RU223079U1 - Компрессорная установка для сжатия газов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для компримирования газов, а именно к компрессорному оборудованию, и может быть использована в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности как в качестве самостоятельного компрессорного агрегата, так и в качестве базового модуля для создания установок повышения давления газов, таких, как газонаполнительные или газоперекачивающие компрессорные станции. Компрессорная установка для сжатия газов включает две секции газового цилиндра с двумя поршнями, которые смонтированы на общем штоке, проходящем через сальники, две пары впускных и нагнетательных клапанов, соединенных с надпоршневыми полостями секций газового цилиндра, при этом впускные клапаны обеспечены возможностью соединения с питающей магистралью низкого давления, а нагнетательные - с емкостью для сбора сжатого газа, вместе с тем подпоршневые полости секций газового цилиндра соединены через обратные клапаны линиями с питающей емкостью для рабочей жидкости, дополнительный гидравлический цилиндр меньшего диаметра, расположенный между двумя секциями газового цилиндра с поршнем, установленным на общем штоке с поршнями секций газового цилиндра, насосную установку, переключатели потока, при этом линии от переключателя потока к гидравлическому цилиндру по обе стороны его поршня соединены с насосной установкой, имеющей линии высокого и низкого давления, насосная установка состоит из двух гидравлических насосов, объединенных приводом от общего электродвигателя. Техническим результатом является повышение КПД устройства и повышение надежности его работы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для компримирования газов, а именно к компрессорному оборудованию, и может быть использована в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности как в качестве самостоятельного компрессорного агрегата, так и в качестве базового модуля для создания установок повышения давления газов, таких, как газонаполнительные или газоперекачивающие компрессорные станции.

Известен гидроприводной компрессор (патент RU №2215187, опубл. 27.10.2003), включающий комбинированный гидравлический и газовый цилиндр, разделенный поперечной перегородкой на две части, с двумя поршнями на едином штоке, причем последний проходит сквозь перегородку, образуя две надпоршневые и две подпоршневые (штоковые) полости. Последние служат гидравлическими секциями, а надпоршневые полости комбинированного цилиндра являются секциями газовыми. К гидравлическим секциям подведены нагнетательные и сливные линии от переключателя потоков (гидрораспределителя). Привод штока гидроцилиндра и поршней, обеспечивающих впуск и сжатие газа, осуществляется гидравлической насосной установкой. Для управления положением золотника гидрораспределителя, соответственно, и движением поршней, служит механизм переключения и досылочные устройства релейного типа.

Недостатком описанной конструкции является низкая производительность по выходу сжатого газа из-за малой скорости штока гидроцилиндра, имеющего одинаковый диаметр с газовыми секциями. Наличие механического переключения и досылочных устройств усложняет конструкцию компрессора, что снижает его эксплуатационную надежность.

Известно также устройство для отвода газа из затрубного пространства нефтяной скважины (патент RU № 2567571, опубл.10.11.2015, бюл. № 31), включающее цилиндр для перекачиваемой жидкости, плунжер в цилиндре, обратные клапаны, расположенные по обе стороны цилиндра и сообщающие полость цилиндра с затрубным пространством скважины. При этом плунжер в цилиндре, размещенном на поверхности, выполнен в виде двух поршней, соединенных штоком, проходящим через сальник цилиндра. По обе стороны сальника к цилиндру через переключатель потока подведены линии для входа и выхода добываемой продукции, одна из которых соединена с выкидным коллектором скважины до разрывной задвижки в коллекторе, а к другой, после нее, подведены газовые линии от затрубного пространства к обоим торцам цилиндра через одну пару обратных клапанов. Через другую пару клапанов торцы цилиндра соединены с выкидным коллектором после разрывной задвижки, причем в торцах цилиндра установлены электрические контакты, соединенные с электромагнитным приводом переключателя потока.

