NO175966B - Apparat til separering av gasser og væsker for et bevegelig fartöy eller kjöretöy - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat til separering av gasser og væsker for et bevegelig fartøy eller kjøretøy, hvor apparatet omfatter en beholder som er innrettet til å motta en blanding av gass og væske, og som omfatter minst to tanker som er forbundet ved hjelp av et antall rør som omfatter et første rør og minst ett ytterligere andre rør som er anordnet på hver side av det første rør i avstand fra dette, idet hvert rør er anordnet i den øvre vegg av den første tank som er anordnet på et lavere nivå enn en andre tank.

Oppfinnelsen vedrører særlig kontrollen med støtbølger som opptrer i væsker, såsom olje eller vann, i slike apparater om-bord på flytende og mobile fartøyer eller kjøretøyer.

Oppfinnelsen er primært rettet mot flytende produksjonsplattformer for olje, hvor oljen strømmer opp fra et under-jordisk oljereservoar via en brønn til produksjonsplattformen hvor oljen separeres fra medfølgende gass og vann i reservoarfluidet. Vanligvis fraskilles gassen og anvendes som brensel mens resten enten avbrennes, eksporteres eller føres tilbake til reservoaret. Vannet fraskilles og behandles for å fjerne medfølgende olje hvoretter det fjernes. Råoljen transporteres gjennom en undersjøisk rørledning til enten et tankskip eller føres til land gjennom en rørledning.

Reservoarfluidet separeres vanligvis i to adskilte faser på feltet sien det er komplisert å overføre flerfasefluid gjennom en rørledning til land. Dette skyldes det høye trykkfall i rørledningen som følge av sluggdannelser i væskene i gass/- væske-blandingen. En flerfaseoverføring er mulig gjennom for-holdsvis korte rørledninger eller strømningsledninger, men blir uøkonomisk i lengre rørledninger.

De nåværende separatorer som på flytende fartøyer anvendes til å separere gass, olje og vann fra reservoarfluider, omfatter en sylindrisk tank hvor grenseflaten mellom olje og gass forløper i tankens lengderetning. Når fartøyet beveger seg som følge av at det påvirkes av bølger og/eller vind i uvær, skråstilles tanken i alle plan i varierende grad i forhold til horisontalen slik at væskenivået vil bevege seg i forhold til tanken slik at det oppstår bølger og væskesprut inne i tanken. De eksisterende tanker er utstyrt med ledeplater og midler som hindrer væskens tilbakestrømning, i et forsøk på å nedsette virkningen av problemet med væskebevegelsen og den medfølgende nedsettelse av virkningsgraden under separasjonen av gass/olje og olje/vann. Således representerer de eksisterende konstruksjoner kun forsøk på å finne en løsning på problemets symptom.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å overvinne selve problemet ved å begrense væskebevegelsen og samtidig opprettholde en effektiv separasjon.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at i det minste i det første rør er anordnet midler for å opprettholde væske/gassgrenseflaten på et stort sett konstant nivå i hvert rør for å redusere bevegelse av væske/gassgrenseflaten når far-tøyet eller kjøretøyet er i bevegelse.

De andre rør er fortrinnsvis anordnet i samme avstand fra det første rør på hver side av dette, og i dette tilfelle har de fortrinnsvis samme tverrsnitt eller diameter.

Midlene for å opprettholde et konstant væskenivå kan omfatte et standrør i midten av det første rør og omfatte væskenivå-styreenheter for å sikre at væskenivået forblir konstant uavhengig av hvilke bevegelser fartøyet utsettes for.

Den andre tank kan anordnes horisontalt parallelt med og over den første tank, eller den kan rage vertikalt over den første tank.

Den første tank kan være større, ha samme størrelse eller være mindre enn den andre tank selv om den første, nedre tank fortrinnsvis bør være den største av de to.

