NO20120067A1 - Mellomlagringskammer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et undervannsbasert system for mellomlagring av væske for mottak fra eller avgivelse til en eller flere mekaniske innretninger.

Systemets hovedelementer er en lagringstank som i normalsituasjonen er tilnærmet trykkløs, ventilanordninger for regulering av væsketilførselen fra angjeldende mekaniske anordninger til lagringstanken, og en eller flere pumper som er innrettet for å pumpe væske fra lagringstanken til angjeldende mekaniske innretninger. Lagringssystemet har et enkelt funksjonsprinsipp, og gjør det enkelt å frembringe store krefter og å forflytte til dels store væskevolumer. Oppfinnelsen angår også utførelser hvor systemet brukes til å generere kraft og hydraulisk energi på en måte som vesentlige fortrinn sammenliknet med kjent teknologi..

En del undervannsoperasjoner fordrer jevnlig væskeforsyning via umbilical fra overflaten. Store dyp betinger lange umbilicaler, og dette innebærer at etterfylling av væske går tregt. Det er derfor vanlig å oppmagasinere forbruksvæsker i akkumulatorer som er anordnet på havbunnen. Ved de ulike undervannsoperasjonene er det en viss fare for feilåpning eller stengning av ventiler, noe som kan føre til momentane trykkstigninger eller trykkfall som kan skade tetninger og andre trykkfølsomme komponenter. I andre situasjoner vil temperaturpåvirkninger på væske i lukkede kamre medføre at væske raskt må tilføres eller fjernes på en kontrollert måte for å motvirke skadelige trykkvariasjoner. Man har derfor behov for ulike trykkstabiliserende anordninger, gjerne i form av hurtigvirkende reguleringsventiler som forbinder de aktuelle områdene med høytrykks forsyningssystemer eller lavtrykks mottakssystemer. Det er i mange situasjoner ønskelig å kunne gjenbruke denne væsken, hvilket betyr at systemene må være innrettet til å kunne tilbakeføre væsken til angjeldende akkumulator eller kammer etter behov.

Ved de fleste subsea installasjoner vil man ha tilgang på elektrisk kraft. Det er derfor hensiktsmessig å basere seg på tilbakeføring av væsken ved bruk av elektrisk drevet pumpe. For å fa til gjenbruk av væske som fjernes for unngå trykkoppbygging må mottakssystemet for denne væsken være innrettet for at væsken kan opptas og hentes tilbake på en enkel og driftsikker måte.

Etter hvert som oljeindustrien engasjerer seg på stadig større havdyp har det blitt stadig viktigere å finne fram til gode løsninger på nevnte type problemer. Vi vil komme nærmere inn på et par av de konseptene som er vurdert.

Angjeldende oppfinnelse baserer seg et lagringskammer uten bevegelige komponenter. Dette systemet har egenskaper som gir det mange anvendelsesmulighter utover å løse ovennevnte type problemer. Vi vil komme tilbake til en del av disse i den videre beskrivelse.

Oppfinnelsen beskrives med henvisning til figurene 1-7 der;

- fig 1 viser et relevant konsept for å etablere et kammer med lavt trykk,

fig. 2 viser en prinsippskisse av et system ifølge oppfinnelsen,

- fig. 3 viser en relevant funksjonsmåte for en pumpe ifølge oppfinnelsen,

- fig. 4 viser et trykkstabiliseringssystem ifølge oppfinnelsen

- fig. 5 viser et gjenvinnningssystem for barrierevæske ifølge oppfinnelsen,

- fig. 6 viser et aktuatorsystem ifølge oppfinnelsen

fig. 7 viser et dobbeltvirkende aktuatorsystem ifølge oppfinnelsen

- fig. 8 viser en utførelse for å frembringe hydraulisk kraft

- fig. 9 viser en ytterligere utførelse for frembringelse av hydraulisk kraft

En relevant løsning har vært å etablere et kammer med en fleksibel kontaktflate til omgivende vann. Prinsipielt sett vil dette ofte kunne være en relevant løsning ettersom væske som må avgis oftest har høyere trykk enn omgivende vann. Væske som er dumpet til et slikt kammer kan eventuelt gjenbrukes ved at den pumpes kontrollert tilbake til systemet. En alternativ løsning er å benytte komprimert gass til frembringe lavt trykk i et ekspanderbart lagringskammer. Et slikt konsept er skissert i fig. 1. Kammer I) på stemplets overside er åpen til omgivende sjø, og kammer II) på stemplets underside er i kontakt med komprimert gass.

