NO20190053A1 - an underwater accumulator system designed to generate hydraulic power - Google Patents
an underwater accumulator system designed to generate hydraulic powerInfo
- Publication number
- NO20190053A1 NO20190053A1 NO20190053A NO20190053A NO20190053A1 NO 20190053 A1 NO20190053 A1 NO 20190053A1 NO 20190053 A NO20190053 A NO 20190053A NO 20190053 A NO20190053 A NO 20190053A NO 20190053 A1 NO20190053 A1 NO 20190053A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- pressure
- chamber
- liquid
- accumulator
- piston
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 4
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- PHEDXBVPIONUQT-RGYGYFBISA-N phorbol 13-acetate 12-myristate Chemical compound C([C@]1(O)C(=O)C(C)=C[C@H]1[C@@]1(O)[C@H](C)[C@H]2OC(=O)CCCCCCCCCCCCC)C(CO)=C[C@H]1[C@H]1[C@]2(OC(C)=O)C1(C)C PHEDXBVPIONUQT-RGYGYFBISA-N 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
- E21B33/02—Surface sealing or packing
- E21B33/03—Well heads; Setting-up thereof
- E21B33/035—Well heads; Setting-up thereof specially adapted for underwater installations
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
- E21B33/02—Surface sealing or packing
- E21B33/03—Well heads; Setting-up thereof
- E21B33/035—Well heads; Setting-up thereof specially adapted for underwater installations
- E21B33/0355—Control systems, e.g. hydraulic, pneumatic, electric, acoustic, for submerged well heads
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
- F15B1/02—Installations or systems with accumulators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
- F15B1/02—Installations or systems with accumulators
- F15B1/04—Accumulators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
- F15B21/006—Compensation or avoidance of ambient pressure variation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B2201/00—Accumulators
- F15B2201/30—Accumulator separating means
- F15B2201/31—Accumulator separating means having rigid separating means, e.g. pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B2201/00—Accumulators
- F15B2201/30—Accumulator separating means
- F15B2201/32—Accumulator separating means having multiple separating means, e.g. with an auxiliary piston sliding within a main piston, multiple membranes or combinations thereof
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
- F15B2211/40—Flow control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Supply Devices, Intensifiers, Converters, And Telemotors (AREA)
Description
Oppfinnelsen vedrører et undervannsbasert akkumulatorsystem som er innrettet til å generere hydraulisk kraft ved å oppta og overføre energi fra et drivmedium i form av en væske som s tilføres med et trykk som er tilnærmet likt eller lavere enn det omgivende vanntrykket. The invention relates to an underwater-based accumulator system which is designed to generate hydraulic power by absorbing and transferring energy from a driving medium in the form of a liquid which is supplied with a pressure which is approximately equal to or lower than the surrounding water pressure.
Akkumulatorsystemet består av en eller flere akkumulatorenheter som er påmontert en ventilanordning som bevirker at akkumulatorenhetene kan opprettholde et innstilt overtrykk i forhold til omgivelsestrykket selv om omgivelsestrykket endres vesentlig. Jevnført med tradisjonelle, gassbaserte akkumulatorsystemer vil et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen ha vesentlige fortrinn ved at det er uavhengig av væskeforsyning via umbilical, har høy ytelse i forhold til vekt og størrelse, og er meget brukervennlig. The accumulator system consists of one or more accumulator units which are fitted with a valve device which means that the accumulator units can maintain a set excess pressure in relation to the ambient pressure even if the ambient pressure changes significantly. Compared to traditional, gas-based accumulator systems, an accumulator system according to the invention will have significant advantages in that it is independent of liquid supply via umbilical, has high performance in relation to weight and size, and is very user-friendly.
Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention
Det er et økende behov for å få fram bedre teknologi for frembringelse av hydraulisk energi på store havdyp. Fremtidig oljeutvinning vil skje fra installasjoner på stadig større havdyp, og en forutsetning for trygg drift av slike installasjoner er at man til enhver tid har en tilnærmet umiddelbar tilgang på betydelig mengde hydraulisk kraft. I dagens situasjon anses det å være et stort behov for bedre og mer kompakte løsninger, særlig på større dyp enn 1500 msw. Gassfrie akkumulatorer som er innrettet for å utnytte trykkforskjellen mellom et omgivende vanntrykk og et tilnærmet trykkløst tomrom i en trykkbestandig tank har et stort potensial, spesielt fordi denne teknologien blir mer effektiv med økende dybde. Formålet med oppfinnelsen har således å frembringe en akkumulatorløsning som utnytter dette potensialet best mulig i form av god brukervennlighet og optimal hydraulisk kapasitet i forhold til vekt og størrelse. There is a growing need to develop better technology for generating hydraulic energy at great ocean depths. Future oil extraction will take place from installations at ever greater sea depths, and a prerequisite for the safe operation of such installations is that you have almost immediate access to a significant amount of hydraulic power at all times. In the current situation, there is considered to be a great need for better and more compact solutions, especially at depths greater than 1500 msw. Gasless accumulators designed to exploit the pressure difference between an ambient water pressure and an almost pressure-free void in a pressure-resistant tank have great potential, especially as this technology becomes more efficient with increasing depth. The purpose of the invention is thus to produce an accumulator solution which utilizes this potential as best as possible in the form of good user-friendliness and optimal hydraulic capacity in relation to weight and size.
Kjent teknikk Known technique
Hydraulisk materiell som nyttes i undervannsbasert oljevirksomhet er i hovedsak basert på å driftes av hydraulikkvæske, idet materiellet er innrettet til å utnytte hydraulikkvæskens overtrykk relativt til omgivende trykk. Tradisjonelle hydrauliske aktuatorer er basert på at trykket i en komprimert gass overføres via et forskyvbart stempel som fungerer som en barriere mellom den komprimerte gassen og hydraulikkvæsken. Gass komprimert til meget høye trykk mister trykket raskt ved ekspansjon, og har følgelig begrenset evne til å overføre energi. Denne evnen forringes ytterligere ved termiske effekter som skaper et temperaturfall som gir reduksjon i overføringstrykket. Hydraulic equipment used in underwater oil operations is mainly based on being operated by hydraulic fluid, as the equipment is designed to utilize the excess pressure of the hydraulic fluid relative to ambient pressure. Traditional hydraulic actuators are based on the pressure in a compressed gas being transferred via a displaceable piston that acts as a barrier between the compressed gas and the hydraulic fluid. Gas compressed to very high pressures loses pressure quickly during expansion, and consequently has a limited ability to transfer energy. This ability is further degraded by thermal effects which create a temperature drop which results in a reduction in the transfer pressure.
For å få mer energi ut av gassakkumulatorer er det utviklet dybdekompenserte akkumulatorer hvor man har sørget for å etablere krefter som nuller ut effekten av et endret omgivelsestrykk. Dette oppnås ved hjelp av et stempelarrangement der to motsatt rettede flater avføler hhv. omgivende trykk resp. et tilnærmet nulltrykk i en gassflaske. Denne løsningen krever kostbar maskinering, og vil ikke forhindre at gasstrykket må opp til et trykknivå hvor dens kompressibilitet er vesentlig redusert i forhold til en ideell gass. Dette skyldes at en del verktøy krever et hydraulisk trykk på 345 bar og høyere. In order to get more energy out of gas accumulators, depth-compensated accumulators have been developed where care has been taken to establish forces that cancel out the effect of a change in ambient pressure. This is achieved by means of a piston arrangement where two oppositely directed surfaces sense respectively ambient pressure or an approximately zero pressure in a gas cylinder. This solution requires expensive machining, and will not prevent the gas pressure from reaching a pressure level where its compressibility is significantly reduced compared to an ideal gas. This is because some tools require a hydraulic pressure of 345 bar and higher.
I de senere årene er det utviklet gassfrie konsepter for frembringelse av hydraulisk energi. NO 333477 B1 og NO 343020 B1 beskriver to ulike løsninger hvor man utnytter trykkforskjellen mellom omgivende vann og et tilnærmet trykkløst tomrom. Løsningene er basert på at dette tomrommet etableres i en trykkbestandig tank ved hjelp av spesialkonstruerte fortrengerpumper. In recent years, gas-free concepts for generating hydraulic energy have been developed. NO 333477 B1 and NO 343020 B1 describe two different solutions where the pressure difference between surrounding water and an almost pressureless void is utilized. The solutions are based on this void being established in a pressure-resistant tank using specially designed displacement pumps.
