ITCO20110070A1 - METHODS AND DEVICES FOR CONSTRUCTIVE USE OF PRESSURE PULSES IN INSTALLATIONS OF ALTERNATIVE COMPRESSORS - Google Patents
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Description
TITLE / TITOLO : TITLE / TITLE:
METHODS AND DEVICES FOR CONSTRUCTIVELY USING THE PRESSURE PULSATIONS IN RECIPROCATING COMPRESSORS INSTALLATIONS / METODI E DISPOSITIVI PER USARE COSTRUTTIVAMENTE LE PULSAZIONI DI PRESSIONE IN INSTALLAZIONI DI COMPRESSORI ALTERNATIVI METHODS AND DEVICES FOR CONSTRUCTIVELY USING THE PRESSURE PULSATIONS IN RECIPROCATING COMPRESSORS INSTALLATIONS
ARTE NOTA CAMPO TECNICO KNOWN ART TECHNICAL FIELD
Le forme di realizzazione dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a installazioni per le quali vengono utilizzati compressori alternativi nel settore del petrolio e del gas e, più precisamente, all'uso costruttivo delle pulsazioni di pressione per migliorare l'efficienza volumetrica del compressore, ottenendo, ad esempio, un effetto del caricamento a impulsi. The embodiments of the object disclosed in this document refer in general to installations for which reciprocating compressors are used in the oil and gas sector and, more precisely, to the constructive use of pressure pulsations to improve the volumetric efficiency of the compressor, obtaining, for example, a pulse loading effect.
TRATTAZIONE DELL'ARTE NOTA TREATMENT OF KNOWN ART
I compressori utilizzati nel settore del petrolio e del gas devono essere conformi a requisiti specifici del settore che prendono in considerazione, ad esempio, il fatto che il gas compresso risulta essere spesso corrosivo e infiammabile. L'American Petroleum Institute (API), l'organizzazione che stabilisce lo standard di settore riconosciuto per le apparecchiature utilizzate nel settore del petrolio e del gas, ha emesso un documento, API618, in cui viene riportato l'insieme completo dei requisiti minimi per i compressori alternativi. Compressors used in the oil and gas sector must comply with industry-specific requirements which take into account, for example, the fact that compressed gas is often corrosive and flammable. The American Petroleum Institute (API), the organization that sets the recognized industry standard for equipment used in the oil and gas industry, has issued a document, API618, which lists the full set of minimum requirements for reciprocating compressors.
I compressori possono essere classificati come compressori volumetrici (ad es. compressori alternativi, a vite o a palette) e compressori dinamici (ad es. compressori centrifughi o assiali). Nei compressori volumetrici, la compressione viene ottenuta intrappolando il gas e riducendo il volume in cui esso è contenuto. Nei compressori dinamici la compressione viene ottenuta trasformando l'energia cinetica (ad es. quella di elemento rotante) in energia di pressione in un punto predeterminato all'interno del compressore. Compressors can be classified as volumetric compressors (e.g. reciprocating, screw or vane compressors) and dynamic compressors (e.g. centrifugal or axial compressors). In volumetric compressors, compression is obtained by trapping the gas and reducing the volume in which it is contained. In dynamic compressors, compression is obtained by transforming the kinetic energy (e.g. that of the rotating element) into pressure energy at a predetermined point inside the compressor.
Un ciclo di compressione ideale (illustrato graficamente nella Figura 1 attraverso il tracciamento dell'evoluzione della pressione rispetto al volume) comprende almeno quattro fasi: espansione, aspirazione, compressione e scarico. Quando il fluido compresso viene evacuato da una camera di compressione al termine del ciclo di compressione, una piccola quantità di fluido alla pressione di mandata P1rimane intrappolata in uno spazio nocivo V1(ovvero il volume minimo della camera di compressione). Durante la fase di espansione 1 e la fase di aspirazione 2 del ciclo di compressione, il pistone si sposta per accrescere il volume della camera di compressione. Al principio della fase di espansione 1 , la valvola di mandata si chiude (mentre la valvola di aspirazione rimane chiusa) e, quindi, la pressione del fluido intrappolato diminuisce all'aumentare del volume disponibile nella camera di compressione. La fase di aspirazione del ciclo di compressione comincia quando la pressione all'interno della camera di compressione diventa uguale alla pressione di aspirazione P2e la valvola di aspirazione viene attivata aprendosi al volume V2. Durante la fase di aspirazione 2 il volume della camera di compressione e la quantità di fluido da comprimere (alla pressione P2) aumentano finché non viene raggiunto il volume massimo della camera di compressione V3. An ideal compression cycle (graphically illustrated in Figure 1 by plotting the evolution of pressure versus volume) includes at least four stages: expansion, intake, compression and exhaust. When the compressed fluid is evacuated from a compression chamber at the end of the compression cycle, a small amount of fluid at the delivery pressure P1 remains trapped in a noxious space V1 (i.e. the minimum volume of the compression chamber). During the expansion phase 1 and the suction phase 2 of the compression cycle, the piston moves to increase the volume of the compression chamber. At the beginning of the expansion phase 1, the delivery valve closes (while the suction valve remains closed) and, therefore, the pressure of the trapped fluid decreases as the volume available in the compression chamber increases. The suction phase of the compression cycle begins when the pressure inside the compression chamber becomes equal to the suction pressure P2 and the suction valve is activated by opening to the volume V2. During the suction phase 2 the volume of the compression chamber and the quantity of fluid to be compressed (at pressure P2) increase until the maximum volume of the compression chamber V3 is reached.
