RU2259499C1 - Compressor - Google Patents

Abstract

FIELD: positive-displacement machines or pumps.

SUBSTANCE: compressor comprises hydraulic back-pressure valve, compression chamber connected with the reciprocating supercharger and provided with sucking gas valve, valve for supplying fluid for hydraulic back-pressure valve, and delivery valve. The top section of the chamber is provided with unmovable solid permeable insert made of heat conducting material and metallic balls restricted from bellow by metallic grid. The bottom boundary of the solid insert is mounted at a distance from the top point of the compression chamber which is defined by the position of the hydraulic back-pressure valve table at the moment of opening delivery valve.

EFFECT: enhanced efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

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.The present invention relates to the field of compression and pumping of gases and gas-liquid mixtures and, in particular, is a compressor with a water trap for quasi-isothermal (close to isothermal) compression and pumping of gases and gas-liquid mixtures for use in oil and gas production.

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).Known devices for implementing the method of isothermal compression of compressor gas, in which the temperature of the compressible gas is maintained in the range due to the technological requirements for the use of compressed gas by evaporation of the liquid injected into the compression chamber (a. St. USSR No. 706562, class F 04 B 39 / 06, 1979; 779623, class F 04 B 39/06, 1980; 1195048, class F 04 B 39/06, 1985; 1610208, F 04 B 35/02, 1990; and others).

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.For the prototype of the proposed technical solution, a device for implementing the method of quasi-isothermal compression and pumping of gas can be adopted, protected by RF patent No. 2151913 dated June 27, 2000. A device for implementing the method of quasi-isothermal compression and pumping of gas in accordance with this patent includes a compression chamber in communication with a supercharger reciprocating action (piston pump) equipped with a suction gas valve, a fluid supply valve and a discharge valve. In the compression chamber at the interface between the liquid and gas phases, a floating baffle made of a permeable porous material with high thermal conductivity and capillary effect is placed. In the process, the gas compressed in the chamber is cooled due to the evaporation of the liquid from the surface of the capillary channels constantly wetted by the liquid and the ends of the capillary channels of a porous medium having high thermal conductivity.

При очевидных преимуществах указанное устройство имеет и ряд недостатков, из которых главными являются:With obvious advantages, this device has a number of disadvantages, of which the main ones are:

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;1. the possibility of clogging of capillaries and a decrease in the efficiency of the device; in this regard, special preparation of the liquid supplied to the compression chamber is required, which complicates and increases the cost of the device as a whole;

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.2. At high speeds of the supercharger drive, lateral stability of the floating partition can be achieved only by increasing the vertical size of the floating partition, which leads to an increase in hydraulic and mechanical losses.

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.In connection with the foregoing, the main technical problem to which the present invention is directed is to eliminate these drawbacks and create such a compressor with a water seal for liquid mixtures, the design of which would ensure its effective operation by eliminating the possibility of clogging of capillaries and the need for special the preparation of the liquid supplied to the compression chamber, providing during cooling operation of the most heat-loaded section of the compression chamber (upper section), to prevent e transverse instability at high revolutions of the drive of the supercharger of the permeable insert and thereby increasing the overall efficiency of the compressor.

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.To solve the technical problem, a compressor with a water seal for quasi-isothermal compression and pumping of gases and gas-liquid mixtures includes a compression chamber in communication with a reciprocating blower and equipped with a suction gas valve, a liquid supply valve to form a water seal and a discharge valve. The upper part of the compression chamber is equipped with a fixed solid-state permeable insert made of heat-conducting material. This insert is made in the form of a packing of metal balls, bounded below by a metal mesh.

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.The possibility of implementing the claimed technical solution is proved by domestic and foreign practice of using compressors with a water seal for pumping gases and gas-liquid mixtures. Technical features that are distinctive for the inventive compressor (a permeable solid-state insert in the form of a packing of metal balls, a metal mesh bounding the bottom of this insert, etc.) can be implemented using tools used in various fields of technology, including and in the field of drilling, developing and operating oil and gas wells.

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.Distinctive features reflected in the claims are necessary and sufficient for its implementation, because provide a solution to the above technical problem - increasing the efficiency of the compressor with a water lock for quasi-isothermal compression and injection of gases and gas-liquid mixtures.

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.In the future, the claimed technical solution is illustrated by an example of its implementation, schematically shown in the attached drawing, which shows a longitudinal section along the compression chamber of the inventive compressor with a water seal.

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).The inventive compressor comprises a compression chamber 1 connected to a reciprocating volumetric type blower 2, which, by means of a known type of drive device (not shown), can move in the lower part of the compression chamber 1 between the levels of bottom dead center (BDC) and top dead center (TDC) ) The chamber 1 is equipped with a suction gas valve 3, which serves to enter the pumped gas or gas-liquid mixture into the compression chamber, a liquid supply valve 4, which serves to form a water seal, and a discharge valve 5, from which the gas or gas-liquid mixture compressed in the compressor is sent after corresponding processing to the consumer. The upper part of the compression chamber 1 is equipped with a fixed solid-state permeable insert 6 made of a material with high thermal conductivity (for example, metal).

