NO179807B

NO179807B - Multiphase pumping device

Info

Publication number: NO179807B
Application number: NO930270A
Authority: NO
Inventors: Alberto Dalla Rosa
Original assignee: Tecnomare Spa
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1996-09-09
Also published as: IT1260466B; NO930270D0; ATE156570T1; EP0554937A1; NO930270L; EP0554937B1; ITMI920160A0; ITMI920160A1; NO179807C; DE69312753D1

Abstract

A pumping device for multi-phase fluids in which in a disc casing of toroidal peripheral profile provided on its inner surface with a tube of Pitot tube type connected to a delivery pipe there is rotatably mounted a bladed impeller arranged eccentric to the casing axis in a position approximately diametrically opposite said Pitot tube, a second delivery pipe being provided in that casing region opposite the intake pipe about the plane containing both the axis of the casing and the axis of the impeller and in proximity to this latter axis, automatic valves being provided in the pipes. <IMAGE>

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en pumpeanordning for flerfase-fluider, med et skiveformet hus med avrundet omkretskant, i hvilket en rotor med blader er montert eksentrisk i forhold til husets akse og kan roteres av en motor, idet et rør av pitotrør-typen befinner seg ved den indre omkretsen av huset og er tilkoblet et utløpsrør på et sted tilnærmet diametralt motsatt av aksen til rotoren, mens et innløpsrør for et flerfase-fluid er tilkoblet huset i aksen til dette. The present invention relates to a pump device for multiphase fluids, with a disk-shaped housing with a rounded peripheral edge, in which a rotor with blades is mounted eccentrically in relation to the axis of the housing and can be rotated by a motor, a tube of the pitot tube type being located at the inner circumference of the housing and is connected to an outlet pipe at a location approximately diametrically opposite to the axis of the rotor, while an inlet pipe for a multiphase fluid is connected to the housing in the axis thereof.

Det kjente formål med en flerfase-pumpeanordning er å øke trykket i et flerfasefluid for å gjøre dette i stand til å overvinne betydelige nivåforskjeller og/eller å strømme over lange avstander i rørledninger, slik det ofte er nødvendig f.eks. på petroleumssektoren, der tømmingen av de tilgjenge-lige reserver i hovedreservoarene har medført at oppmerksom-heten har blitt rettet mot reservoarer som er mindre og/eller fjernere fra allerede eksisterende prosessinstallasjoner og/eller som befinner seg på dypt vann, i hvilke trykket generelt er utilstrekkelig til effektivt å bringe to-fasefluidet med akseptabel strømningsmengde gjennom rør-ledninger med rimelige dimensjoner og i en produksjonsperiode med rimelig lengde. The known purpose of a multiphase pumping device is to increase the pressure in a multiphase fluid to enable it to overcome significant level differences and/or to flow over long distances in pipelines, as is often necessary e.g. in the petroleum sector, where the depletion of the available reserves in the main reservoirs has meant that attention has been directed towards reservoirs that are smaller and/or further away from already existing process installations and/or that are located in deep water, in which the pressure is generally insufficient to effectively convey the two-phase fluid at an acceptable flow rate through pipelines of reasonable dimensions and for a production period of reasonable length.

Anordninger og systemer er allerede kjent på dette området, for økning av trykket i et flerfasefluid, f.eks. ved produksjon fra hydrokarbonreservoarer som befinner seg under vann og/eller i dypt vann, men alle disse kjente anordninger og systemer har ulemper og begrensninger under bruk. Devices and systems are already known in this area, for increasing the pressure in a multiphase fluid, e.g. by production from hydrocarbon reservoirs located under water and/or in deep water, but all these known devices and systems have disadvantages and limitations during use.

