(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1. (51) Int Cl. NORGE. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. F04D 13/08 (06.01) F04B 43/02 (06.01) F04D 29/40 (06.01) F04D 13/ (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 104 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Gunder Homstvedt, 1648 Lakeside Enclave Drive, US-TX77077 HOUSTON, USA (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Forseglet pumpe (6) Anførte publikasjoner GB B US B1 US 11/02746 A1 WO 12/141 A1 US / A1 US A1 (7) Sammendrag Oppfinnelsen tilveiebringer en undervannspumpe, særpreget ved at den omfatter et trykkhus som er delt inn i to kammer; et kammer med pumpe eller impeller anordnet på en aksel og et kammer med motor eller stator; en membran anordnet forseglende mellom de to kamrene, en magnetisk kobling mellom kamrene, gjennom membranen og et trykkutjevningssystem for å balansere trykket på membranen på motor eller stator kammersiden og trykket på membranen på pumpe- eller impellerkammersiden.

2 1 FORSEGLET PUMPE Oppfinnelsens anvendelsesområde Den foreliggende oppfinnelse angår en undervanns pumpe, nærmere bestemt pumper for pumping av væsker ved undervannslokasjoner, som for eksempel hydrokarboner for trykkoppbygging eller vann for injeksjon. 1 Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk Drevet av de presserende behov i olje- og gassindustrien, er undervanns trykkøkning en teknologi som er underlagt omfattende innsats for videre utvikling. På grunn av håndtering av størrelse, kraft og strømning og spesielle krav til undervannsoperasjoner, kan levedyktige løsninger for pumper til andre bruksområder være ubrukelige under vann for det tiltenkte formålet. For undervannsutstyr er pålitelighet vanligvis av høy viktighet, på grunn av store tekniske, økonomiske og miljømessige konsekvenser dersom utstyret svikter. 2 Faktorer som bidrar til svikt i nye og eksisterende konstruksjonskonsepter for undervannspumper, inkluderer blant annet mekanisk ustabilitet i størrelse og trykk som kreves; for store trykkpåvirkninger ved start, stopp, og brå belastningsendringer; svikt i elektrisk isolasjon før utløpet av design levetid; opphopning av forurensninger i motor eller lager og tap av kontroll pga av flere andre grunner. En lovende utforming for å forbedre undervannspumper, er å implementere en magnetisk kobling mellom den elektriske motoren og pumpen ved å anordne en membran eller skillevegg tettende mellom motoren og pumpen, hvor den magnetiske koblingen går gjennom membranen eller veggen. Dette blir kalt en forseglet pumpekonstruksjon siden motoren er anordnet i et forseglet kammer. I praksis har dette, for undervannspumper av den ovenfor nevnte type, av flere grunner, imidlertid i vært vanskeligere enn forventet.

3 2 1 2 Det vises til den tidligere kjente patentpublikasjon GB B som anses å være den nærmest liggende kjente teknikken til den foreliggende oppfinnelsen. Den nevnte publikasjonen beskriver og viser en elektrisk nedsenkbar pumpe (ESP) system, tilpasset for en oljebrønn for å pumpe opp fluid som er samlet i brønnen. Pumpen ifølge GB B har et lukket, oljefylt motorhus, hvor motorhuset er koblet magnetisk gjennom en tettende sylindrisk vegg til en pumpe, i det den dynamiske stabiliteten til den magnetiske koblingen er forsterket av minst to radielt adskilte, mellomliggende lager henholdsvis anordnet på innsiden og utsiden av det nevnte sylindriske huset. Videre opprettholder trykkbalanserende midler trykket inne i det lukkede huset slik at det er i det vesentligste likt trykket i oljebrønnen. ESP fra GB B må være veldig lang for å kunne anvendes til drift i brønnoperasjoner, samtidig som trykket økes vesentlig siden oljebrønnen setter strenge begrensninger på diameteren. Forurensninger og opphopninger av partikler i lagrene kan gjøre den overfor nevnte ESP mindre pålitelig. Partikler og gass kan ødelegge smøringen av lagrene. Tendensen til at ikke-ferromagnetisk (ikke jernholdige) materialer, og derav metall lagrene blir ferromagnetiske ved spenninger og belastninger, kan svekke virkningen av den magnetiske koblingen. Trykkutligningen i GB B virker mellom brønntrykket og motorhuset, dette medfører at pumpesiden inkludert lagrene er direkte utsatt for brønnstrømmen og dermed alvorlig forurensning. I en typisk brønn vil brønnstrøms trykket kunne være fra noen -talls til noen 0-talls bar, mens en stengning av trykket kan være noen 0-talls bar høyere, alt dette må håndteres av trykk-utjevningssystemet og den resulterende veggtykkelsen eller design trykket må tilpasses i samsvar med dette siden trykkutjevnings-systemet ikke kan forventes å fungere perfekt eller umiddelbart. En konstruksjon med tykk vegg vil være mindre effektiv med hensyn til magnetisk kobling. Det vil være en høy relativ hastighet mellom den forseglede veggen og det ytre og indre roterende elementet. Denne relative hastigheten vil resultere i en hydrodynamisk generert friksjonsvarme av betydelig størrelse. Ingen kjøling eller midler for fjerning av varme er beskrevet i GB B. Annen relevant

