BR102019024355A2

BR102019024355A2 - Bomba multifásica

Info

Publication number: BR102019024355A2
Application number: BR102019024355-4A
Authority: BR
Inventors: Matthew BOURNE; Nicholas CZEMERYS
Original assignee: Sulzer Management Ag; Sulzer Management Ag.; Matthew BOURNE; Nicholas CZEMERYS
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-06-02
Also published as: RU2019137196A; CN111207117A; EP4063665A1; EP3657024B1; EP3657024A1; US12006949B2; AU2019268127A1; CA3061943A1; KR20200060688A; US20200158135A1; SG10201910910XA

Abstract

uma bomba multifásica é proposta para conduzir um fluido de processo multifásico de um lado de baixa pressão (lp) para um lado de alta pressão (hp), que compreende um alojamento externo e um invólucro (10), o invólucro (10) tendo uma entrada de bomba (2) e uma saída de bomba (3) para o fluido de processo, a bomba multifásica (1) ainda compreendendo um rotor de bomba (4) para rodar em torno de uma direção axial (a) disposta dentro do invólucro (1), com o rotor de bomba (4) sendo projetado para conduzir o fluido do processo da entrada de bomba (2) para a saída de bomba (3). a bomba multifásica é caracterizada pelo fato de que o invólucro compreende uma pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73), e a pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) compreende um segmento de estágio individual (71, 72, 73), um segmento de baixa pressão (51) disposto na entrada da bomba (2) e um segmento de alta pressão (52) disposto na saída da bomba (3), em que o segmento de estágio individual (71, 72, 73) está disposto entre o segmento de alta pressão (52) e o segmento de baixa pressão (51), e os segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) são mantidos juntos por uma estrutura de suporte de vedação (81, 82), o invólucro (10) sendo disposto dentro do alojamento externo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para BOMBA MULTIFÁSICA.

[001] A invenção refere-se a uma bomba multifásica para conduzir um fluido de processo multifásico de acordo com o preâmbulo da reivindicação independente.

[002] Bombas multifásicas são usadas em muitas indústrias diferentes, onde é necessário conduzir um fluido de processo que compreende uma mistura de uma pluralidade de fases, por exemplo, uma fase líquida e uma fase gasosa. Um exemplo importante é a indústria de processamento de óleo e gás onde bombas multifásicas são usadas para conduzir fluidos de hidrocarboneto, por exemplo, para extrair o óleo cru do campo de óleo ou para transporte de óleo/gás através de tubulações ou dentro de refinarias.

[003] Em vista de uma exploração eficiente de campos de óleo e gás, existe hoje um aumento de demanda por bombas que podem ser instaladas e operadas diretamente no solo marinho em particular até uma profundidade de 100m, até 500m ou mesmo até mais que 1000 m abaixo da superfície da água. Desnecessário dizer que o projeto de tais bombas é desafiador, em particular porque estas bombas devem operar em um ambiente submarino difícil por um longo período de tempo com pouca manutenção e trabalho de serviço. Isto exige medições específicas para minimizar a quantidade de equipamento envolvida e otimizar a confiabilidade da bomba.

[004] Combustíveis fósseis normalmente não estão presentes em forma pura em campos de óleo ou campos de gás, mas como uma mistura multifásica que contém componentes líquidos, componentes gasosos e possivelmente também componentes sólidos, tal como areia. Esta mistura multifásica de, por exemplo, óleo cru, gás natural e produtos químicos também pode conter água do mar e uma proporção não substancial de areia e tem que ser bombeada do campo de óleo

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2/21 ou campo de gás. Para tal condução de combustíveis fósseis, bombas multifásicas são usadas, que são capazes de bombear uma mistura de líquido-gás que também pode conter componentes sólidos, por exemplo, areia.

[005] Um dos desafios com relação ao projeto de bombas multifásicas é o fato que em muitas aplicações a composição do fluido de processo multifásico está variando fortemente durante a operação da bomba. Por exemplo, durante a exploração de um campo de óleo, a relação da fase gasosa (por exemplo, gás natural) com a fase líquida (por exemplo, óleo cru) está variando fortemente. Estas variações podem ocorrer subitamente e poderiam causar uma queda em eficiência da bomba, vibrações da bomba ou outros problemas. A relação da fase gasosa na mistura multifásica é comumente medida pela fração de volume de gás sem dimensão (GVF) designando a relação de volume do gás no fluido de processo multifásico. Em aplicações na indústria de óleo e gás, a GVF pode variar entre 0% e 100%. Estas fortes variações na composição do fluido de processo poderiam fazer com que a bomba esteja, pelo menos temporariamente, funcionando fora da faixa de operação para a qual a bomba foi projetada. É uma medida conhecida reduzir as grandes variações na GVF para fornecer um tanque tampão a montante da entrada de uma bomba multifásica. O fluido de processo multifásico a ser bombeado pela bomba multifásica é primeiro suprido em um tanque tampão de volume adequado e a saída do tanque tampão é conectada à entrada da bomba. Por esta medida, as fortes variações da GVF podem ser amortecidas desse modo melhorando o desempenho da bomba. Bombas multifásicas modernas na indústria de óleo e gás podem manusear fluidos de processo multifásico tendo uma GVF de até 95% ou mesmo mais.

[006] Dispositivos de bombeamento ou compressão para misturas multifásicas com conteúdo de gás aumentado já são conhecidos

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3/21 de GB-A-1 561 454, EP 0 486 877 ou US 5.961.282.

