент может приводиться в действие электромагнитным или гидравлическим приводом, прикладывающим силу для перемещения закрывающего клапанного элемента.
Пружина представляет собой деталь клапана, которая часто выходит из строя, сказываясь на надежности клапана и, тем самым, всего поршневого компрессора. Кроме того, со временем может возникнуть вибрация, то есть асимметрия, вследствие того, что пружины могут нарушить ход закрывающего клапанного элемента, допуская протечку. При использовании приводов в некоторых ситуациях, возникающих при работе клапана, давление пружины понадобится преодолевать с помощью усилия, создаваемого приводом. Кроме того, один недостаток поршневых компрессоров связан с объемом камеры сжатия, то есть со свободным неиспользуемым объемом, из которого сжатая текучая среда не может быть выкачана. Часть свободного неиспользуемого объема камеры сжатия возникает за счет объема, занимаемого клапанами. Цель проектирования заключается в том, чтобы уменьшить указанный объем камеры сжатия.
Таким образом, требуется создать клапаны без пружин, обеспечивая возможность устранения описанных выше проблем и недостатков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты выполнения изобретения, изложенные в данной заявке, имеют одно или несколько из следующих преимуществ: клапаны, использующиеся в нефтегазовой промышленности для компрессоров с возвратно-поступательным движением, не содержащие пружин, которые зачастую выходят из строя, выполнены тонкими и имеют увеличенную площадь потока. В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения клапанный узел в поршневых компрессорах, использующихся в нефтегазовой промышленности, содержит привод, выполненный с возможностью приведения в действие клапана, и клапан. Клапан имеет: (1) седло, выполненное с возможностью пропускания текучей среды через впускное отверстие седла клапана; 2) контрседло, соединенное с приводом и выполненное с возможностью пропускания текучей среды через выпускное отверстие контрседла; и (3) закрывающий клапанный элемент, соединенный с контрседлом, расположенный и выполненный с возможностью перекрывания впускного отверстия, когда контрседло находится в закрытом положении. Контрседло, к которому передается прямолинейное движение от привода, перемещается между закрытым положением и открытым положением, соответствующим открытому впускному отверстию, обеспечивая возможность прохождения текучей среды по проточному каналу, включающему впускное отверстие и выпускное отверстие.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения поршневой компрессор содержит привод, выполненный с возможностью движения, приводящего в действие клапан, и клапан. Клапан имеет: (1) седло, выполненное с возможностью пропускания текучей среды через впускное отверстие седла клапана; 2) контрседло, соединенное с приводом и выполненное с возможностью пропускания текучей среды через выпускное отверстие контрседла; и (3) закрывающий клапанный элемент, соединенный с контрседлом, расположенный и выполненный с возможностью перекрывания впускного отверстия, когда контрседло находится в закрытом положении. Контрседло перемещается ближе к седлу или дальше от седла за счет прямолинейного движения, передаваемого от привода поршневого компрессора за время каждого цикла, между закрытым положением и открытым положением, обеспечивая возможность прохождения текучей среды по проточному каналу, включающему впускное отверстие и выпускное отверстие.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предлагается способ модификации компрессора, изначально имеющего клапан с пружиной, расположенной между закрывающим клапанным элементом и контрседлом клапана, при этом клапан изначально закрыт за счет перепада давления, чтобы привести в действие клапан и прикрепить закрывающий клапанный элемент к контрседлу клапана. Способ включает (1) жесткое прикрепление закрывающего клапанного элемента к контрседлу клапана, на поверхности контрседла относительно седла клапана; и (2) соединение привода с контрседлом для того, чтобы обеспечить возможность передачи к контрседлу приводящего в действие движения для перемещения между закрытым положением, в котором закрывающий клапанный элемент закрывает впускное отверстие с помощью седла клапана, и открытым положением, в котором закрывающий клапанный элемент не закрывает впускное отверстие.
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 схематическое изображение традиционного двухкамерного поршневого компрессора;
Фиг.2А и 2В представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие работу автоматического клапана;
Фиг.3 представляет собой иллюстрацию элементов традиционного кольцевого клапана;
Фиг.4А и 4В представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие работу клапана в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг.5 иллюстрирует поршневой компрессор в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения; и
Фиг.6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ модификации компрессора для создания клапана с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Следующее 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. Следующие варианты выполнения описаны, для ясности, в отношении терминологии и конструкции поршневых компрессоров, используемых в нефтегазовой промышленности. Тем не менее, представленные ниже варианты выполнения не ограничены упомянутыми устройствами, они могут использоваться и в других устройствах.
Ссылка в описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к варианту выполнения, содержатся по меньшей мере в одном варианте 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, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым соответствующим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
С целью устранения указанных проблем, связанных с использованием пружин в клапанах, применяющихся в поршневых компрессорах для нефтегазовой промышленности, в некоторых вариантах выполнения закрывающий клапанный элемент соединен с контрседлом для совместного перемещения при помощи привода, открывая и закрывая, тем самым, клапан. Исключение пружин приводит к уменьшению числа частей клапана и позволяет избавиться от части, которая чаще всего выходит из строя или вызывает отказ других частей (например, вызывает вибрацию кольца в кольцевом клапане).