Ifølge en foretrukket konstruksjon løper forbindelses-rørene inn i tankene og ender i det indre av disse. Dette arrangement minimaliserer avstanden mellom tankene slik at apparatets totalhøyde reduseres og man oppnår en tilstrekkelig oppholdstid for nivåvariasjoner for en tilfredsstillende kon-troll kombinert med apparatets maksimale vinkel i forhold til horisontalen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av eksempler under henvisning til tegningene, hvori: Fig. 1 viser et skjematisk snitt av en konvensjonell separasjonstank i en horisontal stilling. Fig. 2 viser et tilsvarende snitt som fig. 1 av tanken i en skråstilt posisjon. Fig. 3 viser et skjematisk sidesnitt av en første ut-førelse av et fluidseparasjonsapparat ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 viser et skjematisk sidesnitt av en andre utførelse av et fluidseparasjonsapparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 viser et forstørret skjematisk delsnitt av apparatets sentrale forbindelsesrør ifølge fig. 4. Fig. 6 viser et skjematisk sidesnitt av en tredje ut-førelse av fluidseparasjonsapparatet ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser et skjematisk sidesnitt av en fjerde ut-førelse av et fluidseparasjonsapparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser et skjematisk sidesnitt av en modifisert ut-førelse av oppfinnelsen ifølge fig. 3.

Innledningsvis skal det henvises til tegningenes figur 1 og 2 som viser en konvensjonell separator som har vært anvendt hittil, og hvor separatoren omfatter en enkelt sylindrisk horisontal tank 1 med en grenseflate 2 mellom gass og væske langs tankens hele lengde. Når, slik det vises på fig. 2, separa-sjonstanken 1 skråstilles som følge av gynge- og rullebevegel-sene til et flytende fartøy hvor tanken er montert, endrer væskenivået seg slik at det dannes bølger 3 som beveger seg frem og tilbake i tankens lengde, noe som fører' til turbulenser og en blanding av de fluidfaser som skal separeres. For å overvinne dette problem anvendes det ledeplater og midler for å hindre tilbakestrømning (ikke vist) i et forsøk på å stanse væskebevegelsen og således nedsette senkningen av separasjons-graden. I praksis har imidlertid slike ledeplater og bevegel-seshindrende midler ikke vist seg å være særlig effektive, og det kreves således en større tank sammenliknet med en tilsvarende tank som er konstruert for en stasjonær plassering.

I den første utførelse av fluidseparasjonsapparatet ifølge oppfinnelsen, og som skal vises på fig. 3, omfatter separatoren to horisontale sylindriske tanker, en øvre tank 1 og en nedre tank 2. Den øvre tank er forbundet med den nedre tank ved hjelp av tre vertikale nedløpsrør, et midtre nedløp 3 og to ytre ned-løp 4 og 5 i samme avstand fra det midtre nedløp 3. Den nedre tank 2 omfatter en felle 6 på bunnen av tanken med en utløps-dyse 7 for vann.

Blandingen av to eller tre faser, dvs. olje, gass og vann tilføres til den øvre tank 1 gjennom en innløpsdys 8, og bland-ingens hastighet retarderes ved et arrangement av plater 9 som tjener til å separere gassen fra væsken. Gassen som inneholder væskedråper passerer gjennom en standard gasskoalisatorpakning 10 som fremmer separasjonen av væskeinneholdet til samsvar med spesifikasjonene. Deretter passerer gassen inn på en utgangs-tåkekoalisator 11 og kan deretter føres ut gjennom en utløps-dyse 12 .

Gasshastigheten gjennom den øvre tank er beregnet slik at væskedråpene med en bestemt spesifikk størrelse kan fraskilles og falle ned i bunnen av den øvre tank 1 og deretter strømme ned i den nedre tank 2 gjennom et av nedløpsrørene.

Den fraskilte væske ved innløpsenden av den øvre tank 1 strømmer ned til den nedre tank 2 under innvirkning av tyngdekraften. Mellom nedløpene 3 og 4 er det lokalisert en terskel 20 for å redusere eventuell væskeoverstrømning gjennom resten av den øvre tank 1 som følge av en brå støtbølge i det strømmende fluid. I den nedre tank strømmer væsken gjennom tankens lengderetning med en lavere hastighet slik at vann og olje kan separeres idet vannet oppsamles i bunnen av tanken 2 og strømmer ned i vannfellen 6.