Durante le fasi di compressione e scarico del ciclo di compressione, il pistone si muove in direzione opposta rispetto a quella delle fasi di espansione e di aspirazione al fine di ridurre il volume della camera di compressione. Durante la fase di compressione 3 sia la valvola di aspirazione che quella di mandata sono chiuse (e quindi il fluido non entra né esce dal cilindro) e la pressione del fluido nella camera di compressione aumenta (dalla pressione di aspirazione P2alla pressione di mandata Pi) poiché il volume al suo interno diminuisce fino a V4. La fase di erogazione 4 del ciclo di compressione comincia quando la pressione all'interno della camera di compressione diventa uguale alla pressione di mandata Pi e viene attivata l'apertura della valvola di mandata. Durante la fase di erogazione 4 il fluido alla pressione di mandata P2viene evacuato dalla camera di compressione finché non viene raggiunto il volume (nocivo) minimo V1della camera di compressione. During the compression and exhaust phases of the compression cycle, the piston moves in the opposite direction to that of the expansion and suction phases in order to reduce the volume of the compression chamber. During the compression phase 3 both the inlet and outlet valves are closed (and therefore the fluid does not enter or leave the cylinder) and the fluid pressure in the compression chamber increases (from the suction pressure P2 to the delivery pressure Pi) as the volume inside it decreases to V4. The delivery phase 4 of the compression cycle begins when the pressure inside the compression chamber becomes equal to the delivery pressure Pi and the opening of the delivery valve is activated. During the delivery phase 4 the fluid at the delivery pressure P2 is evacuated from the compression chamber until the minimum (harmful) volume V1 of the compression chamber is reached.
Una misura dell'efficienza del compressore è rappresentata dall'efficienza volumetrica, che è il rapporto tra il volume della camera di compressione attraversato dal pistone del compressore alternativo durante la fase di aspirazione V3- V2e il volume totale V3- V1attraversato dal pistone durante il ciclo di compressione. A measure of the compressor efficiency is represented by the volumetric efficiency, which is the ratio between the volume of the compression chamber crossed by the piston of the reciprocating compressor during the suction phase V3-V2 and the total volume V3-V1 crossed by the piston during the cycle. compression.
Il fenomeno delle pulsazioni di pressione, che si verifica all'esterno del compressore alternativo, è dovuto alla natura discontinua del flusso di gas all'interno del compressore alternativo stesso. Queste pulsazioni di pressione possono provocare ampie vibrazioni e sollecitazioni dovute alla fatica, un livello elevato di rumore e la riduzione delle prestazioni del compressore. Il documento API618 comprende i requisiti dettagliati per uno studio sull'acustica da effettuarsi durante la progettazione di un'installazione comprendente un compressore alternativo, che abbia tra i suoi scopi quello di evitare l'effetto dannoso delle pulsazioni di pressione. Per evitare che tali pulsazioni si propaghino all'interno di tutta l'installazione, vengono installati degli smorzatori di pulsazioni prima delle valvole di aspirazione e dopo le valvole di mandata dei compressori, in modo da proteggere il compressore alternativo dal resto dell'installazione. The phenomenon of pressure pulsations, which occurs outside the reciprocating compressor, is due to the discontinuous nature of the gas flow inside the reciprocating compressor itself. These pressure pulsations can cause large vibrations and fatigue stresses, a high level of noise and reduced compressor performance. Document API618 includes detailed requirements for an acoustics study to be carried out during the design of an installation including a reciprocating compressor, which has among its purposes that of avoiding the detrimental effect of pressure pulsations. To prevent these pulsations from spreading throughout the installation, pulsation dampers are installed before the suction valves and after the discharge valves of the compressors to protect the reciprocating compressor from the rest of the installation.
Ad esempio, la Figura 2 mostra un modello semplificato di un'interfaccia tra un compressore alternativo 10 e il resto dell'installazione. In questo caso il termine "interfaccia" si riferisce a tutti i componenti presenti tra la valvola 20 del compressore alternativo 10 e la tubatura 30 attraverso la quale il gas viene incanalato dal resto dell'installazione oppure verso di essa (ad es. un impianto per il petrolio e il gas). Il compressore alternativo 10 possiede un pistone 40 e viene collegato attraverso un tubo 50 a uno smorzatore di pulsazioni 60. Lo smorzatore di pulsazioni 60 viene quindi collegato all'impianto per il petrolio e il gas attraverso la conduttura dell'impianto 30. For example, Figure 2 shows a simplified model of an interface between a reciprocating compressor 10 and the rest of the installation. In this case the term "interface" refers to all the components present between the valve 20 of the reciprocating compressor 10 and the pipe 30 through which the gas is channeled from the rest of the installation or towards it (for example a system for oil and gas). The reciprocating compressor 10 has a piston 40 and is connected through a tube 50 to a pulsation damper 60. The pulsation damper 60 is then connected to the oil and gas system through the pipeline of the system 30.
