BRPI0616912A2 - aparelho e método para controlar a alimentação de gás barreira a um módulo compressor - Google Patents
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Abstract
APARELHO E MéTODO PARA CONTROLAR A ALIMENTAçãO DE GáS A UM MóDULO COMPRESSOR. Aparelho para controlar o fronecimento de gás barreira a um módulo compressor compeendendo uma câmara de pressão (3) contendo motor elétrico (1) que através de um eixo (8) é propulsoramente conectado com compressor (2). O (8) é suportado por mancaís magnéticos (11,21) e plo menos uma vedação axial (31) em torno do eixo (8) que divide a câmara de pressão em um primeiro compartimento (10) encerrando o motor (1) e um segundo compartimento (20) encerrado o compressor (2), o segundo compressor (20) compreendendo uma entrada (4) e uma saída (5) para fluido que deve ser comprimido. Uma linha (7) é fluidamente conectada com primeiro compartimento (10) para o fornecimento de gás barreira proveniente de um reservatório (6) e existe um dispositivo limitador de fluxo (71) na linha entre o reservatório(6) e o primeiro compartimento (10). O aparelho facilita um método para controlar o fornecimento barreira na base da velocidade de gás barreira requerida (vg) através da vedação (31; 32) e da pressão (ps) no segundo compartimento (20), Uma sobrepressão (pa) pode ser estabelecida no reservatório (6) e um fornecimento controlado de gás barreira pelo menos ao primeiro (10) compartimento é efetuado com auxilio do estrangulamento de fluxo (71, 71) no tubo de alimentação (7; 7).
Description
"APARELHO E METODO PARA CONTROLAR A ALIMENTAQAO DE GAS BARREIRA A UM MODULO COMPRESSOR".
A inven^ao trata de modulos compressores pra comprimir gases de hidrocarboneto em uma corrente de P090，e mais especificamente trata de um modulo compressor compreendendo uma camara de pressao, um compressor e um motor separados por um element。vedante, conforme exposto em maior detalhe no preambulo das reivindicapoes independentes 1, 2 e 8. A ϊηνεηςδο e especialmente apropriada para aplicapao em modulos compressores submarinos.
Um modulo compressor, na sua forma mais basica, e uma unidade na qual um compressor e um motor sao ligados atraves de um eixo e dispostos em uma camara de pressao comum. Entre ο motor e ο compressor existe uma vedapSo para prevenir a contaminapSo do motor. Todavia,existem problemas no manter ο motor eletrico, carregado de gas, tao seco quanto ο necessario de maneira a evitar corrosao e outros problemas relacionados com a precipitapao de condensados de hidrocarboneto e agua em forma liquida no
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interior do motor. E especialmente importante evitar a presen^a de agua em forma liquida juntamente com um teor de H2S ou CO2. que pode gerar acido e, conseqiientemente corrosao acelerada. Estes problemas sao contemplados nas patentes norueguesas NO 172075 e NO 173197，e tambem no pedido de patente Norueguesa 200135199. E tambem importante prevenir que particulas penetrem e se acumulem no interior do motor e mancais magneticos.
E mais frequente utilizar mancais lubrificados a oleo standard ou semelhantes nos compressores e em seus motores. A requerente explorou as possibilidades para uso confiavel de um motor de alta velocidade e mancais magneticos em modulos compressores integrados que tem um casco de pressao comum, proporcionando uma maneira de proteger ο motor eletrico e mancais magneticos no modulo compressor. Mancais magneticos nos ditos modulos compressores apresentam ν arias vantagens, particularmente durante ο funcionamento. Mancais magneticos sao mais confiaveis e de operapao menos dispendiosa. De especial importancia e ο fato de que ο uso de mancais magneticos eliminar oleo lubrificante e assim problemas potenciais que possam ocorrer atraves de: dilui^So do oleo lubrificante pelos gases de hidrocarboneto com os quais esta em contato, aciamulo de condensados de hidrocarboneto no oleo lubrificante, ou degradaplo do oleo lubrificante com ο passar do tempo devido ao seu uso especifico nos modulos compressores. O problema enfrentado ao utilizar mancais magneticos nao encapsulados em modulo compressor e sob muitos aspectos similar aos problemas associados com ο uso de eletro motores: ambos exigem uma atmosfera completamente seca e inerte com ο mais baixo teor de particulas praticamente possivel de maneira a funcionar confiavelmente e isenta de problemas com ο passar do tempo. Mancais magneticos encapsulados tambem existe ou estao em metodo de serem desenvolvidos. E reivindicado que estes mancais sao suscetiveis de operar na corrente de P090 nao tratada de gas de hidrocarboneto. Todavia, existem razoes para acreditar que tambem no caso destes tipos de mancais magneticos eles devam ser instalados e operados em uma atmosfera seca e livre de particulas.
Por conseguinte, existe uma necessidade por um sistema e um metodo para assegurar um ambiente completa ou quase completamente seco para ο motor eletrico e para os mancais magneticos em um modulo compressor integrado, e que tambem previna particulas (e.g., provenientes da corrente do ροφο circulem atraves do compressor) passem do Iado do compressor para ο interior do motor e/ou dos mancais magneticos.
Consequentemente, um aparelho e apresentado para controlar ο fornecimento de gas barreira a um modulo compressor compreendendo uma camara de pressao contendo um motor eletrico que atraves de um eixo e acionavelmente conectado com um compressor, no qual ο eixo divide a camara de pressao em um primeiro compartimento compreendendo ο motor e um segundo compartimento compreendendo ο compressor, ο segundo compartimento compreendendo uma entrada e uma saida para fluido que deve ser comprimido, caracterizado por uma linha fluidamente conectada com ο primeiro compartimento para fornecimento de gas barreira proveniente de um reservatorio, e um dispositivo limitador de fluxo na linha entre ο reservatorio e ο primeiro compartimento.
