КОМПРЕССОРНЫЙ БЛОК И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НАД РАБОЧЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ
COMPRESSOR UNIT AND METHOD OF PROCESS OPERATIONS EXECUTION ON WORK FLUID

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область изобретения
Изобретение относится к компрессору и способу выполнения технологических операций над рабочей текучей средой.
Описание уровня техники
Промышленную установку для извлечения природного газа из месторождения, находящегося под морским дном, обычно размещают на платформе над уровнем моря или на морском дне.
В частности, установка, размещенная на морском дне, содержит подводный компрессор и другие модули, предварительно собранные на земле, а затем установленные на морском дне.
Подводный компрессорный блок обычно содержит центробежный компрессор, выталкивающий извлеченный природный газ на сушу и размещенный в корпусе с электродвигателем; этот блок может быть проточно соединен с наружным сепаратором, помещенным между скважиной и входным отверстием компрессора. Этот тип компрессорного блока может представлять собой устройство с вертикальной конфигурацией, имеющей вертикальный вал, на котором расположен ротор электродвигателя, а также центробежные компрессорные рабочие колеса, причем указанный вал поддерживается несколькими механическими подшипниками и упорным подшипником, предпочтительно магнитного типа. Основные преимущества вертикальной конфигурации заключаются в том, что отвод рабочей среды выполняется за счет силы тяжести, а площадь, занимаемая компрессором, сведена к минимуму.
Эти два модуля (компрессорный блок и сепаратор), как правило, имеют соответствующие входные и выходные отверстия, которые закрываются клапанами во время этапа погружения на дно моря; на этапе установки эти два отверстия проточно соединяют с использованием трубы, а затем два указанных клапана открывают. С практической точки зрения лучше всего сначала открыть клапан, расположенный со стороны сепаратора, а затем своевременно открыть клапан, расположенный со стороны блока. Таким образом вода в трубе может быть выпущена в сепаратор; труба опускается из блока в сепаратор для облегчения выпуска.
Недостаток устройства этого типа заключается в том, что клапан блока может быть открыт операторами до того, как открыт клапан сепаратора, провоцируя выпуск морской воды случайным образом внутрь компрессорного блока, что приводит к повреждениям механического элемента самого блока.
В международной патентной заявке №2007/103248 описано устройство для выполнения технологических операций над текучей средой применительно к многофазным потокам текучей среды, включая газ и жидкость. Корпус имеет внутреннюю камеру, входное отверстие, проточно соединенное с внутренней камерой и источником потока, и первое и второе выходные отверстия. Сепаратор, расположенный внутри камеры корпуса, проточно соединен с входным отверстием с обеспечением протекания к нему потока, при этом он разделяет поток на жидкую и газообразную части. Компрессор, расположенный внутри камеры, получает и сжимает газообразную часть, поступающую из сепаратора, для выпуска ее через первое выходное отверстие корпуса, при этом компрессор имеет наружную поверхность, отстоящую на некоторое расстояние от внутренней поверхности корпуса для ограничения проточного тракта. В камере также предусмотрен насос, имеющий входное отверстие, проточно соединенное с сепаратором через указанный проход, и отстоящий, по вертикали, на некоторое расстояние от сепаратора, чтобы жидкость протекала под действием силы тяжести из сепаратора к насосу, и создающий давление в жидкости для выпуска ее через второе выходное отверстие корпуса.
Недостаток устройства этого типа заключается в том, что сепаратор должен быть размещен внутри компрессорного блока, что повышает механическую сложность и стоимость.
Другой недостаток заключается в том, что на нижней пластине основания корпуса расположен нижний механический подшипник, и поэтому необходимо обеспечить уплотняющий корпус, чтобы избежать контакта с водой или загрязняющими веществами. В частности, этот корпус должен быть корпусом с высоким уплотнением, если подшипник представляет собой подшипник магнитного типа, повышая стоимость блока и разработки конструкции и, одновременно, снижая надежность, что является особенно значительным и важным там, где требуется безостановочная работа в течение большого количества лет, как, например, для работы под водой.
Кроме того, вал должен быть настолько длинным, чтобы вышеупомянутый подшипник мог быть размещен на пластине основания, что значительно увеличивает стоимость разработки конструкции.
