УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ СЛОЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА В ЦЕНТРИФУГЕ С ВЫГРУЖАЮЩИМИ СОПЛАМИ
DEVICE AND METHOD FOR MONITORING AND CONTROL OVER LAYER RADIAL POSITION AT INTERFACE IN CENTRIFUGE WITH DISCHARGE NOZZLES

Предпосылки изобретения и известный уровень техники
Настоящее изобретение относится к центрифуге с соплами для отделения легкой фазы, имеющей относительно низкую плотность, тяжелой фазы, имеющей относительно высокую плотность, и твердой фазы из смеси, содержащей эти три фазы. Легкие и тяжелые фазы могут быть составлены, например, нефтью и водой, соответственно, и твердая фаза может быть составлена, например, песком. Для удовлетворительного разделения очень важно, чтобы слой на границе раздела между легкой и тяжелой фазами был размещен правильно. Перемещение этого слоя даже на долю сантиметра в центрифуге будет существенно воздействовать на результаты разделения: перемещение радиально наружу будет производить в основном обезвоженную нефть и воду, содержащую немного нефти; перемещение радиально внутрь будет производить нефть с более высоким влагосодержанием и больше безмасляной воды; и размещение в максимально возможном радиально наружном положении будет вызывать большее количество прорывов или разрушений, но без существенного улучшения разделения.
Обычно центробежный сепаратор может иметь выпуски для отделенных жидкостей, сформированные несколькими разными способами. Например, ротор может быть снабжен так называемыми переливными выпусками для обеих жидкостей или переливным выпуском для одной жидкости и выпуска другого вида для другой жидкости, при этом последнее может быть составлено, например, не вращающимся так называемым отсечным диском или соплами, расположенными в окружающей стенке ротора. Сопла, как правило, используются, когда подаваемая смесь также содержит твердое вещество, которое тяжелее этих двух жидкостей, как в данном случае. Затем отделенное твердое вещество вместе с частью тяжелой жидкости могут быть выпущены через эти сопла, расположенные в периферии ротора, тогда как отделенная легкая жидкость выпускается из центральной части ротора посредством переливного выпуска или отсечного диска. В этих случаях ротор также может формировать пространство, которое сообщается с радиально внешней частью разделительной камеры таким образом, что в ходе операции разделения она будет содержать отделенную тяжелую жидкость, но не отделенную легкую жидкость. Излишняя отделенная тяжелая жидкость, которая не выходит из разделительной камеры через указанные сопла, тогда выпускается из ротора через это пространство.
В центрифуге с соплами описанного выше типа может быть трудно поддерживать на заданном радиальном уровне слой на границе раздела, который сформирован в роторе между жидкостями, отделенными там в ходе операции разделения. Однако поддержание радиального уровня слоя на границе раздела в пределах заданного диапазона важно для получения оптимальных результатов разделения. Одна из причин состоит в том, что неконтролируемое количество отделенной тяжелой жидкости выходит вместе с отделенным твердым веществом через так называемый шламовый выход ротора; другая причина состоит в износе выходных сопел, который приводит к более высоким расходам тяжелой жидкости со временем. Таким образом, если количество тяжелой жидкости, выходящей из ротора, превышает количество тяжелой жидкости, вводимой в ротор вместе со смесью для обработки в нем, то слой на границе раздела в разделительной камере между легкой жидкостью и тяжелой жидкостью будет перемещаться радиально наружу с упомянутым выше результатом, то есть отделенная легкая жидкость теряется вместе с отделенной тяжелой жидкостью, выходящей из ротора.
