УПРАВЛЕНИЕ РАСПОЛОЖЕННЫМИ ПОД ВОДОЙ КОМПРЕССОРАМИ Российский патент 2015 года по МПК F04B49/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к компрессорам. В частности, изобретение относится к компрессору, расположенному под водой, задача которого заключается в сжатии газа, влагосодержание которого в потоке газа на впуске ниже максимального предельного значения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Компрессоры относятся к хорошо известным техническим средствам, имеющим разнообразные области применения. Кроме того, известно, что компрессоры будут разрушаться, если лопатки компрессора, вращающиеся при высокой скорости, сталкиваются с тяжелыми предметами. К таким тяжелым предметам относятся чрезмерно большое количество масляных или водяных капель. Следовательно, компрессор может надежно работать, только если содержание жидкой составляющей газа, подлежащего сжатию, находится в пределах максимально допустимого значения.

Для компрессоров, работающих на суше, например, в промышленных помещениях, жидкая составляющая может быть выделена из потока газа на впуске. Отделенную жидкость можно использовать для любых подходящих целей или слить после очистки, выполняемой при необходимости.

Для компрессора, расположенного под водой, любой из процессов сепарации, использования и слива жидкости является сложным. Фактическое местоположение компрессора может находиться в десятках или сотнях километров от земли или надводных установок, а глубина погружения может составлять сотни метров. Использование отделенной жидкости, обычно масла, а возможно воды, требует огромных вложений в оборудование и трубопровод. Слив масла противоречит инструкциям. Оборудование для выполнения сепарации и очистки под водой чрезвычайно дорого. В настоящее время методика определения объемной фракции жидкости, содержащейся в газе, предполагает сбор пробоотборных бутылок посредством ROV (дистанционно управляемого аппарата) и использование радиоизотопных плотномеров. Вышеупомянутая высокая стоимость и ограниченные возможности методики являются недостатками известного подводного компрессорного оборудования.

Существует потребность как в системе, так и в способе управления расположенным под водой компрессором, которые способны решить указанные выше недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение нацелено на обеспечение указанной потребности.

В частности, согласно изобретению предложена система управления расположенным под водой компрессором, проточно сообщающимся с впускным трубопроводом для приема потока газа на впуске, причем указанный поток может включать жидкость, количество которой может меняться.

Система управления содержит:

детекторное средство, предназначенное для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции, функционально расположенное во впускном трубопроводе, и

средство управления, функционально соединенное с детекторным средством и работающее на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства.

В предпочтительном варианте выполнения система содержит:

детекторное средство, предназначенное для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции, функционально расположенное во впускном трубопроводе, и

средство управления, предназначенное для регулирования впускного потока, функционально расположенное во впускном трубопроводе перед детекторным средством, причем указанное средство управления функционально соединено с детекторным средством и работает на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства.

Детекторное средство предпочтительно представляет собой оптический датчик, использующий систему фоновой подсветки, который имеет объектив и камеру, расположенную между световыми источниками, установленными снаружи окна, выполненного в стенке трубы, или в самом окне. Датчик является предметом рассмотрения параллельной заявки на патент №2009 3598, на которую сделана ссылка в последующем описании. В альтернативном варианте, датчик соответствует датчику, описанному в документе ЕР 1159599.

Средство управления предпочтительно содержит по меньшей мере одно из следующих устройств: распылитель или смеситель инжекционного типа, или эжектор; а также газоочистное устройство или сепаратор, обеспечивающий выше по потоку выделение жидкой составляющей из впускного потока и ее удерживание, и трубопровод, предназначенный для закачки и смешивания задержанной жидкости обратно во впускной поток, выполняемых посредством распылителя или смесителя инжекционного типа, либо эжектора, когда размер мелких капель из распределения по размерам и объемное содержание жидкой фракции находятся в пределах максимально допустимых значений, переключатель или регулятор скорости, функционально соединенный с расположенным под водой компрессором. Следовательно, средство управления может останавливать компрессор или уменьшать его скорость, либо средство управления может влиять на распределение капель жидкости по размерам и объемное содержание жидкой фракции, находящейся во впускном трубопроводе компрессора. Предпочтительно, для втягивания жидкости в распылитель или смеситель инжекционного типа используют эффект Вентури. Смеситель инжекционного типа может представлять собой смеситель инжекционного типа фирмы ProPure. Предпочтительно, по трубопроводу газ высокого давления подается от выпускной стороны компрессора обратно в смеситель инжекционного типа или распылитель, для того чтобы обеспечить втягивание жидкости и надлежащее смешивание или распыление. В трубопроводе для жидкости, поступающей от газоочистного устройства или сепаратора, предпочтительно расположены инжекционный насос и регулирующий клапан.

