NO148003B

NO148003B - Fordampningsapparat.

Info

Publication number: NO148003B
Application number: NO793383A
Authority: NO
Inventors: Frank Van Don
Original assignee: Airco Inc
Priority date: 1978-10-23
Filing date: 1979-10-22
Publication date: 1983-04-11
Also published as: FR2439937B1; FR2439937A1; GB2033068B; DE2942565A1; US4226605A; DE2942565C2; NO148003C; GB2033068A; NO793383L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et kompakt og selvstendig fordampningsapparat, særlig for omdanning av kryogene væsker, til høytrykksgass, omfattende en forbrenningsmotor med en radiator og et eksossystem, og et pumpesystem som drives av forbrenningsmotoren, en varmeveksler med et innløpskammer for omgivelsesluft og et utløpskammer, midler for fremføring av omgivelsesluften i en bane fra innløpskammeret til utløpskammeret, et rørsystem som er anordnet i varmeveksleren og plassert i luft-strømmens bane og som kan motta den flytende kryogene væske fra pumpesystemet, hvor omgivelsesluften avgir varme til den kryogene væske som derved oppvarmes for å omdannes til gass, samt et oppvarmingssystem. _

Fcrdampningsapparater finner uts.trakt anvendelse på for-skjellige områder i forbindelse med omdanning av kryogene væsker til gasser. Av slike væsker kan nevnes og ^ som normalt be-finner seg i gåsstilstand under vanlige forhold, slik at visse fordampningsapparater kan utvikle tilstrekkelig varme til å for-dampe væsken utelukkende ved utnyttelse av omgivende luft. Be-handling av kryogene væsker medfører en fordel som er velkjent, nemlig at produktet i flytende tilstand kan lagres, transporteres og pumpes etc. til det endelige anvendelsessted, og deretter fordampes for å gi meget store gassmengder.

En spesiell anvendelse av slike fordampningsapparater,

som også er særlig egnet for den foreliggende oppfinnelse, består i innføring av gass av høyt trykk i oljebrønner for gjennomførel-se av ulike prosesser (f.eks. "fracing"). Slik anvendelse av inerte høytrykksgasser er kjent fra US-patentskrift 3.100.528,

og en av de foretrukne gassarter for oljebrønnbehandling består av nitrogen (GN^).

Et typisk, kommersielt aggregat for levering av kan bestå av en lastebil som er utstyrt med en forrådsbeholder for

LN2, en omformer for omdanning av LN2 til GN2~gass for innføring i en oljebrønn. Drivkraftkilden for betjening av pumpeutstyret kan være anordnet i form av en forbrenningsmotor, f.eks. en dieselmotor, eller en gassturbin. Drivanordningen er i alle til-feller montert på selve lastebilen, slik at hele aggregatet for levering av høytrykks-GN2 lettvint kan transporteres til olje-brønnfeltet, hvoretter det, som følge av sin mobilitet, kan flyttes til et annet område når den spesielle behandlingsprosess er fullført.

Fordampningsapparater kan generelt være av den type for utnyttelse av omgivende luft, som er kjent fra US-patentskrift 3.672.446, eller være basert på ekstra tilførsel av varme til fordampningen, som leveres av eksempelvis en gassfylt brenner, eller ved at motoreksosen ledes direkte mot røret som inneholder væsken som skal fordampes. Behovet for ekstra varmetilførsel avhenger av den spesielle anvendelse, dvs. den ønskete gasstil-strømning og de typiske, rådende forhold.

Fordampningsapparater som utnytter den omgivende luft og som er egnet for visse anvendelsestyper, er stort sett langsomt-virkende og er selvsagt i vesentlig grad avhengig av temperaturen av den omgivende luft. Videre må varmeoverføringsflaten være ekstremt stor, slik at en maksimal mengde av omgivende luft kan ledes mot varmeoverføringsflaten og derved avgi varme til den kryogene væske som strømmer gjennom ledningene eller rørsystemet. Det må derfor på stedet stå et stort areal til rådighet for disse fordampningsapparater som følgelig er lite egnet i tilfelle av plassmangel, særlig dersom det er ønskelig å flytte fordampningsapparatet fra det ene sted til det annet. Fordampningsapparater som er basert på anvendelse av oppvarmingsmidler, er utstyrt med oljefyrte forbrenningskamre hvorfra de varme forbrennings-produkter ledes langs rør som inneholder den kryogene væske som skal fordampes. Risikoen i tilknytning til ild eller åpen varme vil imidlertid representere en ulempe ved de oljefyrte fordampningsapparater. Denne risiko er særlig akutt i forbindelse med oljerigger av offshore-type på grunn av en slik installasjons utilgjengelighet.

Fordampningsapparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at oppvarmingssystemet omfatter forbrenningsmotorens radiator anordnet i varmevekslerens innløpskammer for overføring av varme som avledes fra forbrenningsmotoren til om-

givelsesluften som strømmer inn i innløpskammeret.

