KR20200060688A - 다상 펌프 - Google Patents

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KR20200060688A
KR20200060688A KR1020190149732A KR20190149732A KR20200060688A KR 20200060688 A KR20200060688 A KR 20200060688A KR 1020190149732 A KR1020190149732 A KR 1020190149732A KR 20190149732 A KR20190149732 A KR 20190149732A KR 20200060688 A KR20200060688 A KR 20200060688A
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매슈 본
니컬러스 크제메리
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술저 매니지멘트 에이지
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Abstract

다상(multiphase) 공정 유체를 저압측(LP)으로부터 고압측(HP)에 전달하기 위한 다상 펌프가 제안되며, 이 펌프는 외측 하우징과 케이싱(10)을 포함하고, 케이싱(10)은 공정 유체를 위한 펌프 입구(2)와 펌프 출구(3)를 포함하며, 다상 펌프(1)는, 케이싱(10) 내부에 배치되어 축선 방향(A) 주위로 회전하는 펌프 로터(4)를 더 포함하고, 펌프 로터(4)는 공정 유체를 펌프 입구(2)로부터 펌프 출구(3)에 전달하도록 설계되어 있으며, 케이싱(10)은 복수의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)을 포함하고, 복수의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 개별 스테이지-부분(71, 72, 73), 펌프 입구(2)에 배치되는 저압 부분(51) 및 펌프 출구(3)에 배치되는 고압 부분(52)을 포함하고, 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 고압 부분(52)과 저압 부분(51) 사이에 배치되며, 복수의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 밀봉 지지 구조(81, 82)에 의해 함께 유지되고, 케이싱(10)은 외측 하우징 내부에 배치된다.

Description

다상 펌프{MULTIPHASE PUMP}
본 발명은, 독립 청구항의 전제부에 따른, 다상(multiphase) 공정 유체를 전달하기 위한 다상 펌프에 관한 것이다.
다상 펌프는, 복수의 상(phase), 예컨대, 액체 상과 가스 상의 혼합물을 포함하는 공정 유체를 전달할 필요가 있는 많은 상이한 산업에서 사용되고 있다. 일 중요한 예는, 오일 및 가스 처리 산업인데, 이러한 산업에서는, 탄화수소 유체를 전달하기 위해, 예컨대, 유전(oil field)에서 원유(crude oil)를 추출하거나 오일/가스를 파이프라인을 통해 정제소 내에서 운반하기 위해 다상 펌프가 사용된다.
유전 및 가스전(gas field)의 효율적인 개발의 관점에서, 오늘날, 특히 해수면 아래 100 m, 500 m 또는 심지어 1000 m 이상의 깊이에서 해저 바닥에 직접 설치되어 작동될 수 있는 펌프에 대한 요구가 점점 커지고 있다. 그러한 펌프의 설계는 어렵다는 것은 말할 필요가 없는데, 왜냐하면, 특히, 이들 펌프는 가능한 한 적은 유지 보수 및 서비스 작업으로 오랜 기간 동안 힘든 해저 환경에서 작동해야 하기 때문이다. 이 때문에, 관여되는 장비의 양을 최소화하고 또한 펌프의 신뢰성을 최적화하기 위해 특정한 조치가 필요하다.
화석 연료는 일반적으로 유전 또는 가스전에서 순수한 형태로 존재하지 않고, 액체 성분, 가스 성분 및 혹시 고체 성분(예컨대, 모래)을 포함하는 다상 혼합물로 존재한다. 예컨대 원유, 천연 가스 및 화학물질로 이루어진 이 다상 혼합물은 해수 및 상당한 양의 모래도 포함할 수 있고, 유전 또는 가스전으로부터 펌핑되어야 한다. 화석 연료의 그러한 수송을 위해, 고체 성분(예컨대, 모래)을 포함할 수 있는 액체-가스 혼합물을 펌핑할 수 있는 다상 펌프가 사용된다.
다상 펌프의 설계와 관련하여 어려운 점 중의 하나는, 많은 용례에서 다상 공정 유체의 조성이 펌프의 작동 중에 크게 변한다는 사실이다. 예컨대, 유전 개발 동안에, 가스 상(예컨대, 천연 가스)과 액체 상(예컨대, 원유)의 비는 크게 변한다. 이들 변화는 매우 갑작스럽게 일어날 수 있고 펌프의 효율의 저하,펌프의 진동 또는 다른 문제를 야기할 수 있다. 다상 혼합물 내의 가스 상의 비는 일반적으로, 다상 공정 유체 내의 가스의 부피비를 나타내는 무차원 가스 부피 비율(GVF)로 측정된다. 용례에서, 오일 및 가스 산업에서 GVF눈 0% 내지 100%에서 변할 수 있다. 공정 유체 조성의 이러한 큰 변화로 인해, 펌프는 설계된 펌프의 작동 범위 밖에서 적어도 일시적으로 작동하게 된다. GVF의 큰 변화를 줄이기 위한 공지된 일 조치는, 다상 펌프의 입구의 상류에 버퍼 탱크를 제공하는 것이다. 다상 펌프에 의해 펌핑될 다상 공정 유체는 먼저 적절한 부피의 버퍼 탱크에 공급되고, 그 버퍼 탱크의 출구는 펌프의 입구에 연결되어 있다. 이러한 조치로, GVF의 큰 변화가 감쇠되어 펌프 성능이 개선될 수 있다. 오일 및 가스 산업에서 사용되는 현대의 다상 펌프는 최대 95% 또는 심지어 그 이상의 GVF를 갖는 다상 공정 유체를 처리할 수 있다.
증가된 가스 함량을 갖는 다상 혼합물을 위한 펌핑 또는 압축 장치가 GB-A-1 561 454, EP 0 486 877 또는 US 5,961,282에 이미 알려져 있다.