Предпочтительно, газоочистное устройство расположено во впускном трубопроводе, в газоочистном устройстве расположен датчик уровня, трубопровод для выхода газа из газоочистного устройства включает распылитель или смеситель инжекционного типа, расположенный перед детекторным средством, установленным во впускном трубопроводе компрессора, при этом распылитель или смеситель инжекционного типа функционально соединен с устройством управления и проточно соединен с выпускной стороной компрессора и трубопроводом для выпуска жидкости из газоочистного устройства.

Предпочтительно, распылитель или смеситель инжекционного типа расположен непосредственно перед компрессором, например, в пределах расстояния, составляющего два диаметра впускной трубы, при этом между компрессором и распылителем или смесителем инжекционного типа расположен только датчик. Это предпочтительно выполняют для того, чтобы предотвратить коалесценцию капель или подобный эффект и препятствовать осаждению капель на поверхности, перед тем, как они достигнут компрессора.

Предпочтительно, впускной газопровод включает измеритель расхода потока и/или скорости потока, определяющий связь распределения капель по размеру и объемного содержания жидкой фракции с ударным воздействием жидкой составляющей, которое испытывает компрессор, и обеспечивающий повышение качества расчетов. Предпочтительно, такой измеритель встроен как расходометр Вентури, представляя собой часть смесителя инжекционного типа или распылителя. Независимое измерение расхода в сочетании с измерениями размера капель, выполняемыми оптическим фоновым датчиком и, следовательно, распределения капель по размеру и объемного содержания жидкой фракции или плотности капель, облегчает обработку результатов измерений, проводимую с целью оценки ударного воздействия жидкой составляющей потока для того, чтобы убедиться, что жидкое содержимое ниже допустимого предела. В альтернативном варианте, параметры рассчитывают только на основании данных от фонового датчика, например, получая много репрезентативных изображений капель и, таким образом, устанавливают объемное содержание жидкой фракции и определяют динамику капель как функцию времени, тем самым, выясняя расход и скорость потока.

Кроме того, согласно изобретению предложен способ управления расположенным под водой компрессором, проточно сообщающимся с впускным трубопроводом для приема потока газа на впуске, причем указанный поток может включать жидкость, количество которой может меняться.

Способ включает:

измерение и/или определение распределения капель жидкости по размеру и объемного содержания жидкой фракции путем использования детекторного средства, функционально расположенного во впускном трубопроводе, и

обеспечение работы расположенного под водой компрессора или средства управления, либо оборудования, установленного перед компрессором, выполняемой на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства.

Способ предпочтительно включает этап обеспечения работы средства управления, расположенного во впускном трубопроводе перед детекторным средством, на основе входного сигнала, получаемого от детекторного средства, с обеспечением подтверждения, что жидкое содержимое впускного потока находится в пределах максимально допустимого значения.

Количество жидкости, при котором может работать компрессор, зависит от размера капель. Поскольку крупные капли имеют более высокий импульс по сравнению с мелкими каплями, они вызывают более серьезные повреждения. Эксплуатационные испытания показали, что компрессор может работать при жидкостном содержимом потока, составляющем несколько процентов, долгое время, пока размер капель очень мал. Это отражено, главным образом, на Фиг.1. Кроме того, необходимо принять во внимание, что кинетический момент каждой капли зависит и от скорости газа. Если скорость газа определить невозможно, вместо нее в расчетах используют значение по умолчанию.

Как правило, берут область значений размеров капель. Собирают статистические данные о размерах капель, полученные от сигналов датчика для некоторого количества капель. Статистические данные подразделяют на группы в зависимости от размера. Затем статистические данные дополнительно преобразуют в кинетический момент, используя при этом значение скорости газа, и для каждой группы верифицируют, что концентрация не превышает допустимый максимальный предел, изображенный на Фиг.1. Фракции распределенных по размерам капель предпочтительно сводят к 1 или ниже, причем 1 обозначает максимально допустимое значение для конкретного размера капель.

Предпочтительно, жидкость остается в газоочистном устройстве, расположенном перед детекторным средством, при этом лишний уровень жидкости, оставшейся в данном устройстве, вводят во впускной трубопровод через распылитель или смеситель инжекционного типа, расположенный между газоочистным устройством и детекторным средством, причем жидкость втягивается в распылитель или смеситель инжекционного типа благодаря эффекту Вентури. Для втягивания жидкости в распылитель или смеситель инжекционного типа предпочтительно используют газ высокого давления, поступающий от выпускной стороны компрессора по каналу, отходящему от выпускного трубопровода компрессора, предпочтительно при помощи регулирующего клапана, установленного в трубопроводе. В дополнение или вместо впрыскивания жидкости во впускной поток компрессора предпочтительно используют работу насоса.