Lo smorzatore di pulsazioni 60, riempito con il gas da comprimere o con il gas compresso (a seconda che lo smorzatore preceda la valvola di aspirazione oppure segua la valvola di scarico o il compressore alternativo 10), è caratterizzato da un'elevata impedenza acustica e funge da riflettore delle pulsazioni, consentendo solo a una piccola frazione di essere trasmessa verso la conduttura dell'impianto 30. The pulsation damper 60, filled with the gas to be compressed or with the compressed gas (depending on whether the damper precedes the intake valve or follows the exhaust valve or reciprocating compressor 10), is characterized by a high acoustic impedance and acts as a pulse reflector, allowing only a small fraction to be transmitted to the system pipeline 30.
La frequenza delle pulsazioni di pressione generate dal compressore alternativo 10 è la frequenza del processo di compressione all'interno del compressore alternativo. La risonanza si verifica quando la frequenza naturale f della conduttura 30 uguaglia la frequenza delle pulsazioni di pressione generate dal compressore alternativo. La frequenza naturale f del tubo 50 dipende dalla velocità del suono nel gas c e dalla lunghezza L della conduttura 50. Secondo una prima approssimazione, esiste la seguente relazione tra queste quantità: f=c/(2L). Nel caso in cui si formino onde stazionarie di pressione lungo il tubo 50, i fori (ovvero la strozzatura circoscritta del tubo) possono essere impiegati per ridurre l'ampiezza delle suddette onde stazionarie di pressione. The frequency of the pressure pulsations generated by the reciprocating compressor 10 is the frequency of the compression process within the reciprocating compressor. Resonance occurs when the natural frequency f of pipeline 30 equals the frequency of the pressure pulses generated by the reciprocating compressor. The natural frequency f of the pipe 50 depends on the speed of sound in the gas c and on the length L of the pipe 50. According to a first approximation, there is the following relationship between these quantities: f = c / (2L). In the event that standing pressure waves are formed along the tube 50, the holes (i.e. the circumscribed constriction of the tube) can be used to reduce the amplitude of the aforementioned standing pressure waves.
In questo modo le pulsazioni di pressione (che si verificano in maniera inerente, per via della natura discontinua del flusso del gas, in un compressore alternativo) vengono convenzionalmente dissipate e non utilizzate. In this way the pressure pulsations (which occur inherently, due to the discontinuous nature of the gas flow, in a reciprocating compressor) are conventionally dissipated and not used.
Sarebbe auspicabile fornire metodi e dispositivi (inclusi o messi in pratica nelle installazioni relative a petrolio e gas naturale comprendenti un compressore alternativo) che utilizzassero in maniera costruttiva la pulsazione di pressione, per migliorare l'efficienza del compressore alternativo. It would be desirable to provide methods and devices (included or practiced in oil and natural gas installations including a reciprocating compressor) that constructively utilized pressure pulsation to improve the efficiency of the reciprocating compressor.
RIEPILOGO SUMMARY
Alcune delle realizzazioni presentano una valvola con attuatore e un dispositivo per la circolazione del gas configurati in modo da possedere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo. La valvola viene azionata per migliorare l'efficienza volumetrica del compressore, utilizzando in maniera costruttiva le pulsazioni di pressione intrinseche. Questa maniera di utilizzare le pulsazioni di pressione per accrescere l'efficienza è nota come effetto del caricamento a impulsi. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, un apparato comprende un dispositivo per la circolazione del gas e un controller. Il dispositivo per la circolazione del gas fornisce un percorso attraverso il quale il gas (da comprimere oppure appena compresso) circola tra un compressore alternativo e uno smorzatore di pulsazioni, che protegge il collegamento del flusso di gas del compressore alternativo con l'impianto di petrolio e gas. Il dispositivo per la circolazione del gas viene configurato in modo da possedere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo. Il controller viene configurato per regolare la temporizzazione dell'attivazione della valvola situata tra il compressore alternativo e il dispositivo di circolazione del gas, al fine di utilizzare in maniera costruttiva le pulsazioni di pressione che si verificano nel dispositivo di circolazione del gas, per accrescere l'efficienza volumetrica del compressore alternativo. Some of the embodiments have a valve with an actuator and a device for the circulation of the gas configured in such a way as to have a resonance frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles performed inside the reciprocating compressor. The valve is operated to improve the volumetric efficiency of the compressor, constructively using intrinsic pressure pulsations. This way of using pressure pulses to increase efficiency is known as the pulse loading effect. According to an exemplary embodiment, an apparatus comprises a gas circulation device and a controller. The gas circulation device provides a path through which gas (to be compressed or freshly compressed) circulates between a reciprocating compressor and a pulsation damper, which protects the gas flow connection of the reciprocating compressor with the oil plant it's gas. The device for the circulation of the gas is configured in such a way as to have a resonance frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles running inside the reciprocating compressor. The controller is configured to adjust the timing of the activation of the valve located between the reciprocating compressor and the gas circulation device, in order to constructively use the pressure pulsations that occur in the gas circulation device, to increase the 'volumetric efficiency of the reciprocating compressor.
