用于管理螺杆泵系统内的流体流的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201080030272.6 | 申请日 | 2010-03-11 | 公开(公告)号 | CN102803731B | 公开(公告)日 | 2015-11-25 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | V·科特努尔; D·D·安德森; F·哈斯里普尔; M·V·德雷克塞尔; T·斯蒂恩; H·V·德奥; | ||||
| 摘要 | 在一种 泵 系统中，在入口压 力 下将工艺 流体 引入 泵壳 体的入口室，并旋转设置在泵壳体内的多个 转子 从而将工艺流体从入口室泵送至位于入口室之间的 出口室 ，其中出口室中的工艺流体处于出口压力下。工艺流体被从出口室引向分离器，分离器构造成从工艺流体分离颗粒物质，并且一部分分离的工艺流体被从分离器引向泵的 齿轮 室。用来自 齿轮室 的该部分分离的工艺流体润滑泵 轴承 。来自泵轴承的该部分分离的工艺流体的其中一些经由转子护罩 泄漏 至入口室，以减少入口室中颗粒物质的积聚。公开了一种泵系统和一种用于操作泵系统的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种泵系统，包括： |
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| 说明书全文 | 用于管理螺杆泵系统内的流体流的方法和装置技术领域背景技术[0002] 螺杆泵是使用两个或更多螺杆来沿着轴传输高速或低速流体或流体混合物的旋转容积泵。在一个实施例中，双螺杆泵可具有两个啮合反向旋转的转子螺杆。相互啮合的螺杆与衬里或壳体之间的体积或空腔将特定体积的流体沿轴向方向围绕螺杆的螺纹输送。随着螺杆旋转，流体体积被从泵的入口输送至出口。在一些应用中，双螺杆泵用于协助从陆上和海底钻井提取油和气。双螺杆泵降低储层(reservoir)上的背压并从而使得能够从储层获得更大的总回收量。 [0003] 在许多情况下，双螺杆泵可用来从海底钻井泵送多相流体，该流体可进行处理以生产石油产品。因此，双螺杆泵可构造成阻止工艺流体的流进入轴承、定时齿轮、马达、环境等。尤其是，双螺杆泵在各转子的每个端部上都可采用轴密封件，从而总共需要四个密封件。轴密封件还典型地需要使用润滑冲洗系统，其维持密封系统的摩擦表面清洁，并从密封表面去除热量。 [0004] 此外，在该示例中用于润滑双螺杆泵系统的各种零件(包括联接到转子螺杆上的轴承)的系统可能需要附加部件和维护。此单独的润滑系统给螺杆泵系统增加了成本和维护。发明内容 [0005] 根据本发明的某些方面，泵系统包括入口室、出口室以及设置在入口室和出口室内的多个转子，以便将多相工艺流体从入口室泵送至 出口室。泵轴承邻近各入口室设置。在各入口室中邻近相应的轴承在各转子周围设置护罩。齿轮室构造成接收一部分多相工艺流体并使该部分多相工艺流体循环通过泵轴承以润滑泵轴承。护罩构造成允许该部分多相工艺流体中的一些通过泵轴承泄漏，从而减少入口室中颗粒物质的积聚。 [0006] 本发明还提供了用于操作泵系统的方法，包括在入口压力下将工艺流体引入泵壳体的入口室，并旋转设置在泵壳体内的多个转子从而将工艺流体从入口室泵送至位于入口室之间的出口室，其中出口室中的工艺流体处于出口压力下。工艺流体被从出口室引向分离器，分离器构造成从工艺流体分离颗粒物质，并且一部分分离的工艺流体被从分离器引向泵的齿轮室。用来自齿轮室的该部分分离的工艺流体润滑泵轴承。来自泵轴承的该部分分离的工艺流体的其中一些经由转子护罩泄漏至入口室，以减少入口室中颗粒物质的积聚。