CN102434463B - 具有混流级的涡轮机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有混流级的涡轮机及方法。具体而言，提供了一种用于将能量给予多相流体的方法及涡轮机。该涡轮机包括具有入口和出口的壳体；包括至少一个轴向级的轴向级部分；混流级部分，其包括流体地连接到轴向级部分上的至少一个混流级；以及离心级部分，其包括流体地连接到混流级部分上的至少一个离心级。轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级由在具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在具有80°至90°之间的值的角所限定。

Description

具有混流级的涡轮机及方法
技术领域
本文所公开的主题的实施例主要涉及方法和系统，并且更具体地涉及用于泵送/压缩多相流体的机构和技术。
背景技术
在过去数年间，随着化石燃料价格的升高，对开发新的生产领域的关注日益增加。岸上或离岸的钻探引发了各种问题。一个这样的问题是，出自油井的石油流体至少包括第一组分和第二组分。第一组分可为气体，而第二组分可为液体。此外，气体组分可能不会溶解和/或混合到液体组分中。因此，石油流体为多相流体。
然而，为了从油井提取石油流体或为了将其沿管路输送，在本行业中使用了泵和压缩机。泵通常用于输送液体，而压缩机用于输送气体。出于这些原因，泵设计成对于液体有效，而压缩机设计成对于气体有效。由于气体和液体的成分不同以及应用于这些流体的物理定律不同，故泵当气体存在于混合物中时便不高效，而压缩机当液体存在于混合物中时也不高效。
因此，为了处理多相流体(例如，至少包括气体组分和液体组分的流体)，通常使用串联连接的各种泵。在此方面，美国专利No.5,961,282(其全部公开内容通过引用并入本文中)公开了一种系统，该系统包括经由连接部分连接到离心泵上的轴流泵。
轴流泵如其名称所暗示的那样，将能量或压力给予沿泵的轴向方向行进的液体。为了说明，图1示出了具有壳体12的轴向泵10，在壳体12中，定子部分14构造成围绕轴16提供和用以使引入液体偏转。叶轮18构造成用以与轴16一起旋转以及用以引导加速的液体。如果轴16认作是沿轴线Z延伸，则离开叶轮18的液体大致具有沿轴线Z的速度v。离开叶轮的液体大致沿轴线Z移动的这种特性决定了泵为轴流泵，也即输出液体沿泵的轴线流动。
另一方面，离心泵使离开叶轮的液体从泵的轴线大致沿径向流动，如图2中所示。图2示出了离心泵20，在其中液体以速度v从处于Z上的泵轴线径向地沿轴线X输出。液体示为沿箭头A在入口22处进入。
转到美国专利No.5,961,282，该参考文献公开了使用具有轴向泵32和离心泵34的系统30(参见图3，其对应于美国专利No.5,961,282的图2B)。流体进入入口36，且通过提供在定子部分38后方的叶轮起作用。在穿过轴向泵32之后，当流体具有大致平行于轴40的速度时，固定到壳体44上的调整器42用于使引入的流体偏离，以便以大致垂直于轴40的速度进入离心泵34的通道46(输入)。离心泵34的叶片48还将能量或压力给予液体，且还沿垂直于泵轴线的方向X改变流动方向。
利用上述参考文件和其它参考文献的方法，石油流出物例如通过使用泵系统从油井底部输送至地面，该泵系统包括由一组径向型后级(离心级)辅助的一组螺旋轴向型前级。两组级可在相同轴线上叠置。
在没有气相的情况下，离心级能够高效地仅泵送单相液体。一旦测量气相与液相的体积率比例的气体体积分数(GVF)超过若干百分比，则常规离心级的性能便会劣化和妨碍泵的安全操作。为了避免此问题，GVF通过一组轴向级(例如，用于前级的螺旋轴向级)以及用于末级的径向级而减小。前组的螺旋轴向级容许高GVF，且它们在到达以较低GVF操作的末组的径向级之前，能够通过适中的压力升高来逐渐地减小GVF。第一组螺旋轴向级能够处理大的GVF，但以每级压力升高的减小为代价。这种解决方案需要增加总体级数来达到所期望的排出压力，而这导致重量、轴长度和成本的增加。
此外，期望的是提供优于上述系统的系统和方法。
发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，该多相流体至少包括液相和气相。涡轮机包括具有入口和出口的壳体；轴向级部分，其包括至少一个轴向级，且构造成用以经由入口接收多相流体和用以压缩多相液体的气相；混流级部分，其包括流体地连接到轴向级部分上的至少一个混流级；离心级部分，其包括流体地连接到混流级部分上的至少一个离心级，且构造成用以经由出口输出多相流体；以及轴，其连接轴向级部分、混流级部分和离心级部分。轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。
