NO329089B3 - Undervanns kompressormodul og fremgangsmåte for trykkregulering i samme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører undervanns kompressormoduler for komprimering av hydrokarbongasser i en brønnstrøm, og nærmere bestemt en undervanns kompressormodul som omfatter et trykkhus, en kompressor og en motor som er atskilt med et tetningselement.

Undervanns kompressorer som drives med elektriske motorer reiser problemer med å holde den gassfytte, elektriske motor så tørr som mulig, for å unngå korrosjon og andre problemer relatert til utskilling av hydrokarbonkondensater og vann i væskeform inne i motoren. Det er av særlig viktighet å unngå tilstedeværelse av vann i væskeform sam-men med innhold av H2S eller CO2som kan danne syrer og følgelig akselerert korrosjon. Disse problemene diskuteres 1 de norske patenter NO 172075 og NO 173197, så vel som norsk patentsøknad 20015199.

Ellers viser GB 2298459 generelt utformingen og konstruksjonen av et integrert system for styring av rotorposisjonen inne i en kompressor for forbedret ytelse og funksjonalitet for en gassturbinmotor. I dette tilfellet er rotoren styrt av magnetlagre som understøtter og posisjonerer rotoren og dens aksel med hensyn til kompressorhuset, for å besørge ustabilitetsstyring og frembringe en lokal forstyrrelse, noe som endrer dynamikken til systemet og forskyver kompressorbølgelinjen. Dessuten omtaler WO 02/099286 en kompressorenhet med en sentrifugalkompressor for komprimering av gass, der en rotor har ett eller flere kompressorløpehjul samt en elektrisk motor med en stator og en rotor for drift av kompressorrotoren. Kompressoren og den elektriske motoren er opptatt i et felles gasstett hus, forsynt med et gassinnløp og -utløp. Rotoren til kompressoren og rotoren til den elektriske motoren er anordnet på en felles rotoraksel, som er montert i magnetlagre. Rotorakselen omfatter en eneste enhet og er montert i to radiale magnetlagre, hvert i nærheten av én ende av den felles rotoraksel, og ett aksialt magnetlager, som er anordnet1nærheten av ett av de radiale lagre.

Kjente undervanns kompressormoduler anvender regulære oljesmurte lagre eller lignen-de. Oppfinnerne har utforsket mulighetene for å anvende magnetlagre i slike undervanns kompressormoduler, ettersom dette vil ha flere fordeler, særlig under drift. Magnetlagre er mer pålitelige og mindre kostbare å operere. Av særlig viktighet er at an-vendelsen av magnetlagre eliminerer smøreolje, og derfor mulige problemer som kan opptre ved: fortynning av smøreoljen med de hydrokarbongasser som den er i kontakt med, akkumulering av hydrokarbonkondensater eller vann i smøreoljen eller degrade-ring av smøreoljen over tid på grunn av dens spesielle anvendelse i undervanns kompressormoduler. Problemet man møter ved anvendelse av ikke-innkapslede magnetlagre i en undervanns kompressormodul tilsvarer i mange henseende det som er forbundet med anvendelse av elektromotorer: begge trenger en fullstendig tørr atmosfære for å fungere korrekt over tid. Det finnes også innkapslede magnetlagre, eller disse er under utvikling. Det påstås at disse kan operere i den ubehandlede brønnstrømmen av hydrokarbongass. Det er imidlertid grunner til å anta at det også for disse typer magnetlagre er en fordel for lang tids funksjonalitet og pålitelighet at de installeres og opereres i en tørr atmosfære.

Det er derfor et behov for et system og en fremgangsmåte for å sørge for en fullstendig eller tilnærmet fullstendig tørr omgivelse for den elektriske motor og for magnetlagrene.