Недостатком этого устройства является низкая производительность по газу в малодебитных по добываемому флюиду скважинах, так как флюид является рабочим агентом для устройства, определяющим число ходов спаренных поршней, а, следовательно, и производительность устройства по газу. Кроме того, невозможно сбалансировать эту производительность по объему выделяющегося в затрубное пространство газа, так как этот баланс зависит не только от соотношения объемов "газ-флюид", но и от соотношения диаметров спаренных поршней и соединяющего их штока. Перечисленные недостатки не позволяют исключить избыточное давление в затрубном пространстве. Помимо этого, не исключено попадание в цилиндр вместе со скважинной жидкостью и накапливание в нем механических примесей (например, песка), которые являются абразивом, нарушающим работу поршней плунжера. И наконец, существенным недостатком этого устройства является и сложность конструкции, что снижает его надежность и работоспособность.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является установка для откачки сепарированного газа из нефтяной скважины (RU 184474 U1, опубл. 29.10.2018, бюл. № 31). Установка включает цилиндр с двумя поршнями, соединенными со штоком, проходящим через сальники, по обе стороны которых к цилиндру через переключатель потока (гидрораспределитель) подведены линии для входа и выхода жидкости, две пары всасывающих и нагнетательных обратных клапанов, соединенных с полостями цилиндра с внешних сторон поршней, всасывающие клапаны которых соединены с затрубным пространством скважины, а нагнетательные - с выкидным коллектором скважины. Между двумя секциями разделенного цилиндра размещен дополнительный цилиндр м ньшего диаметра с поршнем, соединенным с поршнями секций разделенного цилиндра штоками, проходящими через сальники, а подводящие линии от переключателя потока к цилиндру меньшего диаметра по обе стороны его поршня соединены с поверхностным насосом линиями высокого и низкого давления. Полости секций разделенного цилиндра со стороны сальников соединены между собой, а также с питающей емкостью через обратный клапан, причем линия высокого давления поверхностного насоса через предохранительный клапан соединена с питающей емкостью, а линия низкого давления также соединена с питающей емкостью через обратный клапан.

К недостаткам указанного технического решения следует отнести то обстоятельство, что движение поршней газовых цилиндров происходит с постоянной скоростью, и усилие на штоке газового цилиндра пропорционально давлению, создаваемому гидравлическим цилиндром. При этом давление порции сжатого газа, следовательно, и усилие на штоке газового поршня, возрастает по нелинейной зависимости, поэтому бóльшая часть пути поршня происходит с минимальной нагрузкой, и только в конечной точке перемещения поршня насосный агрегат развивает максимальную мощность. Весь предыдущий путь поршня насосный агрегат недогружен, что снижает его КПД и производительность установки в целом.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание компрессорной установки для сжатия газов, обеспечивающей увеличение производительности за счет повышения КПД устройства, а также повышение надежности его работы.

Поставленная задача решается тем, что компрессорная установка для сжатия газов включает две секции газового цилиндра с двумя поршнями, которые смонтированы на общем штоке, проходящем через сальники, две пары впускных и нагнетательных клапанов, соединенных с надпоршневыми полостями секций газового цилиндра, при этом впускные клапаны обеспечены возможностью соединения с питающей магистралью низкого давления, а нагнетательные - с емкостью для сбора сжатого газа, вместе с тем подпоршневые полости секций газового цилиндра соединены через обратные клапаны линиями с питающей емкостью для рабочей жидкости, дополнительный гидравлический цилиндр меньшего диаметра, расположенный между двумя секциями газового цилиндра с поршнем, установленным на общем штоке с поршнями секций газового цилиндра, насосную установку, переключатели потока, при этом линии от переключателя потока к гидравлическому цилиндру по обе стороны его поршня соединены с насосной установкой, имеющей линии высокого и низкого давления, насосная установка состоит из двух гидравлических насосов, объединенных приводом от общего электродвигателя.

Техническим результатом является повышение КПД устройства. Дополнительным техническим результатом является повышение надежности работы устройства.

Насосная установка компрессорной установки выполнена в виде тандема двух гидравлических насосов с приводом от общего электродвигателя. Кроме того, гидравлические насосы могут иметь различную производительность. Помимо этого, каждый из гидравлических насосов снабжен переключателем потоков. Вместе с тем, подпоршневые полости секций газового цилиндра с целью смазки соединены с питающей емкостью линиями со свободным сливом.