Secondo un'altra forma di realizzazione esemplificativa, viene fornito un metodo per utilizzare l'effetto del caricamento a impulsi per migliorare l'efficienza volumetrica di un compressore alternativo. Il metodo prevede la necessità di un dispositivo per la circolazione del gas tra una valvola del compressore alternativo e uno smorzatore di pulsazioni, che protegge il compressore alternativo stesso dall'impianto per il petrolio e il gas, con il dispositivo per la circolazione del gas configurato in modo tale da avere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo. Il metodo prevede inoltre il controllo della temporizzazione dell'attivazione della valvola per utilizzare in maniera costruttiva le pulsazioni di pressione che si verificano in maniera inerente all'interno del dispositivo per la circolazione del gas, al fine di migliorare l'efficienza volumetrica del compressore alternativo. According to another exemplary embodiment, a method is provided for using the pulse loading effect to improve the volumetric efficiency of a reciprocating compressor. The method involves the need for a gas circulation device between a reciprocating compressor valve and a pulsation damper, which protects the reciprocating compressor itself from the oil and gas system, with the gas circulation device configured in such a way as to have a resonant frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles running inside the reciprocating compressor. The method also provides for the control of the timing of the activation of the valve to constructively use the pressure pulsations that occur inherently within the device for the circulation of the gas, in order to improve the volumetric efficiency of the reciprocating compressor. .
In un'altra realizzazione esemplificativa, viene proposto un metodo per apportare delle innovazioni all'installazione di un compressore alternativo. Il compressore alternativo dell'installazione possiede un'uscita o un ingresso protetti dal resto dell'installazione grazie a uno smorzatore di pulsazioni. L'installazione del compressore alternativo viene migliorata per utilizzare l'effetto del caricamento a impulsi del compressore alternativo stesso, al fine di accrescere la sua efficienza volumetrica. Il metodo prevede la modifica del dispositivo per la circolazione del gas che collega un'uscita o un ingresso del compressore alternativo allo smorzatore di pulsazioni, mediante l'aggiunta di almeno un risonatore acustico a un tubo del dispositivo per la circolazione del gas, per far sì che esso presenti una frequenza di risonanza sostanzialmente identica alla frequenza dei cicli di compressione in corso all'interno del compressore alternativo. Il metodo prevede inoltre il collegamento di una valvola tra il compressore alternativo e il dispositivo di circolazione del gas a un controller configurato per regolare la temporizzazione dell'attivazione della valvola al fine di utilizzare in maniera costruttiva le pulsazioni di pressione che si verificano nel dispositivo di circolazione del gas per accrescere l'efficienza volumetrica del compressore alternativo. In another exemplary embodiment, a method is proposed for introducing innovations to the installation of a reciprocating compressor. The installation reciprocating compressor has an outlet or inlet protected from the rest of the installation by a pulsation damper. The installation of the reciprocating compressor is improved to utilize the pulse loading effect of the reciprocating compressor itself, in order to increase its volumetric efficiency. The method involves modifying the gas circulation device that connects an outlet or inlet of the reciprocating compressor to the pulsation damper, by adding at least one acoustic resonator to a pipe of the gas circulation device, to make so that it has a resonant frequency substantially identical to the frequency of the compression cycles in progress inside the reciprocating compressor. The method also involves connecting a valve between the reciprocating compressor and the gas circulation device to a controller configured to adjust the timing of the valve activation in order to constructively use the pressure pulsations that occur in the gas circulation device. gas circulation to increase the volumetric efficiency of the reciprocating compressor.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
I disegni tecnici allegati nella descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni: The technical drawings annexed to the detailed description, and of which they form an integral part, represent one or more embodiments and, together with the description, explain these embodiments. In the drawings:
la Figura 1 rappresenta un grafico della pressione rispetto al volume che illustra un ciclo di compressione ideale; Figure 1 is a graph of pressure versus volume illustrating an ideal compression cycle;
la Figura 2 è un diagramma schematico di un'interfaccia convenzionale tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas; Figure 2 is a schematic diagram of a conventional interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant;
la Figura 3 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 3 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 4 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 4 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 5 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 5 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 6 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 6 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 7 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 7 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 8 è un diagramma schematico di un'interfaccia tra un compressore alternativo e un impianto per il petrolio e il gas, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; Figure 8 is a schematic diagram of an interface between a reciprocating compressor and an oil and gas plant, according to an exemplary embodiment;
la Figura 9 è un diagramma di flusso di un metodo di utilizzo delle pulsazioni generate in maniera inerente durante il funzionamento di un compressore alternativo, che ha lo scopo di accrescere l'efficienza del compressore, secondo una forma di realizzazione esemplificativa, e Figure 9 is a flow chart of a method of using inherently generated pulsations during operation of a reciprocating compressor, which is intended to increase the efficiency of the compressor, according to an exemplary embodiment, and
la figura 10 è un diagramma di flusso di un metodo per apportare delle innovazioni all'installazione di un compressore alternativo, secondo una forma di realizzazione esemplificativa. Figure 10 is a flow chart of a method for introducing innovations to the installation of a reciprocating compressor, according to an exemplary embodiment.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DETAILED DESCRIPTION
La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse. Le seguenti forma di realizzazione sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e alla struttura dei compressori alternativi utilizzati in un impianto per petrolio e il gas (ovvero, installazione o apparecchiatura). Tuttavia le forme di realizzazione che saranno successivamente discusse non si limitano a questo sistema, ma possono essere applicate ad altre condizioni tecniche simili. The following description of the exemplary embodiments refers to the attached technical drawings. Like reference numerals, occurring in different drawings, represent similar or identical elements. The following detailed description does not limit the invention. On the contrary, the scope of the invention is defined by the included claims. The following embodiments are discussed, for the sake of simplicity, in relation to the terminology and structure of reciprocating compressors used in an oil and gas plant (i.e., installation or equipment). However, the embodiments to be discussed below are not limited to this system, but can be applied to other similar technical conditions.