В частности, это относится к очистке нефти от песка и воды в связи с извлечением нефти из так называемых нефтеносных песков. В этой связи центрифуги с соплами используются с несколькими этапами разделения. На первом этапе разделения смесь нефти, воды и остатков песка подают в центрифугу с соплами. Песок и большая часть подаваемой воды выходят из ротора центрифуги через его сопла, тогда как определенное количество воды выходит из ротора через центральный переливной выпуск. Отделенная нефть выводится из ротора из его центральной части, например, через отсечной диск и накачивается далее к другой центрифуге с соплами для прохождения второго этапа разделения. Воду добавляют отдельно с избытком или сбалансированным образом с использованием VCD ("виртуальной емкости") таким образом, что слой на границе раздела, сформированный в разделительной камере ротора между нефтью и водой, не должен вытесняться радиально наружу, даже после многочасовой работы центробежного сепаратора, когда его сопла становятся изношенными выходящим песком и, таким образом, выпускают больше воды, чем в начале операции разделения, как уже описано выше.
Однако после первого этапа разделения нефть все еще содержит остатки песка и воды. Для улучшения результата разделения было разработано оборудование регулирования, содержащее сосуд высокого давления, для управления операцией разделения на втором этапе разделения. Благодаря этому оборудованию регулирования можно исключать непрерывное добавление избыточного количества воды в смесь, подаваемую в центробежный ротор. Вместо этого вода подается в разделительную камеру ротора через пространство в роторе описанного ранее вида (то есть пространство, сообщающееся только с радиально наружной частью разделительной камеры) только при необходимости. Через это же пространство вода также удаляется из ротора, когда избыточная вода поступает вместе с очищаемой нефтью, при этом избыточная вода не может выходить из ротора через выходные шламовые сопла. Следует отметить, что также можно подавать дополнительную воду уже на первом этапе, и в этом случае разность между первым и вторым этапами состоит в том, что в ходе первого этапа добавляют компенсирующую воду при некоторых аномальных условиях, тогда как на втором этапе подача воды непрерывно регулируется. В любом случае, разработанное оборудование регулирования является дорогим и сложным. Каждая из большого количества центрифуг с соплами содержит сосуд высокого давления для воды, нижняя часть которого сообщается с отсечным диском для жидкости (который расположен в указанном пространстве в роторе центробежного сепаратора) через трубку для введения воды в ротор или выпуска воды из ротора. В верхней части сосуда высокого давления поддерживается газовое давление (обычно посредством азота), величина которого непрерывно регулируется в зависимости от количества воды, которая присутствует в сосуде высокого давления, так чтобы давление жидкости у основания сосуда высокого давления (и, таким образом, в пределах трубки, через которую сосуд высокого давления сообщается с указанным пространством в центробежном роторе) всегда поддерживалось постоянным с заданной величиной. Постоянная величина давления жидкости в указанной трубке соответствует желательному радиальному уровню слоя на границе раздела, сформированного в разделительной камере ротора между отделенной нефтью и отделенной водой. Если слой на границе раздела перемещается радиально наружу от желательного уровня, давление в указанном пространстве в роторе снижается, в результате чего вода подвергается воздействию давления из сосуда высокого давления через указанную трубку в ротор, пока слой на границе раздела не будет возвращен к желательному радиальному уровню. Датчик уровня в сосуде высокого давления приспособлен для инициирования подачи новой воды в сосуд высокого давления при необходимости, таким образом, что он никогда не остается без воды. Если слой на границе раздела в разделительной камере ротора начинает двигаться радиально внутрь от желательного уровня, давление в указанном пространстве в роторе увеличивается, в результате чего избыточная вода вытесняется из этого пространства через указанную трубку в сосуд высокого давления. Когда уровень жидкости в сосуде высокого давления повышается до уровня верхнего предела, нижний выпуск сосуда высокого давления открывается для выпуска воды.
Документ WO 00/37177 описывает оборудование регулирования этого вида, которое изменено в том отношении, что источник давления для регулирующей жидкости, который является частью подающего устройства, не интегрирован в выпускающее устройство. Накопление отделенной тяжелой жидкости и/или регулирующей жидкости под высоким давлением, выходящих из ротора, не требуется и, следовательно, нет необходимости в сосуде высокого давления. Кроме того, нет потребности в системе для сжатия газа и для регулирования давления такого газа. Вместо этого источник давления может быть составлен простым гидравлическим насосом, и все управление подачей регулирующей жидкости и выпуском отделенной тяжелой жидкости и/или регулирующей жидкости может осуществляться одним или более так называемых клапанов постоянного давления. Если контейнер необходим для буферного количества регулирующей жидкости, такой контейнер может не содержать давления и быть общим для нескольких центробежных сепараторов.