Den foreliggende oppfinnelse oppfyller det ovennevnte behov, ved at den tilveiebringer en undervanns gasskompressormodul som har et trykkhus, hvilket omfatter en elektrisk motor og en kompressor, som er drivbart forbundet med minst en aksel, idet kompressoren og motoren er innbyrdes isolert med minst en tetning, slik at trykkhuset deles i et første og et andre rom som omfatter kompressoren henholdsvis motoren. Undervanns gasskompressoren i henhold til oppfinnelsen erkarakterisert vedat den minst ene aksel bæres av magnetlagre som styres av en styreenhet, idet styreenheten er plassert utenfor trykkhuset, og forbundet til magnetlagrene ved hjelp av kabelforbindelser eller undervanns, sammenkoblbare konnektorer.

De elektroniske og elektriske komponenter for magnetlagrene er plassert inne i et separat trykkhus nær kompressormodulen. Dette trykkhuset er fylt med en inert gass, typisk nitrogen, eller en inert væske, og har el innvendig trykk i området en bar, eller i det området som de elektroniske komponenter kan tolerere. Det er et betydelig antall kabler mellom huset for elektronikken for magnetlagrene og huset for kompressormodulen. Disse kablene tilfører de magnetiske lagre en styrt magnetisenngsstrøm, så vet som å sende signaler fra sensorene i magnetlagrene til kontrollelektronikken i trykkhuset for elektronikken for magnetlagrene. Spesielle gjennomføringer gjennom veggene i trykkhuset hindrer inntrenging av sjøvann. Ledningene mellom trykkhuset for elektronikken og kompressormodulen kan enten forbindes med undervanns, sammenkoblbare konnektorer, eller de kan forbindes tørt.

I en foretrukket utførelse er gasskompressoren i henhold til oppfinnelsenkarakterisertved at det første rom er forbundet til en innløpsledning og en utløpsledning for mottak av gass henholdsvis avgivelse av gass; og innløpsledningene og utløpsledningene omfatter respektive ventiler for stenging av ledningene, og videre innbefattende

- at det første rom et ytterligere inndelt i et tredje rom ved hjelp av et annet tetningselement, innbefattende en annen opplagring; - magnetlagre i det annet rom og magnetlagre i det første rom for å bære den minste ene aksel; - en trykk- og volumregulator som strømningsteknisk er forbundet til det annet rom og til en gassforsyning, og som omfatter midler for avføling av respektive trykk i innløps-og utløpsledningene; hvorved, basert på størrelsen av det avfølte trykk, trykk- og volumregulatoren regulerer trykket for injeksjon av gass fra forsyningen, inn i det annet rom.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte til regulering av trykket i en undervanns kompressormodul, når kompressoren går, som beskrevet ovenfor, omfattende: a) komprimering av brønnstrømgass som ved et sugetrykk mates inn i kompressoren og det første rom; b) avgivelse av gassen fra det første rom ved et avgivelsestrykk hvilken fremgangsmåte erkarakterisert ved:

c) avføling av sugetrykk,

d) injisering av en tørr eller inert gass fra en forsyning, inn i det andre rom, ved et

injeksjonstrykk,

hvor injeksjonstrykket er større enn sugetrykket, og hvor fluidstrøm direkte fra det førs-te rom og inn i det andre rom forhindres.

Oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte til regulering av trykket i undervanns kompressormodulen som beskrevet ovenfor, når kompressoren er inaktiv og ventilene 7 og 9 er stengt og ventil 8 er åpen, og fremgangsmåten erkarakterisert ved:

a) avføling av et sugetrykk oppstrøms det første rom,

b) avføling av et avgivelsestrykk nedstrøms det første rom,

c) injisering av en tørr eller inert gass fra en forsyning, inn i det andre rom, ved et

injeksjonstrykk,

hvor injeksjonstrykket er større enn sugetrykket eller avgivelsestrykket, og hvor fluid-strøm direkte fra det første rom og inn i det andre rom forhindres og iraitregning av våtgass og væske fra naturgassledningen inn i kompressormodulen også forhindres.

En utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet i nærmere detalj, med henvisning til de ledsagende tegninger, hvor like deler er blitt gitt like henvisningstall.

