КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПРИДАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКУ ГАЗА Российский патент 2016 года по МПК F04C18/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0101] Настоящая заявка относится в целом к компрессорным установкам для влажного газа и, более конкретно, к компрессорам для влажного газа с соплом для придания потоку определенных параметров, имеющим переменное поперечное сечение, предназначенным для уменьшения эрозии и другого вреда, вызываемого каплями жидкости во влажном газе.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0102] Природный газ и жидкое топливо других типов могут включать жидкий компонент. Такие "влажные" газы могут иметь значительный относительный объем жидкости. В обычных компрессорах капли жидкости в таких влажных газах могут вызывать эрозию или хрупкость рабочих колес и вытекающее отсюда нарушение баланса ротора. В частности, отрицательное взаимодействие между каплями жидкости и поверхностями компрессоров, такими как рабочие колеса, торцевые стенки, уплотнения и т.д., может быть значительным. Известно, что эрозия является, по существу, функцией относительной скорости капелек во время удара о поверхности компрессора, величины массы капельки, а также угла столкновения. Эрозия может привести к ухудшению работы, проблемам с надежностью, уменьшенным сроком службы компрессора и повышенными требованиями к его эксплуатации.

[0103] Современные компрессоры для влажного газа таким образом обычно отделяют капельки жидкости от потока газа так, чтобы ограничить, или, по меньшей мере, локализовать влияние эрозии и другого вреда, вызываемого каплями жидкости. Эти известные системы для отделения жидкости и технология, однако, имеют тенденцию к усложнению и таким образом могут увеличить проблемы с надежностью и эксплуатацией компрессора в целом.

[0104] Существует, таким образом, потребность в усовершенствованных компрессорных установках для влажного газа и способах. Предпочтительно, такие установки и способы могут минимизировать влияние эрозии и другого вреда, вызываемого каплями жидкости во влажном газе, в то же время, избегая необходимости в сепараторах жидкость-газ и т.п.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0105] Настоящее изобретение предлагает компрессорную установку для влажного газа, которая может содержать компрессор для влажного газа с впускной частью. Вблизи впускной части быть расположено сопло с переменным поперечным сечением может.

[0106] Настоящее изобретение, кроме того, предлагает способ придания параметров потоку газа, содержащему капли жидкости, перед входом в компрессор. Способ может включать обеспечение протекания потока газа в сужающейся части с уменьшающейся площадью поперечного сечения и протекания потока газа в расширяющейся части с увеличивающейся площадью поперечного сечения. Поток газа ускоряется в сужающейся части и в расширяющейся части, так что капли жидкости разрушаются от первого размера до второго размера. Способ, кроме того, включает обеспечение протекания газа через точку возникновения ударной волны с обеспечением разрушения капель жидкости до третьего размера.

[0107] Настоящее изобретение, кроме того, предлагает компрессорную установку для влажного газа, которая может содержать компрессор для влажного газа с впускной частью и рядом ступеней. Вблизи впускной части или в промежутке между ступенями может быть расположено одно или более сужающихся-расширяющихся сопел, в которые может проходить поток газа с каплями жидкости. Капли жидкости могут иметь первый размер перед указанными соплами и второй размер за этими соплами.

[0108] Эти и другие свойства и усовершенствования настоящего изобретения станут очевидны специалисту при обзоре следующего подробного описания вместе с чертежами и формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0109] Фиг.1 является схематическим видом известного компрессора для влажного газа с частью трубопровода.

[0110] Фиг.2 является схематическим видом примера известного сопла с переменным поперечным сечением.

[0111] Фиг.3 является схематическим видом сопла для придания потоку определенных параметров, как может быть объяснено здесь.

[0112] Фиг.4 является частичным схематическим видом сопла с переменным поперечным сечением, как может быть объяснено здесь, расположенным вблизи радиального впуска компрессора для влажного газа.

[0113] Фиг.5 является частичным схематическим видом сопла с переменным поперечным сечением, как может быть описано здесь, расположенного вблизи радиального впуска компрессора для влажного газа.

[0114] Фиг.6А является видом сверху конфигурации сопла, как может быть использовано здесь.

[0115] Фиг.6В является видом сверху конфигурации сопла, как может быть использовано здесь.

[0116] Фиг.7 является частичным схематическим видом устройства с переменным поперечным сечением, расположенного между последовательными ступенями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0117] Обратимся к чертежам, где одинаковые номера относятся к подобным элементам на нескольких видах. Фиг.1 показывает пример известного компрессора 10 для влажного газа. Компрессор 10 может иметь обычную конструкцию и может содержать ряд ступеней с рабочими колесами 20, расположенными на валу 30 с возможностью вращения вместе с ним, а так с неподвижными лопатками. Компрессор 10 также может содержать впускную часть 40. Впускная часть 40 может быть впускной спиральной камерой 50 и, как таковая, расположена вблизи рабочих колес 20. Могут быть известны другие типы и конфигурации компрессоров для влажного газа. С впускной частью 40 компрессора 10 может сообщаться часть 60 трубопровода, которая может иметь любой требуемый размер, форму или длину. Может использоваться любое количество частей 60 трубопровода.

[0118] Фиг.2 показывает известное сопло 70 с переменным поперечным сечением. Сопло 70 может быть сходящимся-расходящимся соплом, известным так же как сопло Лаваля. В целом, сопло 70 может включать сходящуюся часть 75 с уменьшающейся площадью поперечного сечения. Сходящаяся часть 75 может вести к горловой части 80, по существу, постоянной площади поперечного сечения. Горловая часть 80 обычно имеет некоторую длину, что противоположно случаю, когда она выполнена в виде места наименьшего диаметра. Горловая часть 80, в свою очередь, ведет к расходящейся части 85 с увеличивающейся площадью поперечного сечения. Внутри расходящейся части 85 за горловой частью 80 может быть расположена точка 90 возникновения ударной волны. Длина частей 75, 80, 85, а также угол увеличения и уменьшения площадей поперечного сечения могут изменяться. Сопло 70 включает последовательность частей, которые обеспечивают ускорение потока и/или торможение, чтобы поддерживать ненулевую относительную скорость между газовой и жидкой фазами. Части 75, 80, 85 могут быть симметричными или асимметричными. Здесь могут использоваться другие конфигурации.

[0119] В целом, поток 95 газа входит в сопло 70 вблизи расширяющейся части 75. Скорость потока 95 в этой точке может быть в основном дозвуковой. Скорость потока 95 возрастет в области уменьшающейся площади поперечного сечения сужающейся части 75. Поток 95 газа затем может расшириться, и скорость может возрасти до сверхзвуковой скорости в расширяющейся части 85 вблизи точки 90 возникновения ударной волны. Кинетическая энергия газового потока 95, покидающего сопло 70, может быть непосредственно направлена. Могут быть известны другие типы конструкций сопла с переменным поперечным сечением. Например, без использования горловой части 80 некоторой длины скорость газового потока 95 может возрастать или не возрастать до сверхзвуковой скорости, и может появиться или не появиться точка возникновения ударной волны.

[0120] Фиг.3 показывает части компрессорной установки 100 для влажного газа, как может быть здесь описано. Компрессорная установка 100 может содержать компрессор 10 для влажного газа, описанный выше, или подобный компрессор. Подобным же образом, компрессор 10 может находиться в соединении с частью 60 трубопровода или подобными трубопроводами.