I et første kjent system føres en bestemt gass-strøm inne i rørledningen som forbinder reservoaret med brønnhodet, og blandes med reservoarfluidet for å minske den gjennomsnittlige densitet, for derved å forenkle utstrømningen av fluidet fra brønnene. Denne fremgangsmåten har imidlertid en rekke ulemper, ved at den krever nærvær av en kompresjonsenhet, en rørledning som er beregnet for transport av gassen og at eksisterende brønner må utstyres med anordninger for gass- innsprøytning. Tilsetningen av gass til reservoarfluidet kan medføre den skadelige dannelsen av gassbobler og væskelommer langs transportrørledningen og i det eventuelle stigerøret som benyttes for å forbinde transportrørledningen med en prosessinstallasjon, plattform e.l. In a first known system, a specific gas flow is led inside the pipeline that connects the reservoir to the wellhead, and is mixed with the reservoir fluid to reduce the average density, thereby facilitating the outflow of the fluid from the wells. However, this method has a number of disadvantages, in that it requires the presence of a compression unit, a pipeline intended for transporting the gas and that existing wells must be equipped with devices for gas injection. The addition of gas to the reservoir fluid can lead to the harmful formation of gas bubbles and liquid pockets along the transport pipeline and in the eventual riser used to connect the transport pipeline to a process installation, platform etc.

Et annet kjent system består i montering av en bestemt væskepumpeanordning på bunnen av brønnen, under utnyttelse av det faktum at på dette stedet har reservoarfluidet hovedsakelig væskesammensetning som en følge av det høye reservoar-trykket. Det sistnevnte systemet er termodynamisk effektivt, men krever uheldigvis energi som kontinuerlig må tilføres til et meget vanskelig sted, for drift av pumpen som befinner seg på bunnen av brønnen. I tillegg til de problemer som oppstår ved montering av pumpeenheten, har et slikt system, som er meget følsomt for nærværet av gass og sand eller faste par-tikler generelt, begrenset brukstid og krever ofte vedlikehold og/eller reparasjoner, hvilket er påvist i praksis. Another known system consists in mounting a specific liquid pumping device at the bottom of the well, taking advantage of the fact that at this location the reservoir fluid has mainly a liquid composition as a result of the high reservoir pressure. The latter system is thermodynamically efficient, but unfortunately requires energy which must be continuously supplied to a very difficult place, for the operation of the pump which is located at the bottom of the well. In addition to the problems that arise when installing the pump unit, such a system, which is very sensitive to the presence of gas and sand or solid particles in general, has a limited service life and often requires maintenance and/or repairs, which has been proven in practice .