다상 펌프 및 그의 "진동 문제"가 EP 2 386 767에서 주제로 다루어지고 있다. EP 2 386 767에는 다상 혼합물을 전달하기 위한 나선 축류(helico-axial) 펌프가 개시되어 있고, 다상 펌프는 안정화 표면을 갖는 유체 역학적 안정화 부싱을 포함하며, 이 부싱은 안정화 표면 앞에서 안정화 틈새를 형성하기 위해 제 1 부분 로터와 제 2 부분 로터 사이에 있다. 그러한 다상 펌프의 작동 상태에서, 안정화 매체의 유체 역학적 안정화 층이 안정화 틈새에 형성될 수 있다. 유체 역학적 안정화 층의 형성은 미리 결정 가능한 허용되는 수단으로 로터의 유해한 진동을 줄이거나 적어도 감쇠시킨다.
그러한 진동에도 불구하고, 더 많은 수의 스테이지를 갖는 펌프에 대한 명확한 요구가 있으며, 그래서, 더 높은 가스 함량을 갖는 다상 혼합물이 더 높은 압력으로 압축될 수 있어, 압축된 다상이 더 신뢰적으로 펌핑될 수 있다.
다상 혼합물의 충분히 더 높은 압축을 이루기 위해, 다수의 압축 스테이지(예컨대, 최대 16개 또는 그 이상의 압축 스테이지)가 직렬로 제공되며, 각 압축 스테이지는 임펠러와 스테이터(stator)로 이루어진다. 다상 펌프의 길이를 이렇게 연장시켜야 할 필요성으로 인해, 다수의 압축 스테이지를 갖는 그러한 긴 로터는 진동 면에서 제어하기기 매우 어렵다는 결정적인 단점이 있게 된다.
이들 펌프의 내부에서 긴 로터는 진동 시스템을 형성하고, 이 시스템은 특히 다양한 횡진동 모드를 형성할 수 있는데, 이 횡진동 모드는, 펌프가 주어진 회전수 또는 특정한 회전 장(field)에서 더 이상 작동될 수 없는 정도로 강할 수 있다. 추가로, 로터가 강하게 또한 통제 안되는 식으로 진동을 하기 시작하여 로터의 부품이 펌프 케이싱과 접촉하게 되면, 펌프의 효율이 감소될 수 있고, 최악의 경우에는 펌프가 손상될 수 있다. 로터 진동의 유형과 강도는 펌프의 특정한 기하학적 구조 뿐만 아니라 펌프의 작동 상태, 펌핑될 다상 혼합물, 펌프의 회전 속도 및 다른 알려져 있는 파라미터에도 달려 있고, 이것들 중의 일부는 정확히 알려져 있지 않아, 알려져 있는 펌프의 기하학적 관계를 적합하게 하거나 새료운 재료를 사용하는 것만으로는 로터의 유해한 진동의 문제를 해결하는 것은 거의 가능하지 않다.
로터의 진동과 관련하여, 로터의 평형은 극히 중요하다. 로터가 높은 수준의 기계 평형을 갖는 경우, 훨씬 더 작은 진동이 일어난다(매우 불균질한 유체가 펌핑되더라도).
그러므로, 다상 펌프의 제조와 관련한 어려움 중의 하나는, 높은 수준의 기계 평형을 보장할 필요가 있다는 것이다. 높은 평형 등급의 로터는, 높은 또는 전체 가스 공정 흐름물이 제공하는 감쇠 및 강성의 감소를 완화시킨다. 높은 평형 등급을 보장함으로써, 공정 유체 특성이 강성 및 감쇠를 감소시키면 다상 펌프는 훨씬 더 튼튼하게 된다. 종래 기술의 공정은 축방향으로 분할된 케이싱 내부에 있는 로터의 평형을 이루고 또한 그 로터를 밀봉하는 것이다. 이러한 케이싱은 제조하기가 크고 복잡하며, 최소화 및 모듈화에 적합하지 않다.
이러한 종래 기술에서 출발한 본 발명의 일 목적은, 종래 기술의 단점을 피할 수 있는 개선된 다상 펌프를 제안하는 것이다. 특히, 다상 펌프는, 대체로 로터의 유해한 진동을 피하여 마모로부터 보호되어야 한다. 또한, 로터의 개선된 운전이 달성될 수 있고 또한 펌프는 더 높은 속도로 작동될 수 있도록, 로터의 진동은 미리 결정 가능한 정도로 감소/감쇠되어야 한다. 추가로, 새로운 다상 펌프는 종래 기술에 알려져 있는 다상 펌프로 가능한 경우 보다 더 많은 압축 스테이지를 구비할 수 있어야 한다.
위의 목적을 달성하는 본 발명의 주제는 독립 청구항의 특징적 사항으로 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 다상 공정 유체를 저압측으로부터 고압측에 전달하기 위한 다상 펌프가 제안된다. 이 다상 펌프는 외측 하우징과 케이싱을 포함하고, 케이싱은 공정 유체를 위한 펌프 입구와 펌프 출구를 포함한다. 다상 펌프는, 상기 케이싱 내부에 배치되어 축선 방향 주위로 회전하는 펌프 로터를 더 포함하고, 펌프 로터는 공정 유체를 펌프 입구로부터 펌프 출구에 전달하도록 설계되어 있다. 다상 펌프는, 케이싱이 복수의 스테이지 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다. 복수의 스테이지 부분은 개별 스테이지-부분, 상기 펌프 입구에 배치되는 저압 부분 및 상기 펌프 출구에 배치되는 고압 부분을 포함하고, 상기 개별 스테이지-부분은 고압 부분과 저압 부분 사이에 배치된다. 또한, 복수의 스테이지 부분은 밀봉 지지 구조에 의해 함께 유지되고, 상기 케이싱은 상기 외측 하우징 내부에 배치된다. 그러므로 케이싱은 다상 펌프의 내측 케이싱이다. 밀봉 지지 구조는 하우징 내부의 케이싱에 배치된다.
개별 스테이지-부분이 고압 부분과 저압 부분 사이에 배치된다는 것은,개별 스테이지-부분이 축선 방향으로 고압 부분과 저압 부분 사이에 배치된다는 것을 암시한다.