附图说明 [0007] 当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相似的标号代表相似的部件，其中： [0008] 图1是螺杆泵系统和根据本技术的一个实施例的生产平台的示意性表示； [0009] 图2是如图1中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统的透视图，包括分离器； [0010] 图3是如图2中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统的示意图，包括用于分离并引导遍及螺杆泵组件的工艺流体的系统； [0011] 图4是如图1中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统的详细透视图； [0012] 图5是如图4中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统的详细分解图； [0013] 图6是根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统内的部件的详细侧视图，包括转子螺杆、齿轮以及转子护罩； [0014] 图7是如图6中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统内的某些部件的详细透视图； [0015] 图8是根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统内的转子护罩的详细端视图； [0016] 图9是如图8中所示的根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统内的转子护罩的详细侧视图； [0017] 图10和11是根据本技术的一个实施例的螺杆泵系统的示意性图示，包括当多相工艺流体进入螺杆泵的入口室时使多相工艺流体旋转的构造，以防止颗粒的沉淀。 具体实施方式[0018] 图1是可设有生产平台12以便泵送用于处理、存储和/或输送的流体的螺杆泵系统10的示意性图示。如图所示，螺杆泵系统10可经由导管或立管14连接到生产平台12上，该导管或立管14可用于将工艺流体导引至平台。工艺流体可为多相流体，诸如来自海底钻机的基于原油的流体。此外，螺杆泵系统10可定位在海底或洋底16上，其中该螺杆泵系统10将工艺流体泵送至在洋面18上漂浮或锚定到海底的生产平台。如图所示，螺杆泵系统10可定位于距生产平台12的距离20处，其中该泵用于产生将工艺流体泵送至表面18所需的压力和作用力。在另一个实施例中，螺杆泵系统10可定位在工厂或化学厂中，并且可构造成将多相工艺流体引导至保持罐或用于处理或存储的其它结构。在图示示例中，螺杆泵系统10在从海底钻井提取油和/或气期间会是有用的，用来降低背压并协助油和/或气的提取。在所绘实施例中，螺杆泵系统10使用两根相互啮合的螺杆以泵送工艺流体。在该示例中，螺杆泵可称为双螺杆泵。 [0019] 螺杆泵系统10包括可要求润滑并且由于暴露于工艺流体内的颗 粒物质而易于磨损和撕裂的若干部件。具体地，螺杆泵系统10内的螺杆可联接到需要润滑以便正确工作并避免损坏的轴承上。此外，在一些实施例中，润滑系统可需要单独的一套部件和润滑剂以便正确地润滑泵。如图所示，泵轴承的润滑可通过将多相工艺流体导引通过导管的回路以及用于从该工艺流体分离颗粒的系统而达成。在对工艺流体进行处理、导引并引向螺杆泵系统10内的位置，以使得其适合用于泵部件的润滑之后，工艺流体可润滑螺杆泵系统10内的部件。此外，如果颗粒被允许在某些位置沉淀，位于由螺杆泵系统10泵送的多相工艺流体中的颗粒可导致对螺杆泵系统10内的部件的损坏。因此，如下所述，实施例包括可用于研磨颗粒物质以将其压碎的齿轮，从而减小工艺流体内颗粒物质的尺寸，因而使得其适合于螺杆泵系统10内的部件和转子的润滑。 [0020] 图2是螺杆泵系统10的一个实施例的详细透视图。