Способ регулирования подачи защитного газа в компрессорный модуль (варианты) - RU2427704C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу подачи защитного газа в компрессорный модуль для сжатия углеводородных газов в притоке к скважине, и в частности изобретение относится в компрессорный модуль, содержащий корпус высокого давления, компрессор и электродвигатель, разделенные уплотнительным элементом. Изобретение наиболее целесообразно для применения в подводных компрессорных модулях.

Компрессорный модуль представляет собой, в основном, агрегат, в котором компрессор и электродвигатель соединены валом и находятся в общем корпусе высокого давления. Для предотвращения загрязнения электродвигателя между ним и компрессором расположено уплотнение. Трудность заключается в том, чтобы заполненный газом электродвигатель был всегда сухим в необходимой степени для предотвращения коррозия и других проблем, вызванных отложением углеводородных конденсатов и воды в жидком виде внутри электродвигателя. Наиболее важно исключить присутствие воды в жидком виде, которая вместе с содержанием H₂S и CO₂ может образовывать кислоты и, поэтому, обусловливать коррозию. Эти проблемы решаются согласно патентам Норвегии №№ NO 172075 и 173197, и также согласно патентной заявке Норвегии №20015199. Также важно исключить попадание и скопление частиц в электродвигателе и в магнитных подшипниках.

Использование стандартных подшипников с масляной смазкой или т.п. в компрессорах и их электродвигателях имеет наибольшее распространение. Автор этого изобретения изучил возможности надежного использования высокоскоростного электродвигателя и магнитных подшипника в интегрированных компрессорных модулях, которые имеют общий корпус высокого давления: за счет обеспечения способа защиты электродвигателя и магнитных подшипников в компрессорном модуле. В этих компрессорных модулях магнитные подшипники имеют, особенно во время работы, несколько преимуществ. В работе магнитные подшипники являются более надежными и менее дорогостоящие. Особенно важным является то обстоятельство, что использование магнитных подшипников устраняет необходимость использования смазочного масла, и поэтому устраняет возможные проблемы, которые могут возникнуть по следующим причинам: разбавление смазочного масла контактирующими с ним углеводородными газами, скопление углеводородных конденсатов или воды в смазочном масле, или ухудшение качества смазочного масла с течением времени из-за особых условий его использования в компрессорных модулях. Проблема, возникающая при использовании не-инкапсулированных магнитных подшипников в компрессорном модуле, во многих отношениях похожа на проблемы, относящиеся к использованию электродвигателей: и для тех, и для других для их надежной и без неисправностей работы в течение длительного времени требуется полностью сухая и инертная атмосфера с наиболее практически возможным низким содержанием частиц. Инкапсулированные магнитные подшипники также известны или разрабатываются. Эти подшипники в состоянии работать в необработанном притоке к скважине углеводородного газа. Эти типы магнитных подшипников для их. долговечности и надежности надо устанавливать и эксплуатировать в сухой и лишенной частиц атмосфере.

Целью настоящего изобретения является создание способа регулирования подачи защитного газа в компрессорный модуль, обеспечивающий полностью или почти полностью сухую среду для электродвигателя и для магнитных подшипников в компрессорном модуле, исключающий попадание частиц, например, из проходящего через компрессор притока к скважине, из компрессорной стороны в электродвигатель и/или магнитные подшипники.

Согласно изобретению создан способ регулирования подачи защитного газа в компрессорный модуль, содержащий корпус высокого давления с установленным в нем электродвигателем, приводным образом соединенным с компрессором посредством вала, установленного на магнитных подшипниках, и осевое уплотнение, расположенное вокруг вала и разделяющее корпус высокого давления на первый отсек с электродвигателем и на второй отсек с компрессором и снабженный впускным отверстием и выпускным отверстием для сжимаемой текучей среды, отличающийся тем, что исходя из требуемой скорости защитного газа через осевое уплотнение и давления во втором отсеке задают избыточное давление в хранилище и осуществляют регулированную подачу защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек при помощи регулирующего устройства, расположенного в подводящей линии.

Регулирующее устройство, выполненное в виде ограничителя потока, можно регулировать таким образом, что обеспечивается объемный расход защитного газа в, по меньшей мере первый отсек, который по меньшей мере обеспечивает необходимую скорость защитного газа через осевое уплотнение.

Регулирующее устройство, выполненное в виде множества установленных параллельно дросселей, можно регулировать с возможностью обеспечения постоянного массового расхода защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек, который по меньшей мере обеспечивает необходимую скорость защитного газа через осевое уплотнение.

Избыточное давление в хранилище можно поддерживать постоянным, и регулирующее устройство регулируют на основании снижения давления в калиброванном отверстии.

