建设性地使用往复式压缩机设施中压力脉动的方法和装置

摘要

本发明涉及建设性地使用往复式压缩机设施中压力脉动的方法和装置。提供一种建设性地使用压力脉冲来提高往复式压缩机的容积效率的装备和方法。该装备包括气体循环装置和控制器。气体循环装置提供路径，气体通过该路径在往复式压缩机和容积瓶之间循环，容积瓶在往复式压缩机与设施之间进行缓冲。气体循环装置构造成必须具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。控制器构造成控制切换位于往复式压缩机和气体循环装置之间的阀的时机，以便建设性地使用在气体循环装置中出现的压力脉动来提高往复式压缩机的容积效率。

说明书

技术领域

本文公开主题的实施例大体涉及在油气行业中使用往复式压缩机的设施，并且更具体而言，涉及建设性地使用压力脉动来提高压缩机的容积效率，即，实现脉冲增压效应。

背景技术

在油气行业中使用压缩机必须满足行业具体要求，这考虑了例如压缩气体常常有腐蚀性且可燃的。美国石油协会(API)(对用于油气行业中的装备设定公认的行业标准的机构)已经发布了文件API618，其列出了关于往复式压缩机的完整的一套最低要求。

压缩机可分类成正排量压缩机(例如，往复式压缩机、螺杆式压缩机或导叶压缩机)和动态压缩机(例如，离心压缩机或轴向压缩机)。在正排量压缩机中，通过截留气体，并且然后减小其中截留气体的容积来实现压缩。在动态压缩机中，通过在压缩机的内部的预先确定的位置处将(例如，旋转元件的)动能转换成压力能来实现压缩。

理想的压缩循环(在图1中通过跟踪压力-容积的发展以曲线图的方式示出)包括至少四个阶段：膨胀、吸入、压缩和排出。当压缩流体在压缩循环结束时从压缩室中排出时，处于输送压力P₁的少量流体仍然被截留在清空容积V₁(即，压缩室的最小容积)中。在压缩循环的膨胀阶段1和吸入阶段2期间，活塞运动，以增大压缩室的容积。在膨胀阶段1开始时，输送阀关闭(吸入阀保持关闭)，并且然后，截留流体的压力降低，因为可用于流体的压缩室的容积增大。当压缩室的内部的压力变成等于吸入压力P₂时，压缩循环的吸入阶段开始，从而触发吸入阀在容积V₂下打开。在吸入阶段2期间，压缩室容积和待压缩的流体的量(处于压力P₂)增加，直到达到压缩室的最大容积V₃。

在压缩循环的压缩和排出阶段期间，活塞沿与在膨胀和吸入阶段期间的运动方向相反的方向运动，以减小压缩室的容积。在压缩阶段3期间，吸入阀和输送阀两者关闭(即流体不进入或离开缸体)，在压缩室中的流体的压力增大(从吸入压力P₂到输送压力P₁)，因为压缩室的容积减小到V₄。当压缩室的内部的压力变成等于输送压力P₁时，压缩循环的输送阶段4开始，从而触发输送阀打开。在输送阶段4期间，处于输送压力P₂的流体从压缩室中排出，直到达到压缩室的最小(清空)容积V₁。

压缩机的效率的一个度量是容积效率，容积效率是在吸入阶段V₃-V₂期间被往复式压缩机的活塞扫过的压缩室的容积与在压缩循环期间被活塞扫过的总容积V₃-V₁的比。

在往复式压缩机的外部发生压力脉动的现象是由于往复式压缩机的内部的气体流的不连续性质引起的。这些压力脉动可导致振动和疲劳应力大、噪声水平高和压缩机性能降低。API618包括在设计设施(包括往复式压缩机)以(除了别的目的之外)避免压力脉动的破坏作用时必须承担的声学研究的详细要求。为了阻止这些脉动传播到整个设施，容积瓶安装在压缩机的吸入阀之前且在排出阀之后，从而在往复式压缩机与设施的其余部分之间进行缓冲。

例如，图2示出了在往复式压缩机10和设施的其余部分之间的接口的简化模型。这里，用语“接口”表示往复式压缩机10的阀20和设备管30之间的所有构件，气体通过设备管30而被引导到或引导出设施(例如，油气设备)的其余部分。往复式压缩机10具有活塞40，并且通过管50连接到容积瓶60上。然后容积瓶60通过设备管30连接到油气设备上。

容积瓶60充有待压缩的气体或压缩气体(这取决于容积瓶是位于吸入阀之前或排出阀之后，或者往复式压缩机10是否具有高声阻抗)，并且用作脉动的反射器，从而允许仅少部分传输向设备管30。

由往复式压缩机10产生的压力脉动的频率是往复式压缩机中的压缩过程的频率。当管30的固有频率f等于由往复式压缩机产生的压力脉动的频率时，发生共振。管50的固有频率f取决于声音在气体中的速度c和管50的长度L。在一次近似中，在这些量之间存在以下关系：f=c/(2L)。如果固定压力波沿着管50形成，则可采用节流口(即，管局部变窄)来降低固定压力波的幅度。