Другой недостаток заключается в том, что длина вала соотносится с вертикальной длиной камеры, которая может меняться только тогда, когда одновременно меняется и длина вала, увеличивая стоимость и сложности в разработке конструкции.
На сегодняшний день, несмотря на прорывы в технологии, все это создает проблемы, и при этом существует необходимость в создании более простых и более дешевых устройств для извлечения природного газа из месторождения, находящегося под морским дном, которые усовершенствуют этап установки и, одновременно, рабочий этап.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом, предложен компрессорный блок для выполнения технологических операций над рабочей текучей средой, содержащий компрессор, расположенный внутри корпуса и предназначенный для сжатия рабочей текучей среды, причем с входным отверстием для рабочей текучей среды указанного корпуса проточно соединена сборная камера, причем указанная собирающая камера выполнена с возможностью отведения жидкости, которая могла пропустить внутрь указанного компрессора во время этапа установки его под водой, чтобы по существу избежать попадания жидкости внутрь указанного компрессора
В соответствии с другим аспектом, предложен способ выполнения технологических операций над рабочей текучей средой, включающий следующие этапы: использование компрессорного блока с корпусом, содержащим компрессор и сборную камеру, расположенную внутри корпуса и проточно соединенную с входным отверстием для рабочей текучей среды корпуса; взаимное соединение компрессорного блока с сепаратором на рабочем месте; и приведение в действие компрессорного блока; причем рабочее место расположено на морском дне, а этап соединения компрессионного блока с сепаратором включает часть этапа, в которой текучую среду, возможно поступившую в указанный узел, отводят внутрь указанной собирающей камеры, чтобы избежать по существу поступления текучей среды внутрь указанного компрессора во время подводной установки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Это изобретение будет более понятным из последующего описания и прилагаемых чертежей, которые показывают неограничивающий практический вариант выполнения указанного изобретения. В частности, на чертежах, на которых одни и те же номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие части:
Фиг.1 изображает вертикальный схематический продольный разрез устройства, выполненного в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
Фиг.2 изображает схематическое сечение по линии II-II, показанной на Фиг.1;
Фиг.3 изображает схематическое сечение по линии III-III, показанной на Фиг.1;
Фиг.4 изображает вертикальный разрез фрагмента, показанного на Фиг.1;
и
Фиг.5 изображает компрессорный блок, содержащий устройство, показанное на Фиг.1, выполненный в соответствии с конкретным вариантом выполнения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На чертежах, на которых одни и те же номера позиций соответствуют одним и тем же частям на всех чертежах, предложенное устройство обозначено общим номером позиции 1. Это устройство 1 содержит компрессор 3 и двигатель 5 (смотрите Фиг.1), расположенные в находящемся под давлением герметичном общем корпусе 7.
В соответствии с этим иллюстративным вариантом выполнения, компрессор 3 представляет собой многоступенчатый центробежный компрессор, содержащий несколько ступеней 9, 11, 13 сжатия, каждая из которых имеет центробежное рабочее колесо, соответственно, 9А, НА и 13А, вращающееся внутри диафрагмы, соответственно, 9В, 11В и 13В статора и присоединенное к валу 15 вдоль оси Х1; между каждой диафрагмой 9В, 11В и 13В статора имеются каналы 14А, 14В (см. Фиг.4) для подвергаемой сжатию текучей среды (каждый канал статора образован диффузором и обратным каналом, для простоты не показанными на чертежах и хорошо известными специалистам).
Хотя многоступенчатый центробежный компрессор 3, как описано выше, в настоящее время предпочтительнее, компрессор 3 может, в качестве альтернативы, быть выполнен как одноступенчатый центробежный компрессор или компрессор любого другого типа, выполненный с возможностью сжатия газа, такой как, например, осецентробежный компрессор, поршневой компрессор, винтовой компрессор и другие.
В предпочтительном варианте выполнения, показанном на Фиг.1, блок 1 имеет вертикальную конфигурацию, так что вал 15 (и ось Х1) находится по существу в вертикальном положении (во время работы блока 1), с верхним концом и нижним концом; однако это не исключает того, что блок может иметь конфигурацию, отличающуюся от описанной выше, в соответствии с конкретными вариантами выполнения или потребностями использования, как, например, по существу горизонтальную конфигурацию с валом (и осью), размещенными по существу в горизонтальном положении.