Ограничение потока можно поддерживать постоянным, и избыточное давление в хранилище регулируют по изменению давления во втором отсеке.

Избыточное давление в хранилище можно поддерживать постоянным и регулирующее устройство можно регулировать на основании измеряемого снижения давления в регулирующем устройстве.

Согласно другому варианту выполнения изобретения создан способ регулирования подачи защитного газа в компрессорный модуль, содержащий корпус высокого давления с установленным в нем электродвигателем, приводным образом соединенным с компрессором посредством вала, установленного на первых магнитных подшипниках и на, по меньшей мере, одном втором магнитном подшипнике на противоположной стороне компрессора по отношению к первым магнитным подшипникам, осевое уплотнение, расположенное вокруг вала и разделяющее корпус высокого давления на первый отсек с электродвигателем и на второй отсек с компрессором и снабженный впускным отверстием и выпускным отверстием для сжимаемой текучей среды, и дополнительное осевое уплотнение, установленное вокруг вала между компрессором и вторым магнитным подшипником и образующее третий отсек, отличающийся тем, что исходя из требуемой скорости защитного газа через осевые уплотнения и давления во втором отсеке задают избыточное давление в хранилище и осуществляют регулированную подачу защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек при помощи регулирующего устройства в подводящей трубе.

Регулирующее устройство, выполненное в виде ограничителя потока, можно регулировать таким образом, что обеспечивается объемный расход защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек, который по меньшей мере обеспечивает необходимую скорость защитного газа через осевые уплотнения.

Регулирующее устройство, выполненное в виде множества установленных параллельно дросселей, можно регулировать с возможностью обеспечения им постоянного массового расхода защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек, который по меньшей мере обеспечивает необходимую скорость защитного газа через осевые уплотнения.

Избыточное давление в хранилище можно поддерживать постоянным, и регулирующее устройство регулируют на основании снижения давления в калиброванном отверстии.

Регулирующее устройство можно поддерживать постоянным, и избыточное давление в хранилище регулируют по изменению давления во втором отсеке.

Избыточное давление в хранилище можно поддерживать постоянным и регулирующее устройство можно регулировать на основании измеряемого снижения давления в регулирующем устройстве.

Варианты осуществления изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 изображает блок-схему устройства согласно изобретению;

фиг.2 - блок-схему одного из вариантов устройства для регулирования защитного газа;

фиг.3 - блок-схему альтернативного осуществления устройства для регулирования защитного газа;

фиг.4 - блок-схему, показывающую скорость защитного газа и передачу защитного газа через осевое уплотнение;

фиг.5 - схему устройства для регулирования защитного газа.

фиг.6 - механическое устройство для регулирования подачи защитного газа, обеспечивающее постоянную подачу при постоянных давлении, р_а перед регулятором и температуре, когда регулятор будет окружен водой.

На фиг.1 показан компрессорный модуль согласно изобретению, содержащий электродвигатель 1 и компрессор 2, соединенные при помощи вала 8 и установленные вместе в общем корпусе 3 высокого давления. Поток, по существу являющийся углеводородным газом, но содержащий также и жидкости, и частицы (далее - «текучая среда»), выводится их хранилища (не показано), предпочтительно через отделитель жидкости и линию 17 в компрессорный модуль через впускное отверстие 4. На предшествующей стороне (впускная сторона) компрессора 2 текучая среда имеет давление всасывания p_s, которое в системе сжатия притока к скважине будет с течением времени медленно снижаться вместе со снижением давления в хранилище. На последующей стороне компрессора текучая среда имеет давление нагнетания р_а. Когда компрессор работает p_d, будет больше p_s. Текучая среда выходит из компрессорного модуля через выпускное отверстие 5. Когда компрессор не работает и не действует, впускное отверстие 4 закрыто клапаном 41, и выпускное отверстие закрыто клапаном 51, и давление в отсеках компрессорного модуля уравняется и станет одинаковым. При закрытом перепускном клапане 61 давление перед клапаном 51 может превысить давление после клапана 61. Максимальное ограничение увеличения давления, из-за утечки через клапаны в устье скважины, является давлением в простаивающей скважине (давление закрытого устья скважины - ДЗУС). Когда компрессор не работает и перепускной клапан 61 открыт, то давление перед клапаном 51 и после клапана 61 уравняется до давления простаивающей скважины. Если затем добыча будет остановлена на более длительный срок, то клапаны в приемном оконечном устройстве будут закрыты, и давление в транспортирующем трубопроводе через компрессорный модуль может возрасти до ДЗУС. В обоих упомянутых случаях недействующего компрессора давление в компрессорном модуле поэтому, из-за утечки в одном из клапанов 51 или 61, или из обоих, может возрасти до ДЗУС. Чтобы текучая среда не попадала в компрессорный модуль, вследствие чего может происходить конденсация, коррозия и скапливание частиц, когда компрессорный модуль будет бездействовать, целесообразно подрегулировать давление с повышением в компрессорном модуле до давления, немного более высокого, чем давление в трубопроводах вне клапанов 51 и 61, или, как вариант, несколько выше ДЗУС.

