CN1187235A - 多级两相涡轮机 - Google Patents

Abstract

多级两相涡轮机(10)具有接收流体的多个级,具有入口和出口的各个级包括:在各个级入口上的喷嘴,该喷嘴用于加速由气体和液体混合物构成的流体,从而形成两相射流;转动分离器装置,用于在各级中接收两相射流并将其分成气体流(12)和液体流(15);涡轮机,具有转动输出轴,并且还具有装置(11),该涡轮机将液体流的动能转变成输出轴的动力;以及从至少一个级中除去分离的液体并将其传送到出口部件的装置。

Description

多级两相涡轮机

本发明一般涉及两相涡轮机，具体涉及改进的多级单转子涡轮机，该涡轮机由输入的气体和液体混合物驱动，能够产生轴功率，并可以同时以一级或多级膨胀方式分离气相组分和液相组分，还可以增加分离的液相组分的压力。

因此需要一种具有上述多级特性的改进的两相涡轮机。需要一种应用这种涡轮机的改进方法。

本发明的主要目的是提供一种满足上述需要的改进的涡轮机装置和应用这种涡轮机的方法。改进的多级两相涡轮机基本上具有一个或多个接收流体的级，每个级具有入口和出口，该涡轮机包括：

a).在每级入口上的喷嘴，用于加速由气体和液体混合物组成的流体，由此形成两相射流；

b).转动分离器装置，用于接收在每一级中的两相射流，并将其分开成气流和液流；

c).具有转动输出轴的涡轮机以及将液流动能转变成轴动力的装置；

d).一种装置，该装置从至少一级中除去分离的液体并将其传送到下一级的喷嘴上；

e).一种装置，该装置从最后一级中除去分离的流体并将其输送到初级入口装置上；

f).一种装置，该装置从每一级中除去分离的气体并将其输送到次级出口装置或其它装置；

g).一种装置，该装置除去从每一级分离出气体并将其传送到下一级喷嘴。

本发明的另一目的是提供这样一种涡轮机并在至少一级中包括将气流动能转变成轴动力的装置。在至少一级中应用一种恢复分离液流动能使其转变成压力的装置。

本发明的另一目的是提供一种与至少一个转动分离器结合的涡轮机轴向气流叶片，从而将气流动能转变成轴动力。

再一目的是提供分离各个级的装置，其中喷嘴是该装置的整体部分。

又一目的是提供一种装置，该装置用于分离至少一级中已分离液流中的两种组分并从该级中除去各个液体组分。对此可以配置一种扩散器，用于从至少一级中除去两种液体组分中较重的组分，或者采用液流接收喷嘴从至少一级中除去两种组分中较重的组分。可以形成一种装置使分散的液体组分在至少一级的转动分离器装置中聚合成连续的相。从地热井中喷出的蒸气和卤水混合物需要进行一级或多级连续减压操作，改进的涡轮机可以用在这种作业中。上述涡轮机产生动力，同时分离蒸气，使该蒸气可以降低压力，用在常规气轮机中。并使分离的卤水压力增加，从而可以不同泵将其再注入到地层。

该涡轮机还可用在混合的液体和气体流需要若次连续减压并在各个压力水平使液体和气体分开的作业中。一个例子是从高压井中生产油和气。两相流体在若干压力下进行闪蒸，各个压力低于前一级压力。在每次快速蒸发时，气体从液体中分离出来，因而可以被再压缩。分离的液体随后再被闪蒸到较低的压力，然后再分出析出的气体。

该涡轮机还可用于在将原动机的废热转变成有用动力时需要多级两相闪蒸的作业中。在这一方面，如果液体被加热并闪蒸若干次，产生若干压力水平的蒸气并用这些蒸气驱动多级压力蒸气轮机，则可以将废热更有效地转变为动力。