Væsken kan så strømme gjennom en standard koalisator-pakning 13 for å fremme separasjonen av olje og vann. Oljen strømmer over en andre terskel 14 som er anordnet som en for-holdsregel mot at en akkumulering av vann skal kunne strømme mot oljeutløpet, og ut gjennom en utløpsdyse 15 for olje. Vannet oppsamles gjennom fellens 6 dyse 7.

Trefasefluid leveres vanligvis til separatorens innløp 8 med en konstant hastighet, og det opprettes et væskenivå som styres slik at nivået holder seg innen nedløpsrørenes høyde. Under normale gyngebetingelser vil ikke væske kunne strømme inn i den øvre tank 1 samt at gass ikke kan strømme ned i den nedre tank 2. Nivået bør typisk kontrolleres innen 30-70% av det midtre nedløpsrørets 3 høyde. Når fartøyet er i ro er væskenivået det samme i de tre nedløpsrør. Når separatoren skråstilles som følge av at fartøyet gynger, vil væskenivåene i ned-løpsrørene 4 og 5 stige hhv falle i samme grad slik at det er kun i rørene 4 og 5 at det skjer noen væskebevegelse, og den tilsvarer volumdifferansen mellom de øvre og nedre punkter i nedløpsrørene 4 og 5 pluss en mindre bevegelse av væskemenisken i det midtre rør 3. Følgelig endres den betydelige horisontale væskebevegelse i en konvensjonell separator til en mindre vertikal væskebevegelse i separatoren ifølge den foreliggende oppfinnelse. Det skjer følgelig en svært liten agitering på grenseflaten mellom væske og gass eller mellom olje og vann slik at separasjonen mellom fasene ikke nedsettes.

Den eneste væskeskvalping i separatoren skjer inne i hvert nedløpsrør, og den begrensede flate som er involvert innebærer at de bølger som dannes er ubetydelige. For å sikre at væskenivået opprettholdes innen nedløpsrørene defineres og måles det på det normale væskenivå (NLL), det øvre væskenivå (HLL) og det nedre væskenivå (LLL) innenfor rørenes høyde. Væskens opphold mellom HLL- og LLL-nivåene er vanligvis 15-30 sekunder slik at styreventilen for oljeutløpet kan reagere på brå forandringer i strømningshastigheten til eller fra beholderen. Følgelig er totalvolumet til de tre nedløp konstruert slik at de kan romme en væskeinnstrømning tilvarende 15-30 sekunder. Nedløpsrørenes høyde velges slik at væske ikke kan komme inn i den øvre tank og at gass ikke kan komme ned i den nedre tank under fartøyets normale gyngebevegelser. De ytre nedløpsrør 4 og 5 kan rage inn i den nedre tank 2 ved 19 slik at avstanden mellom de øvre og nedre tanker kan reduseres.

Dersom væsken skulle nå det øverste væskenivå (HHLL) som følge av at væskeutløpet blokkeres, avstenges automatisk til-førselen gjennom innløpet. Oppholdstiden mellom HHL og HHLL er vanligvis mellom 30 og 60 sekunder, og følgelig defineres HHLL i bunnen av den øvre tank 1. I bunnen av den øvre tank 1 kan det anordnes ledeplater 20a for å redusere væskeskvalpingen gjennom den øvre tank dersom det oppstår en slik situasjon. En midtre kanal gjennom disse plater medvirker til avrenningen av eventuell væske til den nedre tank 2 via nedløpsrørene.

Det laveste væskenivå (LLLL) som kan inntreffe, dersom det skjer et opphold i væskeinnstrømmingen eller at utløps-styreventilen svikter, utgjør et oppholdsvolum av væske under LLL svarende til ett minutt. Ved gynging med væskenivået på LLLL-nivået vil det inntreffe en skvalping i den nedre tank 2 som i betydelig grad vil nedsette separasjonsutbyttet. Skvalpe-virkningen begrenses til innen den nedre tank 2.

