Устройство для нагнетания неосушенного газа

Устройство предназначено для использования в области техники для нагнетания неосушенных газов и газовых смесей машинами объемного вытеснения в нефтегазодобыче. Устройство содержит приводной блок, выполненный по кривошипно-шатунной схеме, блок компримирования, включающий камеру сжатия, устройство для ввода газа, устройство для ввода жидкости и нагнетательный клапан. Характерной особенностью является то, что камера сжатия выполнена в виде частично заполненного жидкостью корпуса с профилированной внутренней поверхностью, образующей нижнюю часть с областью движения нагнетателя и узлом для ввода жидкости, сообщенную с последовательно расположенными снизу вверх и примыкающими друг к другу узлами для стабилизации движения жидкости, цилиндрическим, коническим и клапанным участками. Камера сжатия снабжена патрубком для ввода газа, размещенным в полости ее корпуса по вертикальной оси и снабженным в верхней части выпускным клапаном для газа. Узел для стабилизации движения жидкости выполнен в виде переводника с вертикальными каналами и цилиндрического участка корпуса. Патрубок для ввода газа установлен в указанном переводнике. Соотношения размеров отдельных участков камеры сжатия, образованных ее профилируемой внутренней поверхностью, обеспечивают надежную и безопасную работу устройства при нагнетании неосушенных углеводородных газов. 9 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области нагнетания неосушенных газов и газовых смесей машинами объемного вытеснения и может найти применение в области добычи углеводородов при вторичных и третичных способах добычи нефти, связанных с нагнетанием в пласт углеводородных газов, инертных газовых смесей и т.п., а также в технологических процессах, связанных с интенсификацией добычи нефти, а также в ряде других технологических операций в процессе строительства и эксплуатации указанных скважин.

Обычно на нефтепромысле имеется неосушенный газ, температура которого составляет до 40^oС, а давление 1,0-6,0 МПа. В соответствии с технологическими требованиями газ, закачиваемый в скважину, должен иметь давление 20-40 МПа, его температура не должна превышать 80^o С. Требования к осушке газа при этом отсутствуют. В настоящее время отечественное оборудование для нагнетания неосушенного газа по указанным давлениям не выпускается. Поршневые компрессоры высокого давления, выпускаемые в настоящее время за рубежом, имеют высокую стоимость, кроме того, при перекачке неосушенного газа возможно разрушение компрессора. При сжатии газа до указанных давлений его температура может достигать 400°С, в связи с чем для приближения процесса компримирования газа к изотермическому от него должно отводиться тепло, причем охлаждение газа до температуры, требуемой потребителю, при использовании известных технических средств представляет значительные трудности.

При сжатии газа до указанных давлений имеют место его утечки в зону действия нагнетателя, что отрицательно сказывается на работе оборудования, а при перекачке углеводородного газа недопустимо по требованиям пожаро-взрывобезопасности.

Кроме того, использование компрессоров объемного типа (например, поршневых) характеризуется наличием в камере сжатия так называемого «мертвого» пространства - между верхним уровнем перемещения поршня и нагнетательным клапаном, которое снижает объемный КПД компрессора.

Известно оборудование для осуществления процесса сжатия в нескольких последовательно соединенных между собой цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия (см., например, книгу O.K.Витта, Н.Ф.Филипповского и др. Под ред. А.П.Баскакова «Теплотехника», изд. Энергоатомиздат, 1991 года, стр.53 рис.5.10). Такое техническое решение, обладая известными преимуществами, имеет и существенный недостаток - значительное усложнение системы сжатия за счет увеличения количества элементов в ней, что существенно снижает надежность системы в целом, поскольку существует степенная зависимость вероятности отказа системы и количества содержащихся в ней элементов.

Указанная схема также не решает вопросов износа оборудования при перекачке неосушенного газа, пожаро-взрывобезопасности в условиях перекачки неосушенного углеводородного газа, а также устранения «мертвого» пространства в камере сжатия.

Известным техническим решением является также отвод тепла от сжимаемого в компрессоре газа путем охлаждения наружной поверхности цилиндра водой, подаваемой в рубашку, образованную стенками цилиндра (см. указанный выше источник - книгу «Теплотехника», стр.53-55). Однако это техническое решение имеет недостаточно высокую эффективность теплоотвода при высоких давлениях из-за дополнительного термического сопротивления, создаваемого стенками цилиндра.

Известен также целый ряд устройств, реализующий способ охлаждения сжимаемого в компрессоре газа путем впрыска жидкости в камеру сжатия, запатентованный в конце XIX века в Германии (см. пат. Германии №13711, кл. 27 в 14, опубл. в 1880 г.).