Em uma modalidade da invengao, um aparelho e apresentado para controlar ο fornecimento de gas barreira a um modulo compressor compreendendo um alojamento de pressao contendo um motor eletrico que atraves de um eixo e acionavelmente conectado comum compressor, no qual ο eixo e suportado por um primeiro mancal magnetico e pelo menos um segundo mancal magnetico ο Iado oposto do compressor em relagao aos primeiros mancais magneticos, e uma veda^ao axial em torno do eixo divide ο alojamento de pressao em um primeiro compartimento compreendendo ο motor e um segundo compartimento compreendendo ο compressor, ο segundo compartimento compreendendo uma entrada e uma saida para fluido que deve ser comprimido, e no qual uma segunda veda^ao axial e aplicada em torno do eixo entre ο compressor e ο segundo mancal magnetico desse modo formando um terceiro compartimento, caracterizado por uma linha fluidamente conectada com ο primeiro compartimento e uma linha fluidamente conectada como terceiro compartimento, as linhas sendo dispostas para fornecimento e gas barreira proveniente de um reservatorio, e respectivos dispositivos limitadores de fluxo nas linhas entre ο reservatorio e ο primeiro e ο terceiro compartimento, respectivamente. Outros sim，um metodo e apresentado para controlar ο
fornecimento de gas barreira a um modulo compressor, caracterizado por, na base da velocidade de gas barreira requerida atraves da vedayao e da pressao no segundo compartimento, estabelecer uma sobrepressao no reservatorio, e
efetuar uma alimentapao controlada de gas barreira pelo menos ao primeiro compartimento por intermedio da limitagao de fluxo no tubo de alimentafao. Uma modalidade da inven^ao passa a ser descrita a seguir com referenda aos desenhos apensos, nos quais partes identicas receberam numerals de referenda identicos.
A figura 1 e um diagrama esquematico do aparelho de acordo
com a inven9ao.
A figura 2 e um diagrama esquematico de uma modalidade do dispositivo de controle de gas barreira.
A figura 3 e um diagrama esquematico de uma modalidade alternativa do dispositivo de controle de gas barreira.
A figura 4 e um diagrama esquematico mostrando a velocidade do gas e ο transporte em massa atraves da veda^ao axial.
A figura 5 ilustra ο dispositivo de controle de gas barreira em uma forma basica.
A figura 6 ilustra um dispositivo de controle de gas barreira
mecanico que mantem ο fluxo de massa constante quando a pressao a montante do controlador, pa, e constante e a temperatura e constante, conforme a temperatura se mantem quando ο controlador e circundado por agua do mar.
O modulo compressor de acordo com a inven9ao compreende
um motor eletrico 1 e um compressor 2，ligados atraves de um eixo 8 e dispostos em um casco de pressao comum 3. A figura 1 ilustra esquematicamente que uma corrente essencialmente de gas de hidrocarboneto, porem que pode tambem conter liquidos e particulas (doravante designados de fluido) e conduzido de um reservatorio (nao mostrado), de preferencia atraves de um separador de liquido e em uma linha 17, para ο interior do modulo compressor atraves de uma entrada 4. No Iado a montante (lado de admissao) do compressor 2S ο fluido tern uma pressao de
suc9ao designada ps, que em um sistema de compressao de corrente do ροφο declina lentamente atraves do tempo a medida que a pressao do reservatorio baixa. No Iado ajusante do compressor, ο fluido tem uma pressao de descarga designada de pd. Quando ο compressor esta em operapao，pd e maior que ps. O fluido egressa do modulo compressor atraves da saida 5. Nos casos onde ο compressor nao esta em opera9ao e esta inativo, a entrada 4 e fechada por intermedio da valvula 41 e a saida e fechada por intermedio da valvula 51，a pressao no interior dos compartimentos de modulo compressor se nivelam e tornam-se identicas. Se a valvula de derivagao 61 e fechada, a pressao a montante 51 se acumulara para tornar-se maior que a pressao ajusante 61. O caso limitador maximo para este aciimulo de pressao, devido ao vazamento atraves das valvulas na cabeya de ροςο，e a pressao de fechamento para os p090S (pressao de fechamento de cabepa de P090 WSHP). Quando ο compressor nao esta em operapao e a valvula de deriva^ao 61 esta aberta，a pressao a montante 51 e ajusante 61 serao iguais a pressao de estabiliza^So. Se a produ^ao e entao paralisada atraves de um periodo de tempo mais longo, e as valvulas no terminal receptor de gas sao fechadas, a pressao no tubo de transporte alem do modulo compressor pode se acumular para WSHP. Em ambos os ditos casos de um compressor inativo, a pressao no interior do modulo compressor pode por conseguinte, devido a vazamento quer na valvula 51 quer 61，ou em ambas, acumular-se para WSHP. Para combater ο ingresso de fluido no interior do modulo compressor e as conseqiiencias que isto pode ter no que se refere a condensapao, corrosao e aciamulo de particulas quando esta inativo, e por conseguinte vantajoso ajustar para cima a pressao no interior do compressor para estar ligeiramente acima da pressao nos tubos 0 exterior das valvulas 51 e 61, e opcionalmente para ligeiramente acima de WHSP.
Uraa vedapao axial 31 e prevista entre compressor 2 e ο motor 1 e divide ο casco de pressao em um primeiro compartimento 10 e um segundo compartimento 20. Conforme genericamente conhecido, a flnalidade
da veda^ao 31 e prevenir que particulas, umidade e outra contamina9ao entrem em contato com ο motor e outro equipamento eletrico. Todavia, a veda^ao axial nao e completamente hermetica. Na busca por um atmosfera seca e limpa ao maximo no primeiro compartimento 10, e essencial que a pressao no primeiro compartimento 10 (onde ο motor esta localizado) seja mais alta que a pressao no segundo compartimento 20 (onde ο compressor esta localizado) isto e? que gas inerte flua do compartimento 10 atraves da veda9ao e para ο interior de 20. A figura 1 indica isto mostrando que a pressao no primeiro compartimento 10 (e no terceiro compartimento opcional, devido ao embolo de equilibrio) seja os + Δρ.