NO 333477 B1 beskriver en løsning der det er lagt opp til at nevnte trykkforskjell benyttes til direktedrift av utstyr som benytter hydrauliske aktuatorer. Ettersom denne trykkforskjellen avhenger av havdypet vil denne løsningen kreve spesialtilpasset hydraulisk utstyr, og en slik utførelse er i hovedsak uegnet for drift av tradisjonelt hydraulikkutstyr. NO 333477 B1 describes a solution in which it is proposed that said pressure difference be used for direct operation of equipment that uses hydraulic actuators. As this pressure difference depends on the sea depth, this solution will require specially adapted hydraulic equipment, and such a design is essentially unsuitable for the operation of traditional hydraulic equipment.
NO 343020 B1 antas pr i dag å representere den mest anvendbare løsningen når det gjelder gassfrie konsepter. Den baseres på en trykkforsterkende pumpe til å frigjøre og omforme den lagrede energien til hydraulisk kraft som kan drifte tradisjonelt hydraulisk verktøy. For begge disse løsninger er frigjøring av hydraulisk energi betinget at væske med tilnærmet omgivelsestrykk blir tilbakeført til de nevnte trykkbestandige tankene. NO 343020 B1 is currently believed to represent the most applicable solution when it comes to gas-free concepts. It relies on a pressure booster pump to release and transform the stored energy into hydraulic power that can operate traditional hydraulic tools. For both of these solutions, the release of hydraulic energy is conditional on liquid with approximately ambient pressure being returned to the aforementioned pressure-resistant tanks.
Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention
Virkemåten for akkumulatorenhetene og et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen beskrives i det følgende med henvisning til figurene 1 - 8, der The operation of the accumulator units and an accumulator system according to the invention is described in the following with reference to figures 1 - 8, where
- Fig.1 viser et prinsippriss for en første utførelse av en akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen. - Fig.1 shows a principle price for a first embodiment of an accumulator unit according to the invention.
- Fig.2 viser et prinsippriss for en selvregulerende ventilanordning for styring av - Fig.2 shows a principle price for a self-regulating valve device for control of
hydraulikktrykket the hydraulic pressure
- Fig. 3 viser hvordan hydraulikktrykket endres med dybden for en gitt konfigurering av en akkumulatorenhet - Fig. 3 shows how the hydraulic pressure changes with depth for a given configuration of an accumulator unit
- Fig.4 viser en utførelse av en ventilanordning for manuell justering av hydraulikktrykket - Fig.4 shows an embodiment of a valve device for manual adjustment of the hydraulic pressure
- Fig. 5 viser en forenklet foretrukket utførelse av et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen - Fig. 5 shows a simplified preferred embodiment of an accumulator system according to the invention
- Fig.6 viser en trykkomformer som inngår i en foretrukket utførelse av akkumulatorsystemet - Fig.6 shows a pressure converter which is included in a preferred embodiment of the accumulator system
- Fig. 7 illustrerer hvordan man kan gjenvinne hydraulisk kapasitet av et akkumulatorsystem i operasjonell bruk - Fig. 7 illustrates how to recover the hydraulic capacity of an accumulator system in operational use
- Fig. 8 viser en alternativ utførelse av en akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen - Fig. 8 shows an alternative embodiment of an accumulator unit according to the invention
Figur 1) viser et riss av en første utførelse av en akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen. Den omfatter et hus 4) med et innløp 13) for mottak av drivmediet, og et utløp 8) for avgivelse av trykksatt hydraulikkvæske. Drivmediets forsyningstrykk inn mot innløpet 13) forutsettes å være tilnærmet lik det omgivende vanntrykk PAMB. Huset er sammensatt av sylindriske føringer for en stempelanordning 3). Denne avdeler huset 4) i tre separate kamre I-III, og er sammensatt av en stempelstang med tverrsnitt A2 og et stempel med trykkflate A1. Stempelanordningen samvirker med to glidetetninger 2,5) som hindrer lekkasje mellom kamrene. Figure 1) shows a diagram of a first embodiment of an accumulator unit according to the invention. It comprises a housing 4) with an inlet 13) for receiving the drive medium, and an outlet 8) for releasing pressurized hydraulic fluid. The propellant's supply pressure towards the inlet 13) is assumed to be approximately equal to the surrounding water pressure PAMB. The housing is composed of cylindrical guides for a piston device 3). This divides the housing 4) into three separate chambers I-III, and is composed of a piston rod with cross-section A2 and a piston with pressure surface A1. The piston device cooperates with two sliding seals 2.5) which prevent leakage between the chambers.
Akkumulatorenheten omfatter en ventilanordning (12) som i denne beskrivelsen vil bli betegnet som dybdekompensasjonsventil. Denne er anordnet i et hus 11) som danner et endelokk i akkumulatorenheten. Dens virkemåte vil bli forklart senere med henvisning til fig.2. Den stiplede linjen mellom en port 10) i dybdekompensasjonsventilen og en port 9) i huset 4) indikerer en trykkforbindelse som må etableres for at den foretrukne utførelsen av dybdekompensasjonsventilen skal kunne fungere. The accumulator unit comprises a valve device (12) which in this description will be referred to as a depth compensation valve. This is arranged in a housing 11) which forms an end cap in the accumulator unit. Its operation will be explained later with reference to fig.2. The dashed line between a port 10) in the depth compensation valve and a port 9) in the housing 4) indicates a pressure connection that must be established for the preferred embodiment of the depth compensation valve to function.
Drivmediet blir tilført kammer III med et trykk PS, og vil følgelig skape en oppad rettet kraft FS = PS*A1 mot stempelanordningen via trykkflaten A1. Denne kraften presser stempelarrangementet oppover, og generer motkrefter i kamrene I og II som i sum er like store. Motkraften fra kammer II er imidlertid ubetydelig fordi dette kammeret fremstår som et tilnærmet trykkløst tomrom. Dette er oppnådd ved porten 9) er blindet av etter at stempelanordningen er blitt presset opp mot øvre endeposisjon. Friksjonen i glidetetningene 2,5) anses i denne sammenheng som ubetydelige, slik at den oppad rettede kraften FS tilnærmet fullt ut benyttes til å trykksette hydraulikkvæsken i kammer I. Kraftbalansen mellom oppad og nedad rettede krefter mot stempelarrangementet er således gitt ved; 1. FS = PS*A1 = (PH + PAMB)*A2, The propellant is supplied to chamber III with a pressure PS, and will consequently create an upwardly directed force FS = PS*A1 against the piston device via the pressure surface A1. This force pushes the piston arrangement upwards, and generates counter forces in chambers I and II which are equal in sum. However, the counterforce from chamber II is negligible because this chamber appears as an almost pressureless void. This is achieved when the port 9) is blinded off after the piston device has been pushed up towards the upper end position. The friction in the sliding seals 2,5) is considered insignificant in this context, so that the upwardly directed force FS is almost fully used to pressurize the hydraulic fluid in chamber I. The force balance between upwardly and downwardly directed forces against the piston arrangement is thus given by; 1. FS = PS*A1 = (PH + PAMB)*A2,
der PH er hydraulikkvæskens overtrykk i forhold til det omgivende trykk PAMB. where PH is the excess pressure of the hydraulic fluid in relation to the ambient pressure PAMB.
Herav finnes; Of these there are;
2. PH = PS*A1/A2 - PAMB2. PH = PS*A1/A2 - PAMB
Vi har i den foregående beskrivelse er det valgt å ha hydraulikkvæsken lagret i kammer I, la kammer II være trykkløst. Prinsipielt sett kan man gjerne bytte om bruken av disse kamrene. In the preceding description, we have chosen to have the hydraulic fluid stored in chamber I, leaving chamber II depressurised. In principle, you can easily change the use of these chambers.