从下面的说明和附图可以更完全地理解本发明的这些目的、其它目的和各种优点，以及所示实施例的细节。

附图简要说明

图1是系统方块图，示出用地热流体发电时应用两相涡轮机；

图2是系统方块图，示出通过四级减压进行的高产油/气作业；

图3是废热末端循环的热量转移—温度曲线；

图4是系统方块图，示出多级两相涡轮机与气轮机和发电机的连接；

图5是多级两相涡轮机的轴向横截面图；

图6是多级两相涡轮机的扩散器和喷嘴装置的横截面图；

图7是处理两种分离液流组分的多级两相涡流机的横截面图；

图7a是局部截面图，示出转子以及水扩散器的细节；

图7b是局部截面图，示出转子以及水喷嘴的细节；

图8是多级或单级两相涡轮机装在油气井钻孔中的部分轴向横截面图，其中分离的水可以注入油田的另一部分；

图9是多级或单级两相涡轮机装在油气井钻孔中的部分轴向横截面图，其中分离的水输送到地面上；

图10是系统方块图，示出装在海底的多级或单级两相涡轮机，该机在油气井中生产分离的燃气、油和水蒸气，以及电力；

图11是系统方块图，示出装在海底的多级或单级两相涡轮机，该机在油气井中生产出分离的燃气、油和水流，并驱动压缩机生产高压燃气。

实施本发明的模式及工业应用

先前已提出用气体和液体混合物来发电的单转子涡轮机，该涡轮机在发电的同时还使气体与液体分离并增加分离液相的压力。该涡轮机用气体和液体混合物的一次降压来发电。

一个例子，如图1所示，是利用从地热井喷出的蒸气和卤水混合物的压力降低来发电。所述涡轮机10驱动发电机11发电，同时分离出蒸气，使得在较低压力的蒸气可以用在常规汽轮机中。如图所示，蒸气经管道12流到闪蒸桶13，并经管道14流到汽轮机。分离的卤水在15被增压，使得可以不用泵便可以使其再注入到地下。地热井用17表示。

涉及气体和液体混合流体的一些过程要求若干次的接连降压并在每一个接连的压力水平分离气体和液体。如图2所示的一个例子是用高压井生产油和气。管道20中的两相流体在编号为21～24的若干压力下闪蒸，每一个压力低于前一级压力。如图所示，气体经连接于再压缩站25～27的管道21a～24a排出，最后经管道28排出。使分离的液顺序闪蒸到较低的压力，并再分离析出的气体。如图所示，液体流经管道30～33。

需要多次两相闪蒸的另一过程是将原动机的废热转变成有用的动力。图3示出热量从废气流到蒸发流体的转移(曲线A)。蒸发流体的恒温区域意味着在每一点(例如Tr)的能量转换效率远低于在排气温度T进行能量转换所获得的转换效率。对于图3所示的蒸气末端循环，将热量元dQ转换成动力的卡诺效率η_c为：

η_c＝1-T₃/Tr对于工作在灼烧气体温T的循环，卡诺效率是：

η_c＝1-T₃/T如果液体被加热(曲线B)并闪蒸若干次，形成若干压力的蒸气并用该蒸气操作多压力汽轮机，则可以更有效地将废热转换成动力。

图4示出按这一原理操作的发电操作过程。液体从管道113流到管道104时在热交换器119中由管道99中从102流到103的排放蒸气中的热量加热。该液体在多级两相涡轮机(以下说明)中闪蒸至经管道105的较低压力蒸气，该蒸气流过过热器并加热到更温度的蒸气106。然后将该蒸气引到气轮机115的入口。

分离的在压力下的液体在多级两相涡轮机中闪蒸到较低的压力107。在该压力107分离出蒸气并将其引到汽轮机115的引入口115a。分离出的流体在多级两相涡轮机中再进行闪蒸，到达更低压力108。在压力108下分离出蒸气，然后将其引入到汽轮机的另一个引入口115b。

混合蒸气流在汽轮机115中膨胀至出口压力109。该蒸气流在冷凝器116中凝聚，然后泵到混合器117。

在118分离的液体在内部增压并输送到118，然后流到混合器117，在混合器中它与凝聚的蒸气混合。然后将总的液体泵回到液体热交换器119。

在一些应用中，应用液体热交换器119来产生加热的液体和蒸气的混合物104，然后再将该蒸气引入到多级两相涡轮机114，并闪蒸到低压105。

用在图4发电操作过程中的多级两相涡轮机示于图5。气体和液体混合物或闪蒸液体经入口234通到喷嘴213。在喷嘴中压力降低并加速气体和液体混合物，形成高速的两相射流201。该射流冲击在多级转子215的转动分离器部件214上，从而分离出液体，使其进入液层203。

如果切向射流速度大于转动分离器部件214的圆周速度，则液体速度由于与该部件的摩擦结合而降低，因而将动力传输给转子。如果切向速度比较小，则液体速度由于与该部件的摩擦结合而增加，因而接收转子的动力。这种机构提供了一种方法，该方法可以用一级转子中的高速射流来产生动力，然后用该动力来增加射流速度比较低的另一级转子中的液体速度。