Væskenivåer over HHL og under LLL regnes som unormale og oppholdstidene mellom HHL og HHLL og mellom LLL og LLLL med-fører at operatøren kan sette i verk korrigerende tiltak før anlegget avstenges. Denne situasjon vil kun skje i noen få til-feller og betraktes som akseptabelt når man sammenlikner med besparelsen i separatorens størrelse, vekt og kostnader.

Styringen av væskenivåene kan gjennomføres ved hjelp den utførelse som vises på fig. 4 og 5. Midtnivået i det midtre nedløpsrør 3 vil være det samme hele tiden og er midt mellom nivåene i de to ytre nedløpsrør 4 og 5 slik at et innvendig nivå-standrør 16, som er lokalisert ned gjennom sentrum av ned-løpsrøret 3, kan anvendes som instrument til nivåstyring av gass/væske-grenseflaten. Stigerøret 16 omfatter en øvre kon-trolltilkopling 17 for det øvre væskenivå og en-nedre kontroll-tilkopling 18 for det nedre væskenivå.

I utførelsen ifølge fig 4 og 5 er væskenivåene i nedløps-rørenes vist ved det øvre væskenivå (HLL), det normale væskenivå (NLL) og det nedre væskenivå (LLL). De brutte linjer ifølge fig 5 viser de ulike væskenivåer når separatoren skråstilles i en vinkel på 6° i begge retninger.

Dersom den fraskilte vannmenge er liten kan vann oppsamles i fellen 6 gjennom væskeutløpet. Væskenivåene i fellen 6 (se fig. 4) kan lokaliseres for å styre vannets strømningshastig-het. Dette kan skje ved å anvende et standrør 21 som omfatter to tilkoplinger for styring av væskenivåene for henholdsvis det øvre nivå 22 og det nedre nivå 23. Det fraskilte vann strømmer langs bunnen av den nedre tank 2 og til fellen 6. Bølge-dannelsen på grenseflaten mellom væske og vann vil være liten og har lav frekvens, sammenliknet med de bølger som dannes på grenseflaten mellom gass og væske som følge av at tetthetsfor-skjellen mellom væsken og vann er relativt liten. Blanding vil inntreffe kun i svært liten grad.

Dersom blandingen inneholder en betydelig vannmengde kan det installeres en tredje horisontal tank 24 nedenfor den nedre tank 2 slik det vises på fig. 6. Denne tredje tank 24 kan til-koples via tre nedløpsrør 25, 26 og 27 slik at når fartøyet gynger blir væskenivåene (LL) og væskebevegelsen den samme som beskrevet foran for grenseflaten mellom gass og væske. I dette tilfelle oppsamles gassen i tanken 1, oljen i tanken 2 og vannet i tanken 24.

Tankenes og nedløpsrørenes dimensjoner er valgt slik at det oppnås en effektiv separasjon av trefasefluidet.

Den øvre tank 1 er konstruert for å kunne separere væskedråper fra gassen. Gasshastigheten gjennom tanken beregnes ved hjelp av standard korrelasjoner for å fastsette størrelsen på de væskedråper som skal fjernes, samt å begrense væskemengden som føres bort med gassen. Ulike kommersielle tilgjengelige koalisatorer og væskeseparatorer kan anvendes for å medvirke til å skille væsken fra gassen.

Hoveddelen av væskestrømningen til den nedre tank skjer igjennom det første nedløp som derfor er dimensjonert til å sikre at den maksimale væskemengde kan renne ned ved hjelp av tyngdekraften uten at det skjer en akkumulering i den øvre tank.

Strømningen gjennom den nedre tank beregnes slik at det sikres en tilstrekkelig oppholdstid slik at vanndråper med en gitt størrelse kan fraskilles fra væsken og oppsamles i bunnen av tanken, for således å kunne beregne vanninnholdet i væske-fasen.