Кроме того, согласно изобретению предложено применение оптического фонового датчика для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции перед расположенным под водой компрессором. Предпочтительно, результаты измерений используют для управления расположенным под водой компрессором или средствами управления, либо оборудованием, установленным перед компрессором.

ЧЕРТЕЖИ

Изобретение проиллюстрировано двумя чертежами, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует максимально допустимое содержание жидкости в предложенном способе управления компрессором для влажного газа и

Фиг.2 изображает вариант выполнения предложенной системы для осуществления предложенного способа управления компрессором.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обратимся к Фиг.1, на которой показано, какое содержание жидкости является допустимым для компрессора (для среднего размера капель), при этом на графике допустимым для компрессора является содержание жидкости Х% при условии, что размер капель составляет Y мкм, и максимальный предел изображен пунктирной линией. Для среднего размера капель, составляющего менее 20 мкм, возможно допустимым является 10%-е содержание жидкости, для более крупного размера капель, максимально допустимый предел уменьшается согласно прямолинейной зависимости. Однако для капель обычно характерно распределение по параметрам, но если распределение и тип жидкости являются постоянными, целесообразно применять модель, построенную на основе среднего размера капель. Более того, скорость и расход потока во впускном трубопроводе компрессора тоже будут влиять на максимально предельное значение, но скорость лопаток компрессора или роторов является очень высокой по сравнению со скоростью капель, направления их движения сначала будут перпендикулярными, что ограничивает кинематический эффект во впускной трубе. Как скорость капель, так и их распределение по размеру представляют собой факторы, на которые следует обращать особое внимание, если они выходят за пределы соответствующих предельных значений, то есть, если они изменяются настолько, что существенно влияют на работу.

Далее обратимся к Фиг.2, на которой изображена система согласно данному изобретению. В частности, изображена система 6 управления расположенным под водой компрессором 5, проточно соединенным с впускным трубопроводом 7 для приема впускного потока газа, при этом указанный поток может включать жидкость, количество которой может меняться. Система включает детекторное средство 2, предназначенное для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции и функционально расположенное во впускном трубопроводе, и средство 3, 4 управления, предназначенное для управления впускным потоком, функционально расположенное во впускном трубопроводе перед детекторным средством, причем указанное средство управления функционально соединено с детекторным средством и работает на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства. Изображенное средство управления включает распылитель 3, расположенный во впускном трубопроводе 7, и насос инжекционного типа и/или устройство 4 управления, например регулирующий клапан 4, а также взаимосвязанные блоки управления. Кроме того, элемент 4 управления может представлять собой эжектор или устройство типа эдуктора, с модуляцией управления при помощи регулирующего клапана, расположенного в газопроводе. Кроме того, на чертеже изображено газоочистное устройство 8 с датчиком 1 уровня жидкости. Трубопровод для выпуска жидкости проходит от нижней части газоочистного устройства к инжекционному насосу 4 и/или регулирующему клапану 4. Трубопровод для подачи газа высокого давления проходит от выпускной стороны компрессора к регулирующему клапану 4. Жидкость из нижней части газоочистного устройства и газ высокого давления, поступающий от выпускной стороны компрессора, передаются независимо, но по параллельным трубопроводам от средств 4 управления к распылителю 3, где указанная жидкость разбивается на капли микронного размера, благодаря турбулентности, создаваемой газом высокого давления. Объем закачки жидкости и поступающий в качестве обратной связи поток газа высокого давления регулируются соответственно инжекционным насосом 4 и регулирующим клапаном 4, которые изображены в виде единого блока на Фиг.2. В дополнение к инжекционному насосу или в качестве замены, трубопровод, передающий жидкость, может включать клапан, управляющий впрыском жидкости. При этом ПИД-контроллер уровня (LC), принимающий входной сигнал от датчика 1 уровня жидкости у газоочистного устройства, настроен на фиксированное заданное значение уровня. Если уровень превышает данную уставку, выходной сигнал усиливается, что приводит к более активной работе инжекционного насоса 4 с целью передачи накопленной жидкости обратно во впускной газопровод через распылитель 3. Следовательно, накопленная жидкость снова закачивается во впускной поток, при этом смешиванию и рассеиванию на капли микронного размера способствует возвратный поток или поток обратной связи газа высокого давления, поступающий от выпускной стороны компрессора. Вместе с тем, датчик 2 размера капель жидкости и LVF выполняет измерения среднего размера капель, распределение капель жидкости по размерам и объемное содержание жидкой фракции. На основании входного сигнала, получаемого от датчика, вычислительный элемент (CALC), который регулирует Х в зависимости от GVF и размера капель жидкости, определяет, работает ли компрессор в безопасном режиме или за пределами максимально допустимого значения содержания жидкости. Если работа происходит вне указанных пределов, то на основании входного сигнала, получаемого от вычислительного элемента, HILIM элемент, который ограничивает выходной сигнал до Х%, будет обеспечивать уменьшение повторной закачки жидкости, путем ослабления сигнала, посылаемого к элементу 4 управления. В альтернативном варианте отсутствует обратная подача газа высокого давления в смеситель инжекционного типа или распылитель, и в этом случае может быть достаточно только инжекционного насоса, установленного в трубопроводе повторной закачки жидкости, наряду с взаимосвязанными блоками управления.