Vi ser bort fra friksjon i tetningsringene. Sammenhengen mellom trykkene i de respektive kamrene I,II,III) er da bestemt av formelen;

Vi tar som eksempel; An = Am = K\ I2

Omgivende trykk (Pi)= 100 bara (ca 1000 meters dyp) Gasstrykket (Pu) = 150 bara

Når disse verdiene innsettes i formelen finner vi; Pm = 50 bara. Dovs. at lagringskammeret får et trykk som ligger 50 bar under omgivende trykk. Det skulle sikre at kammer I, for de fleste formål, vil kunne oppta væske tilstrekkelig raskt.

En prinsippskisse av systemet er vist i fig. 2. Hovedelementene er et lagringskammer 7), en elektrisk eller hydraulisk drevet pumpe 8) som er innrettet til å kunne pumpe ut væske fra lagringskammeret, samt en ventilanordning 10) som styrer væsketilgangen til lagringskammeret. Enhetene 7,8,10) er sammenkoplet med et rør eller slangesystem som vist i figuren. Eksterne komponenter tilknyttes via koplingspunktene 5,6), som for visse anvendelser vil være koplet sammen.

Lagringskammeret 7) bør inneholde minst mulig gass. Gassinnholdet i tanken mengden kan minimeres ved at kammeret orienteres med utløpet orientert oppover, for deretter å fylles opp med væske via en avluftingskanal 9) som er fortrinnsvis anordnet i pumpen 5). Avluftingskanalen blir så stengt, og lagringskammeret snus rundt slik at utløpet ligger som laveste punkt. Når pumpen startes, vil væsken som fjernes føre til at det oppstår et væskefritt volum i øvre del av lagringstanken. Dette inneholder væskedamp og noe gass som frigjøres fra væsken når trykket faller. Det skal ikke fjernes mye væske fra tanken før det resulterende trykket blir kun en brøkdel av en bara, og for praktiske formål kan lagringstanken anses som trykkløs. Det væskefri volumet representerer kapasiteten for lagringskammeret, og lagringstanken kan tømmes fullstendig slik at den vil kunne motta et væskevolum tilsvare innvendig kammervolum.

En pumpeanordning som skal kunne fjerne væske under gjeldende betingelser kan ikke være konstruert som en tradisjonell sugepumpe. En pumpeanordning ifølge oppfinnelsen er basert på en eller flere resiprokerende stempelenheter. Den enkelte stempelenhetens forskyvning langs den ene forskyvningsretningen benyttes til å avgrense en væskemengde, samt å presse størstedelen av denne inn i et ekspanderende pumpekammer. Tilsvarende brukes stemplets motsatt rettede forskyvning til å presse pumpekammeret sammen og derved presse væsken ut av pumpeanordningen. Virkemåten beskrives nærmere med henvisning til fig. 3, som viser en pumpeanordning med en stempelenhet 12) i fire ulike posisjoner.

Stempelenhetens bevegelse blir fortrinnsvis frembrakt ved at stempelstangen 17) er tilkoplet en resiprokerende aktuator som drives av hydraulisk kraft fra en ikke vist hydraulikkpumpe i samvirke med en vendeventil. Dette anses som kjent teknikk og blir ikke nærmere beskrevet.

Posisjon a) viser stempelenheten 12) i venstre endeposisjon idet forskyvningen mot høyre starter opp. I denne situasjonen har pumpekammeret VI) sitt minste volum. Pumpeanordningen blir fylt opp med væske via kanalen 19) som er forbundet med lagringskammerets utløp.

