установка для перекачивания газожидкостной смеси

Формула изобретения

1. Установка для перекачивания газожидкостной смеси, содержащая по меньшей мере два полых рабочих цилиндра с рабочей жидкостью, циркуляционный насос с нагнетательным и приемным патрубками, подключенные к нижней части рабочих цилиндров и нагнетательному патрубку циркуляционного насоса трубопроводы с подающими клапанами с приводами, сообщенные с нижней частью рабочих цилиндров и приемным патрубком циркуляционного насоса трубопроводы с дренажными клапанами с приводом, соединенные с верхней частью рабочих цилиндров трубопроводы для входа и выхода перекачиваемой смеси с размещенными на них обратными клапанами, отличающаяся тем, что она снабжена программным процессором, имеющим входной и выходной терминалы, на нагнетательном патрубке циркуляционного насоса установлено средство для контроля расхода рабочей жидкости с преобразователем, связанным электрически с входным терминалом процессора, а приводы подающих и дренажных клапанов связаны с выходным терминалом процессора посредством электрического сигнала.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками давления, установленными в верхней и нижней частях каждого рабочего цилиндра и связанными электрически с входным терминалом процессора.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что циркуляционный насос представляет собой насос динамического действия.

4. Установка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что преобразователь средства для контроля расхода рабочей жидкости представляет собой аналого-цифровой преобразователь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к насосным установкам, используемым преимущественно в нефтедобывающей промышленности для перекачивания продукции скважин.

Известна насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси, включающая насос, содержащий корпус с размещенной внутри него проточной частью с винтовой парой и подшипниковыми опорами, приемным и выходным патрубками, устройство уплотнения проточной части и буферные камеры, привод (см. проспект фирмы Leistritz "Технология многофазных насосов для берегового, морского и подводного применения". Drucksache 1.2-12rus 7/97 2" FD).

Недостатком данной установки являются ее конструктивная сложность, ненадежность в работе, высокая чувствительность к наличию в перекачиваемой смеси абразивных загрязнений, ограниченные возможности перекачивания смеси с высоким газовым фактором при больших перепадах давлений, низкая эффективность. Возможность контроля объема и фазового состава перекачиваемой смеси отсутствует.

Известна также насосная установка для перекачивания вязких неоднородных смесей, содержащая два полых рабочих цилиндра с рабочей жидкостью, циркуляционный насос с нагнетательным и приемным патрубками, подключенные к нижней части рабочих цилиндров и нагнетательному патрубку циркуляционного насоса трубопроводы с подающими клапанами с приводами, сообщенные с нижней частью рабочих цилиндров и приемным патрубком циркуляционного насоса трубопроводы с дренажными клапанами с приводами, соединенные с верхней частью последних трубопроводы для входа и выхода перекачиваемой смеси с размещенными на них обратными клапанами (см. а. с. СССР N 909281, МПК F 04 B 15/02, заявлено 19.03.80, опубликовано 28.02.82 БИ N 8).

Данное техническое решение принято за прототип.

Недостатком известной установки являются ее сложность и громоздкость конструкции механизма приводов подающих и дренажных клапанов, обусловленная наличием множества необходимых кинематических связей и деталей.

Для размещения этих связей используется внутренняя полость цилиндров, что увеличивает их габариты и ограничивает пределы масштабирования данной установки для относительно больших производительностей перекачивания. Жесткая механическая зависимость момента срабатывания приводов клапанов от расхода перемещаемой между цилиндрами рабочей жидкостью не позволяет регулировать производительность установки. Возможность контроля расхода перекачиваемой среды и ее фазового состава в известной установке отсутствует.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является упрощение конструкции, уменьшение габаритов, расширение возможности масштабирования, создание возможности для регулирования производительности установки и контроля расхода и фазового состава перекачиваемой смеси.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для перекачивания газожидкостной смеси, содержащая по меньшей мере два полых рабочих цилиндра с рабочей жидкостью, циркуляционный насос с нагнетательным и приемным патрубками, подключенные к нижней части рабочих цилиндров и нагнетательному патрубку циркуляционного насоса трубопроводы с подающими клапанами с приводами, сообщенные с нижней частью рабочих цилиндров и приемным патрубком циркуляционного насоса трубопроводы с дренажными клапанами с приводами, соединенные с верхней частью рабочих цилиндров трубопроводы для входа и выхода перекачиваемой смеси с размещенными на них обратными клапанами, снабжена программируемым процессором, имеющим входной и выходной терминалы, на нагнетательном патрубке циркуляционного насоса установлено средство для контроля расхода рабочей жидкости с преобразователем, связанным электрически с входным терминалом процессора, а приводы подающих и дренажных клапанов связаны с выходным терминалом процессора посредством электрического сигнала. Кроме того, она может быть снабжена датчиками давления, установленными в верхней и нижней части каждого рабочего цилиндра и связанными электрически с входным терминалом процессора. Кроме того, циркуляционный насос представляет собой насос динамического действия. Кроме того, преобразователь средства для контроля расхода рабочей жидкости представляет собой аналого-цифровой преобразователь.