如图所示，螺杆泵系统10包括双螺杆泵22，其包括用于将高压下的工艺流体引导至下游位置的两根螺杆或转子。在其它实施例中，螺杆泵22可包括相互啮合以泵送工艺流体的多于两根螺杆。其中一根螺杆可联接到驱动轴24上，驱动轴24可联接到马达26上。马达26和驱动轴24产生用于驱动驱动转子的旋转输出，驱动转子经由齿轮联接到受驱转子上并驱动受驱转子，从而产生所需的压力和作用力以向下游引导工艺流体。诸如基于石油的多相流体的工艺流体可经由流体进口28进入双螺杆泵22。通过旋转转子螺杆的啮合螺纹，工艺流体经由流体出口30从双螺杆泵22被驱动。流体输出可被引向导管并从而引向分离器32。分离器32可构造成从该多相工艺流体去除一部分颗粒。此外，分离器32也可构造成减少多相工艺流体的气体含量，从而增加工艺流体的液体部分。备选地，分离器32可构造成去除工艺流体的液体部分以经由导管34向下游引导工艺流体的气体部分。如图所示，导管34可导引至下游装置或单元，诸如生产平台12或另一处理单元。分离器32可构造成经由导管34向下游引导分离的工艺流体的一部 分，同时向导管36引导分离的工艺流体的另一部分，导管36可用于使分离的多相工艺流体再循环。 [0021] 在所绘的实施例中，被引导通过导管36的分离的多相工艺流体可与来自螺杆泵系统10的端室经由导管38引导的工艺流体汇合。如图所示，来自导管36和38的流经由接头39的汇合可被导向室40用于处理。例如，室40可用于冷却要经由导管42被导向双螺杆泵22的端室的循环润滑流。如图所绘，经由导管36引导的分离的工艺流体的一部分的再循环流与经由导管38引导的流一起使用，以便遍及螺杆泵系统10再循环工艺流体，从而润滑该系统内的部件并减少工艺流体内的颗粒。如以下详细描述的，导管和流体回路可用于减少工艺流体内颗粒的沉积，从而减少停机时间和螺杆泵系统10部件的磨损。此外，导管44可用于在双螺杆泵22的端室之间循环工艺流体，其中导管44引导分离的多相工艺流体以润滑泵轴承，从而确保双螺杆泵22的平滑操作。 [0022] 图3是包括导管的螺杆泵系统10的示意性图示，导管用于螺杆泵系统10的部分之间的流体连通。具体而言，螺杆泵系统10内的导管和室的构造、流量、压力、处理以及定向使得该系统能够由工艺流体润滑，同时减少工艺流体内的颗粒或污染物以便改善泵送操作。如图所示，双螺杆泵22包括将工艺流体流45引向入口室46和48的流体进口28。入口室46和48构造成接收工艺流体并被刚性结构或壁(诸如隔板分离器50和52)包围。此外，出口室54定位在入口室46和48之间。出口室54由隔板50和52从入口室46和48分开，这使得能够管理各个室内及之间的压力。出口室54可构造成当工艺流体流出流55被引向分离器32时通过流体出口30引出多相工艺流体。此外，入口室46和48还可由诸如上径向轴承凸缘56以及下径向轴承凸缘58的障碍物围绕。 [0023] 包括轴承凸缘56和58在内的障碍物以及隔板50和52使得入口室46和48能够与邻近的出口以及端室分开，从而使得能够进行流体 流量以及压力管理。如图所绘，可将上端室60联接到上径向轴承凸缘56上。类似地，将下端室62联接到下径向轴承凸缘58上。端室60和62可各自包含泵轴承，以使得双螺杆泵22内的螺杆能够平滑旋转。泵轴承由再循环的工艺流体以及泵系统10的管道润滑。例如，上端室60可包括第一组泵轴承，其中各轴承均联接到各转子螺杆的上端上。此外，下端室62可包含联接到转子螺杆的下端上的第二组泵轴承。轴承可为利于轴旋转的任何合适的轴承，诸如轴颈轴承。例如，轴颈轴承可支撑转子轴，此处也称为轴颈的轴可在轴承中旋转，且一层油或润滑剂通过流体动力效应分开两个零件。在一个示例中，用于轴颈轴承的润滑剂可为具有减少的颗粒物质的工艺流体。 [0024] 下端室62还可包括一对齿轮，其中各齿轮均联接到转子的端部上。齿轮将力和功率从驱动转子传递至受驱转子，并可称为定时齿轮。