본 발명에 따른 다상 펌프의 케이싱이 복수의 스테이지 부분을 포함한다는 것은, 케이싱이 적어도 개별 스테이지-부분, 펌프 입구에 배치되는 저압 부분 및 프 출구에 배치되는 고압 부분으로 반경 방향으로 분할된다는 것을 의미한다.
종래 기술에 알려져 있는 반경 방향 분할 링 부분 펌프의 스테이지 케이싱과 관련하여, 본 발명의 스테이지 부분은 (그의 기능에 따라 명명됨) 흡입 케이싱(저압 부분), 스테이지 케이싱(개별 스테이지-부분; 일반적으로 여러 개가 차례 대로 배치됨) 및 배출 케이싱(고압 부분)이다. 조립되면 케이싱의 압밀한 연결이 밀봉 지지 구조에 의해 보장된다.
특히, 밀봉 지지 구조는 고압 부분과 저압 부분에 고정될 수 있다. 그러한 구성에서, 밀봉 지지 구조는 고압 부분과 저압 부분에 의해 스테이지 부분을 가압하고, 결과적으로, 개별 스테이지-부분을 고압 부분과 저압 부분 사이에 체결한다. 선형 펌프 구성에서, 저압 부분과 고압 부분은 바람직하게는 펌프 케이싱의 종말 부분이다.
본 발명의 다상 펌프는 특히 직렬로 배치되는 동일한 종류의 여러 스테이지 부분 또는 개별 스테이지-부분으로 설계된다. 케이싱은 로터의 케이싱을 형성하는 적어도 3개의 스테이지 부분으로 이루어진 장치이다.
종래 기술에 알려져 있는 스테이지 케이싱은 어떤 종류의 다중 스테이지 펌프에서 이용되지만, 하우징과 하우징 내의 케이싱을 갖는 다상 펌프에는 이용되지 않는다. 직렬로 배치되는 동일한 종류의 여러 스테이지 케이싱을 갖는 펌프의 일 예는 링 부분 펌프이다. 이러한 종류의 펌프는 종종 발전소에서, 예컨대, 보일러 공급 펌프에서 사용되고 또한 고압을 필요로 하는 산업에서 사용된다. 다중 스테이지 펌프의 개별 스테이지는 반도시 직렬로 배치될 필요는 없다. 축방향 추력의 평형은 스테이지를 쌍 또는 그룹으로 배면 맞대기로 배치하여 향상될 수 있다. 종래 기술에 알려져 있는 스테이지 케이싱은 확산기와 단일체로 조합된다.
공지된 다중 스테이지 펌프에서, 스테이지 케이싱은 대개 저압 용례를 위한 단순한 그리고 비용 효과적인 구성으로서 역할한다. 펌프 로터의 평형은 매우 중요한 역할을 하는데, 왜냐하면, 공정 유체 자체는 일반적으로 매우 균질하고 주로 하나의 상을 포함하기 때문이다. 결과적으로, 마모를 일으키는 공정 유체의 소정의 변화는 거의 없다. 따라서, 펌프는 그의 작동 범위 밖에서 작동할 필요가 없다.
한편, 다상 펌프에서, 로터의 높은 평형은 다상 펌프의 작동에 매우 중요하다. 다상 펌프의 작동 중에 공정 유체 특성이 강성과 감쇠에 있어 감소할 때 로터의 높은 평형을 보장함으로써 기계는 훨씬 더 튼튼하게 된다. 종래 기술 공정은 회전하는 요소의 평형을 이루고 또한 인접한 정지 부분을 조개 껍질형(축방향으로 분할되어 있고 반경 방향으로는 분할되어 있지 않음) 내측 케이싱으로 밀봉 및 지지하는 것이다. 특히, 인접하는 정지 부분은 반원형 확산기 링을 포함한다.
스테이지 케이싱을 갖는 케이싱은 다상 펌프용으로 전혀 고려되지 않았는데, 왜냐하면, 다른 특성 중에서도, 다상 펌프용 로터의 평형화 공은 알려져 있는 스테이지 케이싱에는 실제로 이용될 수 없기 때문인데, 알려져 있는 스테이지 케이싱은 확산기와 단일체로 조합되고 다상 펌프는 일반적으로 별개의 반원형 확산기를 포함하기 때문이다. 또한, 종래 기술의 스테이지 케이싱은 외측 케이싱에 배치되지 않는다. 그러므로, 종래 기술에 알려져 있는 스테이지 케이싱의 경우에는 먼저 로터의 평형을 이루고 그후에 케이싱을 가하는 것은 가능하지 않을 것인데, 왜냐하면, 종래 기술에 알려져 있는 스테이지 케이싱은 로터로 단계적으로 구축되기 때문이다.
따라서, 본 발명은 다상 펌프의 축방향 분할 내측 케이싱을, 링 부분 펌프의 스테이지 케이싱과 비슷한, 즉 여러 개의 "스테이지 케이싱"(스테이지식 케이싱의 반경 방향 분할 부분)을 포함하는 케이싱, 그래서, 축방향으로 분할되지 않고 반경 방경으로 분할된 케이싱으로 대체하는 것이다. 복수의 스테이지 부분은 부분별로 로터에 가해지고 그 위로 슬라이딩될 수 있는데, 스테이터를 설치하기 위해 로터를 분해할 필요가 없기 때문이다. 본 발명은 다상 펌프의 훨씬 더 간단한 유지 보수를 가지며, 다상 펌프의 우수한 로터 역학 거동을 보장한다. 또한, 본 발명에 따른 다상 펌프는 조립이 용이하고, 로터의 평형에 부정적인 영향을 줌이 없이 비용이 줄어들고 또는 심지어는 로터의 평형이 개선된다.
그러므로, 본 발명의 본질적인 발견은, 로터를 분해함이 없이 또한 로터의 평형이 감소함이 없이 "스테이지 케이싱"이 다상 펌프에 성공적으로 사용될 수 있다는 것이다.