4 3 teknikk finnes i patentpublikasjonene US B1, US 11/02746 A1 og WO 12/141 A1. Ytterligere relevant teknikk er beskrevet i patentpublikasjonene US / A1 / US B2 (har lesbar figur) og US 11/08966 A1. Ingen av de kjente publikasjonene beskriver pumper hvor behovet for barrierefluidtilførsel elimineres. Hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en undervannspumpe som er mer pålitelig enn de tidligere kjente undervannspumpene, i bruk som nevnt ovenfor. 1 Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen beskriver en undervannspumpe, særegen ved at den omfatter et trykkhus som er delt inn i to kammer; et første kammer med pumpe eller impeller, for pumping av prosessfluid, anordnet på en aksel og et andre kammer med motor eller stator; en skillevegg anordnet forseglende mellom de to kamrene, en magnetisk kobling mellom kamrene, gjennom skilleveggen, et trykkutjevningssystem for å balansere trykket på skilleveggen fra det andre kammer til trykket på skilleveggen fra det første kammer, og pumpen er uten ekstern forsyning av barrierefluid. 2 Fortrinnsvis styrer trykkutjevningssystemet differensialtrykket over skilleveggen til å være mindre enn bar, fortrinnsvis mindre enn 3 bar, mer å foretrekke mindre enn 1 bar, enda mer foretrukket mindre enn 0,3 bar, mest foretrukket ca 0 bar, ved å balansere trykket på begge sider av veggen. Trykk-kompensatoren er fortrinnsvis basert på og omfatter metallbelger/skillevegger som på grunn av mulig strekking og sammentrekking, er anordnet i et sylinderhus. Skilleveggsidene er forbundet til respektive sylindersider for å tillate utligning av et stort volum på kort tid. Fortrinnsvis er lagrene anordnet med smøremiddel for beskyttelse mot gass og

