FR2774136A1 - Dispositif de compression-pompage monoarbre associe a un separateur - Google Patents
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Abstract
Système de compression-pompage pour un fluide polyphasique (GLR) comportant en combinaison une section de compression, une section de pompage, un arbre de rotation, des moyens d'étanchéité entre la section de compression et la section de pompage, et un séparateur. La section de pompage et la section de compression sont intégrées dans une même enceinte et montée sur le même arbre de rotation. Le système de compression-pompage est associé à un système de régulation du niveau de liquide situé au niveau du séparateur.
Description
La présente invention concerne un système de compression-pompage d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse.
On sait qu'il est possible de communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique ou à un mélange de gaz et de liquide en mettant en oeuvre différents types de machines.
Quelque soit la conception des pompes rotodynamiques utilisées, et plus particulièrement pour des pompes de type monophasique, de bons résultats sont obtenus lorsque la valeur du rapport volumétrique gaz-liquide dans des conditions réelles de pression et de température données (GLR en abrégé) du fluide est faible.
Ainsi, le pompage d'un mélange liquide-gaz à l'aide d'impulseurs radiaux est limité généralement à des taux de gaz inférieurs à 20 %. Cette limite peut être repoussée à environ 30 % dans le cas des impulseurs radio-axiaux et à environ 40 % dans le cas des impulseurs axiaux.
L'art antérieur décrit aussi des dispositifs de pompage présentant des caractéristiques adaptées au pompage d'un fluide polyphasique. Par exemple, le brevet du demandeur FR-2.665.224 décrit une géométrie de la section de passage d'un fluide polyphasique, qui est délimitée par deux aubages successifs, adaptée pour communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique pour comprimer des fluides ayant une valeur de GLR comprise par exemple entre 0 et 20.
Toutefois, I'efficacité du pompage ou de la compression d'un tel fluide varie de façon considérable en fonction des conditions dans lesquelles se trouve notamment le fluide. Cette efficacité a tendance à diminuer lorsque la fraction diphasique augmente et lorsque le rapport de la densité du gaz sur la densité de liquide diminue. Par ailleurs, les performances de ces impulseurs en monophasique qui servent de référence pour la détermination des performances en diphasique sont sensiblement moins bonnes que celles des impulseurs radiaux en particulier le rendement et la hauteur manométrique délivrée par étage.
De plus, il est souvent nécessaire d'utiliser plusieurs machines disposées en série pour obtenir le taux de compression souhaité.
L'utilisation de plusieurs machines monophasiques (pompe et compresseur) ou de plusieurs machines de type polyphasique conduisent à des installations de compression encombrantes et coûteuses
Le système de compression selon l'invention consiste à intégrer dans un même dispositif, les éléments nécessaires à la séparation des phases liquides et gazeuses et à la compression de chacune de ces phases. II consiste notamment à utiliser un dispositif qui comporte une section de pompage et une section de compression dont les impulseurs sont solidaires d'un même arbre de rotation, ces deux sections sont associées à un séparateur gaz-liquide pour produire un fluide essentiellement liquide et un fluide essentiellement gazeux. Le système de compression ainsi défini est associé à un circuit de régulation. Le séparateur possède un volume réduit par rapport à l'art antérieur.
Le système de compression selon l'invention consiste à intégrer dans un même dispositif, les éléments nécessaires à la séparation des phases liquides et gazeuses et à la compression de chacune de ces phases. II consiste notamment à utiliser un dispositif qui comporte une section de pompage et une section de compression dont les impulseurs sont solidaires d'un même arbre de rotation, ces deux sections sont associées à un séparateur gaz-liquide pour produire un fluide essentiellement liquide et un fluide essentiellement gazeux. Le système de compression ainsi défini est associé à un circuit de régulation. Le séparateur possède un volume réduit par rapport à l'art antérieur.
La présente invention concerne un système de compression-pompage pour un fluide polyphasique (GLR) comportant en combinaison au moins les éléments suivants:
une section de compression adaptée à comprimer un fluide essentiellement gazeux,
une section de pompage adaptée à communiquer de l'énergie à un fluide
essentiellement liquide,
un arbre de rotation A,
des moyens d'étanchéité entre la section de compression et la section de pompage,
un séparateur permettant d'obtenir un fluide essentiellement liquide et un fluide
essentiellement gazeux,
différents conduits d'arrivée ou d'évacuation du fluide polyphasique et/ou de chacune
des phases dudit fluide polyphasique issues du séparateur.
une section de compression adaptée à comprimer un fluide essentiellement gazeux,
une section de pompage adaptée à communiquer de l'énergie à un fluide
essentiellement liquide,
un arbre de rotation A,
des moyens d'étanchéité entre la section de compression et la section de pompage,
un séparateur permettant d'obtenir un fluide essentiellement liquide et un fluide
essentiellement gazeux,
différents conduits d'arrivée ou d'évacuation du fluide polyphasique et/ou de chacune
des phases dudit fluide polyphasique issues du séparateur.
Le système est caractérisé en ce que
L'arbre de rotation est commun à la section de compression et à la section de
pompage,
les sections de pompage et de compression sont intégrées dans une même enceinte,
le système de compression-pompage est associé à un système de régulation du
niveau de liquide à l'intérieur du dispositif de séparation.
L'arbre de rotation est commun à la section de compression et à la section de
pompage,
les sections de pompage et de compression sont intégrées dans une même enceinte,
le système de compression-pompage est associé à un système de régulation du
niveau de liquide à l'intérieur du dispositif de séparation.
Le séparateur peut être solidaire de l'enceinte ou encore être intégré dans l'enceinte.
Le système de régulation consiste par exemple à réguler les débits de liquide et/ou de gaz issus du séparateur en fonction du niveau de l'interface gaz-liquide dans le séparateur.