추가로, 펌프 케이싱은 복수의 개별 스테이지-부분을 포함할 수 있고, 다상 펌프의 복수의 개별 스테이지-부분은 제 1 개별 스테이지-부분과 제 2 개별 스테이지-부분을 포함한다. 제 1 개별 스테이지-부분과 제 2 개별 스테이지-부분은 상기 고압 부분과 저압 부분 사이에 직렬로 배치된다. 복수의 스테이지 부분은 밀봉 지지 구조에 의해 함께 유지된다.
개별 스테이지-부분은 다양한 상이한 형상을 가질 수 있다. 개별 스테이지-부분은 서로 다르게 또는 유사하게 성형될 수 있다. 예컨대, 개별 스테이지-부분은 개별적인 링 부분일 수 있고, 각 특정한 링 부분은 개별적인 축방향 연장을 가질 수 있다.
다상 펌프의 로터는 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다. 그 구성 요소는 예컨대 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 임펠러와 축을 포함한다. 그래서, 복수의 임펠러는 그 축에 직렬로 배치된다. 추가로, 복수의 임펠러는 토크 내성(torque-proof) 방식으로 축에 연결된다.
다상 펌프는 확산기를 더 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 확산기는 상기 축 주위에 배치되며, 확산기는 일반적으로 상기 공정 유체를 다음 임펠러에 안내하기 위해 2개의 인접하는 임펠러 사이에 배치된다. 물론, 다상 펌프는 축 주위에 직결로 배치되는 복수의 확산기를 포함할 수 있고, 각 확산기는 바람직하게는 공정 유체를 다음 임펠러에 안내하기 위해 2개의 인접하는 임펠러 사이에 배치된다. 확산기는 허브에 장착되는 적어도 하나의 베인을 포함할 수 있다. 본 개시의 어떤 실시 형태에서, 회전 실속(stall)과 같은 유압적 불안정성을 줄이거나 제거하기 위해 적어도 하나의 개구가 확산기 베인에 반경 방향으로 제공된다. 확산기는 케이싱의 내부에서 임펠러의 상류 또는 하류에 배치된다. 그러한 확산기는 선태적으로 2개의 반원형 링으로 축방향으로 분할될 수 있고, 그 2개의 반원형 링은 축 주위에 배치될 수 있다.
일 유리한 조치에 따르면, 임펠러는 나선 축류 임펠러이다. 나선 축류 다상 펌프는 하향공을 위해 설계 및 사용될 수 있고, 그러한 경우 펌프는 웰 보어(well bore) 내부에 설치된다. 그러나 본 발명의 다상 펌프는 하향공에서의 사용에 한정되지 않고, 해저 또는 정상측에서 사용되는 어떤 독립적인 다상 펌프에서도 구현되기에 적합하다.나선 축류 펌프는 탄화수소 생산에 사용되는 압축기 펌프의 한 종류일 뿐이다.
나선 축류 다상 펌프는 일반적으로 실린더 쉬라우드(shroud)로 형성될 수 있는 스테이지식 케이싱을 포함하고, 그 실린더 쉬라우드 안에는 축이 중심에서 지지되고 잠수형 저니 모터/구동 유닛에 의해 회전 구동된다. 나선 축류 (나선형) 임펠러는 축에 대해 회전이 안 된다. 나선 축류 펌프는 일반적으로 여러 개의 연속적인 스테이지(유압 셀, 펌프 스테이지)으로 구성되고, 각 스테이지는 임펠러 부분 및 그 뒤의 확산기 부분을 포함한다. 임페러 부분은 적어도 하나의 임펠러를 포함하고 확산기 부분은 적어도 하나의 확산기를 포함한다. 확산기는 정치 블레이드를 포함하고, 이 정지 블레이드는 쉬라우드로부터 중심 허브까지 연장되어 있고, 축이 회전 지지되면서 그 허브를 통과한다. 임펠러와 확산기 각각은, 한편으로 쉬라우드 및 다른 한편으로는 축 및 허브에 각각 형성되는 환형 유동 톨로를 제공한다. 바람직하게는, 임펠러에서, 증가하는 임펠러 축 직경으로 인해 유동 단면적은 확산기 쪽으로 가면서 감소하고, 확산기에서는 유동 단면적은 감소하는 허브 직경으로 인해 다음 임펠러 쪽으로 가면서 증가한다. 임펠러는 유체를 확산기 쪽으로 압축하여, 축방향 성분과 회전 성분을 유동에 부여하게 된다. 확산기 안에 있는 정지 블레이드는 회전 성분을 제거하고 유동을 축방향 유동으로 복귀시킨다. 확산기를 통과하는 유동이 바녕 방향 팽창의 효과로, 유동 속도가 감소되어, 유체의 정압이 증가된다.
로터의 평형 작동 후에 주로 인접하는 정지 부품(예컨대, 확산기)이 후속 조립 단계를 가능하게 하기 위해 부분 어셈블리가 해제될 때, 높은 평형 등급은 유지하기가 어렵다.
높은 평형 등급의 악화를 방지하기 위해, 확산기는 축선 방향으로 2개의 반원형 링으로 분할되고, 평형화된 로터 주위에 조립될 수 있다.
일 바람직한 실시 형태에 따르면, 밀봉 지지 구조는 타이 로드(tie rod)이다. 이 타이 로드는 다양한 복수의 스테이지 부분에 연결될 수 있다. 타이 로드는 스테이지 부분을 가압하고 스테이지식 펌프 케이싱을 밀봉하기 위해 적어도 2개의 스테이지 부분에 연결되어야 한다. 특히, 타이 로드는 저압 부분 및 고압 부분에 연결된다. 추가로, 복수의 타이 로드가 적어도 2개의 스테이지 부분에 연결될 수 있다. 구체적으로, 타이 로드는 (중간) 개별 스테이지-부분 또는 복수의 개별 스테이지-부분에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 다상 펌프에서, 개별 스테이지-부분, 특히, 제 1 개별 스테이지-부분 및 제 2 개별 스테이지-부분은 타이 로드에 의해 함께 압축되는 개별 링으로 구현될 수 있다.
