EP3037668A1 - Operating method for a pump, in particular a multi phase pump as well as a pump - Google Patents

Operating method for a pump, in particular a multi phase pump as well as a pump Download PDF

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EP3037668A1
EP3037668A1 EP15189340.1A EP15189340A EP3037668A1 EP 3037668 A1 EP3037668 A1 EP 3037668A1 EP 15189340 A EP15189340 A EP 15189340A EP 3037668 A1 EP3037668 A1 EP 3037668A1
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pump
limit
surge
limit curve
parameter
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Definitions

  • the invention relates to an operating method for a pump, in particular a multi-phase pump and a pump, in particular a multi-phase pump for conveying a fluid according to the preamble of the independent claim of the respective category.
  • Multiphase pumps are pumps that can be used to deliver fluids containing a mixture of several phases, such as a liquid phase and a gaseous phase.
  • Such pumps have long been well known and are manufactured in numerous embodiments, often as centrifugal pumps, for example as single or double-flow pumps and as single-stage or multi-stage pumps.
  • centrifugal pumps for example as single or double-flow pumps and as single-stage or multi-stage pumps.
  • booster pumps also referred to as booster pumps.
  • booster pump lowers the pressure on the well by pumping the fluid so that the oil can continue to exit the well.
  • booster pumps need to generate high pressures because the wells are very deep or inaccessible, requiring very long pipelines or pipelines between the wellbore and the processing or storage facilities. This is especially true in subsea applications where, for example, the well bore is on the ocean floor and the processing or storage facilities on land, on a drilling platform or on a ship are designated as FPSOs (Floating Production Storage and Offloading Units). Especially in such cases, a booster pump must promote over large geodetic heights and generate a correspondingly high pressure.
  • FPSOs Floating Production Storage and Offloading Units
  • the efficiency and performance of a multiphase pump depends very much on the actual phase composition or phase distribution of the multiphase fluid to be pumped.
  • the relative volume fractions of the liquid and the gaseous phase - for example in the oil extraction - are subject to very large fluctuations, which is due to the natural source, on the other hand, but also caused by the connecting lines.
  • Other interactions between the gaseous and liquid phases can also lead to pressure pulsations in the conduit.
  • the fluctuations in the phase distribution of the multiphase fluid are thus also caused by the architecture and dynamics of the conduit system.
  • Such effects may cause the multiphase pump to go into an unstable operating condition, also called a surge, due to a too low flow rate.
  • unstable operating states are characterized by extremely fluctuating flow rates, pressure surges, large power and pressure fluctuations as well as strong vibrations of the pump.
  • Such unstable operating conditions place an extremely heavy burden on the pump itself and the adjacent installations.
  • Operating a multiphase pump in such an unstable operating condition too long may lead to prematurely Material fatigue, a significantly higher wear, lead to defects or failure of the entire pump, resulting in adverse effects on the downstream of the pump installations provided. It can even happen by the failure of the multi-phase pump that the entire production process is interrupted, which is of course very disadvantageous in economic terms.
  • a buffer tank whose volume and internal configuration are adapted to the particular application.
  • This buffer tank acts like a filter or as an integrator and can absorb or dampen sudden changes in the phase distribution of the fluid, so that they can not penetrate or only greatly attenuated to the inlet of the multiphase pump.
  • a underflow fuse or a surge limit control is often provided in a multi-phase pump, which is commonly referred to as Surge Control or Surge Protection and it To prevent the multiphase pump gets into such an unstable operating condition.
  • Surge Control it is a known measure to provide a return passage through which the fluid delivered by the multi-phase pump can be returned from the pressure side of the pump to the suction side.
  • this return line one or more, for example two, control valves are provided which can be controlled by the surge limit control and accordingly allow a smaller or larger flow through the return line.
  • a cooling system can also be provided in the return line in order to avoid an excessive heat load or heat accumulation.
  • a flow meter is provided between the confluence of the return line on the suction side and the inlet of the multi-phase pump.
  • a limit curve is usually stored in the corresponding control unit, at which point countermeasures are to be taken.
  • the limit curve is determined based on a lower surge limit line, which indicates at which parameter constellations the transition to an unstable operating state occurs.
  • This surge limit line is determined on the basis of empirical values and / or experimentally determined data.
  • the limit curve is then set with a certain "safety margin" from the surge line to avoid unstable operating conditions during operation of the pump.
  • the surge limit control activates the check valve or control valves to increase the return flow in the return line so that the pump moves away from the limit curve.
  • the flow meter determines the flow rate based on a simultaneous metrological acquisition of directly accessible process variables such. Absolute pressure, differential pressure, density, temperature, which are then processed in a semi-empirical model to determine or estimate the actual flow rate and phase distribution of the fluid in the multi-phase flowmeter.
  • Such multiphase flowmeters are very complicated, expensive and expensive devices that have some other disadvantages.
  • the various sensors in a multi-phase flowmeter for measuring the various process variables have very large variations in the update rate of each determined process variable.
  • the sensor with the lowest update rate will determine the maximum possible update rate of the multi-phase flowmeter.
  • This maximum refresh rate is sometimes insufficient to ensure reliable pump limit control or reliable underflow protection.
  • the corresponding devices have even lower update rates, which further reduces the dynamic performance of the surge limit control. Since greater safety distances from the limit curve are thus necessary to avoid unstable operating states, the operating range of the multiphase pump is further restricted.
  • the flow of a multi-phase fluid has dynamic effects that alter the actual phase distribution along the conduit. Therefore, for a robust and reliable surge limit control, it would be desirable to measure the flow rates immediately upstream of the inlet of the pump to truly determine the phase distribution present in the multi-phase pump.
  • the installation of a multi-phase flow meter immediately upstream of the inlet of the pump is often not possible at all, for example for reasons of space.
  • the object of the invention solving this object are characterized by the features of the independent claim of each category.
  • an operating method for a pump for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side
  • a return line for returning the fluid from the high-pressure side to the low-pressure side
  • a control valve in the return line is controlled, which controls the flow through the return line, wherein a limit curve for a control parameter in the surge control unit is maintained, a current value of the control parameter during operation of the pump is compared with the limit curve and wherein, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve, the control valve in the return line is controlled in such a way that the current value of the Control parameter from the limit curve, and being used as a control parameter, an operating parameter of the pump.
  • operating parameters are meant those parameters which determine the operation of the pump and which can be adjusted by the control or control device of the pump, for example the speed of the pump, its power consumption, the torque with which the pump is driven, etc ..
  • such quantities are not operating parameters in the sense of this application, which are predetermined by the fluid itself, so for example the phase distribution of the fluid (in the case of a multi-phase fluid) or its viscosity, because these sizes can not be entered on the pump itself or be set.
  • the surge limit control unit uses an operating parameter to avoid an unstable operating state of the pump, it is no longer necessary to estimate or determine metrologically - if at all - variables that are very difficult to detect, such as the current phase distribution in the fluid to be delivered , In particular, can be dispensed with so complicated and very expensive devices such as a multi-phase flow meter or on a flow meter and still a reliable and stable border control or underflow protection of the pump, in particular the multi-phase pump can be ensured.
  • the limit curve indicates a clear relationship between the operating parameter and the pressure difference generated by the pump, in particular the multi-phase pump, because this pressure difference is very easily determinable or metrologically detectable.
  • the pressure difference between the pressure at an inlet and the pressure at an outlet of the pump is detected by measurement. This makes it possible to ensure in a simple manner that in each case the current value is exactly the pressure difference is detected, which is currently generated by the pump.
  • the operating torque used is the torque with which the pump is driven.
  • the limit curve indicates the dependency of the torque on the pressure difference at which the pump is still safely operated in a stable operating state. This means that the limit curve is preferably set so that it does not run exactly where the pump is in an unstable operating state, but that a safety margin is provided.
  • the limit curve is set at a distance from a lower surge limit line, wherein the lower surge limit line indicates the respective value of the operating parameter at which the pump changes to an unstable operating state.
  • This lower surge boundary line is preferably determined with the aid of experimental test data, for the determination of which the pump is guided into an unstable operating state. This can be done, for example, before starting the pump in a test stand, where the pump is then deliberately brought into the unstable operating state (surging), so as to determine at which values of the operating parameter, this transition occurs.
  • the surge limit control unit is integrated in a control device for controlling the pump.
  • the current value of the operating parameter is provided by a variable frequency drive for the pump.
  • a preferred application of the operating method is when the pump is used as a booster pump in oil and gas production, particularly in undersea oil and gas production.
  • the invention further proposes a pump, in particular a multiphase pump, for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side, with an inlet and an outlet for the fluid, and with a surge limit control unit for avoiding an unstable operating state, which is a control signal for a control valve in a return line for returning the fluid from the high-pressure side to the low-pressure side, wherein a limit curve for a control parameter is present in the surge limit control unit, the surge limit control unit comparing a current value of the control parameter with the limit curve during operation of the pump, and wherein the surge limit control unit, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve, provides the control signal which can control the control valve in the return line such that the current value of the control parameter from the limit curve, where the control parameter is an operating parameter of the pump.
  • a pump in particular a multiphase pump, for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side, with an inlet and an outlet for the fluid, and
  • the limit curve indicates the dependency of the torque on the pressure difference between the pressure at the inlet and the pressure at the outlet.
  • the pump is designed as a centrifugal pump and as a booster pump for oil and gas production, in particular for the undersea oil and gas production.
  • an extremely reliable surge limit control to avoid unstable operating states is possible. Since the operating parameters required for the control are very simple and available at a very high refresh rate, even very rapid changes in the process conditions can be detected and governed. Especially in subsea applications, the use of the operating parameter of the pump ensures that there are no signal delays caused, for example, by the subsea components or their connection to the subsea components. Furthermore, the advantage results that the safety distance from the unstable operating states can be reduced or minimized so that the pump can be operated in a significantly larger operating range.
  • a further advantage of the operating method according to the invention or of the pump according to the invention is that it can be easily retrofitted even in already existing pumps or existing pumps can be modified in a simple way to pumps according to the invention. Frequently, no major changes in the equipment are needed.
  • Fig. 1 illustrates in a schematic representation of an embodiment of the invention both in terms of apparatus and in terms of process engineering. Based on Fig. 1
  • an exemplary embodiment of the operating method according to the invention and an exemplary embodiment of a pump according to the invention, which is embodied here as a multi-phase pump will be explained, which is designated overall by the reference numeral 1.
  • the multiphase pump is used for oil and gas production, and in particular for undersea oil and gas production, where the output of a well 100 is located on the seabed, from where the oil and gas to a above the sea arranged storage and processing device 200 is conveyed.
  • the borehole 100 extends into an oil field, which in Fig. 1 not shown.
  • the storage and processing device 200 may be installed on the mainland or in the offshore area, for example on a platform that is anchored on the seabed. Of course, the storage and processing device 200 may also be floating on the sea, for example in the form of an FPSO.
  • the fluid to be delivered by the multi-phase pump 1 is a multi-phase fluid which comprises at least one gaseous and one liquid phase.
  • the task of used as a booster pump Multiphase pump 1 is designed to lower the pressure at the exit of borehole 100, for example to a value in the range of 10 bar to 40 bar, so that the fluid can escape from borehole 100, or increases the flow rate of the fluid delivered from wellbore 100 becomes.
  • This measure known per se is particularly advantageous with increasing skimming of the oil field, because then the natural pressure, under which the oil field stands, decreases.
  • the multiphase pump 1 can generate, for example, pressure differences of up to 150 bar, the generated pressure difference, of course, strongly depends on the current density of the fluid and thus its current phase distribution.
  • the multi-phase pump 1 can be located on the seabed near or at a distance from the borehole 100, or in the offshore area, for example on a (drilling) platform or an FPSO, or even on land.
  • the invention is not limited to this specific application, but is also suitable for all other applications in which multi-phase pumps can be used or used.
  • the invention is suitable for multi-phase pumps, which are centrifugal pumps.
  • the invention is not limited to multi-phase pumps, but is generally suitable for pumps, including for single-phase pumps, in which the fluid to be delivered contains only one phase, that is, for example, is a liquid.
  • Fig. 1 are lines through which the fluid can flow, shown in solid lines, while signal connections are shown in dashed lines.
  • the multiphase pump 1 comprises an inlet 10, through which the fluid passes into the multiphase pump 1 and an outlet 20, through which the delivered fluid leaves the multiphase pump 1.
  • the area located upstream of the multi-phase pump 1 will be referred to as the low-pressure side and the downstream area as the high-pressure side.
  • a first pressure sensor 11 is provided, with which the pressure is measurable, with which the fluid flows into the multi-phase pump 1.
  • a second pressure sensor 12 is provided, with which the pressure is measurable, with which the fluid leaves the multi-phase pump 1.
  • the current value of the pressure difference generated by the multi-phase pump 1 can thus be determined from the difference signal of the two pressure sensors 11, 12.
  • pressure sensors 11,12 all known pressure sensors are suitable.
  • the pressure sensors 11, 12 are respectively arranged directly at the inlet 10 and at the outlet 20 of the multi-phase pump 1.
  • the multi-phase pump 1 is driven by a variable frequency drive 2 (variable frequency drive VFD or variable speed drive VSD), which rotates the shaft of the multi-phase pump 1 with the angeordenten impeller or the impellers arranged thereon (not shown).
  • the variable frequency drive 2 is signal-connected to a control device 3 for the control of the multi-phase pump, as the double arrow A in Fig. 1 indicates and can exchange data bidirectionally with the control device 3.
  • the control device 3 is preferably designed as a digital control device 3.
  • the two pressure sensors 11 and 12 are each signal-connected to the control device 3, as the two arrows B and C in Fig. 1 suggest.
  • a surge limit control unit 4 is provided for avoiding unstable operating states of the multi-phase pump 1, which is preferably integrated into the control device 3.
  • the terms "underflow fuse” or “surge control” are also commonly used.
  • the inlet 10 of the multi-phase pump 1 is connected to the low-pressure side via a supply line 5 with the borehole 100, through which the fluid from the borehole 100 to the inlet 10 can flow.
  • the outlet 20 of the multi-phase pump 1 is connected on the high pressure side via an outlet line 6 to the storage and processing device 200, through which the Fluid from the multi-phase pump 1 to the storage and processing device 200 can flow.
  • the supply line 5 and the outlet line 6 can each be from less than one meter to many kilometers long.
  • a buffer tank 7 is preferably provided, which serves in a conventional manner to compensate for variations in the phase distribution of the fluid. These variations can be caused by naturally induced variations in the gas-to-liquid ratio of the fluid exiting the borehole, or by the architecture and ducting dynamics of the supply line 5.
  • the buffer tank 7 acts as a filter or integrator and can thus accommodate sudden changes in the flow Absorb or damp phase distribution of the fluid.
  • a return line 8 for the fluid which connects the high-pressure side to the low-pressure side.
  • the return line 8 branches off the outlet line 6 downstream of the outlet 20 of the multiphase pump 1 and flows into the supply line 5 upstream of the buffer tank 7, so that the fluid can be returned through the return line 8 from the high pressure side to the low pressure side.
  • at least one control valve 9 is provided which is signal-connected to the surge limit control unit 4, as indicated by the arrow D in FIG Fig. 1 suggests.
  • the control valve 9 is designed as a control valve, with which the flow cross-section of the return line 8 from the completely closed state (no return of fluid) can be changed to the fully open state (maximum flow area open).
  • the return line 8 is used for the surge limit control and thus the avoidance of unstable operating states of the multi-phase pump 1, which are also referred to as surging.
  • the control valve 9 is completely closed, so that no fluid can flow back through the return line 8 to the low pressure side. If, as will be described further on, the surge limit control unit 4 detects the exceeding of a limit curve for a control parameter, For example, caused by too little fluid getting to the inlet 10 (underflow region), the surge limit control unit 4 controls the check valve 9 to partially or fully open the return passage 8, thus part of the conveyed fluid from the high pressure side can flow back to the low pressure side. The control valve 9 is opened so far until the current value of the control parameter is again below the limit curve.
  • control valve 9 is designed so that it can change the open flow cross-section of the return line 8 steplessly from the fully closed state to the fully open state.
  • control valves in the return line 8, which are then arranged in parallel in the return line 8.
  • the return line 8 and two valves one behind the other, ie in series be arranged, in which case preferably one of the two valves is a fast open / close valve and the other valve is a control valve which is designed as a control valve.
  • a cooling 13 for example a heat exchanger, may be provided in the return line 8 in order to remove heat from the recirculated fluid. This measure is particularly advantageous if the fluid has a high gas content. By cooling 13 can then prevent accumulation of heat.
  • the surge limit control unit 4 uses the current value of a control parameter to avoid unstable operating states of the multi-phase pump 1 or the pump 1.
  • this control parameter is an operating parameter.
  • operating parameters means those parameters which determine the operation of the pump 1 and which can be adjusted by the control device 4 of the pump 1, that is, for example, the speed of the multiphase pump 1, its power consumption, the torque with the Multiphase pump 1 is driven, etc. Operating parameters are therefore such variables that the operation of the pump 1 and the multi-phase pump. 1 regulate and directly -oder indirectly via another Radiometer- on the pump 1 and the multi-phase pump 1 are adjustable.
  • an operating parameter as a control parameter has the particular advantage that those process variables that are not or only very expensive or only very inaccurate determinable, such as the current phase distribution of the fluid, no longer need to be known for the surge limit control.
  • process variables that are not or only very expensive or only very inaccurate determinable such as the current phase distribution of the fluid
  • the relationship between the operating parameter and the pressure difference generated by the multi-phase pump 1 is used for the surge limit control.
  • this pressure difference is metrologically very easy and very accurately determined by means of the two pressure sensors 11 and 12.
  • FIG. 2 a typical operating diagram of the multi-phase pump 1, in which the relationship of the generated by the multi-phase pump 1 pressure difference with the flow rate of the funded by the multi-phase pump 1 fluid is shown.
  • the flow rate Q is plotted on the horizontal axis and the pressure difference DP on the vertical axis.
  • this relationship is very much dependent on the phase distribution of the pumped fluid.
  • This phase distribution of a fluid with a liquid and a gaseous phase is usually characterized by the GVF value (GVF: gas volume fraction), which indicates the ratio of the volume flow of the gas phase and the volume flow of the fluid.
  • GVF value is therefore between 0 and 1 or between 0 and 100%, where the value 0 means that there is only one liquid phase and the value 1 or 100% that only one gaseous phase is present.
  • Fig. 2 shows the pressure difference DP as a function of the flow rate Q for five different GVF values.
  • the GVF value is constant on the iso-GVF curves denoted by 101 and shown in solid lines.
  • Iso power curves 102 are also shown in dot-dashed lines, on each of which the power consumed by the multi-phase pump 1 is constant.
  • a lower surge boundary line 50 (shown with a solid line), which is commonly referred to as a surge line. If this lower surge boundary line 50 is exceeded, so that the multiphase pump 1 reaches above the lower surge boundary line 50 in the region designated by 40, then the multiphase pump 1 is in an unstable operating state. Based on Fig. 2 It is easy to see how changes in the current phase distribution of the fluid can very suddenly lead to the exceeding of the lower pump limit line 50 and thus to unstable operating states. For example, a change in the current phase distribution corresponds to a jump from one Iso-GVF curve 101 to another.
  • a limit curve 60 is defined for the operating parameter used as the control parameter, which boundary curve extends at a distance from the lower surge boundary line 50, as shown in FIG Fig. 2 below the lower surge boundary line 50.
  • the limit curve 60 is in Fig. 2 shown in dashed lines.
  • the surge limit control unit 4 controls the control valve 9 to increase the flow through the return line 8 until the current value of the control parameter is used Operating parameters of the limit curve 60 and 40 of the unstable operating conditions away.
  • the operating parameter is in a clear relationship with the torque with which the multi-phase pump 1 is driven.
  • the operating torque used is the torque with which the multi-phase pump 1 is driven.
  • the torque is an operating parameter that is constantly available during operation, thus enabling a very high refresh rate.
  • the current value of the torque absorbed by the multi-phase pump 1 can be made available by the variable frequency drive 2 at any time.
  • the pressure difference DP can be measured in a very simple and reliable manner by means of the two pressure sensors 11, 12, which transmit the pressure values measured by them via the signal connections B and C to the surge limit control unit 4, which determines therefrom the current value of the pressure difference DP.
  • Fig. 3 shows a representation of the limit curve 60 'and the lower surge boundary line 50' in an order of the torque against the pressure difference.
  • the horizontal axis represents the pressure difference DP and the vertical axis the torque T picked up by the multiphase pump.
  • the diamonds labeled 105 represent experimentally determined test data in which the multiphase pump operates in an unstable operating state.
  • the multiphase pump 1 is deliberately brought to an unstable operating state on a test stand, for example by varying the flow and / or by varying the phase distribution of the fluid. The latter is of course possible in a test stand.
  • it is determined at which values of the torque T and at which values of the pressure difference DP the multiphase pump 1 enters an unstable operating state.
  • These unstable operating conditions can be detected very easily, for example by the occurrence of strong vibrations, by a sudden drop in the delivery pressure at the outlet 20 of the multi-phase pump 1 or by other changes. In this way, the test data 105 can be determined.
  • the lower surge boundary line 50 ' is then set so that - as shown in FIG Fig. 3 - All test data 105 just below the lower surge boundary line 50 'lie.
  • dashed line shown limit curve 60 ' is then set with a safety distance above and preferably parallel to the lower surge boundary line 50'.
  • a suitable distance for the application between the lower surge boundary line 50 'and the limit curve 60' is not a problem for the expert.
  • the multi-phase pump 1 it is now certain that the multi-phase pump 1 is not in an unstable operating state, as long as they are presented ( Fig. 3 ) is operated above the limit curve 60 '.
  • the limit curve 60 ' is now kept in the surge limit control unit 4. This can be realized, for example, by storing the limit curve 60 'as a look-up table or as an analytically parameterized function in the surge limit control unit 4. If the determined relationship between the operating parameter, in this case the torque T, and the pressure difference DP is particularly simple, for example linear, then a corresponding function, for example a straight line equation, can be stored in the surge limit control unit 4.
  • the surge limit control unit 4 uses the signals from the pressure sensors 11, 12 to determine the respectively current value of the pressure difference DP, which is currently being generated by the multiphase pump 1.
  • the surge limit control unit 4 can now determine, by comparison with the limit curve 60 ', whether the current value of the torque T is still removed from the limit curve 60'. As soon as the current value of the torque T for the current pressure difference DP reaches the limit curve 60 ', the surge limit control unit 4 activates the check valve 9 in the return line 8, thereby opening or further opening the return line 8. The return line 8 is opened further until the torque T is again removed from the limit curve 60 'and the lower surge boundary line 50'.
  • the invention is described with reference to the embodiment of a multi-phase pump 1, it is understood that the invention is not limited to multiphase pumps, but in a similar manner also includes single-phase pumps and pumps in general.
  • the pump can be configured in each case as a single-stage or multi-stage pump.
  • the pump is configured as a centrifugal pump or as a helicoaxial pump.

Abstract

Betriebsverfahren für eine Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe, wobei eine Rückführleitung (8) zum Rückführen des Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite vorgesehen ist, bei welchem Verfahren mittels einer Pumpgrenzkontrolleinheit (4) zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands ein Kontrollventil (9) in der Rückführleitung (8) angesteuert wird, welches den Durchfluss durch die Rückführleitung (8) kontrolliert, wobei eine Grenzkurve (60, 60') für einen Kontrollparameter in der Pumpgrenzkontrolleinheit (4) vorgehalten wird, ein aktueller Wert des Kontrollparameters während des Betriebs der Pumpe mit der Grenzkurve (60, 60') verglichen wird und wobei, sobald der aktuelle Wert des Kontrollparameters die Grenzkurve (60, 60') erreicht, das Kontrollventil (9) derart angesteuert wird, dass sich der aktuelle Wert des Kontrollparameters von der Grenzkurve (60, 60') entfernt, und wobei als Kontrollparameter ein Betriebsparameter der Pumpe (1) verwendet wird. Ferner wird eine entsprechende Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe (1), vorgeschlagen.Operating method for a pump, in particular a multi-phase pump, wherein a return line (8) for returning the fluid from the high pressure side to the low pressure side is provided, in which method by means of a surge limit control unit (4) to avoid an unstable operating condition, a control valve (9) in the return line (8) is controlled, which controls the flow through the return line (8), wherein a limit curve (60, 60 ') for a control parameter in the surge limit control unit (4) is maintained, a current value of the control parameter during operation of the pump with the Limit curve (60, 60 ') is compared and where, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve (60, 60'), the control valve (9) is controlled such that the current value of the control parameter of the limit curve (60, 60 '), and wherein an operating parameter of the pump (1) is used as a control parameter. Furthermore, a corresponding pump, in particular a multiphase pump (1), is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe sowie eine Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe zum Fördern eines Fluids gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs der jeweiligen Kategorie.The invention relates to an operating method for a pump, in particular a multi-phase pump and a pump, in particular a multi-phase pump for conveying a fluid according to the preamble of the independent claim of the respective category.

Multiphasenpumpen sind Pumpen, mit denen Fluide gefördert werden können, die ein Gemisch aus mehreren Phasen enthalten, beispielsweise eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase. Solche Pumpen sind seit langem wohl bekannt und werden in zahlreichen Ausführungsformen, häufig als Zentrifugalpumpen, hergestellt, beispielsweise als ein- oder doppelflutige Pumpen und als einstufige oder mehrstufige Pumpen. Der Anwendungsbereich dieser Pumpen ist sehr breit, sie werden zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie zum Fördern von Erdöl-Erdgas-Gemischen verwendet und speziell als Druckerhöhungspumpen, die auch als Booster Pumpen bezeichnet werden.Multiphase pumps are pumps that can be used to deliver fluids containing a mixture of several phases, such as a liquid phase and a gaseous phase. Such pumps have long been well known and are manufactured in numerous embodiments, often as centrifugal pumps, for example as single or double-flow pumps and as single-stage or multi-stage pumps. The range of application of these pumps is very wide, for example, they are used in the oil and gas industry for the transportation of petroleum-natural gas mixtures and especially as booster pumps, also referred to as booster pumps.

Es ist eine bekannte Technologie, mit solchen Druckerhöhungspumpen die Ausnutzung bzw. die Abschöpfung von Ölfeldern zu erhöhen oder zu verlängern. Insbesondere, wenn der natürlich vorhandene Druck in einem Ölfeld mit zunehmender Ölförderung abnimmt, wird mit einer Booster Pumpe der auf dem Bohrloch lastende Druck durch das Fördern der Pumpe abgesenkt, sodass das Öl weiterhin aus dem Bohrloch austreten kann.It is a known technology to increase or prolong the utilization or the skimming of oil fields with such booster pumps. In particular, as the naturally occurring pressure in an oil field decreases with increasing oil production, a booster pump lowers the pressure on the well by pumping the fluid so that the oil can continue to exit the well.

Sehr häufig müssen diese Druckerhöhungspumpen hohe Drücke generieren, weil die Bohrlöcher sehr tief oder schwer zugänglich liegen, sodass sehr lange Leitungen oder Pipelines zwischen dem Bohrloch und den Verarbeitungs- oder Speichereinrichtungen notwendig sind. Dies trifft insbesondere auch bei Untersee-Anwendungen zu, wenn beispielsweise der Austritt des Bohrlochs auf dem Meeresgrund liegt und die Verarbeitungs- oder Speichereinrichtungen an Land, auf einer Bohrplattform oder auf einem Schiff als FPSO (Floating Production Storage and Offloading Unit) vorgesehen sind. Gerade in solchen Fällen muss eine Booster Pumpe über grosse geodätische Höhen fördern und einen entsprechend hohen Druck generieren können.Very often, these booster pumps need to generate high pressures because the wells are very deep or inaccessible, requiring very long pipelines or pipelines between the wellbore and the processing or storage facilities. This is especially true in subsea applications where, for example, the well bore is on the ocean floor and the processing or storage facilities on land, on a drilling platform or on a ship are designated as FPSOs (Floating Production Storage and Offloading Units). Especially in such cases, a booster pump must promote over large geodetic heights and generate a correspondingly high pressure.

Die Effizienz und die Leistungsfähigkeit einer Multiphasenpumpe hängt sehr stark von der aktuellen Phasenzusammensetzung bzw. Phasenverteilung des zu fördernden Mehrphasenfluids ab. Die relativen Volumenanteile der flüssigen und der gasförmigen Phase - beispielsweise bei der Ölförderung - unterliegen sehr grossen Schwankungen, was zum einen an der natürliche Quelle liegt, zum anderen aber auch durch die Verbindungsleitungen verursacht wird. Hier gibt es mehrere Effekte, durch die sich die flüssige Phase in gewissen Bereichen ansammeln kann, bis der Leitungsquerschnitt vollkommen mit der flüssigen Phase gefüllt ist, sodass es stromaufwärts zu einer Druckerhöhung in der gasförmigen Phase kommt, bis der Druck so gross wird, dass die flüssige Phase schlagartig ausgestossen wird. Andere Wechselwirkungen zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase können auch zu Druckpulsationen in der Leitung führen. Die Schwankungen in der Phasenverteilung des Multiphasenfluids werden somit auch durch die Architektur und die Dynamik des Leitungssystems verursacht.The efficiency and performance of a multiphase pump depends very much on the actual phase composition or phase distribution of the multiphase fluid to be pumped. The relative volume fractions of the liquid and the gaseous phase - for example in the oil extraction - are subject to very large fluctuations, which is due to the natural source, on the other hand, but also caused by the connecting lines. Here there are several effects that allow the liquid phase to accumulate in certain areas until the line cross section is completely filled with the liquid phase, so that upstream there is an increase in pressure in the gaseous phase until the pressure becomes so high that the liquid phase is suddenly ejected. Other interactions between the gaseous and liquid phases can also lead to pressure pulsations in the conduit. The fluctuations in the phase distribution of the multiphase fluid are thus also caused by the architecture and dynamics of the conduit system.

Solche Effekte können verursachen, dass die Multiphasenpumpe aufgrund einer zu geringen Flussrate in einen instabilen Betriebszustand gerät, der auch als Surge bzw. Surging bezeichnet wird. Solche instabilen Betriebszustände zeichnen sich durch extrem schwankende Flussraten, Druckschläge, grosse Leistungs- und Druckschwankungen sowie starke Vibrationen der Pumpe aus. Solche instabilen Betriebszustände stellen eine extrem starke Belastung für die Pumpe selbst und die benachbarten Installationen dar. Wird eine Multiphasenpumpe zu lange in einem solchen instabilen Betriebszustand betrieben, kann dies zu vorzeitiger Materialermüdung, einem deutlich höheren Verschleiss, zu Defekten bis hin zum Ausfall der kompletten Pumpe führen, wodurch nachteilige Auswirkungen auf die stromabwärts der Pumpe vorgesehene Installationen resultieren. Es kann sogar durch den Ausfall der Multiphasenpumpe passieren, dass der gesamte Produktionsprozess unterbrochen wird, was natürlich unter wirtschaftlichen Aspekten sehr nachteilig ist.Such effects may cause the multiphase pump to go into an unstable operating condition, also called a surge, due to a too low flow rate. Such unstable operating states are characterized by extremely fluctuating flow rates, pressure surges, large power and pressure fluctuations as well as strong vibrations of the pump. Such unstable operating conditions place an extremely heavy burden on the pump itself and the adjacent installations. Operating a multiphase pump in such an unstable operating condition too long may lead to prematurely Material fatigue, a significantly higher wear, lead to defects or failure of the entire pump, resulting in adverse effects on the downstream of the pump installations provided. It can even happen by the failure of the multi-phase pump that the entire production process is interrupted, which is of course very disadvantageous in economic terms.

Zum Abfangen oder zumindest zum Abschwächen der durch Variationen in der Phasenverteilung resultierenden Probleme ist es bekannt, stromaufwärts der Multiphasenpumpe einen Puffertank vorzusehen, dessen Volumen und innere Ausgestaltung an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst wird. Dieser Puffertank wirkt quasi wie ein Filter oder wie ein Integrator und kann so plötzliche Änderungen in der Phasenverteilung des Fluids absorbieren oder dämpfen, sodass sie nicht oder nur stark abgeschwächt an den Einlass der Multiphasenpumpe vordringen können.To intercept or at least mitigate the problems resulting from variations in the phase distribution, it is known to provide upstream of the multiphase pump a buffer tank whose volume and internal configuration are adapted to the particular application. This buffer tank acts like a filter or as an integrator and can absorb or dampen sudden changes in the phase distribution of the fluid, so that they can not penetrate or only greatly attenuated to the inlet of the multiphase pump.

Da solche Puffertanks aber nicht beliebig gross ausgestaltet werden können und zudem auch nicht alle Variationen der Phasenverteilung heraus dämpfen können, wird bei einer Multiphasenpumpe häufig eine Unterfluss-Sicherung oder eine Pumpgrenzregelung vorgesehen, die üblicherweise auch als Surge Control oder Surge Protection bezeichnet wird und die es verhindern soll, dass die Multiphasenpumpe in einen solchen instabilen Betriebszustand gerät. Für die Pumpgrenzkontrolle oder -regelung ist es eine bekannte Massnahme, eine Rückführleitung vorzusehen, durch welche das von der Multiphasenpumpe geförderte Fluid von der Druckseite der Pumpe auf die Saugseite rückgeführt werden kann. In dieser Rückführleitung sind ein oder auch mehrere, beispielsweise zwei, Kontrollventile vorgesehen, die von der Pumpgrenzregelung angesteuert werden können und dementsprechend einen kleineren oder grösseren Fluss durch die Rückführleitung ermöglichen. Sind beispielsweise zwei Kontrollventile vorgesehen, so ist häufig eines dafür gedacht, Schwankungen in der Phasenverteilung auszugleichen, während das andere im Falle extrem grosser Schwankungen sehr schnell den gesamten Strömungsquerschnitt der Rückführleitung öffnet. Die Logik der Pumpgrenzregelung ist meistens in die Kontrolleinrichtung der Pumpe integriert, welche heutzutage regelmässig als digitales Kontrollsystem ausgestaltet ist.Since such buffer tanks but can not be designed arbitrarily large and also can not attenuate all variations of the phase distribution out, a underflow fuse or a surge limit control is often provided in a multi-phase pump, which is commonly referred to as Surge Control or Surge Protection and it To prevent the multiphase pump gets into such an unstable operating condition. For the surge limit control, it is a known measure to provide a return passage through which the fluid delivered by the multi-phase pump can be returned from the pressure side of the pump to the suction side. In this return line one or more, for example two, control valves are provided which can be controlled by the surge limit control and accordingly allow a smaller or larger flow through the return line. For example, if two control valves are provided, one is often intended to compensate for fluctuations in the phase distribution, while the other in the case of extremely large fluctuations very quickly opens the entire flow cross-section of the return line. The logic of the surge limit control is usually integrated in the control device of the pump, which is nowadays designed regularly as a digital control system.

Insbesondere im Falle sehr hoher Gasanteile in dem zu fördernden Multiphasenfluid kann in der Rückführleitung auch ein Kühlsystem vorgesehen sein, um eine zu starke Wärmebelastung oder Wärmeansammlung zu vermeiden.In particular, in the case of very high proportions of gas in the multiphase fluid to be delivered, a cooling system can also be provided in the return line in order to avoid an excessive heat load or heat accumulation.

Ferner ist zwischen der Einmündung der Rückführleitung auf der Saugseite und dem Einlass der Multiphasenpumpe ein Flussmesser vorgesehen.Further, a flow meter is provided between the confluence of the return line on the suction side and the inlet of the multi-phase pump.

Für die Pumpgrenzregelung ist üblicherweise in der entsprechenden Kontrolleinheit eine Grenzkurve gespeichert, bei deren Erreichen Gegenmassnahmen zu treffen sind. Die Grenzkurve wird basierend auf einer unteren Pumpgrenzlinie festgelegt, die angibt, bei welchen Parameterkonstellationen der Übergang in einen instabilen Betriebszustand erfolgt. Diese Pumpgrenzlinie wird aufgrund von Erfahrungswerten und/oder experimentell bestimmten Daten ermittelt. Die Grenzkurve wird dann mit einem gewissen "Sicherheitsabstand" von der Pumpgrenzlinie festgelegt, um während des Betriebs der Pumpe instabile Betriebszustände zu vermeiden. Gelangt die Pumpe während des Betriebs an die Grenzkurve, so steuert die Pumpgrenzregelung das Kontrollventil oder die Kontrollventile so an, dass der Rückstrom in der Rückführleitung vergrössert wird, sodass sich die Pumpe wieder von der Grenzkurve entfernt.For the surge limit control, a limit curve is usually stored in the corresponding control unit, at which point countermeasures are to be taken. The limit curve is determined based on a lower surge limit line, which indicates at which parameter constellations the transition to an unstable operating state occurs. This surge limit line is determined on the basis of empirical values and / or experimentally determined data. The limit curve is then set with a certain "safety margin" from the surge line to avoid unstable operating conditions during operation of the pump. When the pump reaches the limit during operation, the surge limit control activates the check valve or control valves to increase the return flow in the return line so that the pump moves away from the limit curve.

Heute bekannte Pumpgrenzregelungen oder Unterfluss-Sicherungen verlangen die Kenntnis der aktuellen Flussrate, der aktuellen Phasenverteilung des geförderten Multiphasenfluids und die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe. Eine direkte Messung der Flussrate und der aktuellen Phasenverteilung mit einem einzigen Instrument oder Sensor ist jedoch nicht möglich, weil es solche Messinstrumente nicht gibt. Daher muss der Flussmesser als Multiphasen-Flussmesser ausgestaltet sein. Der Multiphasen-Flussmesser bestimmt die Flussrate basierend auf einer simultanen messtechnischen Erfassung direkt zugänglicher Prozessgrössen wie z. B. Absolutdruck, Differenzdruck, Dichte, Temperatur, die dann in einem semi-empirischen Modell verarbeitet werden, um die aktuelle Flussrate und die aktuelle Phasenverteilung des Fluids im Multiphasen-Flussmesser zu ermitteln oder abzuschätzen.Known pump limit regulations or underflow fuses require knowledge of the actual flow rate, the current phase distribution of the delivered multiphase fluid, and the current rotational speed of the pump. However, a direct measurement of the flow rate and the actual phase distribution with a single instrument or sensor is not possible because such measuring instruments do not exist. Therefore, the flow meter must be designed as a multi-phase flow meter. The multi-phase flow meter determines the flow rate based on a simultaneous metrological acquisition of directly accessible process variables such. Absolute pressure, differential pressure, density, temperature, which are then processed in a semi-empirical model to determine or estimate the actual flow rate and phase distribution of the fluid in the multi-phase flowmeter.

Solche Multiphasen-Flussmesser sind sehr komplizierte, kostenintensive und aufwendige Vorrichtungen, die einige weitere Nachteile haben. Die verschiedenen Sensoren in einem Multiphasen-Flussmesser zur Messung der verschiedenen Prozessgrössen haben sehr grosse Variationen bezüglich der Aktualisierungsrate der jeweils ermittelten Prozessgrösse. Natürlich bestimmt dann der Sensor mit der kleinsten Aktualisierungsrate die maximal mögliche Aktualisierungsrate des Multiphasen-Flussmessers. Diese maximale Aktualisierungsrate ist manchmal nicht ausreichend, um eine zuverlässige Pumpengrenzkontrolle oder eine zuverlässige Unterfluss-Sicherung zu gewährleisten. Insbesondere bei Untersee-Installationen und der damit verbundenen maritimen Umgebung haben die entsprechenden Vorrichtungen noch geringere Aktualisierungsraten, was die dynamische Leistungsfähigkeit der Pumpgrenzregelung weiter reduziert. Da somit grössere Sicherheitsabstände von der Grenzkurve notwendig sind, um instabile Betriebszustände zu vermeiden, wird der Betriebsbereich der Multiphasenpumpe weiter eingeschränkt.Such multiphase flowmeters are very complicated, expensive and expensive devices that have some other disadvantages. The various sensors in a multi-phase flowmeter for measuring the various process variables have very large variations in the update rate of each determined process variable. Of course, then the sensor with the lowest update rate will determine the maximum possible update rate of the multi-phase flowmeter. This maximum refresh rate is sometimes insufficient to ensure reliable pump limit control or reliable underflow protection. Particularly in subsea installations and the associated maritime environment, the corresponding devices have even lower update rates, which further reduces the dynamic performance of the surge limit control. Since greater safety distances from the limit curve are thus necessary to avoid unstable operating states, the operating range of the multiphase pump is further restricted.

Zudem erfordern diese komplexen Multiphasen-Flussmesser einen erheblichen Platz für ihre Installation, der oft nicht zur Verfügung steht, beispielsweise auf Plattformen, FPSOs oder in einer Unterseeanordnung auf dem Meeresboden.In addition, these complex multiphase flowmeters require considerable space for their installation, which is often unavailable, for example, on platforms, FPSOs or on a subsea formation on the seabed.

Ferner weist der Strom eines Multiphasenfluids dynamische Effekte auf, welche die aktuelle Phasenverteilung entlang der Leitung verändern. Daher wäre es für eine robuste und zuverlässige Pumpgrenzkontrolle wünschenswert, die Flussraten unmittelbar stromaufwärts des Einlasses der Pumpe zu messen, damit auch wirklich die in der Multiphasenpumpe vorliegende Phasenverteilung bestimmt wird. Die Installation eines Multiphasen-Flussmessers unmittelbar stromaufwärts des Einlasses der Pumpe ist aber oft überhaupt nicht möglich, beispielsweise aus Platzgründen.Furthermore, the flow of a multi-phase fluid has dynamic effects that alter the actual phase distribution along the conduit. Therefore, for a robust and reliable surge limit control, it would be desirable to measure the flow rates immediately upstream of the inlet of the pump to truly determine the phase distribution present in the multi-phase pump. However, the installation of a multi-phase flow meter immediately upstream of the inlet of the pump is often not possible at all, for example for reasons of space.

Ähnliche Probleme können auch bei Einphasenpumpen auftreten, also bei Pumpen, die zur Förderung eines einphasigen Fluids, beispielsweise einer Flüssigkeit dienen. Auch hier ist es häufig notwendig oder erwünscht, Pumpgrenzregelungen oder Unterfluss-Sicherungen für die Pumpe vorzusehen. Heute bekannte Pumpgrenzregelungen verwenden üblicherweise Signale von Flussmessern, die in sinngemäss gleicher Weise wir vorangehend anhand der Multiphasen-Flussmesser beschrieben, den Durchfluss des Fluids messen. Auch mit diesen Flussmessern ergeben sich ähnliche Probleme wir weiter vorne beschrieben, nämlich insbesondere, dass sie häufig nicht oder nur mit grossem Aufwand an der gewünschten Stelle platziert werden können und dass ihre Aktualisierungsraten häufig zu gering sind oder die Verzögerungen in der Signalübertragung zu gross sind, sodass die Pumpgrenzregelung mit sehr grossen Sicherheitsabständen ausgelegt werden muss. Dadurch wird der Betriebsbereich, in welchem die Pumpe sicher betrieben werden kann, eingeschränkt.Similar problems can also occur in single-phase pumps, ie in pumps which serve to convey a single-phase fluid, for example a liquid. Again, it is often necessary or desirable to provide surge limit controls or underflow fuses for the pump. Use today known surge limit regulations Usually, signals from flowmeters, which in the same way as described above on the basis of the multiphase flowmeters, measure the flow of the fluid. Even with these flow meters similar problems arise as described above, namely in particular that they often can not be placed at the desired location or only with great effort and that their update rates are often too low or the delays in the signal transmission are too large, so that the surge limit control must be designed with very large safety distances. This limits the operating range in which the pump can be safely operated.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für eine Pumpe, insbesondere für eine Multiphasenpumpe und eine entsprechende Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe vorzuschlagen, bei welchen in einfacher Weise eine zuverlässige Pumpgrenzkontrolle bzw. eine zuverlässige Unterfluss-Sicherung realisiert ist, die insbesondere nicht auf komplizierte Multiphasen-Flussmesser oder Flussmesser angewiesen ist.Based on this prior art, it is therefore an object of the invention to provide an operating method for a pump, in particular for a multi-phase pump and a corresponding pump, in particular a multi-phase pump, in which realized in a simple manner a reliable surge limit control or a reliable underflow fuse in particular, which does not rely on complicated multiphase flowmeters or flowmeters.

Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.The object of the invention solving this object are characterized by the features of the independent claim of each category.

Erfindungsgemäss wird also ein Betriebsverfahren für eine Pumpe, insbesondere für eine Multiphasenpumpe, zum Fördern eines Fluids von einer Niederdruckseite auf eine Hochdruckseite vorgeschlagen, wobei eine Rückführleitung zum Rückführen des Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite vorgesehen ist, bei welchem Verfahren mittels einer Pumpgrenzkontrolleinheit zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands ein Kontrollventil in der Rückführleitung angesteuert wird, welches den Durchfluss durch die Rückführleitung kontrolliert, wobei eine Grenzkurve für einen Kontrollparameter in der Pumpgrenzkontrolleinheit vorgehalten wird, ein aktueller Wert des Kontrollparameters während des Betriebs der Pumpe mit der Grenzkurve verglichen wird und wobei, sobald der aktuelle Wert des Kontrollparameters die Grenzkurve erreicht, das Kontrollventil in der Rückführleitung derart angesteuert wird, dass sich der aktuelle Wert des Kontrollparameters von der Grenzkurve entfernt, und wobei als Kontrollparameter ein Betriebsparameter der Pumpe verwendet wird.According to the invention, therefore, an operating method for a pump, in particular for a multiphase pump, for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side is proposed, wherein a return line for returning the fluid from the high-pressure side to the low-pressure side is provided, in which method by means of a surge limit control unit for avoiding an unstable operating state, a control valve in the return line is controlled, which controls the flow through the return line, wherein a limit curve for a control parameter in the surge control unit is maintained, a current value of the control parameter during operation of the pump is compared with the limit curve and wherein, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve, the control valve in the return line is controlled in such a way that the current value of the Control parameter from the limit curve, and being used as a control parameter, an operating parameter of the pump.

Mit dem Begriff "Betriebsparameter" sind solche Parameter gemeint, die den Betrieb der Pumpe bestimmen und die von der Kontroll- oder Steuereinrichtung der Pumpe eingestellt werden können, also beispielsweise die Drehzahl der Pumpe, ihre Leistungsaufnahme, das Drehmoment mit dem die Pumpe angetrieben wird, usw.. Insbesondere sind solche Grössen keine Betriebsparameter im Sinne dieser Anmeldung, welche durch das Fluid selbst vorgegeben sind, also beispielsweise die Phasenverteilung des Fluids (im Falle eines Mehrphasenfluids) oder seine Viskosität, denn diese Grössen können nicht an der Pumpe selbst eingegeben bzw. eingestellt werden.By the term "operating parameters" are meant those parameters which determine the operation of the pump and which can be adjusted by the control or control device of the pump, for example the speed of the pump, its power consumption, the torque with which the pump is driven, etc .. In particular, such quantities are not operating parameters in the sense of this application, which are predetermined by the fluid itself, so for example the phase distribution of the fluid (in the case of a multi-phase fluid) or its viscosity, because these sizes can not be entered on the pump itself or be set.

Dadurch, dass die Pumpgrenzkontrolleinheit einen Betriebsparameter zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands der Pumpe verwendet, ist es nicht mehr notwendig, messtechnisch - wenn überhaupt - nur sehr schwierig zu erfassende Grössen, wie beispielsweise die aktuelle Phasenverteilung in dem zu fördernden Fluid, abzuschätzen bzw. zu ermitteln. Insbesondere kann auf so komplizierte und sehr kostenintensive Vorrichtungen wie ein Multiphasen-Flussmesser oder auch auf einen Flussmesser verzichtet werden und dennoch eine zuverlässige und stabile Grenzkontrollregelung bzw. Unterfluss-Sicherung der Pumpe, insbesondere der Multiphasenpumpe gewährleistet werden.Because the surge limit control unit uses an operating parameter to avoid an unstable operating state of the pump, it is no longer necessary to estimate or determine metrologically - if at all - variables that are very difficult to detect, such as the current phase distribution in the fluid to be delivered , In particular, can be dispensed with so complicated and very expensive devices such as a multi-phase flow meter or on a flow meter and still a reliable and stable border control or underflow protection of the pump, in particular the multi-phase pump can be ensured.

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt die Grenzkurve einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Betriebsparameter und der von der Pumpe, insbesondere der Multiphasenpumpe, generierten Druckdifferenz an, weil diese Druckdifferenz sehr einfach bestimmbar bzw. messtechnisch erfassbar ist.According to a preferred embodiment of the invention, the limit curve indicates a clear relationship between the operating parameter and the pressure difference generated by the pump, in particular the multi-phase pump, because this pressure difference is very easily determinable or metrologically detectable.

Vorzugsweise wird zum Vergleich des aktuellen Werts des Betriebsparameters mit der Grenzkurve die Druckdifferenz zwischen dem Druck an einem Einlass und dem Druck an einem Auslass der Pumpe messtechnisch erfasst. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise sicherstellen, dass jeweils der aktuelle Wert genau der Druckdifferenz erfasst wird, die gerade von der Pumpe generiert wird.Preferably, to compare the current value of the operating parameter with the limit curve, the pressure difference between the pressure at an inlet and the pressure at an outlet of the pump is detected by measurement. This makes it possible to ensure in a simple manner that in each case the current value is exactly the pressure difference is detected, which is currently generated by the pump.

In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der von der Pumpgrenzkontrolleinheit verwendete Betriebsparameter in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem Drehmoment steht, mit welchem die Pumpe angetrieben wird.In practice, it has proved to be advantageous if the operating parameters used by the surge limit control unit are clearly related to the torque with which the pump is driven.

Insbesondere bevorzugt wird als Betriebsparameter das Drehmoment verwendet, mit welchem die Pumpe angetrieben wird. Überraschend ist hierbei die Erkenntnis, dass die Abhängigkeit des momentanen Drehmoments von der von der Pumpe generierten Druckdifferenz die Festlegung einer Grenzkurve ermöglicht, mit der in zuverlässiger Weise verhindert werden kann, dass die Pumpe in einen instabilen Betriebszustand gelangt.Particularly preferably, the operating torque used is the torque with which the pump is driven. What is surprising here is the realization that the dependence of the instantaneous torque on the pressure difference generated by the pump makes it possible to establish a limit curve with which it is possible reliably to prevent the pump from entering an unstable operating state.

Eine bevorzugte Massnahme besteht dabei darin, dass die Grenzkurve die Abhängikeit des Drehmoments von der Druckdifferenz angibt, bei welcher die Pumpe noch sicher in einem stabilen Betriebszustand betrieben wird. Das bedeutet, dass die Grenzkurve vorzugsweise so festgelegt wird, dass sie nicht exakt dort verläuft, wo der Übergang der Pumpe in einen instabilen Betriebszustand erfolgt, sondern, dass eine Sicherheitsreserve vorgesehen wird.A preferred measure is that the limit curve indicates the dependency of the torque on the pressure difference at which the pump is still safely operated in a stable operating state. This means that the limit curve is preferably set so that it does not run exactly where the pump is in an unstable operating state, but that a safety margin is provided.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Grenzkurve beabstandet zu einer unteren Pumpgrenzlinie festgelegt wird, wobei die untere Pumpgrenzlinie den jeweiligen Wert des Betriebsparameters angibt, bei welchem die Pumpe in einen instabilen Betriebszustand übergeht.For this purpose, it is advantageous if the limit curve is set at a distance from a lower surge limit line, wherein the lower surge limit line indicates the respective value of the operating parameter at which the pump changes to an unstable operating state.

Bevorzugt wird diese untere Pumpgrenzlinie mit Hilfe von experimentellen Testdaten ermittelt, zu deren Bestimmung die Pumpe in einen instabilen Betriebszustand geführt wird. Dies kann beispielsweise vor Inbetriebnahme der Pumpe in einem Teststand erfolgen, wo die Pumpe dann bewusst in den instabilen Betriebszustand (Surging) gebracht wird, um so zu ermitteln, bei welchen Werten des Betriebsparameters dieser Übergang erfolgt.This lower surge boundary line is preferably determined with the aid of experimental test data, for the determination of which the pump is guided into an unstable operating state. This can be done, for example, before starting the pump in a test stand, where the pump is then deliberately brought into the unstable operating state (surging), so as to determine at which values of the operating parameter, this transition occurs.

Natürlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn zur Bestimmung der unteren Pumpgrenzlinie Erfahrungswerte verwendet werden. Hierdurch lässt sich durch Reduzierung des experimentellen Aufwands Zeit sparen, um die untere Pumpgrenzlinie für die jeweilige Pumpe zu ermitteln.Of course, it may also be advantageous if empirical values are used to determine the lower surge limit line. This can save time by reducing the experimental effort to determine the lower surge limit line for the particular pump.

Aus apparativer Sicht ist es bevorzugt, wenn die Pumpgrenzkontrolleinheit in eine Kontrolleinrichtung für die Ansteuerung der Pumpe integriert wird.From an apparatus point of view, it is preferred if the surge limit control unit is integrated in a control device for controlling the pump.

Um den Aufwand zu minimieren und damit das Betriebsverfahren besonders einfach zu machen, ist es eine vorteilhafte Massnahme, wenn der aktuelle Wert des Betriebsparameters von einem variablen Frequenzantrieb für die Pumpe bereitgestellt wird.In order to minimize the effort and thus to make the operating method particularly simple, it is an advantageous measure if the current value of the operating parameter is provided by a variable frequency drive for the pump.

Eine bevorzugte Anwendung des Betriebsverfahrens ist es, wenn die Pumpe als Druckerhöhungspumpe (Booster Pumpe) in der Öl- und Gasförderung verwendet wird, insbesondere in der unterseeischen Öl- und Gasförderung.A preferred application of the operating method is when the pump is used as a booster pump in oil and gas production, particularly in undersea oil and gas production.

Durch die Erfindung wird ferner eine Pumpe, insbesondere eine Multiphasenpumpe, zum Fördern eines Fluids von einer Niederdruckseite auf eine Hochdruckseite vorgeschlagen, mit einem Einlass und einem Auslass für das Fluid, und mit einer Pumpgrenzkontrolleinheit zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands, welche ein Ansteuersignal für ein Kontrollventil in einer Rückführleitung zum Rückführen des Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite bereitstellt, wobei in der Pumpgrenzkontrolleinheit eine Grenzkurve für einen Kontrollparameter vorhanden ist, wobei die Pumpgrenzkontrolleinheit einen aktuellen Wert des Kontrollparameters während des Betriebs der Pumpe mit der Grenzkurve vergleicht, und wobei die Pumpgrenzkontrolleinheit, sobald der aktuelle Wert des Kontrollparameters die Grenzkurve erreicht, das Ansteuersignal zur Verfügung stellt, welches das Kontrollventil in der Rückführleitung derart ansteuern kann, dass sich der aktuelle Wert des Kontrollparameters von der Grenzkurve entfernt, wobei der Kontrollparameter ein Betriebsparameter der Pumpe ist.The invention further proposes a pump, in particular a multiphase pump, for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side, with an inlet and an outlet for the fluid, and with a surge limit control unit for avoiding an unstable operating state, which is a control signal for a control valve in a return line for returning the fluid from the high-pressure side to the low-pressure side, wherein a limit curve for a control parameter is present in the surge limit control unit, the surge limit control unit comparing a current value of the control parameter with the limit curve during operation of the pump, and wherein the surge limit control unit, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve, provides the control signal which can control the control valve in the return line such that the current value of the control parameter from the limit curve, where the control parameter is an operating parameter of the pump.

Die Vorteile und die bevorzugten Ausgestaltungen der Pumpe entsprechen dabei denjenigen, die vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Betriebsverfahren erläutert sind.The advantages and the preferred embodiments of the pump in this case correspond to those which are explained above in connection with the operating method according to the invention.

Insbesondere ist es auch bezüglich der Pumpe besonders bevorzugt, wenn der Betriebsparameter das Drehmoment zum Antreiben der Pumpe ist und die Grenzkurve die Abhängikeit des Drehmoments von der Druckdifferenz zwischen dem Druck am Einlass und dem Druck am Auslass angibt.In particular, it is also particularly preferred with respect to the pump when the operating parameter is the torque for driving the pump, and the limit curve indicates the dependency of the torque on the pressure difference between the pressure at the inlet and the pressure at the outlet.

Vorzugsweise ist die Pumpe als Zentrifugalpumpe und als Druckerhöhungspumpe für die Öl- und Gasförderung, insbesondere für die unterseeischen Öl- und Gasförderung ausgestaltet.Preferably, the pump is designed as a centrifugal pump and as a booster pump for oil and gas production, in particular for the undersea oil and gas production.

Durch das erfindungsgemässe Betriebsverfahren bzw. die erfindungsgemässe Pumpe ist eine äusserst zuverlässige Pumpgrenzkontrolle zur Vermeidung instabiler Betriebszustände möglich. Da der für die Kontrolle benötigte Betriebsparameter sehr einfach und mit einer sehr hohen Aktualisierungsrate zur Verfügung steht, können auch sehr schnelle Änderungen in den Prozessbedingungen erkannt und darauf regiert werden. Speziell bei Untersee-Anwendungen ist durch die Verwendung des Betriebsparameters der Pumpe gewährleistet, dass es zu keinen Signalverzögerungen kommt, die beispielsweise durch die unterseeisch installierten Komponenten bzw. ihre Verbindung zu den oberseeisch angeordneten Komponenten verursacht wird. Weiterhin resultiert der Vorteil, dass der Sicherheitsabstand von den instabilen Betriebszuständen verkleinert bzw. minimiert werden kann, sodass die Pumpe in einem deutlich grösseren Betriebsbereich betrieben werden kann.By means of the operating method according to the invention or the pump according to the invention, an extremely reliable surge limit control to avoid unstable operating states is possible. Since the operating parameters required for the control are very simple and available at a very high refresh rate, even very rapid changes in the process conditions can be detected and governed. Especially in subsea applications, the use of the operating parameter of the pump ensures that there are no signal delays caused, for example, by the subsea components or their connection to the subsea components. Furthermore, the advantage results that the safety distance from the unstable operating states can be reduced or minimized so that the pump can be operated in a significantly larger operating range.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens bzw. der erfindungsgemässen Pumpe besteht darin, dass sie auch in bereits existierenden Pumpen problemlos nachgerüstet werden können bzw. existierende Pumpen in einfacher Weise zu erfindungsgemässen Pumpen modifiziert werden können. Häufig sind dazu keine grösseren apparativen Abänderungen vonnöten.A further advantage of the operating method according to the invention or of the pump according to the invention is that it can be easily retrofitted even in already existing pumps or existing pumps can be modified in a simple way to pumps according to the invention. Frequently, no major changes in the equipment are needed.

Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Im Folgenden wird die Erfindung sowohl in apparativer als auch in verfahrenstechnischer Hinsicht anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1:
ein schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig.2:
eine Darstellung des Zusammenhangs der von dem Ausführungsbeispiel der Multiphasenpumpe generierten Druckdifferenz mit der Flussrate, und
Fig. 3:
eine Darstellung einer Grenzkurve und einer unteren Pumpgrenzlinie in einem Auftrag des Drehmoments gegen die Druckdifferenz.
In the following, the invention will be explained in more detail both in terms of apparatus and process technology with reference to embodiments and with reference to the drawing. In the drawing show:
Fig. 1:
1 is a schematic illustration for illustrating an embodiment of the invention,
Figure 2:
a representation of the relationship between the generated by the embodiment of the multi-phase pump pressure difference with the flow rate, and
3:
a representation of a limit curve and a lower surge boundary line in an order of the torque against the pressure difference.

Fig. 1 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowohl in apparativer als auch in verfahrenstechnischer Hinsicht. Anhand von Fig. 1 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Pumpe, welche hier als Multiphasenpumpe ausgestaltet ist, erläutert, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Dabei wird mit beispielhaftem Charakter auf den in der Praxis wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass die Multiphasenpumpe 1 als Zentrifugalpumpe ausgestaltet ist und als Druckerhöhungspumpe, die üblicherweise auch als Booster Pumpe bezeichnet wird. In diesem Anwendungsfall wird die Multiphasenpumpe für die Öl- und Gasförderung und insbesondere für die unterseeische Öl- und Gasförderung eingesetzt, bei der sich der Ausgang eines Bohrlochs 100 auf dem Meeresgrund befindet, von wo das Erdöl und das Erdgas zu einer oberhalb des Meeres angeordneten Speicher- und Verarbeitungsvorrichtung 200 gefördert wird. Das Bohrloch 100 erstreckt sich bis in ein Ölfeld, welches in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Die Speicher- und Verarbeitungsvorrichtung 200 kann dabei auf dem Festland installiert sein oder auch im Offshore-Bereich, beispielsweise auf einer Plattform, die auf dem Meeresboden verankert ist. Die Speicher- und Verarbeitungsvorrichtung 200 kann natürlich auch auf dem Meer schwimmend angeordnet sein, beispielsweise in Form einer FPSO. Fig. 1 illustrates in a schematic representation of an embodiment of the invention both in terms of apparatus and in terms of process engineering. Based on Fig. 1 In the following, an exemplary embodiment of the operating method according to the invention and an exemplary embodiment of a pump according to the invention, which is embodied here as a multi-phase pump, will be explained, which is designated overall by the reference numeral 1. Reference is made by way of example to the case of application, which is important in practice, in that the multiphase pump 1 is designed as a centrifugal pump and as a booster pump, which is usually also referred to as a booster pump. In this application, the multiphase pump is used for oil and gas production, and in particular for undersea oil and gas production, where the output of a well 100 is located on the seabed, from where the oil and gas to a above the sea arranged storage and processing device 200 is conveyed. The borehole 100 extends into an oil field, which in Fig. 1 not shown. The storage and processing device 200 may be installed on the mainland or in the offshore area, for example on a platform that is anchored on the seabed. Of course, the storage and processing device 200 may also be floating on the sea, for example in the form of an FPSO.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also das von der Multiphasenpumpe 1 zu fördernde Fluid ein Multiphasenfluid, das zumindest eine gasförmige und eine flüssige Phase umfasst. Die Aufgabe der als Booster Pumpe verwendeten Multiphasenpumpe 1 ist es dabei, den Druck am Ausgang des Bohrlochs 100 abzusenken, beispielsweise auf einen Wert im Bereich von 10 bar bis 40 bar, damit das Fluid aus dem Bohrloch 100 austreten kann, bzw. die Flussrate des aus dem Bohrloch 100 geförderten Fluids erhöht wird. Diese an sich bekannte Massnahme ist insbesondere mit zunehmender Abschöpfung des Ölfelds vorteilhaft, weil dann der natürliche Druck, unter dem das Ölfeld steht, abnimmt. Die Multiphasenpumpe 1 kann beispielsweise Druckdifferenzen von bis zu 150 bar generieren, wobei die generierte Druckdifferenz natürlich stark von der aktuellen Dichte des Fluids und damit seiner aktuellen Phasenverteilung abhängt. Je nach Anwendungsfall kann die Multiphasenpumpe 1 auf dem Meeresboden in der Nähe des Bohrlochs 100 oder in einiger Entfernung von diesem angeordnet sein, oder im Offshore-Bereich, also beispielsweise auf einer (Bohr-) Plattform oder einer FPSO, oder auch an Land.In this embodiment, therefore, the fluid to be delivered by the multi-phase pump 1 is a multi-phase fluid which comprises at least one gaseous and one liquid phase. The task of used as a booster pump Multiphase pump 1 is designed to lower the pressure at the exit of borehole 100, for example to a value in the range of 10 bar to 40 bar, so that the fluid can escape from borehole 100, or increases the flow rate of the fluid delivered from wellbore 100 becomes. This measure known per se is particularly advantageous with increasing skimming of the oil field, because then the natural pressure, under which the oil field stands, decreases. The multiphase pump 1 can generate, for example, pressure differences of up to 150 bar, the generated pressure difference, of course, strongly depends on the current density of the fluid and thus its current phase distribution. Depending on the application, the multi-phase pump 1 can be located on the seabed near or at a distance from the borehole 100, or in the offshore area, for example on a (drilling) platform or an FPSO, or even on land.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf diesen konkreten Anwendungsfall beschränkt, sondern eignet sich auch für alle anderen Anwendungen, in denen Multiphasenpumpen verwendet oder eingesesetzt werden können. Insbesondere ist die Erfindung geeignet für Multiphasenpumpen, die Zentrifugalpumpen sind. Auch ist die Erfindung nicht auf Multiphasenpumpen beschränkt, sondern eignet sich allgemein für Pumpen, also auch für Einphasenpumpen, bei welchen das zu fördernde Fluid nur eine Phase enthält, also beispielsweise eine Flüssigkeit ist.Of course, the invention is not limited to this specific application, but is also suitable for all other applications in which multi-phase pumps can be used or used. In particular, the invention is suitable for multi-phase pumps, which are centrifugal pumps. Also, the invention is not limited to multi-phase pumps, but is generally suitable for pumps, including for single-phase pumps, in which the fluid to be delivered contains only one phase, that is, for example, is a liquid.

In Fig. 1 sind Leitungen, durch welche das Fluid strömen kann, mit durchgezogenen Linien dargestellt, während Signalverbindungen gestrichelt dargestellt sind.In Fig. 1 are lines through which the fluid can flow, shown in solid lines, while signal connections are shown in dashed lines.

Die Multiphasenpumpe 1 umfasst einen Einlass 10, durch welchen das Fluid in die Multiphasenpumpe 1 gelangt sowie einen Auslass 20, durch welchen das geförderte Fluid die Multiphasenpumpe 1 verlässt. Im Folgenden wird der stromaufwärts der Multiphasenpumpe 1 gelegene Bereich als Niederdruckseite bezeichnet und der stromabwärts gelegene Bereich als Hochdruckseite.The multiphase pump 1 comprises an inlet 10, through which the fluid passes into the multiphase pump 1 and an outlet 20, through which the delivered fluid leaves the multiphase pump 1. Hereinafter, the area located upstream of the multi-phase pump 1 will be referred to as the low-pressure side and the downstream area as the high-pressure side.

Am Einlass 10 der Multiphasenpumpe 1 ist ein erster Drucksensor 11 vorgesehen, mit welchem derjenige Druck messbar ist, mit dem das Fluid in die Multiphasenpumpe 1 einströmt. Am Auslass 20 der Multiphasenpumpe ist ein zweiter Drucksensor 12 vorgesehen, mit welchem derjenige Druck messbar ist, mit dem das Fluid die Multiphasenpumpe 1 verlässt. Aus dem Differenzsignal der beiden Drucksensoren 11, 12 ist somit der jeweils aktuelle Wert der von der Multiphasenpumpe 1 generierten Druckdifferenz ermittelbar. Als Drucksensoren 11,12 eignen sich alle an sich bekannten Drucksensoren. Vorzugsweise sind die Drucksensoren 11, 12 jeweils unmittelbar am Einlass 10 bzw. am Auslass 20 der Multiphasenpumpe 1 angeordnet.At the inlet 10 of the multi-phase pump 1, a first pressure sensor 11 is provided, with which the pressure is measurable, with which the fluid flows into the multi-phase pump 1. At the outlet 20 of the multiphase pump, a second pressure sensor 12 is provided, with which the pressure is measurable, with which the fluid leaves the multi-phase pump 1. The current value of the pressure difference generated by the multi-phase pump 1 can thus be determined from the difference signal of the two pressure sensors 11, 12. As pressure sensors 11,12 all known pressure sensors are suitable. Preferably, the pressure sensors 11, 12 are respectively arranged directly at the inlet 10 and at the outlet 20 of the multi-phase pump 1.

Die Multiphasenpumpe 1 wird von einem variablen Frequenzantrieb 2 (Variable frequency drive VFD oder auch variable speed drive VSD) angetrieben, welcher die Welle der Multiphasenpumpe 1 mit dem darauf angeordenten Laufrad bzw. den darauf angeordneten Laufrädern (nicht dargestellt) in Rotation versetzt. Der variable Frequenzantrieb 2 ist mit einer Kontrolleinrichtung 3 für die Ansteuerung der Multiphasenpumpe signalverbunden, wie dies der Doppelpfeil A in Fig. 1 andeutet und kann mit der Kontrolleinrichtung 3 bidirektional Daten austauschen. Die Kontrolleinrichtung 3 ist vorzugsweise als digitale Kontrolleinrichtung 3 ausgestaltet.The multi-phase pump 1 is driven by a variable frequency drive 2 (variable frequency drive VFD or variable speed drive VSD), which rotates the shaft of the multi-phase pump 1 with the angeordenten impeller or the impellers arranged thereon (not shown). The variable frequency drive 2 is signal-connected to a control device 3 for the control of the multi-phase pump, as the double arrow A in Fig. 1 indicates and can exchange data bidirectionally with the control device 3. The control device 3 is preferably designed as a digital control device 3.

Die beiden Drucksensoren 11 und 12 sind jeweils signalverbunden mit der Kontrolleinrichtung 3, wie dies die beiden Pfeile B und C in Fig. 1 andeuten.The two pressure sensors 11 and 12 are each signal-connected to the control device 3, as the two arrows B and C in Fig. 1 suggest.

Ferner ist eine Pumpgrenzkontrolleinheit 4 zum Vermeiden von instabilen Betriebszuständen der Multiphasenpumpe 1 vorgesehen, die vorzugsweise in die Kontrolleinrichtung 3 integriert ist. Für die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 werden üblicherweise auch die Bezeichnungen "Unterfluss-Sicherung" oder "Surge Control" verwendet.Furthermore, a surge limit control unit 4 is provided for avoiding unstable operating states of the multi-phase pump 1, which is preferably integrated into the control device 3. For the surge limit control unit 4, the terms "underflow fuse" or "surge control" are also commonly used.

Der Einlass 10 der Multiphasenpumpe 1 ist niederdruckseitig über eine Zuführleitung 5 mit dem Bohrloch 100 verbunden, durch welche das Fluid von dem Bohrloch 100 zum Einlass 10 strömen kann. Der Auslass 20 der Multiphasenpumpe 1 ist hochdruckseitig über eine Auslassleitung 6 mit der Speicher- und Verarbeitungsvorrichtung 200 verbunden, durch welche das Fluid von der Multiphasenpumpe 1 zur Speicher- und Verarbeitungsvorrichtung 200 strömen kann. Je nachdem, wo die Multiphasenpumpe 1 im jeweiligen Fall angeordnet ist, können die Zuführleitung 5 und die Auslassleitung 6 jeweils von weniger als ein Meter bis zu vielen Kilometern lang sein.The inlet 10 of the multi-phase pump 1 is connected to the low-pressure side via a supply line 5 with the borehole 100, through which the fluid from the borehole 100 to the inlet 10 can flow. The outlet 20 of the multi-phase pump 1 is connected on the high pressure side via an outlet line 6 to the storage and processing device 200, through which the Fluid from the multi-phase pump 1 to the storage and processing device 200 can flow. Depending on where the multi-phase pump 1 is arranged in the respective case, the supply line 5 and the outlet line 6 can each be from less than one meter to many kilometers long.

In der Zuführleitung 5 ist vorzugsweise ein Puffertank 7 vorgesehen, der in an sich bekannter Weise dazu dient, Variationen in der Phasenverteilung des Fluids auszugleichen. Diese Variationen können verursacht werden durch natürlich bedingte Schwankungen des Gas-Flüssigkeits-Verhältnisses des aus dem Bohrloch austretenden Fluids oder auch durch die Architektur und die Leitungsdynamik der Zuführleitung 5. Der Puffertank 7 wirkt wie ein Filter oder ein Integrator und kann so plötzliche Änderungen in der Phasenverteilung des Fluids absorbieren oder dämpfen.In the supply line 5, a buffer tank 7 is preferably provided, which serves in a conventional manner to compensate for variations in the phase distribution of the fluid. These variations can be caused by naturally induced variations in the gas-to-liquid ratio of the fluid exiting the borehole, or by the architecture and ducting dynamics of the supply line 5. The buffer tank 7 acts as a filter or integrator and can thus accommodate sudden changes in the flow Absorb or damp phase distribution of the fluid.

Ferner ist eine Rückführleitung 8 für das Fluid vorgesehen, welche die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite verbindet. Die Rückführleitung 8 zweigt stromabwärts des Auslasses 20 der Multiphasenpumpe 1 von der Auslassleitung 6 ab und mündet stromaufwärts des Puffertanks 7 in die Zuführleitung 5, sodass das Fluid durch die Rückführleitung 8 von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite zurückgeführt werden kann. In der Rückführleitung 8 ist mindestens ein Kontrollventil 9 vorgesehen, welches mit der Pumpgrenzkontrolleineit 4 signalverbunden ist, so wie dies der Pfeil D in Fig. 1 andeutet. Das Kontrollventil 9 ist als Regelventil ausgestaltet, mit welchem der Strömungsquerschnitt der Rückführleitung 8 vom vollkommen verschlossenen Zustand (keine Rückführung von Fluid) bis zum vollkommen geöffneten Zustand (maximaler Strömungsquerschnitt geöffnet) verändert werden kann. Die Rückführleitung 8 dient der Pumpgrenzkontrolle und damit der Vermeidung von instabilen Betriebszuständen der Multiphasenpumpe 1, die auch als Surging bezeichnet werden.Further, a return line 8 for the fluid is provided which connects the high-pressure side to the low-pressure side. The return line 8 branches off the outlet line 6 downstream of the outlet 20 of the multiphase pump 1 and flows into the supply line 5 upstream of the buffer tank 7, so that the fluid can be returned through the return line 8 from the high pressure side to the low pressure side. In the return line 8 at least one control valve 9 is provided which is signal-connected to the surge limit control unit 4, as indicated by the arrow D in FIG Fig. 1 suggests. The control valve 9 is designed as a control valve, with which the flow cross-section of the return line 8 from the completely closed state (no return of fluid) can be changed to the fully open state (maximum flow area open). The return line 8 is used for the surge limit control and thus the avoidance of unstable operating states of the multi-phase pump 1, which are also referred to as surging.

Falls der Fluss durch die Multiphasenpumpe 1 gross genug ist, ist das Kontrollventil 9 vollkommen geschlossen, sodass kein Fluid durch die Rückführleitung 8 auf die Niederdruckseite zurückströmen kann. Falls wie weiter hinten noch beschrieben wird, von der Pumpgrenzkontrolleinheit 4 das Überschreiten einer Grenzkurve für einen Kontrollparameter detektiert wird, was beispielsweise dadurch verursacht wird, dass zu wenig Fluid an den Einlass 10 gelangt (Unterfluss-Bereich), so steuert die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 das Kontrollventil 9 an, sodass dieses die Rückführleitung 8 teilweise oder ganz öffnet, damit ein Teil des geförderten Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite zurückströmen kann. Das Kontrollventil 9 wird dabei so weit geöffnet, bis der aktuelle Wert des Kontrollparameters wieder unter der Grenzkurve liegt.If the flow through the multi-phase pump 1 is large enough, the control valve 9 is completely closed, so that no fluid can flow back through the return line 8 to the low pressure side. If, as will be described further on, the surge limit control unit 4 detects the exceeding of a limit curve for a control parameter, For example, caused by too little fluid getting to the inlet 10 (underflow region), the surge limit control unit 4 controls the check valve 9 to partially or fully open the return passage 8, thus part of the conveyed fluid from the high pressure side can flow back to the low pressure side. The control valve 9 is opened so far until the current value of the control parameter is again below the limit curve.

Vorzugsweise ist das Kontrollventil 9 so ausgestaltet, dass es den offenen Strömungsquerschnitt der Rückführleitung 8 stufenlos vom vollkommen geschlossenen Zustand bis zum vollkommen geöffneten Zustand verändern kann. Natürlich ist es auch möglich, in der Rückführleitung 8 mehr als ein, beispielsweise zwei, Kontrollventile vorzusehen, die dann in der Rückführleitung 8 parallel angeordnet sind. Alternativ können in der Rückführleitung 8 auch zwei Ventile hintereinander, also in Serie, angeordnet sein, wobei dann vorzugsweise eines der beiden Ventile ein schnelles Auf/Zu-Ventil ist und das andere Ventil ein Kontrollventil, das als Regelventil ausgestaltet ist.Preferably, the control valve 9 is designed so that it can change the open flow cross-section of the return line 8 steplessly from the fully closed state to the fully open state. Of course, it is also possible to provide more than one, for example two, control valves in the return line 8, which are then arranged in parallel in the return line 8. Alternatively, in the return line 8 and two valves one behind the other, ie in series, be arranged, in which case preferably one of the two valves is a fast open / close valve and the other valve is a control valve which is designed as a control valve.

Ferner kann in der Rückführleitung 8 eine Kühlung 13, beispielsweise ein Wärmetauscher, vorgesehen sein, um dem rezirkulierten Fluid Wärme zu entziehen. Diese Massnahme ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Fluid einen hohen Gasanteil hat. Durch die Kühlung 13 lassen sich dann Wärmeansammlungen verhindern.Furthermore, a cooling 13, for example a heat exchanger, may be provided in the return line 8 in order to remove heat from the recirculated fluid. This measure is particularly advantageous if the fluid has a high gas content. By cooling 13 can then prevent accumulation of heat.

Wie bereits erwähnt, verwendet die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 den aktuellen Wert eines Kontrollparameters, um instabile Betriebszustände der Multiphasenpumpe 1 bzw. der Pumpe 1 zu vermeiden. Erfindungsgemäss ist dieser Kontrollparameter ein Betriebsparameter. Wie bereits erläutert sind mit dem Begriff "Betriebsparameter" solche Parameter gemeint, die den Betrieb der Pumpe 1 bestimmen und die von der Kontrolleinrichtung 4 der Pumpe 1 eingestellt werden können, also beispielsweise die Drehzahl der Multiphasenpumpe 1, ihre Leistungsaufnahme, das Drehmoment mit dem die Multiphasenpumpe 1 angetrieben wird, usw. Betriebsparameter sind also solche Grössen, die den Betrieb der Pumpe 1 bzw. der Multiphasenpumpe 1 regeln und die direkt -oder indirekt über einen anderen Betriebsparameter- an der Pumpe 1 bzw. der Multiphasenpumpe 1 einstellbar sind.As already mentioned, the surge limit control unit 4 uses the current value of a control parameter to avoid unstable operating states of the multi-phase pump 1 or the pump 1. According to the invention, this control parameter is an operating parameter. As already explained, the term "operating parameters" means those parameters which determine the operation of the pump 1 and which can be adjusted by the control device 4 of the pump 1, that is, for example, the speed of the multiphase pump 1, its power consumption, the torque with the Multiphase pump 1 is driven, etc. Operating parameters are therefore such variables that the operation of the pump 1 and the multi-phase pump. 1 regulate and directly -oder indirectly via another Betriebsparameter- on the pump 1 and the multi-phase pump 1 are adjustable.

Die Verwendung eines Betriebsparameters als Kontrollparameter hat insbesondere den Vorteil, dass solche Prozessgrössen, die nicht oder nur sehr aufwendig oder nur sehr ungenau bestimmbar sind, wie beispielsweise die aktuelle Phasenverteilung des Fluids, für die Pumpgrenzkontrolle nicht mehr bekannt sein müssen. Im Falle einer Ausgestaltung der Pumpe als Einphasenpumpe ist es beispielsweise nicht mehr notwendig, den aktuellen Fluss zu kennen, sodass auf Flussmesser verzichtet werden kann.The use of an operating parameter as a control parameter has the particular advantage that those process variables that are not or only very expensive or only very inaccurate determinable, such as the current phase distribution of the fluid, no longer need to be known for the surge limit control. In the case of an embodiment of the pump as a single-phase pump, for example, it is no longer necessary to know the current flow, so that it is possible to dispense with flow meters.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Zusammenhang zwischen dem Betriebsparameter und der von der Multiphasenpumpe 1 generierten Druckdifferenz für die Pumpgrenzkontrolle verwendet. Während des Betriebs der Multiphasenpumpe 1 ist diese Druckdifferenz messtechnisch sehr einfach und sehr genau mittels der beiden Drucksensoren 11 und 12 bestimmbar.In the embodiment described here, the relationship between the operating parameter and the pressure difference generated by the multi-phase pump 1 is used for the surge limit control. During operation of the multi-phase pump 1, this pressure difference is metrologically very easy and very accurately determined by means of the two pressure sensors 11 and 12.

Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2 ein typisches Betriebsdiagramm der Multiphasenpumpe 1, in welchem der Zusammenhang der von der Multiphasenpumpe 1 generierten Druckdifferenz mit der Flussrate des von der Multiphasenpumpe 1 geförderten Fluids dargestellt ist. Auf der horizontalen Achse ist die Flussrate Q aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Druckdifferenz DP. Bei einem Multiphasenfluid ist dieser Zusammenhang natürlich sehr stark abhängig von der Phasenverteilung des geförderten Fluids. Diese Phasenverteilung eines Fluids mit einer flüssigen und einer gasförmigen Phase wird üblicherweise mit dem GVF Wert (GVF: gas volume fraction) charakterisiert, welcher das Verhältnis aus dem Volumenstrom der Gasphase und dem Volumenstrom des Fluids angibt. Der GVF Wert liegt also zwischen 0 und 1 bzw. zwischen 0 und 100%, wobei der Wert 0 bedeutet, dass nur eine flüssige Phase vorliegt und der Wert 1 bzw. 100%, dass nur eine gasförmige Phase vorliegt.For a better understanding shows Fig. 2 a typical operating diagram of the multi-phase pump 1, in which the relationship of the generated by the multi-phase pump 1 pressure difference with the flow rate of the funded by the multi-phase pump 1 fluid is shown. The flow rate Q is plotted on the horizontal axis and the pressure difference DP on the vertical axis. In a multiphase fluid of course, this relationship is very much dependent on the phase distribution of the pumped fluid. This phase distribution of a fluid with a liquid and a gaseous phase is usually characterized by the GVF value (GVF: gas volume fraction), which indicates the ratio of the volume flow of the gas phase and the volume flow of the fluid. The GVF value is therefore between 0 and 1 or between 0 and 100%, where the value 0 means that there is only one liquid phase and the value 1 or 100% that only one gaseous phase is present.

Fig. 2 zeigt die Druckdifferenz DP in Abhängigkeit von der Flussrate Q für fünf verschieden GVF Werte. Auf den mit 101 bezeichneten und durchgezogen dargestellten Iso-GVF Kurven ist jeweils der GVF Wert konstant. Dabei entspricht die unterste oder darstellungsgemäss am weitesten links liegende Iso-GVF Kurve 101 dem grössten GVF Wert. Je höher bzw. darstellungsgemäss je weiter rechts die Iso-GVF Kurve 101 liegt, umso kleiner wird der zugehörige GVF Wert. Zusätzlich sind in Fig. 2 auch noch punkt-strichliert Iso-Leistungskurven 102 dargestellt, auf denen jeweils die von der Multiphasenpumpe 1 aufgenommene Leistung konstant ist. Fig. 2 shows the pressure difference DP as a function of the flow rate Q for five different GVF values. The GVF value is constant on the iso-GVF curves denoted by 101 and shown in solid lines. there the lowest or most left Iso-GVF curve 101 corresponds to the highest GVF value. The higher, or as shown, the further to the right is the iso-GVF curve 101, the smaller the associated GVF value becomes. Additionally are in Fig. 2 Iso power curves 102 are also shown in dot-dashed lines, on each of which the power consumed by the multi-phase pump 1 is constant.

Ferner ist in Fig. 2 eine untere Pumpgrenzlinie 50 (mit durchgezogener Linie) dargestellt, die üblicherweise auch als Surge Line bezeichnet wird. Wenn diese untere Pumpgrenzlinie 50 überschritten wird, sodass die Mehrphasenpumpe 1 in dem mit 40 bezeichneten Bereich oberhalb der unteren Pumpgrenzlinie 50 gelangt, so ist die Mehrphasenpumpe 1 in einem instabilen Betriebszustand. Anhand von Fig. 2 ist gut zu erkennen, wie Änderungen in der aktuellen Phasenverteilung des Fluids sehr plötzlich zum Überschreiten der unteren Pumgrenzlinie 50 und damit in instabile Betriebszustände führen können. Eine Änderung der aktuellen Phasenverteilung entspricht beispielsweise einem Sprung von einer Iso-GVF Kurve 101 auf eine andere.Furthermore, in Fig. 2 a lower surge boundary line 50 (shown with a solid line), which is commonly referred to as a surge line. If this lower surge boundary line 50 is exceeded, so that the multiphase pump 1 reaches above the lower surge boundary line 50 in the region designated by 40, then the multiphase pump 1 is in an unstable operating state. Based on Fig. 2 It is easy to see how changes in the current phase distribution of the fluid can very suddenly lead to the exceeding of the lower pump limit line 50 and thus to unstable operating states. For example, a change in the current phase distribution corresponds to a jump from one Iso-GVF curve 101 to another.

Um während des Betriebs der Multiphasenpumpe 1 solche instabilen Betriebszustände im Bereich 40 sicher zu vermeiden, legt man für den als Kontrollparameter genutzten Betriebsparameter eine Grenzkurve 60 fest, welche beabstandet von der unteren Pumpgrenzlinie 50 verläuft, in der Darstellung gemäss Fig. 2 unterhalb der unteren Pumpgrenzlinie 50. Die Grenzkurve 60 ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.In order to reliably avoid such unstable operating states in the region 40 during the operation of the multiphase pump 1, a limit curve 60 is defined for the operating parameter used as the control parameter, which boundary curve extends at a distance from the lower surge boundary line 50, as shown in FIG Fig. 2 below the lower surge boundary line 50. The limit curve 60 is in Fig. 2 shown in dashed lines.

Wenn nun während des Betriebs der Multiphasenpumpe 1 der als Kontrollparameter verwendete Betriebsparameter die Grenzkurve 60 erreicht, steuert die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 das Kontrollventil 9 so an, dass der Fluss durch die Rückführleitung 8 erhöht wird und zwar so weit bis sich der aktuelle Wert des als Kontrollparameter verwendeten Betriebsparameters von der Grenzkurve 60 und von dem Bereich 40 instabiler Betriebszustände entfernt.Now, during operation of the multi-phase pump 1, when the operating parameter used as the control parameter reaches the limit curve 60, the surge limit control unit 4 controls the control valve 9 to increase the flow through the return line 8 until the current value of the control parameter is used Operating parameters of the limit curve 60 and 40 of the unstable operating conditions away.

Dafür ist es natürlich notwendig, dass man für den in der Pumpgrenzkontrolleinheit konkret verwendeten Betriebsparameter eine Grenzkurve bzw. eine untere Pumpgrenzlinie kennt und deren Verlauf in Abhängigkeit einer Grösse, die während des Betriebs der Multiphasenpumpe 1 einfach und zuverlässig mess- bzw. ermittelbar ist.For this it is of course necessary that one for the operating parameters used concretely in the surge limit control unit Limit curve or a lower surge boundary line knows and their course depending on a variable that can be easily and reliably measured or determined during operation of the multi-phase pump 1.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Abhängigkeit des Betriebsparameters von der Druckdifferenz, die aktuell von der Multiphasenpumpe 1 generiert wird, bestimmt wird. Die Grenzkurve oder die untere Pumpgrenzlinie gibt dann einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Betriebsparamter und der Druckdifferenz an.It has proven to be particularly advantageous if the dependence of the operating parameter on the pressure difference, which is currently generated by the multi-phase pump 1, is determined. The limit curve or the lower surge limit line then indicates a clear relationship between the operating parameter and the pressure difference.

Prinzipiell eignen sich alle Betriebsparameter für die Pumpgrenzkontrolle. Es hat sich aber als vorteilhaft erwiesen, wenn der Betriebsparameter in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem Drehmoment steht, mit welchem die Multiphasenpumpe 1 angetrieben wird. Besonders bevorzugt wird als Betriebsparameter das Drehmoment verwendet, mit welchem die Multiphasenpumpe 1 angetrieben wird.In principle, all operating parameters are suitable for the surge limit control. However, it has proven to be advantageous if the operating parameter is in a clear relationship with the torque with which the multi-phase pump 1 is driven. Particularly preferably, the operating torque used is the torque with which the multi-phase pump 1 is driven.

Das Drehmoment ist ein Betriebsparameter, der während des Betriebs ständig zur Verfügung steht und somit eine sehr hohe Aktualisierungsrate ermöglicht. Der aktuelle Wert des von der Multiphasenpumpe 1 aufgenommenen Drehmoments kann zu jedem Zeitpunkt von dem variablen Frequenzantrieb 2 zur Verfügung gestellt werden.The torque is an operating parameter that is constantly available during operation, thus enabling a very high refresh rate. The current value of the torque absorbed by the multi-phase pump 1 can be made available by the variable frequency drive 2 at any time.

Die Druckdifferenz DP ist in sehr einfacher und zuverlässiger Weise mittels der beiden Drucksensoren 11, 12 messbar, welche die von ihnen gemessenen Druckwerte über die Signalverbindungen B bzw. C an die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 übermitteln, die daraus den aktuellen Wert der Druckdifferenz DP bestimmt.The pressure difference DP can be measured in a very simple and reliable manner by means of the two pressure sensors 11, 12, which transmit the pressure values measured by them via the signal connections B and C to the surge limit control unit 4, which determines therefrom the current value of the pressure difference DP.

Zur Bestimmung einer Grenzkurve 60' (siehe Fig. 3) bzw. einer unteren Pumpgrenzlinie 50' für das von der Multiphasenpumpe 1 aufgenommene Drehmoment werden vorzugsweise experimentelle Daten herangezogen, die beispielsweise vor Inbetriebnahme der Multiphasenpumpe 1 auf einem Teststand ermittelt werden.To determine a limit curve 60 '(see Fig. 3 ) or a lower surge boundary line 50 'for the torque absorbed by the multi-phase pump 1, preferably experimental data are used which are determined, for example, before the multi-phase pump 1 is put into operation on a test stand.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Grenzkurve 60' und der unteren Pumpgrenzlinie 50' in einem Auftrag des Drehmoments gegen die Druckdifferenz. Auf der horizontalen Achse ist die Druckdifferenz DP dargestellt und auf der vertikalen Achse das von der Multiphasenpumpe aufgenommene Drehmoment T. Die mit 105 bezeichneten Rauten stellen experimentell ermittelte Testdaten dar, bei denen die Multiphasenpumpe in einem instabilen Betriebszustand läuft. Zur Ermittlung dieser Testdaten 105 wird die Multiphasenpumpe 1 auf einem Teststand bewusst in einen instabilen Betriebszustand gebracht, beispielsweise durch Variieren des Durchflusses und/oder durch Variieren der Phasenverteilung des Fluids. Letzteres ist in einem Teststand natürlich möglich. Dabei wird jeweils bestimmt, bei welchen Werten des Drehmoments T und bei welchen Werten der Druckdifferenz DP die Multiphasenpumpe 1 in einen instabilen Betriebszustand gelangt. Diese instabilen Betriebszustände lassen sich sehr einfach detektieren, beispielsweise durch das Auftreten starker Vibrationen, durch ein plötzliches Absinken des Förderdrucks am Auslass 20 der Multiphasenpumpe 1 oder durch andere Änderungen. Auf diese Weise lassen sich die Testdaten 105 ermitteln. Fig. 3 shows a representation of the limit curve 60 'and the lower surge boundary line 50' in an order of the torque against the pressure difference. The horizontal axis represents the pressure difference DP and the vertical axis the torque T picked up by the multiphase pump. The diamonds labeled 105 represent experimentally determined test data in which the multiphase pump operates in an unstable operating state. In order to determine this test data 105, the multiphase pump 1 is deliberately brought to an unstable operating state on a test stand, for example by varying the flow and / or by varying the phase distribution of the fluid. The latter is of course possible in a test stand. In each case, it is determined at which values of the torque T and at which values of the pressure difference DP the multiphase pump 1 enters an unstable operating state. These unstable operating conditions can be detected very easily, for example by the occurrence of strong vibrations, by a sudden drop in the delivery pressure at the outlet 20 of the multi-phase pump 1 or by other changes. In this way, the test data 105 can be determined.

Anschliessend wird dann die untere Pumpgrenzlinie 50' so festgelegt, dass - gemäss der Darstellung in Fig. 3 - alle Testdaten 105 gerade unterhalb der unteren Pumpgrenzlinie 50' liegen. Die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Grenzkurve 60' wird dann mit einem Sicherheitsabstand oberhalb und vorzugsweise parallel verlaufend zur unteren Pumpgrenzlinie 50' festgelegt. Einen für den Anwendungsfall geeigneten Abstand zwischen der unteren Pumpgrenzlinie 50' und der Grenzkurve 60' zu wählen, stellt für den Fachmann kein Problem dar. Für den Betrieb der Multiphasenpumpe 1 ist es nun sicher, dass die Multiphasenpumpe 1 nicht in einen instabilen Betriebszustand gerät, solange sie darstellungsgemäss (Fig. 3) oberhalb der Grenzkurve 60' betrieben wird.Subsequently, the lower surge boundary line 50 'is then set so that - as shown in FIG Fig. 3 - All test data 105 just below the lower surge boundary line 50 'lie. In the Fig. 3 Dashed line shown limit curve 60 'is then set with a safety distance above and preferably parallel to the lower surge boundary line 50'. A suitable distance for the application between the lower surge boundary line 50 'and the limit curve 60' is not a problem for the expert. For the operation of the multi-phase pump 1, it is now certain that the multi-phase pump 1 is not in an unstable operating state, as long as they are presented ( Fig. 3 ) is operated above the limit curve 60 '.

Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, zur Bestimmung der Grenzkurve 60' Erfahrungswerte heranzuziehen, die beispielsweise mittels anderer Pumpen bereits ermittelt wurden oder auf andere Weise bekannt sind. Auch können berechnete Betriebsdaten oder durch Simulationen gewonnene Daten alternativ oder ergänzend zur Bestimmung der unteren Pumpgrenzlinie 50' bzw. der Grenzkurve 60' herangezogen werden.Alternatively or additionally, it is also possible to use empirical values for determining the limit curve 60 'which have already been determined, for example by means of other pumps, or are known in another way. Also, calculated operating data or by simulations obtained data alternatively or in addition to the determination of the lower surge boundary line 50 'and the limit curve 60' are used.

Für den normalen Betrieb wird nun die Grenzkurve 60' in der Pumpgrenzkontrolleinheit 4 vorgehalten. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die Grenzkurve 60' als Look-up-Tafel oder als analytische parametrisierte Funktion in der Pumpgrenzkontrolleinheit 4 gespeichert wird. Ist der ermittelte Zusammenhang zwischen dem Betriebsparameter, hier dem Drehmoment T, und der Druckdifferenz DP besonders einfach, beispielsweise linear, so kann eine entsprechende Funktion, also beispielsweise eine Geradengleichung, in der Pumpgrenzkontrolleinheit 4 gespeichert werden. Während des Betriebs der Mehrphasenpumpe 1 ermittelt die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 mittels der Signale der Drucksensoren 11, 12 den jeweils aktuellen Wert der Druckdifferenz DP, die gerade von der Multiphasenpumpe 1 generiert wird. Mit dem von dem variablen Frequenzantrieb 2 bereitgestellten aktuellen Wert für das Drehmoment T kann die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 nun durch einen Vergleich mit der Grenzkurve 60' ermitteln, ob der aktuelle Wert des Drehmoments T noch von der Grenzkurve 60' entfernt ist. Sobald der aktuelle Wert des Drehmoments T für die aktuelle Druckdifferenz DP die Grenzkurve 60' erreicht, steuert die Pumpgrenzkontrolleinheit 4 das Kontrollventil 9 in der Rückführleitung 8 an, dass dadurch die Rückführleitung 8 öffnet oder weiter öffnet. Die Rückführleitung 8 wird so lange weiter geöffnet, bis sich das Drehmoment T wieder von der Grenzkurve 60' und der unteren Pumpgrenzlinie 50' entfernt.For normal operation, the limit curve 60 'is now kept in the surge limit control unit 4. This can be realized, for example, by storing the limit curve 60 'as a look-up table or as an analytically parameterized function in the surge limit control unit 4. If the determined relationship between the operating parameter, in this case the torque T, and the pressure difference DP is particularly simple, for example linear, then a corresponding function, for example a straight line equation, can be stored in the surge limit control unit 4. During operation of the multiphase pump 1, the surge limit control unit 4 uses the signals from the pressure sensors 11, 12 to determine the respectively current value of the pressure difference DP, which is currently being generated by the multiphase pump 1. With the current value for the torque T provided by the variable frequency drive 2, the surge limit control unit 4 can now determine, by comparison with the limit curve 60 ', whether the current value of the torque T is still removed from the limit curve 60'. As soon as the current value of the torque T for the current pressure difference DP reaches the limit curve 60 ', the surge limit control unit 4 activates the check valve 9 in the return line 8, thereby opening or further opening the return line 8. The return line 8 is opened further until the torque T is again removed from the limit curve 60 'and the lower surge boundary line 50'.

Hierdurch ist sichergestellt, dass die Multiphasenpumpe 1 während des normalen Betriebs nicht in einen instabilen Betriebszustand gerät. Besonders vorteilhaft sind hierbei die sehr hohen Aktualisierungsraten, mit denen die Druckdifferenz DP und der aktuelle Wert des Betriebsparameters, hier des Drehmoments T bestimmt werden können.This ensures that the multiphase pump 1 does not get into an unstable operating state during normal operation. Particularly advantageous here are the very high update rates with which the pressure difference DP and the current value of the operating parameter, here the torque T, can be determined.

Es hat sich gezeigt, dass die Festlegung der Grenzkurve anhand einer Korrelation des Drehmoments T, das von der Multiphasenpumpe 1 aufgenommen wird, mit der von der Multiphasenpumpe 1 generierten Druckdifferenz DP zu einer eindeutigen Beziehung für die jeweilige hydraulische Konfiguration führt, die ansonsten unabhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen dieser Multiphasenpumpe 1 , wie beispielsweise der aktuellen Phasenverteilung in dem Multiphasenfluid, ist.It has been found that the determination of the limit curve based on a correlation of the torque T received by the multiphase pump 1 with the pressure difference DP generated by the multiphase pump 1 leads to a unique relationship for the respective hydraulic configuration, which is otherwise independent of the current Operating conditions of this multi-phase pump 1, such as the current phase distribution in the multi-phase fluid is.

Auch wenn die Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels einer Multiphasenpumpe 1 beschrieben ist, so versteht es sich dass die Erfindung nicht auf Multiphasenpumpen beschränkt ist, sondern in sinngemäss gleicher Weise auch Einphasenpumpen und Pumpen im allgemeinen umfasst. Dabei kann die Pumpe jeweils als einstufige oder mehrstufige Pumpe ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Pumpe als eine Zentrifugalpumpe oder als eine helicoaxiale Pumpe ausgestaltet.Although the invention is described with reference to the embodiment of a multi-phase pump 1, it is understood that the invention is not limited to multiphase pumps, but in a similar manner also includes single-phase pumps and pumps in general. In this case, the pump can be configured in each case as a single-stage or multi-stage pump. Preferably, the pump is configured as a centrifugal pump or as a helicoaxial pump.

Claims (15)

Betriebsverfahren für eine Pumpe, insbesondere für eine Multiphasenpumpe, zum Fördern eines Fluids von einer Niederdruckseite auf eine Hochdruckseite, wobei eine Rückführleitung (8) zum Rückführen des Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite vorgesehen ist, bei welchem Verfahren mittels einer Pumpgrenzkontrolleinheit (4) zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands ein Kontrollventil (9) in der Rückführleitung (8) angesteuert wird, welches den Durchfluss durch die Rückführleitung (8) kontrolliert, wobei eine Grenzkurve (60, 60') für einen Kontrollparameter in der Pumpgrenzkontrolleinheit (4) vorgehalten wird, ein aktueller Wert des Kontrollparameters während des Betriebs der Pumpe mit der Grenzkurve (60, 60') verglichen wird und wobei, sobald der aktuelle Wert des Kontrollparameters die Grenzkurve (60, 60') erreicht, das Kontrollventil (9) in der Rückführleitung (8) derart angesteuert wird, dass sich der aktuelle Wert des Kontrollparameters von der Grenzkurve (60, 60') entfernt, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontrollparameter ein Betriebsparameter der Pumpe (1) verwendet wird.Operating method for a pump, in particular for a multiphase pump, for conveying a fluid from a low pressure side to a high pressure side, wherein a return line (8) for returning the fluid from the high pressure side to the low pressure side is provided, in which method by means of a surge limit control unit (4) Avoiding an unstable operating state, a control valve (9) is controlled in the return line (8), which controls the flow through the return line (8), wherein a limit curve (60, 60 ') is provided for a control parameter in the surge limit control unit (4), a current value of the control parameter during operation of the pump is compared with the limit curve (60, 60 ') and, as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve (60, 60'), the control valve (9) in the return line (8 ) is controlled such that the current value of the control parameter of the Gren Zkurve (60, 60 ') away, characterized in that an operating parameter of the pump (1) is used as a control parameter. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Grenzkurve (60, 60') einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Betriebsparameter und der von der Pumpe, insbesondere der Multiphasenpumpe (1), generierten Druckdifferenz (DP) angibt.Method according to Claim 1, in which the limit curve (60, 60 ') indicates a clear relationship between the operating parameter and the pressure difference (DP) generated by the pump, in particular the multiphase pump (1). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zum Vergleich des aktuellen Werts des Betriebsparameters mit der Grenzkurve (60, 60') die Druckdifferenz zwischen dem Druck an einem Einlass (10) und dem Druck an einem Auslass (20) der Pumpe (1) messtechnisch erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, in which the pressure difference between the pressure at an inlet (10) and the pressure at an outlet (20) of the pump (1) for comparing the current value of the operating parameter with the limit curve (60, 60 ') metrologically recorded. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Betriebsparameter in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem Drehmoment steht, mit welchem die Pumpe angetrieben wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein the operating parameter is uniquely related to the torque with which the pump is driven. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Betriebsparameter das Drehmoment (T) verwendet wird, mit welchem die Pumpe angetrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the operating parameter used is the torque (T) with which the pump is driven. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Grenzkurve (60') die Abhängikeit des Drehmoments (T) von der Druckdifferenz (DT) angibt, bei welcher die Pumpe noch sicher in einem stabilen Betriebszustand betrieben wird.The method of claim 5, wherein the limit curve (60 ') indicates the dependence of the torque (T) on the pressure difference (DT) at which the pump is still safely operated in a stable operating condition. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Grenzkurve (60, 60') beabstandet zu einer unteren Pumpgrenzlinie (50, 50') festgelegt wird, wobei die untere Pumpgrenzlinie (50, 50') den jeweiligen Wert des Betriebsparameters angibt, bei welchem die Pumpe (1) in einen instabilen Betriebszustand übergeht.Method according to one of the preceding claims, in which the limit curve (60, 60 ') is set at a distance from a lower surge boundary line (50, 50'), the lower surge boundary line (50, 50 ') indicating the respective value of the operating parameter, in which the pump (1) goes into an unstable operating state. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die untere Pumpgrenzlinie (50, 50') mit Hilfe von experimentellen Testdaten (105) ermittelt wird, zu deren Bestimmung die Pumpe (1) in einen instabilen Betriebszustand geführt wird.Method according to Claim 7, in which the lower pumping limit line (50, 50 ') is determined with the aid of experimental test data (105), for the determination of which the pump (1) is guided into an unstable operating state. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem zur Bestimmung der unteren Pumpgrenzlinie (50, 50') Erfahrungswerte verwendet werden.Method according to Claim 7 or 8, in which empirical values are used to determine the lower surge boundary line (50, 50 '). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Pumpgrenzkontrolleinheit (4) in eine Kontrolleinrichtung (3) für die Ansteuerung der Pumpe (1) integriert wird.Method according to one of the preceding claims, in which the surge limit control unit (4) is integrated in a control device (3) for controlling the pump (1). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der aktuelle Wert des Betriebsparameters von einem variablen Frequenzantrieb (2) für die Pumpe (1) bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the current value of the operating parameter is provided by a variable frequency drive (2) for the pump (1). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Pumpe (1) als Druckerhöhungspumpe in der Öl- und Gasförderung verwendet wird, insbesondere in der unterseeischen Öl- und Gasförderung.Method according to one of the preceding claims, wherein the pump (1) is used as a booster pump in the oil and gas production, in particular in the undersea oil and gas production. Pumpe, insbesondere Multiphasenpumpe, zum Fördern eines Fluids von einer Niederdruckseite auf eine Hochdruckseite, mit einem Einlass (10) und einem Auslass (20) für das Fluid, und mit einer Pumpgrenzkontrolleinheit (4) zur Vermeidung eines instabilen Betriebszustands, welche ein Ansteuersignal für ein Kontrollventil (9) in einer Rückführleitung (8) zum Rückführen des Fluids von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite bereitstellt, wobei in der Pumpgrenzkontrolleinheit (4) eine Grenzkurve (60, 60') für einen Kontrollparameter vorhanden ist, wobei die Pumpgrenzkontrolleinheit (4) einen aktuellen Wert des Kontrollparameters während des Betriebs der Pumpe mit der Grenzkurve (60, 60') vergleicht, und wobei die Pumpgrenzkontrolleinheit (4), sobald der aktuelle Wert des Kontrollparameters die Grenzkurve (60,60') erreicht, das Ansteuersignal zur Verfügung stellt, welches das Kontrollventil (9) in der Rückführleitung (8) derart ansteuern kann, dass sich der aktuelle Wert des Kontrollparameters von der Grenzkurve (60, 60') entfernt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrollparameter ein Betriebsparameter der Pumpe ist.A pump, in particular a multi-phase pump, for conveying a fluid from a low-pressure side to a high-pressure side, with an inlet (10) and an outlet (20) for the fluid, and with a surge limit control unit (4) for preventing an unstable operating state, which a drive signal for a Control valve (9) in a return line (8) for returning the fluid from the high pressure side to the low pressure side, wherein in the surge limit control unit (4) a limit curve (60, 60 ') for a control parameter is present, the surge limit control unit (4) comparing the current value of the control parameter with the limit curve (60, 60 ') during operation of the pump, and with the surge limit control unit (4) providing the drive signal as soon as the current value of the control parameter reaches the limit curve (60, 60'); which the control valve (9) in the return line (8) can control such that the current value of the Kon trollparameters from the limit curve (60, 60 '), characterized in that the control parameter is an operating parameter of the pump. Pumpe nach Anspruch 13, bei welchem der Betriebsparameter das Drehmoment (T) zum Antreiben der Pumpe (1) ist und die Grenzkurve (60') die Abhängikeit des Drehmoments (T) von der Druckdifferenz (DP) zwischen dem Druck am Einlass (10) und dem Druck am Auslass (20) angibt.A pump according to claim 13, wherein the operating parameter is the torque (T) for driving the pump (1) and the limit curve (60 ') is the dependence of the torque (T) on the pressure difference (DP) between the pressure at the inlet (10). and the pressure at the outlet (20). Pumpe nach einem der Ansprüche 13 oder 14, ausgestaltet als Zentrifugalpumpe und als Druckerhöhungspumpe für die Öl- und Gasförderung, insbesondere für die unterseeischen Öl- und Gasförderung.Pump according to one of claims 13 or 14, configured as a centrifugal pump and as a booster pump for the oil and gas production, in particular for the undersea oil and gas production.
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