In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma di realizzazione" sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto l'utilizzo dell'espressione "in una forma di realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre le particolari funzioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione. Throughout the detailed description, reference to "an embodiment" means that a particular feature, structure or property described in connection with an embodiment is included in at least one embodiment of the disclosed object. Therefore, the use of the expression "in one embodiment" at various points of the detailed description will not necessarily refer to the same embodiment. Further, the particular functions, structures or features can be combined in any suitable way in one or more embodiments.
In alcune forme di realizzazione descritte di seguito, un dispositivo per la circolazione del gas, che fornisce un percorso attraverso il quale il gas (da comprimere oppure appena compresso) circola tra un compressore alternativo (ovvero la camera di compressione di cui sopra) e uno smorzatore di pulsazioni. Il dispositivo per la circolazione del gas viene configurato di modo da possedere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo. Inoltre una valvola situata tra la camera di compressione e il dispositivo per la circolazione del gas viene controllata per essere aperta in relazione alla fase delle pulsazioni di pressione accanto alla valvola nel dispositivo per la circolazione del gas in modo da accrescere l'efficienza del compressore. In some embodiments described below, a gas circulation device, which provides a path through which the gas (to be compressed or just compressed) circulates between a reciprocating compressor (i.e. the compression chamber above) and a pulsation damper. The device for the circulation of the gas is configured in such a way as to have a resonance frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles running inside the reciprocating compressor. Furthermore, a valve located between the compression chamber and the gas circulation device is controlled to be opened in relation to the pressure pulsation phase next to the valve in the gas circulation device so as to increase the efficiency of the compressor.
Se si considera che la valvola è quella di aspirazione, una maggiore pressione all'interno del dispositivo per la circolazione del gas accanto alla valvola di aspirazione mentre questa è aperta farà sì che una maggiore quantità di gas possa entrare nel volume da comprimere della camera di compressione. L'aspirazione che avviene a un pressione maggiore Ρ2+Δρ, dove Δρ è dovuta all'effetto del caricamento a impulsi, è illustrata come una linea tratteggiata nella Figura 1. Poiché il volume V2’ corrispondente all'intersezione della linea tratteggiata con la linea che rappresenta la fase 1 di espansione è inferiore rispetto a V2, l'efficienza volumetrica aumenta, perché cresce il numeratore del rapporto che la definisce V3- V2‘>V3- V2. If we consider that the valve is the suction valve, a higher pressure inside the gas circulation device next to the suction valve while it is open will cause a greater quantity of gas to enter the volume to be compressed in the chamber. compression. The suction that occurs at a higher pressure Ρ2 + Δρ, where Δρ is due to the effect of pulse loading, is illustrated as a dashed line in Figure 1. Since the volume V2 'corresponding to the intersection of the dashed line with the which represents the expansion phase 1 is lower than V2, the volumetric efficiency increases, because the numerator of the ratio that defines it V3-V2 '> V3-V2 increases.
Infatti Δρ non rappresenta una deviazione costante della variazione della pressione nel tempo, tra un valore positivo massimo e un valore negativo massimo. Un controller potrebbe determinare il momento di apertura della valvola 20 in modo da ottenere una pressione massima Δρ (aggiunta o sottratta) al momento apertura della valvola oppure ottenere una pressione maggiore rispetto a quella di aspirazione durante la (o al termine della) fase di aspirazione. In fact Δρ does not represent a constant deviation of the pressure variation over time, between a maximum positive value and a maximum negative value. A controller could determine the opening moment of valve 20 in order to obtain a maximum pressure Δρ (added or subtracted) at the moment the valve opens or obtain a pressure higher than the suction pressure during (or at the end of) the suction phase .
