CN102667017A - 使用段塞抑制器和/或雾化器的离心湿气压缩或膨胀 - Google Patents

Abstract

本公开涉及如此装置和方法，其通过使流体在压缩或膨胀之前经过段塞抑制器和/或雾化设备，用于增加离心式压缩机或膨胀器处理具有增加的液体含量的多相流体的能力。

Description

使用段塞抑制器和/或雾化器的离心湿气压缩或膨胀

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年11月25日提交的题目为“CENTRIFUGALWET GAS COMPRESSION OR EXPANSION WITH A SLUGSUPPRESSOR AND/OR ATOMIZER(使用段塞抑制器和/或雾化器的离心湿气压缩或膨胀)”的美国临时专利申请61/264,414的权益，其整体通过引用并入本文。

发明背景

技术领域

本申请中公开的主题涉及在流体处理系统中压缩或膨胀多相流体使用的技术。

相关技术描述

此章节意欲介绍本领域的各个方面，其可能与本发明的示例性实施方式有关。相信本讨论有助于为促进本发明的具体方面的更好理解提供框架。因此，应当以这个角度阅读本章节，而不必认为是承认现有技术。

传统上，应当理解离心式压缩机或气体膨胀器不处理液体段塞(liquid slug)，并因此假设它们只可以处理按体积计1%的液体部分。因此，在许多应用中，在使用离心式压缩机或膨胀器之前，使用昂贵的液体分离器、脱水方法和/或装置清洁器(scrubber)以尝试并清除或分离液体。这些设备通常设计用于特定的操作条件，并且因而限制于可用给定工艺流速处理的气体体积分数(GVF)的范围内。甚至使用该昂贵和复杂的处理设备，如果有突然高水平的液体，那么一旦超过它们的液体能力，它们可很快饱和、充满并溢出液体分离器，导致段塞(堵塞，slug)压缩机或膨胀器设备。

一般而言，如果已知流体一般小于90%GVF可以使用多相泵。离心式压缩机通常限于具有99.7或更高GVF的应用，甚至这可引起机器稳定性的问题并影响密封件和轴承的可靠性。因此，对于该小范围以外的处理，目前的实践是分离流体然后使用离心式压缩机，甚至使用相关的方法和设备具有设计限制。对于气体膨胀器也一样，其功能上是相反运行的离心式压缩机，以通过膨胀器的工艺压降提取一种或另一种形式的能量。分离器、清洁器和脱水装置不仅昂贵并且液体容量和体积流量范围受限，而且它们也倾向于体积非常大，占用场所比如海上平台、水下油气工艺系统或岸上设施中昂贵的房产(real estate)。这点连同复杂的控制系统和额外的辅助设备如泵、调节器、液面调节器、传送器和过滤器增加了这些系统的复杂性和故障的可能性。段塞可造成严重损害的过程的一个例子在图1中示出，其描绘了典型的油井或气井流服务(oil or gas well stream service)，其中分离器4用于将液体与气体分开，以便离心式压缩机21和泵12可接着用于分别推进气体和液体。这两者接着在14处再次结合，以便通过管道将二者运输至处理设施。如果一个机器可用于运输结合的流，则具有大大减少总体成本和总体系统复杂性的可能。

液体的一些另外的问题不仅是机器的稳定性而且也腐蚀叶轮和扩散器，污损并当在机器中被压缩时如果液体闪蒸或蒸发，导致不平衡。但是，测试已经显示通过降低撞击点的液体速率和通过减小小滴大小可减少或防止腐蚀。通过增加液体水平高于闪点有效洗涮机器内部，也已经减少或甚至消除污损。