因而，传统上，压力脉动(由于往复式压缩机中的气体流的不连续性质而固有地出现)被消散，即不被使用。

提供建设性地使用压力脉动来提高往复式压缩机的效率的方法和装置(其设置在包括往复式压缩机的油气设施中或在其中执行)将是合乎需要的。

发明内容

一些实施例具有促动阀和气体循环装置，气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。促动阀，以(诸如)建设性地使用固有压力脉动来提高压缩机的容积效率。使用压力脉冲来提高效率的这种方式被称为脉冲增压效应。

根据一个示例性实施例，一种装备包括气体循环装置和控制器。气体循环装置提供路径，气体(待压缩或在被压缩之后)通过该路径在往复式压缩机和容积瓶之间循环，容积瓶对往复式压缩机与油气设备的气体流连接进行缓冲。气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。控制器构造成控制切换位于往复式压缩机和气体循环装置之间的阀的时机，以便建设性地使用在气体循环装置中出现的压力脉动来提高往复式压缩机的容积效率。

根据另一个示例性实施例，提供一种使用脉冲增压效应来提高往复式压缩机的容积效率的方法。该方法包括在往复式压缩机的阀和容积瓶之间设置气体循环装置，容积瓶在往复式压缩机与油气设备之间进行缓冲，气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。该方法进一步包括控制促动阀的时机，以建设性地使用在气体循环装置中固有地出现的压力脉冲来提高往复式压缩机的容积效率。

根据另一个示例性实施例，提供一种改进往复式压缩机设施的方法。设施的往复式压缩机用容积瓶在其输出或输入与设施的其余部分之间进行缓冲。改进往复式压缩机设施，以使用往复式压缩机的脉冲增压效应来提高其容积效率。该方法包括通过将至少一个声学共振器添加到气体循环装置的管上，来改良将往复式压缩机的输出或输入连接到容积瓶上的气体循环装置，以使气体循环装置具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。该方法进一步包括将往复式压缩机和气体循环装置之间的阀连接到控制器上，控制器构造成控制促动阀的时机，以便建设性地使用在气体循环装置中出现的压力脉动来提高往复式压缩机的容积效率。

附图说明

结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起阐明这些实施例。在图中：

图1是示出理想的压缩循环的压力-容积曲线图；

图2是在往复式压缩机和油气设备之间的传统接口的示意图；

图3是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图4是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图5是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图6是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图7是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图8是根据示例性实施例的、在往复式压缩机和油气设备之间的接口的示意图；

图9是根据示例性实施例的、使用在往复式压缩机的运行期间固有地产生的脉动来提高压缩机的效率的方法的流程图；以及

图10是根据示例性实施例的、用于改进往复式压缩机设施的方法的流程图。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述参照了附图。不同图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单，关于在油气设备(即，设施或装备)中使用的往复式压缩机的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来论述的实施例不限于此系统，而是可应用于其它类似的技术情形。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参照意味着与实施例结合起来描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书的各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必参照同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。

在下面描述的一些实施例中，气体循环装置提供路径，气体(待压缩或在被压缩之后的)通过该路径在往复式压缩机(即，其压缩室)和容积瓶之间循环。气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。此外，控制位于压缩室和气体循环装置之间的阀，以使阀相对于气体循环装置中的阀附近的压力脉动的相打开，使得提高压缩机的效率。

如果认为阀是吸入阀，则在阀打开时在吸入阀附近的气体循环装置中的增大的压力会使较大量的气体进入待压缩的压缩室的容积。在图1中用虚线示出在较高的压力P₂+Δp下进行的吸入，其中，Δp是由脉冲增压效应引起的。由于对应于虚线与表示膨胀阶段1的线的交点的容积V₂’ 小于V₂，所以容积效率提高，因为限定容积效率的比的分子增加V₃- V₂‘>V₃- V₂。

实际上，Δp不是压力的恒定偏移量，因为它随时间在最大正值和最大负值之间改变。控制器可确定阀20的打开力矩，以在阀打开时具有最大压力Δp (增加或减去)，或者在吸入阶段期间(在吸入阶段结束时)实现比吸入压力更高的总压力。

图3是根据示例性实施例的、在往复式压缩机10和容积瓶60之间的接口100(即，装备)的示意图，容积瓶60对油气设备提供气体容积缓冲。容积瓶60中的大量气体阻止或显著阻尼在往复式压缩机10的外部的气体中由于往复式压缩机10(即，由于脉冲增压效应)中的通量变化而出现的压力脉冲。接口100包括气体循环装置和控制器110。气体循环装置提供路径，气体(待压缩或在被压缩之后)通过该路径在往复式压缩机10和容积瓶50之间循环。气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。气体循环装置包括管130和具有大于管的面积的面积的顺列式共振器140。顺列式共振器140沿着管130的确切位置不会影响气体循环装置的声学特性。