В России целый ряд поршневых компрессоров с впрыском охлаждающей жидкости в рабочую камеру разработан и запатентован Омским политехническим институтом (см., например, SU №909285, кл. F 04 B 34/06, 1982 г.; SU №922310, кл. F 04 B 39/06, 1982 г.; SU №947465, кл. F 04 B 39/06, 1980 г.; SU №969966, кл. F 04 B 39/06, 1980 г. и др.).

Недостатком всех этих устройств является то, что при впрыске в камеру сжатия нагнетателя объемного типа большего количества охлаждающей жидкости возможен гидравлический удар, вследствие чего происходит разрушение клапанов и механизма привода нагнетателя и, кроме того, затраты мощности на впрыск охлаждающей жидкости могут составлять более 10% от потребляемой мощности компрессора (см., например, книгу П.И.Пластилина и В.Б.Щербы «Рабочие процессы объемных компрессоров с впрыском жидкости», серия «Итоги науки и техники», ВИНИТИ, Москва, 1996 г., стр.18). Кроме того, недостатком является усложнение конструкции компрессора, увеличение его массы и габаритов.

В какой-то мере описанные выше проблемы решаются применением устройства для квазиизотермического сжатия и перекачки газа, выполненного в соответствии с патентом RU №2151913, кл. F 04 B 35/02, 39/06, 1998 г. (авторы Мартынов В.Н. и Максутов Р.А.).

В соответствии с запатентованным техническим решением устройство для квазиизотремического сжатия и перекачки газа содержит приводной блок, выполненный по кривошипно-шатунной схеме, нагнетатель поршневого типа, камеру сжатия, узел ввода газа (всасывающий газовый клапан), узел ввода жидкости (всасывающий жидкостный клапан) и нагнетательный клапан. Характерной особенностью устройства является наличие в камере сжатия на границе раздела жидкой и газовой фаз плавучей перегородки (в виде плавучего поршня), изготовленной из пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. В процессе компримирования газа происходит нагрев поверхности плавучего поршня, что, в свою очередь, ведет к испарению жидкости с его поверхности и, как следствие, к снижению температуры сжимаемого газа за счет теплоты испарения, чем и достигается квазиизотермический эффект сжатия газа. Благодаря хорошей теплопроводности материала плавучего поршня тепло передается по стенкам пор и капилляров в нижнюю часть поршня, обеспечивая снижение вязкости жидкости в капиллярах и, тем самым, ускорение ее движения в капиллярах вверх и смачивание верхней поверхности поршня.

При известных преимуществах описанное устройство имеет и ряд недостатков, из которых главными являются:

1) недостаточная эффективность охлаждения вследствие относительно небольшой площади контакта плавучего поршня со сжимаемым газом и недостаточная для охлаждения эффективность капиллярного эффекта;

2) возможность засорения капиллярных каналов содержащимися в неосушенном газе или воде твердыми частицами и, таким образом, снижение расхода охлаждающей жидкости;

3) усложнение конструкции компрессионной камеры из-за наличия в ней плавучей проницаемой среды (в виде поршня).

В связи с изложенным основной технической задачей заявляемого технического решения является устранение изложенных выше недостатков и создание такого устройства для нагнетания неосушенного углеводородного газа, конструкция которого обеспечивала бы эффективное охлаждение компримируемого газа и ликвидацию при этом возможности гидравлического удара без усложнения конструкции компрессионной камеры, устранение возможности проникновения компримируемого газа в зону работы нагнетателя и обеспечение, таким образом, пожаро-взрывобезопасности и повышение надежности его работы.

При этом желательно, чтобы устройство имело повышенный объемный КПД за счет устранения «мертвого» пространства в камере сжатия.

Решение поставленной технической задачи представляет собой устройство, содержащее приводной блок, выполненный по кривошипно-шатунной схеме, блок компримирования, включающий нагнетатель, камеру сжатия, устройство для ввода газа или газожидкостной смеси, узел ввода жидкости и нагнетательный клапан. Характерной особенностью компрессора является выполнение камеры сжатия блока компримирования в виде частично заполненного жидкостью корпуса с профилированной внутренней поверхностью, образующей нижнюю часть с областью движения нагнетателя и узлом для ввода жидкости, сообщенную с последовательно расположенными и примыкающими друг к другу узлами для стабилизации движения жидкости, цилиндрическим, коническим и клапанными участками. При этом камера сжатия снабжена профилированным патрубком для ввода газа или газожидкостной смеси, размещенным в полости ее корпуса по вертикальной оси и снабженным в верхней части выпускным клапаном для газа.