Formel 2 viser at PH kan holdes på et definert, fast nivå dersom PS økes eller reduseres lineært med det omgivende trykk. Dette oppnås i følge oppfinnelsen ved hjelp av nevnte dybdekompensasjonsventil, som er innrettet for å styre relasjonen mellom PS og PAMB slik at PH holder et konstant nivå. Dette innebærer at dybdekompensasjonsventilen styrer trykkfallet på tilført drivmedium i relasjon til omgivelsestrykket. Ved å sette inn DP= (PAMB - PS ) inn i formel 2 finner vi; Formula 2 shows that PH can be kept at a defined, fixed level if PS is increased or decreased linearly with the ambient pressure. This is achieved according to the invention by means of said depth compensation valve, which is designed to control the relationship between PS and PAMB so that PH maintains a constant level. This means that the depth compensation valve controls the pressure drop on the supplied driving medium in relation to the ambient pressure. By inserting DP= (PAMB - PS ) into formula 2 we find;
3. DP = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1 3. DP = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1
En akkumulatorenhet vil først være i stand til å generere et ønsket hydraulikktrykk når den er anordnet på en viss minstedybde som er bestemt av relasjonen A1/A2. Minstedybden er definert ved at ønsket hydraulikktrykk oppnås med PS = PAMB, dvs. ved DP=0. Det er verken ønskelig eller nødvendig at dybdekompensasjonsventilen trer i funksjon før denne dybden overskrides. Ved hjelp av formel 3 finner vi at en akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen vil kunne levere et konstant hydraulikktrykk etter at minstedybden er overskredet dersom DP reguleres som følger; An accumulator unit will only be able to generate a desired hydraulic pressure when it is arranged at a certain minimum depth which is determined by the relation A1/A2. The minimum depth is defined by the desired hydraulic pressure being achieved with PS = PAMB, i.e. at DP=0. It is neither desirable nor necessary for the depth compensation valve to operate before this depth is exceeded. Using formula 3, we find that an accumulator unit according to the invention will be able to deliver a constant hydraulic pressure after the minimum depth has been exceeded if DP is regulated as follows;
4. DP = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1 4. DP = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1
= (PAMB – Pamb) * (A1-A2)/A1 = (PAMB – Pamb) * (A1-A2)/A1
der Pamb er omgivende trykk på minstedybden where Pamb is ambient pressure at the minimum depth
Dybdekompensasjonsventilen 12) er således innrettet for å styre DP i samsvar med formel 4. The depth compensation valve 12) is thus designed to control DP in accordance with formula 4.
Virkemåten for en foretrukket utførelse av denne ventilen forklares med henvisning til fig.2. The operation of a preferred embodiment of this valve is explained with reference to fig.2.
Ventilen er bygget inn i huset 11) og omfatter et aksialt forskyvbart ventillegeme 14). Dette har en sylinderformet utvekst 16) med en glidetetning 15) som danner en lekkasjefri barriere mellom et første kammer IV som er åpen mot forsyningslinjen 13), og et andre kammer V som er forbundet med det trykkløse kammer II i akkumulatorenheten via porten 10). Ventillegemet 14) styrer, i samvirke med et fast sete 18), åpningen mellom det første kammer IV og kammer III i akkumulatorenheten. The valve is built into the housing 11) and comprises an axially displaceable valve body 14). This has a cylindrical protrusion 16) with a sliding seal 15) which forms a leak-free barrier between a first chamber IV which is open to the supply line 13) and a second chamber V which is connected to the depressurized chamber II of the accumulator unit via port 10). The valve body 14) controls, in cooperation with a fixed seat 18), the opening between the first chamber IV and chamber III in the accumulator unit.
Fig.2 illustrerer en situasjon der setet 18) blir presset mot en myk tetningsskive 19) på ventillegemet 14). Setets 18) tverrsnitt er definert ved et areal A3, og ventillegemets sylindriske utvekst 16) er definert ved et tverrsnitt A4. Det innebærer væsken som er i kontakt med kammer IV har trykk lik PAMB, og vil påvirke ventillegemet 14) med en nedad rettet kraft av størrelse FIV= PAMB*(A3-A4). Ettersom kammer V er koplet til kammer II i akkumulatorenheten er kammer V tilnærmet trykkløst, og kraftpåvirkningen mot ventillegemet 14) fra kammer V er derved begrenset til den nedad rettede kraften FV fra en innmontert fjær 17). Trykket i kammer III er PS = (PAMB–DP), og dette vil utøve en oppad rettet kraft av størrelse FIII = (PAMB–DP)*A3 mot ventillegemet 14). Fig.2 illustrates a situation where the seat 18) is pressed against a soft sealing disc 19) on the valve body 14). The cross-section of the seat 18) is defined by an area A3, and the cylindrical outgrowth 16) of the valve body is defined by a cross-section A4. This means that the liquid in contact with chamber IV has a pressure equal to PAMB, and will affect the valve body 14) with a downwardly directed force of size FIV= PAMB*(A3-A4). As chamber V is connected to chamber II in the accumulator unit, chamber V is virtually depressurized, and the force exerted on the valve body 14) from chamber V is thereby limited to the downwardly directed force FV from an installed spring 17). The pressure in chamber III is PS = (PAMB–DP), and this will exert an upwardly directed force of magnitude FIII = (PAMB–DP)*A3 against the valve body 14).
Oppad rettede og nedad rettede krefter mot ventillegemet vil være i likevekt. Upward and downward forces against the valve body will be in equilibrium.
Dvs. (PAMB- DP)*A3 = PAMB*(A3-A4) FVThat is (PAMB-DP)*A3 = PAMB*(A3-A4) FV
Herav; 5. DP =PAMB*A4/A3 FV/A3 Of this; 5. DP =PAMB*A4/A3 FV/A3
Vi krever at formel 4 og formel 5 skal være identiske. We require formula 4 and formula 5 to be identical.
Det betinger; DP = PAMB*A4/A3 FV/A3 = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1 It conditions; DP = PAMB*A4/A3 FV/A3 = PAMB (A1-A2)/A1 – PH*A2/A1
Vi ser at dette vil være oppnådd dersom geometrien for akkumulatorenheten og dybdekompensasjonsventilen er tilpasset hverandre slik at We see that this will be achieved if the geometry of the accumulator unit and the depth compensation valve are adapted to each other so that
A4/A3 = (A1-A2)/A1 og FV/A3= PH*A2/A1 A4/A3 = (A1-A2)/A1 and FV/A3= PH*A2/A1
Vi ser at FV = 0 vil resultere i PH = 0, noe som innebærer at hydraulikktrykket innstilles på å være i likevekt med det omgivende vanntrykk. Følgelig kreves det en positiv kraftpåvirkning fra fjæren 17) for at det skal genereres et positivt hydraulikktrykk, dvs. at hydraulikkvæsken har et overtrykk i forhold til omgivelsestrykket. Vi ser at hydraulikktrykket vil være proporsjonalt økende med fjærspennet FV. We see that FV = 0 will result in PH = 0, which means that the hydraulic pressure is set to be in equilibrium with the surrounding water pressure. Consequently, a positive force effect from the spring 17) is required for a positive hydraulic pressure to be generated, i.e. that the hydraulic fluid has an overpressure in relation to the ambient pressure. We see that the hydraulic pressure will increase proportionally with the spring tension FV.