[007] Bombas multifásicas e seus problemas de vibração são tematizados em EP 2 386 767. EP 2 386 767 descreve uma bomba helico-axial para conduzir misturas multifásicas, em que a bomba multifásica compreende uma bucha estabilizante hidrodinâmica com uma superfície estabilizante entre um primeiro rotor parcial e um segundo rotor parcial para formar um espaço estabilizante na frente da superfície estabilizante. No estado de operação de tal bomba multifásica, uma camada estabilizante hidrodinâmica de um meio estabilizante pode ser formada no espaço estabilizante. A formação da camada estabilizante hidrodinâmica reduz ou pelo menos amortece vibrações prejudiciais do rotor a uma medida tolerável predeterminada.

[008] A despeito de tais vibrações, existe um desejo claro para bombas com um número maior de estágios de compressão, de modo que misturas multifásicas com conteúdo de gás maior podem ser comprimidas em pressões maiores, de modo que as misturas multifásicas comprimidas podem ser bombeadas de modo mais seguro.

[009] A fim de obter uma compressão suficientemente alta das misturas multifásicas, um número maior de estágios de compressão, cada um consistindo em um impulsor e um estator, fornecidos em série, (por exemplo, até dezesseis ou mais estágios de compressão). Esta necessidade de estender o comprimento de bombas multifásicas tem a desvantagem decisiva que tais rotores longos com uma pluralidade de estágios de compressão são muito difíceis de controlar em termos de vibração.

[0010] No interior destas bombas, os rotores longos formam um sistema vibratório, que em particular pode formar vários modos de oscilação transversal que podem ser tão intensos que a bomba pode não ser mais operada em um dado número de revoluções ou em um certo campo de revolução. Além disso, a eficiência da bomba pode ser re

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4/21 duzida e no pior caso, mesmo danificar a bomba, quando o rotor começa a vibrar tão forte e incontrolado que partes do rotor entram em contato com o invólucro da bomba. O tipo e intensidade das vibrações do rotor dependem não somente da geometria específica, mas também do estado de operação da bomba, a mistura multifásica a ser bombeada, a velocidade rotacional da bomba e outros parâmetros conhecidos, alguns dos quais não são exatamente conhecidos de modo que é dificilmente possível administrar os problemas com as vibrações prejudiciais do rotor somente adaptando as relações geométricas de bombas conhecidas ou usando novos materiais.

[0011] Com relação às vibrações do rotor, o equilíbrio do rotor é totalmente importante. Com o rotor possuindo um alto nível de equilíbrio de máquina, ocorrem muito menos vibrações (mesmo se um fluido bastante não homogêneo é bombeado).

[0012] Portanto, um dos desafios com relação à fabricação de bombas multifásicas é a exigência para assegurar que um alto nível de equilíbrio de máquina é obtido. Um alto grau de equilíbrio do rotor mitiga a redução em amortecimento e rigidez que um fluxo de processo de gás alto ou completo fornece. Assegurando um alto grau de equilíbrio, a bomba multifásica é muito mais robusta quando as propriedades de fluido de processo reduzem em rigidez e amortecimento. O estado atual do processo da técnica é equilibrar o rotor e então vedar o rotor em um invólucro axialmente dividido. Tal invólucro é uma fabricação grande e complexa, não adequada à minimização e modularização.

[0013] Partindo do estado da técnica é um objetivo da invenção propor uma bomba multifásica aperfeiçoada evitando as desvantagens da técnica anterior. Em particular, a bomba multifásica deve ser protegida melhor do desgaste evitando enormemente as vibrações danosas do rotor. Além do mais, as vibrações do rotor devem ser reduzidas/amortecidas em um grau predeterminado, de modo que um funci

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5/21 onamento melhorado do rotor pode ser obtido e a bomba pode ser operada em velocidades maiores. Além disso, a nova bomba multifásica deve ser capaz de ser equipada com mais estágios de compressão, então é possível com as bombas multifásicas conhecidas na técnica anterior.

[0014] O assunto da invenção que satisfaz este objetivo é caracterizado pelos aspectos da reivindicação independente.

[0015] Assim, de acordo com a invenção, uma bomba multifásica é proposta para conduzir um fluido de processo multifásico de um lado de baixa pressão para um lado de alta pressão. A bomba multifásica compreendendo um alojamento externo e um invólucro, o invólucro tendo uma entrada de bomba e uma saída de bomba para o fluido de processo. A bomba multifásica ainda compreende um rotor de bomba para rodar em torno de uma direção axial disposta dentro do invólucro, com o rotor de bomba sendo projetado para conduzir o fluido do processo da entrada de bomba para a saída de bomba. A bomba multifásica é caracterizada pelo fato de que o invólucro compreende uma pluralidade de segmentos de estágio. A pluralidade de segmentos de estágio compreende um segmento de estágio individual, um segmento de baixa pressão disposto na entrada da bomba e um segmento de alta pressão disposto na saída da bomba, em que o segmento de estágio individual está disposto entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão. Além do mais, a pluralidade de segmentos de estágio são mantidos juntos por uma estrutura de suporte de vedação, em que o invólucro está disposto dentro do alojamento externo. O invólucro, portanto, é o invólucro interno da bomba multifásica. A estrutura de suporte de vedação está disposta no invólucro dentro do alojamento.

[0016] Que o segmento de estágio individual esteja disposto entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão implica

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6/21 que o segmento de estágio individual esteja disposto na direção axial entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão.

[0017] Que o invólucro da bomba multifásica de acordo com a invenção compreende a pluralidade de segmentos de estágio de preferência significa que o invólucro é dividido radialmente pelo menos no segmento de estágio individual, o segmento de baixa pressão disposto na entrada de bomba e o segmento de alta pressão disposto na saída de bomba.

