CN101675251B - 密封系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜水泵(1)上的动态密封系统装置，包括至少一条引向动态密封系统的供给管路(7)，在供给管路(7)上设置有第一阀装置(8)，并设有第二阀装置(12)在开启位置开启引自供给管路(7)上的位于第一阀装置(8)和泵(1)之间的一点的第一旁通管路(13)，和泵(1)的用以降低密封系统中的隔离流体的压力低压源。本发明还包括一种用以降低潜水泵隔离流体压力的方法。

Description

密封系统装置

本发明涉及一种用于泵单元隔离流体密封系统的装置，和一种控制所述隔离流体密封系统中压力的方法。

单相、双相和多相泵广泛应用于与石油采收的相关领域，且这些泵在一些情况下可被置于水下。这些泵有多种用途，如在注水井中为水的注入提供压力，或者从井中提出采出的流体。特别是涉及进入衰退期的井，因为这些井的井压会降低。石油采收还在不断增加的深度中进行，对于在海底安装的设备，这意味着更加严格的要求。泵是海底装置中很常见的部件。

通常，泵用来提高流体中从抽吸端的压力至输送端的压力。与泵相连的隔离流体密封系统必须与泵的抽吸端和输送端的压力相匹配，换句话说，即泵的工作压力。隔离流体一般是以一确定的相对于抽吸和输送压力的过压输送给泵。所述过压应处于给定的限度内，例如超出工作压力10-70bar，且不应高于或低于上述设定范围，因为这将导致密封不足或隔离流体的过分消耗。

在这点上存在许多难题。一个难题是抽吸和输送压力通常会变化很小，并且它们也可能在泵的使用寿命内变化。对于用于石油采收的泵，会有很多导致泵的工作状态发生改变的因素。可能会有从井下开采的中断，这将导致系统压力的增强，例如通过气窝增强。这种实际的存储压力会随着时间而降低，或者会使产生流体发生改变，比如气体的流量随着时间而增加，从而导致改变的压力状态等等。

这意味着需要一种动态的隔离流体密封系统，其中在隔离流体密封系统中的压力对应着泵的工作状态。申请人提供了这种系统，其中由位于水面上的装置上的系统向海底泵提供隔离流体。位于水面上的隔离流体系统包括一个具有设定的最大压力的流体源向导向海底泵的供给管路提供流体。在这种情况下，流体源包括带泵的隔离流体罐，将隔离流体从罐加压到期望的最大压力且输送流体至隔离流体系统的供给管路中。第一阀位于水面上的供给管路一点。第一阀开启后通过系统中在期望的最大压力的隔离流体的供给在隔离流体系统中施加增压。第二阀被设置在第一阀之后与水面上的供给管路连接。第二阀具有开启降低隔离流体循环的压力的功能，其中它开启一位于第一阀之后的供给管路管路和系统罐之间的流体管路。系统罐具有常规的大气压，因而可用作减压罐。这就导致了动态的隔离流体密封系统可根据泵的实际的工作压力状态来持续地或间歇地进行调整。当海底泵不是位于非常深的深度时，这种系统会运行得非常好，但深度更深时会带来问题。如果具有多个潜水泵，每一个具有这种类型隔离流体控制系统的泵都必须具有其各自的水面上隔离流体压力的控制系统和每个泵从其水面上的装置向下至海底泵的一条供给管路。这是一种花费相当高的解决方案。

然而，随着泵与水面上的设备之间的距离的增加，石油采收在不断增加的深度中进行。如前所述，这就产生了许多难题。水面上控制系统与海底泵之间的长距离导致系统需要相当长的响应时间。另一个因素是在更深的情况下，泵内的隔障流体筒的静态压力在某些情况下会非常大，也就是说，产生流体与隔障流体之间的压力差值会非常大，特别是对于泵的抽吸端来说更是如此。这样可能出现一种状态，在隔离流体压力最小的地方即泵中的隔离流体的静态压力，在某种情况下相对于泵的工作压力太高。

本发明的一个目的是提供一种用于泵的隔离流体密封系统装置来解决前述的难题，且为泵提供了良好的运行条件。本发明的目的还在于提供一种更大程度上独立于泵中的隔离流体的静态压力解决方案。本发明的另一个目的是提供一种相对于目前存在的系统具有更短响应时间的装置，特别是用于深水下的泵。本发明的进一步的目的是提供一种关于为多个海底泵控制隔离流体的压力的简化系统的解决方案。

上述目的可通过随后的权利要求中的装置和方法实现。

本发明涉及一种优选用于潜水泵的动态密封系统装置。所述泵通过流程入口管路和流程流出管路连接至流程流体管道，以提高流经泵的入口和出口的流体的压力。泵优选用于水下使用，例如在海中，并与海底的设备相连接。

