EP0003202A2 - Dispositif pour transformer un écoulement primaire diphasique en plusieurs écoulements diphasiques secondaires - Google Patents

Dispositif pour transformer un écoulement primaire diphasique en plusieurs écoulements diphasiques secondaires Download PDF

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EP0003202A2
EP0003202A2 EP19790400026 EP79400026A EP0003202A2 EP 0003202 A2 EP0003202 A2 EP 0003202A2 EP 19790400026 EP19790400026 EP 19790400026 EP 79400026 A EP79400026 A EP 79400026A EP 0003202 A2 EP0003202 A2 EP 0003202A2
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blades
conduits
casing
primary flow
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Marcel Arnaudeau
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/14—Diverting flow into alternative channels

Definitions

  • the present invention relates to a device for transforming a two-phase primary flow, for example composed of saturated liquid and free gas not dissolved in this liquid, into several secondary flows similar to the primary flow, in which the ratio of the volume of gas to that of the liquid making up these secondary flows is preferably substantially equal to that of the primary flow.
  • the treatments of these two-phase flows are carried out using equipment which, generally, has optimal performance when treating two-phase flows having characteristics corresponding to those provided during the manufacture of these devices.
  • the primary flow may be necessary to divide the primary flow into several secondary flows which, for the reasons indicated above, must have characteristics, such as free gas content, pressure, etc ..., which are constant over time. Preferably, these characteristics must be substantially identical to those of the primary flow.
  • the object of the invention is to propose a device making it possible to achieve the aim indicated above.
  • FIG. 1 An embodiment of the device according to the invention is schematically represented in section in FIG. 1.
  • This device essentially comprises a tubular body 1, a hub 2, blades 3a, 3b, 3c ... and a set of outlet pipes 4a, 4b, 4c ...
  • connection means such as a fixing flange 6 allowing, by means of screws or bolts shown diagrammatically at 7, the watertight fixing of the device in the extension of a pipe 8, drawn in broken lines, in which the primary flow of two-phase fluid takes place in the direction indicated by the arrows F.
  • the hub 2 the outside diameter of which is less than the diameter of the bore of the body 1 is kept coaxially inside this bore with which it delimits an annular space.
  • the hub 2 is, on the side of the inlet 5, extended by a profiled part 9 making it possible to minimize the disturbances in the flow of the primary two-phase fluid, when it enters the device.
  • the bore of the body 1 and the outer surface of the hub 2 are cylindrical and delimit an annular space whose cross section is constant, but it would not depart from the scope of the invention if one and / or the other of these surfaces was conical and if, consequently, the cross section of the annular space varied.
  • Blades such as 3a, 3b, 3c and 3d which are all visible on Figure 2 (which is a left view of Figure 1), divide the annular space between the hub 2 and the bore of the body 1 into compartments 10a, 10b, 10c, 10d, substantially sealed from each other others and opening at the ends of the body 1.
  • blades which can be flat and arranged radially in the annular space delimited by the body 1 and the hub 2, or which can be preformed as will be indicated later, are fixed by any suitable means, such as welding, etc. ., either on the hub 2, or on the body 1, or on both at the same time. Optionally, they can maintain the hub 2 in position. inside the body'1.
  • n of blades can vary depending on requirements. Four have been shown, by way of example, in the figures, but in general, this number depends on the number of secondary flows that it is desired to obtain.
  • the end of the body 1 opposite the inlet 5 ( Figure 1) is closed by a cover 11 fixed to the body 1 for example by screws or bolts 12 cooperating with a fixing flange 13 of the body 1.
  • This cover can also maintain the hub 2 in position, for example, by means of a fixing screw shown diagrammatically at 19.
  • the cover 11 is provided with orifices 14a, 14b, 14c ... in a number equal to the number of blades and it is positioned so that each orifice communicates exclusively with one of the compartments delimited by two consecutive blades.
  • each of these orifices has the form of an annular sector of the same section as the compartment with which it communicates, this section being measured along a plane perpendicular to the longitudinal axis of the body 1.
  • Each orifice 14a, 14b .. of the cover 11 communicates exclusively with a conduit such as 4a, 4b, 4c ... fixed on the cover 11.
  • each of these conduits has a section whose value of the surface preferably remains constant but whose shape changes, as shown in Figures 4, 5, 6 which are sections along lines IV, V and VI of Figure 1.
  • conduits all visible in Figure 3, which is a right view of Figure 1, can be connected to pipes such as 15, 16, 17 ... shown in broken lines and that the device according to the invention supplies in two-phase fluid.
  • the operation of the device is simple.