Преимущественно, двигатель 5 расположен внутри корпуса 7 и механически соединен с компрессором 3 валом 15, чтобы в результате получить особенно компактное устройство без наружных динамических уплотнений. Однако это не исключает того, что двигатель может быть размещен снаружи корпуса, в соответствии с конкретными вариантами выполнения изобретения.
В описанной в настоящем документе конфигурации двигатель 5 расположен по вертикали над компрессором 3, чтобы свести к минимуму вероятность проникновения жидкости в двигатель 5. Тем не менее, двигатель 5 может быть установлен иным образом, как, например, на нижнем конце 15I корпуса 7, или же первый компрессор может быть предусмотрен над двигателем, а другой компрессор - под двигателем, но в этих случаях требуются дополнительные элементы (как, например, механическое уплотнение для герметизации двигателя 5 от остальных частей устройства), так что механическая сложность и стоимость устройства увеличивается. Кроме того, двигатель 5 предпочтительно представляет собой электродвигатель, выполненный с возможностью вращения вала 15 вокруг своей оси Х1; но он может, в качестве альтернативы, представлять собой гидравлический двигатель, паровую или газовую турбину или любой другой соответствующий двигатель или сборку двигателя.
Кроме того, вал 15 предпочтительно непосредственно приводится в движение от двигателя 5, как описано выше, но может, в качестве альтернативы, приводиться в действие через приводной ремень, зубчатую передачу или другие соответствующие средства передачи (не показаны для простоты).
Корпус 7 содержит также входное отверстие 7I для текучей среды, проточно соединенное с входным отверстием 3I для текучей среды компрессора 3, и выходное отверстие 7U для текучей среды, проточно соединенное с выходным отверстием 3U для текучей среды компрессора 3. Следует отметить, что, в соответствии с вертикальной конфигурацией, входное отверстие 7I для текучей среды и выходное отверстие 7U для текучей среды корпуса 7 расположены одно над другим.
Предпочтительно внутри корпуса 7 под компрессором 3 предусмотрена сборная камера 19, проточно соединенная с входным отверстием 7I для текучей среды самого корпуса 7. Следует отметить, что, если устройство 1 расположено в горизонтальной конфигурации, сборная камера 19 может быть помещена в другое положение, так что в нее сможет поступать текучая среда.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения сборная камера 19 выполнена с возможностью сбора целиком всей текучей среды, возможно поступившей внутрь указанного блока 1 во время этапа установки в погруженном состоянии для того, чтобы избежать по существу проникновения указанной жидкости внутрь компрессора 3.
Таким образом, можно усовершенствовать этап установки (и удаления), в частности можно в значительной степени избежать проникновения жидкости во внутрь компрессорного блока из-за неправильного выполнения операций. В частности, морская вода (когда компрессор находится под водой) особенно опасна для механических элементов самого блока.
В соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения, сборная камера 19 проточно соединена с системой 23 компенсации (см. также описание ниже со ссылкой на Фиг.4) компрессорного блока 1, так что эта камера 19 может быть заполнена частью рабочей текучей среды, для компенсации, по меньшей мере частичной, аксиального давления во время рабочего этапа; при этом другая часть рабочей текучей среды поступает внутрь компрессора 3 для сжатия.
Таким образом, можно реализовать систему компенсации внутри блока без механических фланцев и наружных труб, снижая, тем самым, риск возникновения утечек, что очень важно в случае применения под водой.
Следует отметить, что предпочтительный вариант выполнения включает вышеупомянутые два варианта выполнения, осуществляемые совместно на одном и том же компрессорном блоке; однако не исключено, что эти два варианта выполнения могут быть реализованы по отдельности, в соответствии с конкретными потребностями изготовления или эксплуатации.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, эта камера 19 имеет объем, равный по меньшей мере находящемуся выше по потоку объему, который может быть заполнен жидкостью во время этапа установки (см. описание ниже).
Тем не менее, имеется возможность изменять объем сборной камеры в соответствии с конкретными требованиями, без каких-либо механических ограничений, в частности, нет необходимости изменять длину ротора.