[0121] Установка 100 может содержать впускную часть 110. Впускная часть 110 может быть расположена вблизи рабочих колес 20 компрессора 10. Впускная часть 110 может содержать одно или более сопел 120 для придания потоку газа определенных параметров. Сопло 120 для придания потоку определенных параметров может иметь форму сходящегося-расходящегося сопла или сопла 130 с переменным поперечным сечением, подобного соплу, описанному выше. Конкретно, сопло 130 может включать некоторые или все из указанных частей, сужающуюся 140, горловую 150, расширяющуюся 160 и точку 170 возникновения ударной волны. Относительные размеры, длины и углы соответствующих частей 140, 150, 160 могут изменяться. Как указано выше, длина частей 140, 150, 160, а также угол увеличивающихся или уменьшающихся площадей поперечного сечения могут изменяться. Части 140, 150, 160 могут быть симметричными или асимметричными. Сопло 130 с переменным поперечным сечением может быть в основном круглым и осесимметричным, или квазидвумерным. Здесь могут использоваться другие конфигурации. Сопло 120 для придания потоку определенных параметров может использоваться с газовым потоком 180, имеющим высокий относительный объем жидкой фракции из-за наличия капель 190 жидкости в потоке.

[0122] Не все части 140, 150, 160 должны использоваться здесь вместе. Например, сопло 130 не должно включать горловую часть 150 какой-либо длины. Поток 180 газа таким образом может достигать или не достигать сверхзвуковых скоростей без такой горловой части 150. В случае дозвуковых скоростей, точка 170 образования ударной волны не будет развиваться вниз по течению в расходящейся части 160. Кроме того, сопло 130 может быть почти полностью только сходящейся частью 140.

[0123] Использование сопла 120 для придания потоку определенных параметров вблизи компрессора 10 предпочтительно может минимизировать взаимодействие между каплями 190 жидкости и рабочими колесами 20 и другими поверхностями компрессора 10. Конкретно, сопло 120 может обеспечить вторичное распыление капель 190 жидкости путем быстрых изменений в скорости потока 180 газа благодаря форме сопла 130.

[0124] Конкретно, скорость скольжения между потоком 180 газа и каплями 190 жидкости может превысить критические значения, требуемые для разрушения капелек жидкости. Размер и конструкция частей 140, 150, 160 сопла 130 могут регулировать величину ускорения или торможения, а также силу удара, чтобы инициировать разрушение, а также тип или вид разрушения. Например, могут инициироваться мешочный тип разрушения, сдвиговый тип разрушения и т.п. Таким образом, расходящаяся часть 160 может иметь относительно малый угол, чтобы минимизировать величину ускорения газа и, следовательно, скорость скольжения, с тем, чтобы предотвратить преждевременные разрушения мешочного типа и способствовать разрушениям сдвигового типа за точкой 170 возникновения ударной волны. Мешочные разрушения могут уменьшить размер капель 190 в отношении 3,5:1, в то время как разрушения сдвигового типа могут уменьшить размер капель 190 в отношении 10:1. Могут использоваться другие типы видов разрушения. Например, также могут использоваться многорежимные разрушения (между мешочным и сдвиговым разрушением) и катастрофические разрушения.

[0125] Размер капель 190 жидкости имеет тенденцию к уменьшению, когда площадь поперечного сечения сходящейся части 140 уменьшается, т.е. происходит положительное скольжение. Подобным образом, размер капель 190 может продолжать уменьшаться, хотя не так быстро, как возрастает площадь поперечного сечения расходящейся части 160, т.е. опять происходит положительное скольжение. Можно ожидать резкого уменьшения в размерах капель 190 жидкости около точки 170 возникновения ударной волны, т.е., мгновенной инверсии скольжения. Размер капель 190 жидкости может оставаться после, по существу, постоянным, т.е., имеем отрицательное скольжение. Таким образом, капли 190 жидкости могут иметь первый размер 200, входя в сопло для придания потоку определенных параметров, меньший, или ряд меньших вторых размеров 210, проходя через сходящуюся часть 140, горловую часть 150 и входя в расходящуюся часть 160, и меньший третий размер 220 за точкой 170 возникновения ударной волны.

[0126] Может происходить более чем одно разрушение капель 190. Например, быстрое ускорение потока 180 газа в сходящейся части 140 может возбудить первый этап разрушения капель 190 жидкости. Второй этап разрушения может быть достигнут при быстром торможении потока 180 газа, когда он проходит через точку 170 возникновения ударной волны и через расходящуюся часть 160. Каждый этап разрушения может иметь такую же, или отличающийся режим разрушения.