  • the primary flow of two-phase fluid is divided into as many secondary two-phase flows as there are compartments 1Da, 1Db, 10c ... and each of these secondary flows is directed to one of the use pipes 15, 16, 17 ... by one of the corresponding conduits 4a, 4b, 4c ...
  • the blades 3a, 3b, 3c ... will advantageously be blades planes placed radially and profiled so as not to disturb the flow, as shown in FIG. 7 which is a developed view of the hub 2 carrying the blades.
  • the profile of each blade may or may not be warped so that, at any point on the leading edge, the angle of inclination of the blade (fig. 8) satisfies the relation , R being the distance from the point considered to the axis of the device.
  • the blades may have a profile whose radius of curvature decreases from the inlet to the outlet.
  • the pipes 4a, 4b, 4c and 4d may be preformed so that their axes at the level of the cover 11 are substantially parallel to the angle formed by the blades with the axis of the device.
  • FIGS. 1 to 9 The embodiment of the device according to the invention illustrated by FIGS. 1 to 9 makes it possible to transform a two-phase primary flow into several secondary flows which will have a free gas content little different from that of the primary flow, when the distribution of the phases has a symmetry of revolution around the axis of the primary flow at the inlet of the body 1. In all other cases, the free gas contents of the secondary flows will be different.
  • This assembly essentially comprises an intake manifold 21, a stabilizing element 22 and possibly a member 23 adapted to increase the pressure of the two-phase fluid before its introduction into the body 1.
  • the intake manifold 21 is a manifold bent along a large radius of curvature, so as not to introduce significant pressure drop into the primary flow.
  • the stabilizing member 22 can be of any known type and has the purpose. to keep the content of free gas in the primary flow substantially constant, or at least to prevent this content from undergoing rapid variations.
  • this stabilizing member could be of the helical-axial pump type, such as the pumping member for two-phase fluid. described in French patent application No. 2,333,139.
  • this stabilizing member comprises a plurality of hubs 24 integral in rotation with a shaft 28 driven by a motor 32 (FIG. 10) whose speed of rotation is preferably continuously adjustable.
  • Each of the hubs 24 carries blades 25 whose radius of curvature as well as the angle formed by the axis of rotation and the tangent to the profile of each blade decrease in the direction of flow of the two-phase fluid.
  • rectifiers comprising blades 26 integral with the housing 33 of the stabilizer 22 and which are also integral with a hub 27 of tubular shape.
  • the shaft 25 passes through all the hubs 27, at least some of which also constitute rolling bearings of the shaft 28 with, if necessary, interposition of ball bearings (not shown in the drawings).
  • a pumping member 23 which purpose is to increase the pressure of the two-phase fluid after stabilization, to compensate for the pressure losses.
  • This pumping member comprises a hub 29 which carries blades 30, the profile of which, adapted to increase the pressure of the two-phase fluid, is of the type described in the French patent application cited above.
  • This hub 29 is rotated by a drive shaft which in the case illustrated in FIG. 11 is the shaft 28 but can also be a different shaft 31 driven by a second motor, not shown, which can have a variable speed.
  • the speed of rotation of the motor shaft (s) is adjusted to obtain the best results, depending on the flow conditions of the two-phase fluid.
  • the distribution of the blades 3a, 3b, 3c ... on the hub 2 can be made as a function of the relative flow rate of each secondary flow with respect to the primary flow.
  • these blades can be evenly distributed when the secondary flows have the same flow, but the angular spacing between two consecutive blades can be increased to obtain a greater flow of the secondary flow that they delimit, or decreased in the opposite case. .

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Abstract

Dispositif pour transformer un écoulement primaire de fluide diphasique en plusieurs écoulements secondaires. Il comporte un carter tubulaire, un moyeu placé coaxialement à l'intérieur de ce carter avec lequel il définit un espace annulaire ouvert à ses deux extrémités, une pluralité de pales réparties dans l'espace annulaire qu'elles divisent en autant de compartiments distincts les uns des autres, dont les sections perpendiculaires à l'axe du carter ont une forme de secteur annulaire, ces espaces débouchant aux extrémités du carter, et une pluralité de conduits placés d'un même côté de l'une des extrémités du carter, chacun de ces conduits communiquant exclusivement avec l'un des compartiments. Application à la répartition d'un écoulement de fluide diphasique à grand débit en plusieurs écoulements distincts.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif pour transformer un écoulement primaire diphasique, par exemple composé de liquide saturé et de gaz libre non dissous dans ce liquide, en plusieurs écoulements secondaires semblables à l'écoulement primaire, dans lequel le rapport du volume de gaz à celui du liquide composant ces écoulements secondaires est de préférence sensiblement égal à celui de l'écoulement primaire.