5 4 partikler. Smøremiddelstrømmen skyller ut eventuelle partikler eller rusk samtidig med smøring og kjøling, og partikler fjernes i et filter. Lagrene består normalt av to radielle og et aksial lager i hvert kammer. Fortrinnsvis inkluderer det lukkede kammeret separate impellere (løpehjul) for sirkulasjon av smørefluid. For et forseglet motorkammer er fluidfyllingen av kammeret i utgangspunktet uten partikler, og fluidet sirkuleres på innsiden av kammeret, eller gjennom en separat kjøler, dersom kravet om kjøling er høyt. For pumpekammeret, blir eventuelle partikler eller forurensninger spylt ut med det pumpede mediet, en impeller for spyling og smøring av lageret har innløp ved en posisjon nær rotasjonsaksen på høytrykksiden av pumpeimpelleren, ved en posisjon hvor nivået av partikler og forurensinger antas eller er modellert til å være på et minimum. Det samme spylefluidet er brukt til kjøling. 1 Motorkammeret er fortrinnsvis fylt med vann/glykol eller glykol som kjølemiddel for motoren og smøremiddel for lagrene. Pumpen er fortrinnsvis anordnet vertikalt og minst en del av skilleveggen har form som en hatt. En rotor som er anordnet på utsiden av hatten kjøles ved å sirkulere fluid gjennom radielle rør i bunnen av rotoren. Kjøling av den indre rotoren er anordnet gjennom en aksiell kanal i akselen kombinert med radielle hull i bunnen av rotoren. Dette sirkulasjon arrangementet er også brukt til å fjerne gass som har samlet seg i toppen av hatten. 2 Alternativt er pumpen anordnet vertikalt og minst en del av skilleveggen har form som en kopp. En rotor som er anordnet innvendig i koppen blir avkjølt ved å sirkulere fluid gjennom rør som er anordnet på innsiden av rotorakselen og radielt ut gjennom rotoren. Avkjøling av den ytre rotoren gjøres gjennom radielle rør i bunnen av rotoren. Fortrinnsvis blir alle lagrene anordnet aksielt adskilt fra den magnetiske koblingen. I en foretrukket utførelse, omfatter motorkammeret en stator med rotor som er anordnet inne i skilleveggen, og for derved å forenkle konstruksjonen,

6 eliminerer en aksel. For denne konstruksjonen er kjølingen av stator fortrinnsvis utstyrt med en kjølemiddelkrets forseglende koblet til en impeller på eller forbundet med pumpeakselen, alternativt av en separat ekstern pumpe og kjølemiddelkrets eller strømning. 1 Motorhuset er fortrinnsvis fylt med vann-glykol blanding, og sirkulasjon pumpen er en vann-glykol pumpe. Pumpen trenger ikke noen tilførsel av barrierefluid fra eksterne kilder, noe som forenkler oppbygningen av systemet, siden det ikke er nødvendig med lange tilførselsledninger. Pumpen har også en kort konstruksjon sammenlignet med en nedihullspumpe. Kjølefluidet i motorens hulrom kan fortrinnsvis være fylt eller byttes ut under vann (subsea) av et fjernstyrt kjøretøy (ROV) via spesifikke strømningsporter, hvor ROV kan koble seg til selv for utveksling av kjølefluid eller ved å bytte ut en kjølemiddeltank og fortrinnsvis også et filter ved å inkludere ROV-operable tilkoblinger og ventiler for isolering og frakobling av nevnte deler og tilkobling av nye deler. Fortrinnsvis er en tank og et filter integrert slik at de kan skiftes ut som enhet i en enkelt operasjon. 2 Pumpen i den foreliggende oppfinnelse er mer stabil, robust, pålitelig og effektiv enn tidligere kjente undervannspumper for den tiltenkte oppgaven, siden koblingsområdet er bedre renset og avkjølt. Det effektive trykkutjevningssystemet tillater lavere design differensialtrykk over skilleveggen, for å sikre en tynnere skillevegg eller vegg og en mer effektiv magnetisk kobling over skilleveggen. Den forseglede motorkammeret tillater at en første væskefylling for kjøling og smøring varer hele av en typisk levetid på for eksempel år. Imidlertid kan porter for erstatning av nevnte fluid fortrinnsvis være anordnet, anvendelig for utskiftning, fylling og tømming ved hjelp av ROV fra tanker eller en kontrollkabel som er utplassert for formålet, eller for å fylle filtrert regenerert glykol fra pumpekammeret, i tilfelle levetidsforlengelse er ønskelig eller hvis det oppstår uforutsette problemer. Figurer Oppfinnelsen er illustrert med tre figurer, der: Figur 1 illustrerer en utførelsesform av en pumpe ifølge oppfinnelsen,