Eksempel 1; Example 1;
Vi ønsker at en akkumulatorenhet skal kunne generere 345 bar på havdyp ≥ 1000 We want an accumulator unit to be able to generate 345 bar at sea depths ≥ 1000
msw – dvs. 1000 msw settes som minstedybde. Påfølgende beregninger forenkles ved at atmosfæretrykket settes lik 1 bar, og ved at vanntrykkets økning pr 10 meter msw – i.e. 1000 msw is set as the minimum depth. Subsequent calculations are simplified by setting the atmospheric pressure equal to 1 bar, and by setting the water pressure increase per 10 meters
dybdeøkning settes til 1 bar. Ved å sette PS = 101 bar inn i formel 2, finnes; depth increase is set to 1 bar. By putting PS = 101 bar into formula 2, there is;
345 bar = 101bar *A1/A2 – 101 bar - herav A1/A2 = 4,42 345 bar = 101 bar *A1/A2 – 101 bar - of which A1/A2 = 4.42
Ved å sette denne verdien inn i formel 4 finnes videre; By inserting this value into formula 4 there is further;
DP = PAMB*(1-A2/A1)- Pamb*(1-A2/A1) = 0,774*PAMB – 78,2 bar DP = PAMB*(1-A2/A1)- Pamb*(1-A2/A1) = 0.774*PAMB – 78.2 bar
Som nevnt ovenfor betinger samsvar mellom akkumulatorenheten og dybdekompensasjonsventilen at ; FV/A3= PH*A2/A1= 78,2 bar. Hvis vi velger A3 = 12 cm<2>, vil akkumulatorenheten generere et hydraulikktrykk på 345 bar dersom innstilt fjærspenn er av størrelse FV= 78,2 bar*12cm<2 >– tilsvarende ca 930 kp. Dersom fjærspennet settes lavere enn dette reduseres hydraulikktrykket tilsvarende. As mentioned above, compliance between the accumulator unit and the depth compensation valve requires that ; FV/A3= PH*A2/A1= 78.2 bar. If we choose A3 = 12 cm<2>, the accumulator unit will generate a hydraulic pressure of 345 bar if the set spring tension is of size FV= 78.2 bar*12cm<2> – corresponding to approx. 930 kp. If the spring tension is set lower than this, the hydraulic pressure is reduced accordingly.
Når trykket i kammer IV er lavere enn Pamb blir ventillegemet 14) presset til sin nederste posisjon av fjærspennet, og sørger for en maksimal åpning mellom kammer IV og kammer III. Når trykket overstiger Pamb vil ventillegemet søke mot posisjonen hvor tilførselen av drivmedium til kammer III akkurat er stor nok til å opprettholde den ønskede kraftbalansen. I en normal driftssituasjon er trykkstyringen basert på en likevekt mellom aksialt virkende krefter på ventillegemet 14). Avvik i denne likevekten vil frembringe store korrigerende krefter som frembringer momentane, men allikevel myke korreksjoner av ventillegemets posisjon. Det kan være behov for oscillasjonsdempende tiltak dersom akkumulatorenheten må innrettes for å kunne takle store og hurtige variasjoner i forbruksmønsteret. Slik tiltak kan gjennomføres med kjent teknikk, og vil ikke bli nærmere berørt i denne beskrivelsen. When the pressure in chamber IV is lower than Pamb, the valve body 14) is pushed to its lowest position by the spring tension, and ensures a maximum opening between chamber IV and chamber III. When the pressure exceeds Pamb, the valve body will seek the position where the supply of drive medium to chamber III is just large enough to maintain the desired power balance. In a normal operating situation, the pressure control is based on an equilibrium between axially acting forces on the valve body 14). Deviations in this equilibrium will produce large corrective forces which produce momentary, but still soft corrections of the valve body's position. There may be a need for oscillation damping measures if the accumulator unit has to be adjusted to be able to cope with large and rapid variations in the consumption pattern. Such measures can be carried out using known techniques, and will not be touched upon in this description.
Dybdekompensansasjonsventilen12) fungerer som en enveisventil i den forstand at den ikke tillater væske å hentes ut fra kammer III via utløpet 13). Det er derfor anordnet en enveisventil 20) i huset 11) slik at dette er mulig. The depth compensation valve 12) functions as a one-way valve in the sense that it does not allow liquid to be extracted from chamber III via the outlet 13). A one-way valve 20) is therefore arranged in the housing 11) so that this is possible.
Det bør nevnes at kraften FV mot ventillegemet 14)ikke nødvendigvis må etableres ved hjelp av en fjær. Det vesentlige er at det må etableres en nedad rettet kraft som er avpasset slik PH opprettholdes på ønsket nivå. It should be mentioned that the force FV against the valve body 14) does not necessarily have to be established by means of a spring. The essential thing is that a downward directed force must be established which is adapted so that PH is maintained at the desired level.
Fig. 3A og 3B viser sammenhengen mellom dybde og hydraulisk trykk for en akkumulatorenhet iht. spesifikasjonene i eksempel 1. Den stiplede linjen i fig.3A viser hvordan PH øker som funksjon av dybden før dybdekompensasjonsventilen trer i funksjon. Eksemplet er basert på at akkumulatorenheten skal kunne frembringe et hydraulikktrykk PH= 345 bar ved en minstedybde på 1000 msw. Dersom justeringen av fjærspennet er samsvar med dette vil dybdekompensasjonsventilen tre i funksjon på 1000 msw, og forhindre en ytterligere økning av PH. Dersom fjærspennet økes til det dobbelte vil hydraulikktrykket stige til PH=690 bar før det flater ut. Dette vil da først skje på 2000 meters dyp – som under disse forutsetningene da vil representere minstedybden for en akkumulatorenhet som med A1/A2 = 4,42 skal levere PH= 690 bar. Fig. 3A and 3B show the relationship between depth and hydraulic pressure for an accumulator unit according to the specifications in example 1. The dashed line in fig.3A shows how PH increases as a function of depth before the depth compensation valve comes into operation. The example is based on the accumulator unit being able to produce a hydraulic pressure PH= 345 bar at a minimum depth of 1000 msw. If the adjustment of the spring span is in accordance with this, the depth compensation valve will come into operation at 1000 msw, preventing a further increase in PH. If the spring tension is doubled, the hydraulic pressure will rise to PH=690 bar before it flattens out. This will then only happen at a depth of 2,000 meters - which, under these conditions, will then represent the minimum depth for an accumulator unit which, with A1/A2 = 4.42, will deliver PH= 690 bar.
Fig. 3 B viser tilsvarende hvordan absoluttrykket på trykket nedstrøms dybdekompensasjonsventilen, dvs. PS, endres med dybden for de tre innstillingene. Dersom det ikke var montert noen dybdekompensasjonsventil på akkumulatorenheten ville PS og omgivende trykk være identiske – gitt ved den stiplede linjen. Fig. 3 B shows correspondingly how the absolute pressure of the pressure downstream of the depth compensation valve, i.e. PS, changes with depth for the three settings. If no depth compensation valve was fitted to the accumulator unit, PS and ambient pressure would be identical - given by the dashed line.
Fig. 4 viser en alternativ utførelse der dybdekompensasjonsventilen virker som en tradisjonell fjærbelastet enveisventil. I denne utførelsen har dybdekompensasjonsventilen ingen selvregulerende, funksjon idet et innstilt fjærspenn definerer et fast trykkfall som dybdekompensasjonsventilen søker å opprettholde. Det betyr at dybdekompensasjonsventilen gjør det mulig å oppnå samme hydraulikktrykk på en annen dybde ved å justere fjærkraften – noe som vil være mulig i sjø ved bruk av en ROV. Komponenter som prinsipielt sett har samme funksjon som i en selvregulerende utførelse er gitt samme posisjonsnummer. Fig. 4 shows an alternative embodiment where the depth compensation valve acts as a traditional spring-loaded one-way valve. In this embodiment, the depth compensation valve has no self-regulating function, as a set spring tension defines a fixed pressure drop that the depth compensation valve seeks to maintain. This means that the depth compensation valve makes it possible to achieve the same hydraulic pressure at a different depth by adjusting the spring force - something that would be possible at sea when using an ROV. Components which, in principle, have the same function as in a self-regulating design are given the same position number.
En vesentlig ulempe med bruk av dybdekompensasjonsventil som ikke er selvregulerende, er at relativt beskjeden feilinnstilling av trykkfall versus dybde kan resultere i store avvik på PH i forhold til ønsket verdi. Avviket fra en ønsket PH-verdi faktor A1/A2 ganger så stor som feilinnstillingen på trykkfallet (jfr. formel 2 på side 3). En selvregulerende dybdekompensasjonsventil iht. fig.2 er basert på at ventilens geometri skal samsvare med akkumulatorenhetens geometri, og et eventuelt avvik fra ønsket PH verdi forblir det samme selv om dybden endres. A significant disadvantage of using a depth compensation valve that is not self-regulating is that a relatively modest missetting of pressure drop versus depth can result in large deviations of PH in relation to the desired value. The deviation from a desired PH value factor A1/A2 times as large as the incorrect setting of the pressure drop (cf. formula 2 on page 3). A self-regulating depth compensation valve acc. fig.2 is based on the geometry of the valve to match the geometry of the accumulator unit, and any deviation from the desired PH value remains the same even if the depth changes.