前述本领域需要的讨论拟是代表性的而非穷举的。与本领域目前状态相比较，改善压缩机或膨胀器以处理具有更高液体含量的多相流体流的能力的技术具有极大价值。

发明内容

上面提到的处理多相流体流中的问题已经通过使用液体段塞抑制器和/或雾化设备以增强液体与气体的上游混合得以解决，因此使得离心式压缩机或膨胀器能够更好地处理更高水平的液体。雾化设备可以是任何一个已知的流体雾化器，其包括一个或多个喷雾嘴或流动混合器设备。这可在现有设计中使用以帮助保护压缩机或膨胀器不受另外的液体体积引起的处理扰乱(process upset)，或作为单独设计使用以帮助消除一些需要的设备，比如分离器或液体泵。

段塞抑制器（slug suppressor）减缓液体的段塞，并将它与已经在设备中的气体混合以减少密度的突然改变。这允许当随着液体体积的增加或GVF的减少而增加扭矩或载荷时，压缩机驱动器的时间减慢。雾化设备进一步帮助将液体段塞转化成混合气体中的小滴或薄雾，以更好地帮助压缩机处理密度和载荷的改变同时降低冲击，这导致较少的腐蚀。每个产物或二者可连续在存在一些液体或一种液体扰乱可能的压缩机或膨胀器应用中使用。

在本公开的上下文中，术语“雾化设备”意思是指将液体破碎成雾、薄雾或液体喷雾的任何设备或机构。如本文所使用术语“雾化的”应当理解为指小的、不连续的液体颗粒。同样地，术语段塞抑制器意思是指通过将主要液体流与在该液体前面、一起或后面流动的气体混合，帮助减慢气流中高水平液体流体密度突然改变的任何设备。

前面已经列出相当宽泛的本发明的特征和技术优点，以便随后的本发明的详细描述可被更好地理解。下文中将描述本发明的附加特征和优点，其构成本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应该理解，可易于利用公开的概念和具体实施方式作为修正或设计其他实行与本发明相同目的的结构的基础。本领域的技术人员也应该认识到，这种等同构造不偏离本发明的精神和范围，如所附权利要求中所阐述的。

附图简述

被认为代表本发明的新的特征——其关于其组织和操作方法，与进一步目的和优点一起，当连同附图考虑时从下面的描述中会更好被理解。然而，应清楚理解，每个图都只为说明和描述的目的提供，不意图作为本发明范围的限定。

图1是已知多相流体处理系统的示意图。

图2是根据本公开压缩多相流体的多相流体处理系统的一种实施方式的示意图。

图3是根据本公开膨胀多相流体的多相流体处理系统的另一种实施方式的示意图。

图4是组合的段塞抑制器和雾化设备的示意性描述。

图5是图2中示出的多相流体处理系统的修改版本。

应当注意，图仅仅是本发明示例性的数个实施方式，并不因此意欲限制本发明的范围。进一步地，图一般不按照比例绘制，而是为了在图解本发明各个方面时方便和清楚的目的绘制。

发明详述

现参考示例性实施方式，并使用具体语言对其进行描述。然而，应当理解，并不因此意欲限制本发明的范围。相关领域技术人员和拥有本公开的技术人员容易想到，本文描述的发明特征的进一步修改的改变，以及本文描述的本发明原理的另外应用，考虑落在本发明的范围内。进一步地，在本发明具体实施方式被公开和描述之前，应当理解本发明不限于本文公开的具体方法和材料，因此可以以一些程度变化。也应当理解，本文使用的术语仅仅为了描述具体实施方式的目的而使用，而不意欲是限制性的，本发明的范围将仅仅被所附的权利要求和其等价物限定。

图1图解井口装置环境中处理多相流体的已知系统。流体可包括例如水、油和气体，被引入冷却器1并接着经止回阀2和导管3进入分离器罐4。分离出水并且泵6将水经导管7泵至远处位置。收集油和冷凝物并且泵12经导管11和13输送油和冷凝物至导管15。气体从分离器4经导管20流至压缩机21，接着它经过止回阀23并在14处与油/冷凝物流结合。提供循环管线30，其包括阀31、冷却器32和止回阀33。