Fartøyets gyngebevegelse vil frembringe en vertikal væskebevegelse i nedløpsrørene, og den fortrengte væske vil strømme gjennom den nedre tank mellom de to ytre nedløpsrør og frem-kalle en økning og senkning i væskestrømmens hastighet gjennom tanken avhengig av gyngegraden og væskehastigheten. Imidlertid er hastighetsforandringen så liten at nedsettelsen i separasjonseffekten er neglisjerbar.

Fartøyets rullebevegelse vil ha liten virkning på væsken i en sylindrisk tank siden hovedmengden av væsken vil opprettholde den samme fysiske lokalisering idet det isteden er tanken som beveger seg rundt væsken. Det er kun væsken nær inntil tankveggen som vil bevege seg som følge av friksjon mellom væsken og veggen. Dersom det er anordnet en koaliserende plate-seksjon i væskevolumet, vil væsken inne i platene fysisk beveges, men kun innen platene. Det vil kun oppstå en svak forstyrrelse av væske som kommer inn i og forlater plateseksjonen, men virkningen på separasjonseffekten betraktes som liten. Det vil også være en relativ bevegelse mellom væsken i nedløpsrørene og bulkvæsken i tanken, men også denne forstyrrelse antas å ha liten virkning på separasjonseffekten.

Ved å anordne to individuelle separatortanker som er sammenføyet ved hjelp av nedløpsrør er det mulig å dimensjonere de to tankene som separate enheter. Det er således ikke nød-vendig at de to tankene er horisontale, og fig. 7 viser en ut-førelse av et fluidseparasjonsapparat•ifølge oppfinnelsen hvor gass/væske-separasjon gjennomføres i en vertikal øvre tank 28 mens væske/vann-separasjonen gjennomføres i en horisontal nedre tank 29. De to tankene er sammenkoplet ved hjelp av tre nedløpsrør 30, 31 og 32 hvor det midtre nedløpsrøret 31 og de ytre utløps-nedløpsrør 32 øverst er utstyrt med ventilering, slik at væskenivåene HLL, NLL og LLL fritt kan forskyves for å minimalisere væskebevegelsen og også muliggjøre en tilfredsstillende nivåkontroll. Samtidig er avstanden mellom nedløps-rørene redusert for således å minimalisere nedløpsrørenes høyde for å begrense virkningen fra fartøyets gyngebevegelse.

Fluid-separasjonsapparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse har en rekke fordeler ved at det er mindre og lettere sammenlignet med de eksisterende separatorkonstruksjoner som for tiden anvendes for de samme formål og under de samme om-givelse sbet inge Ise r .

Vekten av apparatene ifølge den foreliggende oppfinnelse er estimert til å være 70-80% av de eksisterende konstruksjoner med en tilsvarende kostnadsreduksjon. Fundamenteringsflaten er mindre enn for eksisterende separatorer, selv om den samlede høyde er større. Generelt er apparatet ifølge oppfinnelsen mer kompakt og effektiv.

De konvensjonelle separatorer må lokaliseres så nær som mulig det bevegelige fartøyets eller kjøretøyets tyngdepunkt for å minimalisere virkningen fra fartøyets bevegelse på sepa-ras jonsef fekten, mens separatoren ifølge den foreliggende oppfinnelse faktisk kan lokaliseres valgfritt på fartøyet eller kjøretøyet med en minimal virkning på separasjonseffekten.

Betegnelsen "fartøy" i denne beskrivelse er ment å skulle dekke ethvert apparat eller installasjon som kan_ beveges i ulike retninger eller retningskombinasjoner og omfatter skip, bore- eller produksjonsplattformer, båter, lektere eller andre flytende fartøyer såvel som bevegelige innretninger eller kjøretøyer omfattende f.eks. tankvogner.

Betegnelsen "tank" slik den anvendes i denne beskrivelse er ment å skulle dekke enhver beholder som har en egnet ut-forming og konstruksjon og som er innrettet til å romme en væske eller gass ved et gitt trykk.

