FLERFASE TRYKKFORSTERKNINGSPUMPE

Transkript

1 - 1 - FLERFASE TRYKKFORSTERKNINGSPUMPE Oppfinnelsens område Foreliggende oppfinnelse vedrører en trykkforsterkningspumpe for fluider. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen trykkforsterkning av flerfasestrømmer fra brønner og hydrokarbonproduksjonssystemer, spesielt undersjøiske, hvilke fluider kan ha et meget bredt eller uforutsigbart område med hensyn til sammensetning, fra gass til væske. Oppfinnelsen tilveiebringer en trykkforsterkningspumpe og et system som er spesielt egnet for undersjøisk trykkforsterkning av såkalt våtgass, men pumpen og systemet kan imidlertid også forsterke trykket til fluider med sammensetning fra ren væske til tørr gass. 2 Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stand Undersjøisk pumping og kompresjon er allerede en teknologi som har blitt testet og kvalifisert. Undersjøisk pumping er implementert og undersjøisk kompresjon vil bli implementert i. For undersjøisk trykkforsterkning av brønnstrøm eller undersjøisk system for strømning av våtgass med en variabel sammensetning og i et område med blandet gass og væske, foreskriver teknikkens stand enten å ha minst to undersjøisk anordnede turbomaskiner, nemlig en pumpe og en kompressor, i tillegg til minst en separator og annet utstyr eller en flerfasepumpe med resirkulasjon av væske. Et våtgassfluid vil typisk ha en GVF (gass volum fraksjon) på 70-0 %, typisk rundt 8 %. For undersjøisk trykkforsterkning av våtgass er det mulig å anvende helikoaksiale pumper, men en begrensning med helikoaksiale pumper er imidlertid trykkforsterkningsevnen ved høy GVF, spesielt mot 0 % GCF, hvor det nesten ikke er noen trykkforsterkning overhode. For undersjøisk trykkforsterkning i tilfelle med høy GVF, er det kjent å resirkulere væske for å gjøre det mulig for flerfasepumper å øke driftsområde. Dette er imidlertid meget ineffektivt og kostbart, siden trykket til den resirkulerte væsken må strupes ned fra utløpstrykket til innløpstrykket til flerfasepumpen, og det er mye mer energikrevende å pumpe væsken enn å komprimere gassen, hvilket resulterer i et stort energitap. Det kan også brukes fortrengningstype pumper, så som en dobbeltskruepumpe, men mangel på hardførhet er imidlertid en begrensende faktor. Hittil har det ikke vært mulig å håndtere store variasjoner i fluidsammensetningen og strømningsraten på en

2 - 2 - effektiv og pålitelig måte under vann med kun en turbomaskin. Undersjøisk separasjon og separat pumping og kompresjon er imidlertid et krav for å håndtere store variasjoner av sammensetning på en effektiv og pålitelig måte, inkludert høyt vanninnhold, så som under 70 % GVF. Et økende antall turbomaskiner og annet utstyr reduserer gjennomsnittstiden mellom feil. Økende kompleksitet reduserer også den gjennomsnittelige tiden mellom hver feil. For undersjøiske operasjoner, er utstyrets pålitelighet typisk det enkelaspektet med høyest viktighet, siden feil på undersjøisk utstyr kan ha en dramatisk effekt med hensyn til produksjon, økonomi og enkelte ganger miljø og sikkerhet. Det foreligger derfor et behov for undersjøisk trykkforsterkningsutstyr med økende grad av enkelhet, allsidighet og pålitelighet sammenlignet med kjent utstyr. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å oppfylle dette kravet. 2 Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen tilveieringer et system for flerfasepumping, fortrinnsvis for undersjøisk anvendelse, som er kjennetegnet ved at den innbefatter en flerfase trykkforsterkningspumpe og en separator, fortrinnvis anpasset for undersjøisk operasjon, en flerfase fluidinnløp forbundet med pumpen, et flerfaseutløp fra separatoren, et utløp fra pumpen anordnet til en innløp til separatoren, et væskeutløp til separatoren anordnet til et væskeinnløp på pumpen, og en kraftgjenvinningsturbin anordnet mellom nevnte væskeutløp fra separatoren og væskeinnløpet på pumpen. Oppfinnelsen tilveiebringer også en flerfase trykkforsterkningspumpe, fortrinnsvis anpasset for undersjøisk operasjon og som er spesielt egnet for implementering i system i henhold til oppfinnelsen, innbefattende en motor, to eller flere impellere anordnet en aksel som er felles med motorakselen eller koblet til motoren, et trykkhus, et flerfase fluidinnløp og en kraftgjenvinningsturbin, hvor kraftgjenvinningsturbinen er anordnet mellom væskeinjeksjonsinnløpet og pumpeimpellerne.

