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专利名称：一种液控双级活塞式增压装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410547033.1

专利申请（专利权）人：东北石油大学,东北石油大学三亚海洋油气研究院
权利人地址：黑龙江省大庆市大庆高新技术产业开发区学府街99号

专利发明（设计）人：发明人:刘小波,张金友,付晓飞,李成勤,孙江,宋玉杰

专利摘要：一种液控双级活塞式增压装置，涉及油田采油工程装备领域，包括增压总成，增压总成内设置有气室和油室，气室上连接有气压管线，油室上连接有液压管线，从而使气室和油室参与组成液压系统和气压系统；增压总成，包括高压缸套、高压活塞、低压缸套和低压活塞，高压活塞滑动安装在高压缸套内，低压活塞滑动安装在低压缸套内；所述高压缸套共有两个，两个高压缸套同轴且固定连接，所述低压缸套共有两个，两个低压缸套分别固定连接在由两个高压缸套组成的连接体的两端，每个低压缸套内设置有一个低压活塞。本发明对现有的增压器进行了改进，简化了气压系统的结构，降低了复杂程度，减少了故障率、降低了维护难度。

主权利要求：
1.一种液控双级活塞式增压装置，其特征在于：包括增压总成，增压总成内设置有气室和油室（7），气室上连接有气压管线，油室（7）上连接有液压管线，从而使气室和油室（7）参与组成液压系统和气压系统；
增压总成，包括高压缸套（17）、高压活塞（6）、低压缸套（16）和低压活塞（3），高压活塞（6）滑动安装在高压缸套（17）内，低压活塞（3）滑动安装在低压缸套（16）内；
所述高压缸套（17）共有两个，两个高压缸套（17）同轴且固定连接，两个高压缸套（17）内各设置有一个高压活塞（6），两个高压活塞（6）之间连接有一根高压活塞杆；高压活塞杆（9）从两个高压缸套（17）之间连接处的隔板（15）中央穿过并与该隔板（15）滑动密封配合；
每个高压缸套（17）的内部空间均被所述高压活塞（6）分成一个高压气室和一个油室（7），其中，两个高压气室（5）分别位于两个高压活塞（6）与各自对应侧的低压缸套（16）之间，两个油室（7）均位于两个高压活塞（6）之间；
所述低压缸套（16）共有两个，两个低压缸套（16）分别固定连接在由两个高压缸套（17）组成的连接体的两端，每个低压缸套（16）内设置有一个低压活塞（3），每个低压活塞（3）与邻近的高压活塞（6）之间各连接有一根低压活塞杆，低压活塞杆（4）从高压缸套（17）与低压缸套（16）之间连接处的隔板（15）中央穿过，并与高压缸套（17）与低压缸套（16）之间连接处的隔板滑动密封配合；每个低压缸套（16）的内部空间均被所述低压活塞（3）分成左右两个低压气室；
所述油室所在的高压缸套（17）的直径小于低压缸套（16）的直径；
所述液压系统，包括第一油路和第二油路，第一油路由油箱（13）、油泵（12）、三位四通电磁换向阀（11）和一个油室（7）通过液压油管依次连接而成，第二油路由油箱（13）、所述三位四通电磁换向阀（11）和另一个油室（7）通过液压油管依次连接而成，油箱（13）内盛装有液压油；通过控制三位四通电磁换向阀（11），能够实现三位四通电磁换向阀（11）与所述高压缸套（17）之间的液压油管中液压油流向的切换，进而实现两个油室（7）中液压油的可控进出，最终使所述增压总成内的各活塞能够在液压驱动下往复移动；
气压管线与各气室的入口连接处及出口连接处均设置有用于防止返流的单向阀（1）；
所述油箱（13）内设置有换热管（14），换热管（14）的两端串联在所述气压系统的主干气路中，且左侧无杆腔的低压气室和右侧无杆腔的低压气室通过出口处的单向阀与换热管的一端均连通，换热管的另一端通过两个高压气室入口处的单向阀与两个高压气室均连通，换热管（14）浸没于液压油中；
所述气压系统，包括进气管线、过滤器和出气管线；从进气管线进入的气体经由过滤器过滤后，通过管线输送至分别位于两个低压缸套（16）内的四个低压气室（2）中的两个低压气室内；气体在另两个低压气室（2）内被低压活塞（3）压缩并排出，排出的气体通过管线以及换热器输送至一个高压气室（5）进行二次压缩，当三位四通电磁换向阀换向后，二次压缩后的气体从所述一个高压气室（5）经出口处的单向阀进入出气管线。