다상 펌프의 스테이지 부분은 타이 로드 또는 복수의 타이 로드를 연결하기 위해 플랜지 또는 복수의 플랜지를 포함할 수 있다. 특히 저압 부분은 제 1 플랜지를 포함하고, 고압 부분은 제 2 플랜지를 포함하며, 상기 타이 로드는 상기 제 1 플랜지와 제 2 플랜지에 연결된다.
본 발명의 밀봉 지지 구조는 케이싱, 즉 스테이지 부분을 조립/압착/유지시키는데, 예컨대, 개별 스테이지-부분은 적어도 2개의 스테이지 부분(바람직하게는 복수의 스테이지 부분)에 연결되는 타이 로드(또는 복수의 타이 부분)을 사용하여 함께 압축된다. 일 바람직한 실시 형태에서, 타이 로드는 흡입 케이싱과 마지막 스테이지 확산기에 연결된다.
대안적으로, 밀봉 지지 구조는 개별적으로 연결되는 케이싱 스테이지로 설계될 수 있다. 개별적으로 연결되는 케이싱 스테이지는, 2개의 인접하는 스테이지 부분 사이에 또는 그에 배치되어 이들 두 스테이지 부분을 연결하는 구조가 있음을 암시한다. 그러므로, 스테이지 부분은 인접하는 스테이지 부분에 개별적으로 볼트 체결될 수 있다. 제 1 개별 스테이지-부분은 흡입 캐이싱에 볼트 체결되고, 제 2 개별 스테이지-부분은 마지막 스테이지 확산기에 볼트 체결된다. 분명, 스테이지 부분은 볼트 체결될 필요는 없고, 다른 적절한 방식으로 연결될 수 있다.
또한, 스테이지 부분은 제 3 개별 스테이지-부분을 더 포함하고, 상기 제 1 개별 스테이지-부분은 저압 부분에 연결되고, 제 2 개별 스테이지-부분은 고압 부분에 연결되고, 상기 제 3 개별 스테이지-부분은 상기 제 1 개별 스테이지-부분 및/또는 제 2 개별 스테이지-부분에 연결되는 것이 바람직하다. 개별 스테이지-부분이 복수의 제 3 개별 스테이지-부분(즉, 중간 개별 스테이지-부분)을 포함하면, 제3 개별 스테이지-부분은 제 1 개별 스테이지-부분 및/또는 제 2 개별 스테이지-부분 및/또는 다른 제 3 개별 스테이지-부분에 연결될 수 있다.
따라서, 다상 펌프는 복수의 제 3 개별 스테이지-부분을 포함할 수 있고, 제 3 개별 스테이지-부분 각각은 인접하는 개별 스테이지-부분에 연결된다. 그래서, 복수의 개별 스테이지-부분을 포함하는 서로 연결된 개별 스테이지-부분의 일종의 체인이 있다.
일 바람직한 실시 형태에 따르면, 다상 펌프는 임펠러와 케이싱 사이에 배치되는 임펠러 마모 링, 및 상기 축과 확산기 사이에 배치되는 확산기 마모 링을 포함한다. 특히, 임펠러의 외경이 펌프의 유압적 성능을 저해함이 없이 증가될 수 있다면, 임펠러의 마모 링은 케이싱의 스테이지 부분에 통합될 수 있다.
다상 펌프는 수평형 또는 수직형 구성일 수 있다. 일 바람직한 설계에 따르면, 펌프 케이싱에 있는 펌프 입구(즉, 흡입구) 및 펌프 출구(즉, 배출구)는 주 연결부이다. 바람직하게는, 펌프 케이싱의 저압 부분은 입구를 갖는 흡입 케이싱의 부분이고, 고압 부분은 출구를 갖는 마지막 스테이지 확산기 및/또는 배출 케이싱을 갖는 부분이다. 밀봉 지지 구조(예컨대, 타이 로드)는 특히 마지막 스테이지 확산기 또는 배출 캐이싱 및 흡입 케이싱에 연결될 수 있다.
작동 상태에서, 공정 유체는 펌프 입구에서 펌프 케이싱에 들어가 흡입 캐이싱의 유압 통로를 통과하게 된다. 공정 유체는 로터의 회전에 의해 단일의 또는 복수의 임펠러 및 확산기를 통해 펌프 축의 길이를 따라 수송된다. 그런 다음에 공정 유체는 마지막 스테이지 확산기를 통해 펌프 출구 안으로 밀려 들어가 펌프 케이싱에서 나가게 된다.
공정 유체는 변하는 밀도와 점도의 고체, 액체 및 가스를 포함하는 다상 유체일 수 있기(즉,복수의 상이한 상을 포함하기) 때문에, 특히 높은 가스 대 액체 비에서 부정적인 로터 역학적 효과를 최소화하기 위해서는 펌프 로터의 높은 정도의 기계적 평형이이 요구되고, 그 경우, 공정 유체의 감쇠 및 강성은 액체가 지배적인 공정 흐름물에 비해 상당히 감소된다.
펌프 스테이지 또는 유압 셀은 한 임펠러와 한 확산기의 어셈블리이다. 분할 확산기는 한 임펠러와 한 확산기의 각 유압 셀에 의해 발생된 압력 때문에 제자리에 유지된다. 밀봉 지지 구조는 이 압력을 발생시킬 필요가 있는데, 특히, 이 압력을 확산기 및 임펠러의 마모 링에 가할 필요가 있다.
바람직한 설계에 따르면, 다상 펌프는, 반경 방향 분할 부분이 어셈블리 위에서 슬라이딩될 때 확산기 절반부와 마모 링을 유지시키기는 도구를 포함한다. 본 발명은 유압 셀 당 하나의 스테이지 부분을 이용할 수 있는데, 하지만 다수의 유압 셀을 하나의 스테이지 부분으로 밀봉하고 지지하기 위해 더 긴 스테이지 부분을 사용할 수도 있다. 최소한으로, 단일의 긴(제 1) 개별 스테이지-부분을 사용하여 고압 부분과 저압 부분 사이의 모든 펌프 스테이지 또는 유압 셀을 지지하고 밀봉할 것이다.