Le système de régulation peut comporter un ensemble de vannes et de conduits de dérivation comprenant au moins:
un conduit de recyclage d'une partie du gaz issue de la section de compression, ledit
conduit étant équipé d'une vanne de régulation,
un conduit de recyclage d'une fraction de liquide, ladite fraction de liquide étant issue
de la section de pompage et ledit conduit étant équipé d'une vanne de régulation,
un capteur permettant de détecter le niveau de liquide dans le séparateur,
des moyens (M) de traitement des données et de génération de signaux.
un conduit de recyclage d'une partie du gaz issue de la section de compression, ledit
conduit étant équipé d'une vanne de régulation,
un conduit de recyclage d'une fraction de liquide, ladite fraction de liquide étant issue
de la section de pompage et ledit conduit étant équipé d'une vanne de régulation,
un capteur permettant de détecter le niveau de liquide dans le séparateur,
des moyens (M) de traitement des données et de génération de signaux.
Le séparateur est par exemple un séparateur statique.
Le séparateur statique peut être associé à au moins un des éléments suivants:
un conduit hélicoïdal disposé à l'intérieur dudit séparateur statique,
un premier étage de la section de compression, adapté pour réaliser la séparation des
gouttelettes et du gaz,
plusieurs disques (Dl, Dg) montés sur ledit arbre de rotation, ledit arbre de rotation se
prolongeant dans ledit séparateur sur au moins une partie de sa longueur,
un dispositif de type cyclonique, lesdits éléments pouvant être utilisés seuls ou combinés les uns aux autres.
un conduit hélicoïdal disposé à l'intérieur dudit séparateur statique,
un premier étage de la section de compression, adapté pour réaliser la séparation des
gouttelettes et du gaz,
plusieurs disques (Dl, Dg) montés sur ledit arbre de rotation, ledit arbre de rotation se
prolongeant dans ledit séparateur sur au moins une partie de sa longueur,
un dispositif de type cyclonique, lesdits éléments pouvant être utilisés seuls ou combinés les uns aux autres.
Le nombre des impulseurs pour la section de compression et pour la section de pompage et la vitesse spécifique des impulseurs correspondant à la section de compression sont par exemple choisis pour que l'on ait:
sensiblement voisin de 1
Le système selon l'invention trouve avantageusement son application pour transporter des effluents polyphasiques pétroliers.
Le système selon l'invention trouve avantageusement son application pour transporter des effluents polyphasiques pétroliers.
L'utilisation du système selon l'invention permet notamment:
de réduire le nombre de machines comparé à des machines monophasiques et
polyphasiques, e de réduire le nombre d'impulseurs comparé à une compression polyphasique,
de réduire la consommation de puissance comparativement aux machines
diphasiques ou polyphasiques conventionnelles.
de réduire le nombre de machines comparé à des machines monophasiques et
polyphasiques, e de réduire le nombre d'impulseurs comparé à une compression polyphasique,
de réduire la consommation de puissance comparativement aux machines
diphasiques ou polyphasiques conventionnelles.
D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention seront mieux compris et apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation en se référant aux dessins suivants
la figure 1 schématise le principe du système selon l'invention et de son
fonctionnement, présentant une partie permettant la compression de chacune des
phases du fluide et un circuit de régulation des flux des fluides,
les figures 2 et 2A représentent un système de compression-pompage intégré
comportant un séparateur statique, et la figure 2B montre un exemple d'amélioration
de ce séparateur statique,
les figures 3 et 4 schématisent une vue radiale et une vue axiale d'un exemple d'un
étage d'entrée de la section de compression également utilisé comme système de
séparation gaz-liquide au refoulement de l'impulseur,
les figures 3A, 3B, 3C et 3D montrent de manière détaillée un autre exemple de
réalisation pour les canaux d'entrée et de sortie d'un étage décrit à la figure 3,
la figure 5 schématise les vitesses absolues et relatives des phases liquides et
gazeuses à l'entrée du premier étage de compression, et
la figure 6 montre une autre variante de réalisation du système selon l'invention
associé à un séparateur dynamique.
la figure 1 schématise le principe du système selon l'invention et de son
fonctionnement, présentant une partie permettant la compression de chacune des
phases du fluide et un circuit de régulation des flux des fluides,
les figures 2 et 2A représentent un système de compression-pompage intégré
comportant un séparateur statique, et la figure 2B montre un exemple d'amélioration
de ce séparateur statique,
les figures 3 et 4 schématisent une vue radiale et une vue axiale d'un exemple d'un
étage d'entrée de la section de compression également utilisé comme système de
séparation gaz-liquide au refoulement de l'impulseur,
les figures 3A, 3B, 3C et 3D montrent de manière détaillée un autre exemple de
réalisation pour les canaux d'entrée et de sortie d'un étage décrit à la figure 3,
la figure 5 schématise les vitesses absolues et relatives des phases liquides et
gazeuses à l'entrée du premier étage de compression, et
la figure 6 montre une autre variante de réalisation du système selon l'invention
associé à un séparateur dynamique.
Le système de compression-pompage intégré représenté, à titre illustratif et nullement limitatif, sur la figure 1 comporte des sections de compression et de pompage associées à un séparateur et à un circuit de régulation des quantités de chacune des phases du fluide polyphasique, la phase gazeuse et la phase liquide.
Dans la description, I'expression "phase gazeuse" sera utilisée pour désigner un fluide essentiellement gazeux ou un gaz issu de la séparation, et l'expression "phase liquide" pour désigner un fluide essentiellement liquide ou un liquide issu de la séparation et réciproquement.
Le système de compression-pompage intégré permettant de communiquer une valeur d'énergie au fluide polyphasique comporte dans une même enceinte ou carter 1, un dispositif de séparation 2 ou séparateur, une section de pompage 3, adaptée à communiquer à un effluent essentiellement liquide ou à un liquide une valeur de pression, et une section de compression 4 choisie pour comprimer un fluide essentiellement gazeux ou un gaz.
Le séparateur peut être solidaire de l'enceinte, intégré ou séparé de l'enceinte.
