NO863387L - Fluidpumpe. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår roterende, positiv forflyt-ningsmaskiner for fluider og især, men ikke bare fluidpum-per for pumping av flerfase fluidblandinger, for eksempel olje, vann, gass eller faste emner i suspensjon.

I oljeproduksjonen fra offshore-brønner, har det inntil nylig vært vanlig å plassere en flytende eller gravitasjons-produksjonsplattform direkte over brønnhodene.

En viktig funksjon for denne plattform er å sepa-rere suspenderte emner, gass og vann fra det flerfasete produksjonsfluid produsert av hver brønn slik at råoljepum-pene på plattformen, som tømmer oljen i tankbåter eller til land via undersjøiske rørledninger, kan håndtere olje som inneholder meget lite fri gass.

Den senere tids utvikling offshore har ført til installering av undersjøiske kompletteringssystemer og brønnhoder for noen oljebrønner som leder det flerfasete fluid fra slike brønner gjennom rørledninger på sjøbunnen til en produksjonsplattform i noen avstand fra brønnene. Slike kompletteringer er til dags dato vært begrenset til relativt korte avstander mellom brønnhodene og de tilhør-ende produksjonsplattformer, på grunn av at ustabile strøm-ningsforhold kan og vil oppstå i lange horisontale rørled-ninger som håndterer flerfasefluider. Denne begrensning er alvorlig, på grunn av at dersom undersjøiske brønnkomplet-teringer kunne installeres i større avstand fra overflate-produksjonsstedene, ville kapitalkostnadene for utvikling av mange offshore oljefelt kunne reduseres vesentlig.

Problemet med føring av flerfaset produksjonsfluid fra brønnhodet gjennom rørledninger på sjøbunnen kan over-vinnes hvis det installeres en pumpe som er i stand til å håndtere flerfaset strøm ved innsugning, på sjøbunnen ved brønnhodet idet pumpen er konstruert for å heve fluidtryk-ket til et nivå hvor all, eller det meste av den frie gass blir reabsorbert inn i oppløsningen, siden dette vil føre til en praktisk talt enfaset strøm nedstrøms i rørledningen med meget lite fri gass og derved gi meget mer stabile strømningsforhold. Det er et vesentlig formål med oppfinnelsen å frembringe en slik pumpe.

For pumping av slipende væsker, er en passende type pumpe den velkjente pumpe med innvendig skrue og progressivt hulrom. En slik pumpe omfatter en spiralformet rotor, hvor den spiralformete overflate på rotoren består av n-antall blad som samvirker med en fast ytre sylindrisk stator som er generelt foret med elastisk materiale og som har en innvendig spiralformet profil bestående av ( n+ 1)-antall blad, hvor n er et hvilket som helst helt tall. Ved dreining av rotoren i forhold til statoren, vil rotoren dreies og preseseres samtidig som den griper inn i statoren ved jevne mellomrom for å danne hulrom som inneholder emnet som blir pumpet og beveget aksialt og i spiralform gjennom pumpen. Slike pumper virker tilfredsstillende, men har ulemper med at rotoren er utsatt for aksiale og radiale trykkbelastninger som forårsaker høye friksjonskrefter mellom rotoren og statoren. De er derfor utsatt for slitasje spesielt når de brukes for å pumpe fluider som inneholder slipende partikler. Videre vil rotorens presesjon føre til sentrifugale akselerasjonsbelastninger og disse belast-ninger vil også forårsake slitasje mellom rotoren og statoren med mindre rotorens omdreiningshastighet er holdt relativt lavt. I undersjøiske installasjoner hvor det er nødvendig å stenge en installasjon for reparasjon, vil vedlikehold eller utskiftning av en pumpe være meget kostbart og jo lenger slik reparasjon eller vedlikehold kan bli utsatt jo bedre vil det derfor være.

Et formål med oppfinnelsen er å frembringe en positiv forflytningspumpe som passer for å pumpe flerfasete blandinger inkludert gasser, væsker eller faste emner hvor de foregående ulemper med den progessive hulromstype pumpe unngåes eller minskes. Det er videre et formål med oppfinnelsen at denne pumpe kan passe for undersjøisk drift på sjøbunnen. Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en positiv fluidforskyvningsmaskin som omfatter et hus, et første element med innvendige spiralformete fremspring montert inn i nevnte hus, og et andre element med utvendige spiralformete fremspring montert inn i nevnte hus for dreining i forhold til nevnte første element, hvorved samvirkning mellom de spiralformete fremspring på det første og andre element danner hulrom imellom seg ved relativ dreining av det første og andre element, slik at et medium kan sendes aksialt gjennom maskinen idet både det første og andre spiralformete fremspringselemeht er dreibart. Fortrinnsvis er det første og andre element dreibart rundt faste aksler som er parallelle, men i avstand fra hverandre.

Fortrinnsvis har også de spiralformete fremspring på både første og andre element, to deler i motsatt retning hvorved mediumet kan sendes i motsatt retning mellom enden av maskinen og et mellomliggende sted.

En utførelse av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Figur 1 er et vertikalsnitt gjennom en rotasjons, positiv forskyvningspumpe ifølge oppfinnelsen og figur 2 er et skjematisk snitt av et tverrsnitt av pumpens rotorer som viser deres forholdsmessige størrelser. Med referanse til tegningene omfatter en roterende, positiv forskyvningspumpe et sylindrisk ytre hus 1 hvor det er anordnet et par fluid innløp 2, 3 og et fluid utløp 4. Konsentrisk anordnet inn i huset 1 er en første sylindrisk rotor 5 som består av en ytre hylse 6 forsynt med en elastisk foring 7, for eksempel av gummi. Hensikten med foringen 7 er å hindre slitasje på grunn av slipning, errosjon eller korrosjon. Foringen 7 har, som vist i tegningen, en venstre del 7a og en høyre del 7b hvor de to deler 7a og 7b er identisk med hverandre ved at de har "dobbeltstartende" innvendige spiralformete fremspring 8 av samme profil, med unntagelse av at venstre delen 7a har en høyre spiral og høyredelen 7b har en venstre spiral. På denne måte vil fluid som passerer gjennom rotoren bli rettet mot sentrale radiale porter 9 for å føres ut av pumpen gjennom utløpet 4.

Rotoren 5 er dreibart montert i radiale lager 10 anordnet mellom rotorhylsen 6 og pumpehuset 1. I forbind-else med den første rotor 5 er det montert en enkelt, stabil, andre rotor 11 med en drivaksel 12. Den andre rotor 11 har en "enkeltstartende" utvendig spiralformet profil og strekker seg gjennom begge delene 7a og 7b på første rotor 5, idet venstre og høyre deler av rotoren 11 har høyre og venstre spiraler som samvirker med de respektive spiraler på rotor 5. Rotortakselen 12 er montert for å dreie inn i hylselagerne 13, 14 om en aksel 15 parallelt med aksen 16 på første rotor 5, men i avstand fra denne slik at drivrot-oren 11 dreies eksentrisk i forhold til rotoren 8 og i inngrep med denne slik at den første rotor 5 drives ved dreining av den andre rotor 11 uten presisjon og i halv hastig-het i forhold til sistnevnte på grunn av nevnte inngrep mellom de spiralformete fremspring på rotorene 5, 11. Ved bruk er de mellomliggende overflater av rotorene 5, 11 fortrinnsvis separert av en tynn, smørende fluidfilm.

Som det vil fremgå fra figur 1 danner den første og andre rotor 5, 11 en rekke spiralformete åpninger 17 mellom seg hvor et medium kan transporteres aksiale gjennom pumpen fra et av innløpene 2, 3 til utløpet 4.

Den andre rotor 11 er av hvilket som helst passende materiale, for eksempel metall, med en overflate som kan motstå slipning, errosjon eller korrosjon.

Den aksiale høyde på de spiralformete fremspring 8 er konstant langs rotorens lengde på både den første og andre rotor 5, 11 slik at ingen reduksjon eller økning av volumet som er fylt av det pumpete eller arbeidende fluid, finner sted, og derfor heller ikke noen komprimering eller ekspandering ettersom fluidet føres aksialt gjennom pumpen. I progressive hulromspumper av denne generelle type, kan den andre rotor 11 ha et antall utvendige spiralformete fremspring (hvor n er minst 1) og den inngripende første rotor kan ha n+1. antall innvendige spiralformete fremspring, idet forholdet mellom rotasjonshastighetene blir n+ 1.

n

I det spesielle eksempelet som er. vist i figur 2 har den andre rotor 11 bare ett fremspring av konstant sirkelformet tverrsnitt langs lengden og med en diameter d og hvor rotasjonsaksen på den andre rotor 11 er anordnet vekk fra aksen 16 for dreining av den første rotor 5, i en avstand lik, eller meget lik avstanden e som er radialt eksentrisk i forhold til hvert fremspring på rotor 11. Det radiale tverrsnitt av det innvendige hull i den første rotor 5, er dannet av to motstående semisirkulære fordyp-ninger som hver har en diameter d+2c (hvor c er den gjen-nomsnittlige radiale klaring mellom de to rotorer 5, 11 i et radialt plan) idet de to halvsirkler er ført sammen av to parallelle rette linjer som hver har en lengde vesentlig lik 4e og hvor hver linje tangerer endene av de to halvsirkler (bemerk at c kan være negativ det vil si at rotor 11 kan rotere med negativ klaring inn i den elastisk forete rotor 5).

Rotorens drivaksel 12 strekker seg fra, eller er festet til rotor 11 for å danne aksel på en turbin 18 av kjent type. Turbinen 18 er fortrinnsvis, men ikke nødven-digvis drevet ved hjelp av sjøvann under høyt trykk som blir ført inn i turbinbladene gjennom sjøvanninnløpet 19 for å dreie akselen 12. Sjøvannet forlater turbinen gjennom sjøvannsutløpet 20, hvor det derfra kan enten føres direkte ut i sjøen eller bli ført i rørledning til brønnhodene i sjøvannsinnsprøytningsbrønner.

Mellom turbinen 18 og pumpen er det i huset 1 en fordypning 21 hvor det er anordnet en hydrostatisk balanse - eller forseglingsskive 22. Skiven 22 er bevegelig aksialt for å forsegles mot en fordypning 21 når turbinen og pumpen ikke er i drift, for å hindre lekkasje av produksjonsolje eller gass fra pumpen. Når turbinen 18 blir tilført høy-trykkssjøvann, vil skiven 22 forflyttes fra dens forsegl-ende stilling på grunn av sjøvannstrykket som virker på skiven 22 gjennom passasje 23 for å balansere aksialtrykket på turbinen under drift.

Passende lager (for eksempel 24) er montert i huset 1 for å bære turbinrotoren. Disse lager kan være av hydrostatisk eller hydrodynamisk type.

Aksial- og radialtrykklagrene i pumpen av oppfinnelsen, er smurt med et smørefluid fra en utvendig kilde, for eksempel sjøvann, som er tilpasset pumpefluidet, idet smørefluidet blandes med pumpefluidet når det tømmes fra

lagrene.

Alternativt kan lagrene smøres med selve arbeids-fluidet.

Ved bruk av pumpen som beskrevet ovenfor blir sjøvann under høyt trykk ført til turbinen 18 for å dreie akselen 12 og tilhørende rotor 11. Dreining av rotor 11 forårsaker samtidig dreining av rotor 5 og fluid som skal pumpes, blir trukket inn i pumpen gjennom innløpene 2, 3 og ført i motsatte strømmer gjennom venstre og høyre deler av pumpen til det felles sentrale utløp 4. Slike motstående strømmer tjener til å balansere aksialtrykket på rotorene 5, 11 som oppstår på grunn av trykkøkning- eller fall i fluidmaskinen. Overflatebelastningene mellom de samvirkende spiralformete overflater på rotorene 5, 11, er små og vesentlig begrenset til den relativt lille belastning som kreves bare for å dreie den første rotor 5 mot lagerets friksjonskraft. Følgelig kan pumpen drives med meget mindre slitasje og følgelig behov for vedlikehold enn tidligere foreslåtte typer av pumper for dette formålet.

Pumpeenheter som beskrevet ovenfor kan brukes som en enkelt enhet. Alternativt kan et flertall pumpeenheter koples sammen ved hjelp av passende sammenkoplingskanaler, i serie eller i parallell idet akslene 12 på hver enhet kan koples sammen mekanisk til hverandre. De sammenkoplete akslene 12 fra slike enheter, kan anordnes slik at de dreies rundt den samme langsgående akse. Turbinene i disse enheter kan bli tilført høytrykkssjøvann som føres fra en turbin til den neste.

For pumping av fluider som inneholder fri gass, er et foretrukket arrangement et flertall pumpeenheter montert på separate aksler hvor hver pumpeenhet er mekanisk koplet til sin egen turbin. I et slikt arrangement ville hver pumpe tjene som et trinn i et flertrinns pumpesystem idet reduksjonen av strømmengden som er et resultat av fluidets kompresjon under øket trykk, blir opptatt av turbinhastig-hetsforandringer uten behov for utvendige kontroller.

Selv om utførelsen beskrevet ovenfor angår en pumpe, vil det klart fremgå for fagmannen at den beskrevne

maskin meget godt kan fungere som en motor.

I den ovennevnte utførelse som vist i tegningene, er det vist et arrangement hvor den aksiale høyde på de spiralformete fremspring på rotorene 5, 11 er konstant langs rotorens lengde slik at ingen kompresjon eller ekspansjon av det arbeidende fluid finner sted inn i pumpen. I en alternativ utførelse er den aksiale høyde på de spiralformete fremspring på rotorene 5, 11 variert enten progressivt eller i en serie trinn langs de to rotorenes akser slik at volumet i fordypningene 17 blir redusert eller øket ettersom fluidet føres aksialt gjennom pumpen. Således blir fluidet komprimert eller ekspandert, noe som gjør det mulig for maskinen når den virker som en pumpe for komprimerte fluider, og drives med intern kompresjon, og når den virker som fluidmotor for komprimerte fluider, å virke som en ekspander med innvendig ekspansjon. En slik ekspander passer især for relativt lave strømmengder eller høye trykkforholdsbelastninger og våtgassforhold (det vil si med kondenseringsdråper og/eller vann i suspensjon). En gassekspander av denne type ville for eksempel passe for lavkostnadsenergigjenvinning, især offshore-gass produsert under trykk fra olje/gassbrønner.

Det vil fremgå at andre modifikasjoner kan utføres på utførelsene som er beskrevet ovenfor uten å gå vekk fra omfanget av oppfinnelsen. For eksempel kunne rotorene i stedet for å bli drevet av en fluidturbin, bli drevet av annen passende anordning slik som en elektrisk motor eller en intern forbrenningsmotor. I stedet for at rotoren 5 blir drevet av rotor 11 ved at de griper inn i hverandre kan vinkelen mellom rotorene 5, 11 reguleres i forhold til hverandre ved hjelp av registerkopling eller liknende som hindrer gripeforbindelse mellom de to rotorer.

Det vil også fremgå at de parallelle akser mellom rotorene og huset kan anordnes enten horisontalt, vertikalt eller i hvilken som helst mellomliggende vinkel.

Pumper ifølge oppfinnelsen passer spesielt for pumping av produksjonsolje, vann og gass fra land- eller sjøbaserte oljefelt, enten i en enkeltfase eller som en flerfaset fluidblanding, det vil si gass/væske eller væske/faste suspensjoner. Slike pumper kan plasseres på sjøbunnen og koples til tilhørende rørledninger ved hjelp av høytrykks ledningsforbindelser, eller kan plasseres inn i selve brønnene.

Claims (17)

1. Fluidmaskin for positiv forflytning, som omfatter et hus, et første element med innvendige spiralformete fremspring montert inn i nevnte hus, og et annet element med utvendige spiralformete fremspring montert inn i nevnte hus for dreining i forhold til nevnte første element, hvorved samvirkning mellom spiralformete fremspring på det første og andre element danner hulrom mellom dem ved relativ dreining av det første og andre element, idet et arbeidende medium kan føres aksialt gjennom maskinen KARAKTERISERT VED at både første og andre spiralformete fremspringselementer er dreibare.

2. Fluidmaskin for positiv forflytning som i krav 1, KARAKTERISERT VED at det første og andre element er dreibart rundt respektive faste akser som er parallelle, men i avstand fra hverandre.

3. Fluidmaskin for positiv forflytning som i krav 1-2 KARAKTERISERT VED at dreining av det første elements spiralformete fremspring blir utført ved dreining av det andre spiralformete fremspringselement på grunn av at fremspringene i nevnte første og andre element griper inn i hverandre.

4. Fluidmaskin for positiv forflytning som i kravene 1-3 KARAKTERISERT VED at de spiralformete fremspring i både første og andre element har to motstående deler, hvorved det arbeidende medium kan føres i motsatte retninger mellom hver ende av maskinen og et mellomliggende sted.

5. Fluidmaskin for positiv forflytning som i hvilket som helst av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at nevnte spiralformete fremspring har en aksial høyde som er konstant langs lengden av både nevnte første og andre element.

6. Fluidmaskin for positiv forflytning som i kravene 1-4, KARAKTERISERT VED at nevnte spiralformete fremspring har en aksial høyde som varierer progressivt eller i en serie trinn langs lengden av både nevnte første og andre element.

7. Fluidmaskin for positiv forflytning som krevet i hvilket som helst av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at nevnte første element har n+l-antall innvendige spiralformete fremspring og nevnte andre element har n-antall utvendige spiralformete fremspring.

8. Fluidmaskin for positiv forflytning som krevet i de foregående krav, KARAKTERISERT VED at nevnte andre element omfatter en drivanordning for dreining av nevnte andre element.

9. Fluidmaskin for positiv forflytning som i krav 8, KARAKTERISERT VED at drivanordningen er en roterende drivenhet med en drivaksel, hvor nevnte drivaksel er dreibar som reaksjon på fluidstrø m gjennom den roterende drivenhet for å dreie nevnte andre element.

10. Fluidmaskin for positiv forflytning som krevet i krav 9, KARAKTERISERT VED at nevnte hus og nevnte andre element danner et husrom hvor det er anordnet en hydrostatisk forseglingsanordning hvor nevnte forseglingsanordning kan beveges aksialt for å tette mot nevnte åpning når nevnte roterende drivanordning og nevnte pumpe er ute av drift, for å hindre lekkasje fra det arbeidende medium i nevnte maskin.

11. Fluidmaskin for positiv forflytning som i de foregående krav, KARAKTERISERT VED at et flertall av de nevnte maskiner er koplet i serie eller i parallell idet de respektive andre elementer er mekanisk sammenkoplet.

12. Fluidmaskin for positiv forflytning som i krav 11, KARAKTERISERT VED at nevnte maskiner er koplet i serie, idet nevnte andre elementer roterer rundt samme langsgående akse.

13. Fluidmaskin for positiv forflytning som i krav 11, KARAKTERISERT VED at når de nevnte maksiner er koplet i parallell, er hvert første element koplet til en separat aksel og roterende drivanordning.

14. En positiv forflytningspumpe som i kravene 8-13, KARAKTERISERT VED at nevnte drivanordning er en fluidturbin.

15. En positiv forflytningspumpe som i kravene 8- 13 KARAKTERISERT VED at nevnte roteringsdrivanordning er en elektrisk motor eller forbrenningsmotor.

16. En positiv forflytningspumpe som i de foregående krav, KARAKTERISERT VED at vinkelstillingen mellom første og andre element kan varieres i forhold til hverandre for å hindre gripende kontakt mellom første og andre element.

17. En positiv forflytningspumpe som i kravene 2-16 KARAKTERISERT VED at nevnte parallelle akser på nevnte første og andre element og nevnte hus, kan anordnes horisontalt, vertikalt eller i en vinkel mellom horisontalt og vertikalt. Fremgangsmåte for transport av flerfaset blanding, KARAKTERISERT VED anvendelse av en fluidmaskin for positiv forflytning som krevet i hvilket som helst av de foregående krav.