La Figura 3 rappresenta un diagramma schematico di un'interfaccia 100 (ovvero un apparato) tra un compressore alternativo 10 e uno smorzatore di pulsazioni 60, che offre una protezione per il volume del gas per un impianto per il petrolio e il gas naturale, secondo una realizzazione esemplificativa. L'ampio volume di gas all'interno dello smorzatore di pulsazioni 60 previene o sostanzialmente smorza le pulsazioni di pressione che si verificano nel gas al di fuori del compressore alternativo 10 per via della variazione del flusso all'interno del compressore alternativo stesso 10 (e cioè a causa dell'effetto del caricamento a impulsi). L'interfaccia 100 comprende un dispositivo per la circolazione del gas e un controller 110. Il dispositivo per la circolazione del gas fornisce un percorso attraverso il quale il gas (da comprimere oppure appena compresso) circola tra il compressore alternativo 10 e lo smorzatore di pulsazioni 50. Il dispositivo per la circolazione del gas è configurato in modo da avere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo. Il dispositivo per la circolazione del gas comprende un tubo 130 e un risonatore in linea 140 con una superficie maggiore rispetto a quella del tubo. L'esatta posizione del risonatore in linea 140 lungo il tubo 130 non influenza le caratteristiche acustiche del dispositivo per la circolazione del gas. Il controller 110 comanda un azionatore (non illustrato) che attiva la valvola 120. Ciò significa che il controller 110 regola la temporizzazione dell'attivazione della valvola 120 in relazione alla fase delle pulsazioni di pressione (dovute all'effetto del caricamento a impulsi) accanto alla valvola, di modo da utilizzare le pulsazioni di pressione per accrescere l'efficienza volumetrica del compressore. Se la valvola 120 è quella di aspirazione, il controller 110 regola la temporizzazione dell'attivazione della valvola 120 in modo da ottenere un valore della pressione massima Δp aggiunto alla pressione di aspirazione mentre la valvola 120 è aperta (cioè durante la fase di aspirazione del ciclo di compressione). Figure 3 is a schematic diagram of an interface 100 (i.e. an apparatus) between a reciprocating compressor 10 and a pulsation damper 60, which provides gas volume protection for an oil and natural gas plant, according to an exemplary embodiment. The large volume of gas within the pulsation damper 60 prevents or substantially dampens the pressure pulsations that occur in the gas outside the reciprocating compressor 10 due to the flow variation within the reciprocating compressor 10 itself (and i.e. due to the effect of pulse loading). The interface 100 includes a gas circulation device and a controller 110. The gas circulation device provides a path through which the gas (to be compressed or freshly compressed) circulates between the reciprocating compressor 10 and the pulsation damper 50. The device for the circulation of the gas is configured in such a way as to have a resonance frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles running inside the reciprocating compressor. The gas circulation device comprises a tube 130 and an in-line resonator 140 with a larger surface area than that of the tube. The exact position of the inline resonator 140 along the tube 130 does not affect the acoustic characteristics of the gas circulation device. The controller 110 commands an actuator (not shown) which activates the valve 120. This means that the controller 110 adjusts the timing of the activation of the valve 120 in relation to the phase of the pressure pulsations (due to the effect of the pulse loading). to the valve, in order to use pressure pulsations to increase the volumetric efficiency of the compressor. If the valve 120 is the suction valve, the controller 110 adjusts the timing of the activation of the valve 120 so as to obtain a value of the maximum pressure Δp added to the suction pressure while the valve 120 is open (i.e. during the suction phase of the compression cycle).
In un'altra forma di realizzazione esemplificativa illustrata nella Figura 4, il dispositivo per la circolazione del gas di un'interfaccia 101 include un risonatore laterale 150 oltre al risonatore in linea 140. Facoltativamente il risonatore laterale 150 può essere collegato al risonatore in linea 140 mediante una valvola 160. La valvola del risonatore 160 può essere utilizzata per collegare o scollegare il risonatore laterale 150 al/dal tubo 130, a seconda della composizione del gas (composizione che influenza la velocità del suono nel gas e quindi la frequenza di risonanza del dispositivo di circolazione del gas). Il controller 110 può gestire la valvola del risonatore 160. In another exemplary embodiment illustrated in Figure 4, the gas circulation device of an interface 101 includes a lateral resonator 150 in addition to the inline resonator 140. Optionally, the lateral resonator 150 can be connected to the inline resonator 140 by means of a valve 160. The valve of the resonator 160 can be used to connect or disconnect the lateral resonator 150 to / from the tube 130, depending on the composition of the gas (composition affecting the speed of sound in the gas and therefore the resonant frequency of the gas circulation device). The controller 110 can manage the valve of the resonator 160.
In un'altra forma di realizzazione esemplificativa illustrata nella Figura 5, il dispositivo per la circolazione del gas di un'interfaccia 102 include un tubo laterale 170 invece del risonatore in linea 140. Facoltativamente il tubo laterale 170 può essere collegato al tubo 130 mediante una valvola del risonatore 180. La valvola del risonatore 180 può essere utilizzata per collegare o scollegare il tubo laterale 170 al/dal tubo 130, ad esempio, a seconda della composizione del gas (composizione che influenza la velocità del suono nel gas e quindi la frequenza di risonanza del dispositivo di circolazione del gas). Il controller 110 può gestire la valvola del risonatore 180. In another exemplary embodiment illustrated in Figure 5, the gas circulation device of an interface 102 includes a side tube 170 instead of the inline resonator 140. Optionally, the side tube 170 can be connected to the tube 130 by means of a resonator valve 180. Resonator valve 180 can be used to connect or disconnect side pipe 170 to / from pipe 130, for example, depending on the composition of the gas (composition affecting the speed of sound in the gas and hence the frequency of the gas circulation device). The controller 110 can manage the valve of the resonator 180.