Figur 1 er et skjematisk riss av en utførelse av systemet i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 er et skjematisk riss av en annen utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen. Figur 3 er et skjematisk riss av en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen.

Det skal nå vises til tegningene, særlig figur 1, hvor et skjematisk riss av systemet i henhold til oppfinnelsen er vist. Et trykkhus 3 inneholder en elektrisk motor 1, som er forbundet til en kompressor 2 ved hjelp av en eller flere aksler 13. Både motoren og kompressoren er utstyrt med magnetlagre. Seks lagre er nødvendige hvis akselen 13 er koblet med en fleksibel kobling mellom kompressorens aksel og motoren, det vil si et aksiallager og to radial lagre i hver enhet, mens kun tre lagre vil være tilstrekkelig hvis akselen 13 er en enkelt aksel eller kompressorens og motorens aksler er koblet via en stiv kobling, det vil si ett aksiallager og to radial lagre for hele kompressormodulen. Trykkhusets innvendige hulrom er delt hovedsakelig i to rom ved hjelp av et tetningselement 14. Dette tetningselementet, eller akseltetningen, er vanlig kjent innen teknik-ken. Tetningen 14 deler følgelig hovedsakelig det innvendige volum i trykkhuset i et første rom som inneholder kompressoren 2 med magnetlageret 12', og et andre rom som inneholder den elektriske motor 1 med magnetlageret 12. De nødvendige elektroniske komponenter for styring og overvåkning av magnetlagrene er symbolisert med henvisningstall 16, hvilket angir en enhet som er forbundet til magnetlagrene.

Hydrokarbonbass (brønnstrømgass) ved et sugetrykk (ps) mates inn i det første rom via ledningen 11. Gassen avgis fra kompressoren ved et avgivelsestrykk (pd) når ventilen 9 er åpen under drift. Under drift, når kompressoren 2 komprimerer brønnstrømsgassen, er ventilen 8 stengt, mens ventilene 7 og 9 er åpne. Hydrokarbongass bringes følgelig til å strømme og komprimeres på en regulær måte. Som tidligere nevnt er det av stor viktighet at det andre rom, som inneholder motoren 1, omfatter en tørr og korrosjonsfri omgivelse. En gassledning er derfor forbundet til en gassforsyning 10 for injeksjon av gass fra denne forsyningen, inn i det andre rom. Denne injeksjonen av gass ved pi inn i det andre rom gjøres mulig med trykk- og volumregulatoren 4. Trykk- og volumregulatoren 4 regulerer injeksjonstrykket basert på de avfølte suge- og avgivelsestrykk gjennom avfølingsledningene 5 henholdsvis 6. For å hindre hydrokarbongass i å trenge inn fra det første rom og inn i det andre rom under drift, sørger trykk- og volumregulatoren for at pi alltid er større enn sugetrykket. Under en nedstengingssituasjon eller inaktiv situasjon er ventilene 7 og 9 avstengt, mens ventilen 8 er åpen. I visse forbigående tilstander kan avgivelsestrykket være mindre enn sugetrykket. Trykk- og volumregulatoren 4 må følgelig justere injeksjonsgasstrykket (pi) slik at injeksjonsgasstrykket er stør-re enn sugetrykket eller avgivelsestrykket, uansett hvilket som er høyest. Ettersom ventilene 7 og 9 er stengte når kompressoren ikke er i drift, vil trykket inne i hele modulen 3 utlignes til injeksjonstrykket (pO, og inntrengning av våtgass eller væsker fra ledningen 11 inn i kompressormodulen 3 forhindres, hvilket særlig beskytter motoren og lagrene.