Осевое уплотнение 31 расположено между компрессором 2 и электродвигателем 1 и разделяет корпус высокого давления на первый отсек 10 и второй отсек 20. Общеизвестно, что назначением осевого уплотнения 31. является предотвращение контактирования частиц, влаги и других загрязнителей с электродвигателем и другим электрооборудованием. Но осевое уплотнение не является совершенно герметичным. Для обеспечения максимально сухой и чистой атмосферы в первом отсеке 10 важно, чтобы давление в первом отсеке 10 (в котором установлен электродвигатель) превышало давление во втором отсеке 20 (в котором установлен компрессор), т.е. инертный газ проходит из отсека 10 через уплотнение в отсек 20. На фиг.1 это показано тем, что давление в первом отсеке 10 (и в дополнительном третьем отсеке - по причине наличия уравнительного поршня) равно p_a, +Δ_р.

Вал 8 установлен с возможностью его вращения на магнитных подшипниках 11, 21 фиг.1. Если магнитный подшипник 21 является упомянутым подшипником инкапсулированного типа, то осевое уплотнение 32 не нужно. Осевое уплотнение 32 поэтому является необязательным, если магнитный подшипник является инкапсулированным подшипником.

Фиг.1 показывает подводящую линию 7 для газа, один конец которой соединен с первым отсеком 10 и другой конец которой соединен с хранилищем 6 газа, в котором находится газ под давлением р_а и температурой Т_а. Хранилище 6 газа (как вариант) может посредством текучей среды сообщаться с еще одним источником подачи по подводящей линии 9. То есть, по подводящей линии 7 газ можно подавать в первый отсек 10 из хранилища 6. Этим газом будет сухой углеводородный газ или сухой инертный газ 8 (сторонний газ), тоже не имеющий частиц. Этот газ будет поступать из отдельного источника газа, либо можно использовать высушенный углеводородный газ. Независимо от источника газ, подаваемый в компрессорный модуль по подводящей линии 7 и по подводящей линии 7', описываемой ниже, далее именуется как «защитный газ».

Ввиду потерь на трение и, поэтому, ввиду выделения тепла в электродвигателе, который надо охлаждать, например теплообменом с окружающей морской водой в теплообменнике (не показан), целесообразно, чтобы подаваемый защитный газ имел как можно меньший молекулярный вес, и поэтому как можно меньшую плотность при данных давлении и температуре, поскольку трение уменьшается со снижением плотности газа. Для обеспечения минимального трения и максимального кпд использование метана (СН₄ с молекулярным весом 16) поэтому будет более предпочтительным, чем азот (N₂: молекулярный вес 28). Водород (H₂: молекулярный вес 2) будет наиболее предпочтительным с точки зрения снижения потерь. Плотность водорода будет составлять только около 10% типичной природной газовой смеси (молекулярный вес 20). Плотность водорода при давлении 100 бар поэтому будет соответствовать плотности природного газа только при давлении 20 бар с соответствующим уменьшением трения в электродвигателе, охлаждением и повышенным кпд электродвигателя.

Сторону компрессора, на которой находится электродвигатель, обычно называют «приводным концом» (ПК) компрессорного модуля, и другую сторону обычно называют «не-приводным концом» (НПК) компрессорного модуля. Специалисту в данной области техники будет ясно, что в практическом осуществлении магнитные подшипники ПК компрессора могут находиться в корпусе муфты сцепления между электродвигателем и компрессором, и в этом случае уплотнение будет находиться между корпусом муфты сцепления и компрессором. Корпус муфты сцепления и электродвигатель формируют по существу общий отсек с общей чистой атмосферой, заполненной инертным газом. Если магнитные подшипники являются магнитными подшипниками инкапсулированного типа, и условия эксплуатации и/или состав газа в притоке к скважине (текучая среда) таковы, что эти подшипники могут работать непосредственно в газе притока к скважине, то защита будет нужна только электродвигателю, а магнитные подшипники ПК компрессора поэтому могут находиться на компрессорной стороне уплотнения.