Les impulseurs des sections de compression 4 et de pompage 3 sont solidaires d'un même arbre de rotation A. Ces deux sections sont séparées de manière étanche par des moyens 5, dont un exemple particulier mais non limitatif est donné à la figure 2.
Le carter 1 est pourvu de plusieurs conduits permettant l'introduction ou l'évacuation des différents fluides:
un conduit 6 principal d'arrivée du fluide polyphasique à comprimer,
un conduit 7 disposé entre le séparateur 2 et la section de pompage 3 pour le
passage du liquide,
un conduit 8 disposé entre le séparateur 2 et la section de compression 4 pour le
passage du gaz,
un conduit 9 permettant d'évacuer le liquide issu de la section de pompage 3, et
un conduit 10 d'évacuation du gaz comprimé issu de la section de compression 4.
un conduit 6 principal d'arrivée du fluide polyphasique à comprimer,
un conduit 7 disposé entre le séparateur 2 et la section de pompage 3 pour le
passage du liquide,
un conduit 8 disposé entre le séparateur 2 et la section de compression 4 pour le
passage du gaz,
un conduit 9 permettant d'évacuer le liquide issu de la section de pompage 3, et
un conduit 10 d'évacuation du gaz comprimé issu de la section de compression 4.
Le conduit 9 d'évacuation du liquide est équipé d'un dispositif de mesure 11 de débit et se scinde en au moins deux lignes 9a, 9b. La ligne 9a de recyclage d'une fraction du liquide est pourvue d'une vanne 12 de régulation de la fraction de liquide recyclée. La ligne 9b permet d'évacuer la fraction du liquide non recyclée ou la totalité du liquide comprimé, cette ligne est équipée d'une vanne 14 de régulation et éventuellement d'un débitmètre 13.
Le conduit 10 d'évacuation du gaz comprimé dans la section de compression 4 comporte un dispositif 15 capable de mesurer la quantité de gaz et se scinde en deux lignes 10a, 10b. La ligne de recyclage 10a d'une fraction du gaz est pourvue d'une vanne 16 de régulation de la fraction de gaz recyclée et rejoint le conduit principal d'introduction de la production. La ligne 10b d'évacuation de la fraction du gaz non recyclée ou de la totalité du gaz est pourvue d'une vanne 18 de régulation du débit du gaz et éventuellement d'un dispositif 17 de mesure de la quantité de gaz non recyclée.
Les deux lignes 9b, 10b, d'évacuation du gaz et du liquide non recyclés peuvent être réunies pour transférer dans une même conduite le fluide polyphasique après passage dans le système de compression-pompage, ce fluide étant constitué de la phase gazeuse et de la phase liquide issues respectivement des sections de compression et de pompage, vers un lieu de destination donné, non représenté sur la figure.
Les différentes conduites et lignes sont par exemple équipées de capteurs de mesure de la pression. Par exemple, on dispose sur la ligne d'évacuation du gaz et au niveau du séparateur des capteurs de pression Cp.
L'arbre de rotation A est pourvu d'un moyen permettant de déterminer sa vitesse de rotation N, en utilisant des dispositifs habituellement utilisés par l'Homme du métier.
Le séparateur comporte un ou plusieurs capteurs de niveau de liquide 19i.
Lorsque le séparateur est équipé d'un seul capteur, ce dernier est capable de suivre l'évolution complète du niveau de liquide dans le séparateur.
Les différents dispositifs de mesure et les vannes de régulation de débit sont par exemple reliés à un moyen de pilotage, tel qu'un micro-contrôleur (non représenté sur la figure), capable de traiter les différentes informations provenant des capteurs et de générer des signaux pour réguler l'ouverture et la fermeture des vannes.
Le système de compression-pompage équipé du système de régulation peut fonctionner par exemple de la manière suivante:
Le principe de la régulation est de maintenir un niveau de liquide sensiblement constant à l'intérieur du séparateur, un débit minimum dans la section de compression, de manière à protéger cette section contre les fluctuations d'écoulement pouvant être préjudiciables au matériel à débit réduit et un débit minimum dans la section de pompage de façon à limiter les vibrations pouvant survenir à débit réduit.
Le principe de la régulation est de maintenir un niveau de liquide sensiblement constant à l'intérieur du séparateur, un débit minimum dans la section de compression, de manière à protéger cette section contre les fluctuations d'écoulement pouvant être préjudiciables au matériel à débit réduit et un débit minimum dans la section de pompage de façon à limiter les vibrations pouvant survenir à débit réduit.
La régulation de niveau de liquide dans le séparateur comprend une mesure de niveau fou mie par exemple par un capteur 19. Cette régulation vise à maintenir le niveau de liquide autour d'une position de référence indicée L3.
De manière à expliciter le principe de fonctionnement de l'invention, à titre illustratif et nullement limitatif, on définit par exemple quatre niveaux seuils dans le séparateur LI, L2, L3 et L.
Le capteur de mesure de niveau dans le séparateur détermine le niveau réel L de la fraction liquide. Cette information est envoyée vers le micro-contrôleur qui compare cette valeur, par exemple à la valeur de référence L3.
En fonctionnement normal, on se trouve dans le schéma suivant:
Pour la section de compression, la vanne 18 de sortie de gaz est entièrement ouverte
et la vanne 16 de recyclage est entièrement fermée,
Pour la section de pompage, la vanne 14 de sortie de liquide est partiellement fermée
et la vanne 12 de recyclage est partiellement ouverte, les degrés de fermeture et
d'ouverture augmentant avec le GLR moyen de production de façon à se prémunir
contre une arrivée soudaine et relativement (par rapport au cas de fonctionnement
normal) importante de liquide. Avec ce mode de fonctionnement, les vannes 14 et 12
sont, dans le cas d'un faible GLR moyen de production, légèrement
surdimensionnées par rapport à la production normale de liquide et dans le cas d'un
grand GLR moyen de production, largement surdimensionnées par rapport à la
production normale de liquide,
On définit par l'expression "GLR moyen de production" une valeur de GLR déterminée.