Et annet kjent system benytter en tofase gass-væskeseparator montert i nærheten av et brønnhode, og en pumpeenhet for væskestrømmen som forlater separatoren, mens gassen som forlater separatoren, og som er et fluid med lav densitet og vis-kositet, og derfor bare utsettes for et lite trykkfall under transport, kan tilføres direkte i en separat rørledning ved siden av væskerørledningen, dersom transportavstanden ikke er for stor. Dersom avstanden er stor må imidlertid gassen som forlater separatoren komprimeres ved hjelp av en passende kompressorenhet, og i dette tilfelle kan den på nytt blandes med den tidligere pumpede væsken, og det resulterende fluidet føres gjennom en enkelt rørledning. Dette sistnevnte systemet har også ulemper med hensyn til montering og omkostninger, ettersom det krever bruken av en separator, en pumpeenhet for væsken og en komprimeringsenhet for gassen, eller alternativt, en separat rørledning som gassen kan føres gjennom. I et annet kjent system benyttes det en flerfase-pumpeanordning som er i stand til å bevirke den nødvendige trykkøkning, som kan være betydelig, i fluidstrømmen. For en slik anordning er det av grunnleggende betydning å kjenne den volumetriske gass-andelen som inneholdes i fluidet, ettersom anordningen for volumetriske andeler mellom 30 og 80 % må baseres på prinsippet med drift av væskepumper, mens for andeler som overstiger 95 % må den baseres på prinsippet med drift av våt-gasskompressorer. Det finnes for tiden ingen anordninger som er i stand til å arbeide med hvilket som helst gassinnhold og som kan arbeide under særskilte strømningstilstander, slik som når fluidstrømmen fører med seg lange gassbobler sammen med lommer av væske. De pumpeanordninger som er kjent på dette området eller er under utprøvning, representerer tilpasninger av kjente maskintyper, slik som flerfase-sentrifugal-kompressorer eller skruepumper, som når de arbeider med et tofasefluid har en virkningsgrad i området 3 0-40 %, og således medfører tilførsel og kontinuerlig forbruk av betydelige mengder energi. Den kompliserte konstruksjonen av disse maskiner betyr at det er betydelig uvisshet med hensyn til den perioden som de kan arbeide uten at det kreves vedlikehold eller reparasjoner av feil. Another known system uses a two-phase gas-liquid separator mounted near a wellhead, and a pump unit for the liquid stream leaving the separator, while the gas leaving the separator, which is a fluid of low density and viscosity, and is therefore only exposed to a small pressure drop during transport, can be supplied directly in a separate pipeline next to the liquid pipeline, if the transport distance is not too great. If the distance is large, however, the gas leaving the separator must be compressed using a suitable compressor unit, in which case it can be re-mixed with the previously pumped liquid, and the resulting fluid is passed through a single pipeline. This latter system also has disadvantages in terms of assembly and cost, as it requires the use of a separator, a pumping unit for the liquid and a compression unit for the gas, or alternatively, a separate pipeline through which the gas can be passed. In another known system, a multiphase pump device is used which is capable of causing the necessary pressure increase, which can be significant, in the fluid flow. For such a device, it is of fundamental importance to know the volumetric proportion of gas contained in the fluid, as the device for volumetric proportions between 30 and 80% must be based on the principle of operation of liquid pumps, while for proportions exceeding 95% it must be based on the principle of operation of wet-gas compressors. There are currently no devices which are capable of working with any gas content and which can work under special flow conditions, such as when the fluid flow carries long gas bubbles together with pockets of liquid. The pump devices that are known in this area or are being tested represent adaptations of known machine types, such as multi-phase centrifugal compressors or screw pumps, which when working with a two-phase fluid have an efficiency in the range 30-40%, and thus entail supply and continuous consumption of significant amounts of energy. The complicated construction of these machines means that there is considerable uncertainty as to the period that they can work without requiring maintenance or repair of faults.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å unngå de ovenfor nevnte ulemper og å komme frem til en flerfase-pumpeanordning som muliggjør effektiv pumping av hvilket som helst flerfasefluid med hvilket som helst gassinnhold, på en enkel og pålitelig måte uten behov for hjelpeutstyr, og med høy virkningsgrad og således lavt energiforbruk. The purpose of the present invention is to avoid the above-mentioned disadvantages and to arrive at a multiphase pumping device which enables efficient pumping of any multiphase fluid with any gas content, in a simple and reliable manner without the need for auxiliary equipment, and with high efficiency and thus low energy consumption.

Dette er oppnådd ved at pumpeanordningen er utstyrt med et andre utløpsrør for flerfase-fluidet, i en stilling som er tilnærmet motsatt av innløpsrøret, i forhold til planet som inneholder både aksen til huset og aksen til rotoren og nær den sistnevnte aksen, i hvilket gassen utsettes for kompresjon, idet det første utløpsrøret leder væskefasen, og at begge utløpsrørene er utstyrt med en automatisk ventil innrettet til å stenge ved utilstrekkelig trykk. Flerfasefluid som kommer inn i kammeret som avgrenses av huset gjennom innløpsrøret roteres av bladene på rotoren, med det resultat at væskekomponenten sentrifugeres for å danne en væskering som er konsentrisk med aksen til huset, og innsiden av væskeringen danner en rundtgående tetning for gassen i fluidet, som holdes i rommene mellom bladene. Når volumet til rommene avtar progressivt fra innløpsrøret til det andre ut-løpsrøret, vil imidlertid gassen utsettes for kompresjon, og strømmer derfor fra det andre utløpsrøret under et trykk som er høyere jo større volumreduksjonen i rommene er. Den del av den sentrifugerte væsken som kommer inn i pitot-røret omdanner sin kinetiske energi til trykk. This is achieved by the pumping device being equipped with a second outlet pipe for the multiphase fluid, in a position approximately opposite to the inlet pipe, in relation to the plane containing both the axis of the housing and the axis of the rotor and close to the latter axis, in which the gas is subjected to compression, the first outlet pipe conducting the liquid phase, and that both outlet pipes are equipped with an automatic valve arranged to close in the event of insufficient pressure. Multiphase fluid entering the chamber bounded by the housing through the inlet pipe is rotated by the blades of the rotor, with the result that the liquid component is centrifuged to form a liquid ring concentric with the axis of the housing, and the inside of the liquid ring forms a circumferential seal for the gas in the fluid, which is held in the spaces between the leaves. When the volume of the chambers decreases progressively from the inlet pipe to the second outlet pipe, however, the gas will be subjected to compression, and therefore flows from the second outlet pipe under a pressure which is higher the greater the volume reduction in the chambers. The part of the centrifuged liquid that enters the pitot tube converts its kinetic energy into pressure.