Другой подход для регулирования местоположения слоя на границе раздела, то есть для компенсирования возможной потери или излишка тяжелой жидкости, состоит в отказе от использования сосудов высокого давления или клапанов для активного перемещения слоя на границе раздела. Вместо этого радиальное положение слоя на границе раздела поддерживается посредством применения выпуска для более легкой жидкой фазы с переливным выпуском в форме так называемого уровневого кольца, имеющего отверстие, окружающее ось вращения, и выпуск для более тяжелой жидкой фазы с переливным выпуском также в форме уровневого кольца, имеющего отверстие, окружающее ось вращения, при этом дополнительная вспомогательная более тяжелая жидкость подается, например, через выпуск для более тяжелой жидкой фазы. Так как радиальное положение слоя на границе раздела регулируется относительными радиальными положениями внутренних кромок уровневых колец относительно друг друга, то есть отношением их отверстий, регулирование слоя на границе раздела может достигаться посредством остановки центробежного сепаратора и замены одного или обоих уровневых колец уровневым кольцом или кольцами, имеющими другой радиус для соответствующего переливного выпуска. Это должно было быть сделано несколько раз, пока не будет подобрано правильное кольцо или уровневого кольца, то есть кольцо или уровневые кольца, имеющие радиус для соответствующего переливного выпуска, приводящего к правильному расположению слоя на границе раздела и, таким образом, к удовлетворительному результату разделения. Очевидно, что это составило бы трудную и длительную операцию.
Для преодоления этой проблемы патент США №304 7214 предлагает вначале выбирать надлежащие уровневые кольца для центрифуги ввиду конкретного процесса разделения и затем регулировать радиальное положение слоя на границе раздела посредством добавления вспомогательной более тяжелой жидкости с переменной плотностью. Поверхность раздела перемещается радиально внутрь посредством увеличения плотности вспомогательной более тяжелой жидкости, например, посредством растворения в ней соли более высокой плотности или посредством уменьшения радиально наружу плотности вспомогательной более тяжелой жидкости, например, посредством растворения в ней жидкости с меньшей плотностью, такой как спирт.
Другой подход для преодоления проблемы правильного расположения слоя на границе раздела описан в документе W0 00/74858. Здесь центробежный сепаратор снабжен отсечным устройством, которое подвижно между разными радиусами в выходной камере. Это отсечное устройство первоначально (то есть, когда сепаратор пуст) перемещается в радиально внутреннее положение в выходной камере и затем (после того, как смесь вошла в сепаратор) оно перемещается к свободной поверхности жидкости в выходной камере, пока отсечная камера не достигнет поверхности жидкости, где ее дальнейшее радиальное движение наружу предотвращается, при этом это по существу соответствует требуемому положению слоя на границе раздела.
Однако все эти подходы все еще имеют недостатки. Например, активный подход с сосудами высокого давления или клапанами приводит к значительному получению эрозии и тепла на выходе, поскольку неподвижное выпускающее устройство частично погружено во вращающееся жидкое тело в выходной камере. Подходы с уровневыми кольцами или подвижными отсечными устройствами не предлагают приемлемого регулирования радиального уровня слоя на границе раздела, поскольку подача дополнительной тяжелой фазы (то есть воды) точно не контролируется. Кроме того, подход с уровневым кольцом приводит к очень высокому потреблению вспомогательной жидкости и мощности, поскольку избыточная вспомогательная более тяжелая жидкость, которая не допускается в сепаратор, выпускается и, таким образом, уходит в отходы. Наконец, тип рассматриваемого сепаратора также играет важную роль при выборе детальных проектных решений. Проблема и тип регулирования уровня раздела двух несмешивающихся жидкостей для периодически выпускающей центрифуги очень отличаются от проблемы и типа регулирования уровня раздела двух несмешивающихся жидкостей для центрифуг с соплами, которые спроектированы для непрерывного выпуска твердого вещества, а также части тяжелой фазы.