[0018] Relacionando com o estágio, invólucros de bombas de seção de anel divididas radialmente conhecidos da técnica anterior, os segmentos de estágio da invenção de preferência são (nomeados de acordo com sua função): invólucro de sucção (segmento de baixa pressão), invólucro de estágio (segmento de estágio individual; normalmente vários destes são dispostos em sequência) e invólucro de descarga (segmento de alta pressão). Quando montada, a conexão estanque à pressão do invólucro é assegurada pela estrutura de suporte de vedação.

[0019] Em particular, a estrutura de suporte de vedação pode ser fixada no segmento de alta pressão e no segmento de baixa pressão. Em tal instalação, a estrutura de suporte de vedação está pressurizando os segmentos de estágio pelo segmento de alta pressão e pelo segmento de baixa pressão e como resultado fixando os segmentos de estágio individuais entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão. Em uma disposição de bomba linear, o segmento de baixa pressão e o segmento de alta pressão são de preferência as peças terminais do invólucro de bomba.

[0020] A bomba multifásica da invenção é particularmente projetada com vários segmentos de estágio ou segmentos de estágio individuais do mesmo tipo dispostos em tandem. O invólucro é uma disposição de pelo menos três segmentos de estágio que formam o invólucro

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7/21 do rotor.

[0021] Os invólucros de estágio conhecidos da técnica anterior são aplicados em alguns tipos de bombas de múltiplos estágios, mas não em bombas multifásicas com um alojamento e um invólucro dispostos no invólucro. Um exemplo de uma bomba com vários invólucros de estágio do mesmo tipo encaixados em disposição tandem é a bomba de seção de anel. Este tipo de bomba é frequentemente usado em aplicações de estação de energia, por exemplo, como uma bomba de alimentação de caldeira e em aplicações industriais que exigem altas pressões. Os estágios individuais de uma bomba de múltiplos estágios não necessariamente têm que ser dispostos em tandem. O equilíbrio de impulso axial pode ser aprimorado dispondo os estágios consecutivos em pares ou grupos. Os invólucros de estágio conhecidos da técnica anterior são combinados com o difusor em uma peça única.

[0022] Nas bombas de múltiplos estágios conhecidas, os invólucros de estágio servem na maior parte como construções simples e econômicas para aplicações de baixa pressão. O equilíbrio do rotor de bomba desempenha um papel muito menor, porque o fluido de processo propriamente dito normalmente é muito homogêneo e compreende principalmente uma fase. Como um resultado, existe quase nenhuma variação na composição do fluido de processo causando desgaste. Consequentemente, não existe necessidade da bomba funcionar fora de sua faixa de operação.

[0023] Por outro lado, em bombas multifásicas, o alto equilíbrio do rotor é muito importante na operação da bomba multifásica. Garantindo o alto equilíbrio do rotor a máquina é muito mais robusta quando as propriedades de fluido de processo reduzem em rigidez e amortecimento durante a operação da bomba multifásica. O estado atual do processo da técnica é equilibrar o elemento rotativo e então vedar e suportar as partes estacionárias adjacentes com um invólucro interno

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8/21 do tipo concha de molusco (dividido axialmente não dividido radialmente). Em particular, as partes estacionárias adjacentes compreendem anéis difusores semicirculares.

[0024] Um invólucro com invólucros de estágio nunca foi considerado para uma bomba multifásica, porque entre outros atributos, o processo de equilíbrio de rotores para bombas multifásicas não pode realmente ser explorado em invólucros de estágio conhecidos, desde que os invólucros de estágio conhecidos sejam combinados com o difusor em uma única peça, enquanto as bombas multifásicas normalmente compreendem difusores semicirculares separados. Além do mais, os invólucros de estágio da técnica anterior não são dispostos no alojamento externo. Portanto, com o invólucro de estágio conhecido da técnica anterior, não seria possível equilibrar primeiro o rotor e depois aplicar o invólucro, uma vez que o invólucro de estágio conhecido da técnica anterior é construído estágio por estágio com o rotor.

[0025] Consequentemente, a invenção é substituir o invólucro interno dividido axialmente de uma bomba multifásica por um invólucro que se parece com o invólucro de estágio de uma bomba de seção de anel, isto é, compreendendo vários invólucros de estágio (segmentos radialmente divididos do invólucro com estágios), portanto um invólucro que não é dividido axialmente, mas dividido radialmente. A pluralidade de segmentos de estágio pode ser aplicada a/deslizada sobre o rotor, segmento por segmento, porque não existe necessidade de desmontar o rotor para encaixar o estator. A invenção tem uma manutenção muito mais simples e assegura excelente comportamento dinâmico de rotor da bomba multifásica. Além do mais, a bomba multifásica de acordo com a invenção tem uma montagem facilitada e o custo é reduzido sem ter um impacto negativo no equilíbrio do rotor, ou mesmo melhorando o equilíbrio do rotor.

[0026] A descoberta essencial da invenção, portanto, é que o in

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9/21 vólucro de estágio pode ser usado com sucesso em bombas multifásicas sem desmontar o rotor e sem reduzir o equilíbrio do rotor.

[0027] Em adição, o invólucro da bomba pode compreender uma pluralidade de segmentos de estágio individuais, em que a pluralidade de segmentos de estágio individuais da bomba multifásica compreende um primeiro segmento de estágio individual e um segundo segmento de estágio individual. O primeiro segmento de estágio individual e o segundo segmento de estágio individual são dispostos em tandem entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão. Além do mais, a pluralidade de segmentos de estágio são mantidos juntos por uma estrutura de suporte de vedação.