Et prioritert bruksområde for et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen vil være å frembringe hydraulisk kraft til operasjoner av begrenset varighet som for eksempelvis vedlikeholdsoperasjoner (work-over) av brønner på et oljefelt. Overhaling av en enkelt brønn kan typisk foregå over et par ukers tid og krever tilgang på hydraulisk kraft til å operere et ”Workover/completion system” som omfatter diverse typer hydraulisk verktøy. De ulike verktøyer vil normalt være designet for ulike operasjonstrykk, og de enkelte akkumulatorer som skal benyttes vil måtte konfigureres i samsvar med dette. Mellom hver enkelt overhaling er det vanlig å trekke vedlikeholdsmateriellet opp til overflaten og klargjøre dette for neste brønn. For feltet som helhet skal operasjonen kunne gjennomføres uten at det må foretas dyptgripende inngrep på noen del av utstyret. Angjeldende oppfinnelse kan i vesentlige operasjonelle fortrinn ved det er mulig å gjenvinne forbrukt hydraulisk kapasitet nede på havbunnen, ved at akkumulatorsystemet kan forflyttes til andre havdyp uten at det kreves omjusteringer, samt ved at vedlikeholdsmateriellet får så vidt stor hydraulisk kapasitet at relativt omfattende operasjoner kan gjennomføres uten at man har behov for å gjenvinne hydraulisk kapasitet underveis. Allerede på 400 meters havdyp vil akkumulatorenheter ifølge oppfinnelsen kunne gi et vesentlig gunstigere forhold mellom hydraulisk kapasitet og vekt/dimensjonering enn tradisjonelle gassbaserte akkumulatorer. A priority area of use for an accumulator system according to the invention will be to generate hydraulic power for operations of limited duration such as for example maintenance operations (work-over) of wells on an oil field. Overhauling a single well can typically take place over a couple of weeks and requires access to hydraulic power to operate a "Workover/completion system" that includes various types of hydraulic tools. The various tools will normally be designed for different operating pressures, and the individual accumulators to be used will have to be configured accordingly. Between each individual overhaul, it is common to pull the maintenance material up to the surface and prepare it for the next well. For the field as a whole, the operation must be able to be carried out without having to carry out in-depth interventions on any part of the equipment. The invention in question can have significant operational advantages in that it is possible to recover used hydraulic capacity down on the seabed, in that the accumulator system can be moved to other sea depths without readjustments being required, and in that the maintenance equipment has such a large hydraulic capacity that relatively extensive operations can be carried out without the need to recover hydraulic capacity along the way. Already at 400 meters of sea depth, accumulator units according to the invention will be able to provide a significantly more favorable ratio between hydraulic capacity and weight/dimensioning than traditional gas-based accumulators.
Tabell 1 og 2 viser beregnet sammenheng mellom minstedybde og hydrauliske kapasitet for akkumulatorenheter med følgende spesifikasjoner; Tables 1 and 2 show the calculated relationship between minimum depth and hydraulic capacity for accumulator units with the following specifications;
• Totallengde på ca 2300 mm. • Total length of approx. 2300 mm.
• Stempelanordningen 4) skal ha slaglengde på 1000 mm, og stempeldiameter =300 mm. • The piston device 4) must have a stroke of 1000 mm, and piston diameter =300 mm.
• Hydraulikktrykk PH= 345 bar • Hydraulic pressure PH= 345 bar
• Estimert vekt er basert på aksepterte standarder for styrkeberegninger, og tar hensyn til at stempelstangens vekt varierer med forholdet A1/A2. • Estimated weight is based on accepted standards for strength calculations, and takes into account that the weight of the piston rod varies with the ratio A1/A2.
Disse tabellene viser at 28 akkumulatorenheter med en samlet vekt på 5,8 tonn, dimensjonert ut fra de gitte spesifikasjonene, vil ha kapasitet til å kunne avgi 200 liter væske med 345 bar hydraulikktrykk på 400 meters dyp før ny opplading. På 3000 meters dyp vil tilsvarende hydraulisk kapasitet kunne oppnås med 7 akkumulatorenheter med en samlet vekt på 3,2 tonn. These tables show that 28 accumulator units with a total weight of 5.8 tonnes, dimensioned based on the given specifications, will have the capacity to release 200 liters of liquid with 345 bar hydraulic pressure at a depth of 400 meters before recharging. At a depth of 3,000 metres, equivalent hydraulic capacity can be achieved with 7 accumulator units with a total weight of 3.2 tonnes.
Tabell 1 Table 1
Akkumulator for 300 – 1000 msw (maks dybde 1000 msw) / hydraulikktrykk 345 bar Accumulator for 300 – 1000 msw (max depth 1000 msw) / hydraulic pressure 345 bar
Tabell 2 Table 2
Akkumulator for 1000 – 3000 msw (maks dybde 3000 msw) / hydraulikktrykk 345 bar Accumulator for 1000 – 3000 msw (max depth 3000 msw) / hydraulic pressure 345 bar
Iht. tabell 2 vil en akkumulatorenhet som er konfigurert for en minstedybde på 1000 msw kunne levere 15,9 liter væske med PH=345 bar. Forutsatt at dybden ikke overskrider det akkumulatorenheten er trykklasset kan den levere 345 bar på enhver dybde > 1000 msw, men den hydrauliske kapasiteten vil være begrenset til 15,9 liter. Dersom den operasjonelle dybden blir økt til 3000 msw er man tjent med å benytte akkumulatorenheter som er konfigurert for en minstedybde på eksempelvis 3000 meter. Tabellen viser at den hydrauliske kapasiteten dderved økes til 32,9 liter, altså til drøyt det dobbelte. Man må følgelig gjøre en avveining av bruksmessige fordeler ved å benytte akkumulatorenheten over et bredt dybdeintervall versus vektbesparelser. Man vil uansett kunne oppnå store vektbesparelser jevnført med bruk av tradisjonelle gassbaserte akkumulatorer. According to table 2, an accumulator unit configured for a minimum depth of 1000 msw will be able to deliver 15.9 liters of liquid with PH=345 bar. Provided the depth does not exceed the accumulator unit's pressure rating, it can deliver 345 bar at any depth > 1000 msw, but the hydraulic capacity will be limited to 15.9 litres. If the operational depth is increased to 3,000 msw, it is beneficial to use accumulator units that are configured for a minimum depth of, for example, 3,000 metres. The table shows that the hydraulic capacity is thereby increased to 32.9 litres, i.e. almost double. One must therefore weigh up the practical advantages of using the accumulator unit over a wide depth interval versus weight savings. In any case, it will be possible to achieve large weight savings even with the use of traditional gas-based accumulators.
Foretrukne utførelser av et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen. Preferred embodiments of an accumulator system according to the invention.
I den følgende beskrivelse vil vi først ta for oss hovedelementene i en foretrukket oppbygging av et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen. Vi vil senere, med henvisning til fig.7, gi et eksempel på hvordan et slikt akkumulatorsystem kan konfigureres for å ha mulighet til å vedlikeholde/gjenvinne hydraulisk kapasitet mens det er i operasjonell bruk. In the following description, we will first deal with the main elements in a preferred structure of an accumulator system according to the invention. We will later, with reference to fig.7, give an example of how such an accumulator system can be configured to have the possibility of maintaining/recovering hydraulic capacity while it is in operational use.
