УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МУЛЬТИФАЗНОГО НАСОСА
MULTIPHASE PUMP PROTECTOR

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и может быть использовано в нефтегазовой промышленности для защиты винтовых поверхностей рабочих органов и уплотнений вала шпинделя мультифазных насосных установок от негативного воздействия высокой доли газовой фазы в перекачиваемой рабочей среде и/или «сухого хода».
Мультифазные насосы предназначены для перекачивания рабочей среды, содержащей разные агрегатные состояния вещества в различных пропорциях, но имеют ограничения по предельному состоянию газовой фазы в рабочей среде. Длительное воздействие среды с низкой долей жидкой фазы или при полном отсутствии жидкой фазы («сухой ход») является недопустимым, поскольку ведет к разрушению насоса. При режиме с низкой долей жидкой фазы или «сухом ходе» смазка, образованная жидкой фазой перекачиваемой рабочей среды, испаряясь, коксуется в зазорах, либо выносится из зоны трения полностью, что ведет к разогреву рабочих органов и уплотнений насоса выше допустимых значений, падению давления и производительности насоса.
Известен способ эксплуатации многофазного винтового насоса и насос (Патент RU №2101571, МПК F04C 2/16, опубл. 10.01.1998), в котором защита насоса от «сухого хода» обеспечивается за счет того, что с напорной стороны из перекачиваемой газосодержащей рабочей среды отделяют жидкую фазу и дозировано возвращают часть отделенной жидкой фазы в зону всасывания, поддерживая таким образом в состоянии циркуляции. Для осуществления известного изобретения в нагнетательной полости, расположенной внутри корпуса винтового мультифазного насоса, выполнено устройство для отделения жидкой фазы из потока газосодержащей рабочей среды, содержащее нижний участок для приема отделенной жидкой фазы, соединенный перепускной линией с всасывающей полостью мультифазного насоса, образуя замкнутый контур для циркуляции количества жидкой фазы, обеспечивающей замыкание зазоров в рабочих органах и уплотнениях валов. В качестве дозатора перепускаемой жидкой фазы используется дозировочный насос или диафрагма, обеспечивающая постоянную циркуляцию жидкой фазы в количестве 3% от номинальной производительности мультифазного насоса.
Недостатком известного многофазного винтового насоса является то, что постоянная рециркуляция части рабочей жидкости (3% от номинальной производительности) неизбежно приводит к снижению кпд насоса, поскольку эта часть жидкости постоянно перекачивается вхолостую. Другим недостатком является то, что ограниченный объем резервной жидкости не позволяет продолжительное время эксплуатировать мультифазный насос в режиме «сухого хода», поскольку часть резервной жидкости будет неизбежно уноситься вместе с потоком газа в напорную магистраль. Кроме того, техническое решение применимо только для двухвинтовых мультифазных насосов и неприменимо для одновинтовых мультифазных насосов.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным авторами за прототип являются способ и устройство защиты мультифазного насоса (Патент RU №2403448, МПК F04C 2/16, опубл. 10.11.2010 г.).
Устройство защиты мультифазного насоса содержит коллектор с полостью увеличенного сечения и резервуар для отделения жидкой фазы из потока газосодержащей рабочей среды. Нижний участок резервуара соединен с нагнетательной полостью мультифазного насоса, а также соединен посредством перепускной линии с всасывающей полостью мультифазного насоса, образуя замкнутый контур для циркуляции жидкой фазы. Кроме того, резервуар снабжен выходной линией, в которую встроен датчик жидкой фазы. Устройство защиты мультифазного насоса содержит запорный механизм, встроенный в перепускную линию, и связанный с датчиком жидкой фазы блок управления запорным механизмом, обеспечивающий во время продолжения сигнала датчика жидкой фазы периодическое срабатывание запорного механизма и подачу порций жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса для смазки, отвода избыточного тепла и замыкания зазоров в рабочих органах и уплотнениях валов.
Наличие в устройстве защиты мультифазного насоса резервуара для жидкой фазы рабочей среды, датчика жидкой фазы, запорного механизма, а также блока управления запорным механизмом обеспечивает разделение рабочей среды на жидкую и газовую фазы, накопление определенного резервного объема жидкой фазы и позволяет осуществлять дополнительную подачу жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса для смазки и отвода избыточного тепла только в периоды с низкой долей жидкой фазы или при «сухом ходе» в виде порций, равных по меньшей мере одному рабочему объему мультифазного насоса, через интервалы времени, не превышающие гарантированное время действия смазки.
Недостатком технического решения по патенту №2403448 является недостаточная долговечность устройства защиты мультифазного насоса. Это объясняется тем, что дополнительную подачу жидкой фазы осуществляют порциями, при срабатывании запорного механизма. Интервалы времени между порциями дополнительной подачи жидкой фазы небольшие. Это приводит к частому срабатыванию запорного устройства и снижению его долговечности. Кроме того, каждое срабатывание запорного устройства сопровождается гидроударом, что также снижает его долговечность и приводит к снижению ресурса мультифазного насоса.
Недостаточная долговечность устройства защиты приводит к простоям мультифазного насоса, связанным с необходимостью ремонта или замены устройства защиты.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение долговечности устройства защиты мультифазного насоса и улучшение его эксплуатации, исключение гидравлических ударов, непрерывная смазка винтовых поверхностных рабочих органов и уплотнений вала шпинделя, отвод избыточного тепла, возникающего в процессе работы мультифазного насоса и повышение долговечности последнего.
