Клапан дозированной подачи жидкой среды Российский патент 2025 года по МПК E21B37/06 E21B34/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области и может быть использовано для осуществления ввода различных химических реагентов при работах по освоению и испытанию нефтегазовых скважин, в том числе подводных скважин.

Клапан дозированной подачи жидких сред (CITV/CIMV - англ. Chemical injection throttle valve/Chemical injection metering valve) - это устройство, предназначенное для дозирования и ввода химических реагентов в трубопровод при выполнении технологических операций, например, для ввода реагентов в подводные нефтяные и газовые скважины и трубопроводы, при этом клапаны дозированной подачи также устанавливаются под водой.

Ввод химических реагентов в трубопровод необходим для устранения «пробкового режима» и повышения коэффициента эксплуатации, а также устранения риска гидратообразования на внутренних полостях оборудования, применяемого для добычи углеводородов на нефтегазовых месторождениях.

Уровень техники

Известен клапан дозированной подачи жидкой среды, устанавливаемый в соответствующее гнездо подводной фонтанной арматуры при помощи телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА), содержащий регулятор расхода, представляющий собой узел затвора типа «конус на кромку» и являющийся главным исполнительным органом клапана, соединенный с электроприводом, расходомер, датчики давления и систему управления в виде контроллера. Регулятор расхода выполнен в виде игольчатого дросселя, содержащего запорно-регулирующий элемент (далее - ЗРЭ), включающим затвор с коническим наконечником, имеющим маленький угол конуса, соединенный с линейным приводом, и направляющую втулку, выполняющую роль седла, образующими между собой канал расхода жидкой среды (Патент US 8763693, опубл. 2014).

В известном устройстве длинный конический наконечник с маленьким углом конуса позволяет достаточно точно регулировать расход. Вместе с тем, запорно-регулирующий элемент типа «конус на кромку» не обладает линейной расходно-перепадной характеристикой, то есть перепад давления жидкой среды не прямо пропорционален расходу жидкой среды, проходящей через клапан. ЗРЭ такого типа сложно работать с малыми расходами жидких сред, возникающей из-за ограничений минимальных геометрических размеров канала седла. Также при помощи линейного привода или электромеханического преобразователя (ЭМП) сложно точно позиционировать малые перемещения затвора, что искажает величину перепада давления на клапане при изменении расхода жидкой среды через клапан.

Линейная расходно-перепадная характеристика является идеальным инструментом при регулировании технологических процессов, когда одинаковые приросты относительного хода затвора вызывают одинаковые приросты относительного коэффициента расхода жидкой среды, то есть, когда существует прямая зависимость между процессом управления величиной хода затвора и потоком жидкой среды. Линейность расходно-перепадной характеристики достигается за счет совокупности геометрических параметров элементов ЗРЭ, определенная зависимая между собой конфигурация которых создает гидравлическое сопротивление потоку проходящей через ЗРЭ жидкой среды.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности дозирования жидкой среды клапаном дозированной подачи с запорно-регулирующим элементом типа «конус на кромку», путем увеличения хода затвора запорно-регулирующего элемента, и повышение линейности расходно-перепадной характеристики, за счет наличия в запорно-регулирующем элементе ламинарной ступени течения жидкости.

Технический результат достигается тем, что в клапане дозированной подачи жидкой среды, содержащем установленные в герметичном корпусе запорно-регулирующий элемент, включающий в себя затвор и седло, соединенный с затвором линейный привод, расходомер, датчики давления, рабочую полость подачи жидкой среды, соединенную с каналом, образованным между седлом и затвором, затвор и седло образуют между собой цилиндрический канал подачи жидкой среды и размещены в гильзе, выполненной в зоне контакта с рабочей полостью с отверстиями, соединяющими при открытии клапана его рабочую полость с цилиндрическим каналом подачи рабочей среды.

Кроме того, затвор выполнен с коническим и цилиндрическим участками, причем больший диаметр конического участка затвора соответствует внутреннему диаметру гильзы, при этом длина цилиндрического участка превышает его диаметр по меньшей мере в два раза, а отверстия гильзы выполнены по меньшей мере на длине хода затвора, между двумя его крайними положениями, при этом отверстия в гильзе затвора выполнены таким образом, что суммарная площадь проходного сечения отверстий достигает своего максимального значения в крайнем положении затвора, обеспечивающем его полное открытие.

Выполнение затвора с цилиндрическим участком, образующим с седлом цилиндрический канал подачи жидкой среды, позволяет добавить в запорно-регулирующий элемент ламинарную ступень дросселирования, тем самым получая клапан с двухступенчатым дросселем, включающим турбулентную и ламинарную ступени, что увеличивает точность расхода жидкой среды, за счет увеличения хода затвора.

Размещение затвора и седла в гильзе, выполненной в зоне контакта с рабочей полостью клапана с отверстиями, соединяющими при открытии клапана его рабочую полость с цилиндрическим каналом подачи рабочей среды, позволяет более точно регулировать расход подаваемой жидкой среды, за счет увеличения возможности точного позиционирования перемещения затвора.