Узел для стабилизации движения жидкости выполнен в виде переводника с вертикальными каналами для прохода жидкости, расположенными равномерно по окружности, и цилиндрического участка корпуса, расположенного над указанным переводником. Профилированный патрубок для ввода газа или газожидкостной смеси установлен в указанном переводнике, причем полость патрубка сообщена радиальными каналами, выполненными в переводнике с источником подачи газа. При этом суммарная площадь проходного сечения радиальных каналов составляет не менее площади внутреннего сечения указанного патрубка.

Цилиндрический участок корпуса камеры сжатия, расположенный над устройством для стабилизации жидкости, выполнен с внутренним диаметром, обеспечивающим соотношение:

d _цил.уч. - диаметр цилиндрического участка корпуса;

ω - круговая частота вращения вала кривошипа приводного блока;

d_н - диаметр нагнетателя;

r- плечо кривошипа;

L - длина шатуна;

g - ускорение свободного падения.

Верхняя часть седла выпускного клапана для газа или газожидкостной смеси выполнена конической формы с углом к горизонтальной оси, превышающим 20°, предпочтительно 21-55°.

Нижняя часть седла нагнетательного клапана выполнена конической формы. Наружный диаметр седла выпускного выполнен меньше наружного диаметра седла нагнетательного клапана. При этом объем клапанного участка корпуса камеры сжатия удовлетворяет соотношению:

V_кл.уч. - объем клапанного участка;

π - степень повышения давления;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Суммарный объем клапанного, конического и цилиндрического участков корпуса камеры сжатия по меньшей мере равен 100% объема, описываемого нагнетателем.

Технические признаки заявляемого устройства для нагнетания неосушенного газа могут быть реализованы с помощью средств, используемых в области нагнетания газов машинами объемного вытеснения.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, поскольку обеспечивают решение указанной выше технической задачи - повышение эффективности нагнетания неосушенного газа нагнетателем объемного типа за счет повышения эффективности охлаждения компримируемого газа и за счет повышения надежности конструкции, предотвращающей проникновение компримируемого газа в зону работы нагнетателя.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется примером его выполнения, схематически изображенным на прилагаемом чертеже, на котором показано заявляемое устройство для нагнетания неосушенного газа в продольном разрезе.

Устройство для нагнетания неосушенного газа (см. чертеж) включает приводной блок 1, выполненный по кривошипно-шатунной схеме и блок компримирования, в который входит нагнетатель 3, камера сжатия 4, узел ввода газа 5, узел ввода жидкости 6, сообщенный с насосом для подачи жидкости (не показан) и нагнетательный клапан 7. Камера сжатия 4 выполнена в виде частично заполненного жидкостью корпуса с профилированной внутренней поверхностью, образующей нижнюю часть 8 с областью движения нагнетателя 3 и устройством для ввода жидкости 6. Нижняя часть 8 сообщена с расположенным в ней устройством для стабилизации движения жидкости, в целом обозначенным поз. 9, сообщенным с участком 10, сопряженным с примыкающими друг к другу и последовательно расположенными снизу вверх цилиндрическим участком 11 с объемом V_цил., коническим участком 12 с объемом V_кон.уч. и клапанным участком 13 с объемом V_кл.уч.. Объем, описываемый нагнетателем 3 между нижней мертвой точкой (НМТ) и верхней мертвой точкой (ВМТ), обозначен как V_оп.н.. При этом соблюдается условие:

V_кл.уч.+ V_кон.уч.+V_цил.уч.V_оп.н.

где:

V_кл.уч - объем клапанного участка,

V_кон.уч - объем конического участка,

V_цил.уч - объем цилиндрического участка,

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Указанное соотношение объемов клапанного, конического и цилиндрического участков камеры 4 обусловлено тем, что в указанных участках должна работать стабилизированная (т.е. двигающаяся вертикально) жидкость, иначе возникнет волновое движение жидкости, приводящее к захвату жидкостью гидрозатвора пузырьков газа.

Камера сжатия 4 снабжена патрубком 14 для ввода газа, размещенным в полости ее корпуса по вертикальной оси и снабженным в верхней части выпускным клапаном 15 для газа или газожидкостной смеси.