[0028] Os segmentos de estágio individuais podem ter vários formatos diferentes. Os segmentos de estágio individuais podem ser formatados diferentes ou similares. Por exemplo, os segmentos de estágio individuais podem ser segmentos de anel individuais, em que cada segmento de anel específico pode ter uma extensão axial individual.

[0029] O rotor da bomba multifásica pode compreender vários componentes. Os ditos componentes são, por exemplo, pelo menos um, de preferência uma pluralidade de impulsores e uma haste. Enquanto a pluralidade de impulsores é disposta em série na haste. Além disso, a pluralidade de impulsores deve ser acoplada à prova de torque na haste.

[0030] Deve ser notado que a bomba multifásica pode ainda compreender um difusor. O difusor está disposto em torno da haste, em que o difusor está normalmente disposto entre dois impulsores adjacentes para direcionar o fluido de processo para o impulsor seguinte. É claro, a bomba multifásica pode compreender uma pluralidade de difusores sendo dispostos em série em torno de uma haste, em que cada difusor está de preferência disposto entre dois impulsores adjacentes para direcionar o fluido de processo para o impulsor seguinte. O difu

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10/21 sor pode compreender pelo menos uma palheta montada em um cubo. Em algumas modalidades da descrição, pelo menos uma abertura é fornecida nas palhetas de difusor, na direção radial, de modo a reduzir ou remover instabilidades hidráulicas, tais como paradas repentinas de rotação. O dito difusor está disposto dentro do invólucro, a montante ou a jusante do impulsor. Tal difusor pode opcionalmente ser dividido axialmente em dois anéis semicirculares e os dois anéis semicirculares podem estar dispostos em torno da haste.

[0031] De acordo com uma medida vantajosa, os impulsores são impulsores helico-axiais. As bombas multifásicas helico-axiais podem ser projetadas e empregadas para aplicações de fundo de poço, em que a bomba é instalada dentro de um furo de poço. A bomba multifásica da presente invenção, no entanto, não é limitada ao uso em aplicações de fundo de poço, mas em vez disso é adequada para implementação em qualquer bomba multifásica autônoma para aplicação submarina ou na parte superior. A bomba helico-axial é somente um tipo de bombas de compressor usadas em produção de hidrocarboneto.

[0032] A bomba multifásica helico-axial tipicamente compreende um invólucro com estágios que pode ser formado como uma blindagem de cilindro em que a haste é articulada centralmente e acionada em rotação por um motor elétrico submersível/unidade de acionamento. Um impulsor helico-axial (helicoidal) é fixado rotativamente na haste. A bomba helico-axial é tipicamente composta de vários estágios sucessivos (célula hidráulica, estágio de bomba) em que cada estágio inclui uma seção de impulsor seguida por uma seção de difusor. A seção de impulsor compreendendo pelo menos um impulsor e a seção de difusor compreendendo pelo menos um difusor. O difusor pode incluir lâminas estacionárias que se estendem da blindagem para o cubo central, através do qual a haste passa articulada rotacionalmente. O

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11/21 impulsor e o difusor fornecem, cada um, uma passagem de fluxo anular definida por um lado pela blindagem e por outro lado pela haste e pelo cubo respectivamente. De preferência, no impulsor a área de fluxo seccional diminui na direção do difusor como o resultado de um diâmetro de haste de impulsor crescente, enquanto no difusor a área de fluxo seccional aumenta na direção do impulsor seguinte como o resultado de um diâmetro de cubo decrescente. O impulsor comprime o fluido na direção do difusor, conferindo um componente axial e um rotacional ao fluxo. As lâminas estacionárias no difusor eliminam o componente rotacional e retornam o fluxo para axial. Devido a uma expansão radial do fluxo através do difusor a velocidade de fluxo é reduzida, resultando em aumento da pressão estática no fluido.

[0033] Os altos graus de equilíbrio são difíceis de manter quando submontagens são desmanteladas para permitir etapas de montagem subsequentes notavelmente de partes estacionárias adjacentes (por exemplo, difusor) depois de operações de equilíbrio do rotor. Para impedir a degradação do alto grau de equilíbrio, os difusores podem ser axialmente divididos em dois anéis semicirculares e montados em torno do rotor equilibrado.

[0034] De acordo com uma modalidade preferida, a estrutura de suporte de vedação é um tirante. Enquanto o tirante pode ser conectado a uma variedade da pluralidade de segmentos de estágio. O tirante deve ser conectado a pelo menos dois segmentos de estágio para pressurizar os segmentos de estágio e vedar o invólucro de bomba com estágios. Em particular, o tirante é conectado ao segmento de baixa pressão e ao segmento de alta pressão. Em adição, pode existir uma pluralidade de tirantes sendo conectados a pelo menos dois segmentos de estágio. Especificamente, o tirante também pode ser conectado ao segmento de estágio individual (intermediário) ou a uma pluralidade de segmentos de estágio individuais.

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12/21 [0035] Na bomba multifásica de acordo com a invenção os segmentos de estágio individuais, em particular os primeiros segmentos de estágio individuais e os segundos segmentos de estágio individuais podem ser implementados como anéis individuais comprimidos juntos pelo tirante.

[0036] Os segmentos de estágio da bomba multifásica podem compreender um flange ou uma pluralidade de flanges para conectar o tirante ou uma pluralidade de tirantes, respectivamente. Em particular, o segmento de baixa pressão pode compreender um primeiro flange e o segmento de alta pressão pode compreender um segundo flange, em que o tirante é conectado ao primeiro flange e ao segundo flange.

