Насос для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью
Изобретение относится к насосам для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью, такой как сырая нефть или природный газ. Насос имеет корпус (2) с входом (3) и выходом (4), по меньшей мере одно лопастное колесо (7) и балансировочный барабан (6) для снятия осевого давления. Колесо (7) размещено на вращающемся валу (5). Барабан (6) содержит ротор (61), прочно соединенный с возможностью вращения с валом (5), причем ротор (61) имеет сторону (65) высокого давления и сторону (64) низкого давления, статор (62), неподвижный по отношению к корпусу (2), и разгрузочный канал (63), который продолжается между ротором (61) и статором (62) от стороны (65) к стороне (64) ротора (61). В статоре (62) дополнительно выполнен возвратный канал (8), который соединяет сторону (64) с входом (3), и, по меньшей мере, один промежуточный канал (9), который открывается в канал (63) между сторонами (65 и 64) ротора (61). Для воздействия на поток через канал (9) имеется блокирующий элемент (10). Изобретение направлено на обеспечение возможности эффективной и экономичной транспортировки сред с сильно изменяющейся вязкостью без замены лопастных колес и/или балансировочного барабана. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к насосу для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью в соответствии с ограничительной частью независимого пункта формулы изобретения.
Часто в одноступенчатых или многоступенчатых центробежных насосах создаются очень большие гидравлические усилия, которые действуют в осевом направлении, что означает в направлении продольной оси вала насоса. Эти усилия должны быть поглощены осевыми подшипниками вала. Однако, поскольку эти осевые подшипники должны быть изготовлены насколько это возможно маленькими по причинам практического и технического характера, то хорошо известной мерой является выполнение балансировочного барабана для компенсации осевого давления, действующего на вал насоса. Барабан содержит ротор, обычно по существу цилиндрический ротор, прочно соединенный с возможностью вращения с валом, и статор, размещенный коаксиально к нему и который является неподвижным по отношению к корпусу насоса. В этой связи, например, статор может быть выполнен как отдельная втулка или также может быть образован самим корпусом. Ротор имеет такие размеры, что между ротором и статором образуется узкий, кольцеобразный разгрузочный зазор. Зазор, со стороны высокого давления, соединен с пространством за лопастным колесом и/или, что касается многоступенчатых насосов, с пространством за последним лопастным колесом, так что просачивающийся поток транспортируемой текучей среды может протекать через разгрузочный зазор к стороне низкого давления ротора. Оттуда текучая среда вновь подается к входу насоса. За счет снижения давления вдоль ротора таким образом вырабатывается усилие в осевом направлении, которое направлено противоположно гидравлическим осевым усилиям, создаваемым лопастным колесом, и поэтому значительно сокращает усилия, которые подлежат поглощению осевыми подшипниками.
Что касается конструкции балансировочного барабана, то очень важную роль придают геометрическим размерам, в частности, диаметру и осевой длине ротора, а также зазору между ротором и статором, который определяет ширину разгрузочного канала в радиальном направлении.
Просачивающийся поток через разгрузочный канал является причиной потери объема транспортируемой текучей среды, которая должна естественно поддерживаться, насколько это возможно, малой, при этом, с другой стороны, просачивающийся поток должен быть к тому же настолько большим, чтобы требуемые технические эффекты были осуществлены. В качестве дополнительного эффекта - и это, в частности, справедливо в отношении высоковязких текучих сред - поток текучей среды в разгрузочном канале вызывает трение, которое может привести к значительном и нежелательному повышению температуры в разгрузочном канале.
В дополнение к функции снятия осевого давления, текучая среда, протекающая через разгрузочный канал, также может способствовать стабилизации и/или стабильности динамических характеристик ротора насоса. За счет эффекта, известного как эффект Ломакина, текучая среда, протекающая в разгрузочном канале создает усилия, центрирующие вал и которые имеют положительное влияние как в отношении демпфирования подшипников вала, так и в отношении прочности опоры вала.
Дополнительными важными параметрами, которые должны быть учтены в отношении конструкции балансировочного барабана, являются скорость вращения, с которой работает насос, создаваемая разница давления, плотность текучей среды и внутреннее трение, то есть вязкость транспортируемой текучей среды.
Что касается конструкции гидравлических насосов, то стараются найти идеальный, насколько это возможно, компромисс между всеми этими эффектами, при свойствах текучей среды, на которые обычно нельзя повлиять, которые также не являются достаточно известными и которые по этой причине только возможно оценить.
Существуют многочисленные применения, при которых свойства подлежащей транспортировке текучей среды не являются постоянными, а скорее могут более или менее быстро изменяться.
Например, с помощью многофазных насосов транспортируют текучие среды, которые включают в себя смесь множества фаз, например, одной или более жидкой фазы и одной или более газообразной фазы. В течение длительного времени подобные насосы хорошо известны и изготавливаются в многочисленных конструкциях. Сфера применения этих насосов является очень широкой, например, они используются в нефтегазовой промышленности для транспортировки или передачи сырой нефти или смесей, состоящих из сырой нефти и природного газа. В связи с этим свойства текучей среды могут изменяться с течением времени, например, фазовый состав и/или распределение фаз в многофазной текучей среде, подлежащей транспортировке, может изменяться. Относительные объемные порции жидкой фазы и относительные объемные порции газообразной фазы, например, что касается транспортировки нефти, подвержены очень большим флуктуациям, которые, среди прочего, обусловлены природным источником.
В частности, что касается транспортировки сырой нефти и/или природного газа, могут возникнуть также очень сильные изменения в вязкости, которые будут объяснены далее со ссылкой на пример. Что касается эксплуатации нефтяных месторождений и/или добычи нефти на нефтяных месторождениях, то имеющееся обычно давление на нефтяном месторождении с течением времени снижается, то есть с увеличением добычи нефти. Известна технология, при которой в нефтяное месторождение с помощью, так называемых, инжекционных насосов закачивают воду для снижения природного давления в нефтяном месторождении, для того чтобы таким образом повысить давление в стволе скважины. Однако следствием этого является то, что насос, с помощью которого нефть перемещают из ствола скважины, сталкивается с текучей средой, имеющей изменяющуюся вязкость и/или внутреннее трение на протяжении добычи. В начале добычи в большинстве случае транспортируют природную нефть или нефтегазовую смесь. С увеличением количества вводимой в нефтяное месторождение воды текучая среда изменяется в какой-то момент времени в водонефтяную эмульсию, которая имеет значительно более высокое внутреннее трение, которое может быть на порядки по величине больше, чем внутреннее трение первоначально транспортируемой сырой нефти. При дальнейшей добыче порция воды в транспортируемой текучей среде становится затем такой большой, что снова вызывает сильное снижение вязкости.