Предложенную систему можно объединять с признаками изобретения, описанными или изображенными в данном документе, в любой рабочей комбинации, при этом указанные сочетания представляют собой варианты выполнения данного изобретения. Предложенный способ можно объединять с признаками, описанными или изображенными в данном документе, в любой рабочей комбинации, при этом указанные сочетания представляют собой варианты выполнения изобретения. Применение изобретения можно объединять с признаками, описанными или изображенными в данном документе в любой рабочей комбинации, при этом указанные сочетания представляют собой варианты выполнения данного изобретения.

Предложена система управления расположенным под водой компрессором, проточно соединенным с впускным трубопроводом для приема потока газа, который может включать жидкость, количество которой может меняться. Система управления включает детекторное средство, предназначенное для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции и функционально расположенное во впускном трубопроводе, и средство управления, функционально соединенное с детекторным средством и работающее на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства. Предложен способ управления расположенным под водой компрессором. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система управления расположенным под водой компрессором, проточно соединенным с впускным трубопроводом для приема потока газа, который может включать жидкость, количество которой может меняться, содержащая:
детекторное средство, предназначенное для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции и функционально расположенное во впускном трубопроводе, и
средство управления, функционально соединенное с детекторным средством и работающее на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства, при этом
средство управления содержит распылитель или смеситель инжекционного типа, или оба этих устройства, газоочистное устройство или сепаратор, обеспечивающий выше по потоку выделение жидкой составляющей из впускного потока и ее удерживание, и трубопровод, предназначенный для закачки и смешивания задержанной жидкости обратно во впускной поток, выполняемых распылителем или смесителем инжекционного типа, когда размер мелких капель из распределения капель по размеру и объемное содержание жидкой фракции находятся в пределах максимально допустимых значений.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что детекторное средство представляет собой оптический датчик, использующий систему фоновой подсветки, который имеет объектив и камеру, расположенную между световыми источниками, установленными снаружи окна, выполненного в стенке трубы, или в самом окне.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что газоочистное устройство расположено во впускном трубопроводе, в газоочистном устройстве расположен датчик уровня жидкости, трубопровод, обеспечивающий выпуск газа из газоочистного устройства, включает распылитель или смеситель инжекционного типа, расположенный перед детекторным средством, установленным во впускном трубопроводе компрессора, при этом распылитель или смеситель инжекционного типа функционально соединен с устройством управления и проточно сообщается с выпускной стороной компрессора и трубопроводом для выпуска жидкости из газоочистного устройства.

4. Способ управления расположенным под водой компрессором, проточно соединенным с впускным трубопроводом для приема потока газа, который может включать жидкость, количество которой может меняться, включающий:
измерение и определение распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции путем использования детекторного средства, функционально расположенного во впускном трубопроводе, и
обеспечение работы указанного компрессора или средства управления, либо оборудования, установленного перед компрессором, на основании входного сигнала, получаемого от детекторного средства, при этом
распределенные по размерам фракции капель предпочтительно сводят к 1 или ниже, причем 1 обозначает максимально допустимое значение для конкретного размера капель.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что жидкость удерживают в газоочистном устройстве, расположенном перед детекторным средством, при этом при наличии чрезмерного уровня жидкости в данном устройстве жидкость впрыскивают во впускной трубопровод через распылитель или смеситель инжекционного типа, расположенный между газоочистным устройством и детекторным средством, причем жидкость втягивается в распылитель или смеситель инжекционного типа благодаря эффекту Вентури.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что для втягивания жидкости в распылитель или смеситель инжекционного типа предпочтительно используют газ высокого давления, поступающий от выпускной стороны компрессора по каналу, отходящему от выпускного трубопровода компрессора.

7. Применение оптического датчика, использующего систему фоновой подсветки, для измерения и определения распределения капель жидкости по размерам и объемного содержания жидкой фракции перед расположенным под водой компрессором.