本发明的原理在一种实施方式中示出，如在图2中示意性示出的。多相流体，例如来自井口装置的流体通过导管50、止回阀51和导管52被引至装置。液体和气体的混合物进入流体处理设备55。该流体处理设备可以是段塞抑制器或已知的雾化设备，比如一个或多个喷雾嘴或流动混合器。也可以是这些元件的组合。组合的段塞抑制器和雾化设备的一个例子在图4中示出。液体在内室107中积聚并且气体在外室108中流动。在内室107的壁中设置挡板104，以允许液体的突然增加溢出进入气流并与气体混合。因此，通过使用一些在段塞抑制器中静止的气体来减少液体体积，这种液体流的突然增加被减缓。在液体室下端处的喷雾嘴105雾化液体，并将它喷入气流路径的锥形部分109下游的气流中。雾化液体和气体流继续流动经过导管部分106。典型的段塞抑制器和雾化设备可从Framo Engineering AS获得。流动混合器可包括反向旋转叶片(counter swirling vane)或相对旋转涡流(counterrotating vortices)。

再次参考图2，离开流体处理设备55的混合物流动经过导管56至压缩机58。压缩的流体离开压缩机58通过导管60和61至止回阀62并至分配导管63，其输送压缩的流体至期望的位置。用于来自压缩机58的混合物的循环管线设置在66处，其包括阀67和止回阀69。

图3图解本发明原理在膨胀器系统中的应用。多相流体经过多相流量表82、控制阀84和导管85进入流体处理设备55。从那里，混合物流动经过导管91、膨胀器93、导管94、止回阀95和分配导管96。膨胀器93可连接至发电机或压缩机92或需要电源的任何设备。支路99、97与阀98一起设置以绕过膨胀器93。液力扭矩变换器90可放置在膨胀器93和发电机或压缩机90之间。

将段塞抑制器和雾化设备的一个或二者与随增加的载荷、液体水平或流体的总体密度的扭矩控制或速度减小相结合，将进一步使得离心式压缩机或膨胀器能够实现更宽的操作范围。例如，压缩机的速度控制可通过使用图2中显示的变速驱动装置(drive)实现。连接变速驱动装置57(VSD)至压缩机58，所述变速驱动装置比如马达或其他机械或电驱动装置，其包括但不限于煤气发动机、汽轮机或燃气轮机、膨胀器、水轮机。控制驱动器和压缩机之间扭矩或速度的驱动机构可以是电子的、液压的或机械的。控制变速驱动装置的合适工具可包括感测扭矩、载荷、流体密度、GVF或输入功率的传感器。

速度或扭矩控制帮助使得离心式压缩机和膨胀器更稳健，因此通过设计系统更好地管理液体段塞和多相流在湿使用(wet service)中提高稳定性并减少维护成本。这可在所有类型的离心式压缩机和膨胀器应用中使用，其中液体存在或可能存在于工艺中，包括井口装置维护、海底压缩机或膨胀器、LNG膨胀、湿气气体压缩机和其他上游和下游工艺。

控制扭矩的一个选择是通过液力扭矩变换器，代替使用VSD驱动装置。接着，常规的定速马达、燃气轮机和相关的齿轮可用于压缩机驱动器。

对于膨胀器，流动控制可使用两相或三相流量表82以操作入口流阀84或入口导向叶片，以便当GVF随着液体水平增加下降时减少流动，如在图3中显示。其他选择是在气体膨胀器93和它所驱动的之间使用液力扭矩变换器90，或测量流体密度、多相流混合物、质量流、输出功率或扭矩的任何其他方法。

如图5中显示的，图2的变速驱动装置57可被定速驱动器102替换。液力扭矩变换器101可放置在定速驱动器和压缩机58之间以允许改变压缩机58的速度。

本发明进一步在下列实施方式中描述：

实施方式A：压缩多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送多相流体；

段塞抑制器，其连接至第一导管；

离心式压缩机，其连接至段塞抑制器的输出端；和

分配导管，其连接至压缩机，用于输送压缩的多相流体至期望的位置。

实施方式B：实施方式A的装置，进一步包括位于第一导管中的雾化设备。

实施方式C：实施方式B的装置，其中雾化设备是流动混合器，其包括至少两个反向旋流叶片或相对旋转涡流。

实施方式D：实施方式A-C任一项的装置，其中压缩机的驱动器是电动机或煤气发动机、燃气轮机或汽轮机、膨胀器、水轮机。

实施方式E：实施方式A-D任一项的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量或输出功率控制压缩机速度的工具。