Фиг.4А и 4В иллюстрируют работу автоматического клапана 200, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Автоматический клапан 200 содержит седло 210 и контрседло 220, перемещающееся вместе со штоком 225. Закрывающий клапанный элемент 230 соединен с контрседлом 220. Фиг.4А иллюстрирует клапан 200 в открытом положении, а Фиг.4В иллюстрирует клапан 200 в закрытом положении.
В открытом положении, изображенном на Фиг.4А, закрывающий клапанный элемент 230, который соединен с контрседлом 220, расположен на некотором расстоянии от седла 210, обеспечивая возможность прохождения текучей среды через (1) впускное отверстие 240 через седло 210, (2) пространство между седлом 210 и контрседлом 220 и (3) через выпускные отверстия 250 через контрседло 220. Закрывающий клапанный элемент 230 может быть выполнен в форме диска, тарелки, нескольких тарелок или кольца, при этом различие в форме определяет название клапана: дисковый клапан, тарельчатый клапан, мультитарельчатый клапан или кольцевой клапан. На Фиг.4А и 4В представлена общая схема расположения, независимо от деталей, относящихся к конкретной форме закрывающего клапанного элемента 230.
Впускное отверстие 240 и выпускное отверстие 250 могут проходить соответственно через седло 210 и контрседло 220, по существу, параллельно друг другу. Однако такое параллельное расположение не является техническим требованием.
Седло клапана и контрседло могут быть выполнены из металла (например, из нержавеющей стали и легированной стали). Кроме того, контрседло может быть выполнено из композитного материала, который легче металла. Закрывающий клапанный элемент может быть выполнен из неметаллического материала, такого как полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), или из нержавеющей стали. В одном варианте выполнения закрывающий клапанный элемент и контрседло могут быть выполнены как единое целое, например выполнены из нержавеющей стали. В другом варианте выполнения закрывающий клапанный элемент может быть выполнен отдельно от контрседла (и из другого материала) и соединен с контрседлом.
В одном варианте выполнения, как показано на Фиг.4А и 4В, контрседло может иметь канавку, внутри которой расположен закрывающий клапанный элемент, при этом высота канавки меньше, чем высота закрывающего клапанного элемента. В другом варианте выполнения закрывающий клапанный элемент может быть приклеен, соединен с помощью болтов или приварен к контрседлу (в зависимости от материала, из которого выполнен закрывающий клапанный элемент).
Одним из преимуществ приводного клапана с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом, является то, что для открытия клапана можно обеспечить большее поперечное сечение потока при меньшем расстоянии между седлом и контрседлом. Таким образом, за счет клапана может быть уменьшен свободный неиспользуемый объем.
В закрытом положении, показанном на Фиг.4В, закрывающий клапанный элемент 230 с контрседлом 220 перемещается в направлении седла 210 на расстояние h’ (отмечено на Фиг.4А), так что закрывающий клапанный элемент закрывает проем впускного отверстия 240, проходящего через седло 210, препятствуя, тем самым, протеканию текучей среды через клапан. Следует отметить, что при открытом клапане расстояние h’ может быть меньше, чем максимальное расстояние h между седлом 210 и контрседлом 220, так как закрывающий клапанный элемент 230 может выступать из поверхности контрседла 220 в направлении седла 210. В одном варианте выполнения закрывающий клапанный элемент 230 и поверхность седла 210 в направлении контрседла 220 могут быть механически обработаны для совмещения друг с другом, с тем, чтобы h’=0.
1
2
Во время цикла сжатия перепад давлений между исходным положением текучей среды (p) и конечным положением текучей среды (р) может меняться. Так как клапан представляет собой приводной клапан, то приводом можно управлять для изменения времени открытия или закрытия клапана (выполняя их раньше или позже, если используются автоматические клапаны) для увеличения коэффициента полезного действия компрессора. Так как закрывающий клапанный элемент 230 соединен с контрседлом 220, то не происходит вибрации кольца (т.е. деформации). Кроме того, такая устойчивость формы дополнительно обеспечивает возможность рассчитывать параметры закрывающего клапанного элемента 230 или седла 220, в частности, вокруг проема впускного отверстия 240 в направлении контрседла 220, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление. Гидравлическое сопротивление по проточному проходу представлено (в первом приближении) произведением вязкости текучей среды и длиной канала. Углы увеличивают длину канала, повышая, таким образом, сопротивление. Более короткий канал можно получить путем расчета конструкции закрывающего клапанного элемента 230 и/или проема впускного отверстия 240 в направлении контрседла 220 для получения ровных обтекаемых форм вместо углов, уменьшая, тем самым, гидравлическое сопротивление.