Этот резко выраженный максимум, что имеет отношение к добыче нефти на нефтяном месторождении при периодическом росте вязкости, часто присутствует только после нескольких лет, время от времени делает необходимым провести замену насосов, с помощью которых нефть транспортируют из ствола скважины или транспортируют через трубопроводы, или по крайне мере заменить гидравлическую систему насосов. Обычно это является нежелательным для оператора нефтетранспортера по экономическим причинам, оператору скорее требуется, чтобы насосы, используемые для транспортировки сырой нефти/природного газа, эффективно эксплуатировались бы в течение всего периода времени на протяжении освоения нефтяного месторождения, если возможно, без замены насоса или замены гидравлической системы насосов.
Это, в частности, справедливо для таких применений, при которых к насосам затруднен доступ, или при наличии значительных требований к объему работу и стоимости. В этой связи в качестве примера следует упомянуть подводные применения. Сегодня в возрастающей степени осваиваются также нефтяные месторождения, которые находятся под морским дном, и к которым совсем нет доступа с помощью классических буровых платформ или нет доступа не-экономически выгодным образом. По этой причине было начато размещение частей транспортного оборудования, таких как, например насосы, на дне моря поблизости от выхода ствола скважины. Оттуда транспортируемую нефть затем подают на технологические установки для нефтепереработки или на установки хранения, которые созданы на земле, на буровой платформе или на корабле, таком FPSO (плавучая платформа для добычи, хранения и отгрузки нефти). Точнее, в тех случаях, когда насос выполнен с возможностью работы как подводный насос для эксплуатации на дне моря, обычно требуется иметь изготовленный доступный насос, который может эффективным и экономичным образом транспортировать также и текучие среды с сильно изменяющейся вязкостью без необходимости замены, например, гидравлической системы насоса.
Возможное решение получено путем выполнения на обратном трубопроводе регулируемого клапана, посредством которого текучая среда, протекающая через разгрузочный канал со стороны низкого давления ротора балансировочного барабана, вновь подается к входу насоса, для того чтобы таким образом более или менее интенсивно ограничить повторную подачу. Таким путем в принципе также можно по меньшей мере влиять на поток через разгрузочный зазор между ротором и статором. Однако ограничение в обратном трубопроводе может привести к значительному сокращению компенсации осевого давления, создаваемого балансировочным барабаном, поскольку снижение давления становится значительно меньше через балансировочный барабан. Однако это означает, что силы гидравлического давления, подлежащие поглощению осевыми подшипниками вала, становятся больше тех, для которых они были предназначены, поскольку в противном случае существует опасность, что осевые подшипники становятся перегруженными или подвергаются значительному увеличению износа.
По этой причине целью изобретения является сделать доступным насос, который выполнен с возможностью выполнения эффективной и экономичной транспортировки текучих сред с сильно изменяющейся вязкостью без замены гидравлической системы насоса, то есть лопастного колеса или лопастных колес, и/или балансировочного барабана, которая должна быть осуществлена.
Предмет изобретения, удовлетворяющий этой цели, охарактеризован признаками независимого пункта формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предложен насос для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью, который имеет корпус с входом и выходом для подлежащей транспортировке текучей среды, имеющий также по меньшей мере одно лопастное колесо для перемещения текучей среды от входа к выходу, которое расположено на вращающемся валу, имеющий также балансировочный барабан для снятия осевого давления, при этом балансировочный барабан содержит ротор, прочно соединенный с возможностью вращения с валом, причем ротор имеет сторону высокого давления и сторону низкого давления; статор, неподвижный по отношению к корпусу, и разгрузочный канал, который продолжается между ротором и статором от стороны высокого давления к стороне низкого давления ротора; и в котором дополнительно выполнен возвратный канал, который соединяет сторону низкого давления ротора с входом, при этом по меньшей мере выполнен один промежуточный канал, который открывается в разгрузочный канал между стороной высокого давления и стороной низкого давления ротора и в котором выполнен блокирующий элемент для влияния на поток через промежуточный канал.
Длина разгрузочного канала может быть изменена за счет промежуточного канала и блокирующего элемента, и таким образом фактическая длина ротора балансировочного барабана также может быть изменена. Поскольку, как уже упоминалось, диаметр длины ротора балансировочного барабана имеет решающее влияние и в отношении скорости потока через балансировочный барабан, и также в отношении повышения температуры, вызванного трением в разгрузочном канале, адаптация по отношению к сильным изменениям в вязкости текучей среды может таким образом происходить очень простым образом за счет выполнения промежуточного канала. Функционально именно теперь как-будто имеется вариант эксплуатации насоса по меньшей мере с двумя балансировочными барабанами разной длины. Для сравнительно низкой вязкости текучей среды - речь идет, например, о начале добычи нефти на нефтяном месторождении, когда по существу транспортируется только нефть и/или нефтегазовая смесь - промежуточный канал может быть заблокирован посредством блокирующего элемента, так что просачивающийся поток направляется по всей длине балансировочного барабана до стороны низкого давления ротора и оттуда может быть направлен наружу снова через обратный канал. Если наблюдается сильное повышение вязкости - то есть, например до описанного пика во внутреннем трении текучей среды, который основан на образовании водонефтяной эмульсии, - тогда блокирующий элемент и таким образом промежуточный канал полностью открывается, так что теперь просачивающийся поток может быть отведен по существу полностью из разгрузочного канала в промежуточный канал. Поскольку таким образом фактическая длина, речь идет о части разгрузочного канала, через которую протекает поток, укорачивается, повышение температуры, создаваемое посредством трения в разгрузочном зазоре, также значительно уменьшается. Это пропорционально отношению трения к скорости утечки. Таким образом, насос и, в частности, балансировочный барабан могут быть простым образом адаптированы также в отношении сильных изменений в вязкости текучей среды. В этой связи является особенно предпочтительным, чтобы снятие осевого давления, создаваемого балансировочным барабаном, если это произойдет, не испытывало бы существенного уменьшения, так чтобы осевой подшипник вала не поглощал бы более высокие нагрузки.