Figur 2 viser i prinsippet det samme system som figur 1, men systemet har nå en alter-nativ kilde for tørr injeksjonsgass. På figur 2 kan den inerte gassen fra forsyningen 10, når kompressoren går, erstattes med hydrokarbongass som ekstraheres fra kompressorens utløp eller fra et mellomliggende trinn, avkjøles i varmeveksleren 60, strupes i en Joule-Thomson ventil 70 før den kommer inn i en væskeutskiller 80. Dette system og

denne fremgangsmåte er beskrevet i norsk patentsøknad 20015199. I denne konfigura-sjonen er ventilen 83 avstengt mens ventilen 82 er åpen når kompressoren går. Henvisningstall 81 identifiserer en konvensjonell avgivelsesledning fra en væskeutskiller, hvilken typisk mater den oppsamlede væske, som også kan inneholde partikler, tilbake til sugesiden, mens henvisningstall 120 angir en injeksjonsledning for en hydratinhibitor (valgfri).

Når kompressoren er avstengt eller inaktiv, er ventilen 82 stengt, mens ventilen 83 er åpen, og injeksjonsgassen fra reservoaret 10 og injeksjonstrykket pt reguleres som tidligere beskrevet. Ventilene 7 og 9 er avstengt og ventil 8 er åpen.

En valgfri fremgangsmåte til å holde duggpunktet for injeksjonsgassen under tempera-turen i sjøen under drift, er å blande den hydrokarbongass som ekstraheres fra kompressorens utløp eller et mellomliggende trinn med en fraksjon av gass fra 10, tilstrekkelig til å holde duggpunktet under sjøvannstemperatur. Ventilen 70 kan følgelig elimineres, og også kjøleren 60 og væskeutskilleren 80.

Figur 3 er annen utførelse av oppfinnelsen som beskrevet på figur 1, hvor det første rom hovedsakelig har blitt videre oppdelt i et ytterligere rom, kompressoren er fortsatt i et første rom, mens et tredje rom, nå avgrenset av akseltetningen 15, innholder et magnetlager 12, hvilket også utsettes for injeksjonsgass ved pi.

Som det har blitt beskrevet i det ovenstående, kan motoren og kompressoren være forbundet via en eller flere aksler 13 (eksempelvis en enkelt aksel eller koblede aksler). Både motoren 1 og kompressoren 2 er forsynt med magnetlagre 12. I tilfellet av en koblet aksel er det nødvendig med seks lagre, det vil si et aksiallager og to radiallagre for hver enhet. Med en enkelt aksel, eller en stiv kobling mellom motorens aksel og kompressorens aksel, er det tilstrekkelig med tre lagre, det vil si et aksiallager og to radiallagre for hele kompressormodulen.

Akseltetningen 14 deler trykkhuset 3 i to rom:

(i) et første rom som omslutter kompressoren 2, og

(ii) et andre rom som omfatter motoren 1 og (valgfritt) et koblingshus.

Kompressormodulen kan også være forsynt med en kompressorakseltetning 15 ved den akselenden som er motsatt motorens side, hvilket danner et tredje rom.

Magnetlagrene i kompressoren 2 kan plasseres i det første rom hvis de er av den innkapslede type, i hvilket tilfelle rom tre er overflødig, eller hvis det vurderes fordelaktig å ha dem i tørr atmosfære, plasseres de i rom to og tre.

Det andre (og valgfritt det tredje) rom trykksettes med en gass ved pi, for å hindre inntrenging av hydrokarbongasser fra det første rom. Gassen som er trykksatt ved pi kan være en inert gass fra reservoaret 10 eller (for eksempel) en tørket hydrokarbongass ekstrahert fra kompressorens utløp eller et mellomliggende trinn, varmevekslet mot et kjølemedium (eksempelvis sjøvann) i varm veksleren 60 og strupet før den kommer inn i væskeutskiHeren 80, i samsvar med det utstyr og den prosess som er beskrevet i norsk patentsøknad nr. 20015199. Gassen som er trykksatt ved pi kan valgfritt være en blanding av begge gasser, som beskrevet ovenfor.

Under drift genererer kompressoren 2 et sugetrykk (ps) og et avgivelsestrykk (p<j). Avgivelsestrykk ligger typisk i området pd = 70 bar til 150 bar, og sugetrykk typisk i området 40 bar til 140 bar.

