[发明专利]使用段塞抑制器和/或雾化器的离心湿气压缩或膨胀

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年11月25日提交的题目为“CENTRIFUGAL WET GAS COMPRESSION OR EXPANSION WITH A SLUG SUPPRESSOR AND/OR ATOMIZER(使用段塞抑制器和/或雾化器的离心湿气压缩或膨胀)”的美国临时专利申请61/264,414的权益，其整体通过引用并入本文。

发明背景

技术领域

本申请中公开的主题涉及在流体处理系统中压缩或膨胀多相流体使用的技术。

相关技术描述

此章节意欲介绍本领域的各个方面，其可能与本发明的示例性实施方式有关。相信本讨论有助于为促进本发明的具体方面的更好理解提供框架。因此，应当以这个角度阅读本章节，而不必认为是承认现有技术。

传统上，应当理解离心式压缩机或气体膨胀器不处理液体段塞(liquid slug)，并因此假设它们只可以处理按体积计1%的液体部分。因此，在许多应用中，在使用离心式压缩机或膨胀器之前，使用昂贵的液体分离器、脱水方法和/或装置清洁器(scrubber)以尝试并清除或分离液体。这些设备通常设计用于特定的操作条件，并且因而限制于可用给定工艺流速处理的气体体积分数(GVF)的范围内。甚至使用该昂贵和复杂的处理设备，如果有突然高水平的液体，那么一旦超过它们的液体能力，它们可很快饱和、充满并溢出液体分离器，导致段塞(堵塞，slug)压缩机或膨胀器设备。

一般而言，如果已知流体一般小于90%GVF可以使用多相泵。离心式压缩机通常限于具有99.7或更高GVF的应用，甚至这可引起机器稳定性的问题并影响密封件和轴承的可靠性。因此，对于该小范围以外的处理，目前的实践是分离流体然后使用离心式压缩机，甚至使用相关的方法和设备具有设计限制。对于气体膨胀器也一样，其功能上是相反运行的离心式压缩机，以通过膨胀器的工艺压降提取一种或另一种形式的能量。分离器、清洁器和脱水装置不仅昂贵并且液体容量和体积流量范围受限，而且它们也倾向于体积非常大，占用场所比如海上平台、水下油气工艺系统或岸上设施中昂贵的房产(real estate)。这点连同复杂的控制系统和额外的辅助设备如泵、调节器、液面调节器、传送器和过滤器增加了这些系统的复杂性和故障的可能性。段塞可造成严重损害的过程的一个例子在图1中示出，其描绘了典型的油井或气井流服务(oil or gas well stream service)，其中分离器4用于将液体与气体分开，以便离心式压缩机21和泵12可接着用于分别推进气体和液体。这两者接着在14处再次结合，以便通过管道将二者运输至处理设施。如果一个机器可用于运输结合的流，则具有大大减少总体成本和总体系统复杂性的可能。

液体的一些另外的问题不仅是机器的稳定性而且也腐蚀叶轮和扩散器，污损并当在机器中被压缩时如果液体闪蒸或蒸发，导致不平衡。但是，测试已经显示通过降低撞击点的液体速率和通过减小小滴大小可减少或防止腐蚀。通过增加液体水平高于闪点有效洗涮机器内部，也已经减少或甚至消除污损。

前述本领域需要的讨论拟是代表性的而非穷举的。与本领域目前状态相比较，改善压缩机或膨胀器以处理具有更高液体含量的多相流体流的能力的技术具有极大价值。

发明内容

上面提到的处理多相流体流中的问题已经通过使用液体段塞抑制器和/或雾化设备以增强液体与气体的上游混合得以解决，因此使得离心式压缩机或膨胀器能够更好地处理更高水平的液体。雾化设备可以是任何一个已知的流体雾化器，其包括一个或多个喷雾嘴或流动混合器设备。这可在现有设计中使用以帮助保护压缩机或膨胀器不受另外的液体体积引起的处理扰乱(process upset)，或作为单独设计使用以帮助消除一些需要的设备，比如分离器或液体泵。

段塞抑制器（slug suppressor）减缓液体的段塞，并将它与已经在设备中的气体混合以减少密度的突然改变。这允许当随着液体体积的增加或GVF的减少而增加扭矩或载荷时，压缩机驱动器的时间减慢。雾化设备进一步帮助将液体段塞转化成混合气体中的小滴或薄雾，以更好地帮助压缩机处理密度和载荷的改变同时降低冲击，这导致较少的腐蚀。每个产物或二者可连续在存在一些液体或一种液体扰乱可能的压缩机或膨胀器应用中使用。

在本公开的上下文中，术语“雾化设备”意思是指将液体破碎成雾、薄雾或液体喷雾的任何设备或机构。如本文所使用术语“雾化的”应当理解为指小的、不连续的液体颗粒。同样地，术语段塞抑制器意思是指通过将主要液体流与在该液体前面、一起或后面流动的气体混合，帮助减慢气流中高水平液体流体密度突然改变的任何设备。