Den kompakte konstruksjon skyldes den spesielle anvendelse av varme fra ulike komponenter av forebrenningsmotoren for for-varming av omgivende luft som deretter sirkulerer gjennom for-dampningsapparatets varmeveksler, hvorved LN^ oppvarmes til fordampning .

Med fordel er eksosrørene fra forbrenningsmotoren ført gjennom innløpskammeret som opptar omgivende luft til varmeveksleren. Varme som normalt tapes til atmosfæren blir således opp-fanget og utnyttet for oppvarming av den innstrømmende luft,

og begunstiger derved fordampningen av væsken.

Denne utnyttelse av varme som ellers ville gå tapt gjør det mulig å frembringe et kompakt totalaggregat, hvor dimensjoner og tyngde er redusert uten minskning av enhetens kapasitet.

Idet varmen hovedsakelig utvinnes fra flammeløse kilder,

er brannrisikoen i realiteten eliminert, slik at den kompakte konstruksjon ifølge oppfinnelsen, i forening med dens flamme-løse karakteristika, gir et særlig egnet aggregat som kan glide-monteres og lettvint transporteres luftveien til offshore-borerigger, for innføring av nitrogen i oljebrønner.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et isometrisk riss av et sammenføyet og glidemontert totalaggregat ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et tverrsnitt som illustrerer luftstrømmen gjennom apparatet ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et detaljert, forstørret delriss etter linjen 3-3 i fig. 2 av apparatet ifølge oppfinnelsen.

Det er i fig. 1 vist et isometrisk riss av et flammeløst LN2~fordampningsapparat 10 ifølge foreliggende oppfinnelse. Fordampningsapparatet 10 er omgitt av en metallramme 12 og montert på en sokkel 14 med fastsurringsringer 16 og løfteører 68, slik at hele enheten, som forklart i det etterfølgende, er glidemontert og lettvint kan oppheises eller beveges ved ulike hjelpe-midlar, for å flyttes fra et sted til et annet. Montasjen gjør det særlig enkelt å benytte et helikopter for transport av aggregatet til offshore-borerigger.

Fordampningsapparatet 10 omfatter en forbrenningsmotor

for betjening av pumpen som leverer nitrogen under trykk for innføring i en oljebrønn. I den foretrukne utførelse er forbren-

ningsmotoren en dieselmotor 18 med en hydraulisk pumpe 20 som er forbundet med motorakselen og som driver en hydraulisk kryogen-pumpe 70 som bringer det flytende nitrogen under trykk. Det er anordnet tanker 22 og 24 som inneholder henholdsvis brenselolje for dieselmotoren 18 og hydraulisk olje for ulike hydrauliske ventiler og for pumpen 70. Det er videre anordnet et hensikts-messig kontrollpanel 26 for operatøren.

Varmeveksleren, hvori det ledes luft langs rør som inneholder N_ som skal fordampes (ikke vist i fig. 1), omfatter et lukket kammer 28 som likeledes er montert på sokkelen 14. Kammeret 28 innbefatter et hovedinnløp 30 for innføring av omgivende luft i varmeveksleren, og et utløp 32 for utstrømmende luft fra varmeveksleren. Som det fremgår, vil hovedinnløpet 30 i realiteten oppta omgivende luft gjennom åpninger 34 og 36, av grunner som forklart i det etterfølgende.

Dieselmotoren 18 er som vist forbundet med et eksosrør

38 som tjener for avleding av de varme eksosgasser fra motoren 18, og som ved 40 er tilkoplet varmevekslerkammeret 28. Videre bringes kjølevannet for avkjøling av motoren 18 i sirkulasjon gjennom en slange 42 for .avleding av varmt vann fra motoren 18

og en slange 44 for tilbakeføring av det avkjølte vann til motoren 18. Motorradiatoren som ikke er vist i fig. 1, mottar vannet fra slangen 42 og tilbakefører vannet gjennom slangen 44 etter at det er avkjølt. Radiatoren er av konvensjonell type, men den er gjennom en manifold 46 forbundet med det indre av varmevekslerkammeret 28. En oljekjøler 37 for avkjøling av den hydrauliske olje som anvendes i systemet som tidligere beskrevet, er likeledes plassert i innløpet 30.

Hensikten med det spesielle eksossystem, radiatorsystem

og kjølesystem for hydraulisk olje som anvendes ifølge oppfinnelsen vil fremgå tydeligere av fig. 2 og 3. Gjennom luftinn-løpet 30 til varmevekslerkammeret 28 kan omgivende luft innføres i varmeveksleren og ledes langs en rørspiral 48 som inneholder LN2 som skal fordampes. Gjennom et innløp 50 ledes LN2 fra pumpen 70 inn i rørspiralen 48, mens det fra et utløp 52 strømmer GN2 som skal innføres i oljebrønnen.