Dersom imidlertid flerfasefluidet reduseres til bare en væskefase, øker væskeringen i tykkelse og søker å innta hele kammeret, inntil det utilstrekkelige trykket som dannes i kammeret bevirker at ventilen i det andre utløpsrøret stenger, slik at det bevirkes optimal pumping av væsken med høy virkningsgrad. If, however, the multiphase fluid is reduced to only one liquid phase, the liquid ring increases in thickness and seeks to occupy the entire chamber, until the insufficient pressure that forms in the chamber causes the valve in the second outlet pipe to close, so that optimal pumping of the liquid with high efficiency is effected.

Dersom flerfasefluidet reduseres til bare en gassfase, avtar væskeringen i tykkelse inntil det utilstrekkelige trykket ved pitot-røret bevirker at ventilen i det første utløpsrøret stenger før tetningen mot rotorbladene er brutt, slik at det muliggjøres optimal komprimering av gassen med høy virkningsgrad. If the multiphase fluid is reduced to just one gas phase, the liquid ring decreases in thickness until the insufficient pressure at the pitot tube causes the valve in the first outlet tube to close before the seal against the rotor blades is broken, so that optimal compression of the gas with high efficiency is enabled.

Ved at utløpsrørene for væske og gass er utstyrt med passende ventiler som automatisk kan stenge rørene ved bestemte trykk, er det mulig å oppnå effektiv pumping med høy virkningsgrad av et fluid som bare består av væsker, etter automatisk stengning av ventilen i det andre utløpsrøret, for gass, og også effektiv kompresjon med høy virkningsgrad, av et fluid som bare består av gass, etter automatisk stengning av ventilen i det første utløpsrøret, for væske. In that the outlet pipes for liquid and gas are equipped with suitable valves that can automatically close the pipes at certain pressures, it is possible to achieve efficient pumping with a high degree of efficiency of a fluid consisting only of liquids, after automatic closing of the valve in the other outlet pipe, for gas, and also effective compression with high efficiency, of a fluid consisting only of gas, after automatic closing of the valve in the first outlet pipe, for liquid.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere, under henvisning til de vedføyde tegninger, som viser en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, i form av et ikke-begrensende eksempel, idet tekniske eller konstruktive modifikasjoner kan gjøres innen omfanget av oppfinnelsen. Figur 1 viser i perspektiv og delvis gjennomskåret en flerfase-pumpeanordning konstruert i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser et snitt, sett fra siden, gjennom anordningen The invention shall be described in more detail in the following, with reference to the attached drawings, which show a preferred embodiment of the invention, in the form of a non-limiting example, as technical or constructive modifications can be made within the scope of the invention. Figure 1 shows in perspective and partially cut through a multiphase pump device constructed according to the invention. Figure 2 shows a section, seen from the side, through the device

i figur 1. in Figure 1.

Figur 3 viser et snitt etter linjen A-A i figur 2. Figure 3 shows a section along the line A-A in Figure 2.