[0037] A estrutura de suporte de vedação da invenção monta/compacta/retém o invólucro, isto é, segmentos de estágio, por exemplo, com segmentos de estágio individuais sendo comprimidos juntos usando o tirante (ou uma pluralidade de tirantes) conectado a pelo menos dois segmentos de estágio (de preferência uma pluralidade de). Em uma modalidade preferida, o tirante é conectado ao invólucro de sucção e um último difusor de estágio.

[0038] Alternativamente, a estrutura de suporte de vedação pode ser projetada como estágios de invólucros individualmente conectados. Os estágios de invólucros individualmente conectados implicam que existe uma estrutura entre/disposta em dois segmentos de estágio adjacentes conectando estes dois segmentos de estágio. Portanto, os segmentos de estágio podem ser individualmente aparafusados no segmento de estágio adjacente. Enquanto o primeiro segmento de estágio individual é aparafusado no invólucro de sucção e o segundo segmento de estágio individual é aparafusado no último difusor de estágio. Obviamente, os segmentos de estágio não devem ser aparafusados, mas também podem ser conectados de qualquer outra maneira adequada.

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13/21 [0039] Além do mais, é preferido que os segmentos de estágio ainda compreendam um terceiro segmento de estágio individual, o primeiro segmento de estágio individual sendo conectado ao segmento de baixa pressão, o segundo segmento de estágio individual sendo conectado ao segmento de alta pressão e o terceiro segmento de estágio individual sendo conectado ao primeiro segmento de estágio individual e/ou ao segundo segmento de estágio individual. Se os segmentos de estágio individuais compreendem uma pluralidade de terceiros segmentos de estágio individuais (isto é, segmentos de estágio individuais intermediários), o terceiro segmento de estágio individual pode ser conectado ao primeiro segmento de estágio individual e/ou ao segundo segmento de estágio individual e/ou a outro terceiro segmento de estágio individual.

[0040] Assim, a bomba multifásica pode compreender uma pluralidade de terceiros segmentos de estágio individuais, em que cada um dos terceiros segmentos de estágio individuais é conectado ao segmento de estágio individual adjacente. Assim, existe tipo de uma corrente de segmentos de estágio individuais ligados, que compreende uma pluralidade de segmentos de estágio individuais.

[0041] De acordo com uma modalidade preferida, a bomba multifásica pode compreender um anel de desgaste de impulsor disposto entre o impulsor e o invólucro, e um anel de desgaste de difusor disposto entre a haste e o difusor. O anel de desgaste do impulsor pode ser integrado nos segmentos de estágio do invólucro, especialmente se o diâmetro externo do impulsor é capaz de ser aumentado sem impedimento para o desempenho hidráulico da bomba.

[0042] A bomba multifásica pode tanto estar em configurações horizontal ou vertical. De acordo com um projeto preferido, a entrada de bomba (isto é, sucção) e a saída de bomba (isto é, descarga) no invólucro de bomba são as conexões primárias. De preferência, o segmen

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14/21 to de baixa pressão do invólucro de bomba é o segmento de um invólucro de sucção com a entrada e o segmento de alta pressão é o segmento com o último difusor de estágio e/ou um invólucro de descarga com a saída. A estrutura de suporte de vedação (por exemplo, o tirante) pode em particular ser conectada ao último difusor de estágio ou ao invólucro de descarga e ao invólucro de sucção.

[0043] No estado de operação, o fluido do processo entra no invólucro de bomba na entrada de bomba através das vias de passagem hidráulica de invólucros de sucção. O fluido de processo é transportado ao longo do comprimento da haste de bomba por meio de um único ou uma pluralidade de impulsores e difusores, devido à rotação do rotor. O fluido do processo é então empurrado através do último difusor de estágio na saída de bomba e sai do invólucro de bomba.

[0044] Como o fluido de processo pode ser um fluido multifásico (isto é, compreende uma pluralidade de fases diferentes), compreendendo densidades e viscosidades variadas de sólidos, líquidos e gases, um alto grau de equilíbrio mecânico do rotor de bomba é exigido para minimizar efeitos dinâmicos de rotor adversos, especificamente em altas proporções de gás e líquido, onde o amortecimento e rigidez do fluido de processo são significantemente reduzidos comparado com um fluxo de processo dominante de líquido.

[0045] Um estágio de bomba ou uma célula hidráulica é uma montagem de um impulsor e um difusor. Os difusores divididos permanecem no lugar devido à pressão gerada por cada célula hidráulica de um impulsor e um difusor. A estrutura de suporte de vedação é exigida para gerar esta pressão, em particular para aplicar esta pressão nos difusores e nos anéis de desgaste do impulsor.

[0046] De acordo com um projeto preferido, a bomba multifásica compreende ferramentas que mantêm as metades de difusor e anéis de desgaste no lugar enquanto os segmentos radialmente divididos

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15/21 são deslizados sobre a montagem. A invenção pode utilizar um segmento de estágio por célula hidráulica, mas também pode usar segmentos de estágio mais longos para vedar e suportar múltiplas células hidráulicas com um segmento de estágio. No mínimo, um segmento de estágio individual (primeiro) longo único seria usado para suportar e vedar todos os estágios de bomba ou células hidráulicas entre o segmento de alta pressão e o segmento de baixa pressão.

