JP3571350B2 - 多段の２相タービン - Google Patents

Description

［技術分野］
この出願は1995年１月26日出願の米国特許第08/378,733号明細書の部分継続出願であり、これは1992年５月５日に出願した先願の米国特許第07/878,605号明細書の部分継続出願であり、現在米国特許第5,385,446号明細書である。
本発明は２相タービン、特にガスと液体の入力混合物により駆動され、１以上の膨張物のガスおよび液体相成分を同時に分離しながらシャフトパワーを発生し、分離された液相成分の圧力を増加することができる改良された多段の単一なロータタービンに関する。
前述の多段特性を有する改良された２相タービンの必要性が存在する。このようなタービンが使用される改良されたプロセスの必要性が存在する。
［発明の要約］
本発明の主要な目的は、前述の必要性を満たすために使用される改良されたタービン構造とプロセスを提供することである。基本的に、改良された多段の２相タービンは流体を受けるための１以上の段を有し、各段は入口と出口を有し、
ａ）２相ジェットを形成するためにガスおよび液体の混合物からなる流体を加速するように各段への入口に存在するノズルと、
ｂ）２相ジェットを受け、それを各段でガス流および液体流へ分離するための回転セパレータ構造と、
ｃ）回転出力シャフトを有し、液体流の運動エネルギをシャフトパワーへ変換するための手段が存在するタービンと、
ｄ）分離された液体を少なくとも１つの段から除去し、これを次の段のノズルへ転送する手段と、
ｅ）分離された液体を最後の段から除去し、これを第１の出口構造へ伝送する手段と、
ｆ）分離されたガスを各段から除去し、これを第２の出口構造へ伝送する手段または選択的に、
ｇ）分離されたガスを各段から除去し、これを次の段のノズルへ転送する手段とを具備している。
別の目的はこのようなタービンを提供することであり、少なくとも１つの段にガス流の運動エネルギをシャフトパワーへ変換するための手段を含んでいる。また圧力としての分離された液体流の運動エネルギを回復する手段が少なくとも１つの段で使用されてもよい。
別の目的は、ガス流の運動エネルギをシャフトパワーへ変換するため少なくとも１つの回転セパレータ構造に関連するタービンの軸流ブレードを提供することである。
さらに別の目的は、段を分離する手段を設けることを含み、ここではノズルはこの手段と一体の部分である。
さらに別の目的は、分離された液体流の２つの成分を少なくとも１つの段から分離し、各液体成分を段から別々に除去する手段を設けることを含んでいる。これに関しては、拡散装置は少なくとも１つの段から２つの液体成分のうちの重い方を除去し、または液体流受けるノズルは少なくとも１つの段から２つの液体のうちの重い方を除去するために使用されてもよい。付加的に、構造は分散された液体成分を少なくとも１つの段の回転セパレータ構造中で連続相へ合成するために設けられている。
改良されたタービンは地熱井戸から流れるスチームと塩水の混合物の圧力の１以上の適切な減圧を必要とするプロセスで、使用されてもよい。スチームを分離する一方で参照されたタービンはパワーを発生し、それによって通常のスチームタービンにおいてより低い圧力下で使用されることができる。分離された塩水圧力はポンプなしで地中へ再注入されることができるように増加されることができる。
タービンはまた結合された液体とガス流が、それぞれの連続する圧力レベルで分離を行う圧力により幾らかの適切な減圧を必要とするプロセスで使用される。１例は、高圧力井戸からのオイルとガスの生成である。２相の流体は幾つかの圧力でフラッシュし、それぞれの圧力は先行する圧力よりも低い。各フラッシュで、ガスは液体から分離され、それによって再度圧縮されることができる。分離した液体は実質上より低い圧力へフラッシュされ、再度分離されたガスを放出する。
タービンはまた原動機からの廃熱を利用可能なパワーに変換するため多数の２相フラッシュを必要とするプロセスで使用されることができる。これに関しては、幾つかの圧力で蒸気を発生し、多数の圧力蒸気タービンを動作するため液体が加熱され数回フラッシュされるならば、廃熱からパワーへのより実効的な変換が可能である。