Разгрузочный канал предпочтительно содержит кольцевое пространство, которое окружает вал и в которое открывается промежуточный канал. За счет этого обеспечивается то, что текучая среда может вытекать особенно хорошо и равномерно из разгрузочного канала в промежуточный канал в направлении открытого промежуточного канала.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения разгрузочный канал имеет постоянную ширину в радиальном направлении за пределами кольцевого пространства. Разгрузочный канал разделен промежуточным каналом на первую часть канала и на вторую часть канала, которые размещены одна за другой в осевом направлении. Разгрузочный канал предпочтительно имеет постоянную ширину в радиальном направлении за пределами кольцевого пространства в первой части канала или во второй части канала, особенно предпочтительно в обеих частях каналах. В этой связи ширина первой части канала может быть такой же широкой, как и ширина второго канала, или первая часть канала и вторая часть канала могут иметь разную ширину. За счет разной ширины двух частей канала скорость утечки через разгрузочный канал может быть увеличена или уменьшена простым путем.
Промежуточный канал предпочтительно соединен с входом, так что текучая среда, вытекающая через промежуточный канал, может быть вновь подана к входу насоса.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения промежуточный канал открывается в обратный канал, поскольку за счет этого конструкционный замысел становится более простым.
Предпочтительная мера заключается в данном случае в том, что блокирующий элемент выполнен с возможностью быть регулируемым расходным клапаном. Таким образом поток в промежуточном канале может быть также отрегулирован между значениями от нуля и до максимального потока.
К тому же, в зависимости от применения может быть предпочтительным, если выполнен второй блокирующий элемент для влияния на поток через обратный канал. Таким образом можно также активно повлиять на скорость потока в обратном канале.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения блокирующий элемент выполнен с возможностью быть трехходовым клапаном, который соединен с входом, с обратным каналом и с промежуточный каналом путем сообщения по потоку. Посредством такой меры обратный канал или промежуточный канал могут быть избирательно соединены с входом насоса путем сообщения по потоку очень простым путем с точки зрения устройства.
Что касается также наиболее вероятной предпочтительной конструкции, то выполнен переключающий элемент, посредством которого обратный канал может быть избирательно соединен с входом насоса или с источником второй текучей среды, так что вторая текучая среда может быть подана через обратный канал к стороне низкого давления ротора. Таким путем можно, например, подавать через обратный канал вторую текучую среду, которая может служить, например, в качестве блокирующей жидкости.
Естественно также возможно, чтобы блокирующий элемент был размещен и выполнен таким образом, что промежуточный канал может быть соединен с источником второй текучей среды, так что вторая текучая среда может быть введена в разгрузочный канал через промежуточный канал. Вторая текучая среда может быть, например, деэмульгатором, с помощью которого вязкость текучей среды в разгрузочном зазоре может быть уменьшена. Также это является возможностью для ввода второй текучей среды в разгрузочный канал, для того чтобы в этой связи уменьшить вязкость текучей среды.
В зависимости от применения также может быть предпочтительным, если будет выполнено множество промежуточных каналов, каждый из которых открывается в разгрузочный канал между стороной высокого давления и стороной низкого давления. Посредством этой меры можно будет выполнить разгрузочные каналы даже более разной длины.
В частности, что касается применений в местах с трудным доступом, например на дне моря, то является предпочтительной мерой, если блокирующий элемент или второй блокирующий элемент или переключающий элемент могут управляться посредством удаленного доступа. Для этого эти элементы могут быть выполнены, например как элементы, приводимые в действие электрическим или гидравлическим путем, или как элементы, приводимые в действие электрогидравлическим путем, которыми затем можно управлять, например, с использованием удаленного доступа через сигнальный трубопровод или, в зависимости от применения, можно также управлять беспроводным путем.
Насос в соответствии с изобретением может быть выполнен, в частности, как многоступенчатый насос, который имеет по меньшей мере одно второе лопастное колесо, размещенное на валу, для транспортировки текучей среды.
Также возможно выполнить насос в соответствии с настоящим изобретением как многофазный насос.
Особенно предпочтительно, чтобы насос в соответствии с изобретением, мог быть также выполнен как центробежный насос для транспортировки нефти и газа, в частности, как подводный насос для подводной транспортировки нефти и газа.
Дополнительные предпочтительные меры и конструкции по изобретению вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Далее изобретение будет описано подробно посредством вариантов осуществления настоящего изобретения и со ссылками на чертежи. На чертежах показано, частично в разрезе:
Фиг.1 - схематичная иллюстрация с вырезом первого варианта осуществления насоса в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - увеличенная иллюстрация в разрезе балансировочного барабана по первому варианту осуществления настоящего изобретения в первом работающем состоянии;
Фиг.3 - увеличенная иллюстрация в разрезе балансировочного барабана по первому варианту осуществления настоящего изобретения во втором работающем состоянии;
Фиг.4 - подобна фигуре 1, однако, для первого варианта;
Фиг.5 - подобна фигуре 1, однако, для второго варианта;
Фиг.6 - подобна фигуре 1, однако, для третьего варианта;
Фиг.7 - увеличенная иллюстрация в разрезе балансировочного барабана в работающем состоянии по третьему варианту по Фиг. 6;
Фиг.8 - подобна фигуре 1, однако, для четвертого варианта;
Фиг.9 - увеличенная иллюстрация в разрезе балансировочного барабана в работающем состоянии по четвертому варианту, и
Фиг.10 - подобна фиг.2, однако, для второго варианта осуществления насоса согласно изобретению.
На схематичной иллюстрации первого варианта осуществления настоящего изобретения на фиг. 1 показан насос в соответствии изобретением, который целиком обозначен ссылочной позицией 1 и выполнен как роторный насос и/или центробежный насос. На фиг. 1 с помощью выреза показано несколько деталей насоса 1. На фиг.2 показано несколько деталей насоса 1 на увеличенной иллюстрации в разрезе.