根据又一示例性实施例，存在一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，该多相流体至少包括液相和气相。涡轮机包括具有入口和出口的壳体；轴向级部分，其包括至少一个轴向级，且构造成用以经由入口接收多相流体和用以压缩多相液体的气相；混流级部分，其包括流体地连接到轴向级部分上的至少一个混流级，且构造成用以在出口处输出多相流体；以及轴，其连接轴向级部分和混流级部分。轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，以及混流级由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定。
根据又一示例性实施例，存在一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，该多相流体至少包括液相和气相。涡轮机包括具有入口和出口的壳体；混流级部分，其包括流体地连接到入口上的至少一个混流级；离心级部分，其包括流体地连接到混流级部分上的至少一个离心级，且构造成用以经由出口输出多相流体；以及轴，其连接混流级部分和离心级部分。混流级由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。
根据又一示例性实施例，存在一种将能量给予多相流体的方法，该多相流体至少包括液相和气相。该方法包括将轴向级部分按此顺序流体地连接到混流级和离心级部分上的步骤；将轴向级部分、混流级部分和离心级部分提供到具有入口和出口的壳体中的步骤；以及将轴向级部分的轴向叶轮、混流级部分的混流叶轮和离心级部分的离心叶轮连接到轴上的步骤。轴向级部分由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级部分由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。
附图说明
并入说明书中且组成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，且结合说明一起来阐述这些实施例。在附图中：
图1为常规轴向泵的简图；
图2为常规离心泵的简图；
图3为包括轴向泵和紧接的离心泵的系统的简图；
图4为来自于叶轮的气流与叶轮旋转轴线之间的角的简图；
图5为示出气体体积分数对包括各种类型级的涡轮机的级数的变化的图表；
图6为示出根据示例性实施例的由各种级实现的随流过涡轮机的流体GVF而变化的压力上升的图表；
图7为具有各种类型的级的涡轮机的简图；
图8为具有各种类型的级的涡轮机的另一简图；以及
图9为示出根据示例性实施例的将能量给予多相流体的方法的流程图。
具体实施方式
对示例性实施例的如下描述参照了附图。不同图中的相同标号表示相同或相似的元件。如下详细描述并不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，以下实施例将关于轴向泵和离心泵的术语和结构来描述。然而，下文所述的实施例并不限于这些泵，而是可应用于其它系统，例如，压缩机或其它涡轮机。
整个说明书所提及的″一个实施例″或″实施例″意指结合实施例描述的具体特征、结构或特点包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，出现在整个说明书中多个位置的短语″在一个实施例中″或″在实施例中″并非必然地指代同一实施例。此外，具体的特征、结构或特点可以任何适合的方式结合到一个或多个实施例中。
根据示例性实施例，涡轮机包括不同类型的一组叶轮，其适于以较高气体体积百分比启动流体的压缩和以最少的级数达到排出压力。涡轮机的结构包括轴向级、混流级和径向级中的至少两个。该结构容许在液态流体基质中气态内容物可变的情况下有宽广的可操作性。
新型涡轮机能够在存在气体不溶于液体的情况下增大液体的压力。操作状态包括饱和含有气体的液体。该涡轮机解决了例如从油井泵送的需要，其中过程流体包括混入一种或多种液相的一种或多种气相，以及可能的固体颗粒。
为了本公开内容的目的，″级″限定为系统(机器)或机器的一部分，其具有任何类型(例如，轴向、径向或混流)的叶轮(活动部分)，以及任何类型(导叶或涡管型，轴向或径向或混流)的扩散器(静止部分)。