Предпочтительный вариант исполнения полезной модели описывается конкретным примером, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность получения технического результата на основе представленной схемы, на которой изображены:

1 и 2 – секции газового цилиндра;

3 и 4 – поршни газового цилиндра;

5 – гидравлический цилиндр;

6 – поршень гидравлического цилиндра;

7 – единый шток;

8 – сальник;

9 – впускной клапан;

10 – нагнетательный клапан;

11 – впускная линия от питающей магистрали;

12 – выпускная линия;

13 и 14 – линии от переключателей потока;

15 – первый переключатель потока;

16 – второй переключатель потока;

17 – предохранительный клапан;

18 и 19 – линии высокого давления от насосов;

20 и 21 – насосы;

22 – электродвигатель;

23 и 24 – датчики (преобразователи) давления;

25 и 26 – манометры;

27 и 28 – всасывающие линии насосов 20 и 21;

29 и 30 – масляные фильтры;

31 – питающая емкость (гидробак);

32 и 33 – линии для смазки секций газового цилиндра;

34 – линия слива (обратная линия);

35 – масляный фильтр;

36 – обратный клапан;

37 – датчик (преобразователь) давления;

38 – газовый фильтр;

39 и 40 – датчики (преобразователи) давления;

41 – обратный клапан линии;

42 – шаровой кран.

Установка включает секции 1 и 2 газового цилиндра, в котором расположены поршни 3 и 4. Между секциями 1 и 2 газового цилиндра размещен гидравлический цилиндр 5 м ньшего диаметра с поршнем 6, соединенным с поршнями 3 и 4 единым штоком 7, проходящими через сальники 8. Секции 1 и 2 газового цилиндра через впускные клапаны 9 соединены впускной линией 11 с питающей газовой магистралью низкого давления (на рисунке не показана), а через нагнетательные клапаны 10 при помощи выпускной линии 12 соединены с коллектором для сбора сжатого газа, например, с газгольдером или баллонами для сжатого газа (на рисунке не показаны). К полостям гидравлического цилиндра 5 по обе стороны его поршня 6 подведены линии 13 и 14 от переключателей потока (гидрораспределителей) 15 и 16, каждый из которых снабжен своим предохранительным клапаном 17. Одновременно к переключателям потока 15 и 16 подходят линии высокого давления 18 и 19 от насосной станции, состоящей из двух насосов 20 и 21. Оба насоса смонтированы в виде тандема, имеющего привод от одного электродвигателя 22. Для контроля и управления работой насосов 20 и 21 предусмотрены установленные на линиях высокого давления 18 и 19 датчики (преобразователи) давления 23 и 24, соединенные с контроллером (на рисунке не показан), а также манометры 25 и 26 для визуального контроля работы установки. Насосы 20 и 21 посредством всасывающих линий 27 и 28, имеющих в своем составе масляные фильтры 29 и 30, соединены с питающей емкостью (гидробаком) 31, заполненной минеральным маслом. Подпоршневые (штоковые) полости секций 1 и 2 газового цилиндра соединены с питающей емкостью 31 линиями 32 и 33, предназначенными для доставки масла к секциям 1 и 2 газового цилиндра с целью осуществления смазки. Линия слива 34 предназначена для возврата рабочей жидкости (масла) в питающую емкость 31 через масляный фильтр 35 при работе установки и переключении режимов работы насосов 20 и 21. Переключатель потока 16 соединен с линией слива 34 через обратный клапан 36. На выпускной линии 12 установлен датчик давления 37. Для очистки поступающего из питающей магистрали газа на впускной линии 10 имеется газовый фильтр 38, а для контроля его загрязненности и работоспособности до и после фильтра установлены датчики давления 39 и 40. В конце выпускной линии 12 установлен обратный клапан 41, а концы впускной 11 и выпускной 12 линий заглушены шаровыми кранами 42.

Установка работает следующим образом.