2.根据权利要求1所述的一种液控双级活塞式增压装置，其特征在于：所述高压活塞杆（9）和低压活塞杆（4）的直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种液控双级活塞式增压装置，其特征在于：两个所述油室（7）的外侧分别安装有一个用于检测油室（7）内压力的电接点压力表（8），两个电接点压力表（8）和所述三位四通电磁换向阀（11）均通过导线连接在一个自动控制器上，自动控制器不断通过电接点压力表（8）监测油室（7）内的压力，油泵（12）将液压油不断泵送至油室（7）的过程中，油室（7）内的压力不断升高，当自动控制器监测到的一个油室（7）内压力值等于预定值时，自动控制器便向三位四通电磁换向阀（11）发出指令，使其执行换向动作，换向后，压力较高的油室（7）中的液压油反向流出，使压力降低，与此同时，液压油被泵送至另一个油室（7）内，使该另一个油室（7）内压力升高。 说明书 : 一种液控双级活塞式增压装置技术领域[0001] 本发明属于油田采油工程装备领域，尤其涉及一种液控双级活塞式增压装置。背景技术[0002] 目前在油田开发中应用的气举工艺，其地面压气站主要使用活塞往复式压缩机对气体进行加压。活塞往复式压缩机由曲柄连杆机构将驱动机的旋转运动变为活塞的往复运动，活塞与气缸共同组成压缩机工作腔，依靠活塞在气缸内的往复运动，并借助进、排气阀的自动开闭，使气体周期性地进入气缸工作腔，进行压缩和排出。存在惯性力大、转速不能太高、机器较笨重、结构复杂、易损件多、维修工作量大、维护费用相对较高等问题。[0003] 申请号为CN201810366010.5的发明专利文件中公开了一种增压比可变的多级多用途液压增压器，这种增压器通过多级活塞在气缸内的往复运动实现增压，有效解决了离心式压缩机存在的上述问题。然而，这种增压器存在不足：1、这种增压器中采用了多达13个电磁换向阀，而电磁换向阀的流道通常较。罅渴褂玫绱呕幌蚍Р坏嵊跋煲貉购推瓜低车墓ぷ餍，而且大幅增加了设备的复杂程度和故障率。2、这种增压器中，液压驱动的传递活塞的直径最大，其它各级增压活塞的直径较。芤貉沽髁克，这种增压器的增压效率较低。3、这种增压器中，所有的增压缸均为单作用缸，即只在压缩行程工作，扩张行程吸入待压缩介质，这从另一方面限制了增压效率的提升。发明内容[0004] 本发明的目的是研究一种液控双级活塞式增压装置，使其适用高温气体、液体、气液混合体等多种介质的同时，结构更加简单，增压效率更高。[0005] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种液控双级活塞式增压装置，包括增压总成，增压总成内设置有气室和油室，气室上连接有气压管线，油室上连接有液压管线，从而使气室和油室参与组成液压系统和气压系统；[0006] 增压总成，包括高压缸套、高压活塞、低压缸套和低压活塞，高压活塞滑动安装在高压缸套内，低压活塞滑动安装在低压缸套内；[0007] 所述高压缸套共有两个，两个高压缸套同轴且固定连接，两个高压缸套内各设置有一个高压活塞，两个高压活塞之间连接有一根活塞杆，称为高压活塞杆；高压活塞杆从两个高压缸套之间连接处的隔板中央穿过并与该隔板滑动密封配合；每个高压缸套的内部空间均被所述高压活塞分成一个气室和一个油室，该处气室称为高压气室，其中，两个高压气室分别位于两个高压活塞与各自对应侧的低压缸套之间，两个油室均位于两个高压活塞之间；[0008] 所述低压缸套共有两个，两个低压缸套分别固定连接在由两个高压缸套组成的连接体的两端，每个低压缸套内设置有一个低压活塞，每个低压活塞与邻近的高压活塞之间各连接有一根活塞杆，称为低压活塞杆，低压活塞杆从高压缸套与低压缸套之间连接处的隔板中央穿过，并与该隔板滑动密封配合；每个低压缸套的内部空间均被所述低压活塞分成左右两个气室，两个气室均称为低压气室；[0009] 所述油室所在的高压缸套的直径小于低压缸套的直径；[0010] 所述液压系统，包括第一油路和第二油路，第一油路由油箱、油泵、三位四通电磁换向阀和一个油室通过液压油管依次连接而成，第二油路由油箱、三位四通电磁换向阀和另一个油室通过液压油管依次连接而成，油箱内盛装有液压油；通过控制三位四通电磁换向阀，能够实现三位四通电磁换向阀与所述高压缸套之间的液压油管中液压油流向的切换，进而实现两个油室中液压油的可控进出，最终使所述增压总成内的各活塞能够在液压驱动下往复移动；[0011] 所述气压系统，包括进气管线、过滤器和出气管线；从进气管线进入的气体经由过滤器过滤后，通过管线输送至分别位于两个低压缸套内的四个低压气室内；气体在低压气室内被低压活塞压缩并排出，排出的气体通过管线输送至高压气室进行二次压缩，二次压缩后的气体从高压气室后进入出气管线。