СЕПАРАТОРНАЯ СИСТЕМА
SEPARATION SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к циклонному устройству для разделения смеси из двух компонентов текучей среды. В частности, но не исключительно, изобретение относится к циклонному устройству для разделения двух несмешиваемых жидкостей, таких как нефть и вода.
Уровень техники
В процессах нефтедобычи, особенно в процессах морской нефтедобычи, часто добывают смесь нефти с водой. Получаемая при этом вода нежелательна и должна удаляться. Однако из соображений экологии не полагается сбрасывать воду, загрязненную нефтью. Поэтому необходимо отделять нефть от воды.
На практике существуют определенные ограничения для устройств, используемых для сепарации. В частности, ограничения, касающиеся морской нефтедобычи (например, размер морской платформы), требуют, чтобы сепарирующее устройство было одновременно и эффективным и компактным. Для решения этой задачи в последние десятилетия были разработаны циклонные сепараторы.
Действие циклонного сепаратора может быть описано следующим образом. Текучая среда (в данном случае смесь нефти и воды) поступает в циклон тангенциально, что вызывает вращение текучей среды в циклоне. Это создает радиальную силу, которая направляет более тяжелую фазу (в данном случае воду) к периферии циклона, тем самым удерживая более легкую фазу (в данном случае нефть) в центре циклона. Далее две фазы, нефть и вода, можно выводить из циклона по отдельности. Вода выводится через выпуск для чистой воды, а нефть - через линию для сточной воды.
По сравнению с альтернативными устройствами, такими как отстойники или резервуары для удаления плавающих загрязнений, циклонный сепаратор обеспечивает намного более быструю сепарацию, занимая меньше пространства. Это обусловлено тем, что гравитационная сила, действующая в отстойниках или резервуарах для удаления плавающих загрязнений, заменена в циклоне радиальными силами, характеризующимися гораздо большей величиной. Эти большие силы означают, что циклоны нечувствительны к движению и ориентации, что делает их практически идеальными для морского применения в нефтяной промышленности.
Тем не менее, остаются затруднения в реализации эффективных циклонных сепараторов с умеренными затратами и требуемой надежностью. Так, например, необходимо создавать в циклоне противодавление от выпуска чистой воды, чтобы быть уверенным, что нефтяные отходы вытесняются в сточную линию. Это достигается использованием управляющего клапана, который установлен в водяном выпуске, причем на клапане создается дифференциальное давление и при этом он рассеивает энергию давления посредством турбулентного трения.
Выполнение управляющего клапана создает целый ряд осложнений для эффективной работы циклона. Так, например, часто необходимо предусматривать дальнейшие сепарационные процессы по направлению потока за циклоном для сепарации остаточной нефти в водяном выпуске. В типовом случае эффективность этих последующих процессов в значительной степени зависит от размера нефтяных капелек в смеси. Однако действие управляющего клапана создает в выпуске турбулентность, что вызывает появление срезающих сил, которые стремятся снизить средний размер капелек.
Другое осложнение возникает при попытках управлять общим потоком жидкости через систему. Так, например, управляющий клапан может быть отрегулирован для изменения потока жидкости относительно процессов выше и/или ниже циклона по потоку. Хотя для этой цели относительно просто использовать регулируемый клапан, осложнения возникают в том, что в типовом случае желательно выводить жидкость через водяной выпуск и через сточную линию при постоянном отношении. В частности, нежелательно выводить слишком большую долю жидкости через водяной выпуск, так как это может вызывать загрязнение. В то же время нежелательно выводить этим путем слишком малую долю жидкости, так как это увеличит объем воды, идущей через сточную линию.
Для выдерживания постоянного объемного отношения жидкости, выводимой через водяной выпуск и через сточную линию, было предложено размещать на сточной линии дополнительный выпускной клапан. Кроме того, введен управляющий механизм для координации управления управляющим клапаном на водяном выпуске и дополнительным клапаном на сточной линии, чтобы обеспечивать необходимое постоянное отношение. Однако эти дополнительные компоненты связаны с затратами и риском неполадок, что нежелательно.