Pour la section de compression, la vanne 18 de sortie de gaz est entièrement ouverte
et la vanne 16 de recyclage est entièrement fermée,
Pour la section de pompage, la vanne 14 de sortie de liquide est partiellement fermée
et la vanne 12 de recyclage est partiellement ouverte, les degrés de fermeture et
d'ouverture augmentant avec le GLR moyen de production de façon à se prémunir
contre une arrivée soudaine et relativement (par rapport au cas de fonctionnement
normal) importante de liquide. Avec ce mode de fonctionnement, les vannes 14 et 12
sont, dans le cas d'un faible GLR moyen de production, légèrement
surdimensionnées par rapport à la production normale de liquide et dans le cas d'un
grand GLR moyen de production, largement surdimensionnées par rapport à la
production normale de liquide,
On définit par l'expression "GLR moyen de production" une valeur de GLR déterminée.
Le mode de régulation est adapté à l'écart entre le niveau réel mesuré L et le niveau L3.
Lorsque le niveau L tend à dépasser L3, le micro-contrôleur agit pour que la vanne 12 tende à se fermer et la vanne 14 tende à s'ouvrir.
Lorsque le niveau L devient inférieur à L3, la logique inverse s'applique.
Lorsque L devient supérieur à L2, le micro-contrôleur va agir pour que la vanne 18 tende à se fermer, la vanne 12 se fermer entièrement et la vanne 14 s'ouvrir entièrement.
Lorsque L devient supérieur à L1, les signaux générés par le moyen de pilotage permettent d'obtenir les effets suivants: la vanne 18 continue de se fermer, la vanne 16 tend à s'ouvrir et la vitesse de l'arbre tend à diminuer de façon à se prémunir d'une entrée de la phase liquide dans la section gaz.
Lorsque L devient inférieur à L, I'action du micro-contrôleur est telle que la vanne 12 s'ouvre entièrement et que la vanne 14 se ferme entièrement de façon à se prémunir d'une entrée de la phase gazeuse dans la section liquide.
La fiabilité de la mesure du niveau dans le séparateur étant essentielle pour la protection des éléments tournants, la mesure de niveau pourra être réalisée à l'aide de trois capteurs fonctionnant selon le principe d'une logique majoritaire (lorsqu'un capteur fournit une information différente des deux autres, I'information du premier est écartée au profit des deux autres).
Les lignes 9a et 10a jouent aussi le rôle de protection pour la section de compression ou de la section de pompage, contre le fonctionnement à un débit relatif inférieur à un débit engendrant des fluctuations de pression.
De façon à anticiper l'arrivée d'un bouchon de liquide ou d'un volume important de liquide et d'assurer une meilleure protection de l'équipement de production polyphasique, un système de mesure de taux de liquide peut être installé en amont de l'équipement, de façon à anticiper les actions sur les vannes ainsi que sur la régulation de vitesse.
Une régulation par logique floue connue de l'Homme du métier, et tenant compte du niveau de liquide dans le ballon-séparateur, de la position des différentes vannes de recyclage ou de réglage des débits de liquide et de gaz, du volume de liquide et de sa vitesse de déplacement en amont du système de compression-pompage, peut être mise en oeuvre de façon à perrnettre un meilleur lissage de la production par rapport à une régulation conventionnelle tout en assurant une meilleure protection de l'équipement. Ce volume de liquide est évalué par le système de mesure du taux de liquide.
Les caractéristiques des hydrauliques de la section de pompage et de la section de compression, notamment celles du premier étage sont choisies par exemple en fonction du type de séparateur disposé en amont.
A titre illustratif et nullement limitatif, les figures 2, 2A, 2B et la figure 6 schématisent des exemples de séparateur statique primaire ou permettant une séparation améliorée.
La figure 2 décrit un exemple de système de compression-pompage équipé d'un séparateur statique, ayant un volume réduit par rapport aux dimensions des séparateurs utilisés conventionnellement dans le domaine de la production polyphasique.
Afin d'accélérer la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse, on pourra disposer en amont de la section de compression différents types de séparateur gaz-gouttelettes.
Sur la figure 2A, on a représenté un exemple d'agencement de deux tubes (20, 21) disposés à l'intérieur du séparateur, qui contribuent à activer la séparation des bulles dans la phase liquide et des gouttelettes dans la phase gazeuse.
Un tube 20 est disposé à l'intérieur du séparateur statique de façon à réaliser l'aspiration du liquide de manière tangentielle, en bordure de la paroi interne 22 du séparateur et à induire un mouvement de rotation du liquide. L'entrée du tube 20 est située en dessous du niveau L4.
De manière identique, I'aspiration du gaz s'effectue tangentiellement à la paroi intérieure du séparateur pour activer la séparation des gouttelettes dans la phase gazeuse. Les gouttelettes se déposant sur la paroi 22, l'aspiration s'effectue par le tube 21 à un rayon intermédiaire entre l'axe de rotation et la paroi. L'entrée du tube 21 se situe au-dessus du niveau L1.
La figure 2B schématise un autre exemple de séparateur décrit à la figure 2.
L'amélioration consiste à disposer à l'intérieur du séparateur statique des tuyauteries d'aspiration de la phase gazeuse et de la phase liquide permettant d'obtenir une séparation pratiquement totale des phases.
Sur cette figure, un conduit 23 de forme hélicoïdale est disposé autour du tube central permettant le passage de la phase liquide vers la section de pompage. Le gaz contenant les gouttelettes de liquide pénètre par l'entrée 24. Au cours de son déplacement dans la conduite hélicoïdale, les gouttelettes se déposent le long de la paroi de la conduite par action d'une force centrifuge. La conduite étant ascendante dans cet exemple de réalisation nullement limitatif, le liquide déposé retombe dans le séparateur par l'entrée 24 du gaz tandis que le gaz ressort au point 25 (entrée de la conduite 8). Les caractéristiques du tube hélicoïdal (diamètre du tube, rayon de l'hélice et pente de l'hélice) sont dimensionnées de façon à permettre la retombée du liquide déposé par l'entrée 24.