实施方式F：实施方式B或C的装置，其中段塞抑制器和雾化设备在具有入口和出口的罩中结合，其中所述罩包括：

积聚液体的第一室；

积聚气体的第二室；

在第一和第二室之间的多个挡板，允许第一室中积聚的液体溢出进入第二室；和

位于第一室的末端部分的多个喷雾嘴。

实施方式G：根据实施方式F的装置，其中所述罩从入口至出口逐渐变细。

实施方式H：根据实施方式A-G任一项的装置，进一步包括循环导管，其一端连接至压缩机的输出端并且它的另一端连接至第一导管。

实施方式I：根据实施方式H的装置，进一步包括在循环导管中的再循环阀。

实施方式J：膨胀多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送多相流体；

段塞抑制器，其连接至第一导管；

膨胀器，其连接至段塞抑制器的出口；和

导管，其连接至膨胀器，用于输送多相流体至期望的位置。

实施方式K：实施方式J的装置，进一步包括连接至第一导管的雾化设备。

实施方式L：实施方式K的装置，其中雾化设备是流动混合器，其包括至少两个反向旋流叶片或相对旋转涡流。

实施方式M：实施方式J-L任一项的装置，进一步包括连接至膨胀器的功率输出轴的发电机或压缩机。

实施方式N：实施方式的装置K或L，其中段塞抑制器和雾化设备在具有入口和出口的罩中结合，和所述罩包括

用于液体的第一室；

积聚气体的第二室；

在第一和第二室之间的多个挡板，允许第一室中积聚的液体溢出进入第二室；和

位于第一室的末端部分的多个喷雾嘴。

实施方式O：根据实施方式N的装置，其中所述罩从入口至出口逐渐变细。

实施方式P：装置根据实施方式J-O任一项的装置，进一步包括旁通导管，其一端连接至膨胀器的输出端并且它的另一端连接至第一导管。

实施方式Q：根据实施方式P的装置，进一步包括在旁通导管中的旁通阀。

实施方式R：装置根据实施方式J-Q任一项的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量或输出功率控制膨胀器或从动设备速度的工具。

实施方式S：压缩多相流体的方法，其包括下列步骤：

提供段塞抑制器或雾化设备；

将多相流体的流引入段塞抑制器或雾化设备；

将来自段塞抑制器或雾化设备的输出流引入压缩机的入口部分；和

压缩多相流体。

实施方式T：压缩包括液体和气体组分的多相流体的方法，其包括下列步骤：

在罩内将液体与气体分开；

雾化液体；

将雾化的液体再引导回进入气流；和

压缩所得雾化的液体和气体的混合物。

实施方式U：膨胀压缩的多相流体的方法，其包括下列步骤：

提供段塞抑制器或雾化设备；

将多相流体的流引入段塞抑制器或雾化设备；

将来自段塞抑制器或雾化设备的输出流引入膨胀器的入口部分；和

膨胀多相流体。

实施方式V：膨胀包括液体和气体组分的压缩的多相流体的方法，其包括下列步骤：

在室内将液体与气体分开；

雾化液体；

将雾化的液体再引导回进入气流；和

膨胀所得雾化的液体和气体的混合物。

实施方式W：实施方式S的方法，进一步包括在多相流体被压缩之前引导多相流体通过流动混合器的步骤。

实施方式X：实施方式S的方法，其中压缩机是离心式压缩机。

实施方式Y：实施方式S的方法，进一步包括使用电动机或煤气发动机、燃气轮机或汽轮机、膨胀器、水轮机或其他驱动设备，以向压缩机提供功率的步骤。

实施方式Z：实施方式T的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量或输出功率控制压缩机速度的工具。