分离的气体经气体叶片221流到第一出口202。所示的轴向气流叶片将气体动能转换成转子的动力。

分离的液体从第一转动分离器流到收集器216，并经管子204和在第一与第二级之间隔离件上的通道217流到喷嘴205。在该喷嘴中压力降低到第二级的压力。于是又形成高速两相喷流218，冲击在第二级分离器转子219上。分离的液体形成液层220。分离的气体流过气体叶片206，将动力传送给转子，随后流出第二级出口207。

由第二转子分离器分离的液体流入收集器222，并.通过管子208输送到在第二和第三级之间隔离件上的通道。该通道将液体送入喷嘴224，在该喷嘴中被闪蒸到第三级的压力，形成高速射流209。该两相射流中击在第三级分离器转子225上。分离出液体，形成液层226。分离的气流流过气流叶片210，将动力传给转子。该气体然后经第三级出口211流出。

分离的液体流入收集器227，该收集器被成形为可以将液体流速降低到低于进入速度，从而实现压力的增加。流体然后经管子212流到液体出口218。

转动构件215、轴233和分离器转子214、219、225被固定在一起，所有这些部件以一个整体以相同速度转动。在各个端部提供封闭件229和230，用于防止气体漏出。在各个隔离件上也提供密封件231和232，以防止气体从高压的一级漏到压力较低的另一级。

图6示出收集器或扩散器装置的细节。分离的液体层进入收集器302。收集器装置303具有发散面积的特色，在这种情况下，可以降低液体速度，降到低于在302的进入速度。

液体经通道304进入，流到喷嘴305。该喷嘴连接于该通道。在该喷嘴口压力降低，使液体闪蒸，形成两相射流306。该射流冲击在下一级上的转动分离器表面307上，形成液层308。分离的气体流过气体叶片309。

示于图2的油和气处理可以用示于图7的单级两相涡轮机代替，从而简化和大大减小了所需装置的尺寸。

高压油、气和水的混合物经入口(1)′引入装置。该混合物经通道(2)′流入两相喷嘴(3)′。

在该喷嘴中压力降低，使混合物加速和使油中的另外较轻的组分蒸发。形成两相射流(4)′。该射流冲击在第一级转动分离器表面(5)′的转动表面上。如图5所示，此时发生能量转移。

液体形成油和水层。较轻的油形成表面层，并经通道(8)′流到支承盘(10)′的相反侧。由浸在油层中的收集器(9)′收集油。

密度比油高的水被离心分离到转动分离器(11)′的外部分(7)′。可以配置凝聚装置(12)′帮助水与油分开。由于离心力在高压下的水经液体喷嘴(13)′膨胀，经通道(14)′流到环形件(15)′。该水从涡轮机经出口(16)′流出。离开喷嘴(13)′的射流水的反作用力将动力传给转子。

除去分离水的另一方法示于图7a。扩散器401整个地浸在水层402中。水以由入口尺寸和节流阀控制的速度流出管子403。这种方法可以用在任何级上。

回到图7，分离的气体流过气体叶片(17)′，该气体以如图所示的方式径向向内流动，或轴向流动，然后经出口(18)′离开涡轮机。因此气体的动能和压力由气体叶片转换成转子的动力。

第一级分离出的油从扩散器(9)′流入通道(19)′，该通道将油流引到两相喷嘴(20)′。该流体在该喷嘴中快速蒸发到第二级压力，使油中其它较轻的组分蒸发，形成两相射流(21)′。该射流冲击在第二转动分离器装置(23)′的表面(22)′上，形成油层。该油经通道(24)′流到支承盘(25)′的相反侧。该油进入浸在油层中的扩散器(26)′的入口，并流入通到喷嘴(28)′的通道(27)′。

仍夹带于油中的水被离心分离到第二级转动分离器的外部分(30)′。在高压下的水经液体喷嘴(31)′膨胀，并经通道(32)′流到壳体(33)′。分离的水随后经第二级水出口(34)′流出涡轮机。而分离的气体从涡轮机流过第二级气体出口(35)′。

第二级中的油在第三级喷嘴(28)′中膨胀到第三级压力。再闪蒸油中较轻的组分，形成两相射流(29)′。

该射流冲击在第三转动分离器装置(37)′的表面(36)′上，形成油层。油经通道(39)′流到支承盘(38)′的相反侧，进入浸入油层中的扩散器(40)′的入口。该油扩散器装置(41)′中由于减缓入口速度而增压。该增压油通过油出口(42)′离开涡轮机。

仍夹带于油中的水被离心分离到第三级转动分离器的外部分(43)′。在高压下的水经液体喷嘴(44)′膨胀，经通道(45)′流到壳体(46)′。该分离的水随后通过第二级水出口(47)′流出涡轮机。而分离的气体经第三级气体出口(54)′流出涡轮机。