Указанная вставка 6 выполнена в виде набивки из металлических шариков 7 и ограничена снизу металлической сеткой 8.The specified insert 6 is made in the form of a packing of metal balls 7 and is limited from below by a metal mesh 8.

Работа заявляемого компрессора с гидрозатвором осуществляется следующим образом.The operation of the inventive compressor with a water lock is as follows.

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.Before starting work, the compression chamber 1 is completely filled with liquid coming from an independent source through the liquid supply valve 4 to create a water seal. The supercharger 2 is at the same time at the bottom dead center (BDC). When making the first discharge stroke, the supercharger 2 moves between the levels of bottom dead center (BDC) and top dead center (TDC), displacing through the discharge valve 5 from the compression chamber 1 the volume of liquid equal to the volume corresponding to the stroke of the supercharger. The liquid remaining in the compression chamber forms a water trap. Then, the supercharger 2 makes the suction stroke, moving between the levels of TDC and BDC, the level of the water lock in the compression chamber 1 decreases in accordance with the movement of the supercharger down, and the vacant space is occupied by gas (or a gas-liquid mixture) supplied under primary pressure from an independent source (not shown) through the suction gas valve 3. At the same time, through the fluid supply valve 4, a volume of liquid equal to the expected volume of leaks and entrainment of fluid from the hydros is supplied (for example, by a dosing pump - not shown) Thief (from the experimental data it can be up to 5% of the volume of liquid in the water seal). In the next stroke of the supercharger 2, it goes up from the BDC to the TDC, moving up and the liquid column of the hydraulic seal, which compresses the gas or gas-liquid mixture entering the compression chamber, compressing it to the required pressure. The compressed gas is displaced through the discharge valve 5 and is sent to the consumer.

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.When compressed, the temperature of the gas increases significantly. To maintain the process close to isothermal, it is cooled by heat removal to the surface of the water seal and to the walls of compression chamber 1. The upper part of compression chamber 1 is the most heat-loaded.

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.The heat from the gas heated during compression is transferred to the metal (and therefore having high thermal conductivity) balls of the solid-state permeable insert, and thus the temperature of the gas displaced from the compression chamber is approximately equal to the temperature of the gas entering this chamber (i.e., the gas compression process approaches in this case, isothermal). The cooling of the metal balls and the walls of the chamber is carried out by a hydraulic lock fluid, which is cooled by the flow of fluid through valve 4, which compensates for the amount of leakage and entrainment of fluid from the hydraulic lock (up to 5%). The described compressor design is more efficient than the technical solution according to US Pat. RF №2151913, class F 04 B 35/02, 39/06, 1998, as in the claimed design, there is no clogging of the capillaries and the corresponding preparation of the liquid acting on the floating partition is not necessary, there is no need to maintain the lateral stability of the floating partition at high revolutions of the supercharger drive.

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.In addition, the packing of metal balls breaks the stream of gas supplied to the compression chamber under the initial pressure of the gas and prevents perturbation of the upper surface (mirror) of the hydraulic seal and gas penetration into the region of the supercharger, which can lead to failure of its operation.

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.For this purpose, the total height of the porous insert to be set from the relationship h _adt ≥h _z.g.z. where h _vst is the total height of the porous insert, h _hz - removal of the hydraulic lock mirror at the moment of opening the discharge valve.

Claims (3)

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.1. A compressor with a water seal for quasi-isothermal compression and pumping of gases and gas-liquid mixtures, including a compression chamber in communication with a reciprocating blower and equipped with a suction gas valve, a liquid supply valve for forming a water seal and a discharge valve, characterized in that the upper part of the compression chamber in the zone of location of the suction gas and discharge valves, it is made in the form of a truncated cone, equipped with a stationary solid-state permeable insert, made made of heat-conducting material. 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.2. The compressor with a water seal according to claim 1, characterized in that the solid-state permeable insert is made in the form of a packing of metal balls, limited from below and above by a metal mesh. 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 3. The compressor with an odor trap according to claim 1, characterized in that the lower boundary of the solid insert is located on the top of the compression chamber in the region defined by the position of mirrors water seal at the opening of the discharge valve from the condition h _adt ≥h _z.g.z где h_вст - общая высота пористой вставки,where h _stand is the total height of the porous insert, h_з.г.з - удаление зеркала гидрозатвора в момент открытия нагнетательного клапана.h _zhz - removal of a mirror of a hydrolock at the moment of opening of the discharge valve.