Posisjon b) illustrerer at stempelenheten har kommet så langt mot høyre at det fjærbelastede stemplet 20) har avgrenset kammeret VII). Ved stempelenhets 12) forskyvning mot høyre blir dette kammerets VII) volum redusert, samtidig som pumpekammerets VI) volum økes VI). Dette fører til at pumpekammeret VI) fylles opp med væske via kanalen 18) og enveisventilen 15). Denne oppfyllingen starter ikke opp før stempelenheten har beveget seg så langt mot høyre at kammeret VII) blir avgrenset av stemplet 20). Væskemengden som avgrenses i kammer VII) er større enn maksimalvolumet på pumpekammeret VI), som derfor kan fylles fullstendig opp. Posisjon c) viser stempelanordningen i høyre endeposisjon. Kammer VI) er fylt opp av væske, og kan ikke oppta all væsken som var fanget opp av kammer VII). Resterende væskemengde i kammer VII) har hindret stemplet 20) i å følge med siste del av den høyrerettede bevegelsen til stempelenheten 12). Følgelig blir fjæren 15) noe sammenpresset.

Posisjon d) viser situasjonen etter at stempelenheten har gjennomført hoveddelen av sin venstrerettede bevegelse som fører til at væske pumpes via enveisventilen 14) og videre gjennom utløpet 14). I den viste posisjonen har kammer VII) igjen blitt åpnet opp, slik at det strømmer ny væske inn i dette kammeret. Stempelenheten forskyves så videre til venstre endeposisjon), og repeterer syklusen. . Tyngdekraften sørger for at gjenværende væske alltid fyller opp den lavtliggende del av lagringskammeret. Den øvre del vil inneholde væskedamp og litt gass, og trykket i lagringskammeret vil synke til brøkdelen av 1 bara straks pumpen har fjernet noe væske. Pumpeanordningen ifølge oppfinnelsen er i stand til å all væske fra lagringskammeret. Lagringstanken kan således tømmes slik at den er klar for å kunne oppta en væskemengde på størrelse med kammerets totale innvendige volum.

Det vil være enkelt å sikre seg at lagringstankens kapasitet blir opprettholdt. Det vil normalt ikke være noen mulighet for inntrengning av gass, noe som ellers kunne redusere lagringskapasiteten. En eventuell inntrengning av væske kan registreres ved at det anordnes nivåmålere i lagringstanken.

Ventilanordningen 10) er i enkleste versjon en fjernstyrt åpne/stengeventil, men dette vil variere i samsvar med anvendelsesområdet for oppfinnelsen.

Den følgende beskrivelse vil bli konsentrert om 3 viktige bruksområder for oppfinnelsen;

- eliminering av skadelig trykkoppbygging

- mellomlagring av barrierevæske

- drift av aktuatorer eller frembringelse av hydraulisk energi

Fig.4 viser en prinsippskisse for hvordan et system ifølge oppfinnelsen kan koples opp mot et volum 22) for å hindre at det kan oppstå farlige trykkoppbygginger som følge av eksempelvis feiloperasjon av en åpne/stengeventil. Ved denne anvendelsen er ventilanordningen 10) fortrinnsvis en type tilbaketrykksregulator ("back-pressure regulator"). Det innebærer at den vil være innrettet til å åpne opp presist det som kreves for å forhindre at oppstrøms trykk - altså trykket i volumet 22) - overstiger en gitt verdi. Åpningverdien er bestemt av et referansetrykk som er koplet opp mot linjen 21). Ettersom lagringskammeret 7) er tilnærmet trykkfri vil man kunne dimensjonere ventilanordningen 10) og de tilhørende linjer slik at det prinsipielt sett alltid er mulig å forhindre en skadelig trykkoppbygging.

Samme lagringskammeret benyttes for sikring av flere volumer, idet hvert volum da fortrinnsvis blir tilkoplet en separat ventilanordning 10). Det er også mulig å kople flere pumpeanordninger til samme tank, og pumpe væsken som et tatt imot ut til enhver ønskelig destinasjon.

Et annet viktig anvendelsesområde for angjeldende oppfinnelsen har vært å frembringe et system for mellomlagring og gjenbruk av barrierevæske i høyeffekts elektriske

drevet materiell - som eksempelvis subsea booster pumper. Barrierevæsken holdes på et visst overtrykk i motorkammer mv. og skal hindre inntrengning av skadelige fluider eller partikler via roterende tetninger. Etter oppstart av materiellet stiger temperaturen relativt betydelig, og det kan være nødvendig å fjerne væskemengder på anslagsvis 25

- 40 liter for å motvirke uønsket trykkoppbygging.

I det følgende er for enkelthets skyld subsea booster pumper brukt som eksempel.

