МНОГОФАЗНЫЙ ВИНТОВОЙ НАСОС
MULTI-PHASE SCREW PUMP

Изобретение относится к устройствам для перекачки многофазных сред, а точнее к двухвинтовым насосам, и может быть использовано в области нефтедобычи и нефтепереработки при откачке попутно добываемого газа.
Известно, что перекачка продукции скважин, содержащих газовую фракцию выше критической, т.е. процентное содержание газа по объему составляет 96÷98%, влечет за собой перегрев роторов, вращающихся с минимальными зазорами в расточках корпуса, и, в результате, к их заклиниванию.
В целях недопущения этого критического предела применяются несколько мер, включая установку буферных емкостей до насоса для гашения чрезмерных колебаний газового фактора или подачу жидкости с выхода насоса или других жидкостей на вход насоса для уменьшения газовой фракции. Такой способ и устройство защищены в патенте РФ №2101571, МПК 6 F04C 2/16, опубл. 10.01.98 г., где описан многофазный винтовой насос, снабженный перепускной линией, подсоединенной к нижнему участку полости нагнетания и сообщенной с полостью всасывания.
Этот метод несколько расширяет рабочий диапазон, но крайне неэффективно, т.к. ведет к дополнительным затратам энергии при стравливании давления перепускаемой жидкости и повторном его повышении до давления нагнетания.
Известен другой многофазный винтовой насос по патенту РФ №2164312, МПК F04C 2/16, содержащий корпус, внутри которого размещен, по меньшей мере, один винт, заключенный в цилиндрическую втулку, всасывающий и напорный патрубки, сообщенные соответственно с полостями всасывания и нагнетания. К нижнему участку полости нагнетания присоединена перепускная линия, которая сообщена со сквозными отверстиями в цилиндрической втулке для подвода жидкости в рабочую полость насоса.
Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков и принято за прототип.
Благодаря перепуску жидкости в рабочую полость, где нагнетательные камеры винтов уже отсечены от полости всасывания, снижаются затраты энергии на дополнительное сжатие среды.
Но при перекачивании чисто газовой фракции наличие перепускной линии и, таким образом, частичный возврат газа в полости винтов может способствовать лишь некоторому повышению эффективности перекачки газа путем более плавного увеличения давления среды вдоль винтов от входа к выходу.
Однако при отсутствии затворной жидкости значительные перетечки газа по зазорам между профильными поверхностями винтов, а также между выступами винтов и расточками корпуса ведут к чрезмерному повышению температуры газа. При этом процесс сжатия сопровождается медленным повышением давления газа по ходу винтов и резким скачкообразным подъемом до давления в полости нагнетания, которое определяется давлением перекачки в трубопроводах подачи среды потребителю.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы насоса при перекачивании газовой среды путем снижения температуры сжимаемой среды и равномерного повышения давления от входа к выходу насоса.
Для достижения этого технического результата предлагается многофазный винтовой насос, содержащий корпус с патрубками входа и выхода, причем патрубок входа сообщен с полостью всасывания, а патрубок выхода с полостью нагнетания, подающие винты, размещенные внутри расточек корпуса с образованием между выступами и впадинами винтов замкнутых нагнетательных камер, отверстия в корпусе вдоль винта, сообщенные с перепускной линией для подвода среды в нагнетательные камеры, согласно изобретению перепускная линия подключена к нижнему объему газожидкостного сепаратора, дополнительно установленного на выходе насоса, а отверстия в корпусе связаны с перепускной линией отдельными трубопроводами, при этом на трубопроводе, подводящем жидкость в первую отсеченную от полости всасывания нагнетательную камеру, установлен охладитель жидкости и регулирующий клапан, имеющий электрическую связь с датчиком температуры газа на выходе насоса.
Известно, что при перекачке несжимаемой среды (жидкостей) перепад давления между соседними нагнетательными камерами почти одинаков для всех смежных камер, где входная и выходная камера рассматриваются как первая и последняя камеры. Таким образом, давление и потребляемая мощность повышаются практически линейно и равномерно по длине ротора.
Газ перекачивается практически без повышения давления по длине ротора от первой до последней нагнетательной камеры. Пик перепада давления приходится на конец роторов при соединении последних нагнетательных камер винтов с высоким давлением полости нагнетания насоса. Происходит резкое обратное перетекание среды из полости нагнетания в открывающуюся камеру. Скачки давления тем выше, чем выше перепад давления между полостью нагнетания и открывающейся камерой, что приводит к дополнительной работе сжатия и выделению тепла.