Oppfinnelsen skal ikke begrenses til de ovenfor beskrevne utførelser, men modifikasjoner og variasjoner kan gjennomføres uten å avvike fra oppfinnelsen ramme. F.eks. trenger ikke ned-løpsrørene å ha samme tverrsnittflate, men kan om ønskelig ha forskjellige arealer. Det er heller ikke vesentlig at de ytre nedløpsrør har samme avstand fra midtrøret selv om dette er foretrukket. Videre kan det om ønskelig anordnes fem eller til og med flere nedløpsrør mellom de øvre og nedre tanker. Ifølge en ytterligere modifikasjon kan vannfellen 6 utelates dersom utløpsdysen 7 for vann lokaliseres på bunnen av den nedre tank.

En ytterligere modifikasjon er illustrert på tegningenes fig. 8 hvor de ytre nedløpsrør 4 og 5 nederst ender i rett-vinklede bend 34 hhv. 35 som vender bort fra hverandre og mot hver ende av den nedre tank 2. Dette arrangement virker slik at det nedsetter væskens stempeleffekt oppad og nedad i nedløps-rørene som følge av væskens horisontalbevegelse, eller dens horisontale bevegelseskomponent. Denne modifikasjon kan benyt-tes på alle de utførelser som vises på tegningenes fig. 3, 4, 6 eller 7. Alternativt eller i tillegg kan det installeres en restriksjon i form av en hullplate eller en liknende ledeplate i hver av nedløpsrørene for å bremse væskehastigheten i disse rør.

Oppfinnelsen omfatter også flytende eller bevegelige far-tøyer eller kjøretøyer som er utstyrt med de ovenfor beskrevne apparater.

Claims (9)

1. Apparat til separering av gasser og væsker for et bevegelig fartøy eller kjøretøy, hvor apparatet omfatter en beholder som er innrettet til å motta en blanding av gass og væske, og som omfatter minst to tanker (1,2) som er forbundet ved hjelp av et antall rør (3,4,5,30,31,32) som omfatter et første rør (3,31) og minst ett ytterligere andre rør (4,5,30,32) som er anordnet på hver side av det første rør (3,31) i avstand fra dette, idet hvert rør er anordnet i den øvre vegg av den første tank (2) som er anordnet på et lavere nivå enn en andre tank

(1) , karakterisert ved at i det minste i det første rør (3,31) er anordnet midler for å opprettholde væske/gassgrenseflaten på et stort sett konstant nivå i hvert rør for å redusere bevegelse av væske/gassgrenseflaten når fartøyet eller kjøretøyet er i bevegelse.

2. Apparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de andre rør (4,5,30,32) er anordnet i samme avstand fra det første rør (3,31) på hver side av dette.

3. Apparat i samsvar med krav 2, karakterisert ved at de andre rør har samme tverrsnitt eller diameter.

4. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at midlene for å opprette væske/gassgrenseflaten på et stort sett konstant nivå omfatter et standrør (16) i sentrum av det første rør (3), omfattende tilkoplinger (17,18) for væskenivåkontroll for å sikre at nivået blir værende konstant uavhengig av hvilken grad av bevegelse fartøyet utsettes for.

5. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at den andre tank (1) er anordnet horisontalt med, parallelt med og over den første tank (2) .

6. Apparat i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at den andre tank (28) løper vertikalt over den første tank (29).

7. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at den første tank er større enn den andre tank.

8. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at rørene løper inn i tankene og ender inne i disse.

9. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det er anordnet en tredje tank (24), som er anordnet nedenfor den første tank (2) og forbundet med denne ved hjelp av et antall ekstra rør (25, 26,27), idet et første (25) av de ekstra rør er anordnet i den øvre vegg av den tredje tank (24) og minst ett av de ekstra rør (26,27) er anordnet på hver side av og i avstand fra det første av de ekstra rør, og er også anordnet i den tredje tanks øvre vegg.