Устройство для стабилизации движения жидкости 9 выполнено в виде переводника 16 с вертикальными каналами 17, расположенными равномерно по окружности, и цилиндрического участка корпуса 10, расположенного над указанным переводником и предназначенного для разрушения возникающих затопленных струй жидкости и формирования ровного поля вертикальной скорости жидкости. При этом патрубок 14 установлен в переводнике 16, причем полость патрубка сообщена радиальными каналами 18, выполненными в переводнике 16, с кольцевой полостью 19 узла ввода газа 5. Суммарная площадь проходного сечения каналов 18 составляет не менее площади проходного сечения патрубка 14, для исключения дополнительных сопротивлений при проходе газа. Цилиндрический участок корпуса блока компримирования 2, расположенный над устройством для стабилизации движения жидкости 9, выполнен с внутренним диаметром d_цил.уч., обеспечивающим выполнение соотношения:

где:

d_цил.уч. - диаметр цилиндрического участка корпуса;

ω - круговая частота вращения вала кривошипа приводного блока;

d_н - диаметр нагнетателя;

r- плечо кривошипа;

L - длина шатуна;

g - ускорение свободного падения.

Такое соотношение обусловлено тем, что если в цилиндрическом участке 11 корпуса в процессе работы окажутся пузырьки газа, то они всплывут на поверхность. При указанном соотношении сила всплытия сообщает ускорение, большее, чем ускорение жидкости, движимой нагнетателем, что служит меньшему проникновению в нее газа.

Верхняя часть седла выпускного клапана для газа 15 выполнена конической формы, причем угол ее наклона к горизонтальной оси превышает 20°, предпочтительно он находится в пределах 21-55° по условиям движения вверх пузырьков газа.

Нижняя часть седла нагнетательного клапана 7 выполнена конической формы для снижения за счет увеличения проходного сечения скорости прохождения газовой струи.

По соображениям удобства монтажа, обслуживания и замены клапана для газа 15 наружный диаметр его седла выполнен меньше наружного диаметра седла нагнетательного клапана 7.

Объем клапанного участка 13 корпуса камеры сжатия удовлетворяет соотношению:

V_кл.уч. - объем клапанного участка;

π - максимально ожидаемая степень повышения давления;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Указанное соотношение обусловлено тем, что нагнетательный клапан 7 открывается в то время, когда поверхность жидкости, подаваемой нагнетателем 3, находится в коническом участке 12.

Из поставленных авторами экспериментов выяснилось, что если указанная поверхность жидкости не находится в коническом участке, то увеличивается количество проникающего в жидкость газа и заметно снижается производительность устройства за счет увеличения «мертвого» пространства.

Выходной трубопровод 20 устройства сообщен с сепаратором 21 (известного типа), в котором от нагнетаемого газа, содержащего по условиям работы небольшой процент (до 5%) жидкости, отделяется указанная жидкость, которая посредством известного устройства для отвода жидкости (не показано) отводится в жидкостную емкость, а освобожденный от жидкости газ подается к потребителю.

Работа описанного устройства осуществляется следующим образом.

Перед началом работы устройства камера сжатия 4 полностью заполняется жидкостью, подаваемой в нее через узел ввода жидкости 6 насосом (не показан). При этом нагнетатель 3 расположен в крайнем нижнем положении в нижней части 8 камеры сжатия. При выполнении первого такта нагнетания нагнетатель 3 перемещается вверх между уровнями нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ), вытесняя через нагнетательный клапан 7 объем жидкости, равный объему, описываемому нагнетателем 3 - V_оп.н.. Оставшаяся жидкость образует в камере сжатия 4 гиравлический затвор. При выполнении первого такта всасывания нагнетатель 3 движется вниз межу уровнями ВМТ и НМТ, и жидкость гидравлического затвора опускается в соответствии с вытесненным объемом V_оп.н.. Во время выполнения такта всасывания в камеру сжатия 4 через узел ввода газа 5 подается газ от независимого источника. Газ поступает в кольцевую полость 19 и из нее по радиальным каналам 18 в переводнике 16 входит в полость патрубка 14, по которому он поднимается и через выпускной клапан 15 попадает в камеру сжатия 4.

При следующем ходе нагнетания жидкость гидрозатвора перемещается под действием нагнетателя 3 вверх и сжимает газ до требуемого потребителем давления, после чего газ выходит через нагнетательный клапан и проходит через выходной трубопровод в газожидкостный сепаратор 21, в котором от него отделяется жидкость и отводится в емкость (не показана), после чего осушенный газ под требуемым давлением подается потребителю.