[0012] 气压管线与各气室的连接处设置有用于防止返流的单流阀。[0013] 作为优选方案，所述油箱内设置有换热管，换热管的两端串联在所述气压系统的主干气路中，且位置位于低压气室的出口与高压气室的入口之间，换热管浸没于液压油中。[0014] 作为优选方案，所述单流阀内置于各气室端部的所述隔板上以及与所述低压气室端部位置对应处的低压缸套中；[0015] 单流阀的结构包括阀球和阀座，阀球置于阀座上方，单流阀的进口和出口均加工在所述隔板上或低压气室的端部，以实现各气室内外的连通；单流阀处于关闭状态时，阀球在自身重力作用下贴靠在阀座上端的内侧，以实现阀球与阀座的密封；单流阀处于导通状态时，阀球在流体的推动下远离阀座，以实现单流阀的入口和出口的导通。[0016] 作为优选方案，所述增压总成的两端分别设置有一个旁通阀，两个旁通阀与各低压气室并联。[0017] 作为优选方案，所述高压活塞杆和低压活塞杆的直径相同。[0018] 作为优选方案，两个所述油室的外侧分别安装有一个用于检测油室内压力的电接点压力表，两个电接点压力表和所述三位四通电磁换向阀均通过导线连接在一个自动控制器上，自动控制器不断通过电接点压力表监测油室内的压力，油泵将液压油不断泵送至油室的过程中，油室内的压力不断升高，当自动控制器监测到的一个油室内压力值等于预定值时，自动控制器便向三位四通电磁换向阀发出指令，使其执行换向动作，换向后，压力较高的油室中的液压油反向流出，使压力降低，与此同时，液压油被泵送至另一个油室内，使该油室内压力升高。[0019] 本发明的有益效果为：[0020] 1、本发明对现有的增压器进行了改进，通过对增压总成内各气室、油室和活塞的布置方式进行重新设计，将电磁换向阀的数量减少到一个，一方面，简化了气压系统的结构，降低了复杂程度，减少了故障率、降低了维护难度，另一方面，通过控制两个旁通阀的开关状态，仍能够实现现有技术中所能达到的增压比可变的功能。[0021] 2、本发明可有效提高增压效率，两个油室通过高压缸套中间的隔板相互隔离，增压总成内设置有两个高压活塞和两个低压活塞，各活塞刚性串联在一起，以左侧高压活塞为例，高压活塞左侧为待压缩气体，右侧为驱动换向用的液压油，低压活塞为双作用活塞，可在活塞两侧同时压缩、吸入待压缩气体，从而提高增压效率。另外，高压活塞在发挥液压驱动功能的同时，又能够单方向压缩待压缩气体，从而进一步提高增压效率。[0022] 3、本发明在油箱内设置了换热管，待压缩气体从低压气室流出，进入高压气室前，通过油箱内的换热管降温或升温，以满足工作环境对介质温度要求。[0023] 4、本发明中的单向阀采用的是无弹簧的重力球形式，对不同状态介质适应性更好，不易受杂质影响，可靠性更高。另外，本发明创造性地将单流阀结合在隔板或低压气室端部的低压缸套中，可大幅降低增压设备安装的工作量，也有利于缩小增压设备的体积。[0024] 5、本发明中，自动控制器通过两个电接点压力表监测两个油室内的压力，并将监测的压力值与设定的压力值对比，如果油室内的压力升高至设定的压力值，则控制三位四通电磁换向阀动作，从而实现了自动换向。附图说明[0025] 图1是本发明的整体结构示意图。[0026] 图2是增压总成的结构示意图。[0027] 图3是单流阀在隔板或低压缸套端部的设置方式示意图。[0028] 图中，1、单流阀，2、低压气室，3、低压活塞，4、低压活塞杆，5、高压气室，6、高压活塞，7、油室，8、电接点压力表，9、高压活塞杆，10、旁通阀，11、三位四通电磁换向阀，12、油泵，13、油箱，14、换热管，15、隔板，16、低压缸套，17、高压缸套，18、阀球，19、阀座。