本発明のこれらおよび他の目的と利点および図示の実施形態の詳細は以下の説明と添付図面からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は地熱の流体からパワーを発生するための２相タービンの使用を示しているシステムのブロック図である。
図２は４段の圧力減圧による高い生産率のオイル／ガスプロセスを示したシステムのブロック図である。
図３は熱伝導対温度に関する廃熱bbサイクルのグラフである。
図４はスチームタービンと発動機を有する多段の２相タービンの結合を示したシステムのブロック図である。
図５は多段の２相タービンを切り取った軸断面図である。
図６は多段の２相タービンの拡散装置およびノズル構造を切り取った断面図である。
図７は２つの分離した液体流成分の処理を特徴とする多段の２相タービンを切り取った軸断面図である。
図7aは水用の拡散装置を有するロータの詳細を示した断片図である。
図7bは水用の液体ノズルを有するロータの詳細を示した断片図である。
図８は分離した水がフィールドの別の部分に注入されるように、オイルおよびガス井戸の穴に多段または単一段の２相タービンを設けた構造を切り取った部分的な軸断面図である。
図９は分離した水が表面に転送されるように、オイルおよびガス井戸の穴に多段または単一段の２相タービンを設けた構造を切り取った部分的な軸断面図である。
図10は海底に設けられ、分離したガス、オイル、水流と、オイルおよびガス井戸からパワーを発生する多段または単一段の２相タービンを示しているシステムのブロック図である。
図11は海底に設けられ、分離したガス、オイル、水流をオイルおよびガス井戸から発生し、高圧力ガスを発生するためガス圧縮装置を駆動する多段または単一段の２相タービンを示しているシステムのブロック図である。
［本発明および産業上の応用を実行するための方法］
同時に液体からガスを分離し、分離された液体相の圧力を増加しながらガスおよび液体の混合物からパワーを発生するために単一ロータのタービンが開発されている。このタービンはガスおよび液体の混合物の圧力による単一の減圧からパワーを発生する。
１例は図１で見られるように地熱井戸から流れるスチームおよび塩水の混合物の圧力の減圧である。参照されるタービン10はスチームを分離しながらパワーを発生するため発電機11を駆動し、それによってパワーは一般的なスチームタービンより低い圧力で利用されることができる。12におけるフラッシュタンク13へのスチーム流と、14におけるスチームタービンへのスチーム流を参照する。15における分離された塩水の圧力は、ポンプなしで16において地へ再度注入されることができるように増加されることができる。地熱井戸は17に示されている。
結合された液体とガス流とを含む幾つかのプロセスはそれぞれ連続する圧力レベルで分離を行う幾らかの連続する圧力の減少を必要とする。図２で示されているように、１例は高圧力井戸からのオイルおよびガスの生成である。20における２相流動は21〜24で示されている幾らかの圧力でフラッシュされ、それぞれの圧力は先行する圧力よりも低い。各フラッシュで、ガスは液体から分離され、それによって再圧縮されることができる。21ａ〜24ａにおけるガス放出が28で放出される再圧縮段25乃至27に接続されていることを参照する。分離された液体は実質上より低い圧力へフラッシュされ、放出されたガスは再度分離される（液体ライン30〜33を参照）。
多段の２相フラッシュを必要とする別のプロセスは原動機からの廃熱を有用なパワーへ変換することである。図３は排気流から蒸気流体への熱の伝導を示している（曲線Ａ）。蒸気流体の一定の温度範囲は、各店（例えばTr）におけるエネルギ変換効率は、エネルギ変換が排気温度Ｔで発生するときに達成される効率よりも非常に低いことを意味している。熱要素dQをパワーへ変換するためのカルノー効率ηｃは図３の蒸気ボトミング（bottoming）サイクルでは次式のようになる。
ηｃ＝１−T3/Tr
熱いガス温度Ｔで動作するサイクルのカルノー効率は次式で与えられる。
ηｃ＝１−T3/T
幾らかの圧力で蒸気を発生しそれによって多数の圧力蒸気タービンを動作するために液体が加熱され（曲線Ｂ）数回フラッシュされるならば、廃熱からパワーへのより効率的な変換が可能である。
図４はこの原理で動作するパワーサイクルを示している。液体はダクト99の102乃至103の排気スチームからの熱により熱交換器119で113から104へ流れることにより加熱される。液体は多段の２相タービン114（後に説明する）で105で低圧力へフラッシュされる。タービンからの蒸気はスーパーヒータ120を通って流れ、106でより高温に加熱される。蒸気はその後蒸気タービン115の入口へ送られる。
多数の２相タービン内の圧力において分離された液体は107で低圧力にフラッシュされる。蒸気は圧力107で分離され、蒸気タービン115の導入ポート115ａへ送られる。分離された液体は多段の２相タービン内で108でさらに低圧力へフラッシュされる。蒸気は圧力108で分離され、蒸気タービンの別の導入ポート115ｂへ送られる。
蒸気タービン115内の混合された蒸気流は109で出口圧力へ膨張される。蒸気流はコンデンサ116で凝縮され、ミキサ117へポンプで送られる。
108で分離された液体は意図的に加圧され、118で伝送され、ミキサ117へ流れ、ここでこれは凝縮された蒸気と混合される。結果的な液体流は液体熱交換装置119へポンプで戻される。
ある応用では、液体熱交換器119は加熱された液体と蒸気の混合物を104で発生するために使用され、この混合物は多段の２相タービン114へ送られ、105で低圧力にフラッシュされる。
図４で示されているパワーサイクルで使用された多段の２相タービンが図５に示されている。ガスおよび液体混合物またはフラッシュされる流体はポート234を通ってノズル213へ導入される。圧力はノズル中で減少されガスおよび液体混合物を加速し、それによって201における高速度の２相のジェットを形成する。ジェットは、液体を液体層203中へ分離する多段ロータ215の回転セパレータ部材214へ衝突する。
接線方向のジェット速度が回転セパレータ部材214の周方向速度よりも大きいならば、液体の速度は部材との摩擦結合により減少され、パワーはロータへ転送される。接線速度が小さいならば、液体速度は部材との摩擦結合により増加され、パワーはロータから転送される。この機構は、ロータの１つの段の高速度ジェットからパワーを発生してロータの別の段の液体速度を増加するために使用される方法を与え、ここではジェット速度は低くてもよい。
分離されたガスはガスブレード221を通って第１の出口ポート202へ流れる。示されている軸方向のガスブレードはガスの運動エネルギをロータのパワーへ変換する。
第１の回転セパレータからの分離された液体はスコップ216へ流れ、パイプ204と、第１と第２の段の間のダイヤフラム中の通路217を通ってノズル205に転送される。圧力はノズル中で次の段の圧力へ低下される。高速度の２相ジェット218が形成され、これは第２の段のセパレータロータ219に衝突する。分離された液体は層220を形成する。分離されたガスはガスブレード206を通過して流れ、パワーをロータへ転送し、実質上第２の段のポート207を出る。
第２の回転セパレータからの分離された液体はスコップ222へ流れ、パイプ208により第２と第３の段の間のダイヤフラムの通路へ供給される。通路は液体をノズル224へ供給し、ここで液体は高速度ジェット209を形成する第３の段の圧力へフラッシュされる。２相ジェットは第３の段のセパレータロータ225に衝突する。液体は分離して層226を形成する。分離されたガスはガスブレード210を通過して流れ、ロータへパワーを転送する。その後、ガスは第３の段のポート211を通って放出される。
分離された液体はスコップ227へ流れ、これは流入速度よりも低速度に液体速度を減速するような外形にされ、圧力の増加を行う。液体はパイプ212を通って液体出口ポート218へ誘導される。
回転構造215、シャフト233、セパレータモータ214、219、225は共に固定され、全ては同一速度で一体として回転する。シール229、230はガスが漏洩しないように密封するために各端部に設けられている。シール231、232はガスが高圧力の段から低い圧力の段へ漏洩しないように密封するため各ダイヤフラムに設けられている。
スコップまたは拡散装置の詳細が図６に示されている。分離された液体層301がスコップ302に入る。スコップ構造303はダイバージング範囲を特徴とし、この場合、液体速度は302の流入値よりも低い値に減速される。
液体は通路304に流入し、通路へ接続されているノズル305へ流れる。圧力はノズル中で減少され、液体をフラッシュさせ、306で２相ジェットを形成する。２相ジェットは次の段の回転セパレータ表面307に衝突し、液体層308を形成する。分離されたガスはガスブレード309を通過して流れる。
図２で示されている複雑なオイルおよびガスのプロセスは図７で示されている単一の多段２相タービンにより置換され、必要な装置を簡単にしその寸法を非常に減少している。
オイル、ガス、水の高圧力の混合物は入口ポート（１）’を通って装置へ導入される。混合物は通路（２）’を通って２相のノズル（３）’へ流れる。
圧力はノズル中で減少され、混合物を加速させ、オイル中の付加的な軽い成分を蒸発させる。２相のジェット（４）’が形成される。ジェットは第１の段の回転セパレータ表面（５）’の回転表面に衝突する。図５で示されているようにエネルギ転送が生じる。
液体はオイルおよび水の層を形成する。軽いオイルは表面上に層を形成し、通路（８）’を通って支持ディスク（10）’の反対側へ流れる。オイルはオイル層中に沈んでいるスコップ（９）’により集められる。
オイルよりも高い密度を有する水は回転セパレータ（11）’の外部部分（７）’へ遠心分離される。合体構造（12）’はオイルからの水の分離を行うために設けられている。遠心力によって、水は高圧力で液体ノズル（13）’を通って膨張し、通路（14）’を通って環状体（15）’へ流れる。水はタービンから出口ポート（16）’を通って流れる。ノズル（13）’を出る水ジェットからの反作用力はパワーをロータへ伝達する。
分離された水を除去する別の方法が図７ａに示されている。拡散装置401は全体的に水層402に水没されている。水は入口の寸法とスロットルバルブにより制御される速度でチューブ403から流れ出る。この方法は任意の段で使用されてもよい。
図７を参照すると、分離されたガスがガスブレード（17）’を通って流れ、これは示されているように放射状の流入または軸方向の流れであり、出口ポート（18）’を通ってタービンを出る。ガスの運動エネルギと圧力はガスブレードによりロータのパワーに変換される。
第１の段からの分離されたオイルは拡散装置（９）’から通路（19）’へ流れ、これは２相のノズル（20）’へ流れを伝播する。流れはノズルで第２の段の圧力にフラッシュされ、オイルの付加的な軽い成分を蒸発させ、２相ジェット（21）’を形成させる。ジェットはオイルの層を形成する第２の回転セパレータ構造（23）’の表面（22）’に衝突する。オイルは通路（24）’を通って支持ディスク（25）’の反対側へ流れる。オイルはオイル層中に沈んだ拡散装置（26）’の入口へ入る。オイルは通路（27）’へ流れ、これはノズル（28）’へ与えられる。
依然としてオイルに混じっている水は、第２の段の回転セパレータの外部部分（30）’で遠心分離される。高圧力の水は液体ノズル（31）’を通って膨張され、通路（32）’を通って渦形室（33）’へ流れる。分離された水は続いて第２の段の水出口ポート（34）’を経てタービンを通って流れる。分離されたガスはタービンから第２の段のガス出口ポート（35）’を通って流れる。
第２の段からのオイルは第３の段のノズル（28）’中で第３の段の圧力へ膨張される。オイルの残りの軽い成分はフラッシュし、２相ジェット（29）’を形成する。
ジェットはオイルの層を形成する第３の回転セパレータ構造（37）’の表面（36）’に衝突する。オイルは通路（39）’を通って支持ディスク（38）’の反対側へ流れる。オイルはオイル層中に沈んだ拡散装置（40）’の入口に入る。オイルは拡散装置の構造（41）’の入口速度を減速することにより加圧される。加圧されたオイルはオイル出口ポート（42）’を通ってタービンを出る。
オイルに依然として混じっている水は第３の段の回転セパレータの外部部分（43）’で遠心分離される。高圧力の水は液体ノズル（44）’を通って膨張され、通路（45）’を通って渦形室（46）’へ流れる。分離された水は実質上第２の段の水出口ポート（47）’を経てタービンを通過して流れる。分離されたガスはタービンから第３の段のガス出口ポート（54）’を通過して流れる。
オイル、ガス、水の多段の２相タービンはガスが容器から漏洩することを防止するために各シャフト（55）’の端部にシール（48）’と（49）’を有する。装置は高圧力段から低圧力段へのガス漏洩を減少するため段間のダイヤフラム（52）’と（53）’にシール（50）’と（51）’を有する。
２相ノズルジェット（４）’、（21）’、（29）’の接線速度がセパレータ表面（６）’、（22）’、（36）’、の周辺速度よりも大きい段に対しては液体により、および少なくとも第１の段の分離されたガスエネルギからパワーがロータに転送される。任意の段の接線速度がセパレータ表面の周速度よりも少ないならば、パワーはロータから液体へ転送される。
誘導型発電機はシャフト（55）’へ接続されることができる（発電機80を参照）。ステータからロータへの実質上のパワー転送が行われるならば、パワーは81で発生される。パワー転送が行われないならば、発電機は82でパワー入力を必要とし、所望の周速度を維持するためモータとして動作する。パワー入力制御は83で示されている。
図８ではロータリセパレータタービン503がガスまたはオイル井戸517の開口に設けられている。501におけるガスとオイルおよび／または水からなる２相の流体は入口ポート502を通ってロータリセパレータタービンへ流れる。図５と図７で示されているように、流体は膨張され、１以上の段で分離される。
２段装置の分離された水およびその他の液体509と510は流入する流体501の圧力よりも高い圧力でパイプ511、512を通って放出される。分離された水および液体は層518の別の部分にパイプで送られ、流入する流体501の圧力よりも高い圧力519で放出される。２つの層はシール520により分離される。514、515における分離されたオイルは幾らかでもあれば513、515で表面へパイプで送られる。505、506の分離されたガスは507で表面へパイプで送られる。発生されるパワーはケーブル516を通って表面へ送られてもよい。２相流体501の圧力はシール504により井戸521の低圧力領域から隔離されることができる。
図９に示されている別の変形では、505'と509'の分離された水はロータリセパレータタービンを出て、510'と511'で表面または別の位置へパイプで送られ、廃棄される。
図10では、多段の２相タービン604は支持体619上の保護容器620内で海底601に設けられる。ガスとオイルおよび／または水および／または砂603の混合物は井戸のヘッド602からロータリセパレータタービン604へ流れる。図７で示されるように、流体は１以上の段で膨張される。（３段の）分離されたガス605、607、609は多段の２相タービンを離れ、606、608、610で放出点またはコンプレッサへパイプで送られる。621の分離されたオイルは622で伝送点へパイプで送られる。
611、613、615における分離された水および／または固体は廃棄されるために612、614、616でパイプで送られる。多段の２相タービン装置は発電機617を駆動する。パワーはケーブル618によって表面または保護容器620内のその他の素子またはパワーを必要とするところへ転送される。
図10と類似している図11では、多段の２相タービンは発電機の代わりにガスコンプレッサ623を駆動する。ガス流は各圧力低下により内部で膨張される。609で最後の段を出るガスは外部または内部通路610を通ってガスコンプレッサ623へ流れる。コンプレッサは圧力を増加させ、高圧力の出口ガス624はパイプ625を通って放出点へ流れる。
サブ表面井戸の多成分流体混合物を処理しロータリセパレータを使用する本発明の形態である図８により考察される動作の通常方法は、
ａ）混合物を受けるため、ある深さの井戸中にセパレータを配置し、
ｂ）少なくとも１つの混合物成分を分離し加圧するためセパレータを動作し、
ｃ）井戸の加圧され分離された成分をセパレータから離れるように流すステップを含んでいる。
１つの成分は典型的に以下のもののうちの１つからなる。
ｉ）ガス、
ii）液体、
iii）水、
iv）炭化水素ガス、
ｖ）炭化水素の液体
配置ステップにおいては示されているように動作する深さまで井戸中でセパレータ503を下降させ、パイプストリングはセパレータとの動作に関連して下降され、分離された成分をパイプストリングで上方向に流す。このようなストリングは515、505、506、507、513で示されている１以上のストリングを含んでいる。このようなストリングの上限は降下手段の１形態を構成するものと考慮されてよい。
この方法はまた、成分を井戸が位置される構成部分へ圧力下で流すことを含むように流動ステップも考慮している。
先に参照したように、前述の方法で使用可能なロータリセパレータは流体を加速するノズル手段を含んでおり、それによって２相ジェットを形成し、動作ステップは２相ジェットにより発生される少なくとも１つの相を回復することを含んでいる。
また動作ステップはジェットにより発生された別の相を遠心分離するように加圧することを含んでもよい。503のロータリ構造は501の入口流体の圧力により便宜的に駆動されるものと考慮されてよい。
先に参照した米国特許明細書は本明細書において文献とされる。

Claims (11)

1. 入口および出口をそれぞれ有する流体を受ける１以上の段を具備した多段の２相タービンであって、
   ａ）２相ジェットを形成するためガスおよび液体の混合物からなる前記流体を加速するように各段への入口にあるノズルと、
   ｂ）回転する出力シャフトを有し、液体流の運動エネルギをシャフトパワーへ変換するロータと、
   ｃ）分離された液体を少なくとも１つの段から除去し、これを次の段のノズルへ転送する管と、
   ｄ）分離された液体を最後の段から除去し、これを第１の出口構造へ転送する管と、
   ｅ）分離されたガスを少なくとも１つの段から除去し、これを第２の出口構造へ転送するガスポートとを備え、
   前記ロータは各段に２相ジェットを受け２相ジェットをガス流と回転する液体層とに遠心分離するセパレータを含む、多段の２相タービン。
2. 前記セパレータは少なくとも１つの段に、ガス流の運動エネルギをシャフトパワーへ変換するためのブレードを含む請求項１記載のタービン。
3. 前記ブレードは軸流ブレードである請求項２記載のタービン。
4. 少なくとも１つの段に、分離された液体層の運動エネルギを圧力として再生するための液体スコップをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のタービン。
5. 前記段を分離するダイヤフラムをさらに備えることを特徴とし、前記ノズルは前記ダイヤフラムの一体部分である請求項１乃至４いずれか１項記載のタービン。
6. 前記セパレータは、分離された液体流の２つの成分を少なくとも１つの段から分離し、それぞれの前記液体成分を前記段から別々に除去するための通路を含む請求項１乃至５いずれか１項記載のタービン。
7. 分離されたガスを少なくとも１つの段から除去し、これを次の段のノズルへ転送する管をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のタービン。
8. ２つの液体成分のうちの重い方を少なくとも１つの段から除去するように位置されている拡散装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載のタービン。
9. ２つの液体成分のうちの重い方を少なくとも１つの段から除去するための液体流を受けるノズルをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載のタービン。
10. 分散した液体成分を少なくとも１つの段のセパレータの連続的相へ合体するための構造をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載のタービン。
11. ａ）液体および／または液体と蒸気の混合物からなる流体へ補助的な熱いガス流から熱を転送し、入口を有する熱交換装置と、
    ｂ）少なくとも１つの前記段のノズルへ前記流体を誘導する管と、
    ｃ）分離されたガスを入口ポートを有する蒸気タービンへ異なった圧力で誘導する管と、
    ｄ）コンデンサと、
    ｅ）蒸気タービンからの蒸気を前記コンデンサへ誘導する管と、
    ｆ）ポンプと、
    ｇ）コンデンサからの圧縮物を前記ポンプへ誘導する管と、
    ｈ）ミキサと、
    ｉ）ポンプからの加圧された液体を前記ミキサへ誘導する管と、
    ｊ）前記分離された液体を、混合された液体流を発生するように動作する前記ミキサへ誘導する管と、
    ｋ）混合された液体流を熱交換装置の前記入口へ誘導する管とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至10いずれか１項記載のタービン。

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