7 6 Figur 2 illustrerer en annen utførelsesform av en pumpe ifølge oppfinnelsen, og Figur 3 illustrerer en variant av utførelsesformen vist i figur Detaljert beskrivelse Det vises til figur 1, som illustrerer en utførelsesform av en pumpe 1 ifølge oppfinnelsen, anordnet vertikalt stående. Pumpen 1 omfatter et trykkhus 2 inndelt i to kammer; nemlig et kammer 3 med pumpe eller impeller som er anordnet på en aksel og et kammer 4 med en motor eller en stator. En skillevegg deler kamrene på en forseglende måte, en magnetisk kobling 6 gir kobling mellom kamrene, radielt gjennom en del av skilleveggen som har form og retningen som en kopp C. Et trykkutjevningssystem 7 gir balansering av trykket på hver side av skilleveggen, noe som betyr trykkbalansering av motor eller stator kammersiden av skilleveggen og pumpen eller impeller kammersiden av skilleveggen. Lagrene 8 som er anordnet på utsiden av den magnetiske koblingen, støtter henholdsvis en motoraksel 9 i motorrommet og en pumpeaksel i pumperommet. En kobling-rotor 11 som anordnet på innsiden av koppen blir avkjølt og tømt ved å sirkulere kjølefluid gjennom en kjølekanal på innsiden av akselen og ut langs innsiden av den magnetisk koblede rotoren og langs og ut av koppen. Rotoren 11 er den drivende delen av den magnetiske koblingen. For enkelthets skyld er ikke kjøle- og spylearrangementet av rotoren 11 og koppen C vist, siden det ville være vanskelig å se detaljene i figuren. Imidlertid er det nødvendig med en hul aksel eller kanaler i akselen, med radielle åpninger ut av skaftet for å få i stand en slik kjøling og spyling. Et filter i sirkulasjonssløyfen i motorrommet fjerner partikler som skylles ut i det lukkede hulrommet i motoren. Figur 2 illustrerer en annen utførelsesform av pumpen der pumpen er vertikalt orientert, men hvor en del av skilleveggen har form som en hatt H. I tillegg til skilleveggen, er denne utførelsesformen forskjellig fra utførelsesformen som er illustrert i fig 1 med hensyn til kjøling og utskylling. Nærmere bestemt blir en rotor 12, som er den drivende del av den magnetiske koblingen og som er anordnet på utsiden av hatten H, avkjølt og skylt av den sirkulerende væsken gjennom kanaler for kjølefluid, anordnet på innsiden og utsiden av rotoren.

8 7 Kanaler for kjøling og utskylling er også anordnet radielt innover for å avkjøle og spyle hatt-delen av skilleveggen, og gjennom et radielt lager tilstøtende den ytre rotoren. Sirkulasjonssystemet blir også brukt til å fjerne gas som har samlet seg i hatten siden en slik gass kan forekomme sammen med den pumpede prosessvæsken. For enkelthetsskyld er ikke avkjølings- og spylearrangementet vist, siden det ville være vanskelig å se detaljene i figuren, utstyr som er lignende eller identisk med utførelsesformen i figur 1 har heller ingen angitte nummer referanse, og av denne grunn henvises det videre til figur Det vises til figur 3 som illustrerer en variant av utførelsesformen vist i figur 2. Mer spesifikt har «hatten» H blitt utvidet til å også omfatte rotoren 13 av motoren, og avkjølings- og spylings-arrangementet, og også lagerarrangementet er modifisert. Den utvidede hatten H gir en innelukket motor, med et stator kammer 4S på den ene siden av skilleveggen og en rotor på pumpeakselen på den andre siden av skilleveggen i et pumpekammer 3. Rotoren på pumpesiden er fortrinnsvis anordnet med permanente magneter. En separat rotor 14 i stator kammeret, som blir drevet av statoren 1, driver en sirkulasjonspumpe for kjølefluid CFP og gir kjøling og spyling til og rundt hatten og for lagrene i statorkammeret. De illustrerte utførelsesformene har en effektiv kjøling og skylling av kritisk utstyr og volum/masser, og gir kjøling, smøring og utskylling av gass, sand, metallpartikler og andre forurensninger fra kritiske komponenter for å unngå de typiske problemene som er nevnt tidligere, dette resulterer i utvidet levetid i forhold til tidligere kjente forseglede undervannspumper. Dessuten krever ikke den forseglede motoren eller statorkammeret barriere tilførselsfluid, noe som eliminerer tilførsel gjennom kontrollkabel (umbilical) og topside hydraulisk kraftenhet. Den effektive trykkutjevning som tillater rent mekanisk, lokal trykkutjevning uten fjernstyring, og tillater rask responstid med hensyn til trykkutjevning, noe som tillater bruk av tynnveggede høystyrke skillevegger, og som tillater redusert avstand og dermed forbedret magnetisk kobling mellom den drivende og den drevne delen av den magnetiske koblingen. Skilleveggen kan være laget av et ikke ferromagnetisk hardt høy styrke materiale, slik som Monell eller kompositt materialer. Pumpen ifølge oppfinnelsen kan omfatte