Насос 1 имеет корпус 2 с входом 3, через который подлежащая транспортировке текучая среда может быть введена в насос 1, как обозначено стрелкой Е на фиг.1. Кроме того, корпус 2 имеет выход 4, через который подлежащая транспортировке текучая среда покидает насос 1, как обозначено стрелкой О на фиг. 1. Помимо этого, насос имеет вращающийся вал 5, продольная ось А которого определяет осевое направление. Далее всегда, когда делают ссылку дается на осевое направление, это означает направление продольной оси А вала 5. Радиальное направление обозначается как направление, перпендикулярное осевому направлению.
По меньшей мере одно лопастное колесо 7 для перемещения текучей среды выполнено на валу 5, из которого только верхняя половина проиллюстрирована на фиг. 2. Насос 1 согласно настоящему изобретению может быть выполнен и как одноступенчатый насос, имеющий только одно лопастное колесо 7, а также и как многоступенчатый насос, имеющий по меньшей мере два лопастных колеса 7, которые размещены известным сам по себе образом разнесенными в осевом направлении один за другим на валу 5. Если дана ссылка на лопастное колесо 7, либо речь идет о единственном лопастном колесе одноступенчатого насоса, либо речь идет о последнем лопастном колеса 7 многоступенчатого насоса, в последующем это означает, что это лопастное колесо 7, которое создает самое высокое давление. Предпочтительно насос 1 в соответствии с настоящим изобретением выполнен как многоступенчатый центробежный насос.
Кроме того, насос 1 согласно настоящему изобретению может быть выполнен как однофазный насос или как многофазный насос. Многофазные насосы выполняют для транспортировки многофазных текучих сред, это означает, что они могут перемещать текучие среды, которые включают в себя смесь из множества фаз, например одной или более жидких фаз, например в виде эмульсии, и одной или многих газообразных фаз. Насос 1 согласно настоящему изобретению предпочтительно выполнен многофазный насос.
Насос согласно настоящему изобретению предпочтительно является насосом 1 для перемещения высоковязких текучих сред, таких как, например, нефть или сырая нефть. Высоко вязкие текучие среды в рамках данной заявки являются такими текучей среды, динамическая вязкость которых достигает по меньшей мере до 65 сантипуаз (сП), что в единицах системы СИ соответствует 0, 065 Па сек (Паскаль секунд).
Далее будет сделана ссылка на носящий характер примера случай применения, важный для практики, в котором насос согласно настоящему изобретению используется для перемещения нефти и газа, например в качестве транспортирующего насоса, с помощью которого нефть или нефтегазовая смесь перемещается из ствола скважины нефтяного месторождения, или в качестве транспортного насоса, с помощью которого нефть и/или нефтегазовая смесь перемещается по трубопроводу. В частности, насос согласно настоящему изобретению может быть выполнен в качестве подводного насоса, который, например, эксплуатируют при подводной транспортировке нефти и газа на дне море. Однако понятно, что изобретение не ограничено подобными конструкциями и применениями.
Первый вариант осуществления насоса 1 согласно настоящему изобретению (см. фиг. 1 и фиг. 2) имеет балансировочный барабан 6 для снятия осевого давления. В осевом направлении посредством балансировочного барабана 6 вырабатывается сила, которая направлена в противоположном направлении по отношению к осевой гидравлической силе, которая создается лопастными колесами 7 при перемещении текучей среды.
Балансировочный барабан 6 имеет по существу цилиндрический ротор 61, который прочно с возможностью вращения соединен с валом 5, также как и статор 62 соединен неподвижно по отношению к корпусу 2. Статор 52, например, может быть выполнен как цилиндрическая втулка, которая прочно соединена с корпусом 2, или статор 62 может составлять часть самого корпуса. Ротор 61 имеет диаметр D. Ротор имеет сторону 65 высокого давления и сторону 64 низкого давления. Торцевая поверхность со стороны 65 высокого давления ротора 61 сталкивается с высоким давлением. Это обычно происходит, когда применяют находящуюся под давлением текучую среду на стороне 65 высокого давления ротора 61 за лопастным колесом 7 или за последним лопастным колесом 7, соответственно. Сторона 65 высокого давления затем сталкивается с этим давлением, которое текучая среда имеет на выходе 4 насоса 1. Сторона 64 низкого давления сталкивается со значительно уменьшенным давлением, обычно давлением, которое жидкость имеет на входе 3 насоса. Это может быть осуществлено, например, таким образом, что сторона 64 низкого давления ротора 61 соединяют с входом 3 насоса через обратный канал 8 с сообщением по потоку.
Диаметр D ротора 61 и внутренний диаметр цилиндрического статора 62 имеют такие размеры, что кольцеобразный разгрузочный канал 63 выполнен между поверхностью кожуха ротора 61 и внутренней поверхностью кожуха статора 62, причем кольцеобразный разгрузочный канал проходит между ротором 61 и статором 62 со стороны 65 высокого давления в осевом направлении до стороны 64 низкого давления. Ширина В1 и/или В2 разгрузочного канала 63 в радиальном направлении в этой связи соответствует разнице между внутренним диаметром статора 62 и диаметром D ротора.
Просачивающийся поток Q через разгрузочный канал 63, среди прочего, вызывает следующие три эффекта:
Во-первых, просачивающийся поток Q означает объемную потерю текучей среды, которая подлежит перемещению с помощью насоса. По этой причине требуется, чтобы потери утечек не становились очень большими.
Во-вторых, и это, в частности, справедливо по отношению к высоковязким текучим средам, текучая среда вырабатывает тепло до значительной степени при расходном потоке через разгрузочный канал 63 за счет адгезии и/или трения, в частности, на статоре 62 и на роторе 61, что может приводить к значительным повышениям температуры в разгрузочном зазоре 63 и/или в окружающих его составных частях. Эти повышения температуры могут быть такими высокими, по отношению к высоковязким текучим средам, например 100°С и более, что установка не может дальше безопасно эксплуатироваться и/или что это может привести к повреждениям на составных частях насоса 1.
В-третьих, помимо снятии осевого давления, это влечет за собой усилия, обусловленные эффектом Ломакина с помощью просачивающегося потока Q, протекающего через разгрузочный канал 63, который центрирует вал 5, стабилизирует вал и гасит колебания вала. Этот эффект является таким образом положительным в отношении демпфирования и жесткости опоры вала.