[0047] Normalmente, na bomba multifásica, uma pluralidade de estágios de bomba justapostos horizontalmente são fornecidos, cada estágio de bomba pode compreender um segmento de estágio (o invólucro de estágio do estágio de bomba), em cada um dos quais um impulsor é fornecido. O impulsor promove o fluido a partir da entrada do lado de baixa pressão deste estágio de bomba para sua saída do lado de alta pressão, que é conectada à entrada do estágio seguinte. Todos os impulsores são montados rotativamente na haste, que consequentemente se estende através de todos os estágios de bomba e é acionada por um dispositivo adequado. Os estágios de bomba individuais são tipicamente vedados ao longo da haste comum pelos anéis de desgaste que são estacionários com respeito aos segmentos radialmente divididos, isto é, são dispostos estacionários ou montados. É uma medida comum que os dois anéis de desgaste sejam fornecidos para um estágio de bomba, isto é, no lado com pressão menor, um primeiro anel de desgaste, que circunda uma cobertura dianteira do impulsor, e lado com maior pressão, um segundo anel de desgaste, que é fixamente preso em uma divisão e leva o fluido de processo da saída do estágio de bomba para a entrada do estágio de bomba seguinte e inclui tipicamente o difusor para o estágio seguinte.

[0048] A bomba multifásica também pode ser projetada em uma disposição consecutiva. Nesta disposição, vários impulsores são dispostos em disposição consecutiva na haste. De preferência, uma

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16/21 bomba multifásica de acordo com a invenção em disposição consecutiva compreende o invólucro que tem uma primeira entrada de bomba, uma segunda entrada de bomba e a saída de bomba para o fluido do processo. O rotor de bomba está rodando em torno da direção axial no estado de operação, com o rotor de bomba sendo projetado para conduzir o fluido do processo da bomba da primeira entrada de bomba e da segunda entrada de bomba para a saída de bomba. O invólucro compreende uma pluralidade de segmentos de estágio. O invólucro sendo adotado para a disposição consecutiva significa que os segmentos de estágio compreendem pelo menos dois segmentos de estágio individuais, um primeiro e segundo segmentos de baixa pressão dispostos na primeira e na segunda entrada de bomba respectivamente e um segmento de alta pressão disposto na saída de bomba. Enquanto os segmentos de estágio individuais são dispostos entre o segmento de alta pressão e os primeiro e segundo segmentos de baixa pressão, respectivamente. Além do mais, os segmentos de estágio são mantidos juntos pela estrutura de suporte de vedação. Se a estrutura de suporte de vedação é projetada como um tirante, o tirante deve pelo menos ser conectado ao segmento de alta pressão e aos primeiro e segundo segmentos de baixa pressão.

[0049] A bomba multifásica de acordo com a invenção pode ser projetada como uma bomba vertical com o rotor de bomba se estendendo na direção vertical. Alternativamente, a bomba multifásica de acordo com a invenção pode ser projetada como uma bomba horizontal com o rotor de bomba se estendendo perpendicular à direção vertical, isto é, na direção horizontal.

[0050] De acordo com uma configuração preferida, a bomba multifásica compreende uma unidade de acionamento conectada operativamente ao rotor de bomba para rodar o rotor de bomba, em que a unidade de acionamento está disposta dentro de um alojamento.

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17/21 [0051] Em particular, a bomba multifásica pode ser projetada para transporte de óleo e gás submarino.

[0052] Em uma modalidade preferida, a bomba multifásica é projetada para instalação no solo marinho.

[0053] A invenção será explicada em mais detalhes daqui em diante com referência aos desenhos. São mostrados em uma representação esquemática:

[0054] Figura 1: uma vista em seção transversal de uma primeira modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção, [0055] Figura 2: uma vista em seção transversal de uma segunda modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção.

[0056] Figura 3: uma modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção com um difusor axialmente dividido.

[0057] A figura 1 mostra uma vista em seção transversal de uma modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção. A bomba multifásica é projetada como uma bomba centrífuga para conduzir um fluido de processo multifásico de um lado de baixa pressão LP para um lado de alta pressão HP.

[0058] Na descrição seguinte referência é feita por meio de exemplo à aplicação importante que a bomba multifásica 1 é projetada e adaptada para ser usada como uma bomba submarina na indústria de óleo e gás. Em particular, a bomba multifásica 1 é configurada para instalação no fundo do mar, isto é, para uso abaixo da superfície da água, em particular até uma profundidade de 100 m, até 500m ou mesmo até mais que 1000 m abaixo da superfície da água do mar. Em tais aplicações, o fluido de processo multifásico é tipicamente uma mistura contendo hidrocarboneto que tem que ser bombeada de um campo de óleo, por exemplo, para uma unidade de processamento abaixo ou na superfície da água ou na costa. A mistura multifásica que constitui o fluido do processo a ser conduzido pode incluir uma fase

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18/21 líquida, uma fase gasosa e uma fase sólida, em que a fase líquida pode incluir óleo cru, água do mar e produtos químicos, a fase gasosa pode incluir metano, gás natural ou similar e a fase sólida pode incluir areia, lama e pequenas pedras sem a bomba multifásica ser danificada no bombeamento da mistura multifásica.

[0059] É evidente que a invenção não é restrita a este exemplo específico, mas está relacionada com bombas multifásicas 1 em geral. A invenção pode ser usada em várias aplicações diferentes, especialmente em tais aplicações onde a bomba multifásica é instalada em localizações que são de difícil acesso.