Обычно на нижней стороне камеры 19 преимущественно и предпочтительно выполнено закрытое выходное отверстие 20 для жидкости, или выпускное отверстие; это отверстие 20 может быть открыто для выпуска указанной части жидкости во время этапа установки (см. описание ниже).
В качестве альтернативы, следует отметить, что сборная камера 19 может быть реализована снаружи корпуса 7, но в этом случае механическая сложность и стоимость устройства увеличатся.
В описанной здесь конфигурации корпус 7 имеет внутреннюю поверхность 7Р (см. Фиг.1, 2, 3), а компрессор 3 имеет наружную поверхность Р, отстоящую на расстояние S от внутренней поверхности 7Р корпуса; компрессор 3 может поддерживаться в корпусе 7 посредством радиальной опоры 21, проходящей по окружности вокруг оси Х1 от внутренней поверхности 7Р, причем это радиальная опора имеет несколько отверстий 21F. Эти отверстия 21F могут иметь любую форму, в особенности, могут представлять собой круглые отверстия. Таким образом образуются вышеуказанные проточные проходы от входного отверстия 71 к камере 19.
Тем не менее, этот проточный проход может быть образован по-другому, в соответствии с конкретными потребностями или требованиями, как, например, путем продолжения каналов наружу по отношению к корпусу 7.
На Фиг.4 изображена преимущественная конфигурация настоящего изобретения, в которой система 23 компенсации компрессора 3 проточно соединена с камерой 19 так, что, когда камера 19 заполнена частью рабочей текучей среды, поступившей через входное отверстие 71 во время рабочего этапа, можно скомпенсировать, по меньшей мере частично, аксиальное давление компрессора 3 с помощью этой части рабочей текучей среды; при этом другая часть текучей среды может входить внутрь компрессора.
Система 23 компенсации может содержать по существу компенсирующий поршень 23А, соединенный с валом 15 в непосредственной близости от последнего рабочего колеса 13А компрессора 3, так чтобы он создавал максимальное давление рабочей текучей среды с одной стороны и давление во входном отверстии рабочей текучей среды с противоположной стороны.
На Фиг.4 также изображен компенсирующий поршень 23А, размещенный между указанным последним рабочим колесом 13А и системой 27 подшипников; система 27 подшипников расположена на нижнем конце 15I вала 15 в положении, в котором можно избежать контакта с жидкостью, когда она имеется. Другими словами, система 27 подшипников предпочтительно расположена выше максимального уровня жидкости внутри сборной камеры 19.
Система 27 подшипников может содержать подшипник скольжения и/или упорный подшипник, предпочтительно, эта система подшипников реализована с помощью магнитного подшипника со связанным с ним посадочным подшипником.
Более того, не исключено, что поршень 23А может быть размещен в другом месте на валу 15 или может содержать незначительный механический элемент, в соответствии с конкретными конфигурациями или необходимыми потребностями.
В этой конфигурации радиальная опора 21 может содержать, по меньшей мере частично, внутренний проточный проход или канал 33, проточно соединяющий камеру 19 с системой 23 компенсации; более того, радиальная опора 21 может содержать, по меньшей мере частично, выходную улитку 3I компрессора 3, проточно соединенную с выходным отверстием 7U.
Преимущественно, опора 21 может быть выполнена как одно целое с корпусом 7 (как схематически показано на Фиг.4) или отдельно от корпуса, а затем соединена внутри с самим корпусом.
Фиг.5 схематически изображает предпочтительный вариант выполнения изобретения, в котором наружный сепаратор 37 проточно соединен с вышеуказанным блоком 1 посредством трубы 41; этот сепаратор 37 выполнен с возможностью отделения, по меньшей мере частичного, жидкой части от газообразной части рабочей текучей среды, приходящей из газовой скважины 39 и других источников текучей среды.
В частности, труба 41 соединена с одной стороны с выходным отверстием 37U сепаратора 37, а с другой стороны - с входным отверстием 71 блока 1.
Первый клапан 42А соединен с входным отверстием 7I, второй клапан 42В соединен с выходным отверстием 37U.