Просачивающийся поток Q и его эффекты зависят от очень многих параметров, с одной стороны, от геометрических размеров балансировочного барабана 6, которые для заданного внутреннего диаметра статора 63 являются диаметром D ротора 61, который определяет ширину В1,В2 разгрузочного канала 63, а также длина L ротора 62 в осевом направлении, которая определяет осевую длину разгрузочного канала 63. Эти параметры должны быть заранее определены в отношении конструкции насоса 1 для его последующего использования, что часто означает длительность эксплуатации в несколько лет и может быть затем изменено только путем замены гидравлической системы насоса 1.
Просачивающийся поток Q также зависит от разницы давления, которая уменьшается вдоль ротора 61, от числа оборотов, что означает от скорости вращения насоса 1, и, естественно от свойств текучей среды, которая подлежит перемещению, таких как ее плотность или ее вязкость.
По этой причине стараются учесть все эти эффекты в конструкции насоса 1 и спроектировать насос таким образом, чтобы его можно было эксплуатировать в течение многих лет для соответствующего случая применения возможно без замены гидравлической системы.
Вследствие того, что насос 1 является пригодным, в частности, для непрерывного перемещения текучей среды с сильно изменяющейся вязкостью, предложено согласно настоящему изобретению выполнить по меньшей мере один промежуточный канал 9, который открывается в разгрузочный канал между стороной 65 высокого давления и стороной 64 низкого давления ротора 61, и выполнить блокирующий элемент 10 (см. фиг. 1) для воздействия на поток через промежуточный канал 9.
С помощью этой меры длина разгрузочного зазора 63 может быть изменена, посредством этого в результате получают особенно хорошую адаптацию по отношению к изменениям в вязкости текучей среды.
Что касается первого варианта осуществления насоса 1, описанного в данном примере, то разгрузочный канал 63 содержит кольцевое пространство 66, которое окружает вал 5 и в которое открывается промежуточный канал 9. Кольцевое пространство 66 в радиальном направлении имеет ширину, которая больше, чем ширина В1, В2 разгрузочного канала 63. Снаружи кольцевого пространства 66 разгрузочный канал 63 имеет постоянную ширину В1 или В2 соответственно в радиальном направлении, если смотреть вдоль его осевой длины. Естественно также, что возможны другие конструкции, в которых эта ширина В1 или В2 изменяется.
Промежуточный канал, как проиллюстрировано на фиг.1, соединен с входом 3 насоса. Блокирующий элемент 10 спроектирован по меньшей мере как регулирующий клапан, который в первом положении полностью блокирует соединение по потоку через промежуточный канал 9 с входом 3, и который во втором положении полностью открывает соединение по потоку через промежуточный канал 9.
На фиг. 2 показан первый вариант осуществления насоса 1 в первом рабочем состоянии, в котором блокирующий элемент 10 находится в первом положении, что означает, что соединение по потоку через промежуточный канал 9 закрыто, тогда как на фиг. 3 показан первый вариант осуществления насоса 1 во втором рабочем состоянии, при котором блокирующий элемент 10 находится во втором положении, то есть соединение по потоку через этот промежуточный канал 9 полностью открыто.
Блокирующий элемент 10 предпочтительно спроектирован как регулирующий расходный клапан 10, с помощью которого просачивающийся поток Q через промежуточный канал 9 может быть отрегулирован до значений, находящихся между нулем и максимальным потоком.
Обратный канал 8, также как и промежуточный канал 9, соответственно спроектированы таким образом, в частности, по отношению к их диаметру, что они не имеют существенного дроссельного воздействия на просачивающийся поток Q, это означает, что соответствующее гидравлическое сопротивление обратного канала 8 и промежуточного канала 9 имеет такие величины, что оно существенно меньше, чем гидравлическое сопротивление разгрузочного канала 63. Посредством этого можно обеспечить, чтобы полная разница давления существенно снижалась вдоль ротора 61 и таким образом создавалось, насколько это возможно, большое снятие осевого давления.
Далее будет описана функция насоса 1 и, в частности, адаптация к изменяющейся вязкости текучей среды в отношении примера добычи нефти на нефтяном месторождении с помощью насоса 1.
В начала процесса добычи нефти на нефтяном месторождении существует избыточное давление на уровне исходного природного давления, и нефть или нефтегазовая смесь соответственно часто могут перемещаться без принятия дополнительных мер с помощью насоса 1. Типичное значение для вязкости нефти в этой фазе составляет, например, 100-200 сП.
На этой фазе насос 1 работает в первом рабочем состоянии, проиллюстрированном на фиг. 2. Соединение по потоку через промежуточный канал 9 для просачивающегося потока Q блокируется с помощью блокирующего элемента 10. Разгрузочный канал 63, который имеет общую длину L в осевом направлении, если теперь смотреть с точки зрения технологии потока, представляет собой последовательность соединений первой части канала 631 осевой длины L1, которая продолжается от стороны высокого давления до начала кольцевого пространства 66 и имеет радиальную ширину В1, и также второй части канала 632 осевой длины L2, которая продолжается, если смотреть в направлении потока, от осевого торца кольцевого пространства 66 до стороны 66 низкого давления и имеет радиальную ширину В2. Фактическая длина разгрузочного канала 63 таким образом представляет собой сумму L1+L2, при этом L1+L2 обычно меньше, чем вся длина L. Просачивающийся поток Q таким образом полностью течет со стороны 65 высокого давления через разгрузочный канал 63 к стороне 64 низкого давления и от них через обратный канал 8 назад к входу 3 насоса.
Ширина В1 первой части канала 631 в радиальном направлении и ширина В2 второй части канала 632 в радиальном направлении соответственно являются предпочтительно постоянными по всей осевой длине L1 первой части канала или L2 второй части канала, соответственно. В этой связи ширина В1 и В2 могут быть равными или отличаться друг от друга. Если проектируют ширину В1 и В2 отличными друг от друга, тогда возможность изменения ширины разгрузочного канала дополнительно является результатом, за счет чего теперь в чьем либо распоряжении имеется дополнительный параметр для воздействия на просачивающийся поток Q.