Kammeret 28 er ved hjelp av en skillevegg 54 delt i to atskilte kanaler for leding av luft langs rørspiralen 48. Som det fremgår av fig. 2, vil luften først strømme inn i kammeret 28 i nedadgående retning, som vist ved pilene 56, gjennom et nedre kammer 58 og deretter oppad i pilretningen 60 mot et utløp 32. Selv om varmeveksleren hvori LN2 oppvarmes av luften, er komprimert til en relativt liten seksjon, vil imidlertid luften bringes i maksimal kontakt med rørspiralen 48 for å avgi tilstrekkelig varme for fordampningen.

Luftstrømmen fra luftinnløpet 30 ledes til utløpet 32 ved hjelp av en vifte 62 som er anbrakt i utløpet 32 og som hensikts-messig kan drives hydraulisk under innvirkning av væske fra den hydrauliske pumpe 20 som dreies av dieselmotoren 18.

Motorradiatoren 64 som er forbundet med slangene 42 og

44 ifølge fig. 1, er plassert i luftinnløpet 30 og tjener for avkjøling av motoren ved hjelp av sirkulerende vann, på konvensjonell måte, men dessuten for oppvarming av ytterluften som derved kan avgi ytterligere varme til fordampning av LN., i rør-spiralen 48. Videre vil den luft som strømmer gjennom kjøleren 37 for hydraulisk olje, avgi varme til varmeveksleren 28 og sam-tidig avkjøle den hydrauliske olje i systemet.

Ved hjelp av et ledningssystem 66 føres også motoreksosen gjennom luftinnløpet 30 og avgir derved varme til den innstrøm-mende ytterluft for fordampning av LN2. Fig. 2 viser eksosled-ninger 66 for et dobbelt eksossystem, men et enkelt eksosrør eller flere eksosrør er like egnet for anvendelse, avhengig av motorstørrelse og varmebehov.

Det beskrevne fordampningsapparat er kompakt og glidemontert, men vil likevel levere fordampet nitrogen i tilstrekkelige mengder for anvendelse i oljebrønner, uten å være avhengig av en ytre varmekilde, f.eks. en flamme, ved å utnytte eksosvarmen fra den dieselmotor som normalt leverer drivkraft for nitrogen-pumpingen, og likeledes, med henblikk på optimal varmeoverføring, ved utnyttelse av dieselmotorradiatoren og oljekjøleren som er plassert i varmevekslerinnløpet, for gjenvinning av ytterligere varme fra det sirkulerende kjølevann og den hydrauliske olje, hvorved radiatoren fremdeles virker på vanlig måte og den hydrauliske olje for motoren avkjøles. Uten å minske varmevekslings-kapasiteten er det således oppnådd en optimal grad av kompakthet, og apparatet er tilstrekkelig lite til lett å kunne monteres på stedet og transporteres til og fra stedet.

En spesiell, glidemontert versjon for anvendelse i olje-brønner består av et trykkluftfordampningsapparat med en 6-GMPD eller 3-LMPD-pumpe som drives med en hastighet av opp til 1200 omdr./min. og leverer en nitrogenstrøm av varierende størrelse (75-1000 SCFM) av trykk opp til 700 kg/cm<2>. Den utstrømmende ^-gass har omtrent samme temperatur som ytterluften, og hele apparatet er dimensjonert med en lengde av ca. 2,4 5 m, en bredde av 1,80 m og en høyde av 2,25 m, og en antatt vekt av 4000 kg. Apparatet er følgelig tilstrekkelig kompakt til lettvint å kunne transporteres luftveien, og vil likevel levere en tilstrekkelig strøm av høytrykknitrogen for oljebrønnbehandling.

Claims

1. Kompakt og selvstendig fordampningsapparat (10), særlig for omdanning av kryogene væsker, til høytrykksgass, omfattende en forbrenningsmotor (18) med en radiator (64) og et eksossystem (38,66), og et pumpesystem (20,70) som drives av forbrenningsmotoren, en varmeveksler med et innløpskamiuer (28) for omgivel-sesluf t og et utløpskammer, midler (62) for fremføring av omgivel-sesluf ten i en bane fra innløpskammeret (28) til utløpskammeret, et rørsystem (48) som er anordnet i varmeveksleren og plassert i luftstrømmens bane og som kan motta den flytende kryogene væske fra pumpesystemet (70), hvor omgivelsesluften avgir varme til den kryogene væske som derved oppvarmes for å omdannes til gass, samt et oppvarmingssystem, karakterisert ved at oppvarmingssystemet omfatter forbrenningsmotorens radiator (64) anordnet i varmevekslerens innløpskammer (28) for overføring av varme som avledes fra forbrenningsmotoren til omgivelsesluften som strømmer inn i innløpskammeret (28).

2. Fordampningsapparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at oppvarmingssystemet omfatter i det minste en del av forbrenningsmotorens eksossystem (38,66).