DE102006025762B3 - Pumpvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung (1) zur Förderung eines Fördermediums (4) aus einer von einem Flurniveau (5) in das Erdinnere führenden Tiefenbohrung (5b), die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung (5a) ausgekleidet ist, mit einer Pumpe (2) und einem die Pumpe (2) antreibenden Motor. Indem der Motor (3) außerhalb der Bohr-Verrohrung (5a) angeordnet und über die Bohr-Verrohrung (5a) seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe (2) verbindbar ist, kann der Motor (3) vor Überhitzung geschützt und im Störfalle unabhängig von der Pumpe (2) aus der Tiefenbohrung (5b) gezogen werden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung zur Förderung eines Fördermediums aus einer von einem Flurniveau in das Erdinnere führenden Tiefenbohrung, die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung ausgekleidet ist, mit einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Motor, der außerhalb der Bohr-Verrohrung angeordnet ist.
- Auf dem Gebiet der Bohrtechnik, insbesondere der Tiefenbohrtechnik, zur Förderung von beispielsweise Kohlenwasserstoffen in flüssiger Form und/oder eines Thermalwassers werden Pumpvorrichtungen, insbesondere Tauchpumpen, verwendet. Diese Pumpvorrichtungen sind nach dem Stand der Technik als eine Einheit von Pumpe und einem Motor ausgebildet. Diese Einheit arbeitet in hunderten Metern Tiefe in einer Bohr-Verrohrung und steht damit in direktem Kontakt mit dem Fördermedium, welches beispielsweise als ein kohlenwasserstoffhaltiges Thermalwasser eine hohe Temperatur aufweist. Bedingt durch das, insbesondere bei einer Thermalwasserförderung, heiße Fördermedium und durch eine bei dem Betrieb des Motors entstehende Abwärme, herrscht eine sehr hohe Pumpenbetriebstemperatur und/oder Motorbetriebstemperatur. Eine Lebensdauer der Pumpe und/oder des Motors werden hierdurch negativ beeinflusst. Insbesondere der Motor, welcher die Pumpe antreibt und durch Reibungs- und Feldverluste Abwärme erzeugt, ist bei erhöhter Temperatur des Fördermediums besonders gefährdet. Des Weiteren muss eine Stromversorgung für den Motor durch ein vor mechanischen Beschädigungen und Wasser geschütztes Kabel durch die Bohr-Verrohrung nach unten zur eigentlichen Pumpstelle geführt werden.
- Nach dem Stand der Technik sind solche Pumpvorrichtungen derart ausgelegt, dass eine Pumpenmotortemperatur einen kritischen Temperaturwert nicht übersteigen darf. Ein Abstand einer Nenn-Betriebstemperatur zu einer tatsächlichen Betriebs temperatur, ist ein Maß für eine Lebensdauer der Pumpvorrichtungen, insbesondere für den Pumpenmotor. Liegt beispielsweise die tatsächliche Betriebstemperatur oder auch die Umgebungstemperatur bereits über der Nenn-Betriebstemperatur und zudem nahe an dem kritischen Temperaturwert, so wird sich die Lebensdauer der Pumpvorrichtung gegenüber einem Betrieb bei der Nenn-Betriebs-temperatur erheblich verkürzen. Eine Auslegung für einen dauerhaften Betrieb bei Nenn-Betriebstemperatur kann beispielhaft aufgrund folgender Randbedingungen erschwert oder gänzlich unmöglich gemacht werden:
- – Das Fördermedium, insbesondere Kohlenwasserstoffe und/oder Thermalwasser, hat bereits eine so hohe Eigentemperatur, dass ein Betrieb bei der Nenn-Betriebstemperatur und der geforderte Abstand zu der kritischen Betriebstemperatur nicht gewährleistet ist.
- – Die Anforderung an die Förderleistung der Pumpe ist so hoch, dass die dadurch entstehende Abwärme des Motors in den Bereich der kritischen Temperatur fällt.
