УСТРОЙСТВО ДОЗИРОВАНИЯ
DOSING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для дозированного введения в трубопровод различных составов, может использоваться в нефтегазовой промышленности, в технологических и магистральных трубопроводах, в трубопроводах жилищно-коммунального хозяйства, в частности, может использоваться в дозаторах для введения реагентов в трубу с газожидкостной смесью, жидкостью или газом.
Известно устройство для дозировки реагента в трубопровод по патенту РФ на изобретение №2300697, F17D 3/12, 2007. Устройство содержит трубопровод, запорную арматуру, контейнер, изогнутую трубку для подачи жидкости из трубопровода в контейнер. Открытый конец трубки размещен в трубопроводе против потока жидкости. Трубка для подачи реагента соединяет контейнер с трубопроводом. Контейнер размещен горизонтально, в нем герметично размещен поршень. Трубопровод за изогнутой трубкой по потоку жидкости оснащен сужением. Контейнер снизу перед поршнем снабжен стравливающим каналом, соединенным с атмосферой. Недостатком является сложность конструкции, необходимость установки уплотнений в подвижных узлах, что снижает надежность устройства. Кроме того, не исключено попадание нефти из трубопровода в контейнер с поршнем, что может привести к взрыву. Это снижает безопасность использования и надежность. Необходимость периодического слива жидкости из контейнера через стравливающий канал снижает технологичность процесса дозирования реагента.
По патенту РФ на изобретение №2442020, F04B 13/00, 2012 известен дозатор подачи реагента в трубопровод, содержащий встроенное в трубопровод суживающее устройство, резервуар для реагента, соединительные трубки. Дозатор снабжен линейным гидромотром и дозирующим гидроцилиндром. Шток гидромотора соединен с плунжером дозирующего гидроцилиндра. Рабочие полости дозирующего гидроцилиндра соединены через клапаны с резервуаром для реагента и трубопроводом. Недостатком является необходимость в ручном или автоматическом управлении распределителем гидроцилиндра, наличие уплотнений гидросистемы, что создает сложность в использовании и снижает надежность устройства.
В качестве ближайшего аналога для обоих вариантов заявляемого технического решения выбран патент РФ на полезную модель №119019, Е21В 37/06, 2012. Дозировочная насосная установка включает насос-дозатор, привод насоса-дозатора, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, автоматизированную систему управления, систему энергообеспечения, бак для реагента. В систему энергообеспечения входит электрогенератор с приводом от крыльчатки. Электрогенератор установлен на выкидной линии нефтяной или газовой скважины, крыльчатка работает от потока перекачиваемых жидкости или газа. Недостатком является то, что движение от крыльчатки передается на электрогенератор, где вырабатывается электроэнергия, от которой работает привод насоса-дозатора. Сложность конструкции, наличие большого количества промежуточных узлов снижает надежность устройства. Кроме того, надежность снижается из-за использования в системе аккумулятора, нагревательных элементов реагента, блока управления источниками питания, а также секции системы энергообеспечения. Данные факторы также могут привести к снижению безопасности изделия, при нагреве какой-либо из частей и возникновении угрозы взрывоопасности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности устройства и безопасности его работы.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для дозированного ввода реагента в трубопровод, содержащем насос, соединенный с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, и привод насоса, согласно изобретению оно снабжено внешним корпусом, устанавливаемым в трубопровод, и внутренним корпусом, привод насоса выполнен в виде лопаточной машины, рабочее колесо которой размещено во внешнем корпусе и связано с валом с помощью магнитной муфты, а вал размещен во внутреннем корпусе, причем на рабочем колесе лопаточной машины закреплена наружная полумуфта магнитной муфты, на валу лопаточной машины закреплена внутренняя полумуфта магнитной муфты, а стенка внутреннего корпуса выполнена из немагнитного материала и служит экраном между магнитными полумуфтами, при этом на валу лопаточной машины установлен кулачок, связанный со штоком насоса, корпус которого герметично соединен с внешним и внутренним корпусами. По второму варианту на валу лопаточной машины закреплена внутренняя полумуфта магнитной муфты и редуктор, на выходном валу редуктора установлен кулачок, связанный со штоком насоса.
