CN102971487A - 压差控制式马达和泵阻隔流体压力调控系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于海底马达和泵模块的马达和泵阻隔流体压力调控系统。压力调控系统包括：阻隔流体回路(10)，其提供从液压流体供应(8)到马达和泵模块中的第一腔体的流体流连通；控制通往阻隔流体回路(10)的液压流体的供应的压力控制式流控制阀(9)；布置成通过第一腔体接收来自液压流体供应的液压流体的第二腔体；以及导引压力回路(11)，其包括用于检测连接第一腔体和第二腔体的节流器(7；13)上的压差且将压差返回到压力控制式流控制阀(9)的器件。

Description

压差控制式马达和泵阻隔流体压力调控系统
技术领域
本发明大体涉及在运送海底烃生产中产生的过程流体中涉及的海底装备。更具体而言，本发明涉及设计成管理海底马达和泵模块中的阻隔和润滑流体压力的系统。
背景技术
海底烃生产中的过程流体典型地是从地底储层中抽出的多相流体，包括油和气体以及最后包括固体物质。马达/泵模块布置在海床上，并且构造成将过程流体从储层运送到海面或基于陆地的主设施。马达/泵模块频繁地受到例如泵送介质中的巨大的压力变化以及在泵启动和停止序列期间的巨大过渡负荷的影响。在泵的吸入侧处的介质压力可为大约好几百巴，从而在马达/泵模块中需要对应的措施来阻止过程流体和颗粒物质从泵内部通过马达/泵模块中的轴承和密封件迁移到马达壳体中。
为了泵送海底生产中的多相流体，通常使用螺杆转子泵。螺杆转子泵是具有两个螺杆的正排量类型的泵，这两个螺杆被驱动而与相互啮合的齿轮一起旋转，在齿轮之间，一定量的流体沿螺杆的轴向方向从泵的吸入侧移置，以在泵的压力侧上排出。螺杆通过轴颈安装在泵壳体中的轴承中，并且以传动的方式连接到布置在马达壳体中的马达上。在双转子螺杆泵的情况下，承载在螺杆轴上的相互啮合的定时齿轮对旋转运动提供同步。密封装置在液压方面分隔马达壳体与泵，其中，传动轴通过轴颈安装而延伸成与泵转子轴连接。密封装置在泵的两端处分隔泵轴承与泵送介质。
为了润滑和冷却，以及阻止海水和泵送介质浸入到海底马达和泵模块的结构中，需要将液压流体供应到马达/泵模块。就此而言，阻隔流体和润滑流体基本上是应用来保护马达/泵模块的内部的相同类型的流体的不同定义。
因此，将保护马达不受周围的海和泵中的介质的影响的马达壳体保持在泵的内部压力之上的压力下，照这样，马达壳体也用作阻止过程流体和微粒通过密封件和轴承装置侵入到马达壳体中的阻隔。由于压差的原因，无法避免液压流体沿着传动轴的泄漏流。泄漏速率取决于流体属性、压差、泵的瞬态操作状况和密封件(一个或多个)的紧密性。通过从外部液压流体供应补充马达壳体来补偿泄漏。
同样，典型地将液压流体供应给泵，以润滑泵的内部结构，诸如泵转子轴承、密封件和定时齿轮。将泵的润滑流体回路中的压力保持在通过泵移置的介质的压力之上，以便阻止过程流体和微粒侵入到泵轴承、密封件和定时齿轮中。通过来自外部液压流体供应的补充来补偿通过泵密封件进入到泵送介质中的泄漏。
马达和泵可以传动的方式连接在马达壳体的内部，或者连接在马达壳体的外部。例如，马达和泵可共用同一个轴，而没有单独的联接件以传动关系连接它们。在其它设计中，泵轴可联接到马达壳体的内部的马达轴上。在另外的其它设计中，马达和泵借助于位于限定在马达壳体和泵之间的联接室中的联接件以传动的方式连接。但是，在所有备选方案中，分别在接口上(即在马达壳体、联接室(当存在时)和泵润滑系统与泵送介质之间)始终保持压差是合乎需要的。
