Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газа и газожидкостных смесей

Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газа и газожидкостных смесей

Реферат

Настоящее изобретение относится к области сжатия и перекачки газов и газожидкостных смесей и, в частности, представляет собой компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического (близкого к изотермическому) сжатия и перекачки газов и газожидкостных смесей для использования при добыче нефти и газа.

Известны устройства для реализации способа изотермического сжатия газа компрессора, при котором температура сжимаемого газа поддерживается в диапазоне, обусловленном технологическими требованиями применения сжатого газа за счет испарения жидкости, впрыскиваемой в камеру сжатия (а. св. СССР №№706562, кл. F 04 B 39/06, 1979 г.; 779623, кл. F 04 B 39/06, 1980 г.; 1195048, кл. F 04 B 39/06, 1985 г.; 1610208, F 04 B 35/02, 1990 г. и другие).

За прототип предлагаемого технического решения может быть принято устройство для реализации способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа, защищенное патентом РФ №2151913 от 27.06.2000 г. Устройство для осуществления способа кваиизотермического сжатия и перекачки газа в соответствии с этим патентом включает камеру сжатия, сообщенную с нагнетателем возвратно-поступательного действия (поршневой насос), оснащенную всасывающим газовым клапаном, клапаном подачи жидкости и нагнетательным клапаном. В камере сжатия на границе раздела жидкой и газовой фаз размещена плавучая перегородка, изготовленная из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. В процессе работы сжимаемый в камере газ охлаждается за счет испарения жидкости с поверхности постоянно смачиваемых жидкостью капиллярных каналов и торцов капиллярных каналов пористой среды, имеющей высокую теплопроводность.

При очевидных преимуществах указанное устройство имеет и ряд недостатков, из которых главными являются:

1. возможность засорения капилляров и снижение эффективности действия устройства; в связи с этим требуется специальная подготовка жидкости, подаваемой в камеру сжатия, что усложняет и удорожает устройство в целом;

2. на высоких оборотах привода нагнетателя поперечная устойчивость плавучей перегородки может быть достигнута только увеличением вертикального размера плавучей перегородки, что ведет к росту гидравлических и механических потерь.

В связи с изложенным, основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков и создание такого компрессора с гидрозатвором для жидкостных смесей, конструкция которого обеспечивала бы его эффективную работу за счет исключения возможности засорения капилляров и необходимости в связи с этим специальной подготовки жидкости, подаваемой в камеру сжатия, обеспечение при работе охлаждения наиболее теплонагруженного участка камеры сжатия (верхнего участка), предотвращение поперечной неустойчивости на высоких оборотах привода нагнетателя проницаемой вставки и тем самым повышение эффективности работы компрессора в целом.

Для решения поставленной технической задачи компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газов и газожидкостных смесей включает камеру сжатия, сообщенную с нагнетателем возвратно-поступательного действия и оснащенную всасывающим газовым клапаном, клапаном подачи жидкости для образования гидрозатвора и нагнетательным клапаном. Верхняя часть камеры сжатия снабжена неподвижной твердотельной проницаемой вставкой, изготовленной из теплопроводного материала. Эта вставка выполнена в виде набивки из металлических шариков, ограниченной снизу металлической сеткой.

Возможность осуществления заявляемого технического решения доказывается отечественной и зарубежной практикой применения компрессоров с гидрозатвором для нагнетания газов и газожидкостных смесей. Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого компрессора (проницаемая твердотельная вставка в виде набивки из металлических шариков, металлическая сетка, ограничивающая снизу эту вставку, и т.д.), могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники, в том числе и в области бурения, освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной выше технической задачи - повышение эффективности работы компрессора с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и нагнетания газов и газожидкостных смесей.

В дальнейшем заявляемое техническое решение поясняется примером его выполнения, схематически изображенном на прилагаемом чертеже, на котором приведен продольный разрез по камере сжатия заявляемого компрессора с гидрозатвором.

Заявляемый компрессор содержит камеру сжатия 1, соединенную с нагнетателем объемного типа возвратно-поступательного действия 2, который посредством приводного устройства известного типа (не показано) может перемещаться в нижней части камеры сжатия 1 между уровнями нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ). Камера 1 оснащена всасывающим газовым клапаном 3, служащим для поступления в камеру сжатия перекачиваемого газа или газожидкостной смеси, клапаном подачи жидкости 4, служащим для образования гидрозатвора, и нагнетательным клапаном 5, от которого сжатый в компрессоре газ или газожидкостная смесь направляется после соответствующей обработки потребителю. Верхняя часть камеры сжатя 1 снабжена неподвижной твердотельной проницаемой вставкой 6, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью (например, из металла).