- Neben der bereits beschriebenen Pumpvorrichtung werden auch so genannte Gestängepumpen verwendet. Solche Gestängepumpen weisen zwar den Vorteil auf, dass die Pumpe tief unten in der Bohr-Verrohrung ihre Arbeit verrichten kann, der zugehörige Motor jedoch über Tage installiert ist. So kann der Motor über Tage relativ unkritisch gegenüber zu hohen Betriebstemperaturen betrieben werden. Da der Motor und die Pumpe mit einem Gestänge mechanisch miteinander gekoppelt sind, hat diese Lösung bei einer Tiefe von ca. 300 m ihre Fördergrenze und/oder ihre mechanische Belastbarkeit erreicht. Eine derartige Pumpvorrichtung ist bereits aus
US 1,291,407 bekannt. - Insbesondere ist es nachteilig am Stand der Technik, dass bei einem Ausfall des Motors die komplette Tauchpumpe zur Reparatur oder zum Austausch des Motors aus der Tiefenbohrung gezogen werden muss. In solch einem Schadensfall an der Tauchpumpe kann es zu Stillstandszeiten von 3 bis 4 Tagen kommen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpvorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere die Förderung eines Fördermediums in einer großen Tiefe mit hohen Umgebungstemperaturen zulässt.
- Die Aufgabe wird für die eingangs genannte Pumpvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Motor über die Bohr-Verrohrung seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe verbindbar ist. Da der Motor nun nicht mehr innerhalb der Bohr-Verrohrung angeordnet ist und dadurch nicht mehr mit dem heißen Fördermedium in Kontakt kommt, kann die Betriebstemperatur des Motors in einem unkritischen Bereich gehalten werden. So ist der Motor vor Überhitzung geschützt und im Stör- oder Wartungsfalle kann er unabhängig von der Pumpe aus der Tiefenbohrung gezogen werden.
- Die Verbindung des Motors mit der Pumpe über ein Getriebe ermöglicht es, eine gewünschte Pumpendrehzahl über unterschiedliche Motordrehzahlen einzustellen, wobei die Drehzahlübertragung hinsichtlich eines zu übertragenden Drehmoments optimiert werden kann.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden das Getriebe und die Pumpe eine bauliche Einheit. Durch eine derartige kompakte Bauweise, beispielsweise mit einem gemeinsamen Gehäuse, können geringere mechanische Belastungen für beispielsweise einen Antriebsstrang zwischen Pumpe und Getriebe erzielt werden. Dies wiederum lässt bei einer derartigen Ausführung eine größere Leistung zu, wodurch hohe Fördermengen erreicht werden.
- In einer alternativen Ausgestaltung der Pumpvorrichtung stehen das Getriebe und die Pumpe über eine längs der Tiefenbohrung verschiebbare Antriebswelle zur Drehmomentübertragung auf die Pumpe in unterschiedlichen Bohrtiefen in Verbindung. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn auch für das Getriebe gewisse kritische Temperaturgrenzen eingehalten werden müssen und die Pumpe in einer weitaus tieferen und somit hei ßeren Umgebung das Fördermedium zu Tage fördert. Weiterhin kann die Pumpe einen absinkenden Stand des Fördermediums folgen.
- Für beide Alternativen der Pumpvorrichtung ist es von Vorteil, dass die Tiefenbohrung durch einen Schacht derart aufgeweitet ist, dass durch diesen ein oberer Abschnitt der Bohr-Verrohrung freigelegt ist, wobei der Motor in dem Schacht angeordnet ist. Über den durch beispielsweise eine Außenbohrung realisierten Schacht ist der Motor von oben zugänglich. Die Außenbohrung, welche einen größeren Durchmesser als die Bohr-Verrohrung bzw. die Innenbohrung aufweist, ermöglicht mit dem so bereitgestellten Schacht eine problemlose Unterbringung des Motors. Über diesen Schacht ist der Motor, beispielsweise zu Wartungszwecken, zugänglich, ohne dass mittels eines Schwerlastkrans die Pumpe samt Motor und Bohr-Verrohrung ausgebaut werden muss. Des Weiteren bietet der so gebildete Schacht die Möglichkeit, eine Stromversorgungsleitung für den Motor mit erheblich weniger mechanischen Schutz zu versehen als es beim Stand der Technik der Fall ist.
- Zweckmäßigerweise ist der Motor über eine Kühlleitung mit einem Kühler verbunden. Durch Versorgung mit einem separaten Kühlmittel über die Kühlleitung des Motors wird dessen Kühlleistung verbessert und dies erlaubt auf vorteilhafte Weise einen Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.
- Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Kühler auf Flurniveau oder darüber angeordnet ist. Da auf Flurniveau oder darüber in der Regel wesentlich niedrigere Temperaturen als unter Tage herrschen, kann der so angeordnete Kühler effektiv an einem Wärmeaustauschprozess teilnehmen und den in der Tiefe befindlichen Motor mit der geforderten Kühlleistung versorgen.
- Eine Steigerung der Servicefreundlichkeit wird auch dadurch erreicht, dass der Motor zu Reparatur- oder Wartungszwecken über eine lösbare Steckkupplung mit dem Getriebe verbindbar ist. Bei beispielsweise einem Ausfall des Motors kann dieser besonders einfach und schnell vom Getriebe abgekuppelt und getrennt von Getriebe und Pumpe aus dem Schacht gezogen und instand gesetzt oder ausgewechselt werden. Damit verringert sich erheblich der Aufwand, um einen Motor zu warten und/oder zu reparieren.
- Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung, dabei ist in
-
1 eine Pumpvorrichtung mit einer Pumpe und einem Getriebe als eine bauliche Einheit dargestellt und in -
2 die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung mit einer Pumpe und einem Getriebe in einer räumlichen Distanz dargestellt. -
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Pumpvorrichtung1 zum Fördern eines Fördermediums4 – hier ein Thermalwasser – für eine spätere geothermische Wärme- und Strombereitstellung. Die Eigenschaften des Thermalwassers werden durch eine Charakteristik des Untergrundes bestimmt. Die Qualitäten des Thermalwassers können von Trinkwassergüte bis hin zu hochmineralisierten Formationswässern mit beispielsweise gesättigten Salzlaugen reichen. Dadurch variieren je nach Anwendungsfall und je nach geologischer Situation die Anforderungen an die Pumpvorrichtung1 . Denn sowohl die chemische Zusammensetzung, der Druck und die Temperatur als auch der Gasgehalt können in unterschiedlichen Tiefen und in unterschiedlichen geologischen Gebieten stark voneinander abweichen. - Um die Lebensdauer für solch eine Pumpvorrichtung
1 zu erhöhen und gleichzeitig auftretende Investitionskosten für unterschiedliche geologische Beschaffenheiten gering zu halten, ist in der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung1 ein Motor3 außerhalb einer Bohr-Verrohrung5a angeordnet und mittels eines Getriebes6 mit einer Pumpe2 verbunden. Über eine Förderleitung9 transportiert die Pumpe2 das Fördermedium4 aus der Bohr-Verrohrung5a bzw. aus der Innenbohrung5b oder dem Erdinneren5f zu einer über Tage platzierten Lagerstätte (hier nicht dargestellt). - Um ausreichend Platz für den Motor
3 außerhalb der Bohr-Verrohrung5a in einer vorgegebenen Fördertiefe bereitzustellen, ist die Innenbohrung5b vom Flurniveau5 her derart aufgeweitet, dass ein Schacht5d bis in die geforderte Fördertiefe führt. Dieser Schacht5d kann beispielsweise durch eine die Innenbohrung5b aufweitende Außenbohrung5c größeren Durchmessers gebildet werden und legt über seine Tiefe die Bohr-Verrohrung wenigstens teilweise frei. Der Schacht5d bietet somit ausreichend Platz für den Motor3 und für eine nach über Tage führende Kühlleitung10 und für eine Stromversorgungsleitung13 . - Die Kühlleitung
10 verbindet den Motor3 mit einem auf Flurniveau5 installierten Kühler15 . Über den Schacht5d ist der Motor3 von oben zugänglich. Zusätzlich erfolgt über den Zwischenraum5d die Stromversorgung des Motors3 mittels einer Stromversorgungsleitung13 . Gegenüber dem Stand der Technik werden an einen mechanischen Schutz der Stromversorgungsleitung13 keine besonderen Anforderungen gestellt. Auch eine Isolation gegen Feuchtigkeit kann für die Stromversorgungsleitung13 geringer ausgelegt werden, als es für die Pumpvorrichtungen mit einem Motor innerhalb der Bohr-Verrohrung der Fall ist. - Da der Motor