Таким образом, существует постоянное желание совершенствовать сепараторные устройства для использования в морской нефтедобыче и в других областях. В частности, желательно повысить эффективность сепарации с одновременным сохранением надежности и без повышенных затрат.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложена сепараторная система для сепарации смеси первой текучей среды и второй текучей среды, содержащая:
сепаратор, содержащий сепараторную камеру, впуск, первый выпуск для вывода первой текучей среды из сепараторной камеры и второй выпуск для вывода второй текучей среды из сепараторной камеры;
насос, соединенный с впуском;
собиратель энергии, выполненный с возможностью сбора энергии давления первой текучей среды в первом выпуске;
и механизм передачи энергии, выполненный с возможностью передачи собранной энергии насосу.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность создания противодавления на первом выпуске с помощью собирателя энергии при одновременном использовании создаваемого на собирателе энергии перепада давления для привода насоса, соединенного с впуском. Давление на впуске как таковое может быть повышено, что повышает эффективность и производительность сепаратора. В частности, настоящее изобретение можно понимать как систему повторного использования энергии с ее подачей от выпуска на впуск, причем эта энергия была бы потеряна в ином случае при использовании обычных механизмов, таких как клапаны.
В частных примерах осуществления собиратель энергии выполнен с возможностью преобразования энергии давления в механическую энергию. Это решение может иметь особые преимущества, например, когда насос приводится в действие механически. При таком решении механическая энергия, собранная собирателем энергии, может передаваться на насос непосредственно. При других обстоятельствах собиратель энергии может быть выполнен с возможностью преобразования энергии давления, например, в электрическую энергию.
В некоторых предпочтительных примерах осуществления собиратель энергии содержит вращающийся вал. Более предпочтительно собиратель энергии содержит винтовой насос. В этой системе текучая среда в первом выпуске при своем проходе заставляет вращаться вал винтового насоса, тем самым преобразуя энергию текучей среды в механическую энергию.
Такое решение имеет особые преимущества, когда насос также содержит вращающийся вал. Так, например, насос может также быть винтовым насосом. В этом случае вращательное движение, генерируемое в винтовом насосе собирателя энергии, может быть просто соединено с вращающимся валом насоса, который может действовать в качестве приводного вала. Таким путем энергия, полученная собирателем энергии, может эффективно передаваться на насос.
Предпочтительно механизм передачи энергии выполнен с возможностью обеспечения постоянного отношения текучей среды, проходящей через насос и через собиратель энергии. Поскольку это фиксирует отношение текучей среды, проходящей через впуск и первый выпуск, будет получен также эффект управления пропорцией текучей среды во втором выпуске. При этом устраняется необходимость в системе управления или подобных средствах для управления вторым выпуском при сохранении желаемых пропорций жидкости в первом и втором выпусках.
Механизм передачи энергии может содержать, например, устройство передачи крутящего момента. Так, например, в том случае, когда насос и собиратель энергии оба содержат вращающиеся валы, механизм передачи энергии может быть шестеренной системой, которая управляет передаточным отношением вращения этих валов. Это является механически простым, а следовательно, надежным и недорогим путем обеспечения фиксированных отношений расхода текучих сред через сепаратор.
Предпочтительно сепаратор является циклонным сепаратором, более предпочтительно гидроциклонным сепаратором. Циклонные сепараторы особенно эффективны и компактны. Кроме того, оснащение собирателем энергии особенно благоприятно для циклонного сепаратора, так как он создает полезное противодавление для обеспечения того, что текучая среда выводится через оба выпуска.
В предпочтительных примерах осуществления первая текучая среда имеет более высокую плотность, чем вторая текучая среда. Кроме того, первая и вторая текучие среды могут быть жидкостями, в частности первая текучая среда может быть водой, а вторая текучая среда может быть нефтью.