具体实施方式[0029] 以下结合附图对本发明做进一步描述：[0030] 如图1所示，本实施例包括增压总成，增压总成内设置有气室和油室7，气室上连接有气压管线，油室7上连接有液压管线，从而使气室和油室7参与组成液压系统和气压系统，液压系统的作用是驱动增压总成内的可动部件，从而为增压总成的增压过程提供动力，气压系统的作用是将待增压的气体依次输送至增压总成内的各增压腔室（气室），使气体压力增加后待用。[0031] 如图2所示，增压总成，包括两个高压缸套17、两个高压活塞6、两个低压缸套16和两个低压活塞3，高压活塞6滑动安装在高压缸套17内，低压活塞3滑动安装在低压缸套16内。[0032] 如图2所示，两个高压缸套17同轴且固定连接，两个高压缸套17内各设置有一个高压活塞6，两个高压活塞6之间连接有一根活塞杆，称为高压活塞杆9；高压活塞杆9从两个高压缸套17之间连接处的隔板15中央穿过并与该隔板15滑动密封配合；每个高压缸套17的内部空间均被所述高压活塞6分成一个气室和一个油室7，该处气室称为高压气室5，其中，两个高压气室5分别位于两个高压活塞6与各自对应侧的低压缸套16之间，两个油室7均位于两个高压活塞6之间。工作时，通过向两个油室7内交替泵入和排出液压油，来驱动高压活塞6，从而实现高压活塞6的直线往复运动。[0033] 如图2所示，两个低压缸套16分别固定连接在由两个高压缸套17组成的连接体的两端，每个低压缸套16内设置有一个低压活塞3，每个低压活塞3与邻近的高压活塞6之间各连接有一根活塞杆，称为低压活塞杆4，低压活塞杆4从高压缸套17与低压缸套16之间连接处的隔板15中央穿过，并与该隔板15滑动密封配合；每个低压缸套16的内部空间均被所述低压活塞3分成左右两个气室，两个气室均称为低压气室2。工作时，两个低压活塞3在高压活塞6的带动下，与两个高压活塞6同步运动，[0034] 本实施例中，所述油室所在的高压缸套17的直径小于低压缸套16的直径，有利于在液压系统流量一定的情况下，提供更大的气体压缩空间，从而有效提高增压效率。[0035] 如图1所示，所述液压系统，包括第一油路和第二油路，第一油路和第二油路首尾连接成一个完整的液压回路。第一油路由油箱13、油泵12、三位四通电磁换向阀11和一个油室7通过液压油管依次连接而成，第二油路由油箱13、三位四通电磁换向阀11和另一个油室7通过液压油管依次连接而成，油箱13内盛装有液压油。工作时，在第一油路中，油泵12将油箱13内的液压油泵送至一个油室7内，继而推动该油室7端部的高压活塞6移动，该油室7的空间增大，与此同时，在第二油路中，另一油室7内的高压活塞6的移动使该油室7内的空间减。潭费垢糜褪7内的液压油被挤出，挤出的液压油沿第二油路流回油箱13中。通过控制三位四通电磁换向阀11，能够实现三位四通电磁换向阀11与所述高压缸套17之间的液压油管中液压油流向的切换，进而实现两个油室7中液压油的可控进出，最终使所述增压总成内的各活塞能够在液压驱动下往复移动。两个油室7通过高压缸套17中间的隔板15相互隔离，增压总成内设置有两个高压活塞6和两个低压活塞3，各活塞刚性串联在一起，以左侧高压活塞6为例，高压活塞6左侧为待压缩气体，右侧为驱动换向用的液压油，低压活塞3为双作用活塞，可在活塞两侧同时压缩、吸入待压缩气体，从而提高增压效率。另外，高压活塞6在发挥液压驱动功能的同时，又能够单方向压缩待压缩气体，从而进一步提高增压效率。[0036] 如图1所示，所述气压系统，包括进气管线、过滤器和出气管线；从进气管线进入的气体经由过滤器过滤后，通过管线输送至分别位于两个低压缸套16内的四个低压气室2内；气体在低压气室2内被低压活塞3压缩并排出，排出的气体通过管线输送至高压气室5进行二次压缩，二次压缩后的气体从高压气室5后进入出气管线。气压管线与各气室的连接处设置有用于防止返流的单流阀1，本发明中的单向阀采用的是无弹簧的重力球形式，对不同状态介质适应性更好，不易受杂质影响，可靠性更高。[0037] 如图1所示，所述油箱13内设置有换热管14，换热管14的两端串联在所述气压系统的主干气路中，且位置位于低压气室2的出口与高压气室5的入口之间，换热管14浸没于液压油中。待压缩气体从低压气室2流出，进入高压气室5前，通过油箱13内的换热管降温或升温，以满足工作环境对介质温度要求。