Снабжение установки программируемым процессором с входным и выходным терминалами и средствами для контроля расхода рабочей жидкости с преобразователем, связанным с входным терминалом процессора, выполнение приводов подающих и дренажных клапанов электрически связанными с выходным терминалом процессора позволяют реализовать гибкое управление их срабатыванием электрическими сигналами, формируемыми процессором при любых заданных расходах рабочей жидкости, что существенно упрощает конструкцию устройства за счет отказа от множественных кинематических связей и деталей. Приводы размещают вне полостей рабочих цилиндров, что позволяет полностью использовать их объем для осуществления рабочих циклов и уменьшить габариты установки.

Снабжение установки программируемым процессором, средством для контроля расхода рабочей жидкости и электрическими связями для управления приводами подающих и дренажных клапанов дает возможность расширить возможности ее масштабирования для любых производительностей перекачивания смеси, так как механические связи заменяют электрическими. Выполнение приводов подающих клапанов электрически связанными с выходным терминалом процессора позволяет управлять полнотой открытия проходного сечения подающих клапанов, благодаря чему обеспечивают дросселирование подачи циркуляционного насоса динамического действия и регулируют объем рабочей жидкости за единицу времени, поданной насосом в полости цилиндров, изменяя таким образом производительность установки.

Контроль производительности (текущего и суммарного объема перекачиваемой смеси) установки осуществляют путем считывания процессором аналого-цифрового сигнала преобразователя контроллера расхода, имея ввиду, что объем смеси, поступивший в рабочие цилиндры, равен объему рабочей жидкости, поданной в цилиндры циркуляционным насосом.

Установленные в верхней и нижней части каждого рабочего цилиндра датчики давления, связанные с входным терминалом процессора, позволяют производить замер долей жидких фаз с различной плотностью и газа в общем объеме перекачиваемой смеси. Объем газа определяют при помощи процессора по темпу роста давления в рабочих цилиндрах, замеряемого датчиками и фиксируемого процессором во время цикла подачи рабочей жидкости в цилиндры. Объемные доли жидких фаз с различной плотностью в смеси вычисляют посредством процессора по разнице значений давления, замеренных нижним и верхним датчиками в рабочих цилиндрах в конце цикла дренажа.

На чертеже представлена схема установки для перекачивания газожидкостной смеси.

Установка содержит вертикально ориентированные полые рабочие цилиндры 1 и 2, рабочую жидкость, например воду, циркуляционный насос 3 динамического действия, например, центробежного типа. Насос 3 имеет нагнетательный патрубок 4 и приемный патрубок 5 и служит для циклического перемещения рабочей жидкости из одного рабочего цилиндра в другой. К нижней части рабочих цилиндров 1 и 2 и нагнетательному патрубку 4 подключены трубопроводы 6 и 7 с оснащенными приводами 8 и 9 подающими клапанами 10 и 11 для подачи рабочей жидкости в рабочие цилиндры 1 и 2. С нижней частью рабочих цилиндров 1 и 2 и приемным патрубком 5 насоса 3 сообщены трубопроводы 12 и 13 с оснащенными приводами 14 и 15 дренажными клапанами 16 и 17, служащими для выпуска рабочей жидкости из рабочих цилиндров 1 и 2. Верхние части последних соединены с трубопроводами 18 и 19 для входа и выхода перекачиваемой смеси. На трубопроводах 18 и 19 размещены обратные клапаны 20, 21, 22 и 23.

Установка снабжена программируемым процессором 24, имеющем токовые входные и выходные терминалы 25 и 26. На нагнетательном патрубке 4 циркуляционного насоса 3 установлено средство для контроля расхода рабочей жидкости с аналого-цифровым преобразователем сигналом, выполненное, например, в виде электромагнитного расходомера 27, который связан электрически с входным терминалом 25 процессора 24. Для управления подачей рабочей жидкости в рабочие цилиндры 1 и 2 приводы 8 и 9 подающих клапанов 10 и 11 выполнены в виде актуаторов, связанных электрически с выходным терминалом 26 процессора 24. Для дренажа рабочей жидкости из рабочих цилиндров 1 и 2 приводы 14 и 15 дренажных клапанов 16 и 17 выполнены в виде актуаторов, связанных электрически с выходным терминалом 26 процессора 24. Актуаторы представляют собой приводы с дистанционным управлением посредством электрического сигнала.