Avantageusement, le dispositif d'étanchéité 5 représenté sur la figure 2 séparant la section de compression et la section de pompage est adapté pour éviter la migration du gaz vers le liquide et réciproquement du liquide vers le gaz.
Le dispositif d'étanchéité est par exemple constitué d'un cylindre 50 monté sur l'arbre de rotation A et une paroi 51 cylindrique fixe montée sur le carter 1. Ces deux pièces 50, 51 sont par exemple séparées par une rangée de labyrinthes 52a, 52b, 52c.
La paroi fixe 51 est percée de deux conduits 53, 54 par exemple pour l'écoulement des débits de fuite provenant de la section de compression et de la section de pompage, et retournant vers le séparateur. Cet écoulement s'effectue le long des labyrinthes 52a et 52c. Entre les deux conduits se trouvent les labyrinthes 52b dont une des fonctions est d'éviter le mélange des débits de fuite au niveau des parois cylindriques et par conséquent d'assurer une étanchéité parfaite entre les deux sections.
Les débits de fuite seront notamment fonction du nombre, de la forme de labyrinthes, du jeu entre eux et le cylindre tournant 50, du diamètre de ce cylindre ainsi que de la pression différentielle entre la section de pompage ou la section de compression et le séparateur.
Les caractéristiques du premier étage de la section de compression peuvent être déterminées pour éviter ou limiter l'érosion dues à la vitesse des gouttelettes de liquide subsistant après une séparation primaire.
Les figures 3 et 4 (coupe radiale dans le plan de 'impulseur) schématisent un exemple de réalisation du premier étage de la section de compression, avantageusement utilisé lorsque le séparateur disposé en amont réalise une séparation de type primaire.
Le fluide essentiellement gazeux contenant des gouttelettes de liquide est introduit dans le premier étage de compression par l'intermédiaire du canal d'entrée 30 délimité par deux parois sensiblement rectilignes et parallèles 31 (C-D), 32 (A-A'). Ces deux parois se prolongent respectivement par des parois 33 (D'-E) et 34 (A'-B). Les parois 33 et 34 ont un rayon de courbure "r" choisi pour générer une force centrifuge qui va permettre de réaliser la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse. La paroi 31 est pourvue d'un moyen ayant pour fonction de permettre le passage de la phase liquide vers la paroi 32 comme décrit ci-après. Ce moyen peut se présenter sous la forme d'une prolongation de la paroi 31 jusqu'à un point saillant "s" (figure 2) ou encore sous la forme d'une goulotte "g" (figures 2A à 2D) avec une forme adaptée pour le transfert de la phase liquide de la paroi extérieure 33 vers la paroi intérieure 34.
Dans la suite de la description, on désigne sous l'expression "paroi intérieure" (34, 41) la paroi du canal d'entrée qui est située le plus proche de l'arbre de rotation A et sous l'expression "paroi extérieure" (33, 40) la paroi la plus éloignée de cet arbre.
A l'intérieur du canal d'entrée 30, l'écoulement du gaz humide s'effectue de la façon décrite ci-après.
La phase essentiellement gazeuse et contenant des gouttelettes de liquide est centrifugée dans la partie courbe du canal d'entrée délimitée par les parois 33 et 34, qui est comprise entre les points A' et D' et E, B.
Du fait de ia centrifugation, ces gouttelettes de liquide se déposent sur la paroi courbe intérieure 34.
La phase liquide ruisselant sur la paroi 31 sous la forme d'un film liquide est entraînée par la phase gazeuse: * jusqu'au point saillant "s" (figure 3) à partir duquel elle se détache sous la forme de
gouttelettes avant d'être transférée vers la paroi 34, ou bien * dans la goulotte "g" (figures 3A à 3B) dans laquelle elle s'écoule jusqu'à la paroi
intérieure 34.
gouttelettes avant d'être transférée vers la paroi 34, ou bien * dans la goulotte "g" (figures 3A à 3B) dans laquelle elle s'écoule jusqu'à la paroi
intérieure 34.
Le film liquide présent sur la paroi 34 se détache au point B du fait de la rupture existant entre le canal d'entrée 30 fixe et l'impulseur 35 en rotation sous forme de gouttelettes de liquide.
Ces gouttelettes pénètrent dans l'impulseur 35 disposé en aval du canal d'entrée au point où la distance par rapport à l'axe de rotation est la plus faible et par conséquent au point où la vitesse périphérique de 'impulser est la plus faible.
L'impulseur 35 est un impulseur radial conventionnel. Au cours de sa rotation, les phases liquide et gazeuse sont centrifugées de l'entrée FG de l'impulseur vers l'entrée IH du canal statorique ou canal de sortie situé en aval de l'impulseur 35.
Le canal de sortie comporte un diffuseur 36, un canal courbe 37 et un diaphragme de retour 38.
Le canal courbe 37 est adapté pour réaliser la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse. II comporte un canal de collecte 39 et un moyen tel que décrit précédemment par exemple un point saillant "s" (figure 3) ou une goulotte "g" (figures 3C à 3D), positionné au niveau de la paroi 41, par exemple à la sortie du diffuseur, permettant le passage de la phase liquide dans le canal de collecte 39.