Во внешнем корпусе со стороны лопаток рабочего колеса может быть установлен элемент, уменьшающий проходное сечение потока среды во внешнем корпусе.
На внешнем корпусе может быть выполнен патрубок ввода, соединенный с нагнетательным трубопроводом.
Насос может быть снабжен регулятором хода плунжера.
Кулачок может быть связан со штоками двух или более насосов.
Лопаточная машина может быть снабжена дополнительными рабочими колесами, жестко связанными между собой.
Технический результат обеспечивается тем, что приводом насоса устройства дозирования является лопаточная машина, работающая непосредственно от движения потока газожидкостной смеси, перекачиваемой по трубопроводу. Лопаточная машина преобразует энергию движущейся среды в энергию вращающегося вала при прохождении среды через рабочее колесо лопаточной машины. Рабочее колесо с лопатками лопаточной машины размещено во внешнем корпусе, который устанавливается в трубопровод и становится участком трубопровода. При помощи магнитной муфты движение рабочего колеса турбины передается на вал, от которого через кулачок приводит в действие шток насоса устройства дозирования. Таким образом, работа привода насоса от энергии потока продукта, перемещающегося по трубопроводу, позволяет повысить надежность устройства за счет исключения из конструкции промежуточных узлов в виде электрогенератора, гидромоторов и гидроцилиндров, указанных в аналогах. Использование кинетической энергии, протекающей по трубопроводу жидкой и/или газовой среды, исключает необходимость применения дополнительного внешнего источника энергии, в том числе, электрического.
Вал лопаточной машины установлен во внутренний герметичный корпус, который находится в потоке перекачиваемой среды. Передача внутреннему валу движения от наружного рабочего колеса осуществляется при помощи магнитной муфты с использованием стенки внутреннего корпуса в качестве экрана между полумуфтами магнитной муфты. Это позволяет при передаче движения валу сохранить целостность герметичного внутреннего корпуса, в котором размещены звенья механической передачи движения плунжеру насоса. Исключается попадание перекачиваемой жидкости внутрь полости насоса, исключается чрезмерное нагревание всех частей устройства. Экран исключает возможность проникновения искр, образованных механическим путем, из внутреннего корпуса в полость с рабочей средой, которой является легковоспламеняющаяся жидкость и/или газ. Механические части устройства, помещенные в герметичный корпус, не являются источниками открытого пламени, не способствуют образованию горячих газов и жидкостей из состава рабочей жидкости и/или газа. Все части устройства изготовлены из материалов, не аккумулирующих статическое электричество, для исключения разрядов статического электричества. Все это повышает надежность и безопасность работы дозатора в целом.
Корпус насоса герметично соединен с внешним и внутренним корпусом и вынесен из зоны прохождения потока. Это дает возможность не использовать в конструкции изнашивающиеся уплотнения, предотвращающие перетекание жидкой, газовой или газожидкостной среды при движении подвижных элементов, что повышает надежность работы дозатора.
При использовании радиальной или радиально-осевой турбины во внешнем корпусе со стороны турбины может быть установлен кольцеобразный сужающий элемент, обеспечивающий надежную работу рабочего колеса за счет создания направленного усилия, действующего на лопатки колеса. Сужающий элемент уменьшает проходное сечение потока среды во внешнем корпусе. При использовании осевой турбины сужающий элемент не применяется.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства дозирования с редуктором.
На фиг. 2 представлено устройство дозирования с регулятором хода плунжера.
На фиг. 3 приведено устройство дозирования с двумя насосами.
На фиг. 4 приведено устройство дозирования с двумя рабочими колесами турбины.
На фиг. 5 представлен общий вид устройства дозирования без редуктора.