Fig. 5 viser et riss av et forenklet oppsett for en utførelse der akkumulatorsystemet er tiltenkt at den hydrauliske kapasiteten blir gjenvunnet på overflaten. Akkumulatorsystemet omfatter 5 akkumulatorenheter som er anordnet innenfor den stiplede rammen merket a) samt to trykkomformere om er anordnet innenfor den stiplede rammen b). Alle akkumulatorenhetene er konfigurert for å levere samme hydraulikktrykk, som her er valgt til å være 50000 psi. Generelt sett er det gunstig å basere seg på et trykknivå som skal betjene mange forbrukere, og dette trykknivået bør være relativt høyt ettersom en akkumulatorenhet med stor forsterkningsfaktor vil hente mer energi ut av drivmediet. I dette forenklede oppsettet er antall leveringstrykk utover 5000 psi begrenset til hhv.10000 psi og 3000 psi. Drivmediet blir fortrinnsvis sirkulert i et lukket kretsløp via en elastisk belg 21) som indikert i figuren. Fig. 5 shows a sketch of a simplified setup for an embodiment where the accumulator system is intended for the hydraulic capacity to be recovered on the surface. The accumulator system comprises 5 accumulator units which are arranged within the dotted frame marked a) as well as two pressure converters if arranged within the dotted frame b). All accumulator units are configured to deliver the same hydraulic pressure, which is chosen here to be 50,000 psi. In general, it is beneficial to base yourself on a pressure level that will serve many consumers, and this pressure level should be relatively high, as an accumulator unit with a large amplification factor will extract more energy from the drive medium. In this simplified setup, the number of delivery pressures in excess of 5,000 psi is limited to 10,000 psi and 3,000 psi respectively. The propellant is preferably circulated in a closed circuit via an elastic bellows 21) as indicated in the figure.
Trykkomformere ifølge oppfinnelsen er innrettet for å ha omgivelsestrykket PAMB som referanse, og omdanne trykket iht. en faktor som er entydig bestemt ut fra valgt konfigurering. En trykkomformer som er konfigurert for en forsterkningsfaktor på 2, vil frembringe et hydraulikktrykk som i relasjon til PAMB er dobbelt så høyt uansett dybde. Pressure converters according to the invention are designed to have the ambient pressure PAMB as a reference, and convert the pressure according to a factor that is uniquely determined based on the chosen configuration. A pressure transducer configured for an amplification factor of 2 will produce a hydraulic pressure that, in relation to the PAMB, is twice as high regardless of depth.
Trykkomformerens funksjonsmåte forklares med henvisning til fig.6. I likhet med en akkumulatorenhet består denne av et hus 4) som er sammensatt av to sylindriske foringer og har et stempelarrangement som er aksialt forskyvbart i disse føringene. Stempelarrangementet adskiller huset i et tre separate kamre I-III), og består av en stempelstang med tverrsnitt A2 som er sammenkoplet med et stempel som sin trykkflate A1 vendt ut mot det største kammeret I. Følgelig har kamrene II,III effektive trykkarealer mot stempelarrangementet på hhv A2 og (A1-A2). The function of the pressure converter is explained with reference to fig.6. Like an accumulator unit, this consists of a housing 4) which is composed of two cylindrical bushings and has a piston arrangement which is axially displaceable in these bushings. The piston arrangement separates the housing into three separate chambers I-III), and consists of a piston rod with cross-section A2 which is connected to a piston whose pressure surface A1 faces out towards the largest chamber I. Consequently, the chambers II,III have effective pressure areas against the piston arrangement of respectively A2 and (A1-A2).
Stempelanordningen samvirker med to glidetetninger 2,5) som hindrer lekkasje mellom kamrene. Kammer II har åpen forbindelse med væske som holder omgivelsestrykk (PAMB) via porten 9), idet kamrene I og III forutsettes å inneholde væske trykksatt til hhv. PI og PIII. Trykkbalansen mellom disse tre kamrene vil være gitt av formelen; The piston device cooperates with two sliding seals 2.5) which prevent leakage between the chambers. Chamber II has an open connection with liquid that maintains ambient pressure (PAMB) via port 9), as chambers I and III are assumed to contain liquid pressurized to, respectively. PI and PIII. The pressure balance between these three chambers will be given by the formula;
PAMB*(A1-A2)+ PI*A2= PIII*A1 , PAMB*(A1-A2)+ PI*A2= PIII*A1 ,
som kan omformes til (PI-PAMB)/ (PIII-PAMB) = A2/A1 which can be transformed into (PI-PAMB)/ (PIII-PAMB) = A2/A1
Dersom man for eksempel velger A2 = A1/2 så vil man ved å tilføre væske med trykk PH= 345 bar til kammer III få ut væske med trykk PH= 690 bar fra kammer I. Tilsvarende vil tilførsel av væske med trykk PH= 345 bar til kammer I resultere i et leveringstrykk på trykk PH= 172,5 bar fra kammer III. If, for example, you choose A2 = A1/2, by supplying liquid with pressure PH= 345 bar to chamber III, you will get liquid with pressure PH= 690 bar from chamber I. Similarly, supplying liquid with pressure PH= 345 bar to chamber I result in a delivery pressure of pressure PH= 172.5 bar from chamber III.
Tabell 1 og 2 (side 8 og 9) illustrerer hvor stor hydraulisk kapasitet som kan oppnås ved bruk av akkumulatorenheter som har totallengde på ca 230 cm, og som har et stempelarrangement med en slaglengde på 100 cm og en stempeldiameter på 300 mm. Trykkomformerne vil ha til oppgave å omdanne trykket på væske som i utgangspunktet har høyt trykk, og denne omdanningen skjer med lite energitap. En trykkomformer vil følgelig ha en vesentlig større hydraulisk kapasitet enn en akkumulatorenhet med tilsvarende dimensjoner. Eksempelvis vil en trykkomformer med A2 = A1/2 kunne omdanne 70 liter væske som tilføres fra akkumulatorenhetene med PH=345 bar kunne omdannes til 35 liter væske med PH= 690 bar. Alternativt kan 35 liter væske med PH=345 bar omdannes til 70 liter væske med PH=172,5 bar. Tables 1 and 2 (pages 8 and 9) illustrate how much hydraulic capacity can be achieved using accumulator units that have a total length of approx. 230 cm, and which have a piston arrangement with a stroke length of 100 cm and a piston diameter of 300 mm. The pressure converters will have the task of converting the pressure of liquid which initially has high pressure, and this conversion takes place with little energy loss. A pressure converter will consequently have a significantly greater hydraulic capacity than an accumulator unit with similar dimensions. For example, a pressure converter with A2 = A1/2 will be able to convert 70 liters of liquid supplied from the accumulator units with PH=345 bar into 35 liters of liquid with PH= 690 bar. Alternatively, 35 liters of liquid with PH=345 bar can be converted into 70 liters of liquid with PH=172.5 bar.
Fig 7 skisserer hvordan et akkumulatorsystem sammensatt av akkumulatorenheter og trykkomformere kan sammenkoples slik at det blir mulig å vedlikeholde/ gjenvinne hydraulisk kapasitet mens systemet befinner seg i på havbunnen. Denne prosessen vil i det følgende bli betegnet som lading av komponentene. Fig 7 outlines how an accumulator system composed of accumulator units and pressure converters can be interconnected so that it becomes possible to maintain/recover hydraulic capacity while the system is located on the seabed. In the following, this process will be referred to as charging the components.
Hovedkomponentene i dette forenklede opplegget er to akkumulatorenheter som er anordnet innenfor den stiplede rammen som er merket med a), og to omformere er anordnet innenfor den stiplede rammen som er merket med b). The main components of this simplified scheme are two accumulator units arranged within the dashed frame marked with a), and two converters arranged within the dotted frame marked with b).
Lading av akkumulatorenheter og omformere foretas fortrinnsvis ved bruk av en elektrisk drevet pumpe. Opplegget er innrettet for at så vel akkumulatorenhetene som trykkomformerne skal kunne lades av en og samme pumpe, og at denne ladeoperasjonen skal kunne gjennomføres uten at det kreves høye pumpetrykk. Oppsettet i fig.7 er basert på at drivmediet og hydraulikkvæsken er den samme type væske og følgelig kan benytte samme lagringsbelg 21). Det er enkelt å endre på dette ved å kople opp separate lagringsbelger. Charging of accumulator units and converters is preferably carried out using an electrically driven pump. The system is designed so that both the accumulator units and the pressure converters can be charged by one and the same pump, and that this charging operation can be carried out without requiring high pump pressures. The setup in fig.7 is based on the fact that the drive medium and the hydraulic fluid are the same type of fluid and can therefore use the same storage bellows 21). It is easy to change this by connecting separate storage pods.