Det er i dag normalt å dumpe barrierevæske fra slike pumper inn i brønnstrømmen - fortrinnsvis via selve pumpemodulen.

Ved pumpestopp blir motorkammeret raskt avkjølt. Det innebærer at barrierevæske i mengde på inntil 40 liter må tilføres relativt raskt for å forhindre et skadelig undertrykk i motorkammeret. I dag foretas denne væskekompensasjonen fortrinnsvis ved hjelp av væskeakkumulatorer som far tilført væske under tiykk via umbilical fra overflaten. På store dyp vil umbilicalen være lang, og en etterfylling av ovennevnte volummengder ta opp mot 1 døgn. Ettersom det alltid er en viss fare for utilsiktet stopp, må væskeakkumulatorene til enhver tid inneholde tilstrekkelig væske mengde til å kompensere for minimum en stopp. Det kan derfor gå lang tid før det blir aktuelt å starte opp dersom det har skjedd et par utilsiktede motorstopp innenfor et relativt kort tidsrom.

Det foregår et kontinuerlig forbruk av barrierevæske ettersom de roterende tetningene har en viss lekkasje. Denne lekkasjen er normalt av størrelse 1 - 2 liter pr døgn. Man oppnår betydelig kostnadsreduksjoner og tidsmessige besparelser ved å satse på gjenbruke av avgitt barrierevæske, slik at umbilicalen må dimensjoneres for kun å skulle kompensere for forbruket.

Figur 5A viser et typisk system for å opprettholde et barrieretrykk på ønsket nivå i forhold til et referansetrykk som normalt vil tilsvare trykket på andre siden av tilliggende roterende tetning. Det kreves en høytrykksforsyning 23) for barrierevæske, som typisk består av gassakkumulatorer i samvirke med væskeakkumulatorer. Barrieretrykket som ønskes opprettholdt over de roterende tetningene frembringes ved hjelp av en reguleringsventil 25), som i dette eksemplet benytter pumpens innløpstrykk som referanse. Dette tilsvarer trykket på undersiden av den roterende tetningen 27).

Reguleringsventilen 25) kompenserer for en økning i referansetrykket ved å åpne for forsyning fra høytrykksforsyningen 23). Hvis referansetrykket faller skal reguleringsventilen 26) tre i funksjon og dumpe væske fra motorkammeret til pumpens innløp. Disse trykkvariasjonene er normalt små og representerer lite tap av barrierevæske.

Ved pumpestopp må motorkammeret som nevnt forsynes med væske, og volumet som må tilføres kan typisk være 25 - 40 liter. Dette tas fra høytrykksforsyningen 23), som far kompensasjon for avlevert væske via forsyning fra en umbilical 24).

Ved ny start av pumpen vil temperaturendringen føre til en relativt rask oppvarming av motorkammeret, og en væskemengde tilsvarende den som ble etterfylt, blir nå dumpet til pumpeenhets innløp og videre opp til overflaten med brønnstrømmen. Ved booster pumper som opererer på store dyp kan forsyningstrykket til reguleringsventilen 25) typisk måtte ligge i området 400 - 1000 barg. Ettersom gass er lite kompressibel ved høye trykk innebærer dette at væskeforsyningsenheten 23) kan bli av betydelig størrelse, særlig hvis man ønsker å ha en viss buffer mht. væskeforsyning.

Fig. 5B skal illustrere hvordan et system ifølge oppfinnelsen kan koples inn i barrieresystemet for å kunne gjenbruke barrierevæsken. Reguleringsventilen 26) i barrieresystem kan nå inngå som ventilanordningen 10), idet væsken som må trekkes vekk fra motorkammeret dirigeres inn i lagringskammeret 7) i stedet for å fødes inn i brønnstrømmen. Væsken kan deretter pumpes i egnet hastighet tilbake til høytrykks væskeforsyning 23) som illustrert i figuren.

Lagringskammeret 7) kan for dette formålet typisk være av størrelse 50 - 80 liter, noe som tilsvarer en tradisjonell gassbeholder. Den må være dimensjonert for å tåle absolutt vakuum på angjeldende dyp. Tilsvarende må pumpeanordningen 8) dimensjoneres for å kunne presse væsken tilbake til væskeforsyningsenheten mot et trykk på anslagsvis 400 - 1000 bar. Dette anses som enkelt gjennomførbart med en strømningsrate som kan være betydelig større enn det som normalt kan oppnås via lang umbilical fra overflaten.