实施方式AA：压缩多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送多相流体；

雾化设备，其连接至第一导管；

压缩机，其连接至雾化设备的输出端；和

分配导管，其连接至压缩机，用于输送压缩的多相流体至期望的位置。

实施方式BB：实施方式AA的装置，其中雾化设备包括连接至第一导管的一个或多个喷雾嘴或流动混合器。

实施方式CC：实施方式AA或BB的装置，进一步包括电动机或煤气发动机、燃气轮机或汽轮机、膨胀器、水轮机或其他驱动设备，以向压缩机提供功率。

实施方式DD：实施方式AA-CC任一项的装置，进一步包括基于扭矩、载荷、流体密度、GVF或输入功率控制压缩机速度的工具。

实施方式EE：膨胀多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送多相流体；

雾化设备，其连接至第一导管；

膨胀器，其连接至雾化设备的输出端；和

分配导管，其连接至膨胀器，用于输送膨胀的多相流体至期望的位置。

实施方式FF：实施方式EE的装置，进一步包括连接至第一导管的段塞抑制器。

实施方式GG：实施方式EE或FF的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量、GVF或输出功率控制膨胀器或从动设备速度的工具。

实施方式HH：实施方式EE-GG任一项的装置，进一步包括连接至膨胀器的功率输出轴的发电机或压缩机。

实施方式II：实施方式HH的装置，进一步包括旁通导管，其一端连接至膨胀器的输出端并且它的另一端连接至第一导管。

实施方式JJ：实施方式II的装置，进一步包括在旁通导管中的旁通阀。

实施方式KK：实施方式EE-JJ任一项的装置，其中雾化设备是流动混合器或一个或多个喷雾嘴。

实施方式LL：实施方式E、R、Y或DD任一项的装置，其中监测或控制所陈述参数的工具由下列组成：扭矩传感器、载荷传感器、流体密度传感器、多相流量表、输入功率传感器、转矩变换器、计算机化控制系统、入口或出口控制阀、再循环阀、变速驱动装置、永磁马达或其他类似设备。

应当理解，前面仅仅是本发明具体实施方式的详细描述，并且在不背离本发明范围的情况下，根据本文的公开可对公开的实施方式作出许多改变、修改和选择。相反，本发明的范围只被所附的权利要求和它们的等价物确定。

Claims (35)

1.压缩多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送所述多相流体；

段塞抑制器，其连接至所述第一导管；

离心式压缩机，其连接至所述段塞抑制器的输出端；和

分配导管，其连接至所述压缩机，用于输送所压缩的多相流体至期望的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述第一导管中的雾化设备。

3.所根据权利要求2述的装置，其中所述雾化设备是流动混合器，其包括至少两个反向旋流叶片或相对旋转涡流。

4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括连接至所述压缩机的功率输入轴的变速驱动装置。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述段塞抑制器和雾化设备在具有入口和出口的罩中结合，其中所述罩包括

积聚液体的第一室；

积聚气体的第二室；

在所述第一室和所述第二室之间的多个挡板，允许所述第一室中积聚的液体溢出进入所述第二室；和

位于所述第一室末端部分的多个喷雾嘴。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述罩从所述入口至所述出口逐渐变细。

7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括循环导管，其一端连接至所述压缩机的所述输出端并且它的另一端连接至所述第一导管。

8.装置根据权利要求7，进一步包括在所述循环导管中的再循环阀。

9.膨胀多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送所述多相流体；

段塞抑制器，其连接至所述第一导管；

膨胀器，其连接至所述段塞抑制器的出口端；和

导管，其连接至所述膨胀器，用于输送所述多相流体至期望的位置。

10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括连接至所述第一导管的雾化设备。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述雾化设备是流动混合器，其包括至少两个反向旋流叶片或相对旋转涡流。