Техническая задача решается также тем, что в устройстве защиты мультифазного насоса, содержащем резервуар для отделения жидкой фазы из потока газосодержащей рабочей среды, соединенный с нагнетательной полостью мультифазного насоса, включающий нижний участок для приема жидкой фазы, при этом нижний участок соединен посредством перепускной линии с всасывающей полостью мультифазного насоса, образующей замкнутый контур для циркуляции жидкой фазы, резервуар снабжен выходной линией, при этом устройство содержит датчик жидкой фазы, встроенный в выходную линию, клапан, встроенный в перепускную линию, блок управления, связанный с датчиком жидкой фазы, согласно изобретению в перепускную линию встроен механизм для непрерывной подачи жидкости, связанный с датчиком жидкой фазы и блоком управления и клапаном, обеспечивающий непрерывную подачу жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса.
Кроме того, согласно изобретению механизм для непрерывной подачи жидкости выполнен в виде винтового героторного насоса.
Кроме того, согласно изобретению механизм для непрерывной подачи жидкости выполнен в виде дросселя.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, при дополнительной непрерывной подаче жидкой фазы во всасывающую полость мультифазного насоса в периоды «сухого хода» или снижения доли жидкой фазы в перекачиваемой газосодержащей рабочей среде ниже допустимого значения обеспечивается непрерывное смазывание трущихся поверхностей рабочих органов и уплотнений, а также отвод избыточного тепла, возникающего в процессе работы насоса, что обеспечивает высокую долговечность мультифазного насоса.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, необходимый поток дополнительной непрерывной жидкой фазы обеспечивается за счет выполнения механизма для непрерывной подачи жидкой фазы. Это обеспечивает работу устройства защиты мультифазного насоса без гидравлических ударов, отвод избыточного тепла, возникающего в процессе работы мультифазного насоса, что повышает его долговечность.
Выполнение механизма для непрерывной подачи жидкости может быть в виде героторного насоса или дросселя, это обеспечивает необходимый поток дополнительной непрерывной жидкой фазы, при этом клапан только открывает и закрывает перепускную линию для непрерывной подачи жидкой фазы.
На чертеже представлена схема устройства защиты мультифазного насоса, подключенного к мультифазному насосу.
Устройство защиты 1 мультифазного насоса содержит резервуар 2 с резервным объемом жидкой фазы рабочей среды 3 и контуром терморегуляции 4. Резервуар 2 содержит входную линию 5 и выходную линию 6 для подвода и отвода рабочей среды. Выходная линия 6 со встроенным в нее датчиком жидкости 7 располагается на таком расстоянии от нижнего участка резервуара, чтобы объем резервной жидкости составлял не менее 2/3 всего объема резервуара.
Резервный объем жидкости должен быть таким, чтобы обеспечивалась непрерывная циркуляция дополнительно подаваемого потока жидкости, составляющего не менее 3% от нормального потока газосодержащей рабочей среды, перекачиваемой мультифазпым насосом 13.
От нижнего участка резервуара 2 отходит перепускная линия 8, в которую встроены клапан 9 и механизм для непрерывной подачи жидкости 10. Устройство защиты также включает коллектор 11 и блок управления 12, связанный с датчиком жидкости 7.
Мультифазный насос 13 содержит полость всасывания 14 и полость нагнетания 15, рабочие органы 16 и уплотнения валов 17.
Устройство защиты 1 соединяется с мультифазным насосом 13 следующим образом: полость всасывания 14 сообщается с резервуаром 2 перепускной линии 8 через клапан 9, механизм для непрерывной подачи жидкости 10 и коллектор 11, а полость нагнетания 15 сообщается с резервуаром 2 входной линией 5.
Работа устройства защиты мультифазного насоса осуществляется следующим образом.
Рабочая среда, подводимая к мультифазному насосу 13, через коллектор 11 поступает в его всасывающую полость 14, где рабочие органы 16 перемещают рабочую среду в нагнетательную полость 15. Затем рабочая среда поступает в резервуар 2 устройства защиты 1, где за счет сил гравитации, а также изменения скорости и направления движения происходит ее разделение на жидкую и газовую фазы.
В результате в нижней части резервуара 2 собирается резервный объем жидкой фазы рабочей среды 3. При достижении требуемого резервного объема жидкой фазы 3 излишки жидкой и газовой фазы поступают в выходную линию 6, в которой установлен датчик жидкой фазы 7, и далее выводятся из устройства защиты 1. При наступлении и во время продолжения режима с низкой долей жидкой фазы или «сухого хода» соответствующий сигнал от датчика жидкой фазы 7 поступает в блок управления 12. При выполнении механизма для непрерывной подачи жидкости 10 в виде дросселя блок управления 12 подает сигнал на открытие клапана 9, а при выполнении механизма для непрерывной подачи жидкости 10 в виде винтового героторного насоса блок управления 12 подает сигнал на открытие клапана 9 и включение винтового героторного насоса 13.
В результате, при открытии клапана 9 и включении механизма для непрерывной подачи жидкости 10, жидкая фаза по перепускной линии 8, подсоединенной к нижнему участку резервуара 2, через коллектор 11 поступает во всасывающую полость 14. При этом поток дополнительно подаваемой жидкости должен составлять не менее 3% от нормального потока, перекачиваемого мультифазным насосом 13 газосодержащей рабочей среды. Затем, перемещаясь с помощью рабочих органов 16 мультифазного насоса 13, жидкая фаза вновь поступает в резервуар 2 устройства защиты 1, обеспечивая смазку рабочих органов 16 и уплотнений валов 17 и высокую долговечность мультифазного насоса 13.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить долговечность устройства защиты мультифазного насоса, улучшить его эксплуатацию, исключить гидравлические удары, обеспечить непрерывную смазку винтовых поверхностей рабочих органов и уплотнений вала шпинделя, отвод избыточного тепла, возникающего в процессе работы мультифазного насоса, и повысить долговечность последнего.