泵包括用于对流经泵的流体增压的增压器，还包括驱动增压器的电机，所述泵还与必备装置相连接，所述必备装置为提供所需的能量以及控制泵的设施。本领域的技术人员会理解这一点。

动态密封系统是隔离流体运行系统，隔离流体被提供给相关的密封件，所述密封件是分别位于泵的两个相关的移动部件和静止部件之间的动态密封件或静态密封件，从而在这些部件中起到密封作用。密封系统包括连接到隔离流体的供应的装置和将隔离流体分配给有问题的密封件的装置。

本发明中的装置包括将隔障流体从隔障流体源供给密封系统供给管路。在有海底泵的情况下，隔离流体源通常位于水面之上，优选位于水面的设备上，但例如隔障流体源邻近于水下的泵也是可以的，或者说隔离流体就是泵被浸没的液体，即水。隔离流体源以密封系统中隔离流体的最大压力向装置提供隔离流体，也就是说，隔离流体的压力适应于泵的最大工作压力。隔离流体源通常包括隔离流体罐和将隔离流体加压至系统中期望的最大压力并将隔离流体输送至供给管路的泵。第一阀装置被设置在供给管路的进入密封系统的入口处的前方。在一个实施例中，第一阀装置邻近于泵例如具有与泵大致相等的静态压力。在另一实施例中，第一阀装置可被安装在期望的静态压力在第一阀装置的下游的位置。第一阀装置被设置为开启或关闭供给管路从而在密封系统中提供压力。所述压力对应于隔离流体回路中的最大期望压力。

隔离流体回路中的最大压力通常远高于直接施加在密封系统上的压力，因而必须参照理想水平将其调整。对于处在非常大深度的海底泵，任何通向水面的隔离流体管路中的任意静态压力也会很高以至于上述解决方案不能用于将隔离流体管路中的压力调低至密封系统中的较低的压力值。

根据本发明，这可通过第二阀装置解决，第二阀装置设置在开启状态打开从位于第一阀装置、泵和开口之间的进给管路中引出的第一旁通管路，所述开口朝向流经泵并由泵加压的产生流体。所述开口优选设置在泵的抽吸端邻近泵的流程入口。产生流体的压力通常低于隔离流体的期望压力，特别是，流程入口管路的压力总是低于泵密封系统中隔离流体的期望压力。

所述装置还包括带有接收泵周围的实际的工作压力状态的部件的控制单元，第一和第二阀装置被连接至控制单元，控制单元根据泵的工作压力状态控制阀装置。控制单元可安装的邻近于泵或者位于偏僻的位置。控制单元可自动调节和/或接收来自操作者或操作单元的信号。

所述密封系统装置使得在密封系统中从泵的工作压力状态发生改变直至密封系统作出相应的调整的响应时间非常短。这是由于控制系统被设置得邻近于水中的潜水泵的缘故。这也提供了一种密封系统，其中总是存在可选的压力源压力低于密封系统的期望压力，从而使得隔离流体总是可以注入压力源。这提供了一种密封系统在所述密封系统中隔离流体的压力比这种情况下隔离流体的静态压力低得多。因此，这种密封系统不受泵所处的位置的水深和隔离流体的静态压力的影响。

对于多个海底泵来说，通常只有一条供给管路自隔离流体源所在的水面向下通至泵所在的位置，其中每一个海底泵都具有本发明中所涉及的装置。泵的密封系统中隔离流体中的压力可为每一个泵单独进行调整，这就需要所述一条供给管路要具有对应于所有泵中的最大压力的压力。只有一条供给管路节省了非常多的费用，因为在这种情况下，只需要一套设置在水面上的隔离流体供给系统用一定压力来供给隔离流体，并且用仅仅一条供给管路取代了每个泵都具有的一条供给管路，这是一种节省在安装和使用过程中连接方面的费用的解决方案。

根据本发明的一个方面，进一步包括第三阀装置。第三阀装置具有多个位置，但在开启位置时其打开一从第一阀装置前面的供给管路和流程入口管路之间的一点引出的第二旁通管路。这就使得进入泵的抽吸端的隔离流体压力的引入与第一和第二阀的调节相独立以作为压力快速下降的情况下的快速响应。在本发明的一个实施例中，第二阀装置连接至位于第三阀装置和流程入口管路之间的第二旁通管路，这样设置使得在一个位置时，其开启第一旁通管路并且关闭第二旁通管路，且在第二个位置时其关闭第一旁通管路并保持第二旁通管路的开启。这种设置确保了第二和第三旁通管路不会同时被开启。

在一个实施例中，至少一个蓄能器被连接至第一阀装置与泵之间的供给管路上。蓄能器的附加装置在系统中提供了一些机动性，如果连接有多个蓄能器，就可以在不同的压力下实现预充液。至少一个管嘴被优选地设置在供给管路上，并位于第一阀装置和泵和/或流程入口管路之间。供给管路中管嘴的设置为系统提供了压力脉冲的平稳释放，因为所述管嘴对管路进行了节流从而在管嘴之后实现了压力的平稳释放。例如，当为系统提供压力而开启第一阀装置时，会产生压力脉冲。

进一步根据本发明，所述装置可在隔离流体供给管路与泵的冷却系统之间提供连接，从而使得隔离流体可被用作冷却液。在这样的实施例中，冷却系统被设置有连接至电机主轴的循环叶轮，从而使得循环叶轮的速度直接受制于电机主轴的转动。在一个实施例中，被用作冷却液的隔离流体的回路中包括至少一个冷却单元和至少一个过滤单元。在一个实施例中，冷却单元被设置得平行于过滤单元，这种形式的设置使得通往第二阀装置的出口连接至过滤单元的下游，流至该阀的流体因而被过滤。

本发明还包括一种降低泵的密封系统中隔离流体压力的方法，通过隔离流体源和泵之间的隔离流体供给管路，其中在供给管路中邻近于泵处设置第一阀装置和位于第一阀装置和泵之间的第二阀装置，第二阀装置连接至位于供给管路和泵的流程流体管道之间的旁通管路。根据本发明，当第一阀装置处于关闭状态时供给管路被关闭，第二阀被打开，从而经由位于供给管路和泵的抽吸端之间的旁通管路获得了一条开启的通道，隔离流体被分流至泵的抽吸端。

参照附图，详述本发明。其中：

图1是本发明可能实施方式的示意图；

图2是描述本发明中的装置的、与泵的流程流体压力相关的控制流程图；

图3示出了本发明的一个实施方式；

图4示出了第二实施方式；

图5示出了第三实施方式；

图6示出了装置连接至冷却系统的原理。

本发明涉及泵用动态密封系统。图1示出了可能的实施方式，泵100被设置在水下的海底101上，本发明中的装置105与泵100相连接。隔离流体源103提供隔离流体给装置105，隔离流体源103被设置在位于浸没泵100的液体的表面处的水面设备102上。管路104被设置在隔离流体源103和装置105之间。可选择的是，装置105可通过管路104’从邻近泵100的隔离流体源103’接收供应。

本发明中的装置可控制依照流程流体的压力提供给泵的密封件的隔离流体C的压力。图2示出了泵的流程入口压力A是不变的，但在一个时间段中具有更高的从泵流出的流程出口压力B是适当的，且隔离流体压力C随着流程出口压力的增加而增加(图中的增加部分)，随后又随着流程出口压力的降低而降低(图中的降低部分)。以这种方式，确保隔离流体的压力与泵中流程流体的压力之间的差值被保持在一个可接受的范围内，也就是说，压力差不会太大或太小。

图3示出了本发明中装置的一个实施例。泵1被连接至流程流体管路2且包括流程流体入口3和流程流体出口4。通过供给管路7由隔离流体源70向泵1中的密封系统提供隔离流体，如图所示。所述源可以是邻近于泵的单独的源，或者位于水面或者位于浸没泵的液体中。

第一阀装置8被设置在供给管路7中，并邻近于泵1。第一阀装置8具有两个位置，开启和关闭位置，从而使得隔离流体的供给在泵的隔离流体系统的最大压力时允许或中止。上述压力被设定为最大压力，泵以所述压力输送流程压力与隔离流体压力之间的正的压力差。进一步地，在第一阀装置8和泵1之间设置有管嘴9以平稳地将系统中的任何压力脉冲释放。提供两个蓄能器10、11在不同的压力下可能被提前充液。进一步地，在供给管路7的朝向泵1的入口设置有压力读出器5，压力读出器5也设置在泵的流程入口和流程出口。这些被连接至控制单元20以控制本发明中的装置。控制单元20包括在图3中用示例性的间断线示出的连接装置21，连接至系统的相关部件以接收信息并控制诸如阀、压力传感器等。控制单元20可设置得邻近于泵或在水面上的设备中。

系统进一步地设置第二阀装置12具有至少两个位置，在一个位置上开启第一旁通管路13连接第一阀装置8和泵1之间的供给管路7上的一点，到泵的流程入口管路3。第一旁通管路13中具有旁路管嘴14和从旁通管路13向流程入口管路3导通的单向阀15。第二阀装置12具有关闭旁通管路13的第二位置。

进一步地，具有第二旁通管路17将在第一阀装置8之前的供给管路7上的一处连接到流程入口管路3，通过第二阀装置12进行，此时第二阀装置12处于关闭第一旁通管路13并开启第二旁通管路17的位置。与此同时，第三阀装置16被设置在上述与第二阀装置12相连之处的前方用以关闭和开启第二旁通管路17。这种情况下为了在流程流体入口2处的压力快速降低时增加泵的抽吸端的压力，这是必须的。

系统中还具有第三旁通管路19具有第四阀装置18，所述第三旁通管路19连接在第一旁通管路13的一个点上，并位于第二阀装置12和流程入口3之间，连接装置包括连接至第二流体源的单向阀26，例如利用ROV。系统还包括第五阀装置22作为安全阀设置在第一阀装置8之前的供给管路7上，通常是打开的但利用阀控制装置25可将其关闭，例如利用ROV。还具有相似的装置25’、25”，以控制第三、第四阀装置16、18。

图4示出了对于图3所示本发明的实施例的替代方案。相同的元件仍具有相同的附图标记，仅那些在前述的实施例中未出现的部分将会被详述。对于其它涉及到的元件参见前文的描述。在此实施例中，第一旁通管路13的支管朝向流程入口3引向泵1，在每一条支管上都有单向阀15。在此实施例中，第二阀装置12仅控制第一旁通管路13，其并未与第二旁通管路直接连接。

进一步地，此实施例中引入了连接至侧支管28上的过滤单元23和冷却单元23’。循环叶轮24也被设置在侧支管28上。循环叶轮24驱动隔离流体进行循环，这样系统中蓄积的热量通过隔离流体的循环可被散热冷却。循环叶轮24的旋转与驱动泵1的电机30主轴的旋转联系在一起。过滤单元23也在规则的间隔时间内对循环的隔离流体进行过滤。

图5示出了本发明中装置的另一实施例。在此实施例中，所述装置包括系统，从而使得在泵的抽吸端和输送端具有不同的隔离流体压力。这是必要的，比如流经泵的压力出现了剧增的情况。如图所示，所述装置包括分为两个管路7’、7”的供给管路7，管路7’、7”分别引至两个独立的第一阀装置8’、8”。如上所述，供给管路7’、7”进一步分别包括管嘴9’、9”，增压器10’、10”和第一旁通管路13’、13”，第一旁通管路13’、13”分别包括第二阀装置12’、12”和旁路管嘴14’、14”。连接至循环叶轮24’和冷却单元23’的侧支管28’从泵1引出并引向流程出口4周围的密封件，从而使得在流程出口周围的隔离流体被循环并被用作冷却剂。具有冷却单元23”和循环叶轮24”的相应的侧支管28”被连接至流程入口3周围的密封件。

装置进一步形成，与泵1的出口侧相关联的第一旁通管路13’与供给管路7”在与泵1的入口侧相关联的第一阀装置8”之后的连接。这是因为，泵的入口侧的隔离压力通常低于泵的出口侧的压力，从而在必要时入口侧可从出口侧倾泄压力。在另一实施例中，所述旁通管路13’通过单向阀15直接连接至流程入口2。另外，还有如前所述的一样的系统，所述系统仅仅指的是那些朝向泵1的入口侧和出口侧以不同的压力运行的系统。

在此实施例中，一条供给管路向下引至多个在不同的压力下运行的泵是可能的，可能有多个泵在它们的入口侧和出口侧需要有不同的隔离流体压力，这通过将一条从流体源引出的供给管路以及本发明的装置连接至每一个泵或泵的每一侧部来实现。

如上所述，本发明中装置中的隔离流体被用作冷却剂，且可能的实施例在图6中被示出。图6中示出的系统接收了来自于在前所述的系统的隔离流体，隔离流体可作为冷却剂用于电机、密封件和流体回路中有循环叶轮38的泵。这与在前的实施例中的循环叶轮24、24’和24”是相似的。进一步在回路中示出了隔离流体通过的电机30、轴承33、径向轴承34和34’、机械密封件35和35’、泵的叶轮36以及挠性齿轮连接装置37。回路中的隔离流体将从所有这些部件中带走热量，然后其经过冷却单元32和/或过滤单元31进行冷却和/或对隔离流体进行过滤。所述冷却和过滤单元32、31与图4中的过滤单元23和冷却单元23’是相似的。循环叶轮38被连接至电机的轴39，从而使得其被电机主轴39所驱动，这也给系统中的元件带来均衡的冷却。

本发明中的装置已经通过示例性的多个实施例进行了阐述。本领域的熟练技术人员应当理解，对于这些实施例的修改和变更均落入本发明随后的权利要求的保护范围内。例如，第一阀装置处于水下但与潜水泵相比其具有不同的静态压力。

Claims (17)

1.一种用于潜水泵(1)的动态密封系统的装置，通过流程入口管路(3)、流程出口管路(4)可连接至流程流体管道(2)，对产生流体进行加压，包括至少一条供给管路(7)从隔离流体源(70)引向所述动态密封系统，其特征在于，它包括：设置在供给管路(7)上的，用于开启或关闭供给管路(7)的第一阀装置(8)；和第二阀装置(12)，布置成在开启位置所述第二阀装置(12)开启第一旁通管路(13)，所述第一旁通管路(13)连接着供给管路(7)上的位于第一阀装置(8)和泵(1)之间的一点、并连接至泵(1)的流程入口管路(3)用以降低密封系统中的隔离流体的压力；和控制单元(20)，具有接收泵(1)周围的实际的运行压力状态的装置(21)，其中第一阀装置(8)和第二阀装置(12)连接至根据泵(1)的运行压力状态来控制第一阀装置(8)和第二阀装置(12)的控制单元(20)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，流程入口管路(3)通过流程流体管道(2)形成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一阀装置(8)邻近于泵(1)或位于所需静态压力在第一阀装置(8)的下游的一点处。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一旁通管路(13)由供给管路(7)引向流程入口管路(3)。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，其包括第三阀装置(16)，在一个位置上其开启第二旁通管路(17)，所述第二旁通管路(17)引自供给管路(7)位于第一阀装置(8)之前的一点与流程入口管路(3)之间。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，第二阀装置(12)连接至位于第三阀装置(16)与流程入口管路(3)之间的第二旁通管路(17)，以使得：在一个位置上所述第二阀装置(12)开启第一旁通管路(13)并关闭第二旁通管路(17)；在第二位置上所述第二阀装置(12)关闭第一旁通管路(13)并保持第二旁通管路(17)开启。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其包括第四阀装置(18)和第五阀装置(22)，使得所述第四阀装置(18)和第五阀装置(22)在一个位置上开启从供给管路(7)上在第一阀装置(8)之前的一点引向流程入口管路(3)的第三旁通管路(19)。 

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个蓄能器(10，11)连接至位于第一阀装置(8)与泵(1)之间的供给管路(7)。 

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个管嘴(9)被设置在供给管路(7)上，位于第一阀装置(8)和泵(1)或流程入口管路(3)之间。 

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，管嘴(14)被设置在供给管路(7)上，位于流程入口管路(3)与设置在第一阀装置(8)和泵(1)之间的一点之间。 

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其在用于隔离流体的供给管路(7)与连接至泵(1)的电机(30)的冷却系统之间提供连接，从而使得隔离流体可被用作冷却液。 

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在冷却系统中设置有循环叶轮(38，24)，所述循环叶轮(38，24)与电机主轴(39)相连接以使所述循环叶轮(38，24)的速度直接由电机的轴(39)的转动控制。 

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在用于冷却的隔离流体回路中设置有至少一个冷却单元(32，23’)和至少一个过滤单元(31，23)。 

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，冷却单元(32，23’)与过滤单元(31，23)平行设置。 

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，供给管路(7)引至两条供给管路(7’，7”)，每一个都包括第一阀装置(8’，8”)和设置在旁通管路(13’，13”)上的第二阀装置(12’，12”)，以分别在一台泵或两台独立的泵的抽吸端和输送端向密封系统提供隔离流体。 

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，隔离流体源(70)被设置在浸没泵(1)的液体的表面处，浸没在浸没泵(1)的液体中，或者由浸没泵(1)的液体形成。 

17.一种降低泵(1)的密封系统中隔离压力的方法，在用于隔离流体源(70)与泵(1)之间具有隔离流体供给管路(7)，在供给管路(7)上设置第一阀装置(8)，第二阀装置(12)设置在第一阀装置(8)与泵(1)之间，所述第二阀装置(12)在供给管路(7)与泵的流程流体管道(2)之间连接至第一旁通管路(13)，其特征在于，第一阀装置(8)处于关闭状态，从而供给管路(7) 被关闭，第二阀装置(12)被开启以通过在供给管路(7)、密封系统和泵的流程入口(3)之间的旁通管路(13)获得开启的通道，且隔离流体被分流至泵的流程入口(3)。 

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