Фиг.5 иллюстрирует поршневой компрессор 300, имеющий один или несколько клапанов, аналогичных показанным на Фиг.4А и 4В. Компрессор 300 представляет собой двухкамерный поршневой компрессор. Однако клапаны, выполненные в соответствии с вариантами выполнения, могут быть также использованы и в однокамерных поршневых компрессорах. Сжатие осуществляется в цилиндре 320. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) подается в цилиндр 320 через впускное отверстие 330 и, после сжатия, выводится через выпускное отверстие 340. Сжатие осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения поршня 350 внутри цилиндра 320, между поршневой полостью 326 и головкой 328 кривошипа. Поршень 350 делит цилиндр 320 на две камеры сжатия 322 и 324, действующих в различных фазах цикла сжатия, при этом когда объем камеры 324 сжатия максимальный, объем камеры 322 сжатия минимальный, и наоборот.
1
2
Всасывающие клапаны 332 и 334 открываются, обеспечивая возможность прохода предназначенной для сжатия текучей среды (т.е. имеющей первое давление p) из впускного отверстия 330 в камеры сжатия соответственно 322 и 324. Выпускные клапаны 342 и 344 открываются, обеспечивая возможность выхода текучей среды, которая была сжата (т.е. имеет второе давление р), из камер сжатия соответственно 322 и 324 через выпускное отверстие 340. Поршень 350 перемещается за счет энергии, получаемой, например, от коленчатого вала (не показан) через крейцкопф (не показан) и шток 380 поршня.
По меньшей мере один из клапанов 332, 334, 342 и 344 представляет собой клапан с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом, как показано на Фиг.4А и 4В. На Фиг.5 клапан 332, представляющий собой всасывающий клапан, показан в качестве приводного клапана с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом. При этом приводные клапаны с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом, могут быть с таким же успехом использованы в качестве выпускных клапанов (например, 342, 344). По существу, все клапаны 332, 334, 342 и 344 могут представлять собой приводные клапаны с закрывающим клапанным элементом, соединенным с контрседлом.
Контрседло 333 клапана 332 соединено со штоком 335, который перемещается (в вертикальном направлении на Фиг.5) благодаря приводу 337. Предпочтительно привод 337 расположен снаружи проточного канала, во избежание опасности взрыва, который может быть вызван искрой в легковоспламеняющейся текучей среде.
Закрывающий клапанный элемент может содержать одну или несколько дискообразных частей или одну или несколько кольцеобразных частей. Формы отверстий соответствуют типу клапана. Например, в кольцевом клапане впускное отверстие содержит ряд первых концентрических отверстий, имеющих первый набор диаметров, выпускное отверстие содержит ряд концентрических выпускных отверстий, имеющих второй набор диаметров, при этом любой диаметр первого набора отличается от любого диаметра второго набора, а закрывающий клапанный элемент содержит несколько колец, закрывающих, при закрытом клапане, все первые концентрические отверстия.
Клапаны с пружинами, использующиеся в настоящее время в поршневых компрессорах для нефтегазовой промышленности, могут быть модифицированы, чтобы содержать один или несколько приводных клапанов с закрывающим клапанным элементом, соединенным с соответствующим контрседлом. На Фиг.6 показана блок-схема способа 400 модификации поршневого компрессора. Способ 400 включает, на этапе S410, жесткое прикрепление закрывающего клапанного элемента к контрседлу, на поверхность контрседла в направлении седла. Кроме того, способ включает, на этапе S420, соединение привода с контрседлом для обеспечения возможности передачи к контрседлу приводящего в действие движения для перемещения между закрытым положением, в котором закрывающий клапанный элемент закрывает впускное отверстие с помощью седла клапана, и открытым положением, в котором закрывающий клапанный элемент не закрывает впускное отверстие.
Способ 400 может дополнительно включать удаление пружины, расположенной между контрседлом и закрывающим клапанным элементом, перед соединением закрывающего клапанного элемента с контрседлом и/или удаление прокладки (например, прокладки 115, показанной на Фиг.2А и 2В), изначально расположенной между седлом и контрседлом. Кроме того, способ 400 может также включать установку привода на поршневой компрессор, если первичный клапан представлял собой автоматический клапан (т.е. без привода).
В описанных иллюстративных вариантах выполнения предлагаются клапанные узлы без пружин и поршневые компрессоры, в которых используются указанные клапанные узлы. Следует понимать, что это описание не ограничивает изобретение. Напротив, предполагается, что иллюстративные варианты выполнения также включают альтернативы, модификации и эквиваленты, которые подпадают под сущность и объем изобретения, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения многочисленные конкретные детали приведены для исчерпывающего понимания заявленного изобретения. 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 вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может быть использован отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения изобретения, или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, описанными в настоящем документе, или без них.
В описании используются примеры раскрытого объекта изобретения для того, чтобы любой специалист имел возможность применить их на практике, включая сборку и использование любых устройств или систем и осуществление любых представленных способов. Патентоспособный объем объекта изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам данной области техники. Предполагается, что указанные другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения.