CN105156308B - 用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机,涉及气体压缩机技术领域，本发明包括静止部件和运动部件，静止部件包括机身、隔离体和压缩缸装配部件，所述的压缩缸装配部件包括缸体和缸头，位于缸体两端的隔离体与缸头通过弹性螺栓连接固定在缸体上，所述的缸体为圆筒形，缸体包括过盈配合的外层气缸和内层气缸，在所述的缸头上设置有与缸体连通的进气通道和排气通道，进气通道和排气通道内均设置有单向阀，本发明缸体上无径向开孔，避免了由于在缸体上的径向开孔导致与缸孔相贯处周向应力和径向应力的降低，有效地攻克了在高压气流下压缩机部件应力集中和疲劳强度下降的缺点。

Description

用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机

技术领域

本发明涉及气体压缩机技术领域，更具体的是涉及用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机。

背景技术

目前，国内再用的高压气体压缩机有舰船用V型结构的空气压缩机，这种V型空气压缩机的压力为40MPa，排气量为0.01Nm3/min，还有高压氢气隔膜压缩机，压力为75MPa，排气量为3.3Nm3/min。在天然气开采和储存方面，国内用于天然气地下储存的压缩机、为了提高采收率而使用气驱、火驱、混相驱采油工艺的压缩机、以及用于气体钻井关键装备的高压气体压缩机，其压缩介质有天然气、空气、氮气，或者二氧化碳几种，这种压缩机的压力范围要求为35～70MPa，排气量范围为35～200Nm3/min，且要求体积小，重量轻，能连续可靠、安全运行。

目前能够满足这种高压力。大排量条件的高压压缩机在国内还是空白，油气田目前在用的高压大排量的压缩机只能靠进口。本专利涉及的压缩机就是为适应石油天然气工业的发展，实现油气开采的需要而研发的高压大排量高压往复活塞式气体压缩机。

在现有技术中，申请号为CN201110339078.2的发明专利公开了一种适用于天然气工业的高速大功率往复活塞式压缩机，包括静止部件和运动部件，静止部件包括曲轴箱、中体、压缩缸，运动部件包括曲轴、连杆、活塞杆、十字头、活塞，其中，中体的两端分别与曲轴箱和压缩缸的轴端一侧固定连接，活塞从压缩缸的轴端一侧装入并与活塞杆的一端相连，活塞杆的另一端与十字头的一端相连，十字头的另一端与连杆的小头相连，连杆的大头与曲轴轴颈相连，曲轴装于曲轴箱内并作旋转运动，十字头在中体的滑道内作直线运动，所述压缩缸包括单层缸体和设置于单层缸体内的进气道、进气单向阀、压缩工作腔、排气道、出气阀，气体依次通过进气道和进气单向阀被吸入压缩工作腔，气体在压缩工作腔内被压缩后，再依次通过出气阀、排气道被排出，压缩缸包括两个进气单向阀和两个出气阀，靠近压缩缸的封端一侧的第一进气单向阀的进气口喉部沿着其平行于所述封端的内表面的对称平面平分为两部分，其中，所述两部分中的靠近压缩缸的轴端一侧的部分为贯通通道，所述两部分中的靠近压缩缸的封端一侧的部分被缸体的一部分封堵，且所述缸体的一部分与所述对称平面的夹角为40-50度，在所述两部分中的靠近压缩缸的封端一侧的部分中的气体通过所述贯通通道进入压缩工作腔。

以上发明虽然能够有效的减小压缩缸的体积和重量，同时可以完全防止压缩缸的水积垢和腐蚀，有效的减少气流脉动和压降，提高总效率；但是压缩缸是单层缸体，且在单层缸体内设置进气道、进气单向阀、压缩工作腔、排气道、出气阀，这种缸体上开孔的设计在高压力下容易产生零部件的应力集中且抗疲劳强度低。

如何解决以上技术问题是本领域技术人员的努力方向。

发明内容

本发明了克服上述技术不足，设计了一种结构简单、能提高工作效率及避免产生应力集中的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机 ，包括静止部件和运动部件，静止部件包括机身、隔离体和压缩缸装配部件，隔离体的两端分别与机身和压缩缸装配部件固定连接，所述的压缩缸装配部件包括缸体和缸头，位于缸体两端的隔离体与缸头通过弹性螺栓连接固定在缸体上，所述的缸体为圆筒形，缸体由过盈配合的外层气缸和内层气缸构成，所述的缸头内设置有与缸体连通的进气通道和排气通道，进气通道和排气通道内均设置有单向阀，所述压缩缸为简单的正圆筒形，便于准确地进行强度计算，使计算结果更符合实际值。

进一步地，所述弹性螺栓包括光杆部分和螺纹部分，光杆部分的直径为螺纹部分的直径的0.85~0.9倍，所述光杆部分的长度为螺纹部分的长度的2倍，这种结构可以防止气缸在超压情况下，由于螺栓的弹性延伸会使缸头轻微抬升，从而使高压气体通过缸头本身的减压通道释放，保证压缩机的安全。

进一步地，所述的排气通道与轴向的夹角为39°±1°。

进一步地，所述外层气缸和内层气缸之间的过盈量为0.05~0.08mm，缸体两层结构的设置达到自增强的目的，缩小屈服压力和爆破压力之间的差值，使气缸内壁产生残余压缩应力，以使整个气缸受力更为均匀。

进一步地，所述气缸外侧内部靠近隔离体端设置有凸台，所述的气缸内层外部设置有与凸台配合的凹槽，凸台和凹槽设置防止内层气缸在外层气缸中向隔离体端轴向运动。

进一步地，所述的缸体与隔离体之间及缸头与缸体之间均设置有弹性蓄能密封圈，弹性蓄能密封圈包括蓄能圈和设置在蓄能圈内的弹簧，缸体采用端面密封，用弹性蓄能圈结构，解决了高压下气体密封问题。

进一步地，所述的缸体的材质为真空再熔钢或超洁净钢，所述缸体的材质抗拉强度应达到900～1200MPa，使用真空再熔钢或超洁净钢，以减少杂质的含量，降低疲劳失效的危险性。

进一步地，所述缸头为四周倒圆的方形结构，所述的缸头内还包括排气口、进气口、进气单向阀安装孔、排气单向阀安装孔。

进一步地，进气通道依次连接有进气单向阀安装孔和进气口，进气单向阀安装孔内靠近进气通道端设置有进气单向阀；所述排气通道依次连接有排气单向阀安装孔和排气口，排气单向阀安装孔内靠近排气通道端设置有排气单向阀。

进一步地，运动部件包括曲轴、连杆、十字头、活塞杆、活塞、活塞环，活塞从压缩缸装配部件的盖端装入并与活塞杆相连，活塞杆的另一端与十字头的一端相连，十字头的另一端与连杆的小头相连，连杆的大头与曲轴的连杆轴颈相连，曲轴的主轴颈置于机身的主轴承座内，曲轴在动力机的驱动下作高速旋转运动，而连杆作旋摆运动，十字头、活塞杆、活塞作直线往复运动。

进一步地，所述的缸头设置有注油口，所述的缸体上无径向开孔，气缸的润滑是由吸入的气流中的注油而获得，这样不仅活塞环的数量可以减少，还可使离油气混合物最远的一个活塞环得到润滑。

工作原理：吸气时，气体从缸头上的进气口进入缸头内，通过进气单向阀进入到进气通道，从进气通道进入缸体内部，曲轴在动力机（电动机或内燃机）的驱动下作高速旋转运动，而连杆作旋摆运动，十字头、活塞杆、活塞作直线往复运动，使缸体内的气体容积变化，完成吸气、压缩、排气过程；排气时，缸体内的气体进入到排气通道，排气通道内的气体通过排气单向阀到达排气口，完成排气。

本发明的有益效果如下：

1）所述缸体无径向开孔，进气和排气通道均设置在缸头上，这种结构的设置避免了径向开孔与缸孔相贯处的周向应力和径向应力，有效地攻克了缸体高压气流下零部件的应力集中和疲劳强度下降的问题。

2）缸体两层结构的设置达到自增强的目的，缩小屈服压力和爆破压力之间的差值，使气缸内壁产生残余压缩应力，以使整个气缸受力更为均匀；外层气缸和内层气缸的过盈配合，凸台与凹槽配合，这种结构的设置有效的防止外层气缸和内层气缸发生抽筒现象。

3）所述缸头所布置的进气单向阀和排气单向阀不是传统的组合式气阀，而是进气和排气分开的单个阀，避免了高压差引起的气流脉动，减少了气阀的颤振，提高了气阀寿命，避免了进气预热。

4） 所述连接缸体、缸头与隔离体的螺栓载荷使两个相邻部件的接触应力比内压高15%～20%，且接触应力相对于材料的屈服应力的安全系数为1.5，能够提高压缩机气缸的安全、可靠和有效性。

5）所述的转速为1000～1500r/min，活塞平均速度达4.66m/s。而按现有主流、传统的设计观点，活塞平均速度不超过3.5m/s。与同排量、同等压力的低速压缩机相比，体积和重量约减少三分之一，便于形成移动式撬装机组，方便现场的安装和移运，更适合油气田注气工艺的需要。

附图说明

图1为本发明用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机的结构示意图；

图2为气缸装配部件的机构示意图；

图3为缸体的结构示意图；

图4为缸头的结构示意图；

图5为弹性蓄能密封圈的结构示意图；

主要附图标记说明：

1-压缩缸装配部件，2-活塞环，3-活塞，4-隔离体，5-活塞杆，6-十字头，7-连杆，8-曲轴，9-机身，10-弹性螺栓，11-缸体，12-进气单向阀，13-排气单向阀，14-缸头，15-外层气缸，16-内层气缸，17-蓄能圈，18-弹簧，19-弹性蓄能密封圈，14-1-排气口，14-2-排气通道，14-3-进气通道，14-4-进气口，4-5-注油口，14-6-进气单向阀安装孔，14-7-排气单向阀安装孔。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1至4所示，本实施例提供的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机 ，包括静止部件和运动部件，静止部件包括机身9、隔离体4和压缩缸装配部件1，隔离体4的两端分别与机身9和压缩缸装配部件1固定连接，所述的压缩缸装配部件1包括缸体11和缸头14，缸体11两端的隔离体4与缸头14通过弹性螺栓10连接，所述的缸体11为圆筒形，缸体11包括过盈配合的外层气缸15和内层气缸16，所述的缸头14内设置有与缸体11连通的进气通道14-3和排气通道14-2，进气通道14-3和排气通道14-2内均设置有单向阀。

本实施例中，缸体1无径向开孔，进入和排气通道均设置在缸头14上，这种结构的设置避免了径向开孔与缸孔相贯处的周向应力和径向应力，即有效地攻克了高压气流下零部件的应力集中和疲劳强度下降的问题；缸体1两层结构的设置达到自增强的目的，缩小屈服压力和爆破压力之间的差值，使气缸内壁产生残余压缩应力，以使整个气缸受力更为均匀；所述缸头所布置的进气单向阀和排气单向阀不是传统的组合式气阀，而是进气和排气分开的两个单个阀，避免了高压差引起的气流脉动，减少了气阀的颤振，提高了单向阀寿命，避免了进气预热。

实施例2

本实施例是在实施1的基础上做了进一步优化，具体是，所述弹性螺栓10包括光杆部分和螺纹部分，光杆部分的直径为螺纹部分的直径的0.85~0.9倍，所述光杆部分的长度为螺纹部分的长度的2倍。

本实施例中，这种结构可以防止气缸在超压情况下，由于螺栓的弹性延伸会使缸头轻微抬升，从而使高压气体通过缸头本身的减压通道释放，保证压缩机的安全。

实施例3

如图3所示，本实施例是在实施例1或2的基础上做了进一步优化，具体是，所述外层气缸15和内层气缸16之间的过盈量为0.05~0.08mm。

所述外层气缸15内部靠近隔离体4端设置有凸台15-1，所述的内层气缸16外部设置有与凸台15-1配合的凹槽16-1，凸台15-1和凹槽16-1设置防止内层气缸16在外层气缸15中向隔离体4一端做轴向运动。

本实施例中，外层气缸15和内层气缸16的过盈配合，凸台15-1与凹槽16-1配合，这种结构的设置有效的防止外层气缸15和内层气缸16发生抽筒现象。

实施例4

如图5所示，本实施例只在实施例1到3任一实施例的基础上做了进一步优化，具体是，所述的缸体11与隔离体4之间及缸头14与缸体11之间均设置有弹性蓄能密封圈19，弹性蓄能密封圈19包括蓄能圈17和设置在蓄能圈17内的弹簧18。

本实施例中，隔离体4和缸体11，缸头14和缸体11的密封由蓄能圈17和弹簧18完成。蓄能圈17装在隔离体4和缸头14的沟槽内，弹簧18置于蓄能圈17内，当弹性螺栓10将隔离体4、缸体11、缸头14紧固后，弹簧18受压，使蓄能圈17两唇边紧贴隔离体4与缸体11、缸头14及缸体11的接触面，达到密封的效果，缸体采用端面密封，用弹性蓄能圈结构，解决了高压下气体密封问题。

实施例5

本实施例只在实施例3的基础上做了进一步优化，具体是，

所述的缸体的材质为真空再熔钢或超洁净钢，所述缸体的材质抗拉强度应达到900～1200MPa，使用真空再熔钢或超洁净钢，以减少杂质的含量，降低疲劳失效的危险性。

实施例6

如图1、2和4所示，本实施例是在以上任一实施例的基础上做了进一步优化，具体是，所述运动部件包括曲轴8、连杆7、十字头6、活塞杆5、活塞3、活塞环2，活塞3从压缩缸装配部件1的盖端装入并与活塞杆5相连，活塞杆5的另一端与十字头6的一端相连，十字头6的另一端与连杆7的小头相连，连杆7的大头与曲轴8的连杆轴颈相连，曲轴8的主轴颈置于机身9的主轴承座内，曲轴8在动力机的驱动下作高速旋转运动，而连杆7作旋摆运动，十字头6、活塞杆5、活塞3作直线往复运动。

所述的缸头为四周倒圆的方形结构，避免了尖角处的应力集中。缸头14内还包括排气口14-1、进气口14-4、进气单向阀安装孔14-6、排气单向阀安装孔14-7。

所述的排气通道14-2与轴向的夹角为39°±1°。

所述进气通道14-3依次连接有进气单向阀安装孔14-6和进气口14-4，进气单向阀安装孔14-6内靠近进气通道14-3端设置有进气单向阀12；所述排气通道14-2依次连接有排气单向阀安装孔14-7和排气口14-1，排气单向阀安装孔14-7内靠近排气通道14-2端设置有排气单向阀13，所述的缸头14设置有注油口14-5。

本实施例中，缸头为四周倒圆的方形结构，避免了尖角处的应力集中；缸体11的润滑是通过注油14-5而进行的，这样不仅可以减少活塞环2的数量，还可使离油气混合物最远的一道活塞环也得到充分润滑。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机 ，包括静止部件和运动部件，静止部件包括机身（9）、隔离体（4）和压缩缸装配部件（1），隔离体（4）的两端分别与机身（9）和压缩缸装配部件（1）固定连接，其特征在于，所述的压缩缸装配部件（1）包括缸体（11）和缸头（14），缸体（11）两端的隔离体（4）与缸头（14）通过弹性螺栓（10）连接固定在缸体（11）上，所述的缸体（11）为圆筒形，缸体（11）由过盈配合的外层气缸（15）和内层气缸（16）构成，在所述缸头（14）上设置有与缸体（11）连通的进气通道（14-3）和排气通道（14-2），在进气通道（14-3）和排气通道（14-2）内均设置有单向阀，所述弹性螺栓（10）包括光杆部分和螺纹部分，光杆部分的直径为螺纹部分的直径的0.85~0.9倍，所述光杆部分的长度为螺纹部分的长度的2倍，所述的排气通道（14-2）与轴向的夹角为39°±1°，所述外层气缸（15）和内层气缸（16）之间的过盈量为0.05~0.08mm，所述的缸头（14）内还包括排气口（14-1）、进气口（14-4）、进气单向阀安装孔（14-6）、排气单向阀安装孔（14-7）；进气时，气体从缸头（14）上的进气口（14-4）进入缸头（14）内，通过进气单向阀进入到进气通道（14-3），从进气通道（14-3）进入缸体（11）内部，排气时，缸体（11）内的气体进入到排气通道（14-2），排气通道（14-2）内的气体通过排气单向阀到达排气口（14-1），完成排气。

2.根据权利要求1所述的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机，其特征在于，在所述外层气缸（15）内部靠近隔离体（4）一端设置有凸台（15-1），在所述的内层气缸（16）外部设置有与凸台（15-1）配合的凹槽（16-1）。

3.根据权利要求1所述的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机，其特征在于，所述的缸体（11）与隔离体（4）之间及缸头（14）与缸体（11）之间均设置有弹性蓄能密封圈（19），弹性蓄能密封圈（19）包括蓄能圈（17）和设置在蓄能圈（17）内的弹簧（18）。

4.根据权利要求1所述的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机，其特征在于，所述的缸体的材质为真空再熔钢或超洁净钢。

5.根据权利要求1所述的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机，其特征在于，进气通道（14-3）依次连接有进气单向阀安装孔（14-6）和进气口（14-4），进气单向阀安装孔（14-6）内靠近进气通道（14-3）端设置有进气单向阀（12）；所述排气通道（14-2）依次连接有排气单向阀安装孔（14-7）和排气口（14-1），排气单向阀安装孔（14-7）内靠近排气通道（14-2）端设置有排气单向阀（13），所述的缸头（14）设置有注油口（14-5）。

6.根据权利要求1所述的用于油气开采的高压往复活塞式气体压缩机 ，其特征在于，运动部件包括曲轴（8）、连杆（7）、十字头（6）、活塞杆（5）、活塞（3）、活塞环（2），活塞（3）从压缩缸装配部件（1）的盖端装入并与活塞杆（5）相连，活塞杆（5）的另一端与十字头（6）的一端相连，十字头（6）的另一端与连杆（7）的小头相连，连杆（7）的大头与曲轴（8）的连杆轴颈相连，曲轴（8）的主轴颈置于机身（9）的主轴承座内，曲轴（8）在动力机的驱动下作高速旋转运动，而连杆（7）作旋摆运动，十字头（6）、活塞杆（5）、活塞（3）作直线往复运动。