控制器110控制促动阀120的促动器(未显示)。也就是说，控制器110相对于阀附近的压力脉冲(由于脉冲增压效应引起)的相来控制促动阀120的时机，使得使用压力脉冲来提高压缩机的容积效率。如果阀120是吸入阀，则控制器110控制促动阀120的时机，以在阀120打开时(即，在压缩循环的吸入阶段期间)，对吸入压力添加最大压力值Δp。

在图4中示出的另一个示例性实施例中，除了顺列式共振器140之外，接口101的气体循环装置包括侧支共振器150。可选地，侧支共振器150可通过共振器阀160连接到顺列式共振器140上。可切换共振器阀160，以将侧支共振器150连接到管130上，或者使侧支共振器150与管130断开，这取决于气体的组成(该组成影响声音在气体中的速度，并且因此影响气体循环装置的共振频率)。控制器110可控制共振器阀160。

在图5中示出的另一个示例性实施例中，接口102的气体循环装置包括侧支管170，而非顺列式共振器140。可选地，侧支管170可通过共振器阀180连接到管130上。可切换共振器阀180，以将侧支管170连接到管130上，或者使侧支管170与管130断开，例如，这取决于气体的组成(该组成影响声音在气体中的速度，并且因此影响气体循环装置的共振频率)。控制器110可控制共振器阀180。

备选地，在图6中示出的另一个示例性实施例中，接口103的气体循环装置包括附连到管130上的侧支共振器200。可选地，侧支共振器200可通过共振器阀210连接到管130上。可切换共振器阀210，以将侧支共振器200连接到管130上，或者使侧支共振器200与管130断开，例如，这取决于气体的组成(该组成影响声音在气体中的速度，并且因此，影响气体循环装置的共振频率)。控制器110可控制共振器阀210。

在图7中示出的另一个实施例中，接口104的气体循环装置包括连接到侧支共振器200上的附加侧支共振器220。可选地，侧支共振器200和/或附加侧支共振器220可分别通过共振器阀210和230分别连接到管130和侧支共振器200上。可切换共振器阀210和230，以分别连接或断开侧支共振器200和附加侧支共振器220，这取决于气体的组成(这会影响声音在气体中的速度，并且因此，影响气体循环装置的共振频率)。控制器110可控制共振器阀210和/或230。

在图8中示出的另一个实施例中，接口105的气体循环装置具有通过二次管240连接到容积瓶上的侧支共振器200。取决于气体的组成来切换位于二次管240上的共振器阀250。

在图3-8中示出的各种实施例和其它等效实施例中，执行使用由于运行往复式压缩机而在往复式压缩机外部固有地产生的脉动来提高压缩机的容积效率的方法300。如图9中示出的那样，方法300包括：在S310处，在往复式压缩机的阀和容积瓶之间设置气体循环装置，容积瓶在往复式压缩机与油气设备之间进行缓冲，气体循环装置构造成具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。方法300进一步包括：在320处，控制促动阀的时机，以使用由于脉冲增压效应而在气体循环装置中固有地出现的压力脉冲来提高往复式压缩机的容积效率。

在一个实施例中，提供方法300的S310可包括将侧支共振器或侧支管添加到将阀连接到容积瓶上的管。在另一个实施例中，提供方法300的S310可包括切换将声学共振器连接到管(其将阀连接到容积瓶上)上的一个或多个共振器阀。

可改进现有的往复式压缩机设施，以使其能够使用在往复式压缩机的运行期间固有地产生的脉动来提高压缩机的效率。图10是根据示例性实施例的、用于改进往复式压缩机设施的方法400的流程图。方法400包括：在S410处，通过将至少一个声学共振器添加到气体循环装置的管上，来改良将往复式压缩机的输出或输入连接到容积瓶上的气体循环装置，以使气体循环装置具有基本等于在往复式压缩机中执行压缩循环的频率的共振频率。方法400进一步包括：在S420处，将往复式压缩机和气体循环装置之间的阀连接到控制器上，控制器构造成控制促动阀的时机，以便使用由于往复式压缩机的脉冲增压效应而在气体循环装置中出现的压力脉动来提高往复式压缩机的容积效率。

在方法400的一个实施例中，至少一个声学共振器可包括顺列式声学共振器、侧支声学共振器或侧支管。在另一个实施例中，方法400可进一步包括通过共振器阀将至少一个声学共振器连接到装备上。

公开的示例性实施例提供用于建设性地使用由于流变化而在往复式压缩机周围出现的压力脉冲(即，脉冲增压效应)来提高压缩机的容积效率的装备(装置)和方法。应当理解，这个描述不意于限制本发明。相反，示例性实施例意于覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改和等效物。另外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对声明的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。

虽然在实施例中以特定的组合描述了目前的示例性实施例的特征和要素，但各个特征或要素可在没有实施例的其它特征和要素的情况下单独使用，或者在有或没有本文公开的其它特征和要素的情况下以各种组合的方式使用。

本书面描述使用公开的主题的示例来使本领域任何技术人员能够实践公开的主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例意于处在权利要求的范围之内。