3 - 3 - I tillegg tilveiebringer oppfinnelsen også anvendelse av enhver egnet pumpe i kombinasjon med en turbin, for å gjenvinne energi fra resirkulert væske eller annen væskestrøm med høyere trykk, anordnet og anvendt som beskrevet eller illustrert i dette dokumentet. Med de foretrukne utførelsesformene av systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen, blir gassen komprimert med roterende væske i pumpeimpellerne mens %, typisk 7 % av energien til den resirkulerte væsken blir gjenvunnet. For et typisk våtgass flerfasefluid, blir ca. 0 % av motorenergien erstattet med energi gjenvunnet av turbinene, hvilket resulterer i betydelig potensiale for besparelse av energi og krav til hjelpeutstyr og tilførselskjeden. 2 Pumpen innbefatter fortrinnsvis flerfase impellere eller blader og hver impeller innbefatter fortrinnsvis minst et blad eller radial fluidkanal. Impellerne er fortrinnsvis i henhold til læren i WO 11/000821, om det herved refereres til. Kraftgjenvinningsturbinene er fortrinnsvis anordnet på pumpeakselen, alternativt en separat turbinaksel med en generator som er koblet til en motor eller en motoraksel. Kraftgjenvinningsturbinen tilfører den injiserte væsken, eller væskerik strøm med 0- eller 0- % GVF, fortrinnsvis 0 % GVF, til pumpeimpellerne. Flerfaseinnløpene leder flerfasefluidet, som typisk er gassrikt, til pumpeimpellerne. Kraftgjenvinningsturbinen gjenvinner energi fra den resirkulerte væsken, reduserer kraftbehovet, og den injiserte væsken forbedrer trykkforsterkningen av gassen til flerfasefluidet ved rotasjon av væske, hvilket vil bli nærmere forklart under. Kraftgjenvinningsturbinen er fortrinnsvis av en innoverstrøms-type, så som en Francistype turbin, som lar væsken bli tilført når pumpens rotasjonsakse, og fordelen med dette vil bli forstått utfra den etterfølgende beskrivelsen. Pumpen og systemet i henhold til oppfinnelsen anvender resirkulering av væske for å erholde trykkforsterkning av en gassrik flerfase innløpsstrøm. Dette skjer ved blanding av den gassrike flerfasestrømmen med væskerik væskeinjeksjonsstrøm, øke trykket med pumpeimpellerne, separere gassen slik at gassen kan føres til mottageren og deretter bringe en væskerik strøm tilbake til lavtrykks flerfase brønnstrømmen ved anvendelse av en

4 - 4 - kraftgjenvinningsturbin for å gjenvinne noe av energien i den resirkulerte strømmen. Med pumpen og systemet i henhold til oppfinnelsen, er det med en enkel turbomaskin mulig å effektivt og mer pålitelig pumpe eller forsterke trykket til fluid som kan ha en gass til væske volumfraksjon fra 0 til 0 %, så som 0-9 % GVF. Et redusert kraftbehov skyldes den energieffektive løsningen og den økte gjennomsnittstiden mellom feil skyldes løsningens enkelthet. Et egnet fluid er våtgass med GVF i området 70-0 %, men også ren væske kan pumpes. Dersom væskefraksjonen er høy, kan flerfasepumpen pumpe væske, dersom væskefraksjonen blir redusert mot tørrgass, blir væske resirkulert gjennom pumpen i henhold til behov. Pumpen opererer ved en lavere omdreiningshastighet enn en kompressor, typisk rundt halvparten til to tredjedeler av kompressorhastigheten ( rpm sammenlignet rpm for gasskompressorer), men uansett er gasskompresjon også effektiv for tørrgass eller nesten tørrgass på grunn av væskeinjeksjonen som beskrevet. Samtidig, i motsetning til en kompressor, kan også flerfasefluid med lav GVF og ren også pumpes effektivt. 2 Pumpen og systemet er spesielt egnet for bruk med våtgass feltstrømmer som har en liten til midlere størrelse. På grunn av begrensninger med hensyn til den kraften som kan oppnås med en enkelt trykkforsterkningsturbomaskin, så som forårsaket av mekanisk ustabilitet eller begrensninger relatert til elektrisk kraft, kan de største gassfelt strømningsratene fra store fetl være for store for en enkelt maskin på et felt. Også for store våtgassfelt er imidlertid systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen hensiktsmessige siden anbringelse av flerfasepumper eller systemer i henhold til oppfinnelsen parallelt eller i serie, fremdeles vil redusere antallet maskiner og kompleksiteten sammenlignet med tidligere kjent teknologi. Med parallelle systemer eller pumper i henhold til oppfinnelsen, øker strømnings- eller produksjonssikkerheten sammenlignet med tidligere kjente løsninger med separat pumpe for væske og kompressor for gass. Mer spesielt må produksjonen typisk stanses med de tidligere kjente løsningene dersom en