Как упомянуто выше, предусматриваемое как вариант осевое уплотнение 32 может подразделять второй отсек 20 еще на один, третий отсек 30, в котором можно установить магнитные подшипники НПК компрессорного модуля. Предусматриваемая как вариант подводящая линия 7' или 7'' для подачи защитного газа из хранилища 6 в этот третий отсек показана на фиг.1. Если магнитные подшипники являются магнитными подшипниками инкапсулированного типа, то условия эксплуатации и/или состав газа притока к скважине (текучая среда) таковы, что эти подшипники можно использовать непосредственно в текучей среде, и защита потребуется только для электродвигателя. В этом случае уплотнение 32 не является обязательным.

Для предотвращения проникновения загрязнителей во второй отсек 20, в котором расположен компрессор 2, и через осевые уплотнения 31, 32, и в первый или третий отсек, линейная скорость защитного газа через осевое уплотнение должна превышать скорость текучей среды и частиц в ней во втором отсеке 20, или быть равной этой скорости, и иметь направление, противоположное этой скорости.

Что касается газообразных загрязнителей в текучей среде H₂S, СО₂, водяной пар и молекулы углеводородных испарений, то будет иметь место некоторая, очень небольшая, степень диффузии в пределах 1 мм/с, в результате которой эти компоненты будут двигаться в направлении, противоположном потоку защитного газа в уплотнении. Очень небольшое поступление (массопередача за единицу времени) защитного газа в уплотнение поэтому будет достаточным, чтобы эти загрязнители не попадали в «чистые» отсеки, например, в первый и третий отсеки.

Очень важным обстоятельством является возможное проникновение частиц и, возможно, мелких капель, выпадающих из притока к скважине к уплотнению 32 (для магнитных подшипников НПК), например, если компрессорный модуль расположен вертикально. Эти частицы могут иметь вертикальную скорость выпадения свыше 0,1 м/с.

Фиг.4 показывает возможное вычисление минимальной необходимой скорости защитного газа через осевое уплотнение, чтобы частицы не выпадали через вертикальное уплотнение. Поток (m) защитного газа показан на фиг.1 и 4.

Скорость падения вычисляется согласно закону Стоука;

v_p=[D_p²(ρ_р-ρ)g]/18µ

В формуле и на чертежах символы имеют следующие значения:

v_p - скорость падения частицы в уплотнение, м/с

v_g - скорость защитного газа через уплотнение, м/с

D_p - диаметр частицы, м

ρ_р - плотность частицы, кг/куб.м

ρ - плотность газа, кг/куб.м

g - ускорение свободного падения, м/с²

µ - динамическая вязкость, кг/м*с

Если принять, что защитный газ является метаном (СН₄), температура равна 20°С, плотность частиц - 2500 кг/куб.м, то скорость падения частицы диаметром 50 µм составляет 0,25 м/с, скорость падения частицы диаметром 25 µм составляет 0,06 м/с.

Благодаря положению компрессорного модуля в притоке к скважине обычно после отделителя жидкости очень немногие поступающие в компрессор частицы будут превышать 25 µм, и почти не будет частиц крупнее 50 µм. Теоретически, направленная вверх скорость защитного газа выше 0,25 м/с через вертикальное уплотнение поэтому будет достаточной, чтобы исключить поступление в уплотнение. Для надежности можно использовать существенно более высокую скорость, чтобы не допускать загрязнители. Если, например, нужен такой объемный поток защитного газа, чтобы обеспечивалась скорость, составляющая 1,25 м/с в уплотнении, то при этом будет обеспечен коэффициент надежности, равный 5. На практике, окончательное определение подачи защитного газа основывается, помимо упомянутых выше вычислений, на практическом опыте. Окончательный выбор скорости защитного газа и прочих требуемых значений основывается на равновесии между надежностью исключения поступления загрязнителей через уплотнение в установившихся и в переходных режимах, и недопущением ненужного укрупнения системы подачи защитного газа. Особую важность имеет выбор целесообразного диаметра подводящей трубы (например, линии 9) для защитного газа, например, составляющий менее 25 мм, и также важно устранить необходимость в нескольких, не одной, подводящих трубах для одной компрессорной станции.

Выбор скорости защитного газа в интервале между 1 м/с и 5 м/с, в зависимости от фактических условий эксплуатации обычно обеспечивает защиту от поступления и возрастания вредных уровней загрязняющих газов, водного конденсата, углеводородного конденсата и частиц в электродвигателе и в магнитных подшипниках, с одновременным устранением необходимости в ненужно громоздкой системе подачи защитного газа. Именно выбранная скорость защитного газа через уплотнение, на основании понимания механизмов, которые могут обусловить прохождение загрязненной текучей среды через уплотнения, является основанием для определения значений подвода и размеров подводящей системы, и для регулирования подачи защитного газа.

