СИСТЕМЫ СЖАТИЯ ВЛАЖНОГО ГАЗА С ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2017 года по МПК F04D31/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0101] Настоящая заявка и полученный на ее базе патент, в целом, относятся к системам сжатия влажного газа и, в частности, к системе сжатия влажного газа, в которой используется термоакустический резонатор для разрушения капель воды, присутствующих в потоке газа, перед тем как он достигнет компрессора.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0102] Природный газ и другие виды топлива могут включать жидкий компонент. Такие «влажные» газы могут содержать значительный объем жидкости. В обычных компрессорах капли жидкости, присутствующие в таких влажных газах, могут вызывать эрозию или повышение хрупкости рабочих колес или других компонентов. Более того, в результате указанной эрозии может возникать разбалансировка ротора. В частности, может быть существенным негативное взаимодействие между каплями жидкости и такими поверхностями компрессора, как рабочие колеса, торцевые стенки, уплотнения и тому подобные. Известно, что эрозия зависит по существу от комбинации относительной скорости капель в процессе столкновения, массового размера капель и угла соударения. Эрозия может привести к ухудшению рабочих характеристик, уменьшенному сроку службы компрессора и компонентов, а также в целом повышает требования к техническому обслуживанию.

[0103] Для применяемых в настоящее время компрессоров влажного газа может использоваться расположенный выше по потоку газожидкостный сепаратор, обеспечивающий отделение капель воды от потока газа для ограничения или по меньшей мере локализации влияния эрозии и других разрушений, вызванных каплями воды. Однако оборудование, необходимое для сепарации, как правило, требует дополнительного энергопотребления. Другой подход состоит в использовании сужающегося-расширяющегося сопла, такого как сопло Лаваля и ему подобные устройства, для обеспечения ускорения потока газа до сверхзвуковой скорости. Возникающая в результате ускорения сверхзвуковая ударная волна может разрушать капли жидкости. Однако такая волна также может привести к перепаду давления перед компрессором и, таким образом, в целом к повышению нагрузки на компрессор.

[0104] Следовательно, существует необходимость в усовершенствовании систем сжатия влажного газа и способов предотвращения эрозии. Предпочтительно, такие системы и способы способны минимизировать влияние эрозии и других разрушений, вызванных крупными каплями воды, присутствующими в потоке влажного газа, при этом исключая или по меньшей мере уменьшая необходимость использования газожидкостных сепараторов, сверхзвуковых ударных волн и тому подобного.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0105] Таким образом, в настоящей заявке и полученном на ее базе патенте предложена система сжатия влажного газа, предназначенная для потока влажного газа, в котором присутствуют капли жидкости. Система сжатия влажного газа может содержать трубу, компрессор, сообщающийся с трубой, и термоакустический резонатор, сообщающийся с трубой с обеспечением разрушения капель жидкости, присутствующих в потоке влажного газа.

[0106] В настоящей заявке и полученном на ее базе патенте также предложен способ разрушения крупных капель жидкости, присутствующих в потоке влажного газа выше по течению от компрессора. Способ может включать этапы обеспечения протекания потока влажного газа по трубе, создания при помощи термоакустического резонатора акустических волн в потоке влажного газа, уменьшения относительной скорости газообразной и жидкой фаз в потоке влажного газа и преодоления поверхностного натяжения крупных капель жидкости для их разрушения на более мелкие капли. В настоящем документе могут быть описаны и другие способы.

[0107] В настоящей заявке и полученном на ее базе патенте дополнительно предложена система сжатия влажного газа, предназначенная для потока влажного газа, в котором присутствуют капли жидкости. Система сжатия влажного газа может содержать трубу, компрессор, сообщающийся с трубой, и термоакустический резонатор, сообщающийся с трубой и расположенный выше по течению от компрессора. Термоакустический резонатор может содержать теплообменник горячего контура, теплообменник холодного контура и расположенный между ними регенератор, предназначенный для создания акустических волн в потоке влажного газа. В настоящем документе также могут быть описаны и другие системы.

[0108] Указанные и другие признаки и усовершенствования в настоящей заявке и полученном на ее базе патенте станут понятными любому специалисту в данной области после обзора приведенного ниже подробного описания, выполненного со ссылкой на чертежи, и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0109] На фиг. 1 представлено схематическое изображение компрессора влажного газа, известного из уровня техники, с частью трубной секции.

[0110] На фиг. 2 представлено схематическое изображение примера системы сжатия влажного газа, выполненной согласно настоящему документу, с термоакустическим резонатором.