Согласно второму аспекту изобретения предложен способ сепарации смеси первой текучей среды и второй текучей среды, содержащий этапы:
нагнетание смеси в сепаратор с использованием насоса;
сепарирование смеси первой текучей среды и второй текучей среды в сепараторе;
вывод первой текучей среды через первый выпуск сепаратора;
вывод второй текучей среды через второй выпуск сепаратора;
сбор энергии давления первой текучей среды в первом выпуске;
и передача собранной энергии насосу.
Предпочтительные особенности первого аспекта изобретения равным образом относятся ко второму аспекту изобретения.
Краткий перечень чертежей
Далее описан вариант изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг. 1 изображает циклонный сепаратор;
фиг. 2 изображает сепараторную систему, известную из уровня техники;
и фиг. 3 изображает сепараторную систему в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан циклонный сепаратор 1, содержащий сепараторную камеру 10, впуск 12, водяной выпуск 14 и сточную линию 16. Водяной выпуск 14 и сточная линия 16 показаны символически стрелками, указывающими направление движения текучей среды через эти устройства, однако специалисту данной области техники понятно, что на практике они выполнены с использованием физических каналов.
Циклонный сепаратор 1 является гидроциклонным сепаратором очистки от нефти. Циклонный сепаратор 1 как таковой спроектирован для сепарации нефти от воды посредством создания циклона в сепараторной камере 10.
Положение циклонного сепаратора 1 в известной сепараторной системе показано на фиг. 2. На фиг. 2 сепараторная система содержит накопитель 20 исходной текучей среды, содержащий смесь нефти и воды. Накопитель 20 текучей среды соединен с циклонным сепаратором 1. Выпускной управляющий клапан 22 для чистой воды предусмотрен на первом выпуске (водяном выпуске 14) циклонного сепаратора, а выпускной управляющий клапан 24 предусмотрен на втором выпуске (сточной линии 16) циклонного сепаратора. Регулятор 26 отношения давления соединен как с выпускным управляющим клапаном 22 для воды, так и с выпускным управляющим клапаном 24 сточной линии.
На фиг. 2 показано также нижнее по потоку устройство 30 обработки. Это может быть аппарат для выполнения таких технологий как принудительная газовая флотация, фильтрация или абсорбция. Они могут использоваться для дальнейшей очистки выходного продукта циклонного сепаратора 1, который проходит через водяной выпуск 14.
При работе системы смесь нефти и воды нагнетается из накопителя 20 текучей среды в циклонный сепаратор 1. При входе в циклонный сепаратор 1 смесь приводится во вращение в сепараторной камере 10, что создает циклонный эффект. В результате более плотная жидкость (в данном случае вода) вытесняется к кромке сепараторной камеры 10, тогда как менее плотная жидкость (в данном случае нефть) удерживается в центральной осевой части сепараторной камеры 10. В результате вода и нефть разделяются и могут быть отведены через водяной выпуск 14 и сточную линию 16.
Выходящая через водяной выпуск 14 текучая среда доходит до клапана 22 для чистой воды. Этот клапан создает некоторое противодавление в системе, обеспечивая вытеснение нефти через сточную линию 16, где нефть встречает управляющий клапан 24 сточной линии.
Таким образом, смесь нефти и воды, которая первоначально хранилась в накопителе 20, разделяется на два компонента, проходящих соответственно через водяной выпуск 14 и через сточную линию 16. В идеале этими двумя компонентами являются соответственно чистая вода и чистая нефть. Однако на практике в каждом компоненте может присутствовать смесь текучих сред. Одна из причин этого заключается в том, что пропорции нефти и воды в исходной смеси должны отражаться в общей пропорции текучих сред, выводимых через разные выпуски. Так, например, если исходная смесь содержит только 20% нефти, но сточная линия 16 выводит 50% текучей среды от сепаратора, понятно, что этот компонент в сточной линии 16 будет содержать какое-то количество воды.