根据示例性实施例，通过在螺旋轴向型级和径向型级之间引入逐渐过渡，实现了减少达到给定排出压力的级数。逐渐过渡可包括活动部分，例如叶轮。螺旋轴向级可为轴向泵级，而径向级可为离心泵级。限定轴向型对离心型的角λ在图4中示为平均叶轮出口流50与轴线52之间的角，该轴线52平行于包括轴线52的平面中的旋转轴线58。图4示出了具有旋转轴线58的叶轮56的叶片54。叶片54具有前缘60和后缘62。将由叶片54移动的流体在沿方向64移动时首先接触前缘60，且沿平行于流动50的方向66离开叶片的后缘62。在一种应用中，流动50的方向垂直于后缘62。
轴向级具有在0°至5°范围内的λ值，而离心级具有在80°至90°范围内的λ值。混流级(泵或压缩机)具有在5°至80°范围内的λ。
尽管多级机器(包括轴向级和离心级两者)中的轴向级减小了流体中的GVF，从而容许离心级更高效地压缩流体，但对于这种机器的级数大于最佳的最小数目。图5示出了与对于这种机器的GVF和λ相关的级数。该机器(其具有多于所需的级)具有nhs轴向级，后面是ncs离心级，其中轴向级具有小于5°的λ，而离心级具有大于80°且小于90°的λ。级数取决于泵(级)的尺寸和流体的成分。
图5示出了使GVF百分数(第一Y轴)与各级(表示在X轴上)相关联的曲线70，以及使λ值(第二Y轴)与仅具有轴向级和径向级的机器的各级相关联的曲线72。注意的是，曲线72示出了对于第一nhs级(轴向泵)的λ为零值，以及对于下一ncs级(离心泵)的λ为90°的值。
然而，当新型涡轮机具有nha轴向级、nma混流级和nca离心级时，这种情况会变化。图5示出了这种机器以较少的级数(nhs+nma+nca)替代对于之前机器的(nhs+ncs)级而实现相同GVF 73。这会发生，因为nma混流级将GVF值从曲线70进一步降低至曲线74，从而容许λ以较不急剧的方式(参见曲线76)从低值(例如，0°)过渡至高值(例如，90°)，也即从轴向阶段过渡至离心阶段。较不急剧的过渡例如可限定为具有处于0°至90°之间的至少一个中间值，例如，λ角函数具有如图5中的点78a和78b所示的零至九十之间的两个值。当混流级比螺旋轴向级更为有效时，由混流级造成的这种过渡容许GVF快速地减小到也在图5中示出的给定GVF阈值GVFth以下。图6中示出了阈值GVFth的实例。该图示出了跨过级的相对压力上升对离心级、混流级和螺旋轴向级的GVF。注意的是，在对应于GVFth 79a的大约20％至40％处，混流级变为比螺旋轴向级更为高效。换言之，新型涡轮机设计成在GVF处于这个范围时使用一个或多个混流级比常规的螺旋轴向级更为高效。从混流级到离心级的过渡可发生在GVF处于10％至20％的范围内时，例如，在离心级比混流级更为高效时的点79b处。图6中所示的数目和阈值是示范性的，且取决于机器的尺寸、级数、流体成分等。因此，对于一种涡轮机，图6中所示的值是准确的，而对于其它涡轮机则这些值必须调整。
混流级nma其特征在于具有大于5°且小于80°的角λ。图7中示意性地示出了这种涡轮机80。根据该示例性实施例，涡轮机80具有壳体82和轴84。轴84可为单个轴或彼此连接的多个轴。各种叶轮86a和86f连接到轴84上，且构造成与轴一起旋转。各叶轮均至少具有对应的叶片88a至88f，该叶片88a至88f将能量和/或压力给予经过的流体。流体在入口90处进入涡轮机80，且在出口92处离开机器。尽管图7中所示的机器具有6级，但不应推断为这是对于此种机器最少、最多或最佳的级数。六个级仅是为了示范。此外，不应推断为所有三种类型的级都将存在于此种机器中。构想出的是，使涡轮机仅具有轴向级和混流级、仅具有混流级和离心级，或具有所有三个级。
在该示例性实施例中，头两级为轴向级，其可由叶轮叶片后缘的λ识别，接着的两级为混流级，以及末两级为离心级。再次的是，级数是示例性的，且不应推断为图7中所示的组合为最佳构造。例如，可能具有一个轴向级、一个混流级和一个离心级。
图7中的各叶片88a至88f均具有对应的扩散器94a至94f。这些扩散器为静止的，也即固定到壳体或涡轮机的其它非活动部分上。扩散器构造成用以改变流体流以优化各级的效率。在图7中还可看到，流动调整部分96或过渡通路也固定到壳体上且构造成用以产生在轴向级和混流级之间的流体流的过渡。
涡轮机的轴84可连接到驱动器98上，该驱动器98可为电动马达、发动机、燃气轮机等。在一种应用中，所有级都安置在单个壳体82中，使得涡轮机为单件式设备。涡轮机可具有圆柱形，以便能够进入油井来提取石油流出物。
在该示例性实施例中，混流级3和4的叶片88c和88d具有角λ，其分别具有在大约30°至44°和50°至65°的范围内的值。在一种应用中，混流级的角具有20°至60°之间的值。如上文所述，涡轮机的级可仅实现为泵、仅实现为压缩机，或实现为泵和压缩机的组合。
