CN102725533B - 压缩机单元和处理工作流体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理工作流体的压缩机单元，包括在壳体(7)内部用于压缩工作流体的压缩机(3)，其中收集腔(19)与所述壳体(7)的工作流体入口(7I)流体联接。

Description

压缩机单元和处理工作流体的方法
技术领域
本发明涉及压缩机单元和处理工作流体的方法。
背景技术
用于从在海底下面存在的油气田(field)提取天然气的工业设备通常置于海上的平台上或海底上。
特定而言，海底上的设备包括可浸没压缩机单元和在地面上预装配且然后置于海底本身中的其它模块。
可浸没压缩机单元通常包括将所提取的天然气推送到大陆且被布置在带有电动马达的壳体中的离心压缩机；该单元能够与置于井和单元入口之间的外部分离机流体连接。这种类型的压缩机单元可以是带有竖直构造的机器，该竖直构造具有在其上布置电动马达的转子以及压缩机的离心叶轮的竖直轴，该轴由多个机械轴承且优选地磁力式的推力轴承来支撑。竖直构造的主要益处是排出由重力引起和占地面积(footprint)减小。
这两个模块(压缩机单元和分离机)通常设置有相应的入口开口和出口开口，入口开口和出口开口在海底上的浸没阶段期间用阀门关闭；在安装阶段期间，这两个开口使用管而流体联接并且然后打开两个阀门。最佳实践包括首先打开在分离机一侧的阀门；然后及时地打开在单元一侧的阀门。这样，能够将管内部的水排入分离器中；管从单元下降到分离器以便于排放。
这种类型的机器的缺点在于，单元的阀门能在分离器的阀门之前由操作者打开，从而引起海水意外地排入压缩机单元内部并损坏单元本身的机械构件。
专利申请WO2007/103,248描述了一种用于处理包括气体和液体的多相流体流的流体处理机器。壳体具有内腔、与内腔流体连接且带有流源的入口、以及第一出口和第二出口。设置在壳体腔内的分离器与入口流体联接，使得流流到分离器并将流分离成气体部分和液体部分。设置在腔内的压缩机接纳并压缩来自分离器的气体部分，以通过壳体第一出口排放，压缩机具有与壳体内表面间隔开以限定流动通道的外表面。设置在腔内的泵具有通过通道与分离器流体联接的入口，与分离器竖直地间隔开使得液体由于重力而从分离器流到泵，并且对液体加压以通过壳体第二出口排放。
这种类型的机器的缺点是，它需要压缩机单元内部的分离器，从而增加了机械复杂性和成本。
另一个缺点是，下部机械轴承置于壳体的下基板上，并且因此有必要提供密封壳以避免与水或废物接触。特定而言，如果轴承为磁力式，则该壳必须是高密封壳，从而增加了安装和设计成本且同时降低了可靠性，高密封壳对于需要不间断工作许多年的诸如浸没应用的应用而言是特别有意义和重要的。
此外，轴必须足够长以在基板上放置上述轴承，从而显著地增加了设计成本。
另一缺点是轴的长度与腔的竖直长度有关，只有当轴的长度同时变化时腔的竖直长度才能够变化，从而增加了设计的成本和难度。
迄今为止，虽然技术在发展，但这造成了问题并且存在着制造用于从在海底下面存在的油气田提取天然气的更简单且更便宜的机器从而改进安装阶段且同时其工作阶段的需求。
发明内容
根据第一方面，存在用于处理工作流体的压缩机单元，该压缩机单元包括在壳体内部用于压缩工作流体的压缩机，其中，收集腔与所述壳体的工作流体入口流体联接。
根据另一方面，存在处理工作流体的方法，该方法包括以下阶段：提供带有壳体的压缩单元，该压缩单元包括压缩机和在壳体内部且与壳体本身的工作流体入口流体联接的收集腔；在工作场所中将压缩机单元与外部辅助设备彼此关联；以及操作压缩单元而压缩工作流体。
附图说明
通过遵循描述和示出所述发明的非限制实用实施例的附图，本发明将会更加显而易见。更具体而言，在附图中，相同的标号表示相同或对应的部分：
图1示出根据本发明的实施例的机器的示意性竖直剖面图；
图2示出图1的截面II-II的示意图；
图3示出图1的截面III-III的示意图；
图4示出图1的细节的竖直剖面图；以及
图5示出根据本发明的特定实施例的包括图1的机器的压缩系统。
具体实施方式
在其中相同标号对应于所有各图中的相同部分的附图中，根据本发明的机器一般用数字1表示。参见图1，该机器1包括位于加压密封公共壳体7中的压缩机3和马达5。
根据该示例性实施例，压缩机3为多级离心压缩机，其包括多个压缩级9、11、13，每一个压缩级分别具有分别在定子隔板(diaphragm)9B、11B和13B内部旋转且沿轴线X1联接在轴15上的离心叶轮9A、11A和13A；参见图4，在每个定子隔板9B、11B、13B之间存在着用于压缩流体的定子通道14A、14B(每个定子通道由扩散段和返回通道形成，出于简洁和本领域技术人员熟知的目的，在附图中未示出)。
虽然如上所述的多级离心压缩机3是目前优选的，但压缩机3可备选地被构造为单级离心压缩机或能够压缩气体的任何其它类型的压缩机，例如径向压缩机、往复式压缩机、旋转螺旋压缩机或其它。
在图1示出的优选实施例中，单元1具有竖直构造，以便将分别包括上端15S和下端15I的轴15(和轴线X1)大致置于竖直位置(在单元1的工作期间)；然而，不排除单元可根据具体实施例或使用需要而具有不同的构造，例如带有大致置于水平位置的轴(和轴线)的大致水平构造。
有利的是，马达5置于壳体7的内部并且它由轴15机械联接到压缩机3，以便获得特别紧凑且没有外部动态密封的机器。然而，不排除根据本发明的特定实施例可将马达置于壳体外部。
在这里描述的构造中，马达5竖直地布置在压缩机3上方以减小液体侵入马达5中的可能性。然而，可以其它方式安装马达5，例如，安装到壳体7的下端15I或者提供在马达上方的第一压缩机和在马达下方的另一个压缩机；但是，在这些情况下，需要另外的构件(例如，密封马达5离开机器的剩余部分的机械密封件)，并且因此将增加机器的机械复杂性和成本。另外，马达5优选为构造成使轴15绕其轴线X1旋转的电动马达；通常，它可以备选地为液压马达、蒸汽涡轮或燃气涡轮、或者任何其它合适的马达或发动机。
此外，如上所述，轴15优选地直接由马达5驱动，但可以备选地通过皮带驱动、齿轮传动或其它合适的传动装置(为了简洁而未示出)来驱动。
壳体7还包括与压缩机3的流体入口3I流体连接的流体入口7I和与压缩机3的流体出口3U流体连接的流体出口7U。必须注意到，根据竖直构造，壳体7的流体入口7I和流体出口7U一个置于另一个上方。
收集腔19有利地设置在压缩机3下方的壳体7内部并与壳体7本身的流体入口7I流体连接。必须注意到，如果机器1处于水平构造，则收集腔19可置于另一个位置使得流体能够流入其中。
根据第一有利实施例，收集腔19被构造成完全地收集在单元1的浸没安装阶段期间可能进入所述单元1内部的液体，以便基本上避免所述液体通过压缩机3内部。
因此，有可能改进安装(和卸载)阶段，特定而言，有可能基本上避免由于误操作而导致液体进入单元的压缩机内部。特定而言，对于单元本身的机械构件而言，海水(当压缩机单元置于海下时)导致特别的危险。
根据第二有利实施例，还可参见下面参照图4的描述，收集腔19与压缩机单元1的平衡系统23流体联接，使得该腔19可由工作流体的一部分填充以在工作阶段期间至少部分地平衡轴向推力；工作流体的其它部分进入压缩机3内部而被压缩。
因此，有可能实现单元内部的平衡系统，该平衡系统避免机械凸缘和外部管线，减少渗漏的风险，在水下应用的情况下是非常重要的。
必须注意到，优选实施例包括在相同的压缩单元上一起实施的上述两个实施例；不排除这两个实施例可根据构造或使用的特定需要而单独地实施。
根据有利实施例，该腔19具有至少与在安装阶段期间可被液体填充的上游体积相等的体积，参见以下描述。
然而，有可能根据具体要求来按尺寸制作收集腔的体积而没有任何机械限制，特别是不需要改变转子长度。
通常关闭的液体出口20有利且优选地设置在腔19的底部上；该液体出口20在安装阶段期间可被打开以排放所述液体部分，参见以下描述。
备选地，必须注意到，收集腔19可在壳体7外部实现，但是在这种情况下机器的机械复杂性和成本将增加。
参见图1、2、3，在这里描述的构造中，壳体7包括内表面7P，并且压缩机3具有与壳体内表面7P间隔开S的外表面3P；压缩机3在壳体7内部可由从内表面7P围绕轴线X1周向延伸的径向支撑件21支撑，该径向支撑件21具有多个孔21F。这些孔21F可具有任何形状或形式，特别是圆形孔。这样，形成了从入口7I到腔19的上述流动通道。
然而，根据具体需要或要求，可以另一方式形成该流动通道，例如，借助于相对于壳体7在外面延伸的通道。
图4示出了本发明的有利构造，其中压缩机3的平衡系统23与腔19流体联接，使得当腔19填充有在工作阶段期间进入入口7I中的工作流体的一部分时，有可能通过该部分工作流体至少部分地平衡压缩机3的轴向推力；流体的其它部分可进入压缩机内部。
该平衡系统23可基本包括平衡活塞23A，其在压缩机3的最末叶轮13A附近与轴15联接，以便它在一侧呈现工作流体的最大压力并在相反侧呈现工作流体的入口压力。
图4还示出了置于所述最末叶轮13A和轴承系统27之间的平衡活塞23A；轴承系统27在能够避免与液体(当存在时)接触的位置设置在轴15的下端15I处。换而言之，轴承系统27优选地置于收集腔19内部的液体的最大液位之上。
轴承系统27可包括轴颈轴承和/或推力轴承；优选地，该轴承系统通过带有与其相关联的着陆轴承的磁力轴承来实现。
此外，不排除活塞23A可置于轴15上的不同位置或者根据特定构造或所需需要而可包括无关紧要的机械构件。
在该构造中，径向支撑件21可至少部分地包括内部流动路径或通道33，以将腔19流体连接到平衡系统23；此外，径向支撑件21可至少部分地包括流体连接到出口7U的压缩机3的出口蜗壳31。
有利的是，支撑件21可与壳体7一起制成单件(如图4中示意性地示出的)或分开制成且然后在内部与壳体本身相关联。
图5示意性地示出了本发明的有利实施例，其中，外部分离器37借助于管41而与上述单元1流体连接；该分离器37能够将来自气井39或其它流体源的工作流体的液体部分至少部分地与气体部分分离。
特定而言，管41在一侧连接到分离器37的出口37U且在另一侧连接到单元1的入口7I。
第一阀门42A与入口7I相关联，第二阀门42B与出口37U相关联。
此外，在该图中示意性地示出了压力管道43和排出管道45，压力管道43用于将单元1的出口7U连接到生产管线(为了简洁而未示出)，排出管道45用于将所述液体出口20流体连接到分离器37，以便在安装阶段期间排放工作流体的液体部分。在安装阶段期间，压缩单元1和分离器37可安装在海底上，并且然后通过管41将它们彼此连接且通过管道43、45与其它机器和系统连接。
特定而言，通过将管41机械地联接到入口7I和出口37U并且然后打开阀门42A和42B，可以实现单元1和分离器43之间的连接状态。这样，填充管41的水可流入分离器43中(管41可倾斜以便于水流入分离器43中)，但不排除该水的至少一部分可流入单元1内部。
在水的至少一部分流入单元1内部的情况下，水然后沿着所实现的流动通道流动，在该特定实施例中借助于所述间隙S和孔21F流动，并且然后，水流入收集腔19内部；通过打开通常关闭的液体出口20，可以排放收集在腔19内部的水。
根据一有利实施例，所述工作场所在海底上并且阶段(b)包括子阶段，在子阶段中，将可能进入单元中的液体在单元自身的安装阶段期间排入收集腔19内部，以便基本上避免所述液体通过压缩机3内部。
根据另一有利实施例，在单元的操作阶段(c)期间，提供了用工作流体的一部分填充收集腔19的子阶段，以便借助于到平衡系统23的流体连接而至少部分地平衡压缩机3的轴向推力；气体部分的其它部分进入压缩机3内部以被处理。
在工作阶段期间，工作流体从分离器37供给到压缩机单元1，在压缩机单元1中，大部分流体流入压缩机3的内部，并且同时，少量的所述流体可流入所述流动通道S和21F内部而填充腔19。
在压缩机3中，工作流体被压缩并在出口压力下从出口7U流出；在腔19中，工作流体被收集以供给平衡系统23，如上所述。
显然，图5仅仅表示了本发明的可能实施例，其可根据特定的工业设备或系统而在形式和布置上变化。特定而言，根据本发明的特定实施例的压缩机单元1可用来处理用于陆地应用的酸性气体，其中需要密封压缩机以基本上避免酸性气体可从单元本身逸出。
所公开的示例性实施例提供了压缩单元和处理工作流体以容易地压缩所述流体的方法。这些示例性实施例的机械复杂性相对较低，因此对于需要不间断工作许多年的浸没应用而言是特别有意义和重要的。