I figurene er det vist et skiveformet hus 1 i pumpeanordningen. Huset 1 er festet til holdere 2 og 3, og har en torisk omkretsprofil 4. Inne i huset 1 er det anordnet et rør 5 som er orientert med sitt tverrsnitt tilnærmet vinkelrett på sirkulasjonsretningen til væskekomponenten 22 i flerfase-fluidet som skal pumpes, hvilket rør 5 hovedsakelig er et pitot-rør som er forbundet med et utløpsrør 6 utstyrt med en automatisk ventil 7, og i nærheten av aksen 10 til huset 1 er det tilkoblet et innløpsrør 8 for et flerfasefluid, også utstyrt med en automatisk ventil 9. En rotor 11 med blader er montert eksentrisk i forhold til aksen 10 inne i huset 1, og roteres i retning av pilen 19 av en motor 12 (se særlig figur 3) som driver rotorakselen 13. Eksentrisiteten til rotoren er slik at rotorakselen 14 er i en stilling tilnærmet diametralt motsatt av pitot-røret 5. I nærheten av rotorakselen 14, i det området av huset som er motsatt av innløpsrøret 8, i forhold til planet som inneholder både husets akse 10 og rotorens akse 13, hvilket plan er antydet med en strekpunktlinje 15, er munningen 16 til et andre utløpsrør 17, som også er utstyrt med en automatisk ventil 18. In the figures, a disc-shaped housing 1 is shown in the pump device. The housing 1 is attached to holders 2 and 3, and has a toric circumferential profile 4. Inside the housing 1, a pipe 5 is arranged which is oriented with its cross-section approximately perpendicular to the direction of circulation of the liquid component 22 in the multiphase fluid to be pumped, which pipe 5 is mainly a pitot tube which is connected to an outlet tube 6 equipped with an automatic valve 7, and near the axis 10 of the housing 1 is connected an inlet tube 8 for a multiphase fluid, also equipped with an automatic valve 9. A rotor 11 with blades is mounted eccentrically in relation to the axis 10 inside the housing 1, and is rotated in the direction of the arrow 19 by a motor 12 (see in particular figure 3) which drives the rotor shaft 13. The eccentricity of the rotor is such that the rotor shaft 14 is in one position approximately diametrically opposite to the pitot tube 5. In the vicinity of the rotor shaft 14, in that area of the housing opposite to the inlet tube 8, relative to the plane containing both the axis of the housing 10 and the axis of the rotor 13, which plane is indicated by an s draw point line 15, is the mouth 16 of a second outlet pipe 17, which is also equipped with an automatic valve 18.

Flerfasefluid som kommer inn i kammeret 20 som avgrenses av huset 1 gjennom den automatiske ventilen 9, innløpsrøret 8 og innløpshullet 21 roteres av bladene 11 på den eksentriske rotoren, som roterer i retning av pilen 19 om sin akse 13, med det resultat at væskekomponenten 22 sentrifugeres for å danne en væskering som er konsentrisk med aksen 10 til huset 1, og innsiden 2 3 av væskeringen danner en rundtgående tetning for gassen 24 i fluidet, som holdes inne i området 25 i rommene mellom bladene 11. Når volumet til rommene avtar progressivt fra innløpsrøret 8 til utløpsrøret 17, vil imidlertid gassen utsettes for kompresjon, og strømmer derfor fra røret 17 under et trykk som er høyere jo større volumreduksjonen i rommene er. Den del av den sentrifugerte væsken som kommer inn i pitot-røret 5 omdanner sin kinetiske energi til trykk. Multiphase fluid entering the chamber 20 bounded by the housing 1 through the automatic valve 9, the inlet pipe 8 and the inlet hole 21 is rotated by the blades 11 of the eccentric rotor, which rotates in the direction of the arrow 19 about its axis 13, with the result that the liquid component 22 is centrifuged to form a liquid ring concentric with the axis 10 of the housing 1, and the inside 2 3 of the liquid ring forms a circumferential seal for the gas 24 in the fluid, which is held in the area 25 in the spaces between the blades 11. When the volume of the spaces decreases progressively from the inlet pipe 8 to the outlet pipe 17, however, the gas will be subjected to compression, and therefore flows from the pipe 17 under a pressure which is higher the greater the volume reduction in the rooms. The part of the centrifuged liquid that enters the pitot tube 5 converts its kinetic energy into pressure.