油、气和水的多级两相涡轮机在轴(55)′的各个端部具有密封件(48)′和(49)′，用于防止气体漏出外壳。该装置在各级之间的间隔件(52)′和(53)′上具有密封件(50)′和(51)′，用于减小气体从高压级漏到低压级。

在各个级当两相喷嘴射流(4)′、(21)′和(29)′的切向速度大于分离器表面(6)′、(22)′和(36)′的圆周速度时，动力从液体转移到转子，并且至少在第一级上分离的气体的能量也转移到转子上。如果任何一级的切向速度小于分离器表面的圆周速度，则动力从转子转移到液体上。

感应发电机连接于轴(55)，例如发电机80。如果转子从这些级获得净动力，则会发出电力81。如果没有获得净动力，发电机要求动力输入82，则发电机可作马达操作以保持要求的圆周速度。在83进行动力输入的控制。

在图8中，转动分离器涡轮机503装在气井或油井517的钻孔中。两相流体501由气和油和/或水构成，该流体经入口502流入转动分离器涡轮机。该流体经一级或多级膨胀和分离。

由两级装置分离的水和其它液体509和510在比进入流体501压力高的压力下通过管道511和512排出。分离的水和液体可以用管子送入地层518的其它部分，并以高于进入流体501压力的压力在519排出。两部分地层可用密封件520分开。如果分离出油514和515，则可用管子送到地面513、512。分离的气体505、506可用管子送到地面507。发出的电力可通过电缆516传输到地面。利用密封件504使两相流体501的压力与井的低压区521分开。

图9示出另一种变型，分离的水508和509流出转动分离器涡轮机，用管子510′和511′引到地上或引到另一个地方进行处理。

在图10中，多级两相涡轮机604装在海底601，位于保护壳体620内，由支承件619支承。气和油和/或水和/或沙子的混合物603从井口602流入转动分离器涡轮机604。该流体经一级或多级膨胀，如图7所示。分离的气体605、607和609(对于三级分离)流出多级两相涡轮机并用管子606、608和610送到输出站或压缩机。分离的油621用管子622送到输出站。

分离的水和/或固体611、613和615用管子612、614和616送出处理。多级两相涡轮机装置可以驱动发电机617。电力通过电缆618传输到地面上或其它在保护壳体620内的其它部件上，或传输到需要电力的其它地方。

在类似于10的图11中，多级两相涡轮机驱动气体压缩机623，而不是驱动发电机。气流在内部膨胀，达到各次降压。离开最后一级的气体609经外部或内部通道610流到气体压缩机623。该压缩机提高气压，高压出口气体624经管子625流到输出站。

用本发明图8实施例的转动分离器来处理地下井中多组分流体混合物的一般操作方法包括以下步骤：

a).将分离器装在井下一定深度的位置，以便接收混合物；

b).操作分离器，分离和加压混合物中至少一种组分；

c).使加压和分离的组分沿井的纵向流出分离器。

该一种组分通常由下列组分中的一个组分构成：

i)  气体；

ii) 液体；

iii)水；

iv) 碳氢化合物气体；

v)  碳氢化合物液体。

安装步骤包括将分离器503放入井503中，放到一定操作深度，如图所示；放下与分离器操作相关的管道或各种管子，并使分离的组分沿管向上流。这种管道可以包括一个或多个如图所示的管子515、505、506、507和513。这些管子的向上外延部分可以看作为构成一种形式的下放装置。

方法还包括使加压的流体流入井所在的地质结构层的步骤。

如上所述，在上述方法中所用的转动分离器包括用于加速流体形成两相射流的喷嘴装置，并且操作步骤包括回收由两相射流产生的至少一相流体的步骤。

另外，操作步骤包括用离心法增压由射流产生的另一相的步骤。在503中的转动装置最好由入口流体501驱动。

上述美国专利申请的内容已作参考包含在本文中。

Claims (27)