[0060] O invólucro 10 da bomba multifásica 1 compreende uma entrada de bomba 2 através da qual o fluido de processo multifásico entra na bomba no lado de baixa pressão LP como indicado pela seta, e uma saída de bomba 3 para descarregar o fluido de processo com uma pressão aumentada no lado de alta pressão HP como indicado pela seta. Tipicamente, a saída de bomba 3 é conectada a um tubo ou uma tubulação (não mostrada) para distribuir o fluido do processo para outra localização. A pressão do fluido do processo na saída de bomba 3, isto é, no lado de alta pressão HP, tipicamente é consideravelmente maior que a pressão do fluido de processo na entrada de bomba 2, isto é, no lado de baixa pressão LP. Um valor típico para a diferença entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão é, por exemplo, 50 a 200 bar.

[0061] O invólucro 10 da bomba multifásica 1 é projetado como um invólucro com estágio dividido radialmente 10 com vários segmentos de estágio 51, 52, 71, 72, 73, que são capazes de suportar a pressão gerada pela bomba multifásica 1 bem como a pressão exercida na bomba multifásica 1 pelo ambiente. Os vários segmentos de estágio 51, 52, 71, 72, 73 compreendem várias partes de invólucro diferentes, que são conectadas uma à outra para formar o invólucro 10. Enquanto

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19/21 os vários segmentos de estágio 51, 52, 71, 72, 73 compreendem um segmento de alta pressão 52 disposto no lado de alta pressão HP em uma saída de bomba 3, um segmento de baixa pressão 51 disposto no lado de baixa pressão LP em uma entrada de bomba 2, um primeiro segmento de estágio individual 71, um segundo segmento de estágio individual 72 e um terceiro segmento de estágio individual 73. Os segmentos de estágio 51, 52, 71, 72, 73 são dispostos em tandem em que o primeiro segmento de estágio individual 71, o segundo segmento de estágio individual 72 e os terceiros segmentos de estágio individuais 73 são dispostos entre o segmento de baixa pressão 51 e o segmento de alta pressão 52. O segmento de baixa pressão 51 é projetado como invólucro de sucção e o segmento de alta pressão é projetado como invólucro de descarga.

[0062] Na modalidade mostrada na figura 1, o primeiro segmento de estágio individual 71 é conectado ao segmento de baixa pressão 51, o segundo segmento de estágio individual 72 está disposto no segmento de alta pressão 52, e a pluralidade de terceiros segmentos de estágio individuais 73 estão dispostos no primeiro segmento de estágio individual 71 e/ou no segundo segmento de estágio individual 72 e/ou conectados um ao outro. A modalidade mostrada compreende uma pluralidade de terceiros segmentos de estágio individuais 73, cada um dos terceiros segmentos de estágio individuais 71, 72,73 sendo disposto no segmento de estágio individual adjacente 71, 72, 73. O segmento de baixa pressão 51 compreende um primeiro flange 511 e o segmento de alta pressão 52 compreende um segundo flange 521. Um tirante 81 está disposto no invólucro 1 e conectado ao primeiro flange 511 e ao segundo flange 521. O tirante 81 é a estrutura de suporte de vedação, que coloca os segmentos de divisão radial 51, 52, 71, 72, 73 sob pressão de modo que o invólucro de estágios 1 é mantido unido.

[0063] A bomba multifásica 1 ainda compreende um rotor de bom

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20/21 ba 4 rodando em torno de uma direção axial A em um estado de operação da bomba multifásica. Em uma maneira conhecida per se, o rotor de bomba 4 é configurado para conduzir o fluido de processo de um anel de entrada no lado de baixa pressão LP para um anel de descarga no lado de alta pressão HP (não mostrado).

[0064] O rotor de bomba 4 compreende uma haste 41 rotativa em torno da direção axial A e um impulsor (bomba de estágio único; não mostrado) ou uma pluralidade de impulsores 42 (bomba de múltiplos estágios) dispostos em série ao longo da direção axial A para conduzir o fluido de processo da entrada 2 para a saída 3 e desse modo aumentar a pressão do fluido de processo. Cada impulsor 42 é fixado na haste 41 em uma maneira à prova de torque. Cada impulsor 42 pode ser projetado, por exemplo, como um impulsor radial ou como um impulsor axial ou como um impulsor semiaxial. Além do mais, existe uma pluralidade de difusores 6 dispostos entre dois impulsores adjacentes. Os anéis de desgaste de impulsor 91 são dispostos entre (em direção radial entre) o invólucro 10 e os impulsores 42 e anéis de desgaste de difusor 92 são dispostos entre (direção radial) o invólucro 10 e os difusores 6.

[0065] Para rodar a haste 41 do rotor de bomba 4, a haste 41 é operativamente conectada a uma unidade de acionamento (não mostrada), que poderia ser uma unidade separada localizada fora de um alojamento da bomba 1, ou que poderia ser integrada no alojamento. Para aplicações submarinas, a unidade de acionamento normalmente está disposta dentro do alojamento.

[0066] Por meio da unidade de acionamento, o rotor de bomba 4 é acionado durante a operação da bomba 1 para uma rotação em torno da direção axial A que é definida pelo eixo longitudinal do rotor de bomba 4.

[0067] A figura 2 mostra uma vista em seção transversal de uma segunda modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a in

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21/21 venção. A figura 2 mostra uma estrutura similar à figura 1, mas uma estrutura de suporte de vedação diferente é usada.

[0068] A modalidade mostrada na figura 2 tem segmentos de estágio individualmente aparafusados onde cada segmento de estágio 51, 52, 71, 72, 73 é aparafusado individualmente no segmento de estágio adjacente 51, 52, 71, 72, 73 por meio de uma estrutura de suporte de vedação 82, e o primeiro e último invólucro de estágio aparafusado no invólucro de sucção/segmento de baixa pressão 51 e último difusor de estágio/segmento de alta pressão 52, respectivamente, por meio da estrutura de suporte de vedação 82.