5 - - av to turbomaskiner pumpe og kompressor feiler, men med parallelle pumper eller systemer i henhold til oppfinnelsen, kan produksjonen fortsette selv om en av de to turbomaskinene feiler. I foretrukne utførelsesformer av systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen er flerfase innløpet anordnet til pumpen nedstrøms av turbinene med oppstrøms av pumpeimpellerne, for derved å blande lavtrykks gassrik innløpsbrønnstrøm med væskerik strøm fra turbinene med likt trykk, gjenvinne energien til den resirkulerte væskerike strømmen i turbinen og komprimere gassen med roterende væske i impellerne. Fortrinnsvis er koblingen for væske fra turbinen anordnet slik væsken injiseres inn i pumpeimpellerne nær rotasjonsaksen, fortrinnsvis nærmere rotasjonsaksen enn den gassrike innløpsbrønnstrømmen. Fortrinnsvis blir resirkulert væske injisert i pumpen i to midlere fluidstrømsbane diametre fra overflaten av det roterende navet eller akselen, mer foretrukket i én, og enda mer foretrukket i en halv midlere fluidstrømningsbane diameter fra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i et ringformet turbinvæsketilførsels strømningstverrsnitt inn i en koaksial ytre ringformet flerfase fluidinnløpsarrangement, slik at væske blir injisert i volumet hvor gassen ellers ville blokkere strømningen. Med andre ord, en ringformet væskestrøm fra turbinen er fortrinnsvis anordnet inn i en ringformet gassrik strøm fra flerfaseinnløpet. 2 I en foretrukket utførelsesform av systemet og pumpen, er separatoren integrert med pumpen og turbinen i én maskin, en kjøler er fortrinnsvis anordnet i røret fra separatorens væskeutløp til gjenvinningsturbinens væskeinnløp, og ventiler og instrumentering er fortrinnsvis anordnet for å muliggjøre kontroll. En trykkreguleringsventil kan være anordnet i ledningen til turbininnløpet, for å sikre at den resirkulerte væskens tilførselstrykk fra turbinen alltid kan være lik flerfaseinnløpsstrømmen. I en foretrukket utførelsesform er det anordnet en separat turbin-elektrisk generator i turbinens innløpsrør eller en forgrening derav for å regulere trykket og gjenvinne energi. Dette kan bedre sikre full gjenvinning av energi og trykkregulering samtidig i alle driftsmoduser.

6 - 6 - Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å forsterke trykket til en undersjøisk flerfasestrøm ved å operere systemet i henhold til oppfinnelsen, kjennetegnet ved å resirkulere væske fra separatoren til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende grad av avtagende væskeinnhold il flerfasestrømmen som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet av fluid som kommer inn i pumpeimpellerne er 9 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere, og enda mer foretrukket 70 % eller lavere. Fortrinnsvis innbefatter væskeinjeksjons- eller resirkuleringsstrømningsraten 0 0 %, mer foretrukket 0 % av flerfase innløpsstrømsraten. Oppfinnelsen muliggjør også forsterkning av tørr gass ved tilførsel av en kompatibel væske for resirkulerings-forsterkningsprosessen. I en utførelsesform av oppfinnelsen er dette en fremgangsmåte for forsterkning av trykket til en tørr gass under vann ved å operere pumpen i henhold til oppfinnelsen, kjennetegnet ved å tilføre en kompatibel væske til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende rate ved avtagende væskeinnhold i flerfasefluidet som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet til fluid som kommer inn i pumpeimpellerne er 9 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere, og enda mer foretrukket 70 % eller lavere, fortrinnsvis er væsken en hydrokarbonvæske som så kan pumpes videre med den forsterkede gassen, alternativt er væsken hydratinhibert produsert vann eller sjøvann som kan separeres nedstrøms, brukt på en annen måte eller pumpes videre med gassen. 2 Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av en flerfasepumpe eller et system i henhold til oppfinnelsen, for trykkforsterkning av fluid under vann. Oppfinnelsen omfatter også anvendelse av enhver egnet pumpe i kombinasjon med en turbin, for gjenvinning av energi fra resirkulert væske eller annen væskestrøm med høyt trykk, som beskrevet og illustrert i dette dokumentet. Figurer Oppfinnelsen vil bli illustrert med seks figurer, nemlig: Figur 1 som viser prisnippet ved gassforsterkning ved resirkulering av væske, Figur 2 som viser et system og en flerfasepumpe i henhold til oppfinnelsen, med kombinert pumpe, motor og en kraftgjenvinningsturbin,