일반적으로, 다상 펌프에, 수평 방향으로 나란히 배치되는 복수의 펌프 스테이지k 제공되며, 각 펌프 스테이지는 하나의 스테이지 부분(펌프 스테이지의 스테이지 캐이싱)을 포함할 수 있고, 각 경우에 하나의 임펠러가 제공된다. 임펠러는 이 펌프 스테이지의 저압측 입구에서 고압측 출구까지 유체를 촉진하며, 출구는 다음 스테이지의 입구에 연결되어 있다. 모든 임펠러는 축에 회전 가능하게 장착되고, 따라서 축은 모든 펌프 스테이지를 통해 연장되어 있고 적절한 장치로 구동된다. 개별 펌프 스테이지는 일반적으로, 반경 방향 분할 부분에 대해 움직이지 않는, 즉 움직이지 않게 배치 또는 장착되는 마로 링에 의해 공통 축을 따라 밀봉된다. 일반적으로, 한 펌프 스테이지에 2개의 마모 링이 제공되는데, 즉, 저압측에는, 임펠러의 전방 덮개를 둘러싸는 제 1 마모 링이 제공되고, 고압측에는, 격벽에 고정되고 공정 유체를 펌프 스테이지의 출구로부터 다음 펌프 스테이지의 입구에 보내고 일반적으로 다음 스테이지를 위한 확산기를 포함하는 제 2 마모 링이 제공된다.
다상 펌프는 또한 배면 맞대기 배치로 설계될 수 있다. 이러한 배치에서, 여러 개의 임펠러가 축 상에 배면 맞대기 배치로 배치된다. 바람직하게는, 배면 맞대기 배치로 있는 본 발명에 따른 다상 펌프는, 공정 유체를 위한 제 1 펌프 입구, 제 2 펌프 입구 및 펌프 출구를 갖는 케이싱을 포함한다. 펌프 로터는 작동 상태에서 축선 방향 주위로 회전하고, 펌프 로터는 공정 유체ff 펌프의 제 1 펌프 입구와 제 2 펌프 입구로부터 펌프 출구에 전달하도록 설계되어 있다. 케이싱은 복수의 스테이지 부분을 포함한다. 케이싱이 배면 맞대기 배치에 적합하게 되어 있다는 것은, 스테이지 부분은 적어도 2개의 개별 스테이지-부분, 펌프의 제 1 및 제 2 입구에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 저압 부분 및 펌프 출구에 배치되는 고압 부분을 포함한다. 반면, 개별 스테이지-부분은 고압 부분과 제 1 및 제 2 저압 부분 사이에 배치된다. 또한, 스테이지 부분은 밀봉 지지 구조에 의해 함께 유지된다. 밀봉 지지 구조가 타이 로드로 설계되면, 그 타이 로드는 적어도 고압 부분과 제 1 및 제 2 저압 부분에 연결된다.
본 발명에 따른 다상 펌프는 펌프 로터가 수직 방향으로 연장되어 있는 수직형 펌프로 설계될 수 있다. 대안적으로,본 발명에 따른 다상 펌프는 펌프 로터가 수직 방향에 수직으로, 즉 수평 방향으로 연장되어 있는 수평형 펌프로 설계될 수 있다.
일 바람직한 구성에 따르면, 다상 펌프는 펌프 로터를 회전시키기 위해 펌프 로터에 작동 가능하게 연결되어 있는 구동 유닛을 포함하고, 구동 유닛은 다상 펌프의 하우징 내부에 배치된다.
특히, 다상 펌프는 해저 오일 및 가스 전달을 위해 설계될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 다상 펌프는 해저 바닥에 설치되도록 설계된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 도면은 개략적으로 나타나 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다상 펌프의 제 1 실시 형태의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다상 펌프의 제 2 실시 형태의 단면도이다.
도 3은 축방향으로 분할된 확산기를 갖는 본 발명에 따른 다상 펌프의 실시 형태를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 다상 펌프의 일 실시 형태의 단면도를 나타낸다. 다상 펌프는 다상 공정 유체를 저압측(LP)으로부터 고압측(HP)에 전달하기 위한 원심 펌프로 설계되어 있다.
이하의 설명에서, 다상 펌프(1)는 오일 및 가스 산업에서 해저 펌프로 사용되도록 설계되어 있다는 중요한 용례를 예로 참조한다. 특히, 다상 펌프(1)는 해저 바닥에 설치되도록, 즉 수면 아래에, 특히 바다의 수면 아래 100 m, 500 m 또는 심지어 1000 m 이상의 깊이에서 사용되도록 구성되어 있다. 그러한 용례에서, 다상 공정 유체는 일반적으로 예컨대 유전으로부터 수면 아래의 또는 수면 상에 있는 또는 해안에 있는 처리 유닛까지 펌핑되어야 하는 탄화수소 함유 혼합물이다. 전달될 공정 유체를 구성하는 다상 혼합물은 액체 상, 가스 상 및 고체 상을 포함할 수 있고, 액체 상은 원유, 해수 및 화학물질을 포함할 수 있고, 가스 상은 메탄, 천연 가스 등을 포함할 수 있고, 고체 상은 모래, 슬러지 및 더 작은 돌을 포함할 수 있고, 다상 혼합물의 펌핌시에 다상 펌프는 손상되지 않는다.
물론, 본 발명은 이 특정한 예에 한정되지 않고, 일반적으로 다상 펌프(1)에 관련된다. 본 발명은 많은 상이한 용례, 특히, 접근이 어려운 위치에 다상 펌프가 설치되는 용례에서 사용될 수 있다.