Различная ширина В1 и В2 может быть получена, например, посредством того, что ротор 61 имеет диаметр D, отличающийся в области, где он образует первую часть канала 631, от диаметра в области, в которой он образует вторую часть канала 632. Естественно, также можно спроектировать диаметр D ротора 61 как постоянный по всей его осевой длине L и спроектировать статор 62 в области первой части канала 631 с внутренним диаметром, отличающимся от диаметра в области второй части канала 632. Кроме того, возможна комбинация двух мер, то есть возможность спроектировать оба внутренних диаметра статора 62, также как диаметр D ротора как разный по соответствующей осевой длине L.
Как было описано ранее, природное давление в нефтяном месторождении снижается при постепенно увеличивающейся добыче нефти в нефтяном месторождении, при этом начинают закачивать, например, воду в нефтяное месторождение, для того чтобы посредством этого снова повысить давление в нефтяном месторождении или компенсировать снижение давления, соответственно. За счет впрыскивания воды образование эмульсии из воды и нефти становится все более сильным, с возрастанием с течением времени, и эта эмульсия теперь должна быть перемещена с помощью насоса 1. Образование эмульсии может быть связано с интенсивным увеличением внутреннего трения и/или вязкости, которое может находиться в диапазоне нескольких порядков величин. Этот пик в вязкости с периодическим возрастанием в ходе добычи нефти в нефтяном месторождении известен, и он может проявиться, например, после нескольких лет добычи.
Если теперь вязкость текучей среды круто возрастает тогда это, с одной стороны, приводит к сокращению просачивающегося потока Q, но, с другой стороны, к интенсивному увеличению тепла, создаваемого в разгрузочном зазоре 63, и таким образом к значительному повышению температуры. Для того чтобы избежать этого увеличения температуры, насос теперь переключают во второе рабочее состояние, которое проиллюстрировано на фиг. 3.
Блокирующий элемент 10 теперь переводят в положение, при котором он полностью открывает соединение по потоку через промежуточный канал 9 для просачивающегося потока Q. Поскольку промежуточный канал 9 теперь представляет собой значительно сокращенное сопротивление для просачивающегося потока Q, чем вторая часть канала 632 разгрузочного канала 63, преобладающая порция просачивающегося потока Q течет со стороны 65 высокого давления через первую часть канала 631 длины L1 в кольцевое пространство 66 и оттуда через промежуточный канал 9 к входу 3 насоса 1. Таким образом фактическая длина разгрузочного канала 63 имеет теперь только длину L1 первой части канала 631 и таким образом является значительно короче, чем в первом рабочем состоянии. Посредством этого можно достичь того, что скорость утечек увеличивается и тепло, вырабатываемое в разгрузочном канале 63, становится значительно меньше, и таким образом результирующее увеличение температуры также становится меньше. Если, дополнительно, первая часть канала 631 спроектирована с большей радиальной шириной В1, чем вторая часть канала 632, тогда фактическая ширина разгрузочного канала 63 также увеличивается, посредством чего просачивающийся поток Q может дополнительно быть увеличен.
Во время дальнейшей разработки нефтяного месторождения, порция воды в перемещаемой текучей среде становится даже больше, за счет чего вязкость интенсивно снижается снова после прохождения через максимум, вызванный образованием эмульсии. Теперь насос 1 может быть переведен назад в первое рабочее состояние путем закрытия блокирующего элемента 10, что проиллюстрировано на фиг. 2.
Соответствующий отбор отношений длины L1 к L2 и/или L1 к L, или L2 к L, также как ширины В1 и/или В2 в радиальном направлении зависит от соответствующего случая применения. Обычно расчеты, касающиеся поведения в течении длительного времени добычи, производятся до разработки нового нефтяного месторождения. Например, соответствующее значение для L,L1,L2, также как для ширины В1,В2 разгрузочного канала 63 и/или диаметра ротора 61 могут быть определены посредством таких расчетов с помощью расчетов модели или моделирования.
Понятно, что возможны также отклоняющиеся от проиллюстрированных на фиг. 1 конструкции, в которых промежуточный канал 9 открывается в обратный канал 8 ниже по потоку от блокирующего элемента 10.
На фиг. 4 показан первый вариант для варианта осуществления насоса 1. Что касается этого варианта, то второй блокирующий элемент 12 выполнен для воздействия на поток через обратный канал 8. Блокирующий элемент 12 может быть также выполнен как регулирующий клапан 12 или как регулируемый расходный клапан, посредством которого может быть отрегулирован просачивающийся поток Q через обратный канал 8.
На фиг. 5 показан второй вариант для варианта осуществления насоса 1. Что касается второго варианта, то промежуточный канал 9 открывается в обратный канал 8. Блокирующий элемент 10 выполнен на этом отверстии, при этом этот блокирующий элемент выполнен как трехходовой клапан 10, который соединен с входом 3, с обратным каналом 8 и с промежуточным каналом 9 с помощью сообщения по потоку. Для того чтобы осуществить первое рабочее состояние (фиг. 2) трехходовой клапан 10 переключают таким образом, что он соединяет обратный канал 8 с входом 3, так что просачивающийся поток Q может протекать через обратный канал 8 к входу 3. В этом положении промежуточный канал 9 блокируется так, что никакой просачивающийся поток Q не может через него вытекать. Для того чтобы осуществить второе рабочее состояние (фиг. 3), трехходовой клапан 10 переключают таким образом, что он соединяет промежуточный канал 9 с входом 3, так что просачивающийся поток Q может протекать из кольцевого пространства 66 через промежуточный канал 9 к входу 3. В этом положении обратный канал 8 блокируется, так что никакой просачивающийся поток Q не может через него вытекать.
Фиг. 6 является примером третьего варианта для варианта осуществления насоса 1. Что касается этого третьего варианта, в обратном канале 8 выполнен переключающий элемент 13, посредством которого обратный канал 8 может быть избирательно соединен с входом 3 насоса 1 или с источником 15 для второй текучей среды, так что вторая текучая среда может быть подана через обратный канал 8 на сторону 64 низкого давления ротора.