Пропорции текучих сред в сточной линии 16 и в водяном выпуске 14 зависят от давления в этих выпусках, а следовательно, от действия управляющего клапана 24 сточного вывода и управляющего клапана 22 для чистой воды. Эти клапаны должны управляться таким образом, чтобы выдерживать постоянное отношение дифференциального давления между впуском и водяным выпуском 14 к дифференциальному давлению между впуском 12 и сточной линией 16. Это особенно важно, когда расход потока от накопителя 20 является переменным, так что фиксированная настройка клапанов может не приводить к постоянному отношению. Необходимое управление вводится регулятором 26 отношения давлений.
После прохода текучей среды через управляющий клапан 22 для чистой воды она поступает в расположенное ниже по потоку устройство 30 обработки, в котором могут осуществляться один или несколько дальнейших этапов очистки для удаления из воды загрязнений.
Сепараторная система в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения показана на фиг. 3. Показанный на фиг. 3 сепаратор 1 может иметь вид сепаратора 1 по фиг.1 и в предпочтительном случае является циклонным сепаратором. Как более подробно объяснено ниже, в предпочтительном варианте отпадает необходимость в использовании выпускного клапана 22 для чистой воды и управляющего клапана 24 в сточном выводе. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления устраняется необходимость в регуляторе 26 отношения давлений. В дополнение к этому по сравнению с системой по фиг.2 предпочтительный вариант изобретения обеспечивает улучшенный дифференциал давления между впуском 12 сепаратора 1 и водяным выпуском 14.
В частности, в соответствии с предпочтительным примером осуществления предусмотрен насос 40, соединенный с впуском 12 сепаратора 1. Кроме того, предусмотрен собиратель 50 энергии, соединенный с водяным выпуском 14 сепаратора 1. Собиратель энергии преобразует энергию давления в водяном выпуске 14 в механическую энергию. Механизм 60 передачи энергии предусмотрен для передачи энергии насосу 40.
Предусмотрен также приводной механизм 70. В предпочтительном примере осуществления приводной механизм соединен с механизмом 60 передачи энергии, но он может быть соединен и с другими частями системы. Так, например, приводной механизм может быть соединен с насосом 40 или с собирателем 50 энергии.
В предпочтительном примере осуществления собиратель 50 энергии выполнен в виде винтового мотора. Соответственно, когда текучая среда проходит через собиратель 50 энергии, это вызывает вращение вала. В других примерах осуществления собиратель 50 энергии может быть выполнен иначе. Примеры других собирателей энергии, которые могут преобразовывать энергию давления (гидравлическую энергию) в механическую энергию, включают в себя турбины, шестеренные моторы или гидравлические моторы возвратно-поступательного действия.
Подобным же образом, в предпочтительном примере осуществления насос 40 является винтовым насосом. Это означает, что текучая среда может нагнетаться через насос 40 посредством вращения вала (или приводного вала). В других примерах осуществления насос может быть выполнен по-другому, таким как в виде турбины, шестеренного насоса или гидравлического насоса возвратно-поступательного действия.
В предпочтительном случае механизм 60 передачи энергии может представлять собой устройство передачи крутящего момента, предназначенное для передачи энергии от вращающегося вала собирателя 50 энергии на вращающийся вал насоса 40. Механизм 60 передачи энергии предназначен для обеспечения постоянного передаточного отношения между скоростью вращения вращающегося вала насоса 40 и скоростью вращения собирателя 50 энергии. Соответственно, фиксированное объемное отношение текучей среды проходит через насос 40 и собиратель 50 энергии. В результате отношение текучей среды, проходящей через впуск 12 и водяной выпуск 14, является фиксированным, что в свою очередь обеспечивает постоянную относительную пропорцию текучей среды, проходящей через сточную линию 16. Как было упомянуто выше, это устраняет необходимость в управляющем клапане 22 для чистой воды, в управляющем клапане 24 сточного выпуска и в регуляторе 26 отношения давлений.