所述实施例也能够安装在海下并在没有间断和维护的情况下工作许多年(通常很多年)。
此外，有可能在基本上维持上述优点的其它工业应用中使用这些实施例，例如以压缩酸味和酸性的气体或其它。
应当理解，该描述并不意图限制本发明。相反地，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的替代方案、修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了众多具体细节，以便提供对要求保护的本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，各种实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。
虽然所呈现的示例性实施例的特征和要素以特定组合在实施例中描述，但是每个特征或要素可以在没有实施例的其它特征和要素的情况下单独使用，或者在有或没有本文所公开的其它特征和要素的情况下以不同组合使用。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括在权利要求的字面语言内的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种用于处理工作流体的压缩机单元，包括在壳体(7)内部用于压缩所述工作流体的压缩机(3)，其中，收集腔(19)与所述壳体(7)的工作流体入口(7I)流体联接，且其中，所述收集腔(19)被构造成排出在所述压缩机单元的浸没安装阶段期间可能进入所述压缩机单元内部的液体，以便基本上避免所述液体通过所述压缩机(3)的内部。
2.根据权利要求1所述的压缩机单元，其特征在于，所述收集腔(19)与所述压缩机(3)的平衡系统(23)流体联接，并且所述腔(19)填充有所述工作流体的一部分以在工作阶段期间至少部分地平衡所述压缩机(3)的轴向推力；所述工作流体的其它部分进入所述压缩机(3)的内部以被处理。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机单元，其特征在于，所述收集腔(19)具有至少与在所述安装阶段期间能够被所述液体填充的上游体积相等的体积。
4.根据权利要求1或2所述的压缩机单元，其特征在于，所述收集腔(19)包括能够被打开以排放所述液体的通常关闭的排放开口(20)。
5.根据权利要求1或2所述的压缩机单元，其特征在于，马达(5)置于所述壳体(7)的内部并且它被机械联接到所述压缩机(3)。
6.根据权利要求1或2所述的压缩机单元，其特征在于，所述压缩机单元为竖直型，包括能够围绕基本上沿竖直方向延伸的中心轴线(X1)旋转的轴(15)；所述轴(15)包括下端(15I)，所述下端(15I)具有在当液体存在时能够避免与所述液体接触的位置置于所述压缩机(3)和所述收集腔(19)之间的轴承系统(27)。
7.一种处理工作流体的方法，包括以下阶段：
(a)提供带有壳体(7)的压缩单元(1)，所述压缩单元(1)包括压缩机(3)和在所述壳体(7)内部且与所述壳体(7)的工作流体入口(7I)流体联接的收集腔(19)；
(b)在工作场所将所述压缩单元(1)与外部辅助设备(37)相关联；以及
(c)操作所述压缩单元(1)；
其中，所述工作场所是在海底上并且阶段(b)包括子阶段，在所述子阶段中，可能进入所述单元(1)中的液体被排入所述收集腔(19)的内部，以便基本上避免在安装阶段期间所述液体通过所述压缩机(3)的内部。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在操作阶段(c)期间，提供了用所述工作流体的一部分填充所述收集腔(19)的子阶段，以便至少部分地平衡所述压缩机(3)的轴向推力；所述工作流体的其它部分进入所述压缩机(3)的内部以被处理。
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