Выполнение затвора с длиной его цилиндрического участка, составляющей по меньшей мере 2 (два) его диаметра, позволяет увеличить ход затвора и получить рабочий канал в виде кольцевой цилиндрической щели достаточной длины для выравнивания потока на выходе из клапана.

Выполнение отверстий на гильзе по длине хода затвора между двумя его крайними положениями, при этом суммарная площадь проходного сечения отверстий достигает своего максимального значения преимущественно в крайнем положении затвора, обеспечивающим его полное открытие, позволяет более точно регулировать расход рабочей среды на протяжении всей длины хода затвора.

Краткое описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами: - на ФИГ. 1 представлена конструкция клапана;

- на ФИГ. 2 укрупненно показан фрагмент конструкции клапана в разрезе; - на ФИГ. 3 укрупненно показано место А на ФИГ. 2, - на ФИГ. 4 представлена гильза затвора.

Осуществление изобретения

Клапан дозированной подачи жидкой среды содержит герметичный цилиндрический корпус с крышками 1 с двух его сторон. В этом корпусе установлены линейный привод 2, соединенный с запорно-регулирующим элементом 3 через соединительный колокол 4, датчики давления 5 и 6, расходомер 7, соединенный трубкой 8 с входным гидравлическим разъемным соединением 9 клапана, которое, в свою очередь, соединяется с гидравлическими линиями фонтанной арматуры, в частности с линией подачи химического реагента.

Для управления приводом 2 клапан содержит электрический разъем 10, который обеспечивает соединение/отсоединение линий электропитания и управления от соответствующих линий фонтанной арматуры. На корпусе крышки 1, которая не содержит электрический разъем 10 и гидравлическое разъемное соединение 9, выполнен разъем 11 для присоединения к клапану телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА).

Запорно-регулирующий элемент 3 содержит корпус 12, размещенные в нем затвор 13, соединенный со штоком 14 линейного привода 2, гильзу 15 и седло 16. Затвор 13 и седло 16 установлены в гильзе 15. Корпус 12 затвора крепится с помощью фланца к крышке 1 клапана при помощи болтового соединения. Затвор 13 включает в себя запорный элемент 17, соединительную втулку 18 и тягу 19. Запорный элемент 17 и втулка 18 соединяются при помощи резьбового соединения, либо при помощи посадки запорного элемента 17 с натягом в паз втулки 18. Запорный элемент 17 имеет конический и цилиндрический участки, причем больший диаметр конического участка соответствует внутреннему диаметру гильзы 15, а цилиндрический участок запорного элемента размещен в седле 16 с образованием между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью седла 16 проточного канала 20. В корпусе 12 выполнена рабочая полость 21, сообщенная с расходомером 7. Гильза 15 в зоне контакта с рабочей полостью 21 выполнена со сквозными отверстиями 22. Отверстия 22 в гильзе 15 выполнены по длине хода затвора 13. Канал 20 при открытии затвора 13 через отверстия 22 соединяется с рабочей полостью 21.

Отверстия 22 на гильзе 15 расположены так, чтобы сохранить постоянное увеличение суммарной площади проходного сечения отверстий 22 для прохождения жидкой среды при смещении затвора 13 в осевом направлении, противоположном направлению течения жидкой среды, и, наоборот, уменьшение суммарной площади проходного сечения отверстий 22 при смещении затвора 13 в осевом направлении, попутном направлению течения жидкой среды. Суммарная площадь проходного сечения отверстий 22 достигает своего максимального значения преимущественно при максимальном ходе затвора 13. При этом сам ход затвора 1 выполнен с длиной, достаточной для обеспечения точности контроля перемещения затвора 1. Это позволяет точно позиционировать затвор 13 при помощи поступательного движения штока 14 линейного привода 2, тем самым, обеспечивая постепенное открытие/закрытие отверстий 22 гильзы 15 вместе с открытием/закрытием проходного канала 20 запорно-регулирующего элемента, а, следовательно, повышая точный расход (ввод) жидкой среды.

Работа клапана осуществляется следующим образом.

Клапан дозированной подачи жидких сред представляет собой управляемый дроссель, в котором запорно-регулирующий элемент имеет две ступени дросселирования: турбулентную и ламинарную.

При подаче управляющего сигнала на линейный привод 2, шток 14 втягивается/выдвигается, тем самым перемещая затвор 13 клапана, с которым он связан. Жидкая среда (химический реагент) подается через входное разъемное соединение 9, трубку 8 и расходомер 7 в рабочую полость 21 затвора 13. При движении штока в сторону открытия затвора запорный элемент 17 совершает движение от седла 16 вдоль гильзы 15, при этом конический участок запорного элемента 17, приоткрывает отверстия 22 гильзы 15, а жидкая среда направляется из полости 21 через отверстия 22 в канал 20 между цилиндрической поверхностью запорного элемента 17 и седлом 16. Жидкая среда, выходя из отверстий 22 попадает на коническую поверхность запорного элемента 17, образуя при этом завихрения потока, которые выравниваются в цилиндрическом канале 20. На выходе из канала 20 поток жидкой среды становится ламинарным. Таким образом турбулентная ступень клапана отвечает за изменение расхода жидкой среды, а ламинарная ступень обеспечивает сопротивление движению жидкой среды через клапан и придает потоку жидкой среды слоистую направленную форму течения (ламинарную).