[0127] Поток 180 газа таким образом может быть ускорен посредством одного или более сопел 120, так чтобы капели 190 разрушались один или более раз, пока не будут достигнуты требуемые размеры капель. Сопло 120 может быть как дозвуковым, так и сверхзвуковым, в зависимости от величины ускорения, требуемой для разрушения капель, и как много шагов разрушения может потребоваться, чтобы достигнуть конкретного размера капли. Для дозвукового сопла разрушение капель может быть возбуждено путем ускорения потока. Для сверхзвуковых сопел разрушение также может быть возбуждено, когда капли проходят через один или ряд нормальных, или косых ударных волн. Сопло 120 также может использоваться с направляющими лопатками соответствующей формы так, чтобы возбудить предварительное завихрение в потоке 180 газа, чтобы уменьшить относительную скорость между рабочими колесами 20 и каплями 190 жидкости.

[0128] Обеспечивая наличие в потоке 180 газа капель 190 жидкости, можно обеспечить промежуточное охлаждение потока 180 газа за счет капель жидкости во время сжатия, когда поток 180 газа достигает компрессора 10. Конкретно, уменьшая размеры капель 190 жидкости, как описано выше, можно максимизировать преимущества от промежуточного охлаждения. Подобным же образом, стимуляция испарения капель 190 жидкости в многоступенчатых компрессорах также может быть усилена путем минимизации размера капель 190. Достаточно малые капли 190 жидкости имеют тенденцию следовать основному течению потока 180 газа, так чтобы уменьшить общее взаимодействие с поверхностями компрессора 10. Конкретно, более мелкие капли 190 жидкости могут привести к более благоприятным углам столкновения, уменьшенному моменту во время столкновения и увеличенному испарению, в то же время максимизируя промежуточное охлаждение и уменьшая относительный объем жидкости.

[0129] Полная продолжительность эксплуатации и надежность компрессора 10 таким образом могут быть увеличены для заданной величины потока газа, с точки зрения относительного объема жидкости. Кроме того, количество жидкости, которое компрессор 10 может выдерживать при определенных граничных условиях, также может быть увеличено без компромисса с полной продолжительностью эксплуатации и надежностью. Существенно, что сопло 120 обеспечивает эти преимущества без движущихся частей.

[0130] Сопло 120 не должно быть отдельным элементом. Скорее форма сопла 130 может быть внутри впускной спиральной камеры 50, внутри части 60 трубопровода, или иметь форму торцевой стенки любого типа, такую как стенка кожуха, втулочная стенка и т.п. Может использоваться одно большое сопло 120 для придания потоку определенных параметров, или ряд меньших сопел может быть расположен по окружности во впускной спиральной камере 50, части 60 трубопровода или ином элементе.

[0131] Фиг.4 и 5 иллюстрируют применение сопла 130 с переменным поперечным сечением вблизи компрессоров 10, имеющих впускные части 40 переменных конфигураций. Например, фиг.4 показывает компрессор 250 для влажного газа с радиальной впускной частью 260. Сопло 130 таким образом может быть расположено в радиальном направлении. Подобным же образом фиг.5 показывает компрессор 270 для влажного газа, с осевой впускной частью 280. Сопло 130 таким образом может иметь осевое положение. Могут применяться другие положения и другие типы компрессоров для влажного газа. Например, сопло 130 может использоваться с компрессорами, в которых рабочие колеса установлены консольно или на двух опорах и т.п. Здесь могут использоваться другие конфигурации.

[0132] Фиг.6А и 6В показывают две возможные конфигурации 300, 310 сопла для использования с соплом с переменным поперечным сечением, описанным здесь. Фиг.7 показывает многоступенчатое устройство 320, в котором может использоваться дополнительная сужающаяся часть 330 между последовательными ступенями. Конфигурации 300 и 310 могут использоваться также вместе с радиальной впускной частью 260 и т.п.