Det tredje viktige bruksområdet for oppfinnelsen er å frembringe et system som på midlere og store dyp er egnet til å generere drivkraft for aktuatorer eller til å frembringe hydraulisk energi.

Fig.6 viser angjeldende oppfinnelse koplet opp mot to ulike like aktuatorer. Begge aktuatorene benytter omgivende sjø som referanse. Aktuatoren i fig.6a) er innrettet for å skyve, og aktuatoren i fig.6 b) er innrettet for å trekke. Ventilanordningen 10) kan i denne utførelsen være en tradisjonell fjernstyrt åpne-/stengeventil.

I mange sammenheng benyttes et hydraulisk væsketrykk til å operere ventiler, etablere låsekrefter etc. Ved en anvendelse som i fig.6 fungerer oppfinnelsen som en invers akkumulator, og er lite plasskrevende. Denne utførelsen er basert på at aktuatoren settes tilbake til startposisjonen ved bruk av pumpen. Et lagringskammer og en pumpeanordning kunne brukes til styring av mange aktuatorer. Det krever at man anordner det antall fjernstyrte ventiler som kreves for å kunne operere hver aktuator separat.

Kraften som kan frembringes på denne måten kan illustreres ved følgende regneeksempel som referer seg til aktuatoren i fig. 6b.

Vi antar stemplet 29) har en diameter på 15 cm, og installasjonen stor på 400 meters dyp. Det betyr at stempelarealet A =Tr<*>7,5 cm =176,7 cm .

Ved åpning av ventilanordningen 10) vi aktuatoren følgelig generere en kraft tilsvarende;

Dette er ingen urimelig størrelse på en aktuator, og kraft av den størrelse anses å være rikelig for å operere en rekke type ventiler. En forskyvning på eksempelvis 50 cm vil kreve at et volum på 8,8 liter opptas av lagringskammeret. Om ønskelig vil dette kunne gjennomføres på et par sekunder ved hensiktsmessig valg av rørdimensjoner.

For samme aktuatorstørrelse øker den genererte kraften lineært med dybden. Eksempelvis vil, på 2000 meters dyp, kraften som kan genereres av en tilsvarende aktuator være;

Hvis man har behov for rask tilbakestilling av aktuatorene kan man anvende et oppsett som vist i fig. 7. Her inngår en væskeforsyningsenhet 23) som har to funksjoner ved at den bidrar til å øke kraften som aktuatorene generer og dessuten gjør det mulig å fa aktuatorer til å virke raskt i begge retninger. Dette betinger at ventilanordningen 10) har flere funksjoner og følgelig blir mer komplisert. I den viste utførelsen omfatter den fire åpne-/stengeventiler. Disse er sammenkoplet slik at nå to av ventilene er åpne, er samtidig to andre stengt. Figur 7 viser en konstellasjon med to aktuatorer som er i motsatt modus, og som derfor har gått til hver sin endeposisjon. Ettersom lagringskammeret er trykkløst, påvirkes aktuatorstemplene av en trykkforskjell tilsvarende trykket i væskeforsyningsenheten 23). Dette kan velges slik at man får generert den ønskede kraft. Pumpeanordningen 8) er innrettet for å pumpe væsken fra lagringstanken direkte tilbake til væskeforsyningsenheten.

I visse situasjoner trenger man tilgang på hydraulisk energi for å kunne utføre nødvendige arbeidsoperasjoner. Slik hydraulisk energi kan frembringes ved å utnytte trykkforskjellen mellom omgivende sjø og lavtrykk, idet man anvender en aktuator hvor stempelstangen er forstørret og etablerer trykk på et væskevolum. Denne løsningen er skissert i fig. 8, hvor det ønskede hydrauliske trykk frembringes i kammer II) i sylinderen 31). Her er oversiden av stemplet 30) påvirket av omgivende vanntrykk, idet væsken som er lagret i kammer II) settes under trykk idet kammer III) gis åpen forbindelse med lagringskammeret 7).

I US patent 6.202.753 Bl brukes en tilsvarende utformet sylinder til å frembringe hydraulisk trykkenergi ved tilsvarende å sørge for at kammeret III) er avlukket i en situasjon den inneholder lite trykk eller eventuelt vakuum.