На иллюстрации на фиг. 7, аналогичной фиг. 2 и/или фиг. 3, показано рабочее состояние по третьему варианту согласно фиг. 6. В этом рабочем состоянии переключающий элемент 13 отрегулирован так, что он соединяет обратный канал 8 с источником 15 второй текучей среды, при этом сообщение по потоку с входом 3 насоса 1 блокируется. Вторая текучая среда является, например, блокирующей жидкостью, такой как вода или другой соответствующей средой или охлаждающей жидкостью, посредством которой может быть создано противодавление во второй части канала 632 разгрузочного канала 63. На фиг. 7 поток второй текучей среды проиллюстрирован с помощью пунктирных линий, снабженных стрелками. Вторая текучая среда протекает через обратный канал 8 к стороне 64 низкого давления ротора и оттуда через вторую часть канала 632 разгрузочного канала 63 по направлению к просачивающемуся потоку Q. В области кольцевого пространства 66 две текучие среды снова соединяются и вместе перекачиваются через промежуточный канал. Вторая текучая среда может быть использована, например, в целях создания противодавления в разгрузочном канале 63, для того чтобы сократить скорость потока просачивающегося потока Q или чтобы отвести тепло из разгрузочного зазора 63.
На фиг. 8 показан четвертый вариант для варианта осуществления насоса 1. Что касается этого четвертого варианта, то блокирующий элемент 10 размещен и выполнен таким образом, что промежуточный канал 9 может быть соединен с источником 16 для второй текучей среды, так что вторая текучая среда может быть введена в разгрузочный канал 63 через промежуточный канал. Блокирующий элемент 10 в этом примере предпочтительно выполнен как трехходовой клапан 10, который избирательно соединяет промежуточный канал 9 с входом 3 насоса 1 или с источником второй текучей среды.
На иллюстрации на фиг. 9, аналогичной фиг.2 и/или фиг. 3, показано рабочее состояние по четвертому варианту по фиг. 8. В этом рабочем состоянии трехходовой клапан 10 установлен так, что он соединяет промежуточный канал 9 с источником 16 для второй текучей среды, при этом соединение по потоку с входом 3 насоса 1 заблокировано. Вторая текучая среда является, например, деэмульгатором, с помощью которого может быть уменьшена вязкость просачивающегося потока Q, или водой для разжижения просачивающегося потока Q, или охлаждающей текучей средой, с помощью которой тепло может быть отведено от разгрузочного зазора 63. На фиг. 9 поток второй текучей среды проиллюстрирован с помощью пунктирных линий, снабженных стрелками. Вторая текучая среда протекает через промежуточный канал 9 в кольцевое пространство 66 и течет вместе с ним через вторую часть канала 632 разгрузочного канала 63 к стороне 64 низкого давления. Оттуда просачивающийся поток Q обычно отводится вместе со второй текучей средой через обратный канал 8.
Понятно, что описанные в этой связи четыре варианта и/или упомянутые меры могут быть скомбинированы друг с другом произвольным образом.
Фиг. 10 представляет собой иллюстрацию, аналогичную фиг. 2, на которой показан второй вариант осуществления насоса 1 согласно настоящему изобретению. Далее ссылка будут сделана только на отличия от первого варианта осуществления настоящего изобретения. Ссылочные позиции имеют то же самое значение, которое было уже объяснено в связи с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Объяснения, сделанные в отношении первого варианта осуществления настоящего изобретения и всех его вариантов, являются справедливыми подобным образом или аналогичным образом также для второго варианта осуществления настоящего изобретения.
Что касается второго варианта осуществления насоса 1 согласно настоящему изобретению, то также выполнен второй промежуточный канал 9', который подобным образом открывается в разгрузочный канал 63 между стороной 65 высокого давления и стороной 64 низкого давления. Дополнительный блокирующий элемент 10' выполнен для этого второго промежуточного канала 9', посредством которого можно воздействовать на просачивающийся поток Q во втором промежуточном канале 9'. В частности, второй промежуточный канал 9' может быть заблокирован посредством дополнительного блокирующего элемента 10', так что через него никакой просачивающийся поток Q не может протекать, при этом второй промежуточный канал 9' может быть соединен с входом 3 насоса 1 путем сообщения по потоку посредством дополнительного блокирующего элемента 10', так что просачивающийся поток Q может вытекать к входу насоса 1 через второй промежуточный канал 9'.
Кроме того, разгрузочный канал 63 имеет второе кольцевое пространство 66', которое окружает вал и в которое открывается второй промежуточный канал 9'.
Что касается этой конструкции с двумя промежуточными каналами 9,9' разгрузочный канал 63, с точки зрения технологии потока, соответствует последовательностям соединения трех частей каналов, а именно первой части канала 631 осевой длины L1, которая продолжается от стороны 65 высокого давления до начала кольцевого пространства 66, второй части канала 632 осевой длины L2, которая продолжается от конца кольцевого пространства 66 к началу второго кольцевого пространства 66', и третьей части канала 633 осевой длины L3, которая продолжается от конца второго кольцевого пространства 66' к стороне 64 низкого давления ротора 61.
Соответствующая ширина В частей каналов 631,632,633 только обозначена позицией В в целом на фиг. 10 по причинам ясности. Понятно, что аналогично первому варианту осуществления настоящего изобретения каждая часть канала 631,632, 633 может иметь разную ширину в радиальном направлении или же одна и та же ширина выбрана в радиальном направлении для двух из частей каналов, а для оставшейся части канала 631 или 632 или 633 выбирают ширину, отличающуюся от предыдущей. Естественно, что одна и та же ширина В может быть выбрана в радиальном направлении для всех трех частей каналов 631,632,633. Внутри части канала ширина В является предпочтительно постоянной, но однако также может изменяться.
С такой конструкцией все из трех разгрузочных каналов различной длины могут быть выполнены в рабочем состоянии. Если один теперь позволяет просачивающемуся потоку Q вытекать через обратный канал 8, тогда фактическая длина разгрузочного канала 63 в осевом направлении представляет собой L1+L2+L3, при этом эта фактическая длина обычно меньше, чем вся полная длина L.
Если позволяют просачивающемуся потоку Q вытекать через второй промежуточный канал 9', как проиллюстрировано на фиг. 10, тогда фактическая длина разгрузочного канала 63 в осевом направлении составляет L1+L2.
Если теперь позволяют просачивающемуся потоку Q вытекать через первый промежуточный канал 9, тогда фактическая длина разгрузочного канала 63 составляет только L1.
Таким образом, может быть также выполнено множество разгрузочных каналов 63, которые все имеют разную длину в осевом направлении и кроме того могут иметь разную ширину В в радиальном направлении.