Из формулы закона Стоука следует, что скорость падения частицы более или менее зависит от давления и температуры. Причина этого в том, что плотность газа, зависящая от давления и температуры, очень небольшая (обычно в пределах 40-100 кг/куб.м по отношению к плотности частиц (обычно составляет 2500 кг/куб.м). Поэтому в этом вычислении плотностью газа можно пренебречь. Помимо этого динамическая вязкость мало изменяется в соответствующих пределах давления (обычно составляющих 50-100 бар) и в температурных пределах (обычно составляющих 50-80°С). Это означает, что подвод защитного газа, как массопередачи во времени, (и на этапе, когда происходит снижение давления в притоке к скважине) можно уменьшить пропорционально снижению давления на впускной стороне компрессора, p_s, при этом без повышения риска проникновения частиц, поскольку расход защитного газа через уплотнение тогда будет поддерживаться постоянным.

Обычно компрессорный модуль будет установлен горизонтально, и тогда частицы/мелкие капли не будут иметь скорости падения в направлении уплотнения. Упомянутые выше значения скорости защитного газа в уплотнении при этом будут создавать действенную защиту от загрязнения электродвигателя и уплотнений в установившихся условиях эксплуатации («установившееся состояние»). Эта подобранная скорость защитного газа также воспрепятствует частицам, которые могли бы быть отброшены на уплотнения вращающимися лопастями или валом, т.к. их количество движения быстро у них отбирается противоточным защитным газом и созданным уплотнением действительным физическим барьером. Даже в переходных условиях, например, будет обеспечиваться существенная защита от загрязнения при пуске или остановке компрессорного модуля, или во время остановки скважины. Если даже газообразные загрязнители и проникнут на короткое время в электродвигатель в условиях переходного режима, они будут настолько разбавлены чистым защитным газом в электродвигателе, что не достигнут вредных уровней. То же относится и к скапливанию частиц.

В горизонтальном положении компрессорного модуля можно также, и с вертикальными модулями, описываемыми выше, предположить, что подачу защитного газа можно снизить при падении давления на впускной стороне компрессора, поскольку расход газа будет сохраняться с меньшей массопередачей.

На фиг.4 показано, что уплотнение 31, 32 образует кольцо вокруг вала 8. Это кольцо может обычно иметь размер около 0,3 мм. Для определения требуемого количества защитного газа выбрана скорость защитного газа, составляющая 2,5 м/с, диаметр вала, составляющий 150 мм и давление газа, равное 100 бар. В качестве защитного газа выбран метан. Расчеты показывают, что требуемая подача (т.е. массопередача, m) защитного газа для уплотнения составляет около 0,0068 кг/с. Для компрессорного модуля с двумя уплотнениями, где и магнитные уплотнения ПК и НПК находятся в защищенной и «чистой» атмосфере, потребуется около 0,02 кг/с защитного газа. Такое небольшое потребление защитного газа даст целесообразные габариты системы подачи защитного газа, включая трубы в пуповинной линии, даже с несколькими компрессорными модулями в подводной компрессорной станции.

Для защиты электродвигателя и магнитных подшипников во время работы компрессора настоящее изобретение основано на применении, в сочетании, знаний о требуемой скорости v_g защитного газа через уплотнение, и измеряемом давлении внутри отсека компрессора, обращенного к уплотнениям, p_s, (обычно равном давлению всасывания в компрессоре), и о том, как это давление снижается с течением времени.

Зная вышеизложенное, можно выполнить следующие этапы.

Определенное нужное избыточное давление, p_s, можно задать в накопителе 6, который можно установить в подводящей линии 9 защитного газа, или объем в подводящей трубе может образовать соответствующий накопитель.

Регулируемое количество защитного газа можно вводить в компрессорный модуль (первый и, как вариант, третий отсек) при помощи ограничителя расхода 71, 71' в подводящей трубе 7, 7', 7'' между накопителем 6 и впускным отверстием в первый (как вариант, также третий) отсек, в котором находится электродвигатель и/или магнитные подшипники.

Ограничитель расхода калибруют и/или регулируют для обеспечения некоторого объемного расхода защитного газа в первый (как вариант, также в третий) отсек, что по меньшей мере обеспечивает заданную минимальную скорость защитного газа через уплотнение.