9 8 hvilken som helst funksjon som her er beskrevet eller vist, i hvilken som helst driftsmessig kombinasjon, hver driftsmessige kombinasjon er en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

10 9 Krav 1 Undervannspumpe (1) karakterisert ved at den omfatter et trykkhus (2) som er delt inn i to kammer; et første kammer (3) med pumpe eller impeller, for pumping av prosessfluid, anordnet på en aksel og et andre kammer (4) med motor eller stator; en skillevegg () anordnet forseglende mellom de to kamrene, en magnetisk kobling (6) mellom kamrene, gjennom skilleveggen, et trykkutjevningssystem (7) for å balansere trykket på skilleveggen fra det andre kammer til trykket på skilleveggen fra det første kammer, og pumpen er uten ekstern forsyning av barrierefluid Pumpe (1) ifølge krav 1, hvori trykkutjevningssystemet (7) kontrollerer trykkforskjellene over skilleveggen () til å være mindre enn bar, foretrukket mindre enn 3 bar, mer foretrukket mindre enn 1 bar, enda mer foretrukket mindre enn 0,3 bar, mest foretrukket rundt 0 bar, ved å balansere trykket på begge sider av skilleveggen Pumpe (1) ifølge krav 1 eller 2, hvori lagrene (8) er anordnet med smøremidler for å beskyttelse mot gasser og partikler, smøremiddelstrømmen skyller ut partikler og rusk ved smøring og kjøling. 4. Pumpe (1) ifølge krav 1-3, hvori motorkammeret (4) er fylt med vann/glykol eller annen væske eller miks av væske som kjølemiddel for motoren og smøremiddel

11 for lagrene, nevnte kjølemiddel og smøremiddel sirkulerer i en lukket krets som inkluderer minst et filter. 1. Pumpe (1) ifølge krav 1-4, hvori pumpen (1) er vertikalt anordnet og skilleveggen har form som en hatt (H), en rotor (12) som er anordnet på utsiden av hatten, kjøles av sirkulerende kjølefluid gjennom kjølekanaler anordnet på innsiden og utsiden av rotoren, kanaler for kjøling er også anordnet gjennom et radielt lager som ligger inntil den eksterne rotoren. 6. Pumpe (1) ifølge krav 1-, hvori pumpen (1) er vertikal anordnet og skilleveggen har form som en kopp (C), en indre rotor (11), anordnet innvendig i koppen, blir avkjølt av sirkulerende kjølefluid gjennom kjølekanaler som går på innsiden av rotorakselen og ut langs innsiden av den magnetisk koblede rotor. 7 Pumpe(1) ifølge et av kravene 1-6, hvori lagrene (8) er anordnet aksialt adskilt fra den magnetiske koblingen. 8. Pumpe (1) ifølge et av kravene 1-7, hvori motorkammeret (4) omfatter en stator uten aksel Pumpe (1) ifølge krav 1-8, hvori motorhuset (4) er fylt med en miks av vann/glykol, og kjølefluidpumpen (CFP) er en vann-glykol pumpe.. Pumpe (1) ifølge 1-9, hvori kjølefluidet i motorhulrommet (4) kan fylles eller byttes ut undervanns av en fjernstyrt farkost (ROV).

12

13

14