根据图8中所示的示例性实施例，一种用于将能量给予多相流体的涡轮机80包括：壳体82，其具有入口90和出口92；轴向级部分100a，其包括至少一个轴向级(级1)且构造成用以经由入口90接收多相流体和用以压缩多相流体的气相；混流级部分(100b)，其包括流体地连接到轴向级部分上的至少一个混流级(级3)；离心级部分100c，其包括连接到混流级部分上的至少一个离心级(级5)且构造成用以经由出口92输出多相流体；以及轴84，其连接轴向级部分100a、混流级部分100b和离心级部分100c。轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。
根据图9中所示的示例性实施例，存在一种用于将能量给予多相流体的方法，该多相流体至少包括液相和气相。该方法包括将轴向级部分按此顺序连接到混流级部分和离心级部分上的步骤900；将轴向级部分、混流级部分和离心级部分提供到具有入口和出口的壳体中的步骤902；以及将轴向级部分的轴向叶轮、混流级部分的混流叶轮和离心级部分的离心叶轮连接到轴上的步骤904。轴向级部分由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级部分由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。
所公开的示例性实施例提供一种用于将能量给予至少包括液相和气相的多相流体的系统和方法。应当理解的是，此描述并非意图限制本发明。相反，示例性实施例旨在涵盖包括在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、变型和等同布置。此外，在示例性实施例的详细描述中阐述了许多具体细节，以便提供对所主张发明的充分理解。然而，本领域的普通技术人员将会理解到，可在没有这些具体细节的情况下实施各种实施例。
尽管本示例性实施例的特征和元件在实施例中以特定的组合进行描述，但各特征或元件也可在不具有该实施例的其它特征和元件的情况下单独地使用，或在具有或不具有本文所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合来使用。
本书面说明使用了所公开主题的实例来使本领域的任何普通技术人员能够实施本主题，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本主题可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所想到的其它实例。这些其它实例认为处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，所述多相流体至少包括液相和气相，所述涡轮机包括：
壳体，所述壳体具有入口和出口；
轴向级部分，所述轴向级部分包括至少一个轴向级，且构造成用以经由所述入口接收所述多相流体和用以压缩所述多相流体的气相；
混流级部分，所述混流级部分包括流体地连接到所述轴向级部分上的至少一个混流级；
离心级部分，所述离心级部分包括流体地连接到所述混流级部分上的至少一个离心级，且构造成用以经由所述出口输出所述多相流体；以及
轴，所述轴连接所述轴向级部分、所述混流级部分和所述离心级部分，
其中，所述轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有0°至5°之间的值，
所述混流级由在混流叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有5°至80°之间的值，以及
所述离心级由在离心叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有80°至90°之间的值；
其中，所述轴向级、所述混流级和所述离心级的角构造成与所述多相流体的气体体积分数GVF相关；并且
其中，GVF为所述多相流体的气相与液相的体积率比例；