Ограничитель расхода можно также откалибровать и/или отрегулировать для обеспечения неизменной массопередачи, т.е. объемный поток, который увеличивается в зависимости от падения давления всасывания, p_s, защитного газа в первом (и, как вариант, в третьем отсеке), что дает по меньшей мере определенную минимальную скорость защитного газа через уплотнение. Такое регулирование практически очень легко осуществить в подводной системе, где Т_а будет постоянной (равной окружающей температуре морской воды), путем сохранения р_а постоянным во времени независимо от значения p_s. Расходомер между накопителем при р_а и ограничителем потока тогда можно будет регулировать по фиксированному сигналу, например, фиксированное снижение давления - с помощью отверстия регулируемого дросселя. Массопередача и скорость по подводящей трубе 9 тогда будет постоянными во времени.

Поскольку скорость v_g защитного газа через уплотнение низкая, падение давления в уплотнении тоже небольшое. Давление внутри отсека электродвигателя и подшипникового отсека (то есть, в первом и третьем отсеках) будет избыточным только в небольшой степени, Δ_р (приблизительно в пределах 0,02-0,3 бар) по отношению к давлению всасывания, p_s, компрессора, и это обстоятельство является важным для выбора соответствующего значения для давления в накопителе, р_а, которое, например, можно задать в значении 5-50 бар и более свыше p_s. Падением давления в уплотнении поэтому можно пренебречь в отношении падения давления в ограничителе потока, и поэтому практически только ограничитель потока определяет поток защитного газа.

Накопитель 6 не обязательно должен быть отдельной емкостью, и может в некоторых случаях быть объемом сжатого газа в трубе перед ограничителем 71, 71' потока. Но во многих случаях рядом с ограничителем потока целесообразно в качестве накопителя обеспечить имеющий соответствующие габариты резервуар высокого давления (фиг.1).

Ограничитель 71, 71' потока может находиться в непосредственной близости к впускному отверстию подводящей линии 7, 7', 7'', выходящему в отсек для электродвигателя и уплотнения, либо он может находиться за много километров от него. Для подводных компрессоров это может означать, что под водой и очень близко к компрессорному модулю будет находиться ограничитель расхода и накопительная емкость, и защитный газ будет подаваться по подводящей линии в пуповинной линии с платформы или берега, и под давлением из источника газоснабжения для создания нужного давления р_а. Для транспортирования на большие расстояния целесообразно, чтобы ограничение расхода происходило близко к компрессорному модулю для подачи защитного газа под максимальным давлением с наименьшим возможным диаметром подводящей трубы. В других случаях, особенно когда расстояние между компрессорным модулем и источником защитного газа небольшое, нужный объемный расход защитного газа можно подавать под относительно низким давлением, лишь достаточным для преодоления трения в трубе, непосредственно из источника защитного газа, например, поршневым компрессором, отрегулированным для доставки нужного объемного расхода через уплотнение, без применения накопителя и ограничителя расхода рядом с компрессорным модулем, либо подачей нужного объемного расхода с берега или платформы, если накопительный резервуар и регулятор массового расхода будут находиться там. Недостаток этого технического решения в том, что по причине низкого давления газа, т.е. из-за расширившегося объема газа диаметры подводящей трубы должны быть крупными, в результате чего повысится стоимость пуповинной линии.

Ограничитель 71, 71' потока в общем виде показан на фиг.5, согласно которому давление (р_а) в хранилище регулируется одним из излагаемых ниже нескольких способов до нужного давления в первом отсеке (10), т.е. p_s+Δ_р.

Фиг.3 показывает вариант ограничителя 71; 71' потока, где дроссель (клапан) 79 регулируется по измеряемому потоку. Фиг.2 показывает еще один вариант ограничителя 71; 71' потока, согласно которому используют несколько установленных параллельно дросселей 79'.

Выше регулирование потока защитного газа осуществляется посредством соответствующего ограничителя 71; 71' потока в подводящей трубе 7, 7', 7'', идущей в отсек(и) для электродвигателя и магнитных подшипников. Этот ограничитель потока ограничивает, с одной стороны, известное давление, p_s, (определяемое давление в хранилище в данное время и снижение давления до впускного отверстия компрессора), и, с другой стороны, нужное заданное давление, р_а, впереди ограничителя потока.

Подачу защитного газа в «чистые» отсеки можно практически регулировать следующими способами

Постоянное р_а, постоянное ограничение потока

Давление р_а оставляют фиксированным, калибруют и задают фиксированное ограничение потока, дающее минимальный достаточный подвод защитного газа в начале сжатия (т.е. при пуске, на ранней стадии скважины), и дающее возрастающее потребление при снижении давления в хранилище (и также p_s).