  • Dans certains domaines techniques, tels que, en particulier mais non exclusivement, le domaine pétrolier, on est conduit à traiter des écoulements diphasiques, par exemple des écoulements composés du mélange d'au moins un liquide saturé avec au moins un gaz libre qui, dans les conditions thermodynamiques considérées, n'est pas dissous dans le liquide.
  • Les traitements de ces écoulements diphasiques (en vue par exemple de créer une augmentation de leur pression, la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide, etc...) se font à l'aide d'appareillages qui, généralement, ont des performances optimales lorsqu'ils traitent des écoulements diphasiques ayant des caractéristiques correspondant à celles prévues lors de la fabrication de ces appareillages.
  • Parfois, notamment lorsque le débit du fluide à traiter est important, on peut avoir besoin de répartir l'écoulement primaire en plusieurs écoulements secondaires qui, pour les raisons indiquées plus haut, doivent avoir des caractéristiques, telles que teneur en gaz libre, pression, etc...,qui sont constantes dans le temps. De préférence, ces caractéristiques doivent être sensiblement identiques à celles de l'écoulement primaire.
  • L'objet de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'at- teindre le but indiqué ci-dessus.
  • L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention,illustrée par les figures annexées parmi lesquelles :
    • - la figure 1 représente schématiquement un-dispositif selon l'invention, vu en coupe axiale,
    • - la figure 2 est la vue de gauche de la figure 1,
    • - la figure 3 est la vue de droite de la figure 1,
    • - les figures 4, 5 et 6 sont des coupes respectivement selon les les lignes IV, V et VI de la figuré 1, qui montrent l'évolution de la forme de la section d'un conduit 4c,
    • - la figure 7 est une vue développée montrant un profil possible des pales 3a, 3b...
    • - la figure 8 représente un second profil possible des pales 3a, 3b...
    • - la figure 9 est une vue développée du dispositif selon l'invention,
    • - la figure 10 montre un mode préféré de réalisation de l'invention,
    • - la figure 11 illustre en coupe l'organe stabilisateur, et
    • - la figure 12 est une variante de réalisation de la figure 11.
  • Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention est schématiquement représenté en coupe sur la figure 1.
  • Ce dispositif comporte essentiellement un corps tubuaire 1, un moyeu 2, des pales 3a, 3b, 3c ... et un ensemble de canalisations de sortie 4a, 4b, 4c ...
  • Une des extrémités du corps 1 constitue l'entrée 5 de l'écoulement primaire d'un fluide diphasique à fractionner en plusieurs écoulements secondaires. A cette extrémité, le corps 1 est pourvu de moyens de raccordement, tels qu'une bride de fixation 6 permettant, à l'aide de vis ou boulons schématisés en 7 la fixation étanche du dispositif dans le prolongement d'une conduite 8, dessinée en trait interrompu, dans laquelle l'écoulement primaire de fluide diphasique s'effectue suivant le sens indiqué par les flèches F.
  • Le moyeu 2, dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre de l'alésage du corps 1 est maintenu coaxialement à l'intérieur de cet alésage avec lequel il délimite un espace annulaire. Lorsque cela s'avère nécessaire, le moyeu 2 est, du côté de l'entrée 5, prolongé par une pièce profilée 9 permettant de réduire au minimum les perturbations de l'écoulement du fluide diphasique primaire, lors de son entrée dans le dispositif. Dans le cas représenté, l'alésage du corps 1 et la surface extérieure du moyeu 2 sont cylindriques et délimitent un espace annulaire dont la section droite est constante, mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention si l'une et/ou l'autre de ces surfaces était conique et si, en conséquence, la section droite de l'espace annulaire variait.
  • Des pales, telles que 3a, 3b, 3c et 3d qui sont toutes visibles sur la figure 2 (qui est une vue de gauche de la figure 1), divisent l'espace annulaire compris entre le moyeu 2 et l'alésage du corps 1 en compartiments 10a, 10b, 10c, 10d, sensiblement étanches les uns par rapport aux autres et débouchant aux extrémités du corps 1.
  • Ces pales, qui peuvent être planes et disposées radialement dans l'espace annulaire délimité par le corps 1 et le moyeu 2, ou qui peuvent être préformées comme il sera indiqué ultérieurement, sont fixées par tout moyen approprié, tel que soudure, etc..., soit sur le moyeu 2, soit sur le corps 1, soit encore sur les deux à la fois. Eventuellement,élles peuvent assurer le maintien en position du moyeu 2 à. l'intérieur du corps'1.