Кроме того, на этом чертеже схематически изображена труба 43 высокого давления, проточно соединяющая выходное отверстие 7U блока 1 с производственной трубой (не показана для простоты), и отводящая труба 45, проточно соединяющая указанное выходное отверстие 20 для текучей среды с сепаратором 37, для того, чтобы выпускать жидкую часть рабочей текучей среды во время этапа установки. Во время этапа установки компрессорный блок 1 и сепаратор 37 могут быть установлены на морском дне, а затем проточно соединены друг с другом посредством трубы 41, а с другими устройствами и системами посредством труб 43, 45.
В частности, этап соединения между блоком 1 и сепаратором 43 может быть реализован путем механического соединения трубы 41 с входным отверстием 71 и с выходным отверстием 37U, а затем путем открытия клапанов 42А и 42В. Таким образом, вода, которая заполняет трубу 41, может протекать в сепаратор 43 (труба 41 может быть наклонена для облегчения протекания воды в сепаратор 43), но при этом нельзя исключать, что, по меньшей мере, часть этой воды может попасть внутрь блока 1.
В случае когда, по меньшей мере, часть воды протекает внутрь блока 1, вода затем проходит через длинные проточные проходы, образованные в этом конкретном варианте выполнения указанным пространством S и отверстиями 21F, а затем вода поступает в сборную камеру 1; вода, собранная в камере 19, может быть выпущена путем открытия обычно закрытого выходного отверстия 20 для жидкости.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, указанное рабочее место находится на морском дне, при этом этап (b) включает часть этапа, в которой жидкость, возможно поступившую в блок, отводят в сборную камеру 19 во время этапа установки самого блока, чтобы в значительной степени избежать прохождения указанной жидкости внутрь компрессора 3.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения, во время этапа (с) эксплуатации блока предусмотрена часть этапа для заполнения сборной камеры 19 частью рабочей текучей среды для того, чтобы скомпенсировать, по меньшей мере частично, аксиальное давление компрессора 3 посредством проточных соединений с системой 23 компенсации; при этом другая часть газообразной части входит внутрь компрессора 3 для совершения над ней работы.
Во время рабочего этапа рабочая текучая среда подается из сепаратора 37 в компрессорный блок 1, откуда большая часть текучей среды протекает внутрь компрессора 3, и, одновременно, небольшое количество указанной текучей среды может протекать во внутрь указанных проточных проходов S и 21F для заполнения камеры 19. В компрессоре 3 рабочая текучая среда сжимается и вытекает из выходного отверстия 7U при выходном давлении; в камере 19 рабочая текучая среда собирается для поступления в систему 23 компенсации, как было описано выше.
Очевидно, что Фиг.5 представляет собой лишь возможный вариант выполнения изобретения, который может варьироваться по форме и конструкциям, в соответствии с конкретными промышленными предприятиями или системами. В частности, компрессорный блок 1, выполненный в соответствии с конкретным вариантом выполнения изобретения, может быть использован для работы с кислотным газом для применений на суше, в которых требуется уплотнение компрессора, чтобы в значительной степени избежать выхода кислотного газа из самого блока.
Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают компрессорный блок и способ выполнения технологических операций над рабочей текучей средой для легкого сжатия указанной текучей среды. Механические сложности этих иллюстративных вариантов выполнения относительно низки, что особенно значимо и важно для применений под водой, которые требует безостановочной работы в течение многих лет.
Указанные варианты выполнения также могут быть установлены под дном моря и могут работать в течение многих лет (обычно, в течение многих лет) без остановки и технического обслуживания.
Кроме того, можно использовать эти варианты выполнения и в других промышленных применениях, поддерживая по существу указанные выше преимущества, как, например, для сжатия кислого и кислотного газа или чего-либо другого.
Следует понимать, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены включать альтернативы, модификации и эквиваленты, которые попадают в сущность и объем изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения приведены многочисленные конкретные детали в целях обеспечения полного понимания заявленного изобретения. Тем не менее, специалисты должны понимать, что различные варианты выполнения могут быть осуществлены без таких конкретных деталей.
Несмотря на то что признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в этих вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может быть использован в одиночку, без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, описанными здесь, или без них.
Это описание использует примеры раскрытия изобретения, в том числе лучший режим, а также обеспечивает возможность любому специалисту применять изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Объем охраны изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны для специалистов. Предполагается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы, буквально определенные в формуле изобретения.