При сжатии газа в камере 4 газ охлаждается жидкостью гидрозатвора. При этом часть жидкости (до 5% объема, описываемого нагнетателем) уносится из камеры вместе со сжатым газом. Для поддержания постоянного количества жидкости в гидрозатворе при каждом такте всасывания в камеру сжатия 4 подается через устройство для ввода жидкости 6 компенсирующее количество жидкости. Практика показывает, что такого количество жидкости достаточно для поддержания близкой к первоначальной температуры жидкости гидрозатвора, т.е. реальный процесс сжатия газа в устройстве приближается к политропическому процессу (процессу с постоянной теплоемкостью).

В известных компрессорах сжатие газа практически осуществляется по политропе с показателем n=1,18-1,2, поскольку значение n=1 (для идеальных газов) достичь невозможно.

Исследования, проведенные специалистами компании «РАНКО», показали, что в реализованном в заявляемом устройстве способе сжатия показатель политропы ближе к 1, чем в других известных конструкциях, например, основанных на способе капельного впрыска в камеру сжатия.

Описанная выше конструкция переводника 16 благодаря расположению вертикальных каналов 17 равномерно по окружности и наличию цилиндрического участка корпуса 10 обеспечивает разрушение возникающих при подаче жидкости в камеру 4 затопленных струй и обеспечивает ровное поле вертикальной скорости жидкости, что благоприятно влияет на работу устройства.

Таким образом, образовавшийся в камере сжатия описанным способом гидрозатвор при каждом ходе всасывания пополняется количеством жидкости, равным количеству унесенной через нагнетательный клапан жидкости со сжатым газом.

Гидрозатвор эффективно препятствует проникновению компримируемого газа в зону работы нагнетателя, что стабилизирует работу устройства и обеспечивает пожаро-взрывобезопасность работы при использовании углеводородных газов. При этом температура жидкости в гидрозатворе остается практически постоянной и обеспечивает охлаждение компримируемого газа до требуемой потребителем (ок. 80°С).

1. Устройство для нагнетания неосушенного газа, содержащее приводной блок, выполненный по кривошипно-шатунной схеме, блок компримирования, включающий нагнетатель, камеру сжатия, устройство ввода газа или газожидкостной смеси, узел ввода жидкости и нагнетательный клапан, насос для ввода жидкости, отличающееся тем, что камера сжатия блока компримирования выполнена в виде постоянно заполненного жидкостью корпуса с профилированной внутренней поверхностью, образующей нижнюю часть с областью движения нагнетателя и устройством для ввода жидкости, сообщенную с последовательно расположенными снизу вверх и примыкающими друг к другу устройством для стабилизации движения жидкости, цилиндрическим, коническим и клапанным участками, при этом камера сжатия снабжена профилированным патрубком для ввода газа или газожидкостной смеси, размещенным в полости ее корпуса по вертикальной оси и снабженным в верхней части выпускным клапаном для газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство для стабилизации движения жидкости выполнено в виде переводника с вертикальными каналами для прохода жидкости, расположенными равномерно по окружности, и цилиндрического участка корпуса, расположенного над указанным проводником, предназначенного для разрушения возникающих затопленных струй жидкости и формирования ровного поля вертикальной скорости жидкости.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что профилируемый патрубок установлен в указанном переводнике, причем полость патрубка сообщена радиальными каналами, выполненными в переводнике, с источником подачи газа.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что суммарная площадь проходного сечения каналов подачи газа составляет не менее площади внутреннего сечения указанного патрубка.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрический участок корпуса блока компримирования, расположенный над устройством для стабилизации жидкости, выполнен с внутренним диаметром, обеспечивающим выполнение соотношения

где d_цил.уч. - диаметр цилиндрического участка корпуса;

ω - круговая частота вращения вала кривошипа приводного блока;

d_н - диаметр нагнетателя;

r - плечо кривошипа;

L - длина шатуна;

g - ускорение свободного падения.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя часть седла выпускного клапана выполнена конической формы с углом к горизонтальной оси, превышающим 20°, предпочтительно 21-55°, по условиям движения вверх пузырьков газа.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть седла нагнетательного клапана выполнена конической формы для снижения за счет увеличения проходного сечения скорости всасывания газовой струи.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружный диаметр седла впускного клапана выполнен меньше наружного диаметра седла нагнетательного клапана.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем клапанного участка корпуса камеры сжатия удовлетворяет соотношению

V_кл.уч. - объем клапанного участка;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем;

- степень повышения давления.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что суммарный объем клапанного, конического и цилиндрического участков корпуса камеры сжатия по меньшей мере равен 100% объема, описываемого нагнетателем:

V_кл.уч+V_кон.уч+V_ц.уч≥V_оп.н