[0111] На фиг. 3 представлено схематическое изображение термоакустического резонатора системы сжатия влажного газа, изображенной на фиг. 2.

[0112] На фиг. 4 представлен график, изображающий относительную скорость жидкой и газообразной фаз потока влажного газа, протекающего около термоакустического резонатора системы сжатия влажного газа, изображенной на фиг. 2.

[0113] На фиг. 5 представлен частичный вид сбоку альтернативного примера системы сжатия влажного газа, выполненной с термоакустическим резонатором согласно настоящему документу.

[0114] На фиг. 6 представлен частичный вид сбоку альтернативного примера системы сжатия влажного газа с термоакустическим резонатором согласно настоящему документу.

[0115] На фиг. 7 представлен частичный вид сбоку альтернативного примера системы сжатия влажного газа с термоакустическим резонатором согласно настоящему документу.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0116] На чертежах подобными числовыми позициями обозначены подобные элементы. На фиг. 1 изображен пример известного компрессора 10, работающего на влажном газе. Компрессор 10 может иметь обычную конструкцию и содержать несколько ступеней с рабочими колесами 20, расположенными на валу 30 для вращения вместе с указанным валом между статорами. Кроме того, компрессор 10 может содержать впускную секцию 40. Впускная секция 40 может представлять собой улиточный впускной направляющий аппарат 50 и подобное устройство, расположенное вокруг рабочих колес 20. Также известны другие типы и конфигурации компрессора 10 влажного газа. С впускной секцией 40 компрессора 10 может сообщаться трубная секция 60. Трубная секция 60 может иметь любой размер, форму или длину. При этом можно использовать любое количество трубных секций 60, которые могут быть соединены обычным способом.

[0117] На фиг. 2 изображен пример системы 100 сжатия влажного газа, выполненной согласно настоящему документу. Система 100 может содержать компрессор 110, расположенный смежно с трубой 120. Компрессор 110 может быть подобен компрессору 10, описанному выше. В данном случае может быть применен любой тип или любое количество компрессоров 110. Аналогичным образом, труба 120 может иметь любые размер, форму, длину или любое количество секций. Труба 120 может сообщаться с устьевым оборудованием 130 скважины. Поток 140 влажного газа выходит из устьевого оборудования 130 скважины и протекает через компрессор 110, а затем далее вниз по потоку. Поток 140 влажного газа может включать газообразную фазу 145, а также крупные капли 150 жидкости в жидкой фазе 155. Поток 140 влажного газа может представлять собой природный газ, другие виды топлива и т.п. Другие компоненты и другие конфигурации тоже приемлемы.

[0118] Помимо прочего система 100 сжатия влажного газа может содержать термоакустический резонатор 160. По существу, для эффективного возбуждения акустических волн высокой амплитуды термоакустический резонатор 160 использует перепад внутренней температуры. Термоакустический резонатор 160 может быть соединен с трубой 120 ниже по потоку относительно устьевого оборудования 130 скважины и выше по потоку относительно компрессора 110. При этом может быть применено любое количество термоакустических резонаторов 160.

[0119] Термоакустический резонатор 160 может содержать акустическую камеру 170. Акустическая камера 170 может непосредственно сообщаться с трубой 120, так что указанная камера заполнена потоком 140 влажного газа. Камера 170 может иметь любой размер, форму или конфигурацию, учитывая, что конфигурация камеры 170 может оказывать влияние на волновую природу и длину волны акустических волн, образуемых в указанной камере.

[0120] Термоакустический резонатор 160 может содержать теплообменник 180 горячего контура, теплообменник 190 холодного контура и расположенный между ними пассивный регенератор 200 тепла. В теплообменнике 180 горячего контура источник 210 тепла отдает тепло в поток 140 влажного газа, протекающий рядом с ним. Источник 210 тепла может включать любой вид тепла и любой тип теплового источника. Например, может быть использовано сбросное тепло от компрессора 110 или другого объекта. В теплообменнике 190 холодного контура тепло может забираться от потока 140 влажного газа и передаваться к охлаждающему потоку или приемнику 220 отводимого тепла для отведения или использования в другом месте. Пассивный регенератор 200 тепла может включать набор пластин 230 и тому подобных элементов. При этом можно использовать любой тип регенератора, отличающегося высоким тепловым кпд.

[0121] Перепад температуры между теплообменником 180 горячего контура и теплообменником 190 холодного контура через пассивный тепловой регенератор 200 термоакустического резонатора может привести к образованию акустических волн 240. Акустические волны 240 работают как волны давления, которые распространяются по акустической камере 170 и в трубу 120. Причем длина волны и другие характеристики волн 240 могут быть разными. В этой связи также могут быть использованы другие типы термоакустических резонаторов и другие средства, предназначенные для создания акустических волн 240.