Указанная вставка 6 выполнена в виде набивки из металлических шариков 7 и ограничена снизу металлической сеткой 8.

Работа заявляемого компрессора с гидрозатвором осуществляется следующим образом.

Перед началом работы камера сжатия 1 полностью заполняется жидкостью, поступающей от независимого источника через клапан подачи жидкости 4 для создания гидрозатвора. Нагнетатель 2 находится при этом на уровне нижней мертвой точки (НМТ). При совершении первого хода нагнетания нагнетатель 2 перемещается между уровнями нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ), вытесняя через нагнетательный клапан 5 из камеры сжатия 1 объем жидкости, равный объему, соответствующему ходу нагнетателя. Оставшаяся в камере сжатия жидкость образует гидрозатвор. Затем нагнетатель 2 совершает ход всасывания, перемещаясь между уровнями ВМТ и НМТ, уровень гидрозатвора в камере сжатия 1 снижается в соответствии с перемещением нагнетателя вниз, а освободившееся место занимает газ (или газожидкостная смесь), подаваемый под первичным давлением от независимого источника (не показан) через всасывающий газовый клапан 3. Одновременно через клапан подачи жидкости 4 в камеру сжатия подается (например, дозировочным насосом - не показан) объем жидкости, равный ожидаемому объему утечек и уноса жидкости из гидрозатвора (по экспериментальным данным он может составлять до 5% от объема жидкости в гидрозатворе). При следующем ходе нагнетателя 2 он идет вверх от НМТ к ВМТ, перемещая вверх и столб жидкости гидрозатвора, который сжимает поступивший в камеру сжатия газ или газожидкостную смесь, сжимая его до требуемого давления. Сжатый газ вытесняется через нагнетательный клапан 5 и направляется к потребителю.

При сжатии температура газа значительно увеличивается. Для поддержания процесса близким к изотермическому охлаждение его осуществляется за счет теплоотвода к поверхности гидрозатвора и в стенки камеры сжатия 1. При этом наиболее теплонагруженной является верхняя часть камеры сжатия 1.

Тепло от нагреваемого при сжатии газа передается металлическим (а следовательно, обладающим высокой теплопроводностью) шарикам твердотельной проницаемой вставки, и, таким образом, температура вытесняемого из камеры сжатия газа приблизительно равна температуре газа, входящего в эту камеру (т.е. процесс сжатия газа приближается в этом случае к изотермическому). Охлаждение металлических шариков и стенок камеры осуществляется жидкостью гидрозатвора, которая охлаждается за счет поступления через клапан 4 жидкости, компенсирующей объем утечек и уноса жидкости из гидрозатвора (до 5%). Описанная конструкция компрессора более эффективна, чем техническое решение по пат. РФ №2151913, кл. F 04 B 35/02, 39/06, 1998 г., т.к. в заявляемой конструкции не происходит засорение капилляров и не нужна соответствующая подготовка жидкости, воздействующей на плавучую перегородку, нет необходимости поддержания поперечной устойчивости плавучей перегородки на высоких оборотах привода нагнетателя.

Кроме того, набивка из металлических шариков разбивает струю подаваемого в камеру сжатия под первоначальным давлением газа и предотвращает возмущение верхней поверхности (зеркала) гидрозатвора и проникновение газа в область нагнетателя, которое может привести к срыву его работы.

Для этого общая высота пористой вставки должна устанавливаться из соотношения h_вст≥h_з.г.з. где h_вст - общая высота пористой вставки, h_з.г.з. - удаление зеркала гидрозатвора в момент открытия нагнетательного клапана.

1. Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газов и газожидкостных смесей, включающий камеру сжатия, сообщенную с нагнетателем возвратно-поступательного действия и оснащенную всасывающим газовым клапаном, клапаном подачи жидкости для образования гидрозатвора и нагнетательным клапаном, отличающийся тем, что верхняя часть камеры сжатия в зоне расположения всасывающего газового и нагнетательного клапанов выполнена в форме усеченного конуса, снабжена неподвижной твердотельной проницаемой вставкой, изготовленной из теплопроводного материала.

2. Компрессор с гидрозатвором по п.1, отличающийся тем, что твердотельная проницаемая вставка выполнена в виде набивки из металлических шариков, ограниченной снизу и сверху металлической сеткой.

3. Компрессор с гидрозатвором по п.1, отличающийся тем, что нижняя граница твердотельной вставки расположена от верхней точки компрессионной камеры на расстоянии, определяемом положением зеркала гидрозатвора в момент открытия нагнетательного клапана из условия h_вст≥h_з.г.з

где h_вст - общая высота пористой вставки,

h_з.г.з - удаление зеркала гидрозатвора в момент открытия нагнетательного клапана.