O eixo 8 e girantemente montado por mancais magneticos 11, 21 como mostrado na figura 1. Se ο mancal magnetico 31 e do tipo encapsulado conforme descrito acima，a vedayao axial 32 e superflua. A veda9ao axial 32 e assim opcional se ο mancal magnetico e encapsulado. A figura 1 uma linha de alimentayao 7 para gas, conectada por
uma extremidade da mesma com ο primeiro compartimento 10 e pela extremidade oposta com um reservatorio de gas 6 que contem gas sob uma pressao pa e a uma temperatura Ta. O reservatorio de gas 6 pode (opcionalmente) ser fluidamente conectado com outra fonte de alimentapao atraves de uma linha alimentadora 9, e.g. em uma denominada umbilical. Assim, por intermedio da linha alimentadora 7，gas pode ser fornecido ao primeiro compartimento 10 pelo reservatorio 6. Este gas sera um gas de hidrocarboneto seco ou um gas inerte seco 8 (gas estranho) que e tambem livre de particulas. Este gas pode ser proveniente de uma fonte de alimenta9ao de gas separada ou gas de hidrocarboneto seco pode ser usado. Indiferentemente a fonte, ο gas fornecido ao modulo compressor atraves da linha 7 (e da linha 7，）que sera descrita abaixo) sera doravante designado de "gas barreira".
Em vista da perda por fricpSo e assim do calor gerado no motor, que tem de ser refrigerado (por exemplo) por troca de calor com a agua do mar circundante em um trocador de calor (nao mostrado) nas figuras), e vantajoso que ο gas barreira fornecido deva ter ο mais baixo peso molecular possivel, e assim uma densidade tao baixa quanto possxvel a uma pressao e temperatura dada, devido a fric9ao decrescer com densidade de gas decrescente. Para obter fric^So minima e assim minima perda e maxima eficiencia, ο uso de metano (CH4; peso molecular 16) por conseguinte e mais favoravel que ο nitrogenio (N2; peso molecular 28). Hidrogenio (H2; peso molecular 2) e mais favoravel no tocante a perda reduzida. A densidade de hidrogenio sera aproximadamente somente de 10% de uma mistura de gas natural tipica (peso molecular 20). A densidade do hidrogenio a 100 barias, por conseguinte，somente corresponde a densidade de gas natural a 20 barias, com correspondente redupao da perda de fric9ao η motor, requisito de resfriamento e maior eficiencia do motor.
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E usual reportar-se ao Iado do compressor onde ο motor esta localizado como a "extremidade motriz" (DE) do modulo compressor, e ao outro Iado como a “extremidade nao motriz" (NDE) do modulo compressor. Aqueles versados na tecnica
entenderao que em uma modalidade pratica, os mancais magneticos DE do compressor podem ser localizados em caixa de embreagem entre ο motor e ο compressor, e a vedaySo naquele caso se situara entre a caixa de embreagem e ο compressor. A caixa de embreagem e ο motor nao obstante formam um compartimento essencialmente comum com uma atmosfera limpa，comum, ocupada pelo gas barreira. Se os mancais magneticos sao do tipo encapsulado, e as condiydes operacionais e/ou a composipao do gas do fluxo de ροςο (ο fluido) sao tais que estes mancais podem ser permitidos a operar diretamente no gas do fluxo de pogo, somente ο motor e que requer protepao, e os mancais magneticos DE do compressor podem, por conseguinte, ser localizados no Iado compressor da vedapao. Como mencionado acima，uma vedayao axial opcional 32 pode dividir ο segundo compartimento 20 em um terceiro compartimento adicional no qual os mancais magneticos NDE do modulo compressor podem ser localizados. Uma linha opcional T ou 7" para a alimenta^ao de gas barreira proveniente do reservatorio 6 para este terceiro compartimento e mostrado na figura 1. Se os mancais magneticos sao do tipo encapsulado, e as condi^des operacionais e/ou a composi?§o do gas (ou fluido) da corrente do ροςο sao tais que estes mancais podem ser permitidos a operar diretamente no fluido, e somente ο motor que requer prote9ao. Nesse caso a veda9ao 32 e opcional.
Para prevenir a penetrapao de contaminantes no segundo compartimento 20 (que contem ο compressor 2) e atravessem as vedaydes axiais 31，32 e se introduzam no primeiro (ou no terceiro compartimento), a velocidade linear do gas barreira atraves das veda9oes axiais tem de ser maior que ou igual a e opostamente dirigido em relayao a velocidade do fluido (e particulas no seu interior) no segundo compartimento 20.
No tocante a contaminantes gasosos no fluido (H2S, CO2, vapor d'agua e moleculas de vapor de hidrocarboneto) havera uma determinada, e muito pequena de diflisao, na faixa de menos de 1 mm/s, que move estes componentes na dire^ao oposta da corrente de gas barreira na veda9ao. Um suprimento extremamente pequeno (fluxo em massa por unidade de tempo) de gas barreira para ο interior da veda9ao sera por conseguinte suficiente para manter estes contaminantes fora dos compartimentos "limpos", e.g., do primeiro e do terceiro compartimento.
Um caso critico sera ο possivel ο ingresso de particulas e possivelmente de goticulas que se precipitam do fluxo do ροςο no sentido da vedayao 32 (para mancais magneticos NDE), e.g. se ο modulo compressor e verticalmente disposto. As ditas particulas podem ter uma velocidade vertical de precipitayao em excesso de 0,1 m/s.