1.具有一级或多次接收流体的多级两相涡轮机中，每一级具有入口和出口，系统包括：

a).每级入口上的喷嘴，用于加速上述由气体和液体混合物构成的流体，使其形成两相射流；

b).转动分离器装置，用于在各级接收和分离该两相射流，并分开成气流和液流；

c).具有转动输出轴的涡轮机，还具有用于将液流动能转变为输出轴动力的装置；

d).从至少一级除去分离液体并将其输送到下一级喷嘴的装置；

e).从最后一级除去分离液体并将其输送到初级出口部件的装置；

f).从至少一级除去分离气体并将气流动能转变成输出轴动力的装置。

2.如权利要求1所述的系统，在至少一级中包括一种装置，该装置用于将气流动能转变成轴的动力。

3.如权利要求1所述的系统，在至少一级中包括一种装置，该装置作为压力恢复分离液流的动能。

4.如权利要求1所述的系统，包括与至少一个转动分离器装置连系的轴向流叶片，该叶片将气流动能转变成轴的动力。

5.如权利要求1所述的系统，包括分开上述级的装置，其特征在于，喷嘴是上述装置的整体部分。

6.如权利要求1所述的系统，包括一种装置，该装置用于从至少一级中的分离液流中分离两种组分并从该级中分开地除去各个上述液体组分；

7.如权利要求1所述的系统，包括将上述涡轮机支承在海底面上的装置。

8.如权利要求1所述的系统，包括从至少一级除去分离气体并将其传输到下一级喷嘴中的装置。

9.如权利要求6所述的装置，包括扩散器，该扩散器位于可从至少一级中除去两个液体组分中较重组分的位置。

10.如权利要求6所述的系统，包括液流接收喷嘴，该喷嘴用于从至少一级中除去两组液体组分中较重的组分。

11.如权利要求6所述的系统，包括一种装置，该装置用于在至少一级的转动分离器装置中凝聚分散的液体组分，使其形成连续相。

12.如权利要求2所述的系统，包括：

a).热交换器，用于将辅助灼热气流中的热量传输到由液体和/或液体和气体混合物组成的流体中，上述交换器具有入口；

b).将上述流体输送到至少一个上述级的喷嘴的装置；

c).将分离的气流输送到汽轮机的装置，该汽轮机具有不同压力的入口；

d).冷凝器；

e).将流出上述汽轮机的蒸气送到上述冷凝器的装置，该冷凝器使蒸气冷凝；

f).泵；

g).将上凝聚相从上述冷凝器输送到上述泵的装置，该泵输出增压液体；

h).混合器装置；

i).将增压液体从泵输送到上述混合器装置的装置；

j).将上述分离液流输送到上述混合器装置的装置，该混合器操作产生混合的液流；

k).将混全液流输送到上述热交换器的上述入口的装置。

13.如权利要求2所述的系统，其特征在于，涡轮机装在气井或油井中。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，分离的水在内部增压，并注入不同于生产区的部分地质结构中。

15.如权利要求2所述的系统，其特征在于，涡轮机可装在海、洋表面下；

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，多级两相涡轮机驱动气体压缩机，该压缩机用于使分离气体增压。

17.如权利要求2所述的系统，其特征在于，涡轮机接收地热井中的流体。

18.在用于接收气体、油和水混合物并将其分成不同流体的装置中，系统包括：

a).上述装置具有第一和第二分离级；

b).具有一种装置的第一级，该装置包括将气、油和水分成单独流体的两相喷嘴装置和从该装置中除去分离气流和水流的装置；

c).具有一种装置的第二级，该装置包括两相喷嘴装置，该喷嘴装置用于接收第一级分离的其中包含一定水量的油流，并将上述水量从油中分离出来，然后将分离的油送到次级油流中；

d).上述这些级与将气流、油流和水流的能量转变成转动装置动能的装置相结合。

19.如权利要求18所述的系统，包括：

e).具有第三级的上述装置；

f).具有一种装置的第三级，该装置包括两相喷嘴装置，该喷嘴装置用于接收从第二级分离出的包含残留水量的次级油流，并将上述残留水从油中分离出来，然后再将分离的油回收到第三级油流中。

20.一种用转动分离器处理深井中多组分流体混合物的方法，方法的步骤包括：

a).将上述分离器定位在井中，其深度定位到可接收上述混合物；

b).操作上述分离器，分离和加压上述混合物中的至少一种组分；

c).使上述加压和分离的组分沿井的纵向流出分离器；

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述一种成分是下述成分中的一种成分：

i)气体；

ii)液体；

iii)水；

iv)碳氢化合物气体；

v)碳氢化合物液体。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述定位包括将上述分离器下放到井中，下放到上述深度。

23.如权利要求22所述的方法，包括将管道下放到井下，该管道与上述分离器操作相关，并使上述分离的组分向上沿该管流动。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述流动步骤包括使上述组分在加压条件下流入井所在的地质结构层中。

25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述转动分离器包括加速上述流体使其形成两相射流的喷嘴装置，上述操作步骤包括回收由上述两相射流产生的至少一个相。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，上述操作步骤包括离心加压由上述射流产生的另一相。

27.如权利要求20所述的方法，包括使上述流体混合物流入上述分离器，并利用其压力来转动位于井中上述深度的上述分离器。

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