WO 8601436 раскрывает как управлять границей раздела воды и масла в камере разделения нефтяной центрифуги таким способом, что непрерывное центрифугирование сохраняется во время выброса отстоя. В выпускной трубе для воды центрифуги, расходомер установлен, непрерывно измеряя количество переливающейся воды и, посредством конвертера сигнала, определяя моменты для закрытия и повторного открытия клапана в выпускной трубе для воды и для открытия и повторного закрытия клапана в трубе для промывочной воды центрифуги прежде и после каждого сигнала для открытия отверстий для отстоя центрифуги.
Сущность изобретения
Соответственно, задачей настоящего изобретения является получение центрифуги с соплами с уровневым кольцом, обеспечивающей лучшее регулирование слоя на границе раздела с меньшим потреблением производственной воды и, таким образом, меньшим потреблением энергии и меньшей эрозией.
Эта задача достигнута центрифугой с соплами по п. 1 с устройством для мониторинга и регулирования, в частности, для фиксации и сохранения радиального положения слоя на границе раздела в центрифуге с соплами для отделения легкой фазы, имеющей относительно низкую плотность, и тяжелой фазы, имеющей относительно высокую плотность, из смеси, содержащей эти две жидкости и твердое вещество, причем центрифуга с соплами включает ротор, который вращается вокруг оси вращения и формирует впуск для указанной смеси, разделительную камеру, сообщающуюся с указанным впуском и имеющую радиально внутреннюю часть и радиально внешнюю часть, сопла у разделительной камеры, распределенные вокруг оси вращения для выброса тяжелой фазы и твердого вещества, выпуск для выпуска легкой фазы, переливной выпуск, радиально ограниченный крышкой или уровневым кольцом для выпуска тяжелой фазы, и впуск для подачи дополнительной тяжелой фазы в центрифугу, отличающимся тем, что в пути потока тяжелой фазы выходящего из центрифуги расположен датчик для мониторинга величины потока и передачи соответствующего сигнала таким образом, что упомянутая подача дополнительной тяжелой фазы через впуск регулируется в ответ на сигнал для поддержания радиального уровня слоя на границе раздела в пределах заданного диапазона.
Другие преимущества достигнуты посредством признаков, определенных в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно формуле предлагается центрифуга с соплами и с устройством для мониторинга и регулирования, в частности, для фиксации и сохранения радиального положения слоя на границе раздела в центрифуге с соплами для отделения легкой фазы, имеющей относительно низкую плотность, и тяжелой фазы, имеющей относительно высокую плотность, из смеси, содержащей эти две жидкости и твердое вещество, причем центрифуга с соплами включает в себя ротор, который вращается вокруг оси (R) вращения и формирует впуск для указанной смеси, разделительную камеру, сообщающуюся с указанным впуском и имеющую радиально внутреннюю часть и радиально внешнюю часть, сопла у разделительной камеры, распределенные вокруг оси (R) вращения, для выброса тяжелой фазы и твердого вещества, выпуск для выпуска легкой фазы, переливной выпуск, радиально ограниченный крышкой или уровневым кольцом для выпуска тяжелой фазы, и впуск для подачи дополнительной тяжелой фазы в центрифугу, в пути потока тяжелой фазы, выходящей из центрифуги, расположен датчик для мониторинга величины потока и передачи соответствующего сигнала таким образом, что упомянутая подача дополнительной тяжелой фазы регулируется в ответ на сигнал, причем датчик передает сигнал так, что упомянутая подача дополнительной тяжелой фазы через впуск регулируется в ответ на сигнал для поддержания слоя на границе раздела при заданном радиальном уровне.
Предпочтительно датчик является микрофоном.
Предпочтительно датчик является лопаткой.
Предпочтительно датчик является натянутой проволокой.
Предпочтительно упомянутым впуском для подачи дополнительной тяжелой фазы в центрифугу является соединительный патрубок для впуска воды с впуском для воды у нижней части основания центрифуги.
Предпочтительно дополнительная тяжелая фаза подается в центрифугу через впускную трубу.