다상 펌프(1)의 케이싱(10)은 펌프 입구(2)를 포함하고, 화살표료 나타나 있는 바와 같이 저압측(LP)에서 다상 공정 유체가 펌프 입구를 통해 펌프에 들어가고, 케이싱은 또한 화살표료 나타나 있는 바와 같이 고압측(HP)에서 공정 유체를 증가된 압력으로 배출시키기 위한 펌프 출구(3)를 포함한다. 일반적으로, 펌프 출구(3)는 공정 유체를 다른 위치에 전달하기 위한 파이프 또는 배관(나타나 있지 않음)에 연결된다. 펌프 출구(3), 즉 고압측(HP)에서의 공정 유체의 압력은 일반적으로 펌프 입구(2), 즉 저압측(LP)에서의 공정 유체의 압력 보다 상당히 높다. 고압측과 저압측 사이의 차의 전형적인 값은 예컨대 50 내지 200 bar 이다.
다상 펌프(1)의 케이싱(10)은, 여러 개의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)을 갖는 반경 방향으로 분할된 "스테이지식" 케이싱(10)으로 설계되어 있고, 이 케이싱은 다상 펌프(1)에 의해 발생된 압력 및 환경에 의해 다상 펌프(1)에 가해지는 압력을 견딜 수 있다. 여러 개의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 여러 개의 상이한 케이싱 부분을 포함하고, 이들 케이싱 부분은 서로 연결되어 케이싱(10)을 형성한다. 그리하여, 여러 개의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 고압측(HP)에서 펌프 출구(3)에 배치되는 고압 부분(52), 저압측(LP)에서 펌프 입구(2)에 배치되는 저압 부분(51), 제 1 개별 스테이지-부분(71), 제 2 개별 스테이지-부분(72) 및 제 3 개별 스테이지-부분(73)을 포함한다. 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 직렬 방식으로 배치되고, 제 1 개별 스테이지-부분(71), 제 2 개별 스테이지-부분(72) 및 제 3 개별 스테이지-부분(73)은 저압 부분(51)과 고압 부분(52) 사이에 배치된다. 저압 부분(51)은 흡입 케이싱으로 설계되고 고압 부분은 배출 케이싱으로 설계된다.
도 1에 나타나 있는 실시 형태에서, 제 1 개별 스테이지-부분(71)은 저압 부분(51)에 연결되고, 제 2 개별 스테이지-부분(72)은 고압 부분(52)에 배치되며, 복수의 제 3 개별 스테이지-부분(73)은 제 1 개별 스테이지-부분(71) 및/또는 제 2 개별 스테이지-부분(72)에 배치되고/배치되거나 서로에 연결된다. 나타나 있는 실시 형태는 복수의 제 3 개별 스테이지-부분(73)을 포함하고, 각 제 3 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 인접하는 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)에 배치된다. 저압 부분(51)은 제 1 플랜지(511)를 포함하고, 고압 부분(52)은 제 2 플랜지(521)를 포함한다. 타이 로드(81)가 케이싱(1)에 배치되고 또한 제 1 플랜지(511) 및 제 2 플랜지(521)에 연결된다. 타이 로드(81)는 밀봉 지지 구조이고, 이 구조는 반경 방향 분할 부분(51, 52, 71, 72, 73)을 압력 하에 두며, 그래서 스테이지식 케이싱(1)이 함께 유지된다.
다상 펌프(1)는 다상 펌프의 작동 상태에서 축선 방항(A) 주위로 회전하는 펌프 로터(4)를 더 포함한다. 그 자체 알려져 있는 방식으로, 펌프 로터(4)는 공정 유체를 저압측(LP)의 입구 환형체로부터 고압측(HP)의 배출 환형체에 전달하도록 구성되어 있다(나타나 있지 않음).
펌프 로터(4)는 축선 방향(A) 주위로 회전 가능한 축(41) 및 하나의 임펠러(단일 스테이지 펌프: 나타나 있지 않음) 또는 축선 방향(A)을 따라 직렬로 배치되는 복수의 임펠러(42)(다중 스테이지 펌프)를 포함하고, 이 임펠러는 공정 유체를 입구(2)로부터 출구(3)에 전달하여 공정 유체의 압력을 증가시키기 위한 것이다. 각 임펠러(42)는 토크 내성(torque-proof) 방식으로 축(41)에 고정된다. 각 임펠러(42)는 예컨대 반경류 임펠러 또는 축류 임펠러 또는 반축류 임펠러로 설계될 수 있다. 또한, 2개의 인접하는 임펠러 사이에 배치되는 복수의 확산기(6)가 있다. 임펠러 마모 링(91)이 케이싱(10)과 임펠러(42) 사이에(반경 방향으로) 배치되고, 확산기 마모 링(92)은 케이싱(10)과 확산기(6) 사이에(반경 방향으로) 배치된다.
펌프 로터(4)의 축(41)을 회전시키기 위해, 축(41)은 구동 유닛(나타나 있지 않음)에 작동 가능하게 연결되며, 구동 유닛은 펌프(1)의 하우징 외부에 위치되는 별도의 유닛일 수 있고 또는 하우징에 통합될 수 있다. 해저에서 사용되기 위해, 구동 유닛은 일반적으로 하우징 내부에 배치된다.
구동 유닛에 의해, 펌프(1)의 작동 동안에 펌프 로터(4)는 펌프 로터(4)의 길이 방향 축선으로 규정되는 축선 방향(A) 주위로 회전하도록 구동된다.
도 2는 본 발명에 따른 다상 펌프의 제 2 실시 형태의 단면도를 나타낸다. 도 2는 도 1과 유사한 구조를 나타내지만, 상이한 밀봉 지지 구조가 사용된다.
도 2에 나타나 있는 실시 형태는 개별적으로 볼트 체결되는 스테이지 부분을 가지며, 각 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 밀봉 지지 구조(82)에 의해 인접 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)에 개별적으로 볼트 체결되며, 제 1 스테이지 케이싱과 마지막 스테이지 케이싱은 밀봉 지지 구조(82)에 의해 흡입 케이싱/저압 부분(51) 및 마지막 스테이지 확산기/고압 부분(52)에 각각 볼트 체결된다.
개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 고압 부분(52)과 저압 부분(51) 사이에 배치된다.