如以下将详细描述的，齿轮可用于在工艺流体流经齿轮时压碎工艺流体内的颗粒，从而使得工艺流体能够适于泵轴承的润滑。在压碎工艺流体内的颗粒后，可导引工艺流体以润滑端室60和62内的泵轴承。因此，齿轮不仅用于传递转子之间的机械能，还用于泵送润滑流体，并将流体中的任何颗粒研磨至对于润滑以及避免磨损而言可接受的尺寸。例如，分离的多相工艺流体可流入接头39，其中导管38中的流与分离的多相工艺流体汇合以形成进入下端室62的组合流42。在流入下端室62时，工艺流体的完整部分可流过构造成压碎颗粒的齿轮，从而减小工艺流体内的颗粒尺寸。 在压碎颗粒后，可导引多相工艺流体以润滑下端室62内的泵轴承。此外，包括压碎的颗粒的工艺流体也可经由导管44导引至上端室60，其中该工艺流体被引向位于上端室60内的泵轴承。当流体贯穿上端室60循环时，可经由导管38引导一部分工艺流体与来自导管36的分离的多相工艺流体汇合。因此，来自导管36和38的流的汇合可被认为是流体流通回路内的弥补流或再循环流。 [0025] 此外，入口室46和48之间的障碍物可构造成使得能够进行泄漏 64和66，其中工艺流体可配置成从端室60和62泄漏到入口室46和48中。具体地，泄漏64和66是用来润滑泵轴承的分离的多相工艺流体部分的其中一些，且因此可包括与进入入口室45的工艺流体流相比减小尺寸的颗粒。因此，障碍物中的泄漏64和66可使得具有减小颗粒浓度和尺寸的工艺流体能够改善入口室46和48以及转子螺杆内和到出口室54的流动。例如，包括减少的颗粒的工艺流体可通过与进入入口的增加颗粒的流体45混合并稀释该流体而激起或减少工艺流体的进入流45内的颗粒沉淀。备选地，在没有泄漏64和66的构造中，工艺流体的进入流45可包括可在入口室46和48内沉淀的大量颗粒，从而削弱入口室46和48以及出口室54之间的流体流量。此外，入口室内颗粒的沉淀和/或累积可造成损坏或需要螺杆泵系统10内的维护。如将会理解的，其中可使用螺杆泵的工业环境强调了对于最小停机时间以及维护的需要。因此，经由泄漏64和66的减少颗粒以及颗粒尺寸工艺流体的泄漏改善了贯穿双螺杆泵22的流体流，同时减少了维护。此外，经由进入下端室62的组合流42的工艺流体的弥补或补偿可使得流体的稳定流或补偿能够解决流体管路内的泄漏64和66。 [0026] 螺杆泵系统10还可包括构造成从分离器32到端室62的流体流径的一部分的减压器68。如图所示，减压器68可联接分离器32，其中减压器68使得能够在流体沿导管36和42流入端室62时减小压力。此外，对双螺杆泵22内的压力进行管理以控制导管内的流体流。例如，出口室54内的压力P1可比入口室46和48内的压力P2小得多。从P2到P1的压力升高由双螺杆的泵送作用导致。此外，端室60和62内的压力P3可比入口室46和48内的压力P2稍大。P3和P2之间的压力差可造成泄漏64和66。压力P1可比压力P3大得多，导致对位于流体流管路内的分离器32和端室60以及62之间的减压器68的需要。减压器68可为任何合适的类型，诸如再循环阀、固定几何形状孔板等等。 [0027] 图4是双螺杆泵22的一个实施例的详细透视图。在该实施例中，双螺杆泵22包括上端室60和下端室62。驱动转子轴24构造成进入上端室60以驱动该螺杆转子。此外，上端室60联接到上径向轴承凸缘56上。类似地，将下端室62联接到下径向轴承凸缘58上。轴承凸缘56和58各自联接到中心泵壳体盖70上，该壳体盖70可包含入口室46和48，以及出口室54。入口室46和48可联接到流体入口28上，流体入口28导引来自海底钻井或其它流体供应单元的多相工艺流体。如以下将详细讨论的，流体入口28相对于圆柱形中心泵壳体70切向地定位。因此，流体入口28使工艺流体进入旋动，从而搅拌并混合工艺流体内的颗粒，以防止颗粒在入口室46和48中沉淀并累积。流体出口30被联接到出口室54上并构造成将工艺流体引导至分离器32。此外，包括导管36、38、42和44的导管可构造成引导工艺流体贯穿双螺杆泵22，以润滑螺杆泵部件并将多相工艺流体引向下游单元。 [0028] 图5是双螺杆泵22的一个实施例的详细分解视图。如图所绘，双螺杆泵22包含端室58和60，以及中心泵壳体盖70。此外，齿轮72可定位在齿轮外壳74内，齿轮外壳74定位在下端室62内。如之前所讨论的，齿轮72可构造成当工艺流体流过齿轮时研磨颗粒物质以减小颗粒的尺寸。齿轮板76定位在下端室62内并可联接到齿轮外壳74以及下径向轴承凸缘58上。转子护罩78可联接到下径向轴承凸缘58上。转子护罩78可构造成允许转子轴在护罩内旋转并使得能够实现工艺流体从下端室62到入口室的泄漏。转子护罩78可具有带间隙的一定的几何形状，以使得能够实现到入口室64的受控泄漏。如以下将详细讨论的，上部室60也可包括转子护罩以使得能够实现到入口室48的受控泄漏。 [0029] 驱动轴24可联接到构造成驱动受驱转子82的驱动转子80上，其中转子80和82设置在转子护罩78内并且各自联接到齿轮72上。因此，受驱转子82由齿轮72的旋转机械地驱动，该旋转由来自驱动转子80和联接到马达26上的轴24的旋转输出启动。驱动转子80和受驱转子82可称为转子、螺杆、螺纹或它们的组合，它们啮合在一起并且旋转以驱动流体通过泵22。此外，双螺杆泵22包括中心泵壳体盖70内的泵衬里84。泵衬里84可设置在转子80和82周围并且可弯曲以防止泵送过程期间泵衬里84黏合到螺杆上。此外，泵衬里84邻近并联接到隔板50上，隔板50将出口室54与入口室46和48分开。泵衬里84可包括位于入口室46和/或48内的槽86，以使得工艺流体能够流入转子螺纹，从而使得能够进行泵送。此外，转子衬里85还可包括槽88，其使得工艺流体能够流出泵衬里84到达出口室54并通过流体出口30。转子80和82包括通过上径向轴承凸缘56、推力轴承板 90和套环92的轴。上推力轴承板94可联接到推力轴承板90上，从而包围套环92以及转子80和82的端部。因此，推力轴承板90、套环92以及推力轴承板94可在端室60中形成上轴承组，其可由再循环的工艺流体润滑。 [0030] 图6是包括在双螺杆泵22中的部件的实施例的详细侧视图。如图所绘，转子80和82可联接到齿轮72上，齿轮72可位于各转子轴的端部处。齿轮72可构造成相互啮合，从而通过驱动转子80的旋转和机械输出而驱动受驱转子82。此外，齿轮72构造成减少颗粒物质和工艺流体并贯穿双螺杆泵22泵送该工艺流体。当工艺流体被贯穿双螺杆泵22泵送时，工艺流体可通过上转子护罩96以及下转子护罩78泄漏。因此，通过转子护罩78和96泄漏的工艺流体可包括减少的颗粒含量以及尺寸，从而使得泄漏的工艺流体能够旋转并减少入口室46和48内的颗粒沉淀。如之前所讨论的，螺杆泵系统10可构造成引导工艺流体以使得能够润滑包括泵轴承的部件，并使得工艺流体能够通过减小再循环的工艺流体中的颗粒尺寸而增强工艺流体流。此外，包括由导管42引导的流体的再循环的工艺流体可用来补足或弥补进入入口室46和48的工艺流体的泄漏。备选地，可使用其它机构来将工艺流体从端室60和62泄漏到中心泵壳体盖70中。例如，可利用 经由压力差开启的单向阀和/或导管来将工艺流体引导或泄漏至中心泵壳体盖70内的室。因而，进入泵壳体盖70的流体被配置成旋转或搅动进入泵的流体，从而减少颗粒的沉淀。 [0031] 图7是包括在双螺杆泵22中的部件的一个实施例的详细透视图。如图所绘，驱动转子80和受驱转子82相互啮合，此处设置在转子轴上的螺纹互锁以从转子的周边部分附近的入口室46和48驱动工艺流体至位于转子的中心附近的出口室54。此外，齿轮72各自联接到转子80和82的端部上，以压碎颗粒并给转子的旋转定时。齿轮72构造成压碎或研磨工艺流体内的颗粒，从而使得工艺流体能够润滑联接到转子80和82的各个端部上的轴承。如图所绘，泵轴承构造成支承并使得转子80和82能够旋转，从而使得工艺流体能够平顺地流过螺杆泵系统10。