12.根据权利要求9所述的装置，进一步包括连接至所述膨胀器的功率输出轴的发电机或压缩机。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述段塞抑制器和雾化设备在具有入口和出口的罩中结合，并且所述罩包括

用于液体的第一室；

积聚气体的第二室；

在所述第一室和所述第二室之间的多个挡板，允许所述第一室中积聚的液体溢出进入所述第二室；和

位于所述第一室的末端部分的多个喷雾嘴。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述罩从所述入口至所述出口逐渐变细。

15.根据权利要求9所述的装置，进一步包括旁通导管，其一端连接至所述膨胀器的输出端并且它的另一端连接至所述第一导管。

16.根据权利要求15所述的装置，进一步包括在所述旁通导管中的旁通阀。

17.根据权利要求9所述的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量或输出功率控制所述膨胀器或从动设备速度的工具。

18.压缩多相流体的方法，其包括：

提供段塞抑制器或雾化设备；

将多相流体的流引入所述段塞抑制器或雾化设备；

将来自所述段塞抑制器或雾化设备的输出流引入离心式压缩机的入口部分；和

压缩所述多相流体。

19.压缩包括液体和气体组分的多相流体的方法，其包括：

在罩内将所述液体与所述气体分开；

雾化所述液体；

将所雾化的液体再引导回进入气流；和

压缩所述所得雾化的液体和气体的混合物。

20.膨胀压缩的多相流体的方法，其包括：

提供段塞抑制器或雾化设备；

将多相流体的流引入所述段塞抑制器或雾化设备；

将来自所述段塞抑制器或雾化设备的输出流引入膨胀器的入口部分；和

膨胀所述多相流体。

21.膨胀包括液体和气体组分的压缩的多相流体的方法，其包括：

在室内将所述液体与所述气体分开；

雾化所述液体；

将所雾化的液体再引导回进入气流；和

膨胀所述所得雾化的液体和气体的混合物。

22.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

在所述多相流体被压缩之前引导所述多相流体通过流动混合器。

23.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

使用电动机或煤气发动机、燃气轮机或汽轮机、膨胀器、水轮机或其他驱动设备，以向所述压缩机提供功率。

24.根据权利要求20所述的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量或输出功率控制所述压缩机速度的工具。

25.压缩多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送所述多相流体；

雾化设备，其连接至所述第一导管；

压缩机，其连接至所述雾化设备的输出端；和

分配导管，其连接至所述压缩机，用于输送所压缩的多相流体至期望的位置。

26.根据权利要求25所述的装置，其中所述雾化设备包括连接至所述第一导管的一个或多个喷雾嘴或流动混合器。

27.根据权利要求25所述的装置，进一步包括连接至所述压缩机的功率输入轴的变速驱动装置。

28.根据权利要求26所述的装置，进一步包括基于扭矩、载荷、流体密度、GVF或输入功率控制所述压缩机速度的工具。

29.膨胀多相流体的装置，其包括：

第一导管，用于输送所述多相流体；

雾化设备，其连接至所述第一导管；

膨胀器，其连接至所述雾化设备的输出端；和

分配导管，其连接至所述膨胀器，用于输送所膨胀的多相流体至期望的位置。

30.根据权利要求29所述的装置，进一步包括连接至所述第一导管的段塞抑制器。

31.根据权利要求29所述的装置，进一步包括基于产生的扭矩、载荷、流体密度、多相流测量、GVF或输出功率控制所述膨胀器或从动设备速度的工具。

32.根据权利要求29所述的装置，进一步包括连接至所述膨胀器的功率输出轴的发电机或压缩机。

33.根据权利要求29所述的装置，进一步包括旁通导管，其一端连接至所述膨胀器的输出端并且其另一端连接至所述第一导管。

34.根据权利要求33所述的装置，进一步包括在所述旁通导管中的旁通阀。

35.根据权利要求29所述的装置，其中所述雾化设备是流动混合器或一个或多个喷雾嘴。

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