传统上，通过脐带供应马达阻隔流体和泵阻隔流体，并且通过位于水上设施处的方向控制阀来管理泄漏补偿和压力控制。随着日渐增多地安装海底烃生产点且在增大的深度和离船距离处操作海底烃生产点，润滑和冷却系统中的响应时间和控制要求对应地提高。因此，越来越多地需要一种马达和泵阻隔流体压力调控系统，其运行来立即响应于马达和泵模块的压力变化，并且提供提高的运行可靠性。
发明内容
因此本发明旨在提供一种用于海底马达和泵模块的马达和泵阻隔流体压力调控系统，其避免现有技术系统的问题，尤其是与离船距离长和水深大相关联的那些问题。
本发明尤其旨在在海底马达和泵模块中提供一种马达和泵阻隔流体压力调控系统，该系统具有补偿由于通过马达和泵模块中的密封件和轴承的泄漏所造成的液压流体损失的固有的能力。本发明的又一个目标在于提供一种马达和泵阻隔流体压力调控系统，其中，在马达阻隔流体回路和泵阻隔流体回路之间始终自动地保持预先设定的压差。
如在此语境中使用的那样，马达阻隔流体回路应理解成包括马达壳体腔体及其相关联的构件和流管线(控制马达壳体腔体中的流体压力所涉及)中的流体体积。对应地，泵阻隔流体回路应理解成至少包括连接室腔体及其相关联的构件和流管线(控制连接室腔体中的流体压力所涉及)中的流体体积。在更一般的意义上，泵阻隔流体回路也可包括泵中的其它腔体或通道中的流体体积。
通过提供所附权利要求中限定的用于海底马达和泵模块的马达和泵阻隔流体压力调控系统来实现本发明的目标。
简要而言，用于管理海底马达/泵应用中的马达和泵阻隔流体的压力调控系统包括：
阻隔流体回路，其提供从液压流体供应到马达和泵模块中的第一腔体的流体流连通；
控制通往阻隔流体回路的液压流体的供应的压力控制式流控制阀；
布置成通过第一腔体接收来自液压流体供应的液压流体的第二腔体；以及
导引压力回路，其包括用于检测连接第一腔体和第二腔体的节流器上的压差且将压差返回到压力控制式流控制阀的器件。
照这样在海底马达和泵模块处局部地提供自动压力控制系统，而且其特征在于响应快且可靠性高。
系统可复联(multiply)，以在下者中的流体之间独立地保持恒定压差：
马达壳体腔体(第一腔体)和泵结构中的腔体/通道(第二腔体)；
马达壳体腔体(第一腔体)和连接室中的腔体(第二腔体)；
连接室中的腔体(第一腔体)和泵结构中的腔体/通道(第二腔体)；或者
泵结构中的腔体/通道(第一腔体)和泵中的在运行中泵送介质移置通过的腔体(第二腔体)。
换句话说，关于所述第一实现，使用流控制阀来将流体供应给马达壳体，以便跨过节流器而保持恒定的压差，照这样，相对于泵阻隔回路而在马达阻隔回路中保持恒定的过压，以及从而跨过马达轴密封件而保持恒定的过压。通过流控制阀的流率由节流器上的压差控制。因此，供应流体流率始终与限定的压差下的泄漏速率相等，而不管系统压力变化如何。如果密封件泄漏速率由于例如磨损而提高，则阀将如需要的那样自动地提高流率，以保持跨过密封件的压差。当泵压力在正常运行期间增大，阀将自动地调节流率，以跨过密封件而保持恒定的压差。当泵压力在正常运行期间减小，阀将如需要的那样自动地调节流率，以跨过密封件而保持恒定的压差。
一个备选的且有利的实施例预见到，通过固定孔口直径的节流器从马达阻隔流体回路中接收泵阻隔流体，节流器布置在马达和泵模块的外部，而且在节流器上检测压差，并且将该压差返回到压力控制式开/关阀，开/关阀响应于检测到的相对于预先限定的期望压差的偏差而将液压流体馈送到马达和泵阻隔流体回路中。
在一些应用中，需要在较低的流率范围中非常精确地控制流体流率，而在某些运行状况下将需要高的最大流率。这两个要求在其中具有不同的流率范围的两个或更多个阀并行连接而对马达阻隔回路进行流体供应的实施例得到满足。更确切地说，这个实施例包括并行地布置以将液压流体馈送到马达阻隔流体回路中且各自响应于节流器上的压差的一组阀，该组阀包括至少第一阀和第二阀，以及进一步其中，所述至少两个压力控制式流控制阀单独地响应于节流器上的压差的单独的范围。
在成组的第一压力控制式流控制阀和第二压力控制式流控制阀中，第一阀优选设定成由于在节流器处压差处于或低于第一预先限定的压差而打开，以使液压流体流进入到马达阻隔流体回路中，并且第二阀优选设定成由于压差处于或低于小于第一预先限定的压差的第二预先限定的压差而打开，以使液压流体流进入到马达阻隔流体回路中。
在许多用于海底烃生产的应用中，第一预先限定的压差可设定成大约5巴，而第二预先限定的压差可设定成大约4.5巴。
在并行地布置成将液压流体馈送到马达阻隔流体回路中的该成组的第一压力控制式流控制阀和第二压力控制式流控制阀中，第一阀可针对较低的流率而设置大小，而第二阀可针对较高的流率而设置大小。例如，第一阀可针对范围低至大约0.3升/分钟的流率而设置大小，而第二阀可针对范围高达大约100升/分钟或更高的流率而设置大小。
如果有需要，开/关阀可连接成与较高流率的第二压力控制式流控制阀串联，以便控制这个阀中的最终内部泄漏。
为了安全，压力控制式的安全卸压阀可与节流器并行地布置，以将液压流体从马达阻隔流体回路卸入泵中。
本发明的马达和泵阻隔流体压力调控系统可有利地应用于海底马达和泵模块，海底马达和泵模块包括：设置在马达壳体中的泵马达；设置在泵壳体中的泵，泵在泵的吸入侧处具有泵入口，并且在泵的排出侧处具有泵出口；以及双螺杆泵转子组件，其布置在泵马达和泵之间，并且通过轴颈安装在泵壳体中的轴承中。泵-转子组件通过传动轴以传动的方式连接到马达上，传动轴通过密封装置到达马达和泵之间，并且泵-转子组件构造成从泵入口移置出流体介质，以通过泵出口排出流体介质。
附图说明
参照附图，下面将更密切地描述本发明的实施例。在图中，
图1是示出了第一实施例中的马达和泵阻隔流体压力调控系统的示意图，以及
图2是示出了压力调控系统的第二实施例的对应的示意图。
具体实施方式
在图中，海底马达和泵模块包括大体标为1的马达/泵组件，从外部液压流体供应将马达阻隔流体和泵阻隔流体供应到马达/泵组件。
由于本发明不限于任何特定类型或模型的马达和泵组件，而是实际上可应用于在运送来自海底烃生产的过程流体中涉及的且为熟练技术人员熟悉的各种马达和泵构造，所以不必详细论述马达和泵组件1的内部。大体上，马达/泵组件包括封闭在不透水的加压封罩或马达壳体2中的马达，以及封闭在泵壳体3中的泵转子组件。驱动泵的马达典型地是电动马达，但是可备选地采用其它驱动单元，诸如液压马达或涡轮。
泵转子构造成移置通过泵入口4而进入泵的泵送介质，以通过泵出口5排出泵送介质，如由箭头F示出的那样。泵转子以传动的方式连接到连接室6中的马达上，连接室6的内部借助于密封装置7在液压方面与加压(典型地充满油的)马达壳体分隔开，密封装置7密封在旋转轴的外部上，泵转子通过旋转轴以传动的方式连接到马达上。泵转子进一步通过轴颈安装在泵壳体3中的轴承装置中。在泵的内部，泵阻隔流体典型地循环，以润滑泵中的内部结构，诸如轴承、密封件、定时齿轮(如果合适的话)等，从而也对穿过泵的介质提供阻隔。
通过液压流体供应管线8从外部液压流体供应(在近海水面或在岸上)将马达阻隔流体和泵阻隔流体供应给海底马达和泵模块。系统的所有其它构件都安装在海底。马达阻隔流体通过流控制阀9供应到马达壳体，流控制阀9控制进入到马达阻隔流体回路10中的液压流体流，马达阻隔流体回路10通到马达壳体中。
泵阻隔流体从马达壳体2接收在连接室6中，马达壳体2通过密封装置7与连接室连通。密封装置7上的这个流连通是液压流体通过密封件的泄漏，在这个语境中，密封装置7表示固定孔口直径的节流器，而不管密封件表面随着时间的推移的磨损如何。
为了补偿通过节流器7的泄漏流，流控制阀9是压力控制式的，并且响应于节流器7的上游侧上的马达阻隔流体和节流器7的下游侧上的泵阻隔流体之间的压差(即马达壳体和连接室之间的压差)而操作。节流器7上的压差不断被检测，并且借助于导引压力回路11而返回到流控制阀9。在图中，导引压力回路11由细线和/或虚线示出。
在图2中示出的备选实施例中，泵阻隔流体通过泵阻隔流体回路12从马达阻隔流体回路10供应到泵/连接室6。固定孔口直径的节流器13在马达/泵模块的外部布置在泵阻隔流体回路中，并且限制从马达阻隔流体回路10进入到泵阻隔流体回路12中的液压流体流。
因此，阀9是导引控制式流控制阀，其与内部节流器(7)或外部节流器(13)协作，以通过调节通过流控制阀的流来在马达阻隔和泵阻隔流体回路之间保持恒定的压差。通过节流器的流仅是通过阻隔流体回路进入到泵中的少量流，而主要的流则通过马达阻隔回路供应到马达。
在普通实践中和在普通规模上，认为覆盖大约0-100升/分钟的供应液压流体的流率是足够的。但是，为了管理比单个阀9所能提供的更宽的流率范围，至少一个额外的压力控制式流控制阀14可以可选地与第一流控制阀9并行地布置，以将流体供应到马达阻隔流体回路10中。流控制阀9和14各自响应于导引压力回路11中的压力。如前面论述的那样，流控制阀9和14可单独地响应于节流器上的压差的单独的范围，并且它们也可针对不同的流率而设置大小。如有需要，成组的不止两个的流控制阀可并行地连接，以将液压流体供应到马达阻隔流体回路中。
进一步参照附图，参考标号15指的是布置成容许马达阻隔流体通过旁路管线16进入到泵阻隔流体回路中的释压阀，旁路管线16在节流器7或13的下游通入到泵阻隔流体回路中。释压阀15在启动期间管理和控制由于马达和泵中的液体体积的热膨胀而引起的较高的压差。在流体压力出乎意料地升高到太高的水平的情况下，释压阀15也用作安全阀。单向阀17优选布置成阻止从泵到马达阻隔回路10中有回流。可在供应流体管线中布置增压蓄能器18，以对压力控制式流控制阀(一个或多个)9、14提供足够的供应流体压力。
示出的实施例满足本发明的目的，即，在马达和泵模块中以液压的方式互连的两个充满流体的腔体之间保持恒定的压差。流体以受控制的流率供应到具有最高压力的腔体，使得压差保持恒定，而不依赖于腔体之间的泄漏速率。本发明对于补偿腔体中的流体的压缩和热膨胀所造成的流率也是有效的。
虽然参照用于控制马达壳体和连接室之间的接口上的阻隔流体压力的系统来公开本发明，但将认识到，类似的设置可用来控制在海底水位处的马达和泵模块中的、需要流体阻隔来分隔周围介质或者阻止周围介质侵入的其它接口处的阻隔流体压力。将认识到是，除了概述中列出的接口之外，本发明可应用于马达或泵中的任何分隔接口处，诸如例如形成泵润滑系统的一部分的密封件和轴承，或者形成马达润滑或冷却系统的一部分的密封件和轴承。
当然本发明无论如何不限于上面描述的实施例。相反，本发明的修改的许多可能性对本领域普通技术人员将是显而易见的，而不偏差诸如在所附权利要求中限定的本发明的基本思想。

Claims (9)

1. 一种用于海底马达和泵模块(1)的马达和泵阻隔流体压力调控系统，所述压力调控系统包括：
阻隔流体回路(10)，其提供从液压流体供应(8)到所述马达和泵模块中的第一腔体的流体流连通，
控制通往所述阻隔流体回路(10)的液压流体的供应的压力控制式流控制阀(9)；
布置成通过所述第一腔体接收来自所述液压流体供应的液压流体的第二腔体，以及
导引压力回路(11)，其包括用于检测连接所述第一腔体和所述第二腔体的节流器(7；13)上的压差且将所述压差返回到所述压力控制式流控制阀(9)的器件。
2. 根据权利要求1所述的调控系统，其特征在于，布置泵阻隔流体回路(12)来通过固定孔口直径的节流器(13)接收来自马达阻隔流体回路(10)的液压流体，所述节流器(13)布置在所述马达和泵模块(1)外部，并且在所述节流器(13)上检测压差，并且将所述压差返回到所述压力控制式流控制阀(9)，所述压力控制式流控制阀(9)响应于相对于预先限定的期望压差的偏差而将液压流体馈送到所述马达和泵阻隔流体回路中。
3. 根据权利要求1或2所述的调控系统，其特征在于，所述压力控制式流控制阀(9)是并行地布置以将液压流体馈送到所述马达阻隔流体回路(10)中且各自响应于所述节流器(7；13)上的压差的一组阀中的一个，该组阀包括至少第一阀和第二阀(9，14)，以及进一步其中，所述至少两个压力控制式流控制阀单独地响应于所述节流器上的压差的单独的范围。
4. 根据权利要求3所述的调控系统，其特征在于，在成组的第一压力控制式流控制阀和第二压力控制式流控制阀中，所述第一阀(9)设定成由于在所述节流器(7；13)处压差处于或低于第一预先限定的压差而打开，以使液压流体流进入到所述马达阻隔流体回路(10)中，并且所述第二阀(14)设定成由于压差处于或低于小于所述第一预先限定的压差的第二预先限定的压差而打开，以使液压流体流进入到所述马达阻隔流体回路(10)中。
5. 根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述第一预先限定的压差为大约5巴，而所述第二预先限定的压差为大约4.5巴。
6. 根据权利要求2至5中的任一项所述的调控系统，其特征在于，在成组的第一压力控制式流控制阀和第二压力控制式流控制阀中，所述第一阀(9)针对较低的流率而设置大小，而所述第二阀(14)针对较高的流率而设置大小。
7. 根据权利要求6所述的调控系统，其特征在于，所述第一阀(9)针对范围低至大约0.3升/分钟的流率而设置大小，而所述第二阀(14)针对范围高达大约100升/分钟或更高的流率而设置大小。
8. 根据权利要求3至7中的任一项所述的调控系统，其特征在于，开/关阀与较高流率的所述第二压力控制式流控制阀(14)串联连接。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的调控系统，其特征在于，压力控制式释压阀(15)布置成与所述节流器(7；13)并行，以将液压流体从所述马达阻隔流体回路(10)卸入所述泵中。
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