Au niveau du canal de sortie l'écoulement des phases gazeuse et liquide s'effectue de la manière suivante
la phase liquide dispersée dans la phase gazeuse et pénétrant dans le diffuseur 36
est collectée dans le canal de collecte 39 où elle subit un mouvement tangentiel (dans
le sens de rotation de 'impulseur), du fait de son entraînement par la phase gazeuse,
la phase gazeuse de moindre densité continue de s'écouler dans le diaphragme de
retour 38 radial en direction du second étage de compression,
le liquide s'écoulant partiellement sur les parois du diffuseur:
* pour la paroi 40, directement après ruissellement sur sa longueur, et
* pour la paroi 41 après détachement du liquide sous forme de gouttelettes au point
saillant "s", ou encore après encore après écoulement dans la goulotte "g", se déverse dans le canal de collecte 39. La phase liquide dispersée dans la phase gazeuse est centrifugée en sortie du diffuseur 36 dans le plan axial en direction du canal de collecte 39. De par le mouvement du gaz dans le plan radial, le liquide subit un mouvement tangentiel dans le canal 39 orienté dans le sens de rotation de l'impulseur.
la phase liquide dispersée dans la phase gazeuse et pénétrant dans le diffuseur 36
est collectée dans le canal de collecte 39 où elle subit un mouvement tangentiel (dans
le sens de rotation de 'impulseur), du fait de son entraînement par la phase gazeuse,
la phase gazeuse de moindre densité continue de s'écouler dans le diaphragme de
retour 38 radial en direction du second étage de compression,
le liquide s'écoulant partiellement sur les parois du diffuseur:
* pour la paroi 40, directement après ruissellement sur sa longueur, et
* pour la paroi 41 après détachement du liquide sous forme de gouttelettes au point
saillant "s", ou encore après encore après écoulement dans la goulotte "g", se déverse dans le canal de collecte 39. La phase liquide dispersée dans la phase gazeuse est centrifugée en sortie du diffuseur 36 dans le plan axial en direction du canal de collecte 39. De par le mouvement du gaz dans le plan radial, le liquide subit un mouvement tangentiel dans le canal 39 orienté dans le sens de rotation de l'impulseur.
Ce mouvement de rotation du liquide dans le plan axial permet son maintien dans le canal de collecte 39.
La pression du liquide collecté dans le canal 39 étant supérieure à la pression d'entrée de l'impulseur (par conséquent à celle du séparateur) permet l'évacuation du liquide dans le séparateur à l'aide des conduits 42j puis du conduit 55 (figure 2). Les conduits 42j sont par exemple équipés de moyens permettant de contrôler le débit de liquide à évacuer. Ces moyens peuvent être une plaque 43 pourvue d'un ou plusieurs orifices 44. Les orifices 44 seront de préférence dimensionnés de façon à assurer l'évacuation du liquide et éviter l'engorgement du canal 39.
Un tel étage de compression permet avantageusement d'éliminer la présence éventuelle de liquide résultant de la séparation primaire. En sortie de ce premier étage de compression, le fluide est quasiment gazeux et exempt de liquide ce qui permet d'utiliser des impulseurs présentant des caractéristiques conventionnelles dans les étages de compression disposés en aval du premier étage.
La figure 5 représente dans le triangle de vitesses à l'entrée de l'impulseur, les différentes composantes de vitesse pour les gouttelettes et le gaz.
Afin de diminuer encore la vitesse relative (c'est-à-dire la vitesse d'impact sur les aubes 45 (figure 4) des hydrauliques) des gouttelettes par rapport à l'impulseur,
I'écoulement de la phase essentiellement gazeuse est orienté sur un cylindre de révolution dans le sens de rotation de l'impulseur.
I'écoulement de la phase essentiellement gazeuse est orienté sur un cylindre de révolution dans le sens de rotation de l'impulseur.
Le cylindre de révolution peut être défini en chaque point de sortie au niveau du canal, par exemple entre les points B et E (figure 3) par l'arbre de rotation et le rayon du cylindre considéré entre B et E.
La vitesse V,l relative locale des gouttelettes par rapport aux aubes de l'impulseur est déterminée par la vitesse absolue Vag de la phase gazeuse, du glissement entre la phase gazeuse et les gouttelettes, de l'orientation de la vitesse absolue de l'écoulement et de la vitesse d'entraînement Va.
Compte tenu de la complexité de l'écoulement, le calcul de la vitesse relative locale est effectué à partir d'un code de calcul tridimensionnel diphasique connu de l'homme du métier.
La vitesse d'impact admissible est déterminée en fonction du diamètre des gouttelettes, du matériau constituant ou déposé sur les aubes des impulseurs et du taux d'érosion à ne pas dépasser. Le taux d'érosion acceptable est une donnée spécifiée en fonction de la durée de production minimale et des conditions d'entretien de la machine.
Les hydrauliques de la section de pompage disposées en aval d'une séparation statique sont choisies pour éviter ou limiter des effets de cavitation qui pourraient résulter de la présence de phase gazeuse. Les effets de cavitation seront par exemple atténués en disposant le séparateur à un niveau supérieur à celui de la section essentiellement liquide et en utilisant un premier impulseur avec des aubes présentant un faible rayon de courbure ou un impulseur de type hélico-axial tel que celui décrit dans l'un des brevets du demandeur: FR-2.333.139, FR-2.471.501 et FR-2.665.224.
La figure 6 représente une autre variante de réalisation où la séparation est une séparation de type dynamique.
Dans cet exemple, l'arbre de rotation A commun à la section de pompage et à la section de compression pénètre dans le séparateur statique de la figure 2 et sert de support à deux séries de disques Dg, Dl.
La rotation des disques entraîne la mise en rotation de la phase liquide et de la phase gazeuse à l'intérieur du séparateur. Sous l'effet des forces centrifuges ainsi générées, les bulles sont entraînées vers le centre du séparateur a
Le diamètre de la partie A2 de l'arbre supportant les disques Dg et Dl est dimensionné en fonction du couple à transmettre et de la rigidité requise. L'arbre pourra être constitué de deux éléments, le couplage se faisant par engrenage, accouplement flexible, magnétique ou autre.
Les disques Dg sont par exemple disposés à une première extrémité de la partie
A2, I'extrémité supérieure. Il sont situés au-dessus du niveau L1 de façon à éviter le fonctionnement des disques au niveau de l'interface huile-gaz et la formation d'émulsion.