На первом этапе рабочая жидкость, нагнетаемая одновременно обоими насосами 20 и 21 из питающей емкости 31 (при соответствующем положении золотников переключателей потока 15 и 16) по линиям высокого давления 18 и 19, и в итоге по линии 13, подается в левую полость гидравлического цилиндра 5, вызывая перемещение вправо поршня 6, единого штока 7, а также поршней 3 и 4 секций 1 и 2 газового цилиндра. При этом в надпоршневую полость секции 1 газового цилиндра через впускной клапан 9 по линии 11, в т.ч. с использованием газового фильтра 38, состояние и пропускная способность которого контролируется датчиками давления 39 и 40, из питающей магистрали низкого давления (на рисунке не показана) поступает порция газа. Одновременно в секции 2 газового цилиндра происходит сжатие порции газа, поступившей в секцию ранее в предыдущем цикле. Сначала возрастание давления газа невелико и оба насоса 20 и 21 работают в тандеме и подают максимальный объем рабочей жидкости в гидравлический цилиндр 5, что вызывает увеличение скорости единого штока 7 и поршня 4 до максимума. Нарастание давления газа при сжатии происходит по нелинейной зависимости, поэтому при достижении критического значения давления, при котором начинает падать производительность насосов и возрастает нагрузка на электродвигатель 22, по команде датчика давления 24, настроенного на определенное давление "отсечки", контроллер (на рисунке не показан) активирует переключатель потока 16. Последний переводит работу насоса 21, имеющего, например, меньшую, чем насос 20, производительность, в режим холостого хода, при котором рабочая жидкость из нагнетательной линии 19 напрямую, через нагнетательный клапан 36, сбрасывается в сливную линию 34, и через масляный фильтр 35 возвращается в питающую емкость 31. В результате дальнейшее перемещение поршней гидравлического 6 и газовых 3 и 4 цилиндров замедляется, но усилие на поршне 6 и на штоке 7, развиваемое гидравлическим цилиндром 5, возрастает за счет увеличения пиковой нагрузки на насос 20 и электродвигатель 22, что обеспечивает прирост давления сжимаемого газа в секции 2 на последней части пути поршня 4. Далее, при достижении максимального давления порции сжатого газа, срабатывает нагнетательный клапан 10, и сжатый газ по выпускной линии 12 поступает в емкость для сбора газа (на рисунке не показана). В процессе сжатия порции газа в подпоршневой (штоковой) полости секции 2 газового цилиндра создается разрежение, и по свободно проложенной линии 33 из питающей емкости 31 поступает порция рабочей жидкости (минерального масла) для смазки зеркала секции 2 газового цилиндра. В следующем цикле, когда все поршни начинают движение в обратном направлении, эта порция смазки выдавливается обратно в питающую емкость 31, а в секцию 1 газового цилиндра поступает таким же образом смазка по линии 32. Цикл работы установки завершается выпуском порции сжатого газа из секции 2 газового цилиндра через выпускную линию 12, при этом срабатывает датчик давления 37 и подает сигнал на переключатели потока (гидрораспределители) 15 и 16, которые переводят насос 21 из режима холостого хода в рабочий режим и перенаправляют рабочую жидкость от тандема насосов 20 и 21 по линии 14 в правую полость гидравлического цилиндра 5, вызывая перемещение всех поршней влево. Затем цикл работы установки повторяется.

Работа гидравлических насосов различной производительности в тандеме с временным переводом одного из них в режим холостого хода позволяет увеличить производительность установки за счет повышения давления сжимаемого газа на выходе и повышения КПД электропривода и установки в целом. Некоторое усложнение конструкции, вызванное необходимостью установки второго гидравлического насоса и дополнительного гидрораспределителя, в сравнении с прототипом, многократно окупается повышением производительности и автоматизацией процесса, снижающей количество обслуживающего персонала и производственные затраты. Постоянная смазка секций газового цилиндра повышает эксплуатационную надежность установки.

Приведенный выше вариант конкретного выполнения предлагаемого технического решения не является единственно возможным. Элементы заявленной конструкции могут быть изготовлены промышленным способом с использованием современных материалов и технологий на предприятиях, выпускающих комплектующие узлы для компрессорной техники. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определяемой прилагаемой формулой.

Claims (2)

1. Компрессорная установка для сжатия газов, включающая две секции газового цилиндра с двумя поршнями, которые смонтированы на общем штоке, проходящем через сальники, две пары впускных и нагнетательных клапанов, соединенных с надпоршневыми полостями секций газового цилиндра, при этом впускные клапаны обеспечены возможностью соединения с питающей магистралью низкого давления, а нагнетательные - с емкостью для сбора сжатого газа, при этом подпоршневые полости секций газового цилиндра соединены линиями с питающей емкостью для рабочей жидкости, дополнительный гидравлический цилиндр меньшего диаметра, расположенный между двумя секциями газового цилиндра с поршнем, установленным на общем штоке с поршнями секций газового цилиндра, насосную установку, переключатели потока, при этом линии от переключателя потока к гидравлическому цилиндру по обе стороны его поршня соединены с насосной установкой, отличающаяся тем, что насосная установка состоит из двух гидравлических насосов, имеющих различную производительность, объединенных приводом от общего электродвигателя, причем каждый из гидравлических насосов снабжен переключателем потоков, что позволяет перевести один из насосов во временный режим холостого хода.

2. Компрессорная установка для сжатия газов по п.1, отличающаяся тем, что подпоршневые полости секций газового цилиндра соединены с питающей емкостью линиями со свободным сливом.