  • Le nombre n de pales peut varier en fonction des nécessités. Quatre ont été représentées, à titre d'exemple, sur les figures, mais de façon générale, ce nombre dépend du nombre d'écoulements secondaires que l'on désire obtenir.
  • L'extrémité du corps 1 opposée à l'entrée 5 (figure 1) est obturée par un couvercle 11 fixé sur le corps 1 par exemple par des vis ou des boulons 12 coopérant avec une bride de fixation 13 du corps 1. Ce couvercle peut également assurer le maintien en position du moyeu 2, par exemple, au moyen d'une vis de fixation schématisée en 19. Le couvercle 11 est pourvu d'orifices 14a, 14b, 14c ...en nombre égal au nombre de pales et il est positionné de telle sorte que chaque orifice communique exclusivement avec l'un des compartiments délimité par deux pales consécutives. De préférence, chacun de ces orifices a la forme d'un secteur annulaire de même section que le compartiment avec lequel il communique, cette section étant mesurée selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps 1. Chaque orifice 14a, 14b... du couvercle 11 communique exclusivement avec un conduit tel que 4a, 4b, 4c... fixé sur le couvercle 11. En s'éloignant du couvercle 11, chacun de ces conduits a une section dont la valeur de la surface reste de préférence constante mais dont la forme se modifie, comme le montrent les figures 4, 5, 6 qui sont des coupes selon les lignes IV, V et VI de la figure 1.
  • Ces conduits, tous visibles sur la figure 3, qui est une vue de droite de la figure 1, peuvent être raccordés à des canalisations telles que 15, 16, 17... représentées en traits interrompus at que le dispositif selon l'invention alimente en fluide diphasique.
  • Le fonctionnement du dispositif est simple. En pénétrant dans l'espace annulaire délimité entre le moyeu 2 et le corps 1, l'écoulement primaire de fluide diphasique est divisé en autant d'écoulements diphasiques secondaires qu'il y a de compartiments 1Da, 1Db, 10c ... et chacun de ces écoulements secondaires est dirigé vers l'une des canalisations d'utilisation 15, 16, 17... par l'un des conduits correspondants 4a, 4b, 4c ...
  • Lorsque l'écoulement primaire à l'entrée 5 du dispositif a une vitesse axiale très grande par rapport à la vitesse de rotation, ou lorsque la vitesse de rotation est sensiblement nulle, les pales 3a, 3b, 3c ... seront avantageusement des pales planes placées radialement et profilées pour ne pas perturber l'écoulement, comme le montre la figure 7 qui est une vue développée du moyeu 2 portant les pales.
  • Lorsque la vitesse V de l'écoulement du fluide diphasique à l'entrée du dispositif a une composante axiale V et une composante rotation- nelle 0 (vitesse de giration mesurée en radian/seconde), le profil de chaque pale pourra ou non être gauchi pour que, en tout point du bord d'attaque, l'angle a d'inclinaison de la pale (fig. 8) satisfasse à la relation
    Figure imgb0001
    , R étant la distance du point consi- déré à l'axe du dispositif.
  • Eventuellement, comme le montre la figure 9, les pales pourront avoir un profil dont le rayon de courbure décroît de l'entrée vers la sortie. Les canalisations 4a, 4b, 4c et 4d pourront être préformées pour que leurs axes au niveau du couvercle 11 soient sensiblement parallèles à l'angle que forment les pales avec l'axe du dispositif.
  • Le mode de réalisation du dispositif selon l'invention illustré par les figures 1 à'9 permet de transformer un écoulement primaire diphasique en plusieurs écoulements secondaires qui auront une teneur en gaz libre peu différente de celle de l'écoulement primaire, lorsque la distribution des phases a une symétrie de révolution autour de l'axe de l'écoulement primaire à l'entrée du corps 1. Dans tous les autres cas, les teneurs en gaz libre des écoulements secondaires seront différentes.
  • Pour éviter cet inconvénient, il est préférable d'utiliser un ensemble de stabilisation de la distribution des phases de l'écoulement primaire qui, sur la figure 10, est indiqué par la référence 20. Cet ensemble comporte essentiellement une tubulurè d'admission 21, un élément stabilisateur 22 et éventuellement un organe 23 adapté à augmenter la pression du fluide diphasique avant son introduction dans le corps 1.
  • Dans l'exemple représenté, la tubulure d'admission 21 est une tubulure coudée selon un rayon de courbure de grande dimension, afin de ne pas introduire.de perte de charge importante dans l'écoulement primaire.
  • L'organe stabilisateur 22 peut être de tout type connu et a pour but. de maintenir sensiblement constante la teneur en gaz libre dans l'écoulement primaire, ou au moins d'empêcher que cette teneur ne subisse des variations rapides.