[0133] Должно быть очевидным, что вышеописанное относится только к определенным вариантам настоящей заявки и что многочисленные изменения и модификации могут быть сделаны обычным специалистом без отклонения от общей сути и объема изобретения, определенного следующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

В настоящем изобретении предложена компрессорная установка для влажного газа, которая может содержать компрессор для влажного газа с впускной частью. Вблизи впускной части может быть расположено сопло с переменным поперечным сечением. Изобретение направлено на минимизацию влияния эрозии и другого вреда, вызываемого каплями жидкости во влажном газе, избегая необходимости в сепараторах жидкость-газ. 3 н и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Компрессорная установка для влажного газа, содержащая:
компрессор для влажного газа, содержащий впускную часть, и
сопло с переменным поперечным сечением, расположенное вблизи указанной впускной части, причем указанное сопло содержит горловую часть.

2. Компрессорная установка по п. 1, в которой впускная часть представляет собой радиальную впускную часть или осевую впускную часть.

3. Компрессорная установка по п. 1, в которой сопло с переменным поперечным сечением содержит расширяющуюся часть.

4. Компрессорная установка по п. 3, в которой расширяющаяся часть имеет точку возникновения ударной волны.

5. Компрессорная установка по п. 1, в которой компрессор для влажного газа содержит рабочие колеса, при этом сопло с переменным поперечным сечением расположено вблизи указанных рабочих колес.

6. Компрессорная установка по п. 1, содержащая несколько сопел с переменным поперечным сечением.

7. Компрессорная установка по п. 1, в которой впускная часть содержит впускную спиральную камеру.

8. Компрессорная установка по п. 1, в которой впускная часть содержит трубопроводную часть.

9. Компрессорная установка по п. 1, в которой поток газа имеет капли жидкости.

10. Компрессорная установка по п. 9, в которой поток газа имеет дозвуковую скорость.

11. Компрессорная установка по п. 9, в которой поток газа имеет сверхзвуковую скорость.

12. Компрессорная установка по п. 9, в которой капли жидкости имеют первый размер перед соплом с переменным поперечным сечением и второй размер за указанным соплом, при этом второй размер меньше первого размера.

13. Компрессорная установка по п. 1, в которой сопло с переменным поперечным сечением расположено между ступенями.

14. Способ придания параметров потоку газа, содержащему капли жидкости, перед входом в компрессор, включающий:
обеспечение протекания потока газа в сужающейся части с уменьшающейся площадью поперечного сечения,
обеспечение протекания потока газа в расходящейся части с увеличивающейся площадью поперечного сечения,
причем поток газа ускоряется в сужающейся части и расходящейся части с обеспечением разрушения указанных капель жидкости от первого размера до второго размера, и
обеспечение протекания потока газа через точку возникновения ударной волны с обеспечением разрушения указанных капель жидкости до третьего размера.

15. Способ по п. 14, в котором второй размер меньше первого размера, а третий размер меньше второго размера.

16. Способ по п. 14, в котором при обеспечении протекания потока газа указанный поток имеет дозвуковую скорость.

17. Способ по п. 14, в котором при обеспечении протекания потока газа указанный поток имеет сверхзвуковую скорость.

18. Компрессорная установка для влажного газа, содержащая:
компрессор для влажного газа, содержащий впускную часть и несколько ступеней,
по меньшей мере одно сужающееся-расширяющееся сопло, расположенное вблизи впускной части, и
поток газа, содержащий капли жидкости,
причем указанные капли жидкости имеют первый размер перед указанным по меньшей мере одним сужающимся-расширяющимся соплом и второй размер за указанным по меньшей мере одним сужающимся-расширяющимся соплом, при этом второй размер меньше первого размера.

19. Компрессорная установка по п. 18, в которой сужающееся-расширяющееся сопло расположено между двумя из указанных нескольких ступеней.