A2, I'extrémité supérieure. Il sont situés au-dessus du niveau L1 de façon à éviter le fonctionnement des disques au niveau de l'interface huile-gaz et la formation d'émulsion.
Les disques Dl sont solidaires de la seconde extrémité de l'arbre A2. Ils sont situés au-dessous du niveau L4. Les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des disques Dl sont conçues de façon à permettre l'évacuation des bulles au niveau de l'axe de rotation des disques, comme il est montré dans la figure 6.
Le diamètre des disques Dg ou Dl, et la distance entre les disques d'une même série peuvent être déterminés en fonction du degré de séparation souhaité en amont des sections de pompage et de compression. Par exemple, on déterminera ces paramètres en fonction des diamètres limites pour les bulles et les gouttelettes. Ces paramètres peuvent être calculés à l'aide d'un code de calcul tridimensionnel disponible à l'Homme du métier.
Dans les exemples de réalisation donnés ci-dessus, de façon à obtenir le meilleur rendement du système de compression, il est préférable de respecter certaines conditions, notamment la valeur du rapport entre le nombre d'impulseurs de la section de pompage et celui de la section de compression, et aussi la vitesse spécifique pour les impulseurs de la section de compression et/ou de la section de pompage
Pour un fluide polyphasique donné on connaît:
p. p, qui correspondent aux densités de la phase gazeuse et de la phase liquide,
le rapport GLR que l'on peut estimer avant l'arrivée du fluide dans le séparateur,
On choisit la vitesse spécifique de 'impulser de la section de compression Nsg = NÇQ/H 0.75,
en imposant par exemple une hauteur manométrique pour les hydrauliques de l'impulseur et en choisissant une valeur pour la vitesse de rotation N, le débit Q étant imposé par la production et pour que cette valeur de vitesse appartienne à un intervalle de valeurs données.
Pour un fluide polyphasique donné on connaît:
p. p, qui correspondent aux densités de la phase gazeuse et de la phase liquide,
le rapport GLR que l'on peut estimer avant l'arrivée du fluide dans le séparateur,
On choisit la vitesse spécifique de 'impulser de la section de compression Nsg = NÇQ/H 0.75,
en imposant par exemple une hauteur manométrique pour les hydrauliques de l'impulseur et en choisissant une valeur pour la vitesse de rotation N, le débit Q étant imposé par la production et pour que cette valeur de vitesse appartienne à un intervalle de valeurs données.
Par exemple pour un impulseur radical, dans le cas d'une compression de gaz humide, le rendement est maximum lorsque la vitesse spécifique est comprise entre 70 et 100 (connu de l'Homme du métier - avec N, la vitesse de rotation en tours par minute,
Q, le débit volumique en pied cube par seconde et H, la hauteur manométrique en pied).
Q, le débit volumique en pied cube par seconde et H, la hauteur manométrique en pied).
On détermine le nombre des impulseurs pour la section de pompage et pour la section de compression, Nb, et Nbg pour que l'on ait un rapport des vitesses spécifiques
voisin de 1
GLR, Nib,, Nb,, pg. p, étant respectivement le rapport des débits volumiques des phases gazeuse et liquide, le nombre d'impulseurs dans les sections gaz et liquide et les densités des phases gazeuse et liquide.
voisin de 1
GLR, Nib,, Nb,, pg. p, étant respectivement le rapport des débits volumiques des phases gazeuse et liquide, le nombre d'impulseurs dans les sections gaz et liquide et les densités des phases gazeuse et liquide.
En conséquence, pour permettre une consommation d'énergie minimale, le diamètre moyen et le nombre d'impulseurs de chaque section ainsi que la vitesse de rotation de l'arbre sont ajustés de façon à satisfaire aux relations de vitesse spécifique décrites ci-dessus.
De manière plus générale et sans sortir du cadre de l'invention, la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse pourra être réalisée en utilisant un séparateur statique qui peut être associé, au moins, avec un des éléments suivants
un équipement interne au séparateur statique tel que décrit dans la figure 2B,
un moyen permettant de réaliser une séparation < dynamique tel que décrit à la
figure 6, par exemple en utilisant une série de disques,
I'utilisation d'un séparateur de type cyclonique,
I'adaptation de l'impulseur d'entrée de la section de compression ayant deux
fonctions, une fonction de séparation des gouttelettes de liquide de la phase
gazeuse, et une fonction de compression du gaz,
L'avantage du système de compression-pompage réside principalement dans la réduction du nombre de machines tournantes.
un équipement interne au séparateur statique tel que décrit dans la figure 2B,
un moyen permettant de réaliser une séparation < dynamique tel que décrit à la
figure 6, par exemple en utilisant une série de disques,
I'utilisation d'un séparateur de type cyclonique,
I'adaptation de l'impulseur d'entrée de la section de compression ayant deux
fonctions, une fonction de séparation des gouttelettes de liquide de la phase
gazeuse, et une fonction de compression du gaz,
L'avantage du système de compression-pompage réside principalement dans la réduction du nombre de machines tournantes.
1 - II permet d'utiliser une machine unique au lieu de deux machines distinctes: compresseur et pompe monophasiques pour obtenir des résultats sensiblement identiques.
2 - II permet le remplacement de plusieurs machines polyphasiques pour une seule machine tournante comme il est montré dans les tableaux ci-dessous.
Les résultats ont été obtenus en prenant la base de comparaison suivante
gaz ayant une masse moléculaire de 25
taux de compression (rapport des pressions de sortie et d'entrée) : 3
r température d'entrée : 400C
Le nombre d'impulseurs nécessaires dans ces conditions pour le système de compression-pompage selon l'invention est de o 6 pour la section de compression
1 pour la section de pompage lorsque l'entrée < 2,5 MPa abs et 2 lorsque l'entrée >
2,5 MPa abs.
gaz ayant une masse moléculaire de 25
taux de compression (rapport des pressions de sortie et d'entrée) : 3
r température d'entrée : 400C
Le nombre d'impulseurs nécessaires dans ces conditions pour le système de compression-pompage selon l'invention est de o 6 pour la section de compression
1 pour la section de pompage lorsque l'entrée < 2,5 MPa abs et 2 lorsque l'entrée >
2,5 MPa abs.