For å kunne holde et moderat pumpetrykk under ladingsprosessen blir angjeldende enheter isolert fra linjer med høyt trykk, og kamrene som skal få tilbakeført væske koples opp linjer som kan forsyne væske med trykk PAMB fra lagringsbelgen. Kamrene som skal tømmes for væske blir samtidig tilkoplet pumpens sugeside og det frembringes trykkgradienter som gjør ladeoperasjonen kan gjennomføres. Den ønskede oppkopling oppnås ved bruk enveisventiler og retningsventiler som vist i figur 7A. Fig.7B viser hvordan væsken strømmer gjennom hhv. en akkumulatorenhet og en trykkomformer under ladeprosessen. In order to be able to maintain a moderate pump pressure during the charging process, the units in question are isolated from lines with high pressure, and the chambers that are to have liquid returned are connected to lines that can supply liquid with pressure PAMB from the storage bellows. The chambers to be emptied of liquid are simultaneously connected to the pump's suction side and pressure gradients are created which enable the charging operation to be carried out. The desired connection is achieved by using one-way valves and directional valves as shown in Figure 7A. Fig.7B shows how the liquid flows through or an accumulator unit and a pressure transducer during the charging process.
Eksempel 1. Vi ser på omformeren som er anordnet til høyre i fig.7B), og som er innrettet for å redusere hydraulikktrykket PH fra 5000 psi til 3000 psi. Det innebærer at forholdet mellom stempelstangens tverrsnitt A2 og stemplets areal A1 er gitt ved A2/A1 = 0,6. Det betyr at likevekt mellom oppad rettede og nedad rettede trykkrefter mot stempelanordningen er gitt ved PAMB*A1 = PAMB*(A1 -A2) P2*A2 Herav; PAMB*A2 = P2*A2 som gir P2 = PAMB Example 1. We look at the converter which is arranged on the right in fig.7B), and which is designed to reduce the hydraulic pressure PH from 5000 psi to 3000 psi. This means that the ratio between the piston rod's cross-section A2 and the piston's area A1 is given by A2/A1 = 0.6. This means that equilibrium between upwardly directed and downwardly directed pressure forces against the piston device is given by PAMB*A1 = PAMB*(A1 -A2) P2*A2 From this; PAMB*A2 = P2*A2 which gives P2 = PAMB
Følgelig kreves det minimalt med energi for å gjenvinne hydraulisk kapasitet på en omformer. Consequently, minimal energy is required to recover hydraulic capacity on a converter.
Eksempel 2. Vi ser på akkumulatorenheten som er anordnet til venstre i fig.6B), og tar som utgangspunkt at denne er konfigurert for å kunne levere et hydraulikktrykk PH= 5000 psi (345 bar) ved en minstedybde på 1000 msw. Det innebærer at forholdet mellom stempelstangens tverrsnitt A2 og stemplets areal A1 er gitt ved A2/A1 = 0,226. Likevekt mellom oppad rettede og nedad rettede trykkrefter mot stempelanordningen er nå gitt ved; Example 2. We look at the accumulator unit which is arranged on the left in fig.6B), and take as a starting point that this is configured to be able to deliver a hydraulic pressure PH= 5000 psi (345 bar) at a minimum depth of 1000 msw. This means that the ratio between the piston rod's cross-section A2 and the piston's area A1 is given by A2/A1 = 0.226. Equilibrium between upwardly directed and downwardly directed pressure forces against the piston device is now given by;
P1*A1 = PAMB*A2 som gir P1= 0,226* PAMBP1*A1 = PAMB*A2 which gives P1= 0.226* PAMB
Følgelig må sugesiden på pumpen være lavere enn 0,226* PAMB for at ladeprosessen skal kunne gjennomføres. Det betyr at pumpen må operere med et reelt pumpetrykk > 0,774* PAMB for å gjennomføre ladeoperasjonen. Consequently, the suction side of the pump must be lower than 0.226* PAMB for the charging process to be carried out. This means that the pump must operate with a real pump pressure > 0.774* PAMB to carry out the charging operation.
En alternativ utførelse av akkumulatorenheten er skissert i fig.8. Den vesentlige forskjellen mellom denne utførelsen og den tidligere beskrevne akkumulatorenheten er stempelanordningen 3) består av en stempelstang er sammenkoplet med et stempel i hver ende. I likhet med den tidligere beskrevne akkumulatorenhet omfatter denne et hus 4) med et innløp 13) for tilførsel av drivmediet, og et utløp 8) for avgivelse av trykksatt hydraulikkvæske. Stempelanordningen er aksialt forskyvbar i to sylindriske føringer i huset, og fire trykkflater på stempelanordningen danner derved en forskyvbar barriere mellom fire adskilte kamre i huset, hvorav; An alternative embodiment of the accumulator unit is outlined in fig.8. The essential difference between this embodiment and the previously described accumulator unit is the piston device 3) consists of a piston rod connected to a piston at each end. Like the previously described accumulator unit, this comprises a housing 4) with an inlet 13) for supplying the driving medium, and an outlet 8) for releasing pressurized hydraulic fluid. The piston device is axially displaceable in two cylindrical guides in the housing, and four pressure surfaces on the piston device thereby form a displaceable barrier between four separate chambers in the housing, of which;
- Et første kammer I er fylt med hydraulikkvæske som er i kontakt med en første oppad rettede trykkflate på stempelarrangementet, og ved forskyvning av stempelanordningen vil dette kammeret kunne oppta og avgi hydraulikkvæske via utløpet 8) - A first chamber I is filled with hydraulic fluid which is in contact with a first upwardly directed pressure surface on the piston arrangement, and when the piston device is displaced, this chamber will be able to absorb and release hydraulic fluid via the outlet 8)
- Et andre kammer II er gjort tilnærmet trykkløst, er i kontakt med en andre oppad rettede trykkflate og er uten annen ekstern forbindelse enn en eventuell lukket forbindelse til en dybdekompensasjonsventil. - A second chamber II is made virtually depressurized, is in contact with a second upwardly directed pressure surface and is without any external connection other than a possible closed connection to a depth compensation valve.
- Et tredje og fjerde kammer (III,IV) vender mot hver sin nedad rettede flate på stempelanordningen, og forbundet med hverandre og med innløpet 13) - A third and fourth chamber (III,IV) each faces a downwardly directed surface of the piston device, and is connected to each other and to the inlet 13)
Forbindelsen mellom kammer II og kammer IV er besørget ved en kanal 22) gjennom nevnte stempelstang. Stempelanordningen samvirker med tre glidbare tetninger 2,2a,3) som hindrer uønsket lekkasje mellom kamrene. The connection between chamber II and chamber IV is provided by a channel 22) through said piston rod. The piston device cooperates with three sliding seals 2,2a,3) which prevent unwanted leakage between the chambers.
Ved sammenstilling av akkumulatoren forutsettes at kammer II er åpen mot atmosfære via porten 9) når stempelanordningen skyves inn på plass. Videre prosedyre er den samme som for en første utførelse av akkumulatoren, slik at kammer II isoleres i komprimert stilling, og derved blir tilnærmet trykkløst når det ekspanderes. Denne utførelsen omfatter også en dybdekompensasjonsventil (12) som fortrinnsvis er anordnet i endelokket 11) i akkumulatorenheten. Dybdekompensasjonen kan i likhet med tidligere beskrevne utførelser være selvregulerende eller manuelt justerbar. Den stiplede linjen mellom porten 10) i dybdekompensasjonsventilen og porten 9) indikerer trykkforbindelsen som må etableres mellom kammer II og for at den selvregulerende utførelsen av dybdekompensasjonsventilen skal kunne fungere. When assembling the accumulator, it is assumed that chamber II is open to the atmosphere via port 9) when the piston device is pushed into place. Further procedure is the same as for a first embodiment of the accumulator, so that chamber II is isolated in a compressed position, and thereby becomes virtually depressurized when it is expanded. This embodiment also includes a depth compensation valve (12) which is preferably arranged in the end cap 11) in the accumulator unit. The depth compensation can, like previously described versions, be self-regulating or manually adjustable. The dashed line between port 10) of the depth compensation valve and port 9) indicates the pressure connection that must be established between chamber II and for the self-regulating design of the depth compensation valve to function.