Alternativamente in un'altra forma di realizzazione esemplificativa illustrata nella Figura 6, il dispositivo per la circolazione del gas di un'interfaccia 103 include un risonatore laterale 200 collegato al tubo 130. Facoltativamente il risonatore laterale 200 può essere collegato al tubo 130 mediante la valvola del risonatore 210. La valvola del risonatore 210 può essere utilizzata per collegare o scollegare il risonatore laterale 200 al/dal tubo 130, ad esempio, a seconda della composizione del gas (composizione che influenza la velocità del suono nel gas e quindi la frequenza di risonanza del dispositivo di circolazione del gas). Il controller 110 può gestire la valvola del risonatore 210. Alternatively in another exemplary embodiment illustrated in Figure 6, the device for circulating the gas of an interface 103 includes a lateral resonator 200 connected to the tube 130. Optionally, the lateral resonator 200 can be connected to the tube 130 by means of the valve resonator 210. The valve of the resonator 210 can be used to connect or disconnect the lateral resonator 200 to / from the tube 130, for example, depending on the composition of the gas (composition affecting the speed of sound in the gas and therefore the frequency of resonance of the gas circulation device). The controller 110 can manage the valve of the resonator 210.
In un'altra forma di realizzazione illustrata nella Figura 7, il dispositivo per la circolazione del gas dell'interfaccia 104 comprende un risonatore laterale aggiuntivo 220 collegato al risonatore laterale 200. Facoltativamente il risonatore laterale 200 e/o il risonatore laterale aggiuntivo 220 possono essere collegati al tubo 130 e al risonatore laterale 200, rispettivamente attraverso le valvole del risonatore 210 e 230. Le valvole del risonatore 210 e 230 possono essere utilizzate per collegare o scollegare il risonatore laterale 200 e il risonatore laterale aggiuntivo 220, rispettivamente, a seconda della composizione del gas (composizione che influenza la velocità del suono nel gas e quindi la frequenza di risonanza del dispositivo di circolazione del gas). Il controller 110 può gestire la valvola del risonatore 210 e/o 230. In another embodiment illustrated in Figure 7, the interface gas circulation device 104 comprises an additional lateral resonator 220 connected to the lateral resonator 200. Optionally, the lateral resonator 200 and / or the additional lateral resonator 220 may be connected to tube 130 and side resonator 200, through resonator valves 210 and 230 respectively. Resonator valves 210 and 230 can be used to connect or disconnect side resonator 200 and additional side resonator 220, respectively, depending on the gas composition (composition that affects the speed of sound in the gas and therefore the resonant frequency of the gas circulation device). The controller 110 can manage the valve of the resonator 210 and / or 230.
In un'altra forma di realizzazione illustrata nella Figura 8, il dispositivo per la circolazione del gas dell'interfaccia 105 presenta un collegamento tra il risonatore laterale 200 e lo smorzatore di pulsazioni tramite una tubatura secondaria 240. La valvola del risonatore 250 situata sulla tubatura secondaria 240 viene attivata o disattivata in base alla composizione del gas. In another embodiment illustrated in Figure 8, the gas circulation device of the interface 105 has a connection between the lateral resonator 200 and the pulsation damper via a secondary piping 240. The valve of the resonator 250 located on the pipeline 240 is activated or deactivated according to the composition of the gas.
In diverse forme di realizzazione illustrate nelle Figure da 3 a 8 e in altre forme di realizzazione equivalenti, viene utilizzato un metodo 300 per sfruttare le pulsazioni generate in maniera inerente all'esterno, ma a causa del funzionamento del compressore alternativo, per accrescere l'efficienza volumetrica del compressore. Come illustrato nella Figura 9, il metodo 300 prevede la necessità di un dispositivo per la circolazione del gas tra una valvola del compressore alternativo e uno smorzatore di pulsazioni che protegge il compressore alternativo stesso dall'impianto per il petrolio e il gas, con il dispositivo per la circolazione del gas configurato in modo tale da avere una frequenza di risonanza sostanzialmente uguale alla frequenza dei cicli di compressione in esecuzione all'interno del compressore alternativo, in S310. Il metodo 300 prevede inoltre il controllo della temporizzazione dell'attivazione della valvola per utilizzare le pulsazioni di pressione che si verificano in maniera inerente all'interno del dispositivo per la circolazione del gas a causa dell'effetto del caricamento a impulsi, al fine di migliorare l'efficienza volumetrica del compressore alternativo, in S320. In several embodiments illustrated in Figures 3 to 8 and in other equivalent embodiments, a method 300 is used to exploit the pulsations inherently generated outside, but due to the operation of the reciprocating compressor, to increase the volumetric efficiency of the compressor. As shown in Figure 9, Method 300 requires a gas circulation device between a reciprocating compressor valve and a pulsation damper that protects the reciprocating compressor itself from the oil and gas system, with the device for the circulation of the gas configured in such a way as to have a resonance frequency substantially equal to the frequency of the compression cycles running inside the reciprocating compressor, in S310. Method 300 also provides for control of the timing of valve activation to utilize the pressure pulsations that occur inherently within the gas circulation device due to the effect of pulse loading, in order to improve the volumetric efficiency of the reciprocating compressor, in S320.
In una forma di realizzazione, la condizione S310 del metodo 300 può comprendere l'aggiunta di un risonatore laterale o di un tubo laterale a una tubatura che collega la valvola allo smorzatore di pulsazioni. In una forma di realizzazione, la condizione S310 del metodo 300 può comprendere l'attivazione o la disattivazione di una o più valvole dei risonatori che collegano i risonatori acustici alla tubatura che, a sua volta, collega la valvola allo smorzatore di pulsazioni. In one embodiment, the S310 condition of method 300 may comprise adding a side resonator or side tube to a pipeline connecting the valve to the pulsation damper. In one embodiment, the S310 condition of method 300 may comprise turning on or off of one or more resonator valves that connect the acoustic resonators to the tubing which, in turn, connects the valve to the pulsation damper.