当所述多相流体的气体体积分数为20%至40%时所述轴向级过渡为所述混流级，并且当所述多相流体的气体体积分数为10%至20%时所述混流级过渡为所述离心级。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述轴向级部分包括至少两个轴向级，所述混流级部分包括至少两个混流级，以及所述离心级部分包括至少两个离心级。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，各级均包括具有构造成用以与所述轴一起旋转的叶轮的转子，以及固定到所述壳体上且构造成用以改变对应流动的方向的扩散器。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述入口为轴向的，以及所述出口为径向的。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机还包括：
在所述轴向级部分与所述混流级部分之间的调整部分。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，在进入所述混流级部分之前，所述多相流体的气相相对于所述液相具有低于预定值的体积比。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述混流级的角具有处于20°至60°之间的值。
8.一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，所述多相流体至少包括液相和气相，所述涡轮机包括：
壳体，所述壳体具有入口和出口；
轴向级部分，所述轴向级部分包括至少一个轴向级，且构造成用以经由所述入口接收所述多相流体和用以压缩所述多相流体的气相；
混流级部分，所述混流级部分包括流体地连接到所述轴向级部分上的至少一个混流级，且构造成用以在所述出口处输出所述多相流体；以及
轴，所述轴连接所述轴向级部分和所述混流级部分，
其中，所述轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有0°至5°之间的值，以及
所述混流级由在混流叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有5°至80°之间的值；
其中，所述轴向级和所述混流级的角构造成与所述多相流体的气体体积分数GVF相关；并且
其中，GVF为所述多相流体的气相与液相的体积率比例；
当所述多相流体的气体体积分数为20%至40%时所述轴向级过渡为所述混流级。
9.一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，所述多相流体至少包括液相和气相，所述涡轮机包括：
壳体，所述壳体具有入口和出口；
混流级部分，所述混流级部分包括流体地连接到所述入口上的至少一个混流级；
离心级部分，所述离心级部分包括流体地连接到所述混流级部分上的至少一个离心级，且构造成用以经由所述出口输出所述多相流体；以及
轴，所述轴连接所述混流级部分和所述离心级部分，
其中，所述混流级由在混流叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有5°至80°之间的值，以及
所述离心级由在离心叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有80°至90°之间的值；
其中，所述混流级和所述离心级的角构造成与所述多相流体的气体体积分数GVF相关；并且
其中，GVF为所述多相流体的气相与液相的体积率比例；
当所述多相流体的气体体积分数为10%至20%时所述混流级过渡为所述离心级。
10.一种用于将能量给予多相流体的方法，所述多相流体至少包括液相和气相，所述方法包括：
将轴向级部分按此顺序流体地连接到混流级部分和离心级部分上；
将所述轴向级部分、所述混流级部分和所述离心级部分提供到具有入口和出口的壳体中；以及
将所述轴向级部分的轴向叶轮、所述混流级部分的混流叶轮和所述离心级部分的离心叶轮连接到轴上，
其中，所述轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有0°至5°之间的值，
所述混流级由在混流叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有5°至80°之间的值，以及
所述离心级由在离心叶轮出口流与平行于所述轴的旋转轴线的轴线之间的角所限定，所述角具有80°至90°之间的值；
其中，所述轴向级、所述混流级和所述离心级的角构造成与所述多相流体的气体体积分数GVF相关；并且
其中，GVF为所述多相流体的气相与液相的体积率比例；
当所述多相流体的气体体积分数为20%至40%时所述轴向级过渡为所述混流级，并且当所述多相流体的气体体积分数为10%至20%时所述混流级过渡为所述离心级。
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