Drivmediet har trykket PS etter at det har passert gjennom dybdekompensasjonsventilen. Dette er gjeldende trykk både i kammer III og i kammer IV, og vil utøve en oppad rettet kraft FU mot stempelarrangementet gitt ved; The propellant has pressed PS after it has passed through the depth compensation valve. This is the current pressure both in chamber III and in chamber IV, and will exert an upwardly directed force FU against the piston arrangement given by;
FU = PS*A3+ PS*(A1-A2) = PS*(A1+A3-A2). FU = PS*A3+ PS*(A1-A2) = PS*(A1+A3-A2).
Kammer II vender mot en motsatt rettet trykkflate, men ettersom dette kammeret er tilnærmet trykkløst er motkraften fra dette kammeret ubetydelig. Dette innebærer at kraften FU i sin helhet overføres til hydraulikkvæsken i kammer I, som genererer en motkraft FD av størrelse Chamber II faces an oppositely directed pressure surface, but as this chamber is virtually pressureless, the counterforce from this chamber is negligible. This means that the force FU is transferred in its entirety to the hydraulic fluid in chamber I, which generates a counter force FD of magnitude
FD= PI*(A3-A2) , der PI er absoluttrykket som frembringes i kammer I. Kraft og motkraft vil være i likevekt, og følgelig gjelder; PS*(A1+A3-A2) = PI*(A3-A2) FD= PI*(A3-A2) , where PI is the absolute pressure produced in chamber I. Force and counterforce will be in equilibrium, and consequently applies; PS*(A1+A3-A2) = PI*(A3-A2)
Hydraulikktrykket PH defineres som hydraulikkvæskens overtrykk i forhold til omgivelsestrykket. Dvs. PH= PI-PAMB. Herav PH = PS*(1+A1/(A3-A2))-PAMBThe hydraulic pressure PH is defined as the excess pressure of the hydraulic fluid in relation to the ambient pressure. That is PH= PI-PAMB. Hence PH = PS*(1+A1/(A3-A2))-PAMB
For å gjøre en sammenlikning mellom hydraulisk kapasitet i denne utførelsen av akkumulatorenheten i forhold til den tidligere beskrevne utførelsen velges A3=2*A2. In order to make a comparison between hydraulic capacity in this design of the accumulator unit in relation to the previously described design, A3=2*A2 is selected.
Herav finnes PH = PS*((A1+A2)/A2)-PAMB. Effektivt tverrsnitt i kammer I er A3-A2 = A2. Vi setter stempelanordningens slaglengde L, og derved er den hydraulisk kapasiteten for denne akkumulatorenheten er gitt ved ; From this we find PH = PS*((A1+A2)/A2)-PAMB. Effective cross-section in chamber I is A3-A2 = A2. We set the piston device's stroke length L, and thereby the hydraulic capacity for this accumulator unit is given by ;
6. E = PH*A2*L = PS*(A1+A2)/A2)-PAMB)*A2*L 6. E = PH*A2*L = PS*(A1+A2)/A2)-PAMB)*A2*L
For den først beskrevne akkumulatorutførelsen gjelder formel 2 (side3); For the first described accumulator design, formula 2 (page 3) applies;
PH = PS*A1/A2 - PAMBPH = PS*A1/A2 - PAMB
Også i denne utførelsen har kammer I et tverrsnitt på A2. Følgelig erden hydrauliske kapasiteten for denne utførelsen gitt ved; 7. Also in this embodiment, chamber I has a cross-section of A2. Consequently, the earth hydraulic capacity for this design is given by; 7.
7. E = PH*A2*L = (PS*A1/A2 -PAMB)*A2*L 7. E = PH*A2*L = (PS*A1/A2 -PAMB)*A2*L
Vi ser av formel 6 og formel 7 at den sist beskrevne utførelse har større kapasitet enn den første når utførelsene er basert på samme stempeltverrsnitt A1. Begge utførelser er relevante, men fordelen med økt kapasitet må veies opp mot kompleksiteten. We see from formula 6 and formula 7 that the last described design has a greater capacity than the first when the designs are based on the same piston cross-section A1. Both versions are relevant, but the benefit of increased capacity must be weighed against the complexity.
Claims (4)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20190053A NO345576B1 (en) | 2018-11-12 | 2019-01-15 | an underwater-based accumulator system designed to generate hydraulic power |
PCT/IB2020/050297 WO2020148667A1 (en) | 2018-11-12 | 2020-01-15 | Accumulator |
EP20703515.5A EP3911862B1 (en) | 2018-11-12 | 2020-01-15 | Accumulator |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20181372 | 2018-11-12 | ||
NO20190053A NO345576B1 (en) | 2018-11-12 | 2019-01-15 | an underwater-based accumulator system designed to generate hydraulic power |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO20190053A1 true NO20190053A1 (en) | 2020-05-13 |
NO345576B1 NO345576B1 (en) | 2021-04-26 |
Family
ID=71095550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO20190053A NO345576B1 (en) | 2018-11-12 | 2019-01-15 | an underwater-based accumulator system designed to generate hydraulic power |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3911862B1 (en) |
NO (1) | NO345576B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NO20200308A1 (en) * | 2020-03-13 | 2021-09-14 | Obs Tech As | Depth compensable accumulator system |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015164314A1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-10-29 | Shell Oil Company | Subsea accumulator |
-
2019
- 2019-01-15 NO NO20190053A patent/NO345576B1/en unknown
-
2020
- 2020-01-15 EP EP20703515.5A patent/EP3911862B1/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015164314A1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-10-29 | Shell Oil Company | Subsea accumulator |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NO20200308A1 (en) * | 2020-03-13 | 2021-09-14 | Obs Tech As | Depth compensable accumulator system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3911862A1 (en) | 2021-11-24 |
EP3911862B1 (en) | 2023-01-11 |
NO345576B1 (en) | 2021-04-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8578970B2 (en) | Pressure-compensated accumulator bottle | |
US7424917B2 (en) | Subsea pressure compensation system | |
EP2109707B1 (en) | A method for recovering fluid from an underwater apparatus submerged in deep water | |
AU2010309768B2 (en) | Pressure intensifier system for subsea running tools | |
NO20101787A1 (en) | Underwater accumulator with difference in piston area | |
WO2005070001A2 (en) | Hermetically sealed pressure balanced accumulator | |
NO326166B1 (en) | Pressure accumulator to establish the necessary power to operate and operate external equipment, as well as the application thereof | |
NO333477B1 (en) | Interim storage chamber | |
US20130074687A1 (en) | Control of Underwater Actuators Using Ambient Pressure | |
NO20121487A1 (en) | Stretchers for riser with multiple capacity | |
WO2016133400A1 (en) | Seawater assisted accumulator | |
NO20190053A1 (en) | an underwater accumulator system designed to generate hydraulic power | |
NO309737B1 (en) | Device for an underwater system for controlling a hydraulic actuator and a system with such a device | |
EP3833869B1 (en) | Heat-driven pumping system | |
NO340558B1 (en) | Voidpumpe | |
NO20200308A1 (en) | Depth compensable accumulator system | |
CN105275414A (en) | Drill string heave compensation system | |
NO343020B1 (en) | An underwater hydraulic system that converts stored energy into hydraulic energy via the drive chambers of pumping devices. | |
WO2020148667A1 (en) | Accumulator | |
NO20161288A1 (en) | Method for efficient utilization of gas-based accumulators | |
US20130033041A1 (en) | Fluid displacement methods and resultant machines | |
NO333313B1 (en) | Electro-hydraulic actuator for valve maneuvering located on the seabed | |
NO20180426A1 (en) | Double-acting pump device based on reciprocating piston | |
NO344544B1 (en) | Multi ratio accumulator system. | |
NO328190B1 (en) | Underwater hydraulic system |