В предлагаемом изобретении проблема решается введением дополнительного сосуда с жидкостью на выходе насоса, а именно газожидкостного сепаратора, и непрерывной циркуляцией этой жидкости по замкнутому контуру через перепускную линию в камеры винтов и обратно в сепаратор для уплотнения зазоров и равномерного повышения давления газа по длине винтов. Для снижения температуры процесса в первую от входа камеру, т.е. в начало процесса сжатия жидкость подается охлажденной в количестве, достаточном для поддержания наиболее экономичного изотермического сжатия.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен винтовой насос в горизонтальном сечении; на фиг.2 - насос в вертикальном сечении в составе структурной схемы работы установки.
Винтовой насос (фиг.1) содержит корпус 1, снабженный двумя боковыми патрубками 2 входа и одним центральным напорным патрубком 3 выхода, причем патрубки входа сообщены с полостями всасывания 4, а напорный - с полостью нагнетания 5.
В цилиндрических расточках корпуса 1 размещены две пары подающих винтов, каждая из которых включает один правозаходный винт 6 и один левозаходный винт 7. Винты 6, 7 связаны между собой посредством синхронизирующих шестерен 8, 9 и вращаются в бесконтактном зацеплении в противоположных направлениях.
Между поверхностями расточек и внутренними полостями винтов образованы замкнутые нагнетательные камеры 10. Выступы винтовой нарезки одного винта входят во впадины другого, образуя при этом между впадинами винтов и расточками корпуса несколько пар нагнетательных камер. При этом со стороны полости всасывания происходит периодическое раскрытие, а затем закрытие впадины одного винта выступом нарезки другого. Образуется замкнутая полость, которая изолируется расточками корпуса от полости всасывания, образуя первую от входа пару нагнетательных камер. При вращении роторов нагнетательные камеры перемещаются от входа к выходу, последовательно открываясь в полость нагнетания. В каждую нагнетательную камеру 10 вдоль корпуса 1 выполнены сквозные отверстия с трубками 11 для подвода среды из перепускной линии, показанной на структурной схеме (фиг.2) на примере одного из винтов.
Патрубок 3 выхода сообщен по линии нагнетания 12 с газожидкостным сепаратором 13, к нижнему объему которого подключена перепускная линия 14, связанная в свою очередь, как было отмечено выше, с трубками 11 подвода среды в нагнетательные камеры 10 винтов 6, 7. При этом первые от полостей всасывания 4 нагнетательные камеры 15 связаны с перепускной линией 14 отдельным трубопроводом 16 через охладитель 17. Перед охладителем 17 установлен регулирующий клапан 18, имеющий электрическую связь с датчиком 19 температуры, установленным на линии нагнетания 12. Остальные нагнетательные камеры подключены к перепускной линии 14, минуя охладитель 17 трубопроводом 20. На трубопроводах подвода в нагнетательные камеры установлены расходные дроссели 21.
Работает винтовой насос следующим образом.
Перекачиваемый газ поступает через боковые патрубки 2 входа (фиг.1) в полости всасывания 4, откуда захватывается вращающимися винтами 6, 7, отсекается от полостей всасывания и перемещается в нагнетательных камерах 10 к полости нагнетания 5 и далее к выходу насоса.
По линии нагнетания 12 (фиг.2) газ поступает в сепаратор 13, предварительно заполненный до определенного уровня жидкостью, например водой. Под давлением среды вода по перепускной линии 14 направляется по трубопроводам 16 и 20 в нагнетательные камеры винтов, уменьшая объем газа, тем самым, увеличивая его давление, способствуя более равномерному распределению перепада давлений между смежными камерами. Жидкость уплотняет зазоры между винтами, препятствуя перетеканию газа между полостями.
Давление по длине винтов поднимается равномерно от входа к выходу вследствие того, что несжимаемая жидкость уменьшает объем газа, тем самым, увеличивая давление среды. Жидкость, поступающая в отсеченную полость, заполненную газом, выполняет функцию жидкостного поршня. По мере движения нагнетательной камеры к полости нагнетания и заполнения ее жидкостью из каждого последующего отверстия, давление газа приближается к давлению в полости нагнетания. Для снижения температуры процесса сжатия и приближения его к наиболее эффективному изотермическому часть воды проходит через охладитель 17 и поступает в начало процесса сжатия в первые отсеченные от полости всасывания нагнетательные камеры 15. Подаваемое количество воды регулируется клапаном 18 по допустимой температуре нагнетания, определяемой датчиком 19. В остальные нагнетательные камеры вода поступает по трубопроводу 20, минуя охладитель 17, а ее количество регулируется по перепадам давления в камерах расходными дросселями 21.
Образовавшаяся газожидкостная смесь через патрубок 3 выхода направляется в сепаратор 13, где жидкость отделяется, а сжатый газ направляется потребителю. Далее процесс повторяется. Отделившаяся жидкость циркулирует по замкнутому контуру: перепускная линия, нагнетательные камеры, сепаратор.
Таким образом, работа насоса в предлагаемом варианте позволит избежать пульсаций давления на выходе насоса, перегрева роторов, а также уменьшить затраты мощности на сжатие газа.