在一个实施例中，齿轮72可由合适的耐久材料构成。例如，齿轮72可包括黏合碳化物，诸如黏合碳化钨，其中齿轮72形成并构造成研磨工艺流体内的颗粒物质，而在研磨过程期间对齿轮72没有磨蚀或破坏。各齿轮72的齿可彼此接触，此处来自各个齿轮的两个齿相接触，从而导致高接触应力压碎工艺流体中的颗粒。此外，齿轮可为直齿轮或另一种合适的几何形状。 [0032] 双螺杆泵22也包括转子护罩96，转子护罩96可联接到转子80和82的端部上，并可构造成使得具有减少的颗粒的工艺流体的泄漏进入入口室46和48。在齿轮72压碎工艺流体内的颗粒后，齿轮可构造成泵送工艺流体以润滑泵轴承，其中工艺流体然后经由转子护罩78和96泄漏到入口室46和48中，从而减少颗粒的沉淀，以改善工艺流体的流动。 [0033] 图8是转子护罩78和96的示例的细节端视图。转子护罩78和96在结构和设计上是相同的，且各自放置在转子80和82的端部上。此外，转子护罩78和96可由在接头98处接合的两个单独部件构成，或者可由单个部件构成，其中两个圆形结构是单个整体构件的一部分，单个整体构件可为铸件或通过任何合适的方式形成。此外转子护罩78和96还可由任何耐用材料构成，诸如不锈钢。转子护罩78和96包括一对圆柱形开口100，其构造成使得各个转子轴能够通过该护罩。因此，开口100构造成使得端室60和62以及中心泵壳体盖70内的室之间能够形成流体连通。来自端室60和62的工艺流体的泄漏可通过部件之间的公差和间距以及管理系统内的压力来控制。转子护罩78和96还可包括用于将转子护罩附接到轴承凸缘56和58上的凸缘102。转子护罩78和96可通过螺钉、焊接或其它合适的联接机构联接到径向轴承凸缘56和58上。 [0034] 图9是转子护罩78和96的侧视图。转子护罩78和96包括突入双螺杆泵22的入口室46和48中的突出部分104。此外，转子护罩78和96还包括突入径向轴承凸缘56和58的突出部分106，从而使得凸缘102能够联接到径向轴承凸缘的内表面上。突出部分104可具有大约14.5英寸(36.8 cm)的直径108。此外，突出部分106可具有大约14.5英寸(36.2 cm)的直径距离110。护罩开口可具有大约11英寸(27.9 cm)的内径距离112。 然而应该理解的是，可使用其它尺寸和尺寸关系。如图所绘，转子护罩78和96可构造成使得具有减小的颗粒尺寸和含量的工艺流体能够泄漏到泵壳体70内的室中，以稀释来自进入工艺流体的颗粒，并减少入口室46和48内颗粒的沉淀。 [0035] 图10是包括位于入口室46和48上的入口的双螺杆泵22的一个示例的示意性图示。入口28(同样示于图4中)构造成引导工艺流体入口流45，该入口流相对于入口室46和48相切。因此，圆柱形入口室46和48内的切向位置114使得工艺流体能够关于室旋转，如流型116所示。如图所绘，流型116围绕中心轴线118以及入口室46和48旋转，从而搅动工艺流体内的颗粒，以改善流体流并减少泵室内颗粒的沉淀。通过改善工艺流体流并减少颗粒沉淀，切向入口位置114减少了磨损并改善了双螺杆泵22的泵送效率。因此，当转子旋转时，工艺流体流过转子80和82，从而将来自入口室46和48的工艺流体泵送至出口室54并泵出室，如出口流30所示。 [0036] 图11是图10中所示示意性图示的顶视图。如图所绘，工艺流体入口流45的切向位置114实现了围绕轴线118的旋转流116。通过入口流45的切向入口提供的改善的流特性以及减少的沉淀使得贯穿螺杆泵系统10能够形成改善的工艺流体的流。 [0037] 本发明的技术效果包括螺杆泵部件减少的磨损和维护。此外，实施例还通过消除专用润滑系统和部件而导致螺杆泵系统简化的组装和维护。此外，所公开的实施例可通过管理通过系统的压力而改善系统性能，从而控制流体流。 |
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