Un'installazione di un compressore alternativo esistente può essere migliorata per poter essere in grado di utilizzare le pulsazioni generate in maniera inerente durante il funzionamento del compressore alternativo per accrescerne l'efficienza. La figura 10 è un diagramma di flusso di un metodo 400 per apportare delle innovazioni all'installazione di un compressore alternativo, secondo una forma di realizzazione esemplificativa. Il metodo 400 prevede la modifica del dispositivo per la circolazione del gas che collega un'uscita o un ingresso del compressore alternativo allo smorzatore di pulsazioni, mediante l'aggiunta di almeno un risonatore acustico a un tubo del dispositivo per la circolazione del gas, per far sì che esso presenti una frequenza di risonanza sostanzialmente identica alla frequenza dei cicli di compressione in corso all'interno del compressore alternativo, in S410. Il metodo 400 prevede inoltre il collegamento di una valvola tra il compressore alternativo e il dispositivo per la circolazione del gas a un controller configurato per gestire la temporizzazione dell'attivazione della valvola al fine di utilizzare le pulsazioni di pressione che si verificano nel dispositivo per la circolazione del gas a causa dell'effetto del caricamento a impulsi del compressore alternativo, per poter accrescere l'efficienza volumetrica del compressore alternativo stesso. An existing reciprocating compressor installation can be upgraded to be able to use inherently generated pulsations during reciprocating compressor operation to increase efficiency. Figure 10 is a flowchart of a method 400 for innovating the installation of a reciprocating compressor, according to an exemplary embodiment. Method 400 involves modifying the gas circulation device that connects an outlet or inlet of the reciprocating compressor to the pulsation damper by adding at least one acoustic resonator to a tube of the gas circulation device to causing it to have a resonant frequency substantially identical to the frequency of the compression cycles in progress within the reciprocating compressor, in S410. Method 400 also involves connecting a valve between the reciprocating compressor and the gas circulation device to a controller configured to manage the timing of valve activation in order to use the pressure pulsations that occur in the device for gas circulation due to the pulse loading effect of the reciprocating compressor, in order to increase the volumetric efficiency of the reciprocating compressor itself.
In una forma di realizzazione del metodo 400 il risonatore acustico può comprendere un risonatore acustico in linea, un risonatore acustico laterale o un tubo laterale. In un'altra forma di realizzazione il metodo 400 può inoltre comprendere il collegamento di almeno un risonatore acustico all'apparato attraverso la valvola del risonatore. In one embodiment of the method 400 the acoustic resonator may comprise an in-line acoustic resonator, a lateral acoustic resonator or a side tube. In another embodiment the method 400 may further comprise connecting at least one acoustic resonator to the apparatus through the valve of the resonator.
Le forme di realizzazione esemplificative divulgate forniscono apparati (dispositivi) e metodi per l'utilizzo costruttivo delle pulsazioni di pressione (ovvero l'effetto del caricamento a impulsi) che si verificano attorno ai compressori alternativi a causa della variazione del flusso, per accrescere l'efficienza volumetrica del compressore. Resta inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le forme di realizzazione esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti rientranti nello spirito e nel campo di applicazione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre nella descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative sono esposti numerosi dettagli specifici, al fine di consentire una comprensione esauriente dell'invenzione rivendicata. Tuttavia, chiunque sia esperto in materia comprende che varie forme di realizzazione possono essere attuate senza tali dettagli. The disclosed exemplary embodiments provide apparatus (devices) and methods for the constructive use of pressure pulsations (i.e. the effect of pulse loading) that occur around reciprocating compressors due to flow variation, to increase the volumetric efficiency of the compressor. It is understood that the present description is not intended to limit the invention. Conversely, exemplary embodiments include alternatives, modifications and equivalent solutions within the spirit and scope of the invention, as defined by the appended claims. Furthermore, numerous specific details are set forth in the detailed description of the exemplary embodiments, in order to allow a thorough understanding of the claimed invention. However, anyone skilled in the art understands that various embodiments can be implemented without such details.
Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti forme di realizzazione esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle forme di realizzazione o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche ed elementi divulgati dal presente documento. Although the features and elements of the present exemplary embodiments are described in the embodiments in particular combinations, each feature or each element can be used individually without the other features and elements of the embodiments or in various combinations with or without other features. and elements disclosed in this document.
La presente descrizione scritta utilizza degli esempi relativi all'oggetto divulgato per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema nonché l'esecuzione di qualsiasi metodo incluso. L'ambito brevettabile dell'oggetto del presente documento è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi noti agli esperti in materia. Questi altri esempi rientrano nell'ambito delle rivendicazioni. The present written description uses examples relating to the disclosed subject matter to enable any one skilled in the art to implement the invention, including making and using any device or system as well as carrying out any including methods. The patentable scope of the subject of this document is defined by the claims and may include other examples known to those skilled in the art. These other examples are within the scope of the claims.
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