В верхней и нижней части рабочих цилиндров 1 и 2 установлены датчики 28, 29, 30 и 31 давления, связанные электрически с входным терминалом 25 процессора 24.

Работает установка следующим образом.

Перед запуском установки в работу ее заполняют рабочей жидкостью, например водой, в количестве, приблизительно равном полному объему внутренней полости обоих рабочих цилиндров 1 и 2.

В исходном положении подающий клапан 10 и дренажный клапан 17 находятся в положении "закрыто", подающий клапан 11 и дренажный клапан 16 - в положении "открыто".

Далее, подают газожидкостную смесь в трубопровод 18 и включают приводной насос 3. После включения насоса 3 жидкость откачивают из цилиндра 1 через трубопровод 12, приемный патрубок 6 и подают в цилиндр 2 по нагнетательному патрубку 4 через расходомер 27 и трубопровод 7. При поступлении рабочей жидкости в цилиндр 2 обратный клапан 23 открывается, и жидкость под давлением P₂ выдавливается в трубопровод 19. В тоже время в результате понижения уровня жидкости в рабочем цилиндре 1 газожидкостная смесь поступает в него через обратный клапан 20 из трубопровода 18 с давлением P₁. После прохода через расходомер 27 количества жидкости, примерно равного объему одного рабочего цилиндра, что фиксируют программируемым процессором 24 через связь с аналого-цифровым преобразователем, выходной терминал 26 выдает исполняющий согласованный сигнал на срабатывание приводов 8, 9, 14 и 15 для закрывания клапанов 10 и 17 и открывания клапанов 11 и 16. После этого происходит заполнение рабочей жидкостью рабочего цилиндра 1 и вытеснение из него поступившей газожидкостной смеси через обратный клапан 21 в трубопровод 19 под давлением P₂.

Одновременно осуществляют дренаж рабочей жидкости через трубопровод 13 рабочего цилиндра 2 с заполнением его смесью через обратный клапан 22. Заполнение цилиндра 2 завершают после прохождения через расходомер 27 объема жидкости, равного рабочему объему одного цилиндра, после чего по сигналу процессора 24 приводы 8, 9, 14 и 15 срабатывают вновь, закрывая клапаны 10 и 17 и открывая клапаны 11 и 16. Общий объем и текущий расход газожидкостной смеси, прокачиваемой установкой, фиксируют процессором 24 по сигналу от преобразователя расходомера 27. При необходимости изменения (уменьшения) производительности установки процессор 24 настраивают таким образом, чтобы приводы 8 и 9 подающих клапанов 10 и 11 обеспечивали их частичное открытие для создания дросселирования и уменьшения подачи рабочей жидкости циркуляционным насосом 3 динамического действия. При этом степень дросселирования контролируют по сигналу от преобразователя расходомера 27 процессором 24.

Объем газа в поступившей в установку смеси определяют при замере темпа роста давления, регистрируемого, например, датчиком 28 цилиндра 1 в процессе его заполнения рабочей жидкостью и при замере расходомером 27 объема рабочей жидкости, при поступлении которого в рабочем цилиндре 1 зарегистрирован рост давления от начального значения P₁ до величины давления P₂ в трубопроводе 13 выхода. Обрабатывая полученные сигналы с датчиков давления и соответствующий сигнал от расходомера, процессор производит подсчет объема газа, поступившего вместе со смесью за один цикл, по формуле



где Q_газ - объем газа в смеси за один цикл в одном цилиндре,

P₁ - давление в трубопроводе входа,

P₂ - давление в трубопроводе выхода,

Q_рж - объем рабочей жидкости, поступившей в цилиндр при росте давления от P₁ до P₂,

n - показатель политропы сжатия газа.

Объемную долю нефти в жидкой фазе смеси определяют по разнице показаний датчиков 28, 29 и 30, 31 давления рабочих цилиндра 1 и 2 в конце каждого цикла дренажа рабочей жидкости. Расчет объемной доли нефти, поступившей в рабочий цилиндр за один цикл, производят в программирумом процессоре по формуле



где Q_ц - объем рабочей жидкости, поступившей в цилиндр за один цикл,

Q_газ - объем газа в смеси за один цикл,

S_ц - площадь поперечного сечения рабочего цилиндра,

P - разница в показаниях датчиков давления, установленных в нижней и верхней части рабочего цилиндра,

_н - удельный вес нефти,

_в - удельный вес воды.

Общий объем газа и жидкой фазы, перекаченный установкой, суммируется процессором 24.

При необходимости создания большого перепада давлений между трубопроводами 18 и 19 входа и выхода в параллель могут быть включены несколько установок с общим программируемым процессором.