В качестве альтернативы управлению скоростями вращения насоса 40 и собирателя 50 энергии или в дополнение к этому управлению специалист данной области техники может обеспечить различные объемные расходы для насоса 40 и собирателя 50 энергии. Так, например, насос 40 и собиратель 50 энергии могут работать на одной и той же скорости, но обеспечивать различные объемные расходы. В этом случае объемные расходы двух устройств могут быть настроены на желаемое отношение. Примеры охватывают поршневые, плунжерные или диафрагменные устройства, в которых насос 40 и собиратель 50 энергии имеют один и тот же диаметр поршня и цилиндра и соединены с общим коленчатым валом, действующим в качестве механизма 60 передачи энергии. В этом случае разница объемного расхода через насос 40 и собиратель 50 энергии может достигаться за счет установки соединительных тяг на различных радиальных длинах от центра вала, так что собиратель 50 энергии имеет меньшую длину хода с меньшим объемным расходом, чем насос 40. В альтернативном варианте радиальные длины, а следовательно, и длина хода может быть одинаковой, тогда как диаметр поршня и цилиндра может быть различной для насоса 40 и собирателя 50 энергии.
В предпочтительном примере осуществления механизм 60 передачи энергии является механическим шестеренным редуктором. Однако возможны альтернативные варианты, такие как ременная передача, цепная передача или электронный регулятор скорости вращения.
В предпочтительном варианте осуществления приводной механизм 70 содержит электронный мотор и электронный регулятор скорости (например, привод переменной частоты). Электронный мотор соединен с механизмом 60 передачи энергии и таким образом может управлять расходом потока текучей среды через насос 40 и собиратель 50 энергии. Как было упомянуто выше, соединение насоса 40 и собирателя 50 энергии через механизм 60 передачи энергии обеспечивает тот эффект, что изменение расхода потока через систему не изменяет пропорции текучей среды в впуске 12, водяном выпуске 14 и сточной линии 16. Использование приводного механизма 70 для управления общим расходом устраняет необходимость в использовании выпускного клапана или подобного устройства для управления расходом.
Преимущества настоящего изобретения не ограничиваются повышением дифференциала давления на сепараторе 1 благодаря обратной связи между собирателем 50 энергии и насосом 40 или устранением необходимости в выпускном управляющем клапане 22 для воды, выпускном управляющем клапане 24 или регуляторе 26 отношения давлений, но распространяются также на повышение эффективности расположенного ниже по потоку устройства 30 обработки. Эффективность расположенного ниже по потоку устройства 30 обработки часто связана с размером капелек, оставшихся в текучей среде. В то время как выпускной управляющий клапан 22 для воды по фиг.2 скорее всего значительно уменьшает средний размер капелек под действием срезающих сил и турбулентности, вызываемой таким клапаном в текучей среде, использование собирателя 50 энергии вызывает этот эффект в меньшей степени. В частности, в предпочтительном примере осуществления винтовой мотор передает в текучую среду минимальные усилия такого рода и вследствие этого не значительно уменьшает размер капелек. Собиратель 50 энергии может даже увеличивать размер капелек за счет низкоэнергетического перемешивания и увеличенного контакта с твердыми поверхностями, что способствует слиянию капелек. В результате было установлено, что расположенное ниже по потоку устройства 30 обработки работает более эффективно.
Как было упомянуто выше, различные аспекты предпочтительного варианта изобретения могут быть модифицированы. Так, например, выполнение насоса 40 и собирателя 50 энергии может изменяться в соответствии с требованиями.
Для специалиста данной области техники очевидны и другие вариации и модификации изобретения. Эти вариации и модификации могут быть связаны с эквивалентными решениями и другими особенностями, которые уже известны и могут использоваться взамен описанных особенностей или в дополнение к ним. Особенности, описанные в контексте отдельных примеров осуществления, могут комбинироваться в одном примере осуществления. И наоборот, особенности, описанные применительно к одному примеру осуществления, могут быть использованы по отдельности или в любой производной комбинации.
Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а неопределенный артикль не исключает множественного числа, один признак может выполнять функции нескольких признаков, указанных в пунктах формулы изобретения, а указание цифровых обозначений в пунктах формулы изобретения не следует толковать как ограничение объема защиты. Следует также отметить, что чертежи не обязательно отражают масштаб, а только иллюстрируют принципы настоящего изобретения.