[0038] 如图2、3所示的，所述单流阀1内置于各气室端部的所述隔板15上以及与所述低压气室2端部位置对应处的低压缸体16中。[0039] 单流阀1的结构包括阀球18和阀座19，阀球18置于阀座19上方，单流阀1的进口和出口均加工在所述隔板15上或低压气室2的端部，以实现各气室内外的连通；单流阀1处于关闭状态时，阀球18在自身重力作用下贴靠在阀座19上端的内侧，以实现阀球18与阀座19的密封；单流阀1处于导通状态时，阀球18在流体的推动下远离阀座19，以实现单流阀1的入口和出口的导通。具体实施时，每个气室的进气端和出气端的两个单流阀1的结构会稍有不同，这种不同主要体现在每个单流阀1的入口和出口位置的设置。图3中展示了每个气室的进气端和出气端的两个单流阀1的结构，进气端的单流阀1的入口通向增压总成的外侧，出口通向气室内部，出气端的单流阀1的入口与气室内部空间连通，出口与增压总成的外部联连通。[0040] 如图1所示，所述增压总成的两端分别设置有一个旁通阀10，两个旁通阀10与各低压气室2并联。[0041] 本实施例中，所述高压活塞杆9和低压活塞杆4的直径相同。[0042] 如图1所示，两个所述油室7的外侧分别安装有一个用于检测油室7内压力的电接点压力表8，两个电接点压力表8和所述三位四通电磁换向阀11均通过导线连接在一个自动控制器上，自动控制器不断通过电接点压力表8监测油室7内的压力，油泵12将液压油不断泵送至油室7的过程中，油室7内的压力不断升高，当自动控制器监测到的一个油室7内压力值等于预定值时，自动控制器便向三位四通电磁换向阀11发出指令，使其执行换向动作，换向后，压力较高的油室7中的液压油反向流出，使压力降低，与此同时，液压油被泵送至另一个油室7内，使该油室7内压力升高。本发明中，自动控制器通过两个电接点压力表8监测两个油室7内的压力，并将监测的压力值与设定的压力值对比，如果油室7内的压力升高至设定的压力值，则控制三位四通电磁换向阀动作，从而实现了自动换向。[0043] 工作原理：[0044] 一、两级压缩模式（低压气缸之间的旁通阀10关闭）[0045] 待压缩气体由进气管线进入，并被引导至气体过滤器（25微米过滤器，设计最大工作压力1500psi）。气体过滤器上可设置一个1250psi的安全阀，安全阀应通过管道连接至合适的橇外通风口或火炬。待压缩气体从气体过滤器流向低压气室2的进口，利用单流阀1（利用重力关闭的重力球式单流阀1），当低压气室2内的气体压力降至入口气体压力以下时，气体压力将阀球18从阀座19上提起，从而使气体填充低压气室2。[0046] 当低压气室2内的压力接近进气压力时，重力球式单流阀1中的阀球18将在自身重力作用下重新落于阀座19上。一旦气体被压缩到高于级间管道压力的压力，出口单流阀1中的阀球18将从阀座19上升起，使气体离开低压气室2。一旦低压活塞3完成其冲程（行程），重力将使阀球18返回阀座19。[0047] 低压气室2内流出的气体通过管路进入液压油箱13内的换热管14，液压油箱13中的温度不应超过165华氏度，低压气室2的出口气体温度在进入高压气室5之前需要冷却，气体从换热管14流向高压气室5，经高压气室5的压缩后输送至出气管线。低压气室2作为两个双作用气室在活塞行程的两个方向上压缩，而高压气室5作为两种单作用气室仅在活塞行进的一个方向上挤压。两级模式的工作压力限制在1500psig的排放压力。最高排放温度限制在400F。[0048] 二、单级压缩模式（低压气室2之间的旁通阀10开启）[0049] 待压缩气体由气体入口进入，并被引导至气体过滤器（25微米过滤器，设计最大工作压力1500psi）。气体从过滤器流向低压气室2入口处的单流阀1。由于旁通阀10打开，低压气室2的入口和出口压力相同，因此气体只需流经两个低压气室2（低压活塞3移动时）和旁通阀10。低压气室2不工作或很少工作。气体从低压气室2通过级间管道进入液压油箱13内的换热管14，继而经由高压气室5后进入出气管线。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2024-05-06

专利公开日期：2024-10-22

专利公告号：CN118462669B