A figura 4 ilustra como uma velocidade de gas barreira requerida minima atraves de uma vedagao axial para prevenir que particulas se precipitam atraves de uma vedapao verticalmente disposta e pode ser calculada. O fluxo de gas barreira (m) e ilustrado nas figuras 1 e 4. A velocidade de queda e calculada usando a Lei de Stoke:
νρ=[Βρ2(Βρ2(ρρ.ρ)^/18μ Na formula e nas figuras, os simbolos tem os seguintes
significados:
Vp； velocidade de queda para uma particula no interior da
veda^ao, m/s
Dp: diametro de particula，m pp： densidade de particulas, kg/m3 P: densidade de gas? kg/m3 G: acelera9ao da gravidade, m/s2 μ: viscosidade dinamica
Presumindo-se que ο gas barreira seja ο metano (CH4)5 a temperatura e de 20oC e a densidade de particulas seja de 2500 kg/m3, veriflca-se que:
• Velocidade de queda para uma particula de um diametro de 50 μηι: 0,25 m/s
• Velocidade de queda para uma particula de um diametro de μιτι: 0,06 m/s
Devido a posipa。do modulo compressor na corrente do ροςο, normalmente apos um separador liquido，muito poucas das particulas ingressando no compressor serao maiores que 25 μηι, e quase nenhuma sera maior que 50 μιη. Teoricamente, uma barreira para cima de velocidade de gas superior a 0,25 m/s atraves de uma veda^ao vertical, por conseguinte，sera suficiente para prevenir ο ingresso de particulas na vedapao. Para maior seguranga，uma velocidade de gas barreira substancialmente maior pode ser escolhida para manter a exclusao de contaminantes. Caso, por exemplo, for
decidido fornecer um fluxo volumetrico de gas barreira tal que uma velocidade de 1,25 m/s seja obtida na vedayao，isto confere um fator de seguranya de 5. Na pratica, a determina9ao final da fonte de alimentaySo de gas barreira, alem dos calculos conforme acima indicados, sera baseada sobre a experiencia pratica. A escolha final de velocidade de gas barreira e outro dimensionamento necessario sera baseada sobre um balanpo de seguranya contra ο afluxo de contaminantes atraves da vedapao sob condi9&es estacionarias e transitorias, e evitar dimensionamento indevidamente grande do sistema de alimenta9ao de gas barreira. Particularmente importante e manter ο tubo de alimenta9ao (por exemplo，a Iaia 9) para gas barreira dentro de um diametro favoravel, por exemplo, menos de 25 mm, e tambem evitar a necessidade por mais de um tubo de alimentaySo para uma estagao compressora.
A escolha de uma velocidade de gas barreira de entre 1 m/s e 5 m/s, dependendo das condiydes operacionais efetivas, normalmente resultara em prote9ao contra afluxo e aciamulo de niveis nocivos de gas contaminantes, agua condensada, condensado e particulas de hidrocarboneto no motor e mancais magneticas, enquanto evitando um sistema de fornecimento de gas barreira desfavoravelmente grande. E a velocidade de gas barreira selecionada atraves da vedaySo，baseada sobre uma compreensao dos mecanismos que podem conduzir ao ingresso de fluido contaminado atraves das veda90es, que forma a base para ο dimensionamento do sistema de alimentapSo e ο controle do suprimento de gas barreira.
Pela formula para a lei de Stoke, e evidente que a velocidade de queda para uma particula e mais ou menos dependente da pressao e da temperatura. Este e ο caso porque a densidade de gas, que e uma ίΐιηςείο de pressao e temperatura, e muito pequena (tipicamente na faixa de 40 a 100 kg/m3) em rela^ao a densidade de particulas (tipicamente 2500 kg/m3) em rela^ao a densidade de particulas (tipicamente na faixa de 40 a 100 kg/m3) . A 丨ι人
densidade de gas pode，por conseguinte, ser ignorada no calculo. Outrossim, a viscosidade dinamica varia muito pouco na faixa de pressao relevante (tipicamente 50 a 100 barias) e na faixa de temperatura (tipicamente 50 a 100 barias) e a faixa de temperatura (tipicamente de 50 a 80°C). Isto tipicamente significa que a alimenta9ao de fluxo em massa de gas barreira atraves do tempo (e na etapa com pressao de corrente de ροςο cadente) pode ser reduzida proporcionalmente com a redu9ao na pressao no Iado de entrada do compressor’ Os, sem qualquer aumento no risco de um ingresso de particulas, porque a taxa de vazao de gas barreira atraves da veda9ao sera entao mantida constante.
Via de regra, ο modulo compressor sera posicionado horizontalmente, e naquele caso particulas/goticulas nao tem qualquer velocidade de queda na direpao da vedagao. As velocidades de gas barreira indicadas (acima) na veda^ao nestes casos proporcionam extensa protegao contra contamina^ao do motor e vedaydes sob condi^des operacionais estacionarias (“estado estavel"). Uma velocidade de gas barreira selecionada deste tipo tambem impedira particulas que poderiam ser langadas contra as veda9oes pelos rotores em rotayao e ο eixo，devido ao seu momentum ser rapidamente absorvido das mesmas pelo gas barreira em contra-rotagSo e pela efetiva barreira fisica formada pela veda9ao. Mesmo sob condi^oes transientes, por exemplo，a partida e a parada do modulo compressor ou sobre a paralisayao ou partida de poyos, havera substancial proteqiao contra contamina9ao. Mesmo se contaminantes gasosos viessem brevemente a penetrar no interior do motor sob condi90es transientes, eles seriam tao diluidos pelo gas barreira limpo no motor que eles nao atingiriam niveis nocivos. O mesmo se aplica ao acumulo de particulas.
Tambem nos casos onde modulo compressor e horizontal’ e possivel - como no caso de modulos verticals (descritos acima) - argumentar
que ο fornecimento de gas barreira pode ser reduzido quando a pressao no _>
Iado de entrada do compressor baixar, ο que a taxa de vazao de gas atraves da veda9ao sera mantida com menor fluxo em massa fornecido.
Na figura 4 e mostrado que a veda^ao 31, 32 forma um anel tubular em torno do eixo 8, Este anel tubular pode tipicamente ter uma abertura em torno de 0,3 mm. Para ο grau da necessidade por gas barreira, foi selecionada uma velocidade de gas barreira de 2,5 m/s, um diametro de eixo
r
de 150 mm e uma pressao de gas de 100 bars. E ainda presumido que ο gas barreira seja ο metano. Calculos mostram entao que a necessidade por fornecimento (em outras palavras, fluxo de massa, m) de gas barreira para uma veda9ao estara na faixa de 0,0068 kg/s. Para um modulo compressor com duas veda9oes, onde ambas as vedapdes magneticas DE e NDE situam-se na atmosfera protetora e "limpa" a necessidade por gas barreira estara em torno de 0,02 kg/s. Um consumo de gas barreira tao baixo resultara em um dimensionamento favoravel do sistema de alimentapao para gas barreira, inclusive tubos na umbilical, mesmo com varios modulos compressores em uma esta^ao de compressor submarina.
Para obter proteyao do motor e mancais magneticos quando ο compressor esta em operaySo，a invenpao e assim baseada sobre utilizar, em combina9ao, ο conhecimento, de - velocidade de gas barreira necessaria, vg, atraves da vedagao;
e
-conhecimento de (medi^ao da) pressao no interior do compartimento de compressor que confronta as veda9oes, pg (normalmente igual a pressao de aspira9ao do compressor) e de como esta pressao declina com ο passar do tempo.
Dado este conhecimento as seguintes medidas podem ser
tomadas:
-uma determinada sobrepressao desejada，pa，pode ser estabelecida em um acumulador 6 que pode ser instalado η interior do tubo alimentador de gas barreira 9, ou ο volume no tubo alimentador pode constituir um acumulador adequado;
-uma fonte de alimentapSo controlada de gas barreira pode ser fornecida para ο modulo compressor (o primeiro e opcionalmente ο terceiro compartimento) por intermedio de uma limita9ao de fluxo 71,71’ no tubo alimentador 7,7，，7” entre ο acumulador 6 e a entrada para ο primeiro (opcionalmente tambem ο terceiro) compartimento que contem ο motor e/ou mancais magneticos.
• A IimitapSo de fluxo e calibrada e/ou controlada de modo que confira um fluxo volumetrico de gas barreira para ο interior do primeiro (opcionalmente tambem ο terceiro) compartimento que pelo menos proporciona a velocidade de gas barreira minima determinada atraves da veda9ao.
• A limita9ao de fluxo pode alternativamente ser calibrada e/ou controlada de forma que confia um fluxo de massa fixo, isto e, um fluxo volumetrico que aumenta em flingao de pressao de suc^ao decrescente，ps, de gas barreira no primeiro (opcionalmente tambem no terceiro compartimento ) que pelo menos confira a velocidade de gas barreira minima determinada atraves da vedapao. Um controle deste tipo e na pratica muito facil de obter em um sistema submarino onde Ta sera constante (igual a temperatura da agua do mar circundante), mantendo pa constante atraves do tempo indiferentemente ao valor de ps. Um fluximetro entre ο acumulador em pa e a limitagao de fluxo pode entao ser controlada por um sinal fixo, por exemplo, queda de pressao fixa atraves de um orificio dosador. O fluxo de massa e a velocidade atraves do tubo alimentador 9 sera entao constante atraves do tempo.
Devido a velocidade vg do gas barreira atraves da veda9§o ser baixa, a queda. de pressao atraves da veda9ao tambem sera pequena. A pressao no interior do compartimento do motor e do compartimento de itr
mancais (em outras palavras, ο primeiro e ο terceiro compartimentos) somente tera uma sobrepressao muito pequena, Δ0 (aproximadamente na faixa de 0,02 a 0,3 bar) em relagao a pressao de sucgao, ps，do compressor, e este fato e importante para selecionar ο valor correto para a pressao no acumulador, pa, que, por exemplo，pode ser estabelecida em 5 a 50 bars ou mais acima de ps. A queda de pressao atraves da vedapSo e por conseguinte ignorada em relagSo a queda de pressao atraves da limitayao de fluxo, e, por conseguinte, na pratica, e a IimitaySo de fluxo isoladamente que determina ο fluxo de gas barreira.
O acumulador acima mencionado 6 nao necessita
indispensavelmente ser um tanque separado, porem, ode em determinados casos consistir do volume de gas comprimido no tubo a frente da limitapao de fluxo 71,71’. Em muitos casos, todavia, sera vantajoso ter um tanque de pressao convenientemente dimensionado como um acumulador proximo a limita9ao de fluxo, como mostrado na figura 1.
A limita^ao de fluxo 71,71' pode ser localizada em proximidade imediata da entrada do tubo de alimenta9ao 7, 7', 7” para ο interior do compartimento para ο motor e vedayao, ou pode ser localizada a muitos quilometros de distancia. Para compressores submarinos, isto pode significar que sob a agua e muito proximo ao modulo compressor existe uma restri9ao de fluxo e um tanque acumulador, e que ο gas barreira e fornecido atraves de um tubo de alimentaySo na umbilical de uma plataforma ou da costa e a uma pressao da fonte de alimenta9ao de gas que resulta na pressao desejada pa. Para transporte atraves de longas distancias, e vantajoso que a IimitaySo de fluxo ocorra proxima ao modulo compressor para que ο transporte de gas barreira ocorra sob maxima pressao manter ο diametro do tubo de alimenta9ao tao pequeno quanto possivel. Em outros casos, e especialmente quando a distancia entre ο modulo compressor e a fonte de
alimentagao de gas barreira seja pequena, a alimentagao do fluxo volumetrico desejado de gas barreira pode se processar sob pressao relativamente pequena -apenas suficiente para superar a fric9ao no tubo - diretamente da fonte de gas barreira, e.g., com um compressor a embolo que e ajustado para conferir ο fluxo volumetrico desejado atraves da vedapao sem ter um acumulador e restri9ao de fluxo proxima ao modulo compressor, ou pelo fornecimento do fluxo volumetrico desejado a partir da costa ou de uma plataforma pelo fato do tanque e controle de fluxo de massa estar ali localizados. A desvantagem disto sera que devido a baixa pressao de gas, isto e, volume de gas expandido, os diametros do tubo de alimenta9ao terao de ser relativamente grandes, e serao assim de custo crescente para a linha umbilical.
A restri9ao de fluxo 71,71’ e mostrada na sua forma mais basica na figura 5, onde uma pressao de reservatorio (pa) e controlada em uma de varias maneiras que serao descritas abaixo, para a pressao desejada no primeiro compartimento (10), isto e, ps+ Δρ.
A figura 3 mostra uma variante da restri9ao de fluxo 71;71', onde uma valvula estranguladora 79 e controlada na base da mediyao de fluxo. A figura 2 mostra outra variante da restri9ao de fluxo 71;71' que compreende uma pluralidade de estranguladores 79' em paralelo.
Acima，ο controle do fluxo de gas barreira foi descrito como uma restri9ao de fluxo apropriada 71,71’ instalada no tubo alimentador 7，T, 7" para ο interior do compartimento ou compartimentos para ο motor e mancais magneticos, esta restri^ao de fluxo limita entre, por um Iados uma pressao conhecida, ps, (determinada pela pressao do reservatorio a qualquer tempo dado e a queda em pressao ate a entrada do compressor) e por outro Iado uma pressao prefixada desejada, pa, a frente da restripao de fluxo.
O fornecimento de gas barreira aos compartimentos "limpos" pode na pratica ser controlado de varias maneiras:
• Constante pf,restripao de fluxo constante
Permitir pa a permanecer fixa, e calibrar e estabelecer uma
restripao de fluxo constante Que conflra alimentaySo suficiente minima de gas barreira ao inicio de compressao (isto 6, na partida, na fase inicial do ροςο), e que proporcione consumo crescente a medida que a pressao do reservatorio (e assim tambem ps) declina.O fluxo volumetrico de gas barreira, e assim ο fluxo de massa, aumenta pela raiz quadrada da diferen^a pa-ps. Este controle muito simples apresenta a desvantagem de que ο si sterna de alimentapSo para gas barreira inclusive ο diametro do tubo de alimentapao, ter entao de ser dimensionado para ο dito consumo crescente. Se’ e.g., ps declinar de 100 bars ao inicio da compressao ara 60 bars ao termino de compressao, e pa e mantido a 130 bars, ο sistema de alimentapao tera de ser super dimensionado em cerca de 50%. Porem em determinados casos, esta pode ser uma soluySo aceitavel para obter constru9ao e operagio tecnica simples.
• Ajustar pa em harmonia com p^em declinio Ajustar para baixo pa a medida que ps declina e reduzir a pressao de alimentayao da fonte de alimentagao a partir de terra ou de uma plataforma correspondentemente, para que a alimentayao de gas barreira ao modulo compressor a qualquer tempo dado forneya velocidade de gas barreira quase fixa atraves da veda^ao. Como mostrado acima，ο fluxo em massa fornecido de gas barreira pode ser reduzido com ο passar do tempo com a queda em ps，para que a velocidade do gas barreira atraves da veda^ao seja mantida fixa e com a mesma sua faculdade de excluir contaminantes. Quando pa e reduzida, e assim ο nivel de pressao no tubo umbilical 9 e reduzida, havera, se ο fluxo em massa e mantido constante, ocorrera um aumento em volume do gas a ser transportado que e aproximadamente inversamente proporcional a redupao de pa, e a fricpao no tubo aumentara pelo quadrado do aumento em volume de gas, isto e, uma quadruplicagao da queda em pressao da fonte de alimenta^So de gas barreira atraves do tubo umbilical para ο modulo compressor. Com isto ο fornecimento do fluxo em massa de gas
barreira tambem pode ser reduzido correspondentemente e ainda manter a velocidade prescrita atraves da vedapao，a queda em pressao atraves do metodo baseado no manter a velocidade prescrita atraves da veda^So ajustando baixo atraves do tempo: (pa) - iun9ao (ps) com restriyao de fluxo fixa entre os dois niveis de pressao e por conseguinte favoravel porque ο dito controle e muito simples pois a pressao ps declina lentamente atraves do tempo. Como mencionado acima, a alimentapao de gas barreira sera estabelecida com um grande influxo de fator de seguranpa contra ο ingresso de contaminantes. Breves transi90es em temperatura e pressao, conforme destacado anteriormente, nao resultarao em ingresso nocivo mesmo se (pa) e ajustado para baixo.
• P5 fixo, restricao de fluxo ajustavel atraves da valvula
pa e fixo，e a restripao de fluxo 71,71’ e ajustavel, e.g., na forma de uma ou mais valvulas que podem ser operadas manualmente (e.g., por uma pessoa ou usando um vaso remotamente operado (ROV) para que a restri9ao de fluxo a determinados intervalos seja aumentada quando ps declina. A restripao de fluxo pode ser ajustada, e.g.,por medir a queda de pressao atraves da restri9ao de fluxo Alternativamente;
Pa e fixo, e a restriiao de fluxo 71,71’ e ajustavel, e.g., na forma de uma valvula hidraulicamente operavel que pode ser controlada manualmente a partir de uma sala de controle para que a restrigSo de fluxo a determinados intervalos seja aumentada quando ps declina. A restri^o de fluxo pode ser ajustada, e.g., medindo a queda de pressao atraves da restri9ao de fluxo.
• p2 fixo, restricao de fluxo baseada sobre queda de pressao
medida
pa e fixo, e uma valvula de controle de fluxo e instalada que ajusta ο fluxo na base da queda de pressao medida atraves de uma restrigSo a montante da valvula. Isto da ο fluxo de massa constante porque a pressao (pa) e a temperatura (para um compressor submarino: temperatura da agua do mar) a montante da valvula sao aproximadamente valores fixos. A velocidade atraves da vedaqao para ο gas barreira, devido a expansao do gas aumenta quando ps declina. Esta e somente uma vantagem no tocante a
proteyao contra a penetrayao de contaminantes atraves da vedapao, enquanto nao representa uma desvantagem para ο dimensionamento do sistema de alimentapSo que tem de ser dimensionado para ο inicio do estado de compressao quando ο consumo em massa de gas barreira sera maximo de maneira a obter a velocidade minima requerida atraves da vedapao.
• p^ flxa, restricao de fluxo, baseada sobre a queda de pressao medida, e pressao e temperatura no compartimento do motor
pa e fixa，e uma valvula de controle de fluxo e instalada que ajusta ο fluxo na base da queda de pressao medida atraves de uma restricao a montante da valvula e a medipao da pressao e temperatura no compartimento de motor e compartimento de mancal magnetico, para que a valvula produza um fluxo de volume fixo, porem controle desnecessariamente complexo.
Quando ο compressor 2 tiver sido desligado e nao estiver em opera9ao, sera isolado da entrada 4 e saida 5 pelas respectivas valvulas de fechamento 41，51. Neste estado, ο afluxo de gas barreira cessara quando na totalidade do modulo compressor 3 (isto e, primeiro, segundo e terceiro compartimentos) uma pressao tiver se acumulado que e igual a pressao do acumulador pa. E importante que a pressao no interior do modulo compressor 3 quando inativo seja maior que a pressao no tubo de entrada e saida a frente das valvulas para que no caso de vazamento nas valvulas 41，51，ο gas barreira se escoe do modulo compressor, e nao liquido e gas contaminado ingressem no modulo. Se durante a operagao do compressor, pa for estabelecida a uma pressao mais alta que a maxima pressao que pode ocorrer na linha de entrada ou de saida durante a paralisa^ao, prote^ao contra afluxo durante a paralisagao sera automaticamente obtida. Esta pressao mais alta que possa se acumular normalmente sera a Pressao de Fechamento de Cabe^a de P090 (WHSP). Se durante a operagao，pa e estabelecida mais baixa que a pressao que se acumula no exterior das valvulas, pa pode ser ajustada para cima conforme requerido, e.g., 1 a 5 barias acima da pressao no tubo de entrada/saida com a alimenta9ao de gas proveniente da fonte de alimenta9ao (em terra ou em uma plataforma).
A figura 6 mostra um dispositivo de controle mecanico para gas barreira que confere fluxo de massa constante quando a pressao e a temperatura a montante do controlador sao constantes. O dispositivo de controle inclui um corpo de valvula 101 com uma entrada 102 que e fluidamente ligada com uma cavidade no corpo de valvula onde um embolo 103 esta localizado. Como mostrado na figura existe uma abertura fixa 104 no embolo ou entre ο embolo e a parede de corpo de valvula interna, atraves de cuja abertura ο gas pode fluir. O embolo 103 e conectado com uma mola 105 que por sua vez e fixada em um canal 109 no corpo de valvula. O embolo e tambem conectado com um primeiro tubo 11 que e coaxialmente disposto com e parcialmente circunda um segundo tubo 107. O primeiro tubo 111 e disposto em um canal separado 108 e pode (juntamente com ο embolo 103)deslizar em vaivem atraves do segundo tubo 107.
O segundo tubo 107 e fluidamente ligado com uma abertura 110 no corpo de valvula e uma parte do segundo do segundo tubo 107 que esta no Iado a jusante do embolo 103 e munido de uma ou mais aberturas 106 que assim criam conexao fluidica entre a cavidade e a abertura 110. A abertura 110 e，em uso, em conexao com ο dispositivo de controle descrito acima, uma saida para gas barreira para 0 interior do compartimento de motor e 0 compartimento para mancais magneticos.
Quando usado como um dispositivo de controle para gas barreira，um gas barreira a uma pressao pa e temperatura constante (temperatura da agua do mar circundante) sera passado pela entrada 102 e para ο interior da cavidade de corpo de valvula acima mencionado. Quando ο gas flui atraves da abertura de embolo 104, uma queda em pressao ocorrera. Esta queda de pressao produzira uma foi^a que impelira ο embolo 103 e ο primeiro tubo 111 na direpao do fluxo de gas (para a direita na figura 6). A mola 105 pode ser ajustada para que a queda em pressao atraves da abertura do embolo permanega fixa. Quando a pressao 110 baixa, resultara no fluxo atraves da abertura do embolo 104 tender a aumentar, que empurrara ο embolo para a direita. Entao, todavia, ο primeiro tubo 111 (que acompanha ο embolo) cobrira uma maior parte da abertura 106 no segundo tubo 107, que aumenta a queda de pressao atraves da abertura 104 fixa. Reciprocamente, ο embolo se deslocara para a esquerda se a pressao de descarga 110 aumentar de forma que a queda em pressao e assim ο fluxo atraves de 104 permanece fixo.