Under drift er ventilene 7 og 9 åpne, mens ventil 8 er avstengt, og pd > ps- For å hindre gassinntrenging i det andre (og valgfritt det tredje) rom, må trykket i det andre rom overstige sugetrykket, det vil si: pi > ps.

Dette oppnås ved hjelp av trykk- og volumregulatoren 4, som avføler ps gjennom led-ning 5 og justerer av pi i henhold til dette.

Ved nedstenging og inaktive situasjoner stenges ventilene 7 og 9, mens ventil 8 er åpen. I visse forbigående tilstander er pd < ps. Regulatoren 4 må følgelig justere trykket i den inerte gassen slik at pi > ps eller pt > pd, uansett hvilket som er høyest. I slike tilfeller vil trykket inne i hele modulen 3 (første, andre og (valgfritt) tredje rom) være utlignet (pi), hvilket forhindrer lekkasjer av våtgass fra naturgassledningene 11 oppstrøms og ned-strøms av kompressoren inn i modulen.

Når kompressormodulen er installert i en kompressorstasjon i henhold til norsk patent-søknad nr. 20034055, kan beskyttelsen av kompressorens motor og magnetlagre (andre og (valgfritt) tredje rom) mot kondensert vann og hydrokarboner forbedres vesentlig. I et slikt tilfelle er det i prinsippet intet behov for å injisere inert eller tørr hydrokarbongass når kompressoren er i drift, fordi atmosfæren i kompressormodulen og "antisurge recycle line" vil være fullstendig tørr ved drift. Injisering er derfor kun nødvendig når kompressoren er avstengt og inaktiv. Imidlertid - som en sikkerhetsforanstaltning mot kondensasjon - tilføres en liten injiseringsstrømning fortløpende ved drift.

Claims (16)

1. Undervanns gasskompressormodul med et trykkhus (3), som innbefatter: en elektrisk motor (1) og en kompressor (2), drivbart forbundet med minst en aksel (13); hvor kompressoren og motoren er innbyrdes isolert med minst en tetning (14), og der-ved deler trykkhuset (3) i et første og et annet rom som omfatter kompressoren henholdsvis motoren,karakterisert vedat den minst ene aksel bæres av magnetlagre (12) som styres av en styreenhet (16), idet styreenheten er plassert utenfor trykkhuset, og forbundet til magnetlagrene ved hjelp av kabelforbindelser eller undervanns, sammenkoblbare konnektorer; idet styreenheten innbefatter elektroniske og elektriske komponenter som er plassert inne i et separat trykkhus nær gass-kompressormodulen.

2. Gasskompressormodul som angitt i krav 1,karakterisertv e d at trykkhuset er orientert vertikalt.

3. Gasskompressormodul som angitt i krav 1,karakterisertv e d at motoren er plassert over kompressoren, hvor det annet rom er lokalisert over det første rom.

4. Gasskompressormodul som angitt i krav 1,karakterisertved at det første rom er forbundet til en innløpsledning (11) og en utløpsledning for mottak av gass henholdsvis avgivelse av gass; og innløpsledningene og utløpsled-ningene omfatter respektive ventiler (7, 9) for stenging av ledningene, og videre innbefattende - at det første rom et ytterligere inndelt i et tredje rom ved hjelp av et annet tetningselement (15), innbefattende en annen opplagring (12); - magnetlagre (12) i det annet rom og magnetlagre (12') i det første rom for å bære den minste ene aksel; - en trykk- og volumregulator (4) som strømningsteknisk er forbundet til det annet rom og til en gassforsyning (10), og som omfatter midler for avføling av respektive trykk i innløps- og utløpsledningene; hvorved, basert på størrelsen av det avfølte trykk, trykk- og volumregulatoren regulerer trykket for injeksjon av gass fra forsyningen, inn i det annet rom.

5. Gasskompressormodul som angitt i krav 4,karakterisertv e d at trykk- og volumregulatoren også er forbundet til det tredje rom, hvorved, basert på størrelsen av det avfølte trykk, trykk- og volumregulatoren regulerer trykket for injeksjon av gass fra forsyningen, inn i det tredje rom.

6. Gasskompressormodul som angitt i krav 4,karakterisertved at tetningselementene (14, 15) er akseltetninger som er forbundet med akselen (13).

7. Gasskompressormodul som angitt i krav 4-6,karakterisertved at gassforsyningen (10) er en inert gassforsyning, hvorved inert gass injiseres inn i det annet rom.

8. Gasskompressormodul som angitt i krav 4-6,karakterisertv e d at gassforsyningen er en brønnstrøm, og at hydrokarbongass ekstraheres fira kompressorens utløp eller et mellomliggende trinn, føres gjennom en varmeveksler (60), en strupeventil (70), en væskeutskiller (80), hvorved tørket hydrokarbongass injiseres inn i det annet rom.

9. Gasskompressormodul som angitt i krav 4-6,karakterisertv e d at hydrokarbongassen som ekstraheres fra kompressorens utløp blandes med en fraksjon av inert gass, for å holde duggpunktet under det for kjølemediet.

10. Gasskompressormodul som angitt i krav 4,karakterisertv e d at fluidet består av en blanding av inert gass og hydrokarbongass, med en an-del av inert gass for å gjøre duggpunktet for blandingen passende for å unngå kondensasjon, fortrinnsvis under sjøvannets temperatur ved alle driftsmodi eller nedstenging.

11. Fremgangsmåte til regulering av trykket i en undervanns kompressormodul som angitt i krav 1 eller 4, omfattende: a) komprimering av en brønnstrømgass som ved et sugetrykk (ps) mates inn i kompressoren (2) i det første rom; b) avgivelse av gassen fra det første rom ved et avgivelsestrykk (pa),karakterisert vedc) avføling (4, 5) av sugetrykk, d) injisering av en tørr eller inert gass (firemmedgass) fira en forsyning (10; 11) inn i det annet rom ved et injeksjonstrykk (pi), hvor injeksjonstrykket er større enn sugetrykket, og hvorved fluidstrøm direkte fra det første rom og inn i det annet rom forhindres.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisert vedat det før trinn d) også avføles (6) avgivelsestrykk.

13. Fremgangsmåte til regulering av trykket i en undervanns kompressormodul som angitt i krav 1 eller 4, når kompressoren (2) er inaktiv og ventilene 7 og 9 er stengt,karakterisert veda) avføling (4, 5) av et sugetrykk (ps) oppstrøms det første rom; b) avføling (4, 6) av et avgivelsestrykk (pd) nedstrøms det første rom; c) injisering av en tørr eller inert gass fra en forsyning (10; 11) inn i det annet rom ved et injeksjonstrykk (pi), hvor injeksjonstrykket er større enn sugetrykket og avgivelsestrykket, og hvorved fluid-strøm direkte fra det første rom og inn i det annet rom forhindres og inntrengning av våt gass og væsker fra naturgassledningen (11) inn i kompressormodulen (3) også forhindres.

14. Fremgangsmåte som angitt enten i krav 11 eller krav 13,karakterisert vedat den tørre eller inerte gass injiseres ved et injeksjonstrykk inn i et tredje rom som er avgrenset av et tetningselement (15).

15. Fremgangsmåte som angitt enten i krav 11 eller krav 13,karakterisert vedat gassforsyningen (10) er en inert gassforsyning, hvorved inert gass injiseres i det annet rom.

16. Fremgangsmåte som angitt enten i krav 11 eller krav 13,karakterisert vedat gassforsyningen (11) er en brønnstrøm, og at hydrokarbongass ekstraheres fira kompressorens utløp, føres gjennom en varmeveksler (60), en strupeventil (70), en væskeutskiller (80), hvorved tørket hydrogengass injiseres i det annet rom.