Объемный расход защитного газа и, поэтому, массопередача возрастают на квадратный корень разницы р_а-p_s. Это очень простое регулирование имеет тот недостаток, что система снабжения защитного газа, и также диаметр подводящей трубы, должны иметь размеры, соответствующие этому возрастающему потреблению. Если, например, p_s, снизится со 100 бар в начале сжатия до 60 бар в конце сжатия, то размер системы снабжения придется увеличить на 50%. Но в некоторых случаях это может быть приемлемым решением для простого технического проекта и простой эксплуатации.

Регулирование р_а совместно со снижением p_s.

Регулируют с понижением р_а при снижении p_s, и соответственно уменьшают давление нагнетания из источника снабжения на берегу или на платформе. При этом подача защитного газа в компрессорный модуль в любое данное время обеспечивает почти неизменную скорость защитного газа через уплотнение. Как показано выше, подаваемый массовый расход защитного газа можно уменьшать с течением времени при снижении p_s, чтобы скорость защитного газа через уплотнение сохранялась неизменной, и чтобы уплотнение могло задерживать загрязнители. При понижении р_а и, поэтому, уровня давления в подводящей линии 9, будет происходить, если массовый расход будет сохраняться постоянным, увеличение объема транспортируемого газа, который будет приблизительно обратно пропорциональным снижению р_а, и трение в трубе будет увеличиваться как увеличение объема газа в квадрате, т.е. падение давления из источника снабжения защитного газа по пуповинной линии в компрессорный модуль учетверится. Причем массовый расход защитного газа можно также соответствующим образом понизить и при этом сохранять заданную скорость через уплотнение, и снижение давления в подводящей трубе будет оставаться на приемлемом уровне. Поэтому способ, основанный на сохранении заданной скорости через уплотнение путем регулирования с понижением во времени: (р_а) = функция (p_s) с фиксированным ограничением потока между двумя уровнями давления, будет целесообразным, поскольку это регулирование очень простое, так как давление p_s с течением времени снижается медленно. Как упомянуто выше, подача защитного газа будет задана с большим запасом его притока против проникновения загрязнителей. Кратковременные изменения температуры и давления, как сказано выше, не обусловят нежелательного проникновения, даже если (р_а) будет регулироваться с понижением.

Фиксированное р_а, регулируемое ограничение потока с помощью клапана

р_а остается фиксированным, и ограничитель 71, 71' потока является регулируемым, например, в виде одного или более клапанов, с которыми можно работать вручную (например, с ними может работать оператор или дистанционно управляемое судно), чтобы увеличивать ограничение при снижении p_s. Ограничитель потока можно регулировать, например, по измеряемому снижению давления в ограничителе потока.

Либо р_а остается фиксированным, и ограничитель 71, 71' потока является регулируемым, например, в виде гидроклапана, который можно регулировать вручную из диспетчерской для увеличения ограничения в определенных интервалах при снижении p_s.

Ограничение потока можно регулировать, например, измерением снижения давления в ограничителе потока.

Фиксированное р_а, ограничение потока по измеряемому снижению давления

p_a является фиксированным, и установлен регулятор потока, который регулирует поток по измеряемому снижению давления в ограничителе перед клапаном. Тем самым обеспечивают постоянный массовый расход, т.к. давление р_а и температура для подводного компрессора, равная температуре морской воды перед клапаном, имеют приблизительно фиксированные значения. Из-за расширения газа скорость через уплотнение для защитного газа будет возрастать по мере падения давления p_s. С точки зрения защиты от проникновения загрязнителей через уплотнение это обстоятельство выгодно, и не является недостатком для определения размеров системы снабжения, которые необходимо определить для начала состояния сжатия, когда массовый расход защитного газа будет наибольшим для нужной минимальной скорости через уплотнение.

Фиксированное р_а, ограничение потока по измеряемому снижению давления, и давлению и температуре в отсеке электродвигателя

р_а является фиксированным, и установлен регулятор потока, который регулирует поток по измеряемому снижению давления в ограничителе перед клапаном, и по измерению давления и температуры в отсеке электродвигателя и в отсеке магнитных подшипников, в результате чего клапан обеспечивает фиксированный объемный расход и, таким образом, фиксированную нужную заданную скорость защитного газа через уплотнение. Это является возможным, но ненужно усложненное регулирование.