Pour une machine polyphasique de type décrite dans l'un des brevets du demandeur FR-2.333.139, FR-2.471.501 et FR-2.665.224
Cas GLR = 20
Cas GLR = 20
<tb> P <SEP> entrée <SEP> en <SEP> MPa <SEP> absolu <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb> Nombre <SEP> d'impulseurs <SEP> polyphasiques <SEP> 28 <SEP> 34 <SEP> 39 <SEP> 43
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> pompes <SEP> polyphasiques <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3
<tb> Cas GLfl = 40
<tb> Nombre <SEP> d'impulseurs <SEP> polyphasiques <SEP> 28 <SEP> 34 <SEP> 39 <SEP> 43
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> pompes <SEP> polyphasiques <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3
<tb> Cas GLfl = 40
<tb> P <SEP> entrée <SEP> en <SEP> MPa <SEP> absolu <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP>
<tb> Nombre <SEP> d'impulseurs <SEP> polyphasiques <SEP> 43 <SEP> | <SEP> 50 <SEP> 54 <SEP> <SEP> 57 <SEP>
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> pompes <SEP> polyphasiques <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 4
<tb>
<tb> Nombre <SEP> d'impulseurs <SEP> polyphasiques <SEP> 43 <SEP> | <SEP> 50 <SEP> 54 <SEP> <SEP> 57 <SEP>
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> pompes <SEP> polyphasiques <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 4
<tb>
Claims (9)
1- Système de compression-pompage pour un fluide polyphasique (GLR) comportant en combinaison au moins les éléments suivants
une section de compression (4) adaptée à comprimer un fluide essentiellement
gazeux,
une section de pompage (3) adaptée à communiquer de l'énergie à un fluide
essentiellement liquide,
un arbre de rotation A,
des moyens d'étanchéité (5) entre la section de compression (4) et la section de
pompage (3),
r un séparateur (2) permettant d'obtenir un fluide essentiellement liquide et un fluide
essentiellement gazeux,
différents conduits (6, 7, 8, 9, 10) d'arrivée ou d'évacuation du fluide polyphasique
et/ou de chacune des phases dudit fluide polyphasique issues du séparateur
caractérisé en ce que
L'arbre de rotation est commun à la section de compression (4) et à la section de
pompage (3),
les sections de pompage (3) et de compression (4) sont intégrées dans une même
enceinte (1),
le système de compression-pompage est associé à un système de régulation du
niveau de liquide à l'intérieur du dispositif de séparation.
2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit séparateur (2) est solidaire de l'enceinte (1).
3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit séparateur (2) est intégré dans ladite enceinte (1).
4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de régulation consiste à réguler les débits de liquide et/ou de gaz issus du séparateur en fonction du niveau de l'interface gaz-liquide dans le séparateur.
5 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit système de régulation comporte un ensemble de vannes et de conduits de dérivation comprenant au moins
un conduit (10a) de recyclage d'une partie du gaz issue de la section de compression,
ledit conduit étant équipé d'une vanne de régulation (16),
un conduit (9a) de recyclage d'une fraction de liquide, ladite fraction de liquide étant
issue de la section de pompage et ledit conduit (9a) étant équipé d'une vanne de
régulation (12),
r un capteur permettant de détecter le niveau de liquide dans le séparateur (2),
des moyens (M) de traitement des données et de génération de signaux.
6 - Système de compression selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le séparateur est un séparateur statique.
7 - Système de compression selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit séparateur statique est associé à au moins un des éléments suivants:
un conduit hélicoïdal (23) disposé à l'intérieur dudit séparateur statique,
un premier étage de la section de compression, adapté pour réaliser la séparation des
gouttelettes et du gaz,
plusieurs disques (Dl, Dg) montés sur ledit arbre de rotation, ledit arbre de rotation se
prolongeant dans ledit séparateur sur au moins une partie de sa longueur,
un dispositif de type cyclonique, lesdits éléments pouvant être utilisés seuls ou combinés les uns aux autres.
8 - Système de compression selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre des impulseurs pour la section de compression et pour la section de pompage et la vitesse spécifique des impulseurs correspondant à la section de compression sont choisis pour que l'on ait
sensiblement voisin de 1
9 - Application du système de compression selon l'une des revendications précédentes pour transporter des effluents polyphasiques pétroliers.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9800933A FR2774136B1 (fr) | 1998-01-28 | 1998-01-28 | Dispositif de compression-pompage monoarbre associe a un separateur |
| GB9901570A GB2337561B (en) | 1998-01-28 | 1999-01-26 | Single-shaft compression-pumping device associated with a separator |
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| US09/238,587 US6171074B1 (en) | 1998-01-28 | 1999-01-28 | Single-shaft compression-pumping device associated with a separator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9800933A FR2774136B1 (fr) | 1998-01-28 | 1998-01-28 | Dispositif de compression-pompage monoarbre associe a un separateur |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2774136A1 true FR2774136A1 (fr) | 1999-07-30 |
| FR2774136B1 FR2774136B1 (fr) | 2000-02-25 |
Family
ID=9522282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9800933A Expired - Fee Related FR2774136B1 (fr) | 1998-01-28 | 1998-01-28 | Dispositif de compression-pompage monoarbre associe a un separateur |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6171074B1 (fr) |
| FR (1) | FR2774136B1 (fr) |
| GB (1) | GB2337561B (fr) |
| NO (1) | NO990377L (fr) |
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| FR2774136B1 (fr) | 2000-02-25 |
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