[0122] Как изображено на фиг. 4, ударный фронт, вызванный акустическими волнами 240, взаимодействует с потоком 140 влажного газа в трубе 120. Взаимодействие акустических волн 240 может вызвать быстрое изменение скорости в газообразной фазе 145 потока 140 влажного газа. Таким образом, когда поток 140 влажного газа проходит сквозь акустические волны 240, изменение относительной скорости между газообразной фазой 145 и жидкой фазой 155 потока 140 влажного газа может привести к разрушению крупных капель 150 жидкости на более мелкие капли 250.

[0123] Разрушение капель на более мелкие части может зависеть, главным образом, от относительной скорости между газообразной фазой 145 и жидкой фазой 155. Вероятность разрушения капель может быть оценена на основании числа Вебера для потока 140 влажного газа. В частности, применительно к потоку 140 влажного газа число Вебера может быть вычислено по следующей формуле:

[0124]

[0125] В приведенном уравнении P_g - плотность текучей среды (кг/м³), V_R - относительная скорость (м/с), d - диаметр капель (м), σ - поверхностное натяжение (Н/м). В сущности, число Вебера представляет собой безразмерный показатель относительной роли инерционных свойств текучей среды по сравнению с поверхностным натяжением капель. Таким образом, крупные капли 150 жидкости могут быть разрушены на более мелкие капли 250, если число Вебера указывает, что кинетическая энергия газообразной фазы 145 может преодолеть поверхностное натяжение капель 150. Могут быть использованы другие виды формулы оценки капель и другие типы протоколов.

[0126] Часть энергии акустических волн 240 может идти на разрушение капель, а часть энергии рассеивается в потоке 140 влажного газа. Рассеивание энергии означает тепловыделение в потоке 140. Данное тепло вызывает, главным образом, испарение жидкости, а не повышение температуры и, таким образом, может быть преимущественным для общей производительности компрессора. После прохождения через волны 240 поток 140 продолжает следовать к впускной секции 40 компрессора, но уже вместе с находящимися в нем более мелкими каплями 250, что уменьшает опасную эрозию на лопастях 20 компрессора и подобных элементах.

[0127] Таким образом, система 100, выполненная с резонатором 160, должна увеличивать общий срок службы и улучшать эффективность компрессора 110. В частности, устранение крупных капель 150 жидкости может уменьшить степень повреждения, вызванного эрозией, тогда как за счет испарения может быть увеличена эффективность компрессора. Более того, поскольку в резонаторе 160 не использованы движущиеся части, указанный резонатор должен иметь продолжительный срок службы и низкий уровень требований, предъявляемых к техническому обслуживанию. Кроме того, поскольку резонатор 160 может работать на сбросном тепле, получаемом от компрессора 110 или из другого источника, применение указанного резонатора может не вызывать паразитных потерь энергии. Помимо этого, применяя резонатор 160, можно избежать перепада давления через него и, следовательно, увеличения нагрузки на главный компрессор.

[0128] Хотя описанная выше система 100 была приведена в контексте термоакустического резонатора 160, расположенного вокруг трубы 120, упомянутый резонатор также может быть расположен в другом месте Например, на фиг. 5 и фиг. 6 изображено применение термоакустического резонатора 160 вокруг сходящегося-расходящегося сопла 260 или сопла другого типа, имеющего переменное поперечное сечение. Как описано выше, сходящееся-расходящееся сопло 260, также известное как сопло Лаваля, и подобное сопло может включать сходящуюся часть 270, часть 280 горловины и расходящуюся часть 290. Сходящееся-расходящееся сопло 260 может обеспечить разрушение крупных капель 250 посредством сверхзвуковой ударной волны в месте 300 возникновения ударной нагрузки.

[0129] В примере, изображенном на фиг. 5, резонатор 160 может быть расположен в верхней по потоку секции трубы 310. В примере, изображенном на фиг. 6, резонатор 160 может быть расположен в нижней по потоку секции трубы 320. Резонатор 160 может быть расположен в любом другом месте вокруг или вдоль сходящегося-расходящегося сопла 260 для содействия и стимулирования разрушения капель способом, который подобен описанному выше. При этом может быть применено множество термоакустических резонаторов 160. Приемлемы другие виды труб и другие типы сопел. Также могут быть применены другие компоненты и другие конфигурации.

