KR100430506B1 - 다단2상터빈과분리장치및다수성분의유체혼합물처리방법 - Google Patents

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Abstract

다단 2상 터빈(10)은 2상 제트를 형성하도록 유체를 받아들이는 다단을 갖고; 각각의 단은 입구 및 출구를 갖고, 입구 및 출구는 각각의 단에의 입구에 노즐을 갖고, 이에 의해 가스 및 액체의 혼합물로 이루어지는 유체를 가속하여 2상 제트를 형성하고, 회전 분리기 구조체는 2상 제트를 받아들여 이를 각각의 단에서 가스 흐름(12)과 액체 흐름(15)으로 분리시키고, 터빈은 회전 출력축을 갖고, 액체 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 변환시키는 구조체(11)가 설치되어 있고; 구조체는 분리된 액체를 하나 이상의 단으로부터 제거하여 제 2 배출 구조체로 이송한다.

Description

다단 2상 터빈과 분리 장치 및 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법
상기의 다단 특성을 갖는 개량된 2상 터빈의 필요성이 존재한다. 이와 같은 터빈이 사용되는 개량된 프로세스(process)의 필요성이 존재한다.
본 출원은 1995년 1월 26일자 출원의 미국 특허출원 제 08/378,733 호의 부분계속출원이고, 이는 1992년 5월 5일자 출원의 미국 특허출원 제 07/878,605 호의 부분계속출원이고, 현재 미국 특허 제 5,385,446 호의 명세서이다.
본 발명은 일반적으로 2상 터빈에 관한 것이며, 특히 가스 및 액체의 입력 혼합물에 의해 구동되고, 하나 이상의 팽창물의 가스 및 액체 상(phase)의 성분을 동시에 분리시키면서 축동력(shaft power)을 발생시키며, 또한 분리된 액체 상의 성분의 압력을 증가시킬 수 있는 개량된 다단 단일 회전자 터빈(multistage, single rotor turbine)에 관한 것이다.
도 1은 지열 유체(geothermal fluid)로부터 동력을 발생하기 위한 2상 터빈의 사용하는 시스템을 도시하는 블록도.
도 2는 4 단의 압력 감압에 의한 고 생산율의 오일 및 가스 프로세스를 도시하는 시스템의 블록도.
도 3은 열전달 대 온도, 폐열 바터밍 사이클(bottoming cycle)의 그래프.
도 4는 증기 터빈 및 발전기를 갖는 다단 2상 터빈의 연결을 도시하는 시스템 블록도.
도 5는 다단 2상 터빈올 통해 취한 축방향 단면도.
도 6은 다단 2상 터빈의 확산기 및 노즐 구조체를 통해 취한 단면도.
도 7a은 두 개의 분리된 액체 흐름 성분의 공정에 의해 특징되는 다단 2상 터빈을 통해 취한 축방향의 단면도.
도 7b는 물에 대한 확산기(diffuser for water)를 갖는 회전자의 상세부를도시하는 부분 단면도.
도 7c는 물에 대한 액체 노즐을 갖는 회전자의 상세부를 도시하는 부분 단면도.
도 8은 분리된 물이 필드(field)의 다른 부분에 주입되도록 오일 및 가스 웰의 구멍에 다단 또는 단일 단의 2상 터빈을 설치한 구조의 축방향 부분 단면도.
도 9는 분리된 물이 표면으로 이송되도록 오일 및 가스 웰의 구멍에 다단 또는 단일 단의 2상 터빈을 설치한 구조의 축방향 부분 단면도.
도 10은 해저(sea floor)에 설치되며 분리된 가스, 오일 및 물 흐름을 만들며, 오일 및 가스 웰로부터 동력을 발생시키는 다단 또는 단일 단의 2상 터빈을 도시하는 시스템 블록도.
도 11은 해저에 설치되며, 오일 및 가스 웰로부터 분리된 가스, 오일 및 물 흐름을 발생시키고 고압력 가스를 발생시키기 위해 가스 압축기를 구동시키는 다단 또는 단일 단의 2상 터빈을 도시하는 시스템 블록도.
본 발명의 주요 목적은 상술한 필요성을 만족하기 위해 사용되는 개량된 터빈 구조 및 프로세스를 제공하는 것이다. 기본적으로, 개량된 다단 2상 터빈은 유체를 받아들이는 하나 이상의 단을 가지며, 각각의 단은 입구 및 출구를 가지고,
a) 2상 제트(two-phase jet)를 형성하기 위해 가스 및 액체의 혼합물로 이루어지는 유체를 가속하도록 각 단(stage)에의 입구에 존재하는 노즐과,
b) 2상 제트를 받아들여 이를 각각의 단에서 가스 흐름(gas stream) 및 액체 흐름으로 분리시키는 회전 분리기 구조체(rotating separator structure)와,
c) 회전 출력축을 가지며 액체 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 변환시키는 수단이 존재하는 터빈과,
d) 분리된 액체를 하나 이상의 단으로부터 제거하여 이를 다음 단의 노즐로 전송하는 수단과,
e) 분리된 액체를 마지막 단으로부터 제거하여 이를 제 1 출구 구조체에 전송하는 수단과,
f) 분리된 가스를 각각의 단으로부터 제거하여 이를 제 2 출구 구조체로 전송하는 수단과, 또는
g) 분리된 가스를 각각의 단으로부터 제거하고 이를 다음 단의 노즐로 전송시키는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 이와 같은 터빈을 제공하는 것이며, 하나 이상의 단에서의 가스 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 변환시키는 수단을 포함한다. 또한, 수단은 분리된 액체 흐름의 운동 에너지를 압력으로서 회복시키는 하나 이상의 단에서 사용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 전환시키는 하나 이상의 회전 분리기 구조체에 결합되는 터빈의 축류 블레이드(axial flow blade)를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단을 분리시키는 수단을 설치하는 것을 포함하며, 여기서 노즐은 상기 수단과 일체인 부분이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분리된 액체 흐름의 두 성분을 하나 이상의 단으로부터 분리시키고, 각각의 액체 성분을 단으로부터 개별적으로 제거하는 수단을 설치하는 것을 포함한다. 이와 관련하여, 확산기가 무거운 하나 이상의 단에서 두 액체 성분 중 무거운 쪽을 제거하거나, 또는 액체 흐름을 받아들이는 노즐이 하나 이상의 단으로부터 두 액체 성분 중 무거운 쪽을 제거하기 위해 사용되어도 된다. 부가적으로, 구조체는 분산된 액체 성분을 하나 이상의 단의 회전 분리기 구조체 중에서 연속 상(continuous phase)으로 합하도록(coalsece) 제공될 수 있다.
개량된 터빈은 지열 웰(geothermal well)로부터 흐르는 증기(steam)와 염수(brine)의 혼합물의 압력에 하나 이상의 연속적인 감압(減壓)을 필요로 하는 프로세스에 사용될 수도 있다. 참조된 터빈은 증기를 분리시키면서 동력을 만들 수 있어, 종래의 증기 터빈에서보다 낮은 압력하에서 사용될 수 있다. 분리된 염수의 압력은 펌프없이 땅으로 재주입될 수 있도록 증가될 수 있다.
또한, 터빈은 결합된 액체 및 가스 흐름이 각각의 연속적인 압력 레벨에서 분리를 행하는 압력에 몇 번의 연속적인 감압을 필요로 하는 프로세스에 사용될 수 있다. 일례로는 고압력 웰로부터의 오일 및 가스의 생산이 있다. 2상 흐름은 각각 이전의 압력보다 낮은 몇 개의 압력에서 증발(flash)된다. 각각의 증발에서 가스는 액체로부터 분리되어, 재압축될 수 있다. 그 후에, 분리된 액체는 보다 낮은 압력에서 증발되고, 방출된 가스(evolved gas)가 다시 분리된다.
또한, 터빈은 원동기로부터의 폐열을 이용가능한 동력으로 변환하기 위해 다수의 2상 증발을 필요로 하는 프로세스에 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 만약 다수의 압력 증기 터빈을 동작시키기 위하여 액체가 몇 개의 압력에서 증기를 발생시키도록 가열되어 여러번 증발되면, 폐열로부터 동력으로 보다 효과적으로 변환될 수 있다.
본 발명의 상술한 목적과 효과 및 다른 목적과 효과와, 도시된 실시예의 상세한 부분은 하기의 명세서와 도면으로부터 보다 충분하게 이해될 것이다.
액체로부터 가스를 분리시키고 동시에 분리된 액체 상의 압력을 증가시키면서 가스와 액체의 혼합물로부터 동력을 발생시키도록 단일 회전자(single rotor) 터빈이 개발되어 있다. 이 터빈은 가스 및 액체의 혼합물의 압력에서의 일회의 감압으로 동력을 발생한다.
일 예는 도 1에 도시된 바와 같이, 지열 웰로부터 흐르는 증기 및 염수의 혼합물의 압력의 감압이다. 참조된 터빈(10)은 증기를 분리하면서 동력을 발생하기위해 발전기(11)를 구동하며, 이 동력은 종래의 증기 터빈의 보다 낮은 압력에서 사용될 수 있다. 도면부호 12에서의 증발 탱크(13; flash tank)로 가는 증기 흐름과, 도면부호 14에서의 증기 터빈으로 가는 증기 흐름을 참조하라. 도면부호 15에서의 분리된 염수의 압력은 펌프없이 도면부호 16에서 땅에 재주입될 수 있도록 증가될 수 있다. 지열 웰은 도면부호 17로 도시되어 있다.
혼합된 액체와 가스의 유동을 포함하는 몇 개의 프로세스가 연속적인 각각의 압력 레벨에서 분리를 행하면서 몇 번의 연속적인 감압을 필요로 한다. 도 2에 도시된 바와 같은 일예는, 고압력 웰로부터의 오일 및 가스의 생산하는 것이다. 도면부호 20에서의 2상 유동은 도면부호 21 내지 도면부호 24에 도시된 몇 번의 압력에서 증발되고, 각각의 압력은 선행하는 압력보다 더 낮다. 각각의 증발시에, 가스는액체로부터 분리되어 재압축될 수 있다. 도면부호 21 a 내지 24 a 의 가스 방출이 도면번호 28에서 방출되는 재압축 단(25 내지 27)에 연결된 것을 참조하라. 상기 분리된 액체는 실질적으로 낮은 압력에서 증발되고, 방출된 가스는 다시 분리된다. 액체 라인(30 내지 33)을 참조하라.
다수의 2상 증발(two-phase flash)를 필요로 하는 다른 프로세스는 원동기로부터의 폐열을 유용한 동력으로 변환하는 것이다. 도 3은 배기류(exhaust stream)로부터 증발되는 유체로의 열전달(곡선 A)을 도시한다. 증발하는 유체의 일정온도 영역은 배기 온도(T)에서 에너지 전환이 이루어질 때 얻을 수 있는 효율보다, 각 지점(예를 들면 Tr)에서의 에너지 전환 효율이 매우 낮다는 것을 의미한다. 단위열(dQ)을 동력으로 변환하는 카르노(carnot) 효율()은 도 3의 증기 바터밍 사이클에 대해이다.
고온 가스 온도(T)에서 작동하는 사이클에 대한 카르노 효율은이다. 몇 개의 압력에서 증기를 발생하여 다수의 증기 터빈을 작동시키기 위해 액체가 가열되어(커브B) 여러번 증발되면, 폐열로부터 동력으로 보다 효율적인 변환이 가능하다.
도 4는 이 원리로 작동하는 동력 사이클을 도시한다. 액체는 도관(99; duct)에서 지점(102)으로부터 지점(103)으로 흐르는 배출 증기(101)로부터의 열에 의해 열교환기(119)에서 지점(113)으로부터 지점(104)으로 흐르는 것에 의해 가열된다. 액체는 다단 2상 터빈(114; 후술함)의 지점(105)에서 저압으로 증발된다. 터빈으로 부터의 증기는 슈퍼 히터(120; superheater)를 거쳐 흘러, 지점(106)에서 고온으로 가열된다. 그런 다음, 증기는 증기 터빈(115)의 입구로 이송된다.
다단 2상 터빈의 제 1 단 내의 압력에서 분리된 액체는 지점(107)에서 더 낮은 압력의 증기로 증발된다. 증기는 지점(107)에서 분리되어 증기 터빈(115)의 안내 포트(115 a )로 이송된다. 다단 2상 터빈의 제 2 단으로부터의 분리된 액체는 지점(108)에서 더 낮은 압력으로 증발된다. 증기는 지점(108)의 압력에서 분리되어 증기 터빈의 다른 안내 포트(115 b )로 이송된다.
증기 터빈(115)내의 혼합된 증기 유동은 지점(109)에서 배출 압력으로 팽창된다. 증기 유동은 응축기(116)에서 액화되어 혼합기(117)로 펌핑된다.
분리된 액체는 내부적으로 가압되어 도면부호 118에 전달되고, 혼합기(117)로 유동하고, 여기서 응축된 증기와 혼합된다. 그 결과로서 생기는 액체 유동은 액체 열교환기(119)로 펌프에 의해 복귀된다.
몇몇 용도에서, 액체 열교환기(119)는 가열된 액체와 증기의 혼합물을 지점(104)에서 만들도록 사용되고, 이 혼합물은 다단 2상 터빈(114)으로 이송되어 도면부호 105에서 더 낮은 압력으로 증발된다.
도 4에 도시된 동력 사이클에 사용되는 다단 2상 터빈이 도 5에 도시어 있다. 가스 및 액체의 혼합물, 또는 증발되는 액체(flashing liquid)는 포트(234)를 거쳐서 노즐(213)로 유입된다. 압력은 노즐에서 감소되어 가스 및 액체 혼합물을 가속하고, 이에 의해 도면부호 201에서의 고속의 2상 제트를 형성한다. 상기 제트는 액체를 액체층(203) 중으로 분리시키는 다단 회전자(215)의 회전 분리기 부재(214)에 충돌한다.
만약 제트의 접선방향 속도가 회전 분리기 부재(214)의 원주방향 속도보다 크다면, 액체 속도는 부재와의 마찰 우력(frictional coupling)에 의해 감소되며, 동력은 회전자에 전달된다. 접선방향 속도가 작다면, 액체 속도는 부재에 대한 마찰 우력에 의해 증가되며, 동력은 회전자로부터 전달된다. 이러한 메커니즘은 회전자의 하나의 단에서 고속의 제트로부터 동력을 만들어, 이를 회전자의 다른 단에서 액체 속도를 증가시키기 위해 사용하는 방법을 제공하며, 여기서 제트의 속도는 낮아도 된다.
분리된 가스는 가스용 블레이드(221)를 거쳐서 제 1 배출 포트(202)로 흐른다. 도시된 축방향의 가스용 블레이드는 가스의 운동 에너지를 회전자의 동력으로 변환한다.
제 1 회전 분리기로부터의 분리된 액체는 흡입구(216; scoop)로 흘러서, 도관(204)과 제 1 및 제 2 단 사이의 다이어프램(diaphragm)중의 도관(217)을 거쳐 노즐(205)로 전달된다. 압력은 노즐에서 다음 단의 압력으로 낮아진다. 고속의 2상 제트(218)가 형성되고, 이는 제 2 단의 분리기의 회전자(219)에 충돌한다. 분리된 액체는 층(220)을 형성한다. 분리된 가스는 가스용 블레이드(206)를 거쳐서, 회전자에 동력을 전달한 후에, 제 2 단계의 포트(207)를 나온다.
제 2 회전 분리기에서 분리된 액체는 흡입구(222)로 흐르며 파이프(208)에 의해 제 2 및 제 3 단 사이의 다이어프램의 통로로 공급된다. 통로는 액체를 노즐(224)에 공급하며, 여기서 액체는 고속 제트(209)를 형성하는 제 3 단의 압력으로 증발된다. 2상 제트는 제 3 단의 분리기의 회전자(225)에 충돌한다. 액체는 분리되어 층(226)을 형성한다. 분리된 가스는 가스용 블레이드(210)를 거쳐서 흐르면서 회전자에 동력을 전달한다. 그런 다음, 가스는 제 3 단의 포트(211)를 거쳐 방출된다.
분리된 액체는 흡입구(227; scoop)로 흐르며, 이는 유입 속도보다도 낮은 속도로 액체 속도를 감속하도록 하는 외형으로 되어 있어, 압력을 증가시킨다. 액체는 도관(212)을 거쳐 액체 배출 포트(218)로 이송된다.
회전 구조체(215), 축(233), 및 분리기의 회전자(214, 219, 225)는 함께 고정되며, 모두 동일한 속도에서 일체로 회전한다. 실(229, 230; seal, 밀봉부)은 가스가 누설되지 않도록 밀봉하기 위해 각각의 단부에 설치된다. 실(231, 232)은 가스가 고압의 단으로부터 낮은 압력의 단으로 누설되지 않도록 밀봉하기 위해 각각의 다이어프램에 설치된다.
흡입구 또는 확산기 장치의 상세한 부분이 도 6에 도시되어 있다. 분리된 액체층(301)이 흡입구(302)로 유입한다. 흡입구 구조체(303)는 확산 영역(diverging area)을 특징으로 하며, 이 경우에 액체 속도는 도면부호 302에서의 유입값보다도 낮은 값으로 감속된다.
액체는 통로(304)에 유입하여, 통로에 상호 연결된 노즐(305)을 향해 흐른다. 압력은 노즐 중에서 감소되어, 액체를 증발시켜 도면부호 306에서 2상 제트를 형성한다. 2상 제트는 다음 단의 회전 분리기의 표면(307)에 충돌하여, 액체층(308)을 형성한다. 분리된 가스는 가스용 블레이드(309)를 거쳐 흐른다.
도 2에 도시된 복잡한 오일 및 가스의 프로세스는 도 7a에 도시된 단일의 다단 2상 터빈으로 대체되어, 필요한 장치를 간단하게 하고 그 치수를 매우 감소시킬 수 있다.
오일, 가스 및 물의 고압의 혼합물은 유입 포트(1)'를 거쳐 장치에 도입된다. 상기 혼합물은 통로(2)'를 거쳐 2상 노즐(3)'로 흐른다.
압력은 노즐 중에서 감소되어 혼합물을 가속시키고, 오일 중의 부가적인 가벼운 성분을 증발시킨다. 2상 제트(4)'가 형성된다. 제트는 제 1 단의 회전 분리기 표면(5)'의 회전면에 충돌하고, 도 5에서 설명한 바와 같이 에너지 전환이 발생한다.
액체는 오일 및 물의 층을 형성한다. 가벼운 오일은 표면상에 층을 형성하고 통로(8)'를 거쳐 지지 디스크(10)'의 반대측으로 흐른다. 오일은 오일층에 잠겨 있는 흡입구(9)'에 의해 채집된다.
상기 오일보다도 높은 밀도를 갖는 물은 회전 분리기(11)'의 외측 부분(7)'으로 원심 분리된다. 합체 구조체(12)'가 오일로부터 물을 분리하기 위해 설치되어 있다. 원심력에 의해, 물은 고압으로 액체 노즐(13)'을 거쳐 팽창하고, 통로(14)'를 거쳐서 환형체(15)'(annulus)로 흐른다. 물은 터빈으로부터 배출 포트(16)'를 거쳐서 흐른다. 노즐(13)'을 떠난 물 제트로부터의 반작용력은 동력을 회전자에 전달한다.
분리된 물을 제거하는 다른 방법이 도 7b에 도시된다. 확산기(401)는 완전히 수층(402; water layer)에 잠긴다. 물은 입구 치수 및 스로틀 밸브에 의해 제어되는 속도로 튜브(403)로부터 흘러나온다. 이 방법은 다른 단계에서 사용되어도 된다.
다시 도 7a를 참조하면, 분리된 가스는 가스용 블레이드(17)'를 거쳐서 흐르며, 도시된 바와 같이 방사형으로 유입되거나 축방향으로 흐를 수 있고, 배출 포트(18)'를 거쳐서 터빈에서 빠져나간다. 가스의 운동 에너지 및 압력은 가스용 블레이드에 의해 회전자에 동력으로 변환된다.
제 1 단에서 분리된 오일은 확산기(9)'로부터 통로(19)'로 흐르며, 2상 노즐(20)'로 흘러간다. 흐름은 노즐에서 제 2 단의 압력으로 증발되고, 오일의 부가적인 가벼운 성분이 증발되어 2상 제트(21)'가 형성된다. 제트는 오일층을 형성하는 제 2 분리기 구조체(23)'의 표면(22)'에 충돌한다. 오일은 통로(24)'를 통해 지지디스크(25)'의 반대측에 흐른다. 오일은 오일층 중에 잠긴 확산기(26)'의 입구로 유입한다. 오일은 통로(27)'로 유동하여 노즐(28)'에 공급된다.
오일에 여전히 동반(entrained)되어 있는 물은 제 2 단의 회전 분리기의 외측 부분(30)'에서 원심 분리된다. 고압의 물은 액체 노즐(31)'을 거쳐 팽창되고 통로(32)'를 거쳐 와류실(33)'(volute)로 유동한다. 분리된 물은 연속적으로 제 2 단의 물 배출 포트(34)'를 거쳐서 터빈을 통해 흐른다. 분리된 가스는 터빈으로부터 제 2 단의 가스 배출 포트(35)'를 거쳐서 흐른다.
제 2 단으로부터의 오일은 제 3 단의 노즐(28)'의 제 3 단의 압력으로 팽창된다. 오일의 남아 있는 가벼운 성분은 증발하여 2상 제트(29)'를 형성한다.
제트는 오일층을 형성하는 제 3 회전 분리기 구조체(37)'의 표면(36)'에 충돌한다. 오일은 통로(39)'를 거쳐 지지 디스크(38)'의 반대측으로 흐른다. 오일은 오일층 중에 잠긴 확산기(40)'의 입구로 유입한다. 오일은 확산기 구조체(41)'에서의 유입 속도를 감속하여 가압된다. 가압된 오일은 오일 배출 포트(42)'를 거쳐 터빈에서 빠져나간다.
여전히 오일에 동반된 물은 제 3 단의 회전 분리기의 외측 부분(43)'에서 원심 분리된다. 고압의 물은 액체 노즐(44)'을 거쳐 팽창하고 통로(45)'를 거쳐 와류실(46)'로 흐른다. 분리된 물은 이후에 제 2 단의 물 배출 포트(47)'를 거쳐서 터빈을 통해 흐른다. 분리된 가스는 터빈으로부터 제 3 단의 가스 배출 포트(54)'를 거쳐서 흐른다.
오일, 가스 및 물용 다단 2상 터빈은 용기로부터 가스가 누설되지 않도록 축(55)'의 각각의 단부에 실(48', 49')을 가진다. 장치는 고압 단으로부터 저압의 단으로의 가스의 누설을 감소시키기 위해 단 사이의 다이어프램(52', 53')에 실(50', 51')을 가진다.
2상 노즐 제트(4', 21', 29')의 접선 속도가 분리기 표면(6', 22', 36')의 원주 속도보다 큰 단에 대해서는 액체에 의해, 및 적어도 제 1 단의 분리된 가스 에너지로부터 동력이 회전자로 전달된다. 만약 임의의 단에서의 접선 속도가 분리기 표면의 원주 속도보다 작으면, 동력은 회전자로부터 액체로 전달된다.
유도형 발전기가 축(55)'에 연결될 수 있다. 발전기(80)를 참조하라. 만약 고정자(stator)로부터 회전자로의 순수 동력 전달(net power)이 존재하면, 동력은 도면부호 81에서 발생될 것이다. 그렇지 않으면, 발전기는 도면부호 82에 입력되는 동력이 필요하고, 원하는 원주 속도를 유지하기 위해 모터로서 작동할 것이다. 동력 입력의 제어가 도면부호 83에서 도시되어 있다.
도 8에서, 회전식 분리기 터빈(503)이 가스 또는 오일 웰의 구멍에 장착된다. 도면부호 501에서의 가스 및 오일 및/또는 물로 구성되는 2상 유동은 유입 포트(502)를 거쳐 회전식 분리기 터빈으로 흐른다. 도 5 및 도 7a에 나타낸 바와 같이, 흐름은 팽창되어 하나 이상의 단에서 분리된다.
2 단 장치의 분리된 물 및 다른 액체(509, 510)는 유입하는 유동(501)의 압력보다 큰 압력으로 파이프(511, 512)를 거쳐 방출된다. 분리된 물 및 액체는 층(518)의 다른 부분으로 파이프를 통해 이송되고, 유입하는 유동(501)의 압력보다높은 압력(519)으로 방출된다. 두 층은 실(520)에 의해 분리되어도 좋다. 도면부호 514 및 515에서의 분리된 오일(만약 있다면)은 도면부호 513 및 515에서 파이프를 통해 지면으로 이송될 수 있다. 도면부호 505, 506의 분리된 가스는 도면부호 507에서 지면으로 파이프로 이송될 수 있다. 발생된 동력은 케이블(516)을 통해 지면으로 전송될 수 있다. 2상 유동(501)의 압력은 실(504)에 의해 웰(521)의 낮은 압력 영역으로부터 격리될 수 있다.
도 9에 도시된 다른 변형예에서, 도면부호 505' 및 509'의 분리된 물은 회전식 분리기 터빈을 빠져나가 도면부호 510' 및 511'에서 지표면 또는 다른 위치로 파이프를 통해 이송되어 폐기된다.
도 10에서, 다단 2상 터빈(604)은 지지부(619)상의 보호 용기(620)내에서 해저(601)에 설치된다. 가스 및 오일 및/또는 물 및/또는 모래(603)의 혼합물은 웰 상부(602)로부터 회전식 분리기 터빈(604)으로 흐른다. 도 7에 도시된 바와 같이 유동은 하나 이상의 단에서 팽창된다. (3 단의) 분리된 가스(605, 607, 609)는 다단 2상 터빈을 빠져나가, 도면부호 606, 608 및 610에서 방출 지점 또는 압축기에 파이프를 통해 이송된다. 도면부호 621의 분리된 오일은 도면부호 622에서 이송 지점으로 파이프를 통해 이송된다.
도면부호 611, 613 및 615의 분리된 물 및/또는 고체는 폐기하기 위해 도면부호 612, 614 및 616에서 파이프를 통해 이송된다. 다단 2상 터빈 장치는 발전기(617)를 구동할 수 있다. 동력은 케이블(618)에 의해 지표면으로, 또는 보호용기(620) 내의 다른 구성요소로, 또는 동력을 필요로 하는 다른 곳으로 전송된다.
도 10과 유사한 도 11에 있어서, 다단 2상 터빈은 발전기 대신에 가스 압축기(623)를 구동한다. 가스 유동은 각각의 압력 강하에 의해 내부적으로 팽창된다. 도면부호 609에서 마지막 단을 나온 가스는 외부 또는 내부 통로(610)를 거쳐서 가스 압축기(623)로 흐른다. 압축기는 압력을 증가시키고, 고압의 배출 가스(624)는 파이프(625)를 거쳐서 방출 지점으로 흐른다.
지표면 하의 웰 내의 여러 성분의 유체 혼합물을 처리하는 본 발명의 도 8의 형태에서 고려되는 일반적인 작동 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 혼합물을 수용하기 위해 웰 내의 소정의 깊이에 분리기를 배치하는 단계와,
b) 하나 이상의 성분을 분리시켜 가압하기 위해 분리기를 작동시키는 단계와,
c) 웰의 가압되고 분리된 성분을 웰의 종방향에서 분리기로부터 멀어지도록 유동시키는 단계.
하나의 성분은 전형적으로 다음중 하나로 구성된다:
ⅰ)가스, ⅱ)액체, ⅲ)물, ⅳ)탄화수소 가스, ⅴ)탄화수소 액체.
배치 단계에서는 도시된 바와 같이, 작동 깊이까지 웰 안에서 분리기(503)를 하강시키고; 일련의 파이프(pipe string)가 분리기와의 작동에 관련하여 하강될 수 있고, 분리된 성분을 일련의 파이프로 상방향으로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 일련의 파이프는 도면부호 515, 505, 506, 507 및 513에 도시된 파이프들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 이와 같은 파이프의 상한(upper extent)은강하 수단의 하나의 형태를 구성하는 것으로 고려해도 된다.
또한, 이 방법은 유동 단계를 상기 성분을 웰이 위치되는 층(formation)에 압력 하에서 유동시키는 것을 포함하는 것으로 고려한다.
상기에 참조된 바와 같이, 상기 방법에 유용한 회전식 분리기는 유체를 가속하는 노즐 수단을 포함하고 있고, 이에 의해 2상 제트를 형성하고, 작동 단계(operating step)는 2상 제트에 의해 발생되는 하나 이상의 상(phase)을 회복하는 것을 포함한다.
또한, 작동 단계는 제트에 의해 발생된 다른 상을 원심 분리하도록 가압하는 것을 포함할 수 있다. 도면부호 503의 회전식 구조체는 도면부호 501의 유입 유체의 압력에 의해 효과적으로 구동되는 것으로 고려될 수 있다.
상기 참조된 미국 특허 명세서들은 본원에 참고문헌으로서 포함된다.

Claims (27)

  1. a) 2상 제트를 형성하기 위해 가스 및 액체의 혼합물로 구성되는 상기 유체를 가속시키도록 각각의 단으로의 입구의 노즐(213, 205, 224)과,
    b) 회전 출력축(233)을 가지며, 액체 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 변환하는 로터(214, 219, 225)를 갖는 터빈과,
    c) 분리된 액체를 하나 이상의 단으로부터 제거하여, 이를 다음 단의 노즐(205)로 이송하는 도관(204, 217)과,
    d) 분리된 액체를 마지막 단으로부터 제거하여, 이를 제 1 배출 구조체(outlet structure)로 이송하는 도관(212, 228)과,
    e) 분리된 가스를 하나 이상의 단으로부터 제거하여, 이를 제 2 배출 구조체로 이송하는 가스 포트(202, 207, 211)를 포함하는, 입구 및 배출구를 각각 가지며 유체를 수용하는 하나 이상의 단(stage)을 갖는 다단 2상 터빈에 있어서,
    상기 터빈은 2상 제트를 수용하여 이를 각각의 단에서 가스 흐름 및 회전하는 액체 층(203, 220, 226)으로 분리시키는 분리기 로터(214, 219, 225)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리기 구조체는 하나 이상의 단에서 가스 흐름의 운동 에너지를 축동력으로 변환하는 블레이드(221)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 블레이드(221)는 축류 블레이드인 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 분리된 액체층의 동적 에너지를 압력으로서 회복하기 위한 하나 이상의 단의 액체 흡입구(216, 222, 227)를 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 배리어가 상기 단들을 분리하고 상기 노즐(213, 205, 224)은 상기 배리어와 일체의 부품인 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 로터는 분리된 액체 흐름의 두 성분을 하나 이상의 단으로부터 분리하고, 각각의 상기 액체 성분을 상기 단으로부터 개별적으로 제거하기 위한 통로(9', 14')를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 터빈은 지표면 하의 레벨에서 지지되는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  8. 제 1 항에 있어서, 분리된 가스를 하나 이상의 단으로부터 제거하여 다음 단의 노즐로 이송하는 도관을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  9. 제 6 항에 있어서, 두 액체 성분 중의 더 무거운 성분을 하나 이상의 단으로부터 제거하도록 배치되는 확산기(401)를 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  10. 제 6 항에 있어서, 두 액체 성분 중의 더 무거운 성분을 하나 이상의 단으로부터 제거하기 위해 액체 흐름을 받아들이는 노즐(13')을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  11. 제 6 항에 있어서, 분산된 액체 성분을 하나 이상의 단의 회전 분리기 구조체에서 연속적인 상(phase)으로 합하는(coalescing) 구조체(12')를 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  12. 제 2 항에 있어서,
    a) 보조의 고온 가스 흐름(101)으로부터 액체 및/또는 액체와 기체의 혼합물로 구성되는 유체에 열을 전달하며, 입구를 갖는 열교환기(119)와,
    b) 하나 이상의 상기 단의 노즐에 상기 유체를 안내하는 도관(104)과,
    c) 분리된 가스 흐름을, 유입 포트를 갖는 증기 터빈(115)에 상이한 압력으로 안내하는 도관(106, 107, 108)과,
    d) 응축기(116)와,
    e) 증기 터빈을 빠져나온 기체를 응축물을 만드는 상기 응축기에 안내하는 도관(109)과,
    f) 펌프와,
    g) 응축기로부터의 상기 응축물을 가압된 액체를 만들도록 작동하는 상기 펌프로 안내하는 도관과,
    h) 혼합기(117; mixer)와,
    i) 펌프로부터의 가압된 액체를 상기 혼합기 수단으로 안내하는 도관(110)과,
    j) 상기 분리된 액체 흐름을, 혼합된 액체 흐름을 만들도록 작동하는 상기 혼합기로 안내하는 도관(118)과,
    k) 혼합된 액체 흐름을 열교환기(119)의 상기 입구로 안내하는 도관(113)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 터빈은 가스 또는 오일 웰(7) 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  14. 제 13 항에 있어서, 분리된 물은 내부적으로 가압되어, 상기 웰의 생산 구역이 아닌 지표면 하의 층(sub-surface formation)의 일부에 주입되는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 터빈은 바다 표면 또는 해면 아래에 설치되는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 다단 2상 터빈은 가스 압축기(25, 26, 27)를 구동시키고, 상기 가스 압축기는 분리된 가스의 압력을 증가시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  17. 제 2 항에 있어서, 상기 터빈은 지열 웰(geothermal well)로부터의 흐름을 받아들이는 것을 특징으로 하는 다단 2상 터빈.
  18. 가스, 오일 및 물의 혼합물을 받아들이고 상기 혼합물을 개별적인 흐름들로 분리시키는 장치에 있어서,
    a) 상기 장치는 제 1 및 제 2 분리 단(separation stage)을 가지며,
    b) 상기 제 1 단은 가스, 오일 및 물을 개별적인 흐름들로 분리시키는 원심분리기 수단과, 2상 노즐 수단과, 분리된 가스 및 물의 흐름들을 상기 장치로부터 제거하는 수단을 가지며,
    c) 상기 제 2 단은 제 1 단으로부터의 수분을 갖는 분리된 오일 흐름을 받아들이고, 상기 수분을 오일로부터 분리시키고, 분리된 오일은 제 2 오일 흐름에 안내하기 위한 원심 분리기 수단 및 2상 노즐 수단을 포함하는 수단을 가지고,
    d) 상기 단들은 가스, 오일 및 물의 흐름의 에너지를 상기 원심 분리기 수단을 회전구동시키기 위한 운동 에너지로 변환시키기 위한 관련 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    e) 상기 장치는 제 3 분리기 단을 포함하고,
    f) 상기 제 3 단은 제 2 단으로부터의 잔류 수분을 갖는 분리된 제 2 오일 흐름을 받아들이고 상기 잔류 수분을 오일로부터 분리시키며 분리된 오일을 제 3 오일 흐름으로 재생하는 원심 분리기 수단 및 2상 노즐 수단을 포함하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  20. 지표면 하의 웰에서 회전식 분리기를 사용하여 여러 성분의 유체 혼합물을 처리하는 방법에 있어서,
    a) 혼합물을 받아들일 수 있는 깊이의 웰 내에 상기 분리기를 배치시키는 단계와,
    b) 상기 혼합물의 하나 이상의 성분을 분리하여 가압하도록 상기 분리기를 작동시키는 단계와,
    c) 상기 가압되고 분리된 성분을 웰의 종방향으로 분리기로부터 멀어지도록 유동시키는 단계를 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 하나의 성분은 ⅰ) 가스, ⅱ) 액체, ⅲ) 물, ⅳ) 탄화수소 가스 및 ⅴ) 탄화수소 액체 중의 하나로 구성되는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 배치 단계는 웰 중의 상기 분리기를 상기 깊이로 하강시키는 것을 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 분리기와 관련하여 작동하고, 웰의 일련의 파이프를 하강시키고, 상기 분리된 성분을 상기 일련의 파이프로 상방향으로 유동시키는 것을 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 유동 단계는 상기 성분을 웰이 배치되는 층(formation) 내로 압력하에 유동시키는 것을 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 회전식 분리기는 상기 유체를 가속시키고 2상 제트를 형성하는 노즐 수단을 포함하며, 상기 작동 단계는 상기 2상 제트에 의해 발생된 하나 이상의 상을 회복시키는 것을 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 작동 단계는 상기 제트에 의해 발생된 다른 상을 원심 분리하여 가압하는 것을 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
  27. 제 20 항에 있어서, 상기 유체 혼합물을 상기 분리기로 유동시키는 단계와, 웰의 상기 깊이에서 상기 분리기를 회전가능하게 구동하기 위해 상기 혼합물의 압력을 사용하는 단계를 포함하는 다수 성분의 유체 혼합물 처리방법.
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