Dersom imidlertid flerfasefluidet reduseres til bare en væskefase,øker væskeringen i tykkelse og søker å innta hele kammeret 20, inntil det utilstrekkelige trykket som dannes i dette området 25 bevirker at ventilen 18 stenger, slik at det bevirkes optimal pumping av væsken med høy virkningsgrad. If, however, the multiphase fluid is reduced to only one liquid phase, the liquid ring increases in thickness and seeks to occupy the entire chamber 20, until the insufficient pressure that forms in this area 25 causes the valve 18 to close, so that optimal pumping of the liquid with high efficiency is effected.

Dersom flerfasefluidet reduseres til bare en gassfase, avtar væskeringen i tykkelse inntil det utilstrekkelige trykket ved pitot-røret bevirker at ventilen 7 stenger før tetningen mot rotorbladene er brutt, slik at det muliggjøres optimal komprimering av gassen med høy virkningsgrad. If the multiphase fluid is reduced to just one gas phase, the liquid ring decreases in thickness until the insufficient pressure at the pitot tube causes the valve 7 to close before the seal against the rotor blades is broken, so that optimal compression of the gas with high efficiency is enabled.

Fordelene med en slik anordning vil umiddelbart fremgå. For det første er det ingen grenser for det volumetriske gassinnholdet som aksepteres av anordningen. Dessuten er det teoretiske arbeidet ved kompresjon av gassen minsket til et minimum, fordi varmen som dannes under kompresjonen som skyldes minskningen i volumet mellom to suksessive blader progressivt fjernes av væskeringen som roterer sammen med bladene, slik at det muliggjøres en nesten isoterm kompresjon, med en minskning av kompresjonsarbeidet i området 15-2 0 % i forhold til den vanlige polytrope kompresjon. Dessuten, ettersom gasskompresjonen og væskepumpingen utføres hver for seg, er virkningsgradene for disse operasjoner sammenlignbare med eller bare litt mindre enn virkningsgradene til separat arbeidende anordninger, dvs. væskering-gasskompressorer og pitotrør-pumper for pumping av væske. The advantages of such a device will be immediately apparent. First, there are no limits to the volumetric gas content accepted by the device. Moreover, the theoretical work of compressing the gas is reduced to a minimum, because the heat generated during compression due to the decrease in volume between two successive blades is progressively removed by the fluid ring rotating with the blades, thus enabling an almost isothermal compression, with a reduction of the compression work in the range of 15-20% compared to the usual polytropic compression. Also, as the gas compression and liquid pumping are performed separately, the efficiencies of these operations are comparable to or only slightly less than the efficiencies of separately operating devices, i.e. liquid ring gas compressors and pitot tube pumps for pumping liquid.

Claims

Pumping device for multiphase fluids, with a disk-shaped housing (1) with a rounded peripheral edge, in which a rotor (11) with blades is mounted eccentrically with respect to the axis of the housing and can be rotated by a motor, a tube (5) of pitot tubes type is located at the inner circumference of the housing (1) and is connected to an outlet pipe (6) at a location approximately diametrically opposite to the axis of the rotor (11), while an inlet pipe (8) for a multiphase fluid is connected to the housing (1 ) in the axis (10) thereof, characterized in that the pump device is equipped with a second outlet pipe (17) for the multiphase fluid, in a position which is approximately opposite to the inlet pipe (8), in relation to the plane containing both the axis of the housing ( 1) and the axis of the rotor (11) and close to the latter axis, in which the gas is subjected to compression, the first outlet pipe (6) conducting the liquid phase, and that both outlet pipes (6, 17) are equipped with an automatic valve (7, 18) arranged to close in case of insufficient pressure.