물론, 본 발명에 따른 다상 펌프(1)는, 펌프 로터(4)가 수직 또는 수평 방향으로, 즉 중력 방향에 수직하게 연장되어 있는 수직형 또는 수평형 펌프로 설계될 수 있다.
도 3은 축방향으로 분할된 확산기(6)를 갖는 본 발명에 따른 다상 펌프의 실시 형태를 나타낸다.
다상 펌프는 축(41) 주위에 직렬로 배치되어 있는 복수의 확산기(6)를 포함하고, 각 확산기(6)는 공정 유체를 다음 임펠러(42)에 보내기 위해 2개의 인접하는 임펠러(42) 사이에 배치된다.
그리하여, 확산기(6)는 ?벙향으로 2개의 반원형 링으로 분할되어 있고, 2개의 반원형 링은 축(41) 주위에 배치된다.
축방향으로 분할된 확산기로 인해, 로터가 그 축방향으로 분할된 확산기 "사이에" 있고 스테이지 부분이 정상부 위에서 슬라이딩될 수 있기 때문에, 로터는 로터의 평형이 감소됨이 없이 조립될 수 있다.

Claims (15)

  1. 다상(multiphase) 공정 유체를 저압측(LP)으로부터 고압측(HP)에 전달하기 위한 다상 펌프로서, 외측 하우징과 케이싱(10)을 포함하고, 케이싱(10)은 공정 유체를 위한 펌프 입구(2)와 펌프 출구(3)를 포함하며, 상기 다상 펌프(1)는, 상기 케이싱(10) 내부에 배치되어 축선 방향(A) 주위로 회전하는 펌프 로터(4)를 더 포함하고, 펌프 로터(4)는 공정 유체를 펌프 입구(2)로부터 펌프 출구(3)에 전달하도록 설계되어 있으며, 상기 케이싱(10)은 복수의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)을 포함하고, 복수의 스테이지 부분(stage segment)들(51, 52, 71, 72, 73)은 개별 스테이지-부분(71, 72, 73), 상기 펌프 입구(2)에 배치되는 저압 부분(51) 및 상기 펌프 출구(3)에 배치되는 고압 부분(52)을 포함하고, 상기 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 고압 부분(52)과 저압 부분(51) 사이에 배치되며, 상기 복수의 스테이지 부분(51, 52, 71, 72, 73)은 밀봉 지지 구조(81, 82)에 의해 함께 유지되고, 상기 케이싱(10)은 상기 외측 하우징 내부에 배치되는, 다상 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스테이지 부분들(51, 52, 71, 72, 73)은 복수의 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)을 포함하고, 복수의 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 제 1 개별 스테이지-부분(71)과 제 2 개별 스테이지-부분(72)을 포함하며, 제 1 개별 스테이지-부분(71)과 제 2 개별 스테이지-부분(72)은 상기 고압 부분(52)과 저압 부분(51) 사이에 직렬로 배치되며, 상기 스테이지 부분들(51, 52, 71, 72, 73)은 밀봉 지지 구조(81, 82)에 의해 함께 유지되는, 다상 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펌프 로터(4)는 복수의 임펠러(42)와 축(41)을 포함하고, 상기 복수의 임펠러(42)는 상기 축(41) 상에 직렬로 배치되는, 다상 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다상 펌프는 확산기(6)를 더 포함하고, 확산기(6)는 상기 축(41) 주위에 배치되며, 확산기(6)는 상기 공정 유체를 다음 임펠러(42)에 안내하기 위해 2개의 인접하는 임펠러(42) 사이에 배치되는, 다상 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 확산기(6)는 축선 방향으로 2개의 반원형 링으로 분할되어 있고, 상기 2개의 반원형 링은 상기 축(41) 주위에 배치되는, 다상 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 지지 구조(81, 82)는 타이 로드(tie rod; 81)이고, 타이 로드(81)는 복수의 스테이지 부분들(51, 52, 71, 72, 73)에 연결되고, 특히, 저압 부분(51) 및 고압 부분(52)에 연결되는, 다상 펌프.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 개별 스테이지-부분(71) 및 제 2 개별 스테이지-부분(72)은 상기 밀봉 지지 구조(81, 82)에 의해 함께 압축되는 개별 링(512)인, 다상 펌프.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 저압 부분(51)은 제 1 플랜지(511)를 포함하고, 고압 부분(52)은 제 2 플랜지(521)를 포함하며, 상기 타이 로드(81)는 상기 제 1 플랜지(511)와 제 2 플랜지(521)에 연결되는, 다상 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임펠러(42)는 나선 축류(helico-axial) 임펠러인, 다상 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)은 제 3 개별 스테이지-부분(73)을 더 포함하고, 상기 제 1 개별 스테이지-부분(71)은 상기 저압 부분(51)에 연결되고, 제 2 개별 스테이지-부분(72)은 상기 고압 부분(52)에 연결되고, 상기 제 3 개별 스테이지-부분(73)은 상기 제 1 개별 스테이지-부분(71) 및/또는 제 2 개별 스테이지-부분(73)에 연결되는, 다상 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다상 펌프는 복수의 제 3 개별 스테이지-부분(73)을 포함하고, 제 3 개별 스테이지-부분(73) 각각은 인접하는 개별 스테이지-부분(71, 72, 73)에 연결되는, 다상 펌프.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임펠러(42)와 케이싱(10) 사이에 배치되는 임펠러 마모 링(91), 및 상기 축(41)과 확산기(6) 사이에 배치되는 확산기 마모 링(92)을 포함하는 다상 펌프.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프 로터(4)가 수직 방향으로 연장되어 있는 수직형 펌프로 설계되어 있는 다상 펌프.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다상 펌프는 상기 펌프 로터(4)를 회전시키기 위해 펌프 로터(4)에 작동 가능하게 연결되어 있는 구동 유닛을 포함하고, 구동 유닛은 다상 펌프의 하우징 내부에 배치되는, 다상 펌프.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    해저 바닥에 설치되도록 설계되어 있는 다상 펌프.
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