Когда компрессор 2 остановлен и не действует, он будет изолирован от впускного отверстия 4 и выпускного отверстия 5 соответствующими стопорными клапанами 41, 51. В этом положении приток защитного газа будет остановлен, когда во всем компрессорном модуле 3 (т.е. первый, второй и третий отсеки) давление возрастет до давления р_а накопителя. Важно, чтобы давление внутри компрессорного модуля 3 в его простаивающем состоянии было выше давления во впускной и выпускной трубе впереди клапанов, в результате чего в случает утечки в клапанах 41, 51 защитный газ будет выходить из компрессорного модуля, а не жидкость и загрязненный газ в модуль. Если во время работы компрессора давление р_а будет задано более высоким, чем самое больше давление, которое может произойти во впускной или выпускной линии во время простаивания, то автоматически будет обеспечена защита от притока во время простоя. Это наибольшее возможное давление обычно является давлением закрытого устья скважины (ДЗУС). Если во время работы давление р_а будет задано более низким, чем давление, создающееся вне клапанов, то р_а можно будет отрегулировать с повышением по мере необходимости, например до давления, составляющего от 1 до 5 бар сверх давления во впускной/выпускной трубе на подводящей газ линии из источника подачи (на берегу или платформе).

Фиг.6 показывает механическое устройство для регулирования подачи защитного газа, обеспечивающее постоянный массовый расход, когда давление и температура перед регулятором постоянные. Это регулирующее устройство содержит корпус 101 клапана с впускным отверстием 102, посредством текучей среды сообщающимся с полостью в корпусе клапана, в которой установлен поршень 103. Как показано, на этом чертеже, поршень имеет фиксированное отверстие 104, либо оно выполнено между поршнем и внутренней стенкой корпуса клапана, и через это отверстие может протекать газ. Поршень 103 соединен с пружиной 105, в свою очередь закрепленной в канале 109 корпуса клапана. Поршень также соединен с первой трубой 111, которая соосна с и частично окружает вторую трубу 107. Первая труба 111 расположена в отдельном канале 108 и выполнена с возможностью (вместе с поршнем 103) перемещаться со скольжением назад и вперед по второй трубе 107.

Вторая труба 107 сообщена с отверстием 110 в корпусе клапана и с частью второй трубы 107, которая на стороне после поршня 103 имеет одно или несколько отверстий 106, таким образом обеспечивающих сообщение посредством текучей среды между упомянутой полостью и упомянутым отверстием 110. Отверстие 110, в работе, соединено с описываемым выше регулирующим устройством, выпускным отверстием для защитного газа в отсек электродвигателя и отсек для магнитных подшипников.

Если оно используется в качестве регулирующего устройства для защитного газа, то защитный газ при давлении р_а и при постоянной температуре (температуре окружающей морской воды) будет поступать во впускное отверстие 102 и в упомянутую полость корпуса клапана. При прохождении газа через отверстие 104 поршня давление будет снижаться. Это снижение давления создает усилие, толкающее поршень 103 и первую трубу 111 в направлении течения газа (вправо на фиг.6). Пружина 105 создает противодействующее усилие, которое толкает поршень 103 и первую трубу 111 в направлении течения газа (вправо на фиг.6). Пружину 105 можно отрегулировать таким образом, что снижение давления в отверстии 104 поршня будет оставаться фиксированным. По причине снижения давления 110 поток через отверстие 104 поршня будет увеличиваться, в результате чего поршень принудительно будет перемещаться вправо. Тогда первая труба 111 (сопровождающая поршень) закроет основную часть отверстия 106 во второй трубе 107, вследствие чего увеличится снижение давления через отверстие 106, и снижение давления через отверстие 104 будет неизменным. Наоборот, поршень будет смещаться влево, если давление выпускного отверстия 110 увеличится настолько, что снижение давления и, поэтому, течение через 104 останется неизменным.

Если течение из выпускного отверстия 110 будет перекрыто, например при остановке компрессорного модуля, то поршень 103 принудительно переместится полностью влево, полностью открыв отверстие 106 во второй трубе 107. В итоге значение давления во всей системе, включая компрессорный модуль, будет равно р_а.

Реферат

Группа изобретений относится к компрессорным модулям для сжатия углеводородных газов в притоке к скважине. Изобретения особо целесообразны в применении к подводным компрессорным модулям. Обеспечивает повышение эффективности способа. Сущность изобретения: способ предусматривает использование компрессорного модуля, содержащего корпус высокого давления с установленным в нем электродвигателем, приводным образом соединенным с компрессором посредством вала, установленного на магнитных подшипниках, и осевое уплотнение, расположенное вокруг вала и разделяющее корпус высокого давления на первый отсек с электродвигателем и на второй отсек с компрессором и снабженный впускным отверстием и выпускным отверстием для сжимаемой текучей среды. Согласно изобретению устанавливают избыточное давление в хранилище, исходя из требуемой скорости защитного газа через осевое уплотнение и давления во втором отсеке. При этом осуществляют регулированную подачу защитного газа в, по меньшей мере, первый отсек при помощи регулирующего устройства, расположенного в подводящей линии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула