JP2018522162A - ドライガスシール用のバリア流体供給回路を有するポンプシステム - Google Patents

ドライガスシール用のバリア流体供給回路を有するポンプシステム Download PDF

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Abstract

二酸化炭素(CO2)用途のためのポンプシステム(200)は、各々が1つまたは複数のドライガスシールを備えた複数の遠心ポンプ(300,400)と、動作状態にあるポンプ(300,400)のポンプ吐出口(330,430)を待機状態にある別のポンプの少なくとも1つのドライガスシールに流体接続するための1つまたは複数のバリア流体供給回路(301,401)と、を含む。ポンプシステムのポンプは、制御ユニットにより動作状態と待機状態との間で切り替えることができる。【選択図】図4

Description

本開示は、排他的ではないが特に二酸化炭素(CO2)をポンピングするための流体ポンプシステムに関し、流体ポンプシステムは、複数のポンプと、待機状態の間に前記ポンプ、好ましくは遠心ポンプのドライガスシールの完全性を保護するためのドライガスシール保護装置と、を含む。
より具体的には、本開示は、CO2用途、例えば、石油およびガス回収プラントにおける純CO2およびCO2+炭化水素の再注入、輸送および隔離のための前記ポンプの待機状態の間に遠心ポンプのドライガスシールの完全性を保護することを可能にするポンプシステムに関する。
ウェットシールの代わりにシャフトシール用のドライガスシールを遠心ポンプに適用すると、例えば、消費電力を削減し、シールシステムのフットプリントを削減し、信頼性を高め、バリア流体の再充填に関連するメンテナンスコストを削減するなどの、いくつかの利点が得られる。
遠心ポンプの動作状態におけるドライガスシールの多くの利点は、以下でより明確に説明するように、待機状態などの他の作動状態での遠心ポンプにおけるドライガスシールの使用に関連する問題を隠蔽する。
ガス、特にCO2は、待機状態でもポンプが加圧されて始動の用意ができているので、一次シールのリークは正常である。
したがって、ポンプ内部のガス圧力は外部の大気圧よりも高くなる。一次シールの下流には、緩衝流体、通常は4〜6バールの圧力で利用可能な窒素または空気によって確立された圧力が存在する。さらに、高圧かつ未処理のプロセスガスは、一次ドライガスシールに浸透し、粒子および液体の汚染物質を輸送する。
この問題は、プロセス流れとしての二酸化炭素(CO2)、またはシールを通る流体の膨張によって相(氷または液体)を変化させる可能性のある他の流体で強調される。ドライガスシールリングの狭い公差を通る二酸化炭素(CO2)の膨張は、シールリング上に氷を形成する可能性がある。その後に、ポンプが正常作動状態に戻ると、ドライガスシールリング間の汚染は、ドライガスシールの早期摩耗および破損をもたらす。
図1〜図3を参照すると、ドライガスシールを利用する単一の遠心ポンプを含む公知の構成が示されている。
図1は、二酸化炭素(CO2)ポンプ用のドライガスシール(DGS)システム100の関連技術構成の詳細図を開示する。この構成では、超臨界状態にある任意の流体は、例示的な二酸化炭素(CO2)の代わりにバリア流体として使用できることに留意されたい。
図1の構成は、作動状態の間のドライガスシールの挙動を反映し、シールされる関連領域を有するCO2ポンプ102、ドライガスシールの一次(内側)シール104、ドライガスシールの二次(外側)シール106、プロセス流体フィルタ108、プロセス流体ヒーター110、フレアセーフエリアへの流れを制御するためのバルブおよび制御要素120、中間緩衝ガスフィルタ114、中間緩衝ガス116、バリア流体118、減圧バルブ120、一次ドライガスシールチャンバ122、ならびに二次ドライガスシールチャンバ124を含む。
関連技術では、図1の構成は、プロセス流体、例えばバリア流体として用いられるポンプ吐出口からの二酸化炭素が示されている。バリア流体の圧力は、バルブ120によって低減され、ヒーター110によって加熱される。次いで、バリア流体は、フィルタ108によって濾過され、一次ドライガスシールチャンバ122に注入される。
バリア流体の圧力は、ポンプの吸込圧力よりも高く、したがって、未処理のプロセスガスが一次シール104に流入するのを防止する。
バリア流体(二酸化炭素)は、部分的に内側のラビリンスを通ってポンプに流れ、部分的に一次ドライガスシールを通って一次排気口に流れる。次に、関連技術の構成では、ポンプに流入する二酸化炭素(CO2)が二酸化炭素(CO2)の臨界圧力よりも高い吸込圧力に達するので、氷結の問題は生じない。さらに考慮される構成では、一次シールを通って一次排気口に流れる二酸化炭素(CO2)は、P1から緩衝ガス(通常は4〜6バールのN2/空気)によって確立される値まで膨張する。公知の構成では、二酸化炭素(CO2)バリア流体の温度は、膨張中に氷結の危険を回避するのに十分高い値にヒーターによって維持されなければならないことに留意されたい。
中間緩衝ガス116、例えば、窒素または乾燥空気は、フィルタ114によって濾過され、二次ドライガスシールチャンバ124に注入される。公知の構成では、窒素または空気以外の他のガスも緩衝ガスとして使用できることに留意されたい。中間緩衝ガス116の圧力は、一次シール104を通過するバリアガスの圧力よりも高く、バリアガスが二次シール106に達するのを防止する。
公知の構成では、二次ドライガスシールチャンバ124内のバリアガス118と中間緩衝ガス116との混合物は、バルブ112を通過し、フレアセーフエリアに流れる。
図2は、ポンプが待機状態にあるときの図1と同じ図を示す。この状態では、ポンプからの吐出圧力は、シール領域102内の圧力に等しい。ポンプが待機状態にある場合には、ポンプへの圧力は吸込圧力に非常に近い一様な値に達する。
従来技術の構成では、待機状態の結果は、ポンプ吐出口からのプロセス流体が、未処理のプロセス流体がシール領域102から一次シール104に流れるのを防止するバリア流体としてもはや作用しないということである。さらに、未処理のプロセス流体は加熱も濾過もされず、したがって汚染物が一次シール104に入り、一次シール104に氷結が生じる可能性がある。
待機状態でもポンプが加圧されているという事実のために、ポンプが待機状態にある場合に一次シールには自然な二酸化炭素(CO2)のリークがある。
最新技術によれば、図3を参照すると、ポンプが待機状態にあるときの損傷および氷結の危険性を回避するために、図示していない追加のブースタがバリア流体118のために設けられ、ポンプの動作状態の間に提供される条件でバリアガスを維持する。この解決策は、ドライガスシールの汚染を防ぐために、濾過および加熱に関してプロセス流体の同様の処理を必要とする。
国際公開第2013/083437号
二酸化炭素(CO2)用途のプラント、例えば。石油およびガス回収プラントにおける純粋な二酸化炭素および二酸化炭素+炭化水素の再注入、輸送および隔離がここで考慮される。
前記プラントでは、少なくとも1つの遠心ポンプが設けられ、好ましくは交互に動作する少なくとも2つの遠心ポンプが設けられ、第1のポンプが作動/動作状態にあるときには、第2のポンプは待機状態にある。
ポンプを切り替えることで、バリア流体の交換とMTBF(平均故障間隔)の増加によるメンテナンスコストの削減が可能になる。
より多くの遠心ポンプを使用すると、各ポンプがより短い時間で動作し、故障と他の故障との間の予想時間(MTBF)を長くすることができる。
さらに、より多くの遠心ポンプを使用することにより、プラントの停止が回避され、第1のポンプのメンテナンスを行う必要があるときに第2のポンプを作動させることができる。
本開示の目的は、特に上記の利点を達成するのに適したポンプシステムを提供することである。
さらなる詳細および特定の実施形態は、以下の添付図面を参照する。
ポンプが作動/動作状態にある場合のドライガスシールおよび関連するガス支持システムの概略図である。 ポンプが危険な待機状態(損傷および氷結の危険性がある)にある場合のドライガスシールおよび関連するガス支持システムの概略図である。 ポンプが安全な待機状態にある(損傷および氷結の危険性がない)場合のドライガスシールおよび関連するガス支持システムの概略図である。 本開示によるポンプシステムの概略図である。 本開示による方法のステップのフローチャートである。
以下の例示的な実施形態の説明は、添付の図面を参照する。以下の詳細な説明は、本開示を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
本開示は、石油およびガス回収プラント、すなわちオフショア石油およびガスインプラントに関する。より詳細には、本開示は、二酸化炭素(CO2)用途のための工業プラントに関する。
二酸化炭素の最も共用されている用途のいくつかは、石油およびガス回収プラントにおける純粋な二酸化炭素および二酸化炭素+炭化水素の再注入、輸送および隔離である。
前記プラントでは、少なくとも1つの遠心ポンプが設けられ、好ましくは交互に動作する少なくとも2つの遠心ポンプが設けられ、第1のポンプが作動/動作状態にあるときには、第2のポンプは待機状態にある。
ポンプを切り替えることで、バリア流体の交換とMTBF(平均故障間隔)の増加によるメンテナンスコストの削減が可能になる。
より多くの遠心ポンプを使用すると、各ポンプがより短い時間で動作し、故障と他の故障との間の予想時間(MTBF)を長くすることができる。
さらに、より多くの遠心ポンプを使用することにより、プラントの停止が回避され、第1のポンプのメンテナンスを行う必要があるときに第2のポンプを作動させることができる。
本開示の目的は、特に上記の利点を達成するのに適したポンプシステムを提供することである。
本開示によるポンプシステム200は、少なくとも第1のポンプ300および第2のポンプ400を含み、好ましくは、第1および第2のポンプは遠心ポンプであり、少なくとも1つのドライガスシールが第1のおよび第2のポンプのそれぞれに付随している。
本発明によるポンプシステム200は、共用プロセス流体供給回路150を含み、次に共用プロセス流体供給回路150は、第2のポンプ400の前記少なくとも1つのドライガスシールにバリア流体を供給するために、第1のポンプ300のポンプ吐出口330を第2のポンプ400の少なくとも1つのドライガスシールに流体接続する第1のバリア流体供給回路301を含む。
本発明による共用プロセス流体供給回路150は、前記第1のポンプの前記少なくとも1つのドライガスシールにバリア流体を供給するために、第2のポンプ400のポンプ吐出口430を第1のポンプ300の少なくとも1つのドライガスシールに流体接続する第2のバリア流体供給回路401を含む。
図4に示す本開示の好ましい実施形態によれば、前記共用プロセス供給回路150の第1のバリア流体供給回路301および第2のバリア流体供給回路401は、共用分岐ライン500に合流し、その上に、ポンプ吐出口330、430から来るバリア流体の圧力を減少させるのに適した減圧バルブ512、フィルタ514、およびヒーター513が設けられている。
共用ヘッダー515が、流れ方向に関して前記ヒーター513の下流で前記共用分岐500上にさらに設けられる。前記共用ヘッダー515から、共用分岐500は2つの戻り分岐ラインに分かれる。すなわち、前記共用ヘッダー515を第1のポンプ300のドライガスシールに流体接続する第1の戻り分岐ライン517であって、前記第1の戻り分岐ライン517は、第1のバリア流体供給部分517aおよび第2のバリア流体供給部分517bを含み、前記第1の戻り分岐ライン517の各部分は、第1のポンプ300の前記ドライガスシールのうちの1つに流体接続される、第1の戻り分岐ライン517と、前記共用ヘッダー515を第2のポンプ400のドライガスシールに流体接続する第2の戻り分岐ライン518であって、前記第2の戻り分岐ライン518は、第1のバリア流体供給部分518aおよび第2のバリア流体供給部分518bを含み、前記第2の戻り分岐ライン518の前記第1の部分518aおよび第2の部分518bは、第2のポンプ400の前記ドライガスシールのうちの1つに流体接続される、第2の戻り分岐ライン518と、に分かれる。
図4を参照すると、第1のポンプ300の第1のポンプ吐出口330から共用ヘッダー515に来るプロセス流体、例えば、二酸化炭素(CO2)は、作動状態において、前記第1のポンプ300が動作状態にあり、前記第2のポンプ400が待機状態にある場合に、第2のポンプ400のドライガスシール用のバリア流体として使用される。
同様に、第2のポンプ400の第2のポンプ吐出口430から共用ヘッダー515に来るプロセス流体は、作動状態において、前記第2のポンプ400が動作状態にあり、前記第1のポンプ300が待機状態にある場合に、第1のポンプ300のドライガスシール用のバリア流体として使用される。
バリア流体の圧力は、減圧バルブ512によって低減され、フィルタ514によって濾過され、次いでヒーター513によって加熱される。次いで、バリア流体は、待機状態でポンプのドライガスシールチャンバに注入される。
例を挙げると、第1のポンプ300が動作状態にある場合に、プロセス流体は、第1のポンプ300の吐出口330から第1のバリア流体供給回路301を通って流出し、共用分岐ライン500に入る。
次いで、プロセス流体の圧力が、減圧バルブ512によって共用分岐500内で低減され、その後に、流体がフィルタ514によって濾過され、共用ヒーター513によって加熱される。
ガスシール用のバリア流体として使用する準備ができたプロセス流体は、共用ヘッダー515に流入し、そこで不連続な動作に起因する全ての変動が平滑化され、流体特性が安定化される。このようにして、ドライガスシールの最も壊れやすい部品、すなわちシール面が急激な圧力変化から保護される。
共用ヘッダー515の下流で、プロセス流体は、第2の戻り分岐ライン518を通って、待機状態にある第2のポンプ400のドライガスシールに流れる。
第1のチェックバルブ302は、有利には、第1のバリア流体供給回路301上に設けられ、第2のチェックバルブ402は、第2のバリア流体供給回路401上に設けられる。
したがって、上述した本開示によるポンプシステム200は、第1の動作ポンプ300のポンプ吐出口からの流体、例えば二酸化炭素(CO2)の流れを供給し、前記第2のポンプが待機状態にある場合に、第2のポンプ400のドライガスシールを洗浄するように適合される。
同様に、第1のポンプ300が待機状態に、第2のポンプ400が動作状態に切り替えられると、本開示によるポンプシステム200は、第2のポンプ400のポンプ吐出口からのプロセス流体の流れを供給して、第1のポンプ300のドライガスシールを洗浄するのに適する。
本開示によるポンプシステムのおかげで、ポンプが待機状態にある全時間にわたって、待機状態にあるポンプのドライガスシールにバリア流体を提供するために、非常に信頼性の高い、したがって高価な補助ブースタ圧縮機を設ける必要がない。最終的に、ポンプシステムが2つのポンプのみを含み、両方のポンプが同時に待機状態にある場合には、より簡素でより安価なブースタをシステムに設けることで十分であり得る。実際、本開示によるポンプシステムでは、前記ブースタ圧縮機は、稀な場合であって、かつポンプシステムの全てのポンプが同時に待機状態にある短い期間にのみスイッチオンされる。
したがって、本開示によるポンプシステムは、より経済的なブースタ圧縮機を設置することを可能にし、前記ブースタ圧縮機がめったにスイッチオンされないので、システムは非常に信頼性が高く、かつエネルギー効率が良い。
本発明によるポンプシステム200は、ポンプ機能を動作状態から待機状態に切り替えることを可能にする。
第1のポンプ300が動作状態にある場合に、ポンプ吐出口330は、バリア流体を第1のバリア流体供給回路301を通して共用ヘッダー515に、そして最後に、待機状態にある第2のポンプ400のドライガスシールに供給する。
状況によって、例えば第1のポンプでメンテナンス作業が必要な場合、または2つのポンプをより短い時間、交互に作動させることが有利な場合には、例えばポンプのMTBFを増加させるために、第1のポンプ300を待機状態にし、第2のポンプ400を作動状態にする。本開示によるポンプシステムは、2つのポンプの作動状態を切り替える可能性に関して非常に汎用的であるので、エンドユーザは状況および達成される結果を考慮して最良の方法でポンプを動作させることが可能になる。第2のバリア流体供給回路401のおかげで、そのとき動作ポンプである第2のポンプ400は、バリア流体を第2のバリア流体供給回路401を通って待機状態にある第1のポンプに供給する。
ポンプシステムが有利には3つ以上のポンプ、例えば3つまたは4つのポンプを含むことができることは、当業者には明らかであろう。これらの可能な構成では、ポンプシステムは、対応する数のバリア流体供給回路を含む。
本発明によるポンプシステム200は、有利には、ポンプの作動状態を切り替え、バリア流体供給回路上に設けられた装置の作動状態を制御するように構成された制御ユニットを含むことができる。
これらのうち、本開示によるポンプシステムは、メンテナンスコストの削減、MTBFの増加、およびもはや必要ではないブースタ圧縮機のコスト削減からなる結果を達成する。
本開示はまた、ポンプのドライシールにバリア流体を提供するための方法に関する。
本開示による方法は、前記ポンプが待機状態にあり、追加のブースタを設ける必要がない場合に、ポンプのドライシールにバリア流体を提供することを可能にする。この結果を達成するために、第1の動作ポンプが、共用プロセス流体回路によって前記待機ポンプに流体接続される。
本方法は、少なくとも、図5のフローチャートに開示されている以下のステップを含む。
第1のステップ1は、第1のポンプの吐出口からのバリア流体を吐出口に結合された共用プロセス流体回収回路内に受け入れるステップからなる。
第2のステップ2は、バリア流体の圧力を減少させるステップからなる。
第3のステップ3は、共用プロセス流体回収回路に結合された第2のポンプのドライシールに減圧バリア流体を導くステップからなる。
上記の方法は有利には、バリア流体の圧力を減少させた後で、減圧バリア流体を第2のポンプのドライシールに導く前に、共用プロセス流体回収回路内のバリア流体を濾過して加温するステップからなるステップ2aをさらに含む。
本明細書に開示した方法によれば、第1のポンプが動作状態にあり、第2のポンプが待機状態にある場合に、動作状態ポンプから来るバリア流体は待機ポンプのドライシールに供給される。
いつでも、第1のポンプが待機状態に切り替えられ、第2のポンプが動作状態に切り替えられるように、2つのポンプの機能状態を切り替えることができる。共用プロセス流体回収回路のおかげで、そのとき動作状態にある第2のポンプから来るバリア流体が、そのとき待機状態にある第1のポンプのドライシールに提供される。
「一実施形態」または「実施形態」に対する明細書全体での参照は、実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造、または特性が、開示されている主題の少なくとも1つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、明細書全体の様々な場所における句「一実施形態では」または「実施形態では」の出現は、必ずしも同一の実施形態を参照していない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、1つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。
1 第1のステップ
2 第2のステップ
2a ステップ
3 第3のステップ
100 ドライガスシール(DGS)システム
102 シール領域
104 一次シール
106 二次シール
108 プロセス流体フィルタ
110 プロセス流体ヒーター
112 バルブ
114 中間緩衝ガスフィルタ
116 中間緩衝ガス
118 バリア流体
120 減圧バルブ
122 一次ドライガスシールチャンバ
124 二次ドライガスシールチャンバ
150 共用プロセス流体供給回路
200 ポンプシステム
300 第1のポンプ
301 第1のバリア流体供給回路
302 第1のチェックバルブ
330 第1のポンプ吐出口
400 第2のポンプ
401 第2のバリア流体供給回路
402 第2のチェックバルブ
430 第2のポンプ吐出口
500 共用分岐ライン
512 減圧バルブ
513 共用ヒーター
514 フィルタ
515 共用ヘッダー
517 第1の戻り分岐ライン
517a 第1のバリア流体供給部分
517b 第2のバリア流体供給部分
518 第2の戻り分岐ライン
518a 第1のバリア流体供給部分
518b 第2のバリア流体供給部分

Claims (12)

  1. ポンプシステム(200)であって、少なくとも第1のポンプ(300)および第2のポンプ(400)を含み、前記ポンプ(300,400)の各々には、1つまたは複数のドライガスシールが設けられ、待機状態と動作状態との間で切り替え可能であり、前記ポンプ(300,400)の各々は、少なくともポンプ吸込口およびポンプ吐出口(330,430)を含み、前記ポンプシステム(200)は、前記ポンプ(300,400)の各々のポンプ吐出口(330,430)を前記ポンプ(300,400)の各々の前記ドライガスシールに流体接続する少なくとも1つの共用プロセス流体供給回路(150)をさらに含む、ポンプシステム(200)。
  2. 前記共用プロセス流体供給回路(150)は、前記第1のポンプ(300)の前記ポンプ吐出口(330)を共用ライン(500)に流体接続する第1のバリア流体供給回路(301)と、前記第2のポンプ(400)の前記ポンプ吐出口(430)を前記共用ライン(500)に流体接続する第2のバリア流体供給回路(401)と、を含み、前記共用ライン(500)は、次に前記ポンプの前記ドライガスシールに流体接続される、請求項1に記載のポンプシステム(200)。
  3. 前記共用ライン(500)には、前記ポンプ吐出口(330,430)から来る前記バリア流体の圧力を低下させるのに適した少なくとも減圧バルブ(512)と、少なくともフィルタ(514)と、少なくともヒーター(513)と、少なくとも共用ヘッダー(515)と、が設けられる、請求項2に記載のポンプシステム(200)。
  4. 前記共用ヘッダー(515)の下流で、前記共用プロセス流体供給回路(150)の前記共用分岐(500)は、前記共用ヘッダー(515)を第1のポンプ(300)の前記1つまたは複数のドライガスシールに流体接続する第1の戻り分岐ライン(517)と、前記共用ヘッダー(515)を前記第2のポンプ(400)の前記ドライガスシールに流体接続する第2の戻り分岐ライン(518)と、に分かれる、請求項3に記載のポンプシステム(200)。
  5. 第1のチェックバルブ(302)が前記第1のバリア流体供給回路(301)上に設けられ、第2のチェックバルブ(402)が前記第2のバリア流体供給回路(401)上に設けられる、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のポンプシステム(200)。
  6. 前記ポンプは遠心ポンプである、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のポンプシステム(200)。
  7. 前記第1のポンプ(300)および第2のポンプ(400)のポンプ吐出口(330,430)から吐出される前記流体は、二酸化炭素(CO2)である、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のポンプシステム(200)。
  8. 前記共用プロセス流体供給回路(150)の作動状態を制御するために、前記ポンプ(300,400)の作動状態を切り替えるように構成された制御ユニットをさらに含む、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のポンプシステム(200)。
  9. 第1のポンプの吐出口からのバリア流体を前記吐出口に結合された共用プロセス流体回収回路内に受け入れるステップと、
    前記バリア流体の圧力を減少させるステップと、
    前記共用プロセス流体回収回路に結合された第2のポンプのドライシールに前記減圧バリア流体を導くステップと、を含む方法。
  10. 前記バリア流体の圧力を減少させた後で、前記減圧バリア流体を前記第2のポンプの前記ドライシールに導く前に、前記共用プロセス流体回収回路内の前記バリア流体を濾過して加温するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1のポンプが動作状態にあり、前記第2のポンプが待機状態にある場合に、前記動作状態から来る前記バリア流体は前記待機ポンプの前記ドライシールに供給される、請求項9または請求項10に記載の方法。
  12. 前記第1のポンプが待機状態に達し、かつ前記第2のポンプが動作状態に達するように、前記2つのポンプの機能状態を切り替えることからなるステップをさらに含み、前記動作状態のポンプから来る前記バリア流体は、前記待機ポンプの前記ドライシールに供給される、請求項9乃至11のいずれか1項に記載の方法。
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