[0130] В качестве альтернативы термоакустическому резонатору 160, который непосредственно сообщается с потоком 140 влажного газа, протекающим внутри трубы 120, резонатор 160 может быть физическим образом отделен от указанного потока 140 в трубе 120. Как изображено на фиг. 7, резонатор 160 может быть связан с трубой 120 посредством подвижного поршня 330 и подобного устройства. Акустические волны 240 могут перемещать подвижный поршень 330 в положение контакта с трубой 120, так что посредством механического контакта волны проникают в трубу. Кроме того, применение поршня 330 позволяет использовать другую рабочую среду внутри резонатора 160. Можно использовать такие среды, как гелий, азот или другие газы. Использование альтернативной среды может быть преимущественным с точки зрения эффективности и устойчивого равновесия, то есть повышенной эффективности при преобразовании тепла в акустическую энергию. Также применимы механические системы другого типа.

[0131] Следует понимать, что вышеописанное относится лишь к некоторым вариантам выполнения настоящей заявки и созданного на ее базе патента. Любой специалист в данной области техники может выполнить многочисленные изменения и модификации, не выходящие за рамки основной сущности и объема изобретения, которые описаны в приведенной ниже формуле изобретения и ее эквивалентах.

В настоящей заявке предложена система сжатия влажного газа, предназначенная для потока влажного газа, содержащего капли жидкости. Система сжатия влажного газа может включать трубу, компрессор, сообщающийся с трубой, и термоакустический резонатор, сообщающийся с трубой для разрушения капель жидкости в потоке влажного газа. Изобретение направлено на усовершенствование систем сжатия влажного газа и на снижение эрозии. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система сжатия влажного газа, предназначенная для потока влажного газа, включающего капли жидкости, содержащая трубу, компрессор, сообщающийся с трубой, и термоакустический резонатор, сообщающийся с трубой с обеспечением разрушения капель жидкости в потоке влажного газа.

2. Система по п. 1, в которой термоакустический резонатор содержит акустическую камеру, расположенную на трубе и сообщающуюся с потоком влажного газа.

3. Система по п. 1, в которой термоакустический резонатор содержит теплообменник горячего контура, теплообменник холодного контура и расположенный между ними регенератор.

4. Система по п. 3, в которой теплообменник горячего контура сообщается с источником тепла, при этом источник тепла представляет собой источник сбросового тепла.

5. Система по п. 3, в которой теплообменник холодного контура сообщается с приемником отводимого тепла.

6. Система по п. 3, в которой регенератор содержит пассивный регенератор тепла.

7. Система по п. 3, в которой регенератор содержит множество пластин.

8. Система по п. 1, в которой термоакустический резонатор создает акустические волны, направленные в поток влажного газа.

9. Система по п. 8, в которой акустические волны обеспечивают разрушение крупных капель жидкости на мелкие капли.

10. Система по п. 1, в которой труба содержит сходящееся-расходящееся сопло.

11. Система по п. 10, в которой сходящееся-расходящееся сопло содержит сходящуюся часть, горловину, расходящуюся часть и точку приложения ударной нагрузки.

12. Система по п. 1, в которой термоакустический резонатор содержит поршень.

13. Система по п. 1, в которой компрессор содержит несколько рабочих колес.

14. Система по п. 1, в которой поток влажного газа представляет собой поток природного газа.

15. Способ разрушения крупных капель жидкости в потоке влажного газа выше по течению от компрессора, включающий:

обеспечение протекания потока влажного газа по трубе,

создание акустических волн в потоке влажного газа при помощи термоакустического резонатора,

уменьшение относительной скорости газообразной и жидкой фаз потока влажного газа и

преодоление поверхностного натяжения крупных капель жидкости для разрушения указанных капель на мелкие капли жидкости.

16. Система сжатия влажного газа, предназначенная для потока влажного газа, имеющего капли жидкости, содержащая трубу, компрессор, сообщающийся с трубой, и термоакустический резонатор, сообщающийся с трубой и расположенный выше по потоку от компрессора, при этом термоакустический резонатор содержит теплообменник горячего контура, теплообменник холодного контура и расположенный между ними регенератор для создания акустических волн в потоке влажного газа.

17. Система по п. 16, в которой термоакустический резонатор содержит акустическую камеру, расположенную на трубе и сообщающуюся с потоком влажного газа.

18. Система по п. 16, в которой теплообменник горячего контура сообщается с источником тепла, а источник тепла представляет собой источник сбросового тепла.

19. Система по п. 16, в которой теплообменник холодного контура сообщается с приемником отводимого тепла.

20. Система по п. 16, в которой регенератор содержит пассивный регенератор тепла, выполненный с пластинами.