[0069] Os segmentos de estágio individuais 71, 72, 73 são dispostos entre o segmento de alta pressão 52 e o segmento de baixa pressão 51.

[0070] É evidente que a bomba multifásica 1 de acordo com a invenção pode ser projetada como uma bomba vertical ou horizontal com o rotor de bomba 4 se estendendo na direção vertical ou horizontal respectivamente, isto é, perpendicular à direção de gravidade.

[0071] A figura 3 mostra uma modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção com um difusor axialmente dividido 6.

[0072] A bomba multifásica compreende uma pluralidade de difusores 6 que são dispostos em série sobre um eixo 41, em que cada difusor 6 está disposto entre os dois propulsores adjacentes 42 para direcionar o fluido do processo ao próximo propulsor 42.

[0073] Assim, os difusores 6 estão axialmente divididos em dois anéis semicirculares e os dois anéis semicirculares estão dispostos sobre o eixo 41.

[0074] Devido ao difusor axialmente dividido o rotor pode ser montado sem reduzir o equilíbrio do rotor, visto que o difusor axialmente dividido “fica entre” o rotor e então os segmentos de estágio podem ser deslizados sobre o topo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Bomba multifásica para conduzir um fluido de processo multifásico de um lado de baixa pressão (LP) para um lado de alta pressão (HP), que compreende um alojamento externo e um invólucro (10), o invólucro (10) tendo uma entrada de bomba (2) e uma saída de bomba (3) para o fluido de processo, a bomba multifásica (1) ainda compreendendo um rotor de bomba (4) para rodar em torno de uma direção axial (A) disposta dentro do invólucro (10), com o rotor de bomba (4) sendo projetado para conduzir o fluido do processo da entrada de bomba (2) para a saída de bomba (3), caracterizada pelo fato de que o invólucro (10) compreende uma pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73), e a pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) compreende um segmento de estágio individual (71, 72, 73), um segmento de baixa pressão (51) disposto na entrada da bomba (2) e um segmento de alta pressão (52) disposto na saída da bomba (3), em que o segmento de estágio individual (71, 72, 73) está disposto entre o segmento de alta pressão (52) e o segmento de baixa pressão (51), e a pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) são mantidos juntos por uma estrutura de suporte de vedação (81, 82), o invólucro (10) sendo disposto dentro do alojamento externo.
2. Bomba multifásica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) compreende uma pluralidade de segmentos de estágios individuais (71, 72, 73), e a pluralidade de segmentos de estágio individuais (71, 72, 73) compreende um primeiro segmento de estágio individual (71) e um segundo segmento de estágio individual (72), em que o primeiro segmento de estágio individual (71) e o segundo segmento de estágio individual (72) são dispostos em tandem entre o segmento de alta pressão (52) e o segmento de baixa pressão (51),

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2/4 em que os segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73) são mantidos juntos por uma estrutura de suporte de vedação (81,82).
3. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o rotor de bomba (4) compreende uma pluralidade de impulsores (42) e uma haste (41), a pluralidade de impulsores (42) sendo disposta em série na haste (41).
4. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que ainda compreende um difusor (6), o difusor (6) sendo disposto em torno da haste (41) , em que o difusor (6) está disposto entre dois impulsores adjacentes (42) para direcionar o fluido de processo para o impulsor seguinte (42) .
5. Bomba multifásica, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o difusor (6) é axialmente dividido em dois anéis semicirculares e os dois anéis semicirculares são dispostos em torno da haste (41).
6. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a estrutura de suporte de vedação (81, 82) é um tirante (81), o tirante (81) sendo conectado a vários segmentos de estágio (51, 52, 71, 72, 73), em particular sendo conectado ao segmento de baixa pressão (51) e ao segmento de alta pressão (52).
7. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizada pelo fato de que os primeiros segmentos de estágio individuais (71) e os segundos segmentos de estágio individuais (72) são anéis individuais (512) comprimidos juntos pela estrutura de suporte de vedação (81, 82).
8. Bomba multifásica, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o segmento de baixa pressão (51)

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3/4 compreende um primeiro flange (511) e o segmento de alta pressão (52) compreende um segundo flange (521), o tirante (81) sendo conectado ao primeiro flange (511) e ao segundo flange (521).
9. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que os impulsores (42) são impulsores helico-axiais.
10. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de segmentos de estágio individuais (71, 72, 73) ainda compreende um terceiro segmento de estágio individual (73), o primeiro segmento de estágio individual (71) sendo conectado ao segmento de baixa pressão (51), o segundo segmento de estágio individual (72) sendo conectado ao segmento de alta pressão (52) e o terceiro segmento de estágio individual (73) sendo conectado ao primeiro segmento de estágio individual (71) e/ou ao segundo segmento de estágio individual (73).
11. Bomba multifásica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de terceiros segmentos de estágio individuais (73), cada terceiro segmento de estágio individual (73) sendo conectado ao segmento de estágio individual adjacente (71, 72, 73).
12. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende um anel de desgaste de impulsor (91) disposto entre o impulsor (42) e o invólucro (10), e um anel de desgaste de difusor (92) disposto entre a haste (41) e o difusor (6).
13. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é projetada como uma bomba vertical com o rotor de bomba (4) se estendendo na direção vertical.

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14. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende uma unidade de acionamento operativamente conectada ao rotor de bomba (4) para rodar o rotor de bomba (4), em que a unidade de acionamento está disposta dentro do alojamento da bomba multifásica.
15. Bomba multifásica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é projetada para instalação no solo marinho.