Устройство дозирования содержит насос 1, связанный всасывающим трубопроводом 2 с емкостью с реагентом или с устройством, содержащим жидкость и/или газ для дозированной подачи. Насос 1 связан нагнетательным трубопроводом 4 с патрубком входа 5. На всасывающем трубопроводе 2 установлен обратный входной клапан 6, на нагнетательном трубопроводе 4 установлен обратный нагнетательный клапан 7, патрубок входной может быть снабжен обратным клапаном 8. Корпус 9 насоса 1 соединен с внешним корпусом 10. Внешний корпус 10 устанавливается в трубопровод 12 с протекающей жидкостью и/или газом. Во внешнем корпусе 10 установлено рабочее колесо 11 лопаточной машины с лопатками 13. На рабочем колесе 11 установлена наружная магнитная полумуфта 14. Рабочее колесо 11 установлено на подшипниках (не показаны) на внутреннем корпусе 16. Вал 17 лопаточной машины, расположенный во внутреннем корпусе 16, снабжен внутренней магнитной полумуфтой 18. Экраном 19 между магнитными полумуфтами 14 и 18 является немагнитный материал стенки внутреннего корпуса 16. На валу 17 лопаточной машины установлен кулачок 22. На валу 17 может быть установлен редуктор 20. Выходной вал редуктора соединен с тихоходным валом 21. На тихоходном валу 21 по второму варианту установлен кулачок 22. В обоих вариантах кулачок 22 связан через ролик 23 с осью 24, установленной в проушинах штока 25 насоса 1. В корпусе 9 насоса 1 установлена пружина сжатия 35, поджимающая шток 25, соединенный с плунжером 26. В корпусе насоса 1 выполнен входной канал 27, соединенный с всасывающим трубопроводом 2, и нагнетательный канал 28, связанный с нагнетательным трубопроводом 4. Внутренний корпус 16 выполнен снаружи с одного конца обтекаемой формы для расположения его в набегающем потоке. Однако жидкость может двигаться в любом из двух направлений, и в набегающем потоке может располагаться рабочее колесо турбины. С другой стороны внутреннего корпуса 16 за рабочим колесом 11 установлен сужающий элемент 29, который уменьшает проходное сечение внешнего корпуса 10. Между поверхностью сужающего элемента 29 и поверхностями лопаток 13 рабочего колеса 11 образованы каналы для прохода потока среды. При необходимости, в корпусе 9 насоса 1 может быть выполнен паз 30, в котором установлен штифт 31, прикрепленный к штоку 25. На наружной стороне корпуса 9 на резьбе 32 установлен регулятор хода плунжера 33 с опорным буртиком 34. Шток 25 поджимается пружиной 35 и может быть герметизирован шевронным уплотнением 36.
Устройство дозирования работает следующим образом.
Газожидкостная смесь или жидкая, или газовая среда, перемещаясь по трубопроводу 12, попадает во внешний корпус 10, встроенный в трубопровод 12. Во внешнем корпусе 10 установлен внутренний корпус 16 с герметичной внутренней полостью. Во внутренней полости корпуса 16 размещены узлы и элементы, защищенные от воздействия перекачиваемой среды. Перемещаясь по участку во внешнем корпусе 10, поток среды огибает обтекаемую форму внутреннего корпуса 16 и попадает в канал, образуемый поверхностью сужающего элемента 29 и поверхностями лопаток 13 рабочего колеса 11 лопаточной машины. Лопаточная машина может быть выполнена в виде турбины. Сужающие элементы 29 уменьшают проходное сечение потока во внешнем корпусе 10. В результате силового воздействия на лопатки 13 поток среды вращает рабочее колесо 11 лопаточной машины с прикрепленной к нему наружной магнитной полумуфтой 14. Наружная магнитная полумуфта 14 передает посредством бесконтактной магнитной связи крутящий момент через герметичный экран - стенку внутреннего корпуса 16 на внутреннюю магнитную полумуфту 18. Внутренний корпус 16 выполнен в виде герметичной оболочки из немагнитного материала. Полумуфта 18 вращает вал 17 лопаточной машины, на котором установлен кулачок 22. По второму варианту полумуфта 18 вращает вал 17, на котором установлен редуктор 20. Редуктор 20 применяется, например, при необходимости увеличения максимального предела давления дозируемой жидкости и/или газа насоса 1 в нагнетательный трубопровод 4. Давление жидкости и/или газа в нагнетательном трубопроводе 4 повышается за счет увеличения крутящего момента кулачка 22. Редуктор 20 передает вращение выходному тихоходному валу 21 в соответствии со своими передаточными числами, в результате чего выходной тихоходный вал 21 вращается с меньшей частотой, но большим крутящим моментом по сравнению с валом 17 лопаточной машины. При вращении тихоходного вала 21 вращается установленный на нем кулачок 22. Кулачок 22 через ролик 23 и ось 24 связан со штоком 25 насоса 1. Шток 25 возвратно-поступательно перемещается внутри корпуса насоса 9. При этом при возрастающем радиусе вращающегося кулачка 22 шток 25 движется от кулачка 22, а при убывающем радиусе шток 25 движется в сторону кулачка 22 под действием пружины сжатия 35. Пружина сжатия 35 упирается с одной стороны в торец штока 25, а с другой стороны во внутренний торец корпуса 9 насоса 1. В случае необходимости пружина сжатия 35 может упираться с одной стороны также в торец штока 25, а с другой в торец шевронного уплотнения. В этом случае применение пружины 35 направлено на выполнение двух функций. Во-первых, позволяет возвращать шток 25 в исходное положение для начала нового цикла его работы, во-вторых, поджимает шевронное уплотнение 36 и обеспечивает герметичность при работе штока 25. Шевронное уплотнение 36 может быть установлено для предотвращения протечек перекачиваемой жидкости из входного канала 27 и нагнетательного канала 28 насоса 1 во внутренний объем внутреннего корпуса 16. Плунжер 26 возвратно-поступательно перемещается в корпусе насоса 9. При увеличении внутреннего объема насоса 1, включающего объем входного канала 27 и нагнетательного канала 28, обратный входной клапан 6 открывается, обратный нагнетательный клапан 7 закрывается. Из емкости с реагентом по всасывающему трубопроводу 2 перекачиваемый продукт через входной канал 27 поступает во внутреннюю полость насоса 1. Далее при уменьшении предварительно заполненного внутреннего объема насоса 1, обратный нагнетательный клапан 7 открывается, обратный входной клапан 6 закрывается. Дозируемая жидкость по нагнетательному трубопроводу 4 через обратный клапан 8 поступает на ввод в трубопровод 12 через патрубок входа 5 и перемешивается с рабочей средой.
Насос может быть снабжен регулятором хода плунжера 33. Регулятор хода плунжера 33 с опорным буртиком 34 перемещается по резьбе 32 вдоль направления движения штока 25. В корпусе 9 установлен штифт 31, прикрепленный к штоку 25 и проходящий через паз 30. Регулятор хода плунжера 33 с буртиком 34 устанавливают в определенном положении. Буртик 34 под усилием воздействия пружины сжатия 35 ограничивает возврат штока 25. Этим достигается возможность регулирования расхода перекачиваемой жидкости за счет регулирования хода плунжера 26. Для увеличения мощности насоса 1 турбина может быть снабжена двумя или более рабочими колесами, жестко связанными между собой. При этом сужающие элементы 29, ограничивающие проходное сечение потока, установлены так, что между всеми лопатками 13 рабочих колес 11 и поверхностями сужающих элементов 29 образованы каналы для прохода транспортируемого по трубопроводу 12 продукта.
При необходимости кулачок 22 может быть соединен с двумя или более роликами 23, связанными с двумя или более штоками 25 двух или более насосов, расположенных радиально вокруг вала 17 лопастной машины или вокруг тихоходного вала 21 во втором варианте исполнения устройства дозирования.
При необходимости патрубок ввода 5 может быть расположен не на внешнем корпусе 10, а непосредственно на трубопроводе 12, или на корпусе иного трубопровода, или на корпусе иной емкости, куда необходимо ввести реагент. Для решения определенных технических задач реагент может быть введен в затрубное пространство. Кроме того, при всех вышеперечисленных вариантах исполнения всасывающий трубопровод 2, соединенный с насосом 1, может быть соединен с линией забора продукта, отбираемого из трубопровода 12.
Использование магнитных полумуфт 14 и 18 с экраном 19 из немагнитного материала внутреннего корпуса 16, использование механических передач и герметичное их расположение внутри корпуса 16 позволяет использовать в качестве привода насоса 1 лопаточную машину, работающую от энергии потока перекачиваемого продукта. Лопаточную машину изготавливают из материала, исключающего возникновение искр, образующихся механическим путем, например, из алюминиевого сплава, содержание магния в котором не более 7,5%. Устройство может применяться во взрывоопасных зонах и при установке в трубопроводы с протекающими легковоспламеняющимися жидкостями.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность и безопасность устройства дозирования.