3 über eine lösbare Steckkupplung18 mit dem Getriebe6 mechanisch in Verbindung steht, kann in einem Störfall der Motor3 auf einfache Art vom Getriebe6 entkoppelt werden. Der abgekuppelte Motor3 kann nun für eine Wartung oder einen kompletten Austausch auf das Flurniveau5 befördert werden. Nach erfolgreicher Reparatur des Motors3 oder dem kompletten Austausch des Motors3 kann der Motor3 durch den Schacht5d wieder unter Tage verbracht werden. Hat der Motor3 seine Arbeitstiefe erreicht, wird er durch Einstecken der Steckkupplung18 in einem dafür vorgesehenen Getriebe flansch wieder mit dem Getriebe6 verbunden und ist somit einsatzbereit. -
2 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pumpvorrichtung1 zum Fördern des Fördermediums4 . Die Pumpvorrichtung1 weist die Besonderheit auf, dass die Pumpe2 und das Getriebe6 über eine Antriebswelle7 , welche als ein Pumpengestänge ausgebildet ist, in Verbindung stehen. - Die Pumpvorrichtung
1 ist also mittels einer so genannten Gestängepumpe2 ,7 realisiert. Diese Gestängepumpen2 ,7 werden in der Fachwelt auch als Line-Shaft-Pumpe bezeichnet. Diese alternative Ausgestaltung einer Pumpvorrichtung1 mit einer Gestängepumpe2 ,7 wird mit großem Vorteil immer dann eingesetzt, wenn ein eingesetztes Bohrgerät einen oberen Abschnitt5e der Bohr-Verrohrung5a nicht bis in die erforderte Tiefe bohren oder abtäufen kann. Der Motor3 mit seinem Getriebe6 wird auf der maximalen Tiefe, welche eine Außenbohrung5c erreichen kann, platziert. Da, wie bereits erwähnt, die maximale Tiefe der Außenbohrung5c nicht ausreicht, um von dort aus das Fördermedium4 zu fördern, wird die Pumpe2 über die Antriebswelle7 mit dem Getriebe6 mechanisch verbunden. Die Pumpe2 kann so in einer größeren Tiefe eingesetzt werden. Die größere Tiefe setzt sich aus der Tiefe des Schalters5d und einer Länge der Antriebswelle7 zusammen. - Durch die mechanische Kupplung der Pumpe
2 mit dem Getriebe6 über die Antriebswelle7 wird erreicht, dass der Motor3 auch bei dieser Variante im Schacht5d gekühlt und störungsfrei betrieben werden kann. Die Antriebswelle7 ist als Kombination aus einer inneren Steigleitung und der eigentlichen Welle ausgestaltet, welche auf dem Weg nach oben ab einer Höhe, auf der das Getriebe6 angeordnet ist, in die Förderleitung9 übergeht.
Claims (8)
- Pumpvorrichtung (
1 ) zur Förderung eines Fördermediums (4 ) aus einer von einem Flurniveau (5 ) in das Erdinnere (5f ) führenden Tiefenbohrung (5b ), die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung (5a ) ausgekleidet ist, mit einer Pumpe (2 ) und einem die Pumpe (2 ) antreibenden Motor (3 ), der außerhalb der Bohr-Verrohrung (5a ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3 ) über die Bohr-Verrohrung (5a ) seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe (2 ) verbindbar ist. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentübertragungsmittel als ein Getriebe (6 ) ausgebildet sind. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (6 ) und die Pumpe (2 ) eine bauliche Einheit bilden. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (6 ) und die Pumpe (2 ) über eine längs der Tiefenbohrung (5b ) verschiebbare Antriebswelle (7 ) zur Drehmomentübertragung auf die Pumpe (2 ) in unterschiedlichen Bohrtiefen in Verbindung stehen. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Tiefenbohrung (5b ) durch einen Schacht (5d ) derart aufgeweitet ist, dass durch diesen ein oberer Abschnitt (5e ) der Bohr-Verrohrung (5a ) freigelegt ist, wobei der Motor (3 ) in dem Schacht (5d ) angeordnet ist. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Motor (3 ) über eine Kühlleitung (10 ) mit einem Kühler (15 ) verbunden ist. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach Anspruch 6, wobei der Kühler (15 ) auf Flurniveau (5 ) oder darüber angeordnet ist. - Pumpvorrichtung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Motor (3 ) über eine lösbare Steckkupplung (18 ) mit dem Getriebe (6 ) verbindbar ist.
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