Se ο fluxo pela saida 110 e fechado, ο exemplo, com a paralisa9ao e desativagao do modulo compressor, ο embolo 103 sera empurrado totalmente para a esquerda, que conduz a abertura 106 no segundo tubo 107 ser completamente aberta. Isto levari a pressao no inteiro si sterna, inclusive no modulo compressor, se estabelecer em pa.
Claims (13)
1. Aparelho para controlar ο fornecimento de gas barreira a um modulo compressor compreendendo uma camara de pressao (3) contend。um motor eletrico (1) que atraves de um eixo (8) e acionavelmente conectado com um compressor (2), no qual ο eixo (8) e suportado por mancais magneticos (11, 21) e uma vedapSo axial (31) em torno do eixo (8) divide a camara de pressao em um primeiro compartimento (10) compreendendo ο motor (1) e um segundo compartimento (20) compreendendo ο compressor (2)，ο segundo compartimento (20) compreendendo uma entrada (4) e uma saida (5) para fluido que deve ser comprimido, caracterizado pelo fato de que compreende uma linha (7) fluidamente conectada com ο primeiro compartimento (10) para ο fornecimento de gas barreira proveniente de um reservatorio (6), e um dispositivo de controle (71) na linha entre ο reservatorio (6) e ο primeiro compartimento (10).
2. Aparelho para controlar ο fornecimento de gas barreira a um modulo compressor compreendendo uma camara de pressao (3) contendo um motor eletrico (1) que atraves de um eixo (8) e acionavelmente conectado com um compressor (2), no qual ο eixo (8) e suportado pelos primeiros mancais magneticos (11) e pelo menos um segundo mancal magnetico (21) no Iado oposto do compressor em rela^So aos primeiros mancais magneticos (11), e uma veda^o axial (31) em torno do dito eixo (8) divide a camara de pressao em um primeiro compartimento (10) compreendendo ο motor (1) e um segundo compartimento (20) compreendendo ο compressor (2), ο segundo compartimento (20) compreendendo uma entrada (4) e uma saida (5) para fluido que deve ser comprimido，e no qual uma vedagSo axial adicional (32) e aplicada em torno do eixo (8) entre ο compressor (2) e ο segundo mancal magnetico (32) desse modo formando um terceiro compartimento (30), caracterizado pelo fato de que compreende uma linha (7) fluidamente conectada com ο primeiro compartimento (10) e uma linha (7, 7") fluidamente conectada com ο terceiro compartimento (30), no qual as linhas (7，7’，7") sao dispostas para ο fornecimento de gas barreira proveniente de um reservatorio (6), e respectivos dispositivos de controle (71, 71') na linha entre ο reservatorio (6) e ο primeiro compartimento (10) e ο terceiro (30) compartimento, respectivamente.
3. Aparelho de acordo com a reivindica^ao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ο gas barreira e qualquer mistura de gas que seja seca, livre de particulas (um teor de particulas tao baixo quanto praticamente possivel) e que seja inerte com respeito aos materials no motor e nos mancais magneticos.
4. Aparelho de acordo com a reivindica^So 3，caracterizado pelo fato de que ο gas barreira e ο hidrogenio.
5. Aparelho de acordo com a reivindicagao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ο reservatorio (6) compreende uma linha de alimenta9ao (9) conectada com outra fonte de gas.
6. Aparelho de acordo com a reivindicayao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ο dispositivo de controle (71; 71') e um dispositivo limitador de fluxo.
7. Aparelho de acordo com a reivindicagSo 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ο dispositivo de controle (71; 71，）compreende uma pluralidade de estranguladores (79') dispostos em paralelo.
8. Metodo para controlar ο fornecimento de gas barreira a um modulo compressor conforme exposto na reivindica9ao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que，na base de velocidade de gas barreira requerida (vg) atraves da vedapao (31; 32) e da pressao (pg) no segundo compartimento (20), estabelece uma sobrepressao (pa) no reservatorio (6), e efetuar um alimenta9ao controlada de gas barreira pelo menos ao primeiro compartimento (10) por intermedio de IimitaySo de fluxo (71, 7Γ) no tubo de alimenta^ao (7; T).
9. Metodo de acordo com a reivindica9ao 8，caracterizado pelo fato de que a IimitaySo de fluxo (71; 71，） e controlada de modo a proporcionar um fluxo volumetrico de gas barreira para ο interior de pelo menos ο primeiro compartimento (10)，que pelo menos confere a velocidade de gas barreira necessaria (vg) atraves da veda^ao.
10. Metodo de acordo com a reivindicagao 8, caracterizado pelo fato de que ο estrangulador (71; 71，）e controlado de modo que proporcione um fluxo volumetrico de gas barreira para ο interior de pelo menos ο primeiro compartimento (10), que pelo menos confira a velocidade de gas barreira necessaria (vg) atraves da vedayao.
11. Metodo de acordo com as reivindica9oes 8 e 10， caracterizado pelo fato de que a sobrepressao (pa) no reservatorio e mantida constante e a limitagao de fluxo e controlada na base de queda de pressao atraves de um orificio dosador.
12. Metodo de acordo com a reivindicapao 8, caracterizado pelo fato de que a limita^ao de fluxo (pa) no reservatorio (6) e ajustada em resposta a uma alteragao na pressao (pg) no segundo compartimento (20).
13. Metodo de acordo com a reivindica^So 8，caracterizado pelo fato de que a sobrepressao (pa) no reservatorio e mantida constante e a limitagao de fluxo ser ajustada na base da queda de pressao medida atraves do estrangulamento (71; 7Γ).
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