Краткое описание чертежа
Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно посредством предпочтительных вариантов его осуществления, которые описаны как примеры, и со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором:
Фиг. 1 - вид центрифуги с соплами, уровневыми кольцами у выпусков для легкой и тяжелой фаз и датчиком согласно изобретению.
Краткое описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Центробежный ротор, показанный на фиг.1, включает корпус ротора, имеющий нижнюю часть 1 и верхнюю часть 2, причем эти части соединены друг с другом при помощи замкового кольца 3. Ротор удерживается на верхней части вертикального приводного вала 4, соединенного с нижней частью 1 корпуса ротора и вращающегося вокруг оси R вращения.
Внутри ротора находится так называемый распределитель 5, который разделяет внутреннее пространство ротора на центральную приемную камеру 6 и кольцевую разделительную камеру 7, проходящую вокруг распределителя и имеющую радиально внутреннюю часть 7а и радиально внешнюю часть 7b. Распределитель 5 опирается на центральный участок нижней части 1 корпуса ротора посредством проходящих радиально и вдоль оси лопастей (не показаны), которые распределены вокруг оси R вращения ротора. Через каналы 8, ограниченные между указанными лопастями, приемная камера 6 сообщается с разделительной камерой 7. Неподвижная впускная труба 9 проходит сверху вдоль оси в ротор и открыта в приемной камере 6.
В пределах разделительной камеры 7 расположен обычный набор конических разделительных дисков 10, которые удерживаются в их осевом положении между верхней частью 2 корпуса ротора и нижней частью распределителя 5. Каждый разделительный диск 10, как нижняя часть распределителя 5, имеет на его внешней периферии ряд углублений, распределенных вокруг оси R вращения. Выровненные вдоль оси углубления этого вида обозначены ссылочной позицией 11.
В радиально наиболее удаленной части разделительной камеры 7 нижняя часть 1 корпуса ротора несет несколько сопел 12, распределенных вокруг оси R вращения ротора. Каждое сопло 12 имеет сквозной канал, через который жидкость и тонко измельченное твердое вещество могут выбрасываться из разделительной камеры 7.
Верхняя часть 2 ротора несет центральную кольцевую крышку 13а, которая ее внутренней стороной ограничивает кольцевую выходную камеру 14, открытую радиально внутрь к оси вращения ротора. Неподвижная впускная труба 9 удерживает на ее внешней стороне выходной элемент 13b в форме так называемого отсечного диска, который проходит радиально наружу в выходную камеру 14.
В нижней части 1 корпуса ротора ограничено кольцевое пространство 15, которое открыто радиально внутри к оси R вращения ротора. Пространство 15 сообщается с радиально наружной частью 7b разделительной камеры 7 посредством каналов 16 и 17 и нескольких трубок 18, распределенных вокруг оси R вращения. Основание пространства 15 формирует переливной выпуск 19, который радиально ограничен вторым уровневым кольцом 20.
Вертикальный пунктир 21 в разделительной камере 7 указывает некоторый радиальный уровень в ней.
Центробежный ротор на фиг. 1 пригоден для обработки смеси нефти и воды и взвешенного в ней твердого вещества. Смесь должна подаваться в ротор через впускную трубу 9 и направляться из приемной камеры 6 посредством каналов 8 в разделительную камеру 7. Через распределительные каналы, сформированные углублениями 11 в разделительных дисках, смесь распределяется между различными промежуточными пространствами между разделительными дисками 10, где разные компоненты смеси отделяются друг от друга. Таким образом, отделенная нефть проходит радиально внутрь и далее из ротора через выходную камеру 14 и выходной элемент 13b, тогда как отделенное твердое вещество и вода выходят из ротора через сопла 12.