  • A titre d'exemple, cet organe stabilisateur pourra être du type pompe hélico-axiale, telle que l'organe de pompage pour fluide diphasique décrit dans la demande de brevet français N° 2 333 139. Brièvement, et comme on peut le voir sur la figure 11, cet organe stabilisateur comporte une pluralité de moyeux 24 solidaires en rotation d'un arbre 28 entrainé par un moteur 32 (figure 10) dont la vitesse de rotation est de préférence ajustable de façon continue. Chacun des moyeux 24 porte des pales 25 dont le rayon de courbure ainsi que l'angle formé par l'axe de rotation et la tangente au profil de chaque pale décroissent dans le sens d'écoulement du fluide diphasique. Entre les différents étages sont intercalés des redresseurs comportant des pales 26 solidaires du carter 33 du stabilisateur 22 et qui sont également solidaires d'un moyeu 27 de forme tubulaire. L'arbre 25 traverse tous les moyeux 27 dont certains au moins constituent également des paliers de roulement de l'arbre 28 avec, si nécessaire, interposition de roulements à billes (non représentés sur les dessins).
  • Entre l'organe stabilisateur 22 et l'entrée du dispositif est interposé un organe de pompage 23 dont le-but est d'augmenter la pression du fluide diphasique après stabilisation, pour compenser les pertes de charge.
  • Cet organe de pompage comporte un moyeu 29 qui porte des pales 30 dont le profil, adapté à augmenter la pression du fluide diphasique, est du type de celui décrit dans la demande de brevet français citée plus haut. Ce moyeu 29 est entraîné en rotation par un arbre moteur qui dans le cas illustré par la figure 11 est l'arbre 28 mais peut également être un arbre différent 31 entraîné par un second moteur non représenté, pouvant avoir une vitesse variable.
  • Pendant le fonctionnement, la vitesse de rotation du ou des arbres moteurs est ajustée pour obtenir les meilleurs résultats, en fonction des conditions d'écoulement du fluide .diphasique.
  • Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, la répartition des pales 3a, 3b, 3c ... sur le moyeu 2 pourra être faite en fonction du débit relatif de chaque écoulement secondaire par rapport à l'écoulement primaire. Ainsi, ces pales peuvent être régulièrement réparties lorsque les écoulements secondaires ont même débit, mais l'écartement angulaire entre deux pales consécutives peut être augmenté pour obtenir un débit plus important de l'écoulement secondaire qu'elles délimitent, ou diminué dans le cas contraire.

Claims (12)

1. - Dispositif pour transformer un écoulement primaire de fluide diphasique en plusieurs écoulements secondaires de fluide diphasique, caractérisé en ce qu'il comporte un carter tubulaire, un moyeu placé coaxialement à l'intérieur de ce carter avec lequel ii définit un espace annulaire ouvert à ses deux extrémités, une pluralité de pales réparties dans l'espace annulaire qu'elles divisent en autant de compartiments distincts les uns des autres dont les sections perpendiculaires à l'axe du carter ont une forme de secteur annulaire, ces espaces débouchant aux extrémités du carter, et une pluralité de conduits placés d'un même côté de l'une des extrémités du carter, chacun de ces conduits communiquant exclusivement avec l'un des compartiments.
2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conduits sont solidaires d'un couvercle s'adaptant à l'extrémité du carter, la communication entre les compartiments et les conduits étant assurée par des orifices pratiqués dans le couvercle.
3. -Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section droite d'un conduit au niveau du couvercle est sensiblement identique à la section droite du compartiment avec lequel il communique.
4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section du conduit est modifiée jusqu'à devenir circulaire lorsqu'on s'éloigne du couvercle.
5. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pales sont régulièrement réparties dans l'espace annulaire.
6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales sont planes et disposées radialement dans l'espace annulaire.
7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales ont un profil dont le rayon de courbure diminue dans le sens de l'écoulement du fluide diphasique à l'intérieur du carter.
8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tangente au profil d'une pale fait avec l'axe du carter un angle qui diminue dans le sens d'écoulement du fluide diphasique.
9. - Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens stabilisateurs adaptés à empêcher les variations de la teneur en gaz libre de l'écoulement primaire, ces moyens étant fixés au carter du côté opposé aux conduits.
10. - Dispositif selon-la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un organe adapté à élever notablement la pression du fluide diphasique de l'écoulement primaire, cet organe étant interposé entre les moyens stabilisateurs et le carter.
11. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens stabilisateurs sont du type pompe pour fluide diphasique.
12. - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe élevant la pression est une pompe hélico-axiale pour fluide diphasique.
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