Такая конструкция затвора позволяет сделать ход (осевое перемещение) затвора 13 в несколько раз больше диаметра затвора, в то время как в классических схемах затвора типа «конус на кромку» ход составляет 0,1 от диаметра затвора. Это обеспечивает увеличение точности позиционирования затвора при помощи линейного привода до 10 раз в сравнении со стандартно используемой конструкцией клапана с узлом затвора типа «конус на кромку».

Для получения информации о состоянии расхода жидкой среды, протекающей через клапан, используются предпочтительно два датчика давления 5 и 6, установленные до и после затвора 13, а также расходомер 7 (датчик расхода жидкой среды), установленный последовательно с затвором.

Погрешность измерения расхода жидкой среды, проходящей через клапан, производимая расходомером 7, предпочтительно не превышает 5% для обеспечения впрыска жидкой среды в фонтанную арматуру с требуемым объемом и скоростью.

Уравнение расхода жидкой среды в общем виде для клапана имеет следующий вид:

S_дp - площадь проточного канала 20, μ_щ - коэффициент расхода через проточный канал 20, ρ - плотность жидкой среды, р₀ - уровень давления перед гильзой 15 (перед турбулентной ступенью), р₁ - уровень давления после турбулентной ступени.

Клапан имеет вторичную систему измерения расхода жидкой среды, реализованную с помощью двух датчиков расхода 5 и 6. Погрешность измерения вторичной системы измерения не более 25%. Вторичная система измерения расхода жидкой среды реализуется дифференциальным методом контроля и измерения уровня давления, то есть при помощи датчиков давления, установленных с разных сторон от гильзы 15.

Поскольку площадь канала 20 - S_др является постоянной величиной при любых положениях открытия клапана, используя представленное выше уравнение расхода, всегда можно вычислить значения расхода жидкой среды в той или иной точке положения затвора 13. Уменьшение числа варьируемых неизвестных параметров уравнения, повышает точность расчета, то есть линейность расходно-перепадной характеристики, что приводит к обеспечению более точного управления расходом жидкой среды.

При движении штока 14 привода 2 в сторону закрытия клапана затвор 13 перекрывает проточную часть подаваемому потоку жидкой среды (химреагента) проходящей через отверстия 22 гильзы 15.

В предлагаемом изобретении линейность расходно-перепадной характеристики клапана достигается за счет согласования и выбора параметров запорно-регулирующего элемента: диаметра цилиндрической части затвора 13, диаметра канала 20, образованного седлом затвора 16, диаметром канала, образованным гильзой 15 затвора 13 и количества отверстий 22 в гильзе 15 затвора 13.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области и может быть использовано для осуществления ввода различных химических реагентов при работах по освоению и испытанию нефтегазовых скважин, в том числе подводных скважин. Клапан дозированной подачи жидкой среды содержит установленные в герметичном корпусе запорно-регулирующий элемент, включающий в себя седло и затвор, соединенный с линейным приводом, расходомер, датчики давления и рабочую полость, соединенную с образованным седлом и затвором каналом подачи жидкой среды. Затвор и седло образуют между собой цилиндрический канал подачи жидкой среды и размещены в гильзе, выполненной в зоне контакта с рабочей полостью с отверстиями, соединяющими при открытии клапана его рабочую полость с цилиндрическим каналом подачи жидкой среды. Достигается технический результат – повышение точности дозирования жидкой среды, за счет наличия в запорно-регулирующем элементе турбулентной и ламинарной ступени течения жидкости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Клапан дозированной подачи жидкой среды, содержащий установленные в герметичном корпусе запорно-регулирующий элемент, включающий в себя затвор и седло, соединенный с затвором линейный привод, расходомер, датчики давления и рабочую полость, соединенную с образованным седлом и затвором каналом подачи жидкой среды, отличающийся тем, что затвор и седло образуют между собой цилиндрический канал подачи жидкой среды и размещены в гильзе, выполненной в зоне контакта с рабочей полостью с отверстиями, соединяющими при открытии клапана его рабочую полость с цилиндрическим каналом подачи жидкой среды.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что затвор выполнен с коническим и цилиндрическим участками, причем больший диаметр конического участка затвора соответствует внутреннему диаметру гильзы.

3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что длина цилиндрического участка превышает его диаметр по меньшей мере в два раза.

4. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия гильзы выполнены по меньшей мере на длине хода затвора, между двумя его крайними положениями.

5. Клапан по п.4, отличающийся тем, что отверстия в гильзе затвора выполнены таким образом, что суммарная площадь проходного сечения отверстий достигает своего максимального значения в крайнем положении затвора, обеспечивающем его полное открытие.