7 - 7-2 Figur 3 som viser et system i henhold til oppfinnelsen med separat pumpe/motor og kraftgjenvinningsturbin/generator, Figur 4 som viser blandeseksjonen for væske ut fra gjenvinningsturbinen og den gassrike brønnstrømmen, og et system og pumpe i henhold til oppfinnelsen, Figur som viser en kombinert pumpeenhet og separator, til et system og en pumpe i henhold til oppfinnelsen, og Figur 6 som viser detaljer ved gjenvinningsturbinutløpet og flerfasepumpeinnløpet i et system og pumpe i henhold til oppfinnelsen. Detaljert beskrivelse Det vises til figur 2 som viser grunnprinsippet med en væskeresirkulasjonsstrøm som blandes med den gassrike brønnstrømmen, og blandingen blir deretter forsterket til et høyere trykk i flerfasepumpeseksjonen til maskinen og deretter blir gassen separert fra væsken i en separator og væsken føres tilbake til kraftgjenvinningsturbinen hvor en betydelig del av væskens trykkenergi blir gjenvunnet til akselen og blir brukt til å drive flerfasepumpen. Foreliggende oppfinnelse muliggjør væskeresirkulasjon for å unngå å bruke en mengde unødig energi. Det vises til figurene 2 og 4 som viser et system 1 og en flerfase forsterkningspumpe 2 i henhold til oppfinnelsen. Flerfasepumpen 2 innbefatter en motor 3, flerfase impellere 4 anordnet på akselen, og en gjenvinningsturbin med løpere anordnet på samme aksel 6 sin flerfaseimpellerne. Pumpen eller maskinen er plassert inn i et trykkhus 7, hvilket har et innløp 8 for flerfasefluid, et utløp 9 fra pumpen og et innløp for væskeinjeksjon eller resirkulasjon til gjenvinningsturbinen. En separator 11 har et innløp 12 som er forbundet med utløpet 9 til pumpen. Et væskeutløp 14 fra separatoren er forbundet med væskeinnløpet på maskinen for derved å returnere væske til gjenvinningsturbinen. Separatoren innbefatter et flerfaseutløp 13, hvilket utløp eksporterer i hovedsak flerfase fluidgass dersom et væskenivå i separatoren er under åpningen til

8 - 8 - flerfaseutløpsrøret, dersom væskenivået er over åpningen blir også væske eller i hovedsak væske eksportert. Separatoren og utløpet kan innta mange utførelsesformer. Røret fra væskeutløpet 14 separatoren innbefatter en kjøler. En strupeventil 16 kan brukes for å hjelpe til med å regulere operasjonen. Ventiler eller separate turbin-generator sett kan være plassert både på innløpet og utløpet til separatoren av denne årsak, og på væskeinnløpet til pumpen. I stedet for eller i tillegg til ventiler, kan strømning og trykk reguleres ved bruk av justerbare føringsfinner oppstrøms av turbinløperne som brukt i turbiner av Francis typen og/eller og justerbare føringsfinner etter pumpeimpellerne. Beskrivelsen angir et arrangement med en separator utenfor flerfasemaskinen. Oppfinnelsen muliggjør også et arrangement hvor flerfasemaskinen er plassert inne i separatoren og danner en kompakt enhet som vist i fig.. Alternativt er flerfasepumpen og gjenvinningsturbinen, og separatoren, separate enheter, som vist i fig. 3, som viser en separat turbin-generator, hvor turbinen og generatoren er kombinert til en enhet. 2 Under drift vil en sensor (ikke vist) måle væskeinnholdet, GVF forhold eller tilsvarende og overvåker fortrinnsvis flerfaseinnløpsstrømmen. En reguleringsmekanisme for væskenivået, forsynt med instrumentering eller med utforming som vist, sikrer opprettholdelse av tilstrekkelig væske i separatoren for å sikre tilstrekkelig væske for resirkulasjon av væske gjennom flerfasepumpen for effektiv kompresjon i situasjoner med meget tørr flerfaseinnløpsstrøm til pumpen, det vil si minst % væskestrøm for en tørrgass innløpsstrøm. Separatorvolumet eller separasjonseffekten bør være tilstrekkelig for kontinuerlig resirkulering av nødvendig væske resirkulasjonsstrømningsrate fra separatoren for å håndtere den ønskede forsterkningen. I situasjoner med meget tørr flerfasefluid, må væskeresirkulasjonen være tilstrekkelig til å sikre effektiv trykkforsterkning, en GVF på 9 % eller lavere gjennom impellerne er ansett egnet for effektiv trykkforsterkning. Det vises til figur 6 som viser en foretrukket utførelsesform ved blanding av væske og gass i turbin-flerfase innløps-impeller koblingen. Væskeinjeksjon fra