Virkemåten for denne patenterte utførelsen og angjeldende oppfinnelse skiller seg fra hverandre på vesentlige punkter.

Herav kan nevnes; - angjeldende oppfinnelse er, i motsetning til utførelse i nevnte patent, kammer III væskefylt til enhver tid. Lekkasje via tetninger må være meget stor for at en utførelse i hht. angjeldende patent skal slutte å fungere - det hydrauliske trykket blir ikke frembrakt ved at oversiden av stemplet 30) settes i kontakt med omgivende vann, men ved åpning av ventilen 10) mot et trykkløst lagringskammer 7).

angjeldende oppfinnelse gjør det mulig å tilbakestille hydraulisk kapasitet ved en enkelt operasjon - basert på at væsken som avgis fra kammeret III) under

generering av hydraulisk energi blir pumpet tilbake.

Forøvrig kan man ved å benytte ulike utførelse av angjeldende oppfinnelse ivareta de samme funksjoner som nevnte patent konsept, både mht. til å frembringe hydraulisk energi og å etablere nødvendig låsekraft for eksempelvis en "Blow-out preventer".

På store dyp kan en utførelse som skissert i fig. 8 frembringe høyt hydraulisk trykk på en relativt stor væskemengde med en moderat dimensjonering av sylinderen 31).

På grunnere dyp kan det være fordel å kope sylinderen opp mot en høytrykks væskeforsyningsenhet som vist i fig. 9.

I den viste utførelsen er stemplet påmontert en ventilanordning 32) som bevirker at tilbakeføring av væske til kammer III) og til væskeforsyningsenheten 23) gjøres i en og samme pumpeoperasjon. Væsken fra lagringskammeret 7) pumper først stemplet 30) tilbake til øvre posisjon, hvorpå stemplet presser ventilen 32) åpen slik at væske føres videre inn i væskeforsyningsenheten. Selv med et moderat trykk fra væskeforsyningsenheten kan man frembringe en betydelig mengde hydraulisk energi i form av et relativt stort væskevolum med høyt trykk fra kammeret II).

Ved denne utførelsen kan man holde gassreservoarene i væskeforsyningsenheten på et relativt lavt trykknivå, og således benytte gass med relativt god kompressibilitet.

Claims (4)

1. Et undervannsbasert system for mellomlagring av væske for mottak fra eller avgivelse til en eller flere mekaniske innretninger, og som omfatter et lagringskammer (7), pumpeanordninger (8) og ventilanordninger (10),karakterisert vedat væske som avgis fra den enkelte mekaniske innretningen tilføres lagringskammeret via ventilanordningene (10), at tilførsel av væske til de mekaniske innretningene besørges pumpeanordninger (8) som er innrettet til å kunne hente ut væske fra lagringskammeret (7), og at væske som således hentes ut fører til økning av et tilnærmet materiefritt volum i lagringskammeret som representerer dens til enhver tid ledige lagringskapasitet.

2. Et undervannsbasert system ifølge krav 1,karakterisert vedat pumpeanordningene (8) er basert på et eller flere resiprokerende stempelenheter (12) der den enkelte stempelenhet bruker sin forskyvning i den ene retningen til å lukke inn en viss mengde væske fra lagringstanken, og sin forskyvning i motsatt retning til å presse væske fra det avgrensede væskevolumet til angjeldende mekaniske innretning.

3. Et system ifølge krav 1 og 2,karakterisert vedat pumpeanordningens (8) resiprokerende bevegelse frembringes ved hjelp en hydraulikkpumpe som blir drevet av elektrisk kraft.

4. Et system ifølge krav 1, som samvirker med et trykkstabilisert barrierevæske system,karakterisert vedat ventilanordningen (10) utgjør eller samvirker barrieresystemets dumpeventil (26), og at væske som avgis til lagringstanken etter oppstart av angjeldende høyeffekts pumpe eller liknende blir hentet ut av pumpeanordningene (8) og ført til en væskeforsyningsenhet (23) som er anordnet oppstrøms barrieretrykksystemet slik at barrieresystemet til enhver tid har kapasitet i væskeforsyningssytemet (23) til å kunne kompensere for redusert væskevolum etter stopp av angjeldende pumpe. Nytt kravsett vil bli utarbeidet