Естественно также в этом примере промежуточный канал 9,9' или обратный канал 8 могут быть использованы для подачи второй текучей среды.
Понятно, что может быть выполнено также больше, чем два промежуточных канала 9,9', которые соответственно открываются в разгрузочный канал 63 аналогичным образом.
Что касается насоса 1 согласно настоящему изобретению также можно составить ротор 61 и/или статор 62 из множества частей. Таким образом, нет необходимости, чтобы ротор 61 или статор 62 были выполнены из цельной конструкции. Кроме того, можно спроектировать ротор 61 или статор 62 таким образом, что разгрузочный зазор 63 также не будет иметь постоянной ширины В1, В2, В вне кольцевого пространства 66,66', но скорее сужаться или расширяться, если смотреть, например, в осевом направлении. Кроме того, можно покрыть или структуризировать поверхность кожуха ротора 61 или внутреннюю поверхность кожуха статора 62. Кроме того, можно выполнить один или более вихревой тормоз на стороне 65 высокого давления в области входа в разгрузочный канал 63 и/или в разгрузочные каналы 63, например, на входах в соответствующие части каналов 631,632,633 посредством которых потоки текучей среды могут быть отклонены в направлении по окружности вокруг вала 5 в осевом направлении.
Блокирующий элемент 10,10' и второй блокирующий элемент 12 могут быть просектированы как регулирующие клапаны, с помощью которых поток через соответствующий канал либо полностью вытекает, либо полностью блокируется. Однако, также возможно, что блокирующий элемент 10, 10' или второй блокирующий элемент 12 спроектированы как регулируемый распределительный клапан, посредством которого может быть отрегулирован поток в соответствующий канал для произвольного значения между нулем и максимальным значением.
Блокирующий элемент 10, 10' или второй блокирующий элемент 12, или переключающий элемент 13 могут быть спроектированы таким образом, что они могут управляться с помощью удаленного доступа, например, что касается подводных применений с помощью сигнального трубопровода, через который предпочтительно проводится электрический или гидравлический сигнал, который переключает и/или регулирует соответствующий блокирующий элемент или переключающий элемент в соответствующее требуемое состояние. Возможность удаленного управления также может быть спроектирована без сигнальных проводов.
Естественно, что возможны подобные конструкции блокирующих элементов 10,10',12 или переключающих элементов 13, в которых соответствующий элемент 10,10',12 и/или 13 приводится в действие ручным образом, то есть рукой. Что касается подводных применений, такая ручная настройка также может быть осуществлена с помощью погружаемых роботов.
1. Насос для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью, который имеет корпус (2) с входом (3) и выходом (4) для текучей среды, которая подлежит транспортировке, а также по меньшей мере одно лопастное колесо (7) для перемещения текучей среды от входа (3) к выходу (4), причем лопастное колесо размещено на вращающемся валу (5), а также балансировочный барабан (6) для снятия осевого давления, причем балансировочный барабан (6) содержит ротор (61), жестко соединенный с возможностью вращения с валом (5), причем ротор имеет сторону (65) высокого давления и сторону (64) низкого давления, статор (62), неподвижный по отношению к корпусу, и разгрузочный канал (63), который проходит между ротором (61) и статором (62) от стороны (65) высокого давления к стороне (64) низкого давления ротора (61), при этом дополнительно выполнен возвратный канал (8), который соединяет сторону (64) низкого давления ротора (61) с входом (3), отличающийся тем, что выполнен по меньшей мере один промежуточный канал (9, 9'), который открывается в разгрузочный канал (63) между стороной (65) высокого давления и стороной (64) низкого давления ротора (61), при этом выполнен блокирующий элемент (10, 10') для воздействия на поток через промежуточный канал (9, 9').
2. Насос по п.1, в котором разгрузочный канал (63) содержит кольцевое пространство (66, 66'), которое окружает вал (5) и в которое открывается промежуточный канал (9, 9').
3. Насос по п.1 или 2, в котором разгрузочный канал (63) имеет постоянную ширину (В1, В2, В) в радиальном направлении вне кольцевого пространства (9, 9') в первой части канала (61) разгрузочного канала (63) или во второй части канала (62) разгрузочного канала (63).
4. Насос по п.1 или 2, в котором промежуточный канал (9) соединен с входом (3).
5. Насос по п.1 или 2, в котором промежуточный канал (9) открывается в обратный канал (8).
6. Насос по п.1 или 2, в котором блокирующий элемент (10) выполнен в виде регулируемого расходного клапана.
7. Насос по п.1 или 2, в котором второй блокирующий элемент (12) выполнен для воздействия на поток через обратный канал (8).
8. Насос по п.1 или 2, в котором блокирующий элемент (10) выполнен в виде трехходового клапана, который соединен с входом (3), с обратным каналом (8) и с промежуточным каналом (9) путем сообщения по потоку.
9. Насос по п.1 или 2, в котором выполнен переключающий элемент (13), посредством которого обратный канал (8) имеет возможность избирательного соединения с входом (3) насоса (1) или с источником (15) для второй текучей среды, так что вторая текучая среда может быть подана к стороне (64) низкого давления ротора (61) через обратный канал (8).
10. Насос по п.1 или 2, в котором блокирующий элемент (10) размещен и выполнен так, что промежуточный канал (9) может быть соединен с источником (16) для второй текучей среды так, что вторая текучая среда может быть введена в разгрузочный канал (63) через промежуточный канал (9).
11. Насос по п.1 или 2, в котором выполнено множество промежуточных каналов (9, 9'), каждый из которых открывается в разгрузочный канал (63) между стороной (65) высокого давления и стороной (64) низкого давления.
12. Насос по п.1 или 2, в котором блокирующий элемент (10, 10') или второй блокирующий элемент (12) или переключающий элемент (13) выполнен с возможностью управления посредством удаленного доступа.
13. Насос по п.1 или 2, выполненный в виде многоступенчатого насоса, который имеет по меньшей мере одно второе лопастное колесо (7), размещенное на валу, для перемещения текучей среды.
14. Насос по п.1 или 2, выполненный в виде многофазного насоса.
15. Насос по п.1 или 2, выполненный в виде центробежного насоса для транспортировки нефти и газа, в частности в виде подводного насоса для подводной транспортировки нефти и газа.