9 - 9 - gjenvinningsturbinen 17 blir gjort nærmere akselen og det gassrike brønnstrømsinnløpet 18 blir gjort på den ytre periferien. Det anses å være en stor fordel å injisere væske nær pumpeakselens rotasjonsakse, siden dette er der hvor gassen akkumuleres i henhold til forsøk og simuleringer, mens trykkoppbyggingen i substans skjer videre ut på impellerbladene. Den injiserte væsken vil derved trekke med seg gassen til de ytre delene av impellerbladene for en mer effektiv trykkforsterkning. Som nevnt bør væsken injiseres i pumpen i to midlere fluidstrømsbanediametre fra overflaten av det roterende navet eller akselen, mer foretrukket innen én, og enda mer foretrukket innen en halv midlere fluidstrømningsbanediameter fra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i et ringformet turbin væsketilførsels strømningstverrsnitt inn i et koaksial ytre ringformet flerfasefluid innløpsarrangement, slik at væsken blir injisert i volumet hvor gassen ellers ville blokkere strømningen. Med andre ord er det fortrinnsvis anordnet en ringformet fluidstrøm fra turbinen inne i en ringformet gassrik strøm fra flerfaseinnløpet. Midlere fluidstrømsbanediameter er gjennomsnittet av to ortogonale diametre til strømningsbanen mellom eller langs impellerbladene, ved den indre enden av strømningsbanen, ved akselen eller navet. 2 Den mest foretrukne utførelsesformen er beskrevet og illustrert i detalj for henholdsvis systemet og pumpen, Imidlertid er det mulig med mange tilsvarende utførelsesformer. Pumpen behøver ikke å være en sentrifugalpumpe, men det er tenkelig med også andre rotordynamiske pumpetyper så som blandet strøm, aksiale eller heliko-aksiale pumper og også andre pumpetyper så som en fortrengningstype pumpe, så som en stempel-, plunger-, skrue eller gearpumpe. Videre behøver separatoren ikke å være en gravitasjonstype separator, den kan være av enhver type som er egnet for tilstrekkelig separasjon for å resirkulere mer eller mindre ren væske, så som 0- % GFV væske, til turbinene, for eksempel syklonseparatorer eller andre separatorer som anvender rotasjon. Videre kan turbinen være enhver turbin som er egnet for gjenvinning av energi fra væske, også fortrengningstype turbiner så som stempel, plunger, skrue eller andre rotordynamiske radial, blandet strøm eller aksialtyper så som Francis, Kaplan eller propelltype turbiner. Det er mulig å kombinere rotordynamiske og fortrengningsmaskiner med

10 - - hensyn til turbin og pumpe, men separate aksler, en ytterligere generator på turbinakselen eller gir og koblinger kan være nødvendig for å koble forskjellige turbin og pumpeutforminger, eller anordne en generator på turbinen og anordnet en elektrisk strømtilførsel fra generatoren til pumpemotoren. Videre kan pumpemotoren være hydraulisk og muliggjøre enkel gjenvinning av energi fra den resirkulerte væsken. Systemet i henhold til oppfinnelsen kan innebefatte ethvert trekk som er beskrevet og vist her, i enhver operativ kombinasjon, og hvor hver slik operativ kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. Flerfasepumpen i henhold til oppfinnelsen kan innbefatte ethvert trekk som er beskrevet eller vist her, i enhver operativ kombinasjon, og hver slik operativ kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. Fremgangsmåten og anvendelsen av oppfinnelsen kan innbefatte ethvert trinn eller trekk som her er beskrevet eller vist, i enhver operativ kombinasjon og hver slik operativ kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen.