KR20150038001A - 다상 펌프의 작동 방법 및 상기 다상 펌프용 장치 - Google Patents

다상 펌프의 작동 방법 및 상기 다상 펌프용 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡입측 입구(10)와 배출측 출구(20)를 갖고 고체가 장입된 다상 혼합물을 펌핑하는 다상 펌프를 작동하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며: a. 다상 혼합물을 배출측 분리 챔버(45) 내로 펌핑하는 단계; b. 분리 챔버(45) 내에서 액상 및 고상으로부터 기상을 분리하는 단계; c. 분리 챔버(45) 내에서 고상으로부터 액상을 분리하는 단계; 및 d. 고상이 없는 액상의 일부분을 흡입측에 공급하는 단계를 포함한다.

Description

다상 펌프의 작동 방법 및 상기 다상 펌프용 장치{METHOD FOR OPERATING A MULTI-PHASE PUMP AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 흡입측 입구와 배출측 출구를 갖고 고체가 장입된(charged) 다상 혼합물을 펌핑(pumping)하는 다상 펌프의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 흡입측 입구와 배출측 출구를 갖고, 액상이 기상으로부터 분리되는 배출측 분리 수단 및 분리된 액상이 흡입측에 전달되도록 하는 재순환 라인이 구비된 다상 펌프에 의해 고체가 장입된 다상 혼합물을 펌핑하기 위한 장치에 관한 것이다.
특히, 탄화수소의 추출, 즉 석유 및 천연 가스의 추출에 관하여는, 매우 불규칙적인 조성을 갖는 물질들의 혼합물이 추출된다. 100% 유체 성분을 갖는 흐름(stream)들뿐 아니라 순수 가스 성분을 갖는 흐름들도 교호할 수 있다. 다상 혼합물의 조성물 또는 추출물의 개별 상들의 지속 기간에 관한 예측은 불가능하다. 원칙적으로, 다상 혼합물을 펌핑하기 전에 개별 상들을 서로 분리하는 것, 즉 단지 기상 또는 액상만이 각각의 펌핑 수단에 전달되도록 분리기 내에서 기상과 액상을 서로 분리하는 것은 가능하다. 그러한 방법은 높은 장치 및 수송 비용과 관련된다.
상류의 분리기를 회피하기 위해서, 일반적으로 다중-스핀들 스크류 펌프에 기초하여 작동하는 소위 다상 펌프들이 사용된다.
다상 스크류 펌프, 및 하우징에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 이송 스크류를 갖는 펌프를 작동하기 위한 펌핑 방법이 WO 94/27049 A1호로부터 알려져 있다. 하우징은 적어도 하나의 흡입 스터브(stub)와 적어도 하나의 배출 스터브를 갖는데, 흡입 매체가 저 펄스의 연속 흐름으로 스크류 축에 평행하게 반송되고 배출 스터브에서 연속적으로 배출된다. 기상으로부터 액상의 분리는 압력 챔버에서 일어난다. 배출측 상에서, 분리된 액상의 부분적인 액체 체적은 흡입 영역으로 분배되어 재순환되고, 따라서 밀봉 및 냉각을 제공하기 위해서 순환 상태로 유지된다. 분리를 위해, 배출측 상의 빠져나가는 매체의 유량은 감소된다. 압력 챔버 내에는 지속적인 액체 순환을 제공하기에 충분한 깊이로 액체 우회(bypass) 라인이 배치된다. 우회 라인 연결부는 펌프 하우징 아래에 배치된다.
탄화수소에 대한 증가된 요구는, 다른 것들 중에서도 특히, 접근이 용이하고 생산성이 높은 추출 장소들이 주로 개발되어 있는 상황으로 이어져 왔다. 그러므로, 생산성이 떨어지거나 다상 혼합물 내에 고체의 비율이 큰 매장물(deposit)들이 점점 더 개발되고 있는 중이다. 또한, 소위 파쇄(fracking)에 의해 이미 탭핑(tapped)되어 있는 매장물의 개발을 늘리거나 또는 크랙 형성에 의해 암석층의 총 기체 및 액체 투과성을 증가시키기 위한 노력들이 이루어지고 있는 중이다. 이는 또한 펌핑될 다상 혼합물에서의 고체의 증가된 비율로 이어진다.
고체의 증가된 비율로 인해, 종래 기술의 장치는, 재순환 라인의 깊은 배치 때문에, 바닥에 가라앉는 감소된-유동(reduced-flow) 영역 내의 고체가 또한 재순환되는 문제점을 가지며, 이는 스크류와 펌프 하우징에 대한 증가된 마모로 이어진다. 또한, 그러한 고체 물질에 의해 재순환 라인이 막힐 위험성도 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 회피하거나 감소시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적은 주요 특허청구범위의 특징들을 갖는 방법 및 부수하는 특허청구범위의 특성들을 갖는 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구성 및 부가적인 실시예들이 종속 청구항, 기재된 설명 및 도면에 개시된다.
흡입측 입구와 배출측 출구를 갖고, 고체가 장입된 다상 혼합물을 펌핑하는 다상 펌프를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 한편으로는 스크류 펌프 내에서 갭 밀봉을 생성하고 다른 한편으로는 압축 열의 제거를 용이하게 하기 위해서, 다상 혼합물이 배출측 분리 챔버 내로 펌핑되고, 기상이 분리 챔버 내에서 액상 및 고상으로부터 분리되고, 또한 액상이 분리 챔버 내에서 고상으로부터 분리되고, 그리고 고상이 없는 액상의 일부분이 흡입측에 전달되는 것들을 제공한다. 고상으로부터 액상의 분리는, 재순환을 위해, 스크류의 윤활을 위해, 그리고 다상 펌프 내의 압축 열을 멀리 운반하기 위해, 가능한 한 고상이 많이 없어진 액상이 사용됨으로써, 다상 펌프의 가동 부품들에 대한 마모를 감소시킨다는 이점을 갖는다. 열의 제거가 균등화되고, 고체 입자들이 지속적인 순환 상태로 유지되는 것을 또한 방지한다. 고상과 액상의 분리는, 어떠한 고체 입자들도 재순환 라인에 도달하지 않고 흡입측으로 운반되지 않는 것을 가능한 정도까지 보장하기 위해 다수의 분리 단계들이 잇따라 이용가능 하도록 몇몇 단계들에서 수행될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 분리 챔버에서 제거된 고상은 분리 챔버의 외부로 운반된다. 이는 만약 분리 장치 내의 유입 조건 및 유동 조건들이 침강된(settled) 고상의 배출을 용이하게 할 수 없게 한다면 특히 유리하다. 분리 챔버는 별도의 모듈에, 펌프 하우징의 섹션에 또는 펌프 하우징 자체에 일체화될 수 있다.
고상은, 예를 들어, 분리 챔버 내의 유동에 의해 또는 회전 밸브나 사이클론 분리기에 의해 연속적으로 멀리 이송될 수 있으며, 이에 의해 고상이 액상을 위한 출구를 거쳐 분리 챔버를 빠져나가지 않는 것이 보장된다. 마찬가지로, 예를 들어 제어 밸브, 펌프 작동시 의도적으로 생성된 액체 슬러그의 사용, 또는 검사 플랩(inspection flap)에 의해 분리 챔버로부터 고상의 불연속적인 제거가 이루어질 수 있다. 만약 다상 펌프의 정상 작동 중에, 분리 챔버에 수집된 고상을 멀리 이송하기에 액상의 양이 불충분하다면, 수집된 고체 입자들을 외부로 이송하기에 충분한 액상을 공급하기 위해서, 액체 슬러그의 생성, 즉 액상의 서징(surging) 유입이 펌프 관리에 의도적으로 개입될 수 있다.
기상은, 압력의 증가에 따라, 펌핑된 탄화수소의 별도 운송이 실현될 수 있도록, 액상을 위한 출구와는 분리된 기체 출구에 의해, 액상과 별도로 분리 챔버로부터 제거될 수 있다. 만약 압축된 기상이 액상 및 고상과 함께 멀리 이송되도록 하려는 것이 아니라면, 만일 그렇다 하더라도, 펌프에 의한 압력의 증가와 동시에, 펌핑된 매체의 분리 및 상 분리가 취해지도록, 다상 펌프에 의한 펌핑에 이어 배출측 상 분리가 수행될 수 있다.
고상과 분리된 액상의 흡입측으로의 공급은, 필요에 따라 재순환된 액체의 양을 조절하기 위해서, 예를 들어 펌핑될 다상 유동의 조성물에 관한 측정된 값의 함수로서, 규제된 방식으로 수행될 수 있다. 마찬가지로, 분리 챔버 내에서, 만일 있다면, 액상 및 고상의 비율에 대한 조절을 허용하고 그에 따라서 또한 재순환될 액상의 양에 대한 조절을 필요에 따라 허용하기 위해서, 분리 챔버로부터 기체의 제거를 규제된 방식으로 수행하는 것이 가능하다.
액상은 분리 챔버로부터 이 분리 챔버와는 분리된 저장소 내로 인도될 수 있는데, 이는 이러한 저장소로부터 재순환 우회로 및 그에 따른 흡입측으로 액상이 인도되게 하기 위해서이다. 분리된 액상을 저장소 내로 통과시킴으로써, 재순환의 추가적인 균등화가 가능해지는데, 이는 고상이 없는 액상이 분리 수단 내에 비축물로서 수집 및 저장될 수 있기 때문이다. 따라서, 유입 유동에서의 변동은 순환에 직접적으로 영향을 주지 않으며, 그에 따라서, 윤활, 밀봉 또는 스크류 펌프의 열 제거 어디에도 영향을 주지 않는다.
고상이 없는 액상은 원치 않는 입자들을 멀리하기 위해서 여전히 재순환 전에 여과될 수 있다.
분리된 고상을 제거할 목적으로, 액상이 다상 펌프에 간헐적으로 인도되어 분리 챔버 내로 도입될 수 있다. 이러한 간헐적인 공급은, 1차 유입 매체, 즉 흡입측 상에 위치된 다상 혼합물로부터 유래되거나, 또는 분리 및 수집된 배출측 액상으로부터 제거될 수 있어서, 분리 챔버에 수집된 고상을 멀리 이송하기 위해서 이미 처리된 액상, 즉 고상 부분이 없어진 액상이 배출측으로부터, 예컨대 저장소로부터 흡입측으로 간헐적으로 인도될 수 있도록 한다. 액상의 수집은 또한, 하부에 배치된 섹션 내의 액상이 서징 상태의 기상에 의해 다상 펌프를 향해 이동되도록, 예를 들어 적어도 상승하는 섹션들을 가질 수 있는 공급 파이프의 적합한 배열에 의해, 입구측 상에서 일어날 수 있다.
분리 챔버로부터 고상을 멀리 이송하기 위해서는, 센서들이 사용되어, 예를 들어, 충전 레벨에 따라 제거를 개시할 수 있거나, 또는 대안적으로, 분리 챔버로부터의 고상의 제거가 시간-제어 방식에 기초하여 일어날 수 있다. 센서 값들에 따라, 고상의 제거가 필요시 취해질 수 있도록, 액체 슬러그가 생성될 수 있거나 회전 밸브가 활성화될 수 있다. 다른 제거 메커니즘들이 마찬가지로 센서 제어에 의해 개시될 수 있다.
흡입측으로의 액상의 공급은, 시동 시에 완전히 개방될 수 있는, 적어도 하나의 밸브가 배열된 재순환 라인 또는 재순환 우회로에 의해 발생한다. 이러한 방식으로, 시스템을 시작할 때, 감소된 저항과 에너지 절약으로 이어지는 장치의 무부하 시동이 가능해질 수 있다. 시동 후에 그리고 적합한 작동 시점에 도달한 후에, 밸브는 펌핑 공정 및 다상 펌프 내의 다상 혼합물의 압력 증가를 개시하기 위해 폐쇄될 수 있어서, 원하는 압력 레벨이 달성될 수 있도록 한다. 원하는 압력 레벨에 도달한 후에, 재순환 라인 내의 밸브의 직경은 변화하는 조건에 따른 시스템의 조절을 허용하기 위해 작동 파라미터들에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 밸브의 직경의 확대는 펌프에 존재하는 열의 제거를 허용하기 위해서 다상 펌프의 가열이 검출되는 경우에 수행될 수 있다. 펌핑된 다상 혼합물의 액체 부분이 충분할 경우에는, 밸브의 직경은 시스템의 효율성을 개선하기 위해서 감소될 수 있다.
흡입측 입구와 배출측 출구를 갖고, 액상이 기상으로부터 분리되는 배출측 분리 수단 및 분리된 액상이 흡입측에 전달되도록 하는 재순환 라인을 갖는 다상 펌프에 의해 고체가 장입된 다상 혼합물을 펌핑하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 분리 수단 내에 형성되어 고상이 액상으로부터 분리되는 적어도 하나의 침강 챔버를 제공하고, 침강 챔버는 출구에 연결되고, 침강 챔버와 분리된 저장소가 고상으로부터 분리된 액상을 위해 형성되며 재순환 라인에 연결된다.
분리 수단에는 특히 액상과 고상의 중력에 의한 분리를 허용하는 침강 챔버가 형성된다. 이러한 침강 챔버는 분리 수단의 감소된-유동 영역 내에 배열되며, 액상으로부터 고상의 효과적인 분리를 허용한다. 분리 수단은 분리 챔버로서 형성될 수 있으며, 이는 펌핑된 다상 혼합물의 유속에서의 감소를 야기한다. 이어서, 침강 챔버는 분리 챔버의 일부이거나 또는 분리 수단의 특정 섹션이다. 액상으로부터 고상을 분리하기 위한 다른 분리 수단 또한, 예를 들어 사이클론 가이드가 관성에 의한 분리를 이루기 위해 가능하다. 저장소가 침강 챔버로부터 분리되어 고상으로부터 분리된 액상을 수용하도록 형성되어 있지만, 이러한 격벽이 유동-동적 장애물에 의해 형성될 필요가 없고, 오히려 저장소는 침강 챔버 위의 영역에 또한 위치되어, 액상 내에 위치된 고상 물질이 침강 챔버 내로 가라앉을 수 있다는 것을 확실하게 할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 격벽에 의해 침강 챔버가 저장소로부터 분리되며, 이 격벽 위에 오버플로우가 형성되거나 또는 상기 격벽 내에 통로가 형성된다. 따라서, 저장소는 침강 챔버에 대한 물리적 장벽(barrier)을 제공할 수 있어서, 침강 챔버 내의 높은 유속 또는 난류 하에서, 침강된 고상의 재부유가 침강 챔버 내에서만 발생하고 어떠한 고상 입자도 저장소에 도달하지 않도록 한다. 격벽 내에는 예를 들어 충전 레벨에 따라 저장소에 별도의 액상을 공급하는 것을 허용하기 위해서 제어되는 방식으로 개방 또는 폐쇄될 수 있는 통로가 존재할 수 있다. 만약 격벽이 오버플로우를 갖고 액상 및 고상의 최소량이 침강 챔버에 존재한다면, 액상 및 고상의 최소 체적이 침강 챔버에 존재하는 경우에만 재순환이 일어난다.
불완전하게 분리된 고체 입자들을 억류(hold back)하기 위해 재순환 라인의 상류에 필터가 배열될 수 있다.
다상 펌프에 의해 야기된 증가된 압력이 분리 수단 내에서 우세하기 때문에, 재순환 라인의 상류 또는 그 내부에 밸브가 배열되어, 액상의 제어된 공급을 제공할 수 있다. 액상의 재순환 시간 및 양은 밸브에 의해 제어될 수 있다.
분리된 기상을 위한 별도의 기체 출구가 분리 수단 내에 형성되어, 기상의 별도 제거를 허용할 수 있다. 따라서, 기체 출구는 액상 및 고상을 위한 출구보다 더 높게 위치되는 것이 유리하다.
분리 수단은 다상 펌프와는 별도인 하우징 내에 배열될 수 있으며, 이는 만약 분리 수단이 복수의 다상 펌프에 연결되는 경우 특히 유리하다. 복수의 다상 펌프들이 다상 펌프들의 펌프 하우징 외측의 분리 수단에 병렬로 연결되는 경우에, 개별 펌프들이 보수의 목적으로 스위치 오프(switched off)될 수 있다. 게다가, 이러한 방식으로, 표준형 다상 펌프가 구조적 비용이 감소되도록 간단하게 새로 장착될 수 있다. 종종, 일체화된 분리 수단을 갖는 대용량의 다상 펌프가 현실화될 수 없도록 공간이 제한된다. 분리 수단 내에는 액상으로부터 기상의 분리 및 고상으로부터 액상의 분리를 이루기 위해 감소된-유동 영역이 형성되며, 여기서 펌프를 빠져나가는 다상 혼합물의 유속은 감소되는데, 이 유속은 개별 상들의 분리를 허용하고 용이하게 하기 위해 감소된-유동 영역에서 거의 0인 것이 유리하다.
다상 펌프의 입구 전방에는 수직 칼럼 및/또는 U자형 파이프 섹션이 배열될 수 있으며, 이에 의해 액상은 입구 상류의 파이프 내에 수집될 수 있고 이어서 기상에 의해 특정 압력 레벨이 달성되는 경우 다상 펌프 내로 가압될 수 있다. 분리 수단 내에 위치된 액상과 고상은 이러한 액체 슬러그의 사용을 통해 멀리 이송되는데, 그에 의해 펌프 하우징 내에 또는 분리 수단에 위치된 가열된 물질의 교환에 의해 열의 제거가 추가로 행해지며, 이는 매우 높은 기체 성분을 갖는 다상 혼합물을 펌핑하기 위한 펌프의 능력에 긍정적인 영향을 준다.
분리 수단 내에는 분리된 고상을 위한 별도의 폐쇄가능한 배출 개구가 형성될 수 있으며, 이 배출 개구는 액상 및 기상이, 만일 있다면, 통과해 멀리 이송되도록 하는 배출 개구와는 상이한 것이다. 배출 개구에는 펌핑 기능의 차단없이 침강 챔버 내의 축적된 고상을 분리 장치로부터 가능한 한 멀리 제거하는 것을 허용하기 위해 사이클론 분리기, 회전 밸브 및/또는 제어 밸브가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 보다 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 펌프의 개략 단면도이다.
도 2는 분리 수단의 개략 단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 분리 수단에 연결되는 펌프의 도면이다.
도 4는 분리 수단의 변형예의 도면이다.
도 5 내지 도 7은 하나의 분리 수단을 갖는 펌프들의 병렬 배열의 도면이다.
도 1에는 고체가 장입된 다상 혼합물을 펌핑하기 위한 장치가 도시되어 있는데, 상기 장치는 다상 펌프(1)로서 구성된다. 다상 펌프(1)는 입구 스터브(11)를 갖는 입구(10) 및 배출 스터브(21)를 갖는 배출 출구(20)가 배열되는 하우징(5)을 갖는다. 하우징 내에는 한 쌍의 스크류(30)가 배열되며, 이는 펌프 하우징(32) 내에 장착된다. 스크류(30)들은 2-스핀들 복류(double-flow) 스크류들로서 배열될 수 있으며, 유동 방향은 스크류(30)들의 중간으로부터 외향으로 이동할 수 있다. 따라서, 펌핑된 고체 장입 다상 혼합물은 입구(10)를 통해 스크류(30)로 집중적으로 인도되며, 그에 의해 소위 흡입 챔버가 스크류(30)까지 형성된다. 도시된 실시예에서, 흡입 챔버는 스크류(30)를 둘러싼다. 다상 혼합물은 스크류(30)의 중간에서부터 도면 평면에 수직하게 양쪽에 대해 외향으로 펌핑되며, 그에서부터 압력 챔버(40)에 도달하는데, 압력 챔버는 스크류(30)를 둘러싸는 펌프 하우징(32)과 함께 스크류(30)를 에워싼다.
하우징(5)은 스크류(30) 아래의 하향된 경사부(slant), 및 배출 출구(20)의 방향으로의 압력 챔버(40)의 단면 확장부에 의해 형성되는 압력측 분리 수단(45)을 갖는다. 확장된 체적과 유동 단면을 제공함으로써, 압력 챔버(40) 내의 유속은, 다상 혼합물에 존재하는 상들의 분리가 발생하도록, 감소된다. 가장 작은 비중량을 갖는 기상은 위로 상승할 것이고, 액상은 중간에서 분리될 것이며, 그리고 가장 큰 비중량을 갖는 고상은 바닥으로 침강할 것이다.
하우징(5)의 상부 영역 내에는 기체 배출 출구(61)가 형성되며, 이 출구를 통해 분리된 기상이 별도로 인도될 수 있다. 기체 배출 출구(61)에 파이프(60)가 연결되며, 이 파이프에는 원하는 출력률(output rate)에 따라 개방 또는 폐쇄될 수 있는 밸브(65), 유리하게는 제어 밸브가 배열된다. 스크류(30)에 의한 압력의 증가 후에 기체 배출 출구(61)에 의해 기상을 별도로 운반하는 것이 가능하며; 대안적으로, 다상 혼합물의 잔여 성분들과 함께 배출 출구(20)를 통해 기상을 멀리 이송하기 위해서 파이프(60)가 배출 출구(20) 내로 개방되는 것이 가능하다. 밸브(65)가 폐쇄되면, 기상은 스크류(30) 아래의 바닥 영역에 배열되는 공통의 배출 출구(20)를 거쳐 멀리 운반될 수 있다. 밸브(65)를 갖는 외부 파이프(60) 대신에, 배출 출구(20)에서 하우징(5)의 상부 영역에 관통 구멍을 제공하는 것이 가능하여, 수직으로 하향된 출구 파이프(25) 내에 직접 우회로(60)가 실현되어 배출 출구(20)에 대한 우회로를 제공한다. 이는 압력 챔버(40)로부터의 기상의 분리 및 제거를 위한 간단한 수단을 허용한다. 배출 출구(20)는 다상 혼합물을 배출측 상의 하우징으로부터 상향으로 인도하는 반면, 압력 챔버(40) 내의 배출 출구(20)의 개구는 스크류(30) 아래에 배열된다. 원칙적으로, 운반 라인에 존재하는 분리된 기상의 통로에 대해 항상 최소 단면적이 반드시 있음을 주목해야 하는데, 이는 항상 최소 단면적이 없으면 액상의 바람직한 제거가 배출 출구(20)를 거쳐 일어날 수 있기 때문이다.
분리 수단(45)으로서 역할을 하는 확장된 체적을 가진 하우징(5)의 구성의 영역에서, 유동 감소로 인해 바닥에 침강되는 고체 입자들을 수용하기 위해 침강 챔버가 하부 영역에 배열된다. 침강 챔버(80)는 하우징(5)의 하단부 상에 배열되고, 압력의 증가를 제공하는 스크류(30) 아래에 위치된다. 하우징(5)의 비스듬히 하향된 벽은 이들 스크류(30)로부터 침강 챔버(80)로 이어져서, 보다 높은 레벨에 위치한 고체가 하방으로 인도되도록 한다. 배출 출구(85)가 침강 챔버(80) 내에 형성되고, 클로저(86)에 의해 폐쇄된다. 침강 챔버(80) 위에는 감소된-유동 영역(82)이 형성되어, 중력 분리에 의해 액상 및 기상의 분리를 허용한다. 검사 플랩으로서 형성되는 영구적인 클로저(86) 대신에, 배출 출구(85)가 밸브, 사이클론 분리기 또는 회전 밸브로서 배열될 수 있어서, 수집된 고상이 필요에 따라 침강 챔버(80)로부터 멀리 운반될 수 있도록 한다.
하우징(5) 내의 배출측(40) 상에서 침강 챔버(80) 위에는 액체 출구(51)가 제공되며, 상기 액체 출구에 재순환 라인(50)이 연결된다. 재순환 라인(50)은 배출측(40)으로부터 입구(10) 내의 흡입측까지 이어진다. 재순환 라인(50) 내에 제어 밸브(55)가 제공되는데, 상기 제어 밸브는 배출측(40)으로부터 흡입측까지의 규제된 재순환을 허용하도록 필요에 따라 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 재순환 우회로(50)를 위한 액체 출구(51)는 침강 챔버(80) 위에 그리고 스크류(30) 아래에 놓여진다. 침강 챔버(80) 위의 액체 출구(51)의 배열에 의해, 고상이 이미 침강된 상태의 액상만이 재순환 라인(50) 내로 인도된다. 감소된-유동 영역(82)에서의 침강 작용 및 분리에 의해, 침강된 고상 위에 저장소(90)가 형성되어, 상기 저장소로부터 재순환된 액체가 취해진다.
도 1에서는, 밸브(55)를 갖는 기술된 재순환 라인(50)에 대한 대안으로서 또는 그에 부가하여, 펌프 하우징(32) 내에 개구 또는 구멍의 형태로 추가의 재순환 라인(50)이 제공된다. 이 구멍 또는 개구는 펌프 하우징(32) 내의 흡입 챔버로부터 펌프 하우징(32) 외부의 압력 챔버(40)까지의 그리고 하우징(5)과의 연결부를 제공한다. 개구(50)의 상향 배향에 의해, 보다 무거운 고체 입자들은 흡입측으로 운반되지 않거나 적어도 바람직하게는 덜 운반되고, 게다가 개구(50)의 배열은 고상 및 액상의 분리가 이미 일어나서 단지 분리된 액상만이 대응하는 수위에 도달할 수 있도록 측지학적으로(geodetically) 상방으로 위치된다.
다상 혼합물의 혼합된 조성물을 수반하는 작동 중에, 전체 압력 챔버(40)는 다상 혼합물로 충전된다. 만약 기체 파이프(60)가 폐쇄되면, 펌핑될 전체 다상 혼합물은 수직 칼럼(25) 및 배출 출구(20)를 통해 하우징(5)에 일체화된 분리 수단(45)을 갖는 다상 펌프(1)로부터 멀리 운반될 것이다. 그 경우에, 수직 칼럼(25)은 스크류(30)와 펌프 하우징(32)의 레벨 아래에서 개방되고, 압력 챔버(40)로부터의 다상 혼합물을 플랜지(21)로 운반한다. 그에 의해, 침강 챔버(80)에서 분리 및 축적된 고상은 액상과 함께 외부로 이송된다. 침강 챔버(80) 내에 위치된 고체를 멀리 이송하기 위한 유속이 불충분하다면, 축적된 고체는 회전 밸브 또는 다른 적합한 수단에 의해 작동 중에 압력 챔버(40)로부터 제거될 수 있다. 대안적으로, 소위 액체 슬러그에 의해 고체 축적물을 내보내는 것이 가능하다.
액체 출구(51)를 중력 방향으로 침강 챔버(80) 위에 위치시킴으로써, 스크류(30)와 펌프 하우징(32) 사이의 갭을 밀봉하고 윤활을 제공하기 위해서 고상이 없는 액상이 재순환된다. 연마성 고체 입자들은 침강 챔버(80)에서 저장소(90) 아래에 위치되기 때문에 대체로 억류된다. 저장소(90)와 침강 챔버(80) 사이의 물리적 분리는 도시된 실시예에서는 제공되지 않는데; 하우징(5) 내부의 압력 챔버(40) 내에 유동 억제기(flow inhibitor)가 배열되어 고체 입자들을 보유하거나 또는 액체 출구(51)의 방향으로의 운반을 저지할 수 있다. 이들 유동 억제기는 예를 들어 미로 가이드 또는 댐의 형상으로 형성될 수 있다.
하우징(5)의 하단부 상에 추가의 출구(70)가 배열되며, 이는 유지 및 보수 목적으로 펌프를 비우는데 사용되고, 정상 작동 중에는 폐쇄된다.
본 발명의 변형예가 도 2에 도시되는데, 여기서 분리 수단(45)은 별도의 구성요소로서 형성된다. 분리 수단(45)은 도 3에 따라 다상 펌프(1)에 연결될 수 있다.
도 3에는 스크류 펌프 형태의 종래의 다상 펌프(1)가 도시되어 있다. 여기서, 스크류(30)는 마찬가지로 하우징(5) 내부의 압력 챔버(40) 내에 장착되는 펌프 하우징(32) 내에 배열된다. 펌핑될 매체는 입구 스터브(11) 상의 입구(10)를 거쳐 스크류(30)로 인도되고, 그로부터 펌핑 스크류(30)의 펌프 하우징(32)을 둘러싸는 압력 챔버(40) 내로 도면 평면에 수직하게 외향으로 인도된다. 펌핑된 다상 혼합물은 환형 공간으로서 형성되는 압력 챔버(40)로부터 펌프 출구(20')를 경유하여 멀리 운반된다.
도 2에서, 분리 수단(45)은 대응하는 연결 스터브를 갖는 별도의 구성요소로서 도시되어 있다. 입구(10)를 위한 입구 스터브(11)는 도 3에 따른 다상 펌프(1)의 입구 스터브(11)에 대한 연결부를 제공하는데; 입구 스터브(11)는 관형 하우징(100)을 통해 수직으로 이어진다. 펌프 출구(20')는 마찬가지로 이러한 하우징(100) 내로 이어지며, 상기 펌프 출구는 출구 스터브(21)를 경유하여 도 3에 따른 다상 펌프(1)의 출구 스터브(21)에 연결된다. 다상 혼합물은 입구(10)로부터 화살표에 따라 다상 펌프(1) 및 다상 펌프(1)의 펌프 출구(20')를 통해 분리 챔버(45) 내로 인도되고, 그로부터 출구(20)를 거쳐 운반 파이프 또는 추가의 처리 수단으로 인도된다. 분리 챔버(45)의 입구는 90도 튜브로서 형성되어, 다상 혼합물이 분리 챔버(45) 내로 사실상 수평으로 운반되도록 한다.
감소된-유동 영역(82)을 갖는 침강 챔버(80)는 분리 챔버(45) 내에 제공되며, 그 안으로 다상 펌프(1)로부터 펌핑된 다상 혼합물이 인도된다. 마찬가지로, 클로저(closure)(86)를 갖는 배출 출구(85)가 여기서 침강 챔버(80)의 하부측 상에 제공된다. 수직 칼럼(25)은 침강 챔버(80)로부터 수직 상방으로 이어진다.
침강 챔버(80)는 통로가 형성되는 격벽(95)을 경유하여 저장소(90)에 연결된다. 실질적으로 고상이 없는 액상이 저장소(90) 내에 수집되어, 재순환 라인(50)을 거쳐 입구(10)로 다시 재순환될 수 있다. 여기서 또한, 하나의 실시예에서, 제어 밸브(55)가 재순환 라인(50) 내에 배열되고; 그에 대한 대안으로 또는 그에 부가하여, 입구(10)의 흡입 스터브 내의 구멍을 통해 우회로(50)가 배열될 수 있다. 액상의 품질을 개선하기 위해서, 재순환 라인(50)의 상류에 다수의 격벽(95)을 차례로 배열하는 것이 가능하며, 이들 격벽 각각은 통로(96)를 경유한 액상의 운반을 허용하거나 또는 우회로(50)의 방향으로 오버플로우된다. 이러한 수단에 의해, 하우징(100) 내에 일련의 침강 챔버(80) 및 감소된-유동 영역(82)이 생성된다. 따라서, 액상 및 고상의 다단계 분리가 제공되며 가능해진다.
하우징(100) 내의 분리된 기상이 출구(20) 또는 별도의 기체 라인으로 전달될 수 있도록, 기체 라인(60) 및 밸브(65)를 갖는 기체 배출 출구(61)가 하우징(100)의 상부 영역에 제공된다. 액상을 갖는 재순환 라인(50)과 유사하게, 여기서 또한 하우징(100) 내의 분리 챔버로부터 출구(20)까지의 라인으로서 구멍(60)이 또한 제공된다.
본 발명의 변형예가 도 4에 도시되어 있다. 비록 다상 펌프를 위한 입구(10)가 공급원으로부터 하우징의 벽을 통해 인도되지 않는다 할지라도, 별도의 분리 챔버(45)의 원리는 도 2에 대응한다. 도 3에 따른 다상 펌프(1)에 대한 연결은 배출 스터브(21)를 경유하여 발생되는 반면에, 다상 펌프(1)의 입구(10)는 전달 파이프 등에 연결된다. 도 4에 따른 분리 수단에서, 분리된 액상은, 이어서, 공급 라인에 연결되지 않은 입구(10)를 거쳐 재순환 라인(50)에 의해 흡입측에 연결되어, 분리된 액상이 스크류 펌프의 입구(10) 내로 흡입측 상에 인도되도록 한다.
액상을 수집하기 위한 장치는, 예를 들어 U자형 파이프라인, 탱크 또는 저장소는 다상 펌프(1)의 흡입측 상에 제공될 수 있으며, 이에 의해, 제어된 양의 액상이 입구측에 전달되어서, 한편으로는 다량의 열이 다상 펌프(1)의 하우징(5)으로부터 멀리 운반될 수 있고, 다른 한편으로는 축적된 고상이 분리 수단(45)의 외부로 이송될 수 있게 한다.
도 4에서, 침강 챔버(80)로부터의 출구(20)는 침강된 고상이 침강 챔버(80)의 외부로 용이하게 운반될 수 있도록 수평으로 배치된다. 고상의 분리 및 가라앉음이 침강 챔버 내에서 이루어지도록, 상향-만곡하는 출구(20)에 의해 다상 혼합물의 소정의 역류가 야기된다.
도 5에는 병렬로 연결된 복수의 다상 펌프(1)의 배열이 측면도로 도시되어 있는데, 상기 다상 펌프에 별도의 분리 챔버(45)와 상류 수집 수단(110)이 설치되고, 이 수집 수단 내로 펌핑된 다상 혼합물이 도시되지 않은 공급 파이프로부터 입구 스터브(111)에 의해 공급되고 초기에 수집된다. 각각의 다상 펌프(1)에 대한 수집 컨테이너(110)로부터, 입구 배관이 각각의 개별 다상 펌프(1)의 출구(10)로 이어진다. 입구 배관은 U자형으로 형성되며 액체 슬러그를 제어된 방식으로 생성하는 역할을 한다. 액체는 입구 배관의 U자형 구조에 의해 하부 부분에서 수집되며, 여기서 충분히 큰 파이프 직경이 잔여 매체의 어떠한 공압에 의한 전진도 방지한다. 입구 배관의 U자형 섹션 내에서, 고체가 장입된 액상과 기상이 수평 배관 섹션에서 서로 분리된다. 고체가 장입된 액상은 보유 및 수집되는 한편, 기상은 이어서 배관을 통해 그 위로 유동한다. 수평 배관 섹션 내의 유체 체적의 증가로 인해, 기상의 유동 직경은, 고체가 장입된 액상과 기상 사이의 속도 차이에 기초하여, 기상의 유동 경로를 완전히 차단하는 상 경계부에서 웨이브(wave)가 형성되도록, 감소된다. 이러한 현상이 발생하는 경우, 기상은 그 자신에 앞서 그렇게 형성된 액체 슬러그를 배관의 수평 섹션에 연결되는 융기(rising) 섹션 위에서 다상 펌프(1)의 입구(10) 내로 그리고 상방으로 민다. 액체 슬러그의 발생 빈도 및 그의 체적은 펌핑된 양 및 기체 성분과 같은 개별 펌핑 파라미터들과, 직경, 수평 부분의 길이 및 융기 섹션의 높이 차와 같은 배관의 기하학적 파라미터들 사이의 상호작용에 의해 결정된다.
수집 컨테이너(110)에 부가하여, 별도의 분리 수단(45)의 하우징(100)이 또한 도 5에 도시될 수 있는데, 이는 펌프 출구(20')를 거쳐 다상 펌프(1)에 연결된다. 공통의 출구(20)가 분리 수단(45)으로부터 운반 라인으로 이어진다. 밸브(55)를 갖는 재순환 라인(50)은 하우징(100)의 하부측 상에 배열되어, 펌프(1)의 입구(10) 내로 이어진다. 액체 슬러그의 발생 빈도 및 체적은, 공급 라인의 융기 섹션과의 재순환 라인(50)의 배열 및 합류부에 따라, 분리된 액상의 제어된 공급을 통하여 조절될 수 있다. 밸브가 제공될 수 있는 부가의 재순환 라인(50)이 분리 수단(45)으로부터 수집 컨테이너(110)로 이어져서, 분리된 액상이 흡입측 또는 입구 배관의 섹션 내로 재순환되도록 제어가 허용된다.
도 6에서는, 3개의 다상 펌프(1)의 병렬 배열을 도 5에 따른 장치의 평면도로 볼 수 있다. 공급원으로부터 공급가능한 펌핑가능한 다상 혼합물이 입구 스터브(111)를 통해 수집 컨테이너(110) 내로 인도된다. 도시된 실시예에서, 이러한 수집 컨테이너(110)로부터, 3개의 U자형 입구 파이프가 분리 수단(45)의 아래에서 다상 펌프(1)의 입구(10)로 이어진다. 펌핑 후에, 다상 혼합물은 펌프 출구(20')를 거쳐 분리 장치(45) 내로 인도되고, 거기에서 분리되어 출구(20)를 통해 멀리 운반된다. 하우징(100)의 하부측 상에는 파이프라인에 연결되는 공통의 액체 출구(51)가 배열되는데, 이 파이프라인으로부터 재순환 라인(50)이 펌프(1)의 흡입측 상의 입구(10) 및 수집 컨테이너(110)로 이어진다. 각각의 펌프(1)에 적합한 분리된 액상의 제어된 공급을 제공하기 위해 제어 밸브(55)가 각각의 재순환 라인(50)에 할당된다. 따라서, 예를 들어 펌프를 시동할 경우에, 펌프(1)의 실질적인 무부하 및 에너지-효율적인 시동이 발생할 수 있도록, 재순환 라인(50)의 완전한 개방 및 그에 따른 약화된 배압을 제공하는 것이 가능하다.
도 7에는 도 5의 선 A-A에 따른 단면도가 도시되어 있다. 별도의 분리 수단(45)이 흡입측 상의 입구 배관 옆에 단면도로 도시되어 있다. 펌프 출구(20')는 공통의 파이프에서 하우징(100) 내로 이어지며, 이 파이프는 하우징(100) 내의 침강 챔버(80) 내로 들어간다. 격벽(95)이 클로저(86)와 함께 도시되어 있는데, 그 구조는 그렇지 않으면 도 4에 따른 구조와 사실상 대응하고, 기상을 위한 밸브(65)를 갖는 우회 라인(60)은 하우징(100)의 상부 영역으로부터 배출 출구(20)에 직접 이어진다.
선 B-B에 따른 단면도인 도 7의 우측 도면에서는, 펌프 배출 출구(20')의 수집 파이프가 침강 챔버(80) 내로 사실상 수직하게 개방되는 것을 볼 수가 있다. 그로부터, 배출 출구(20)는 다상 혼합물이 멀리 운반되게 하기 위해서 사실상 상향으로 수직하게 이어진 다음 수평으로 만곡된다. 침강 챔버에서 고상으로부터 액상을 분리하고 나서, 분리된 액상은 격벽(95) 위에서 멀리 분리 수단(45)의 하우징(100) 내로 인도된다. 고상으로부터 분리된 액상은 바닥 상에 개구로서 형성된 액체 출구로부터 개별 밸브(55)를 갖는 재순환 라인(50)을 거쳐 다상 펌프(1)의 흡입측 상의 입구 배관(10)으로 유동한다. 클로저(86)는 침강 챔버(80)의 하부측 상에서 볼 수가 있다.

Claims (24)

  1. 흡입측 입구(10)와 배출측 출구(20)를 갖고 고체가 장입된(charged) 다상 혼합물을 펌핑(pumping)하는 다상 펌프의 작동 방법으로서,
    a. 상기 다상 혼합물을 배출측 분리 챔버(45) 내로 펌핑하는 단계;
    b. 상기 분리 챔버(45) 내에서 액상 및 고상으로부터 기상을 분리하는 단계;
    c. 상기 분리 챔버(45) 내에서 상기 고상으로부터 상기 액상을 분리하는 단계; 및
    d. 상기 고상이 없는 상기 액상의 일부분을 상기 흡입측에 공급하는 단계;를 포함하는 다상 펌프의 작동 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 챔버(45) 내에서 분리된 상기 고상은 상기 분리 챔버(45)로부터 제거되는 다상 펌프의 작동 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고상은 회전 밸브 또는 사이클론 분리기에 의해 연속적으로 제거되거나, 또는 밸브, 액체 슬러그 또는 검사 플랩(inspection flap)에 의해 불연속적으로 제거되는 다상 펌프의 작동 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기상은 상기 액상을 위한 상기 배출 출구(20)와는 분리된 기체 배출 출구(61)에 의해 상기 액상과는 별도로 상기 분리 챔버(45)로부터 제거되는 다상 펌프의 작동 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고상으로부터 분리된 상기 액상은 상기 흡입측에 규제된 방식으로 공급되는 다상 펌프의 작동 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액상은 상기 분리 챔버(45)로부터 상기 분리 챔버(45)와는 분리된 저장소(90) 내로 인도되고, 상기 저장소(90)로부터 상기 흡입측으로 공급되는 다상 펌프의 작동 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고상으로부터 분리된 상기 액상은 상기 흡입측으로 공급되기 전에 여과되는 다상 펌프의 작동 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    액상이 상기 다상 펌프에 간헐적으로 공급되고, 상기 고상을 제거할 목적으로 상기 분리 챔버(45) 내로 도입되는 다상 펌프의 작동 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 액상은 수집된 다음에 상기 분리 챔버(45) 내로 간헐적으로 도입되는 다상 펌프의 작동 방법.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고상은 센서 제어 또는 회전 작용 하에서 상기 분리 챔버로부터 제거되는 다상 펌프의 작동 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입측으로의 액상의 공급은, 시동 시에 완전히 개방되는 밸브(55)가 배열된 재순환 라인(50)에 의해 수행되는 다상 혼합물 펌핑 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입측으로의 액상의 공급은, 시동 후 그리고 안정된 작동이 달성된 후에 펌핑 작용 및 상기 다상 혼합물의 압력 증가를 개시할 목적으로 폐쇄되는 밸브(55)가 배열된 재순환 라인(50)에 의해 수행되는 다상 펌프의 작동 방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입측으로의 액상의 공급은, 직경이 작동 파라미터들에 따라 조절되는 밸브(55)가 배열된 재순환 라인(50)에 의해 수행되는 다상 펌프의 작동 방법.
  14. 흡입측 입구(10)와 배출측 출구(20)를 갖고, 액상이 기상으로부터 분리되는 압력측 분리 수단(45) 및 분리된 액상이 상기 흡입측에 공급되도록 하는 재순환 라인(50)이 구비된 다상 펌프(1)에 의해 고체가 장입된 다상 혼합물 펌핑 장치로서,
    적어도 하나의 침강 챔버(80)가 상기 분리 수단(45) 내에 배치되어 고상이 상기 액상으로부터 분리되고, 상기 침강 챔버(80)와 분리된 저장소(90)가 고체로부터 분리된 액상을 위해 형성되며 상기 재순환 라인(50)에 연결되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 침강 챔버(80)는, 오버플로우가 위에 형성되거나 통로(96)가 내부에 형성되는 격벽(95)에 의해 상기 저장소(90)와 분리되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  16. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    필터가 상기 재순환 라인(50)의 상류에 배열되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  17. 청구항 14 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액상의 규제된 펌핑을 위한 밸브(55)가 상기 재순환 라인(50)의 상류 또는 그 내에 배열되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  18. 청구항 14 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리된 기상을 위한 별도의 기체 배출 출구(61)가 상기 분리 장치(45)에 형성되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  19. 청구항 14 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 챔버(45)는 상기 다상 펌프(1)와는 분리된 하우징(100) 내에 배열되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  20. 청구항 14 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    감소된-유동 영역(82)이 상기 분리 챔버(45) 내에 형성되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  21. 청구항 14 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    수직 칼럼 및/또는 U자형 파이프 섹션이 상기 다상 펌프(1)의 상기 입구(10)의 상류에 배열되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  22. 청구항 14 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리된 고상을 위한 별도의 폐쇄가능한 배출 출구(85)가 상기 분리 수단(45)에 형성되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  23. 청구항 14 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 출구(85)에는 사이클론 분리기, 회전 밸브 및/또는 제어 밸브가 설치되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
  24. 청구항 14 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침강 챔버(80)는 상기 출구(20)에 연결되는 다상 혼합물 펌핑 장치.
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