Если количества воды и нефти, которые выходят из ротора через сопла 12 и переливной выпуск 19 для тяжелой фазы (которое ограничено вторым уровневым кольцом 20), соответственно, равны количествам воды и нефти, формирующим часть смеси, подаваемой в ротор, будет повышаться равновесие, при котором слой на границе раздела между отделенной нефтью и отделенной водой формируется и поддерживается на радиальном уровне 21 в разделительной камере 7. В этом случае жидкость не проходит из ротора или в ротор. В ситуации равновесия описанного вида предполагается, что свободные поверхности жидкости сформированы в различных камерах и пространствах ротора на определенных радиальных уровнях. Также предполагается, что отделенное твердое вещество выходит из ротора через сопла 12 без их блокирования для вытекающей отделенной воды.
Однако из-за износа сопел 12 и/или изменений количества воды и нефти в смеси, подаваемой в ротор, на практике невозможно поддерживать указанный слой на границе раздела между нефтью и водой в разделительной камере 7 на указанном радиальном уровне 21 или даже в пределах заданного радиального диапазона вокруг этого уровня без использования специального оборудования регулирования. Как уже указано, один известный способ поддержания радиального положения слоя на границе раздела в пределах заданного диапазона состоит в подаче дополнительной воды.
На фиг. 1 также показан выпуск 19 для тяжелой фазы (то есть воды), который ограничен вторым уровневым кольцом 20. Свободная поверхность тяжелой фазы создается на уровне 22, при этом вода, фактически выходящая из выпуска 19 для тяжелой фазы, обозначена ссылочной позицией 23. В соответствии с настоящим изобретением, в выпуске для тяжелой фазы расположен датчик 24, при этом датчик расположен таким образом, что он сталкивается с водой 23, выходящей из выпуска для тяжелой фазы. Таким образом, величину потока воды 23, выходящей из выпуска для тяжелой фазы, можно контролировать и может быть выдан соответствующий сигнал. Этот сигнал принимает средство (не показано), которое регулирует подачу дополнительной воды, например, через впуск 26 для воды, который снабжен соединительным патрубком 25 для впуска воды, в ответ на этот сигнал. Если расход потока воды 23, выходящей из выпуска 19 для тяжелой фазы, падает ниже заданной величины, соответствующий сигнал передается средству регулирования, и вода будет добавляться через впуск 26 для воды с соответствующим расходом потока для исключения прорыва гидравлического затвора. Предпочтительно располагать датчик как можно ближе к выпуску для тяжелой фазы для получения самых точных результатов контроля.
Расположение датчика в водном потоке 23, выходящем из выпуска для тяжелой фазы в соответствии с настоящим изобретением, имеет несколько преимуществ. Во-первых, подача дополнительной воды становится намного более точной, чем на известном уровне техники, поскольку она осуществляется непосредственно в ответ на сигнал датчика 24 контроля воды 23, которая фактически выходит из выпуска для тяжелой фазы, и это приводит к лучшим результатам разделения. Во-вторых, вода не уходит в отходы. На известном уровне техники дополнительную воду подавали без информации обратной связи о воде 23, фактически выходящей из выпуска для тяжелой фазы, и, следовательно, вода, которая не требовалась (и, таким образом, не допускалась в центрифугу), сбрасывалась. В соответствии с настоящим изобретением, эти отходы воды не возникают, и расход воды уменьшается. Последствиями такого минимизированного дополнительного притока воды являются уменьшение потребления энергии и также уменьшение эрозии.
Пригодные датчики уже известны в данной области техники и могут представлять собой микрофон, лопатку, натянутую проволоку и т.п., с которыми сталкивается жидкость, выходящая из ротора.
В другом варианте осуществления изобретения дополнительная вода подается не через впуск 26 для воды из соединительного патрубка 25 для впуска воды у нижней части центрифуги, а через впускную трубу 9, например, через отдельный водяной канал, который соединен с питающей впускной трубой 9. Соответственно, соединительный патрубок 25 для впуска воды с впуском 26 для воды не требуется, однако нижняя камера для сбора выпущенной тяжелой фазы может быть сохранена.
Могут быть сделаны различные другие модификации без отхода от замысла изобретения. Например, устройство выпуска для легкой фазы, описанное выше как кольцевая крышка 13, выходной элемент 13b и выходная камера 14, не является существенным для функционирования изобретения и может быть замещено другим устройством.