NO20200308A1 - Dybdekompenserbart akkumulatorsystem - Google Patents

Description

Akkumulatorsystem

Oppfinnelsens tekniske område

Oppfinnelsen vedrører et dybdekompenserbart akkumulatorsystem som er innrettet for å frembringe hydraulisk kraft til undervannsoperasjoner, og som består av en eller flere gassfrie akkumulatorenheter. En akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen har kun en bevegelig del, men et samvirke med en sjalteanordning muliggjør veksling mellom et stort antall modi slik at en og samme akkumulatorenheten kan konfigureres for generere et ønsket hydraulikktrykk på ethvert havdyp.

Bakgrunn for oppfinnelsen

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. Sammenliknet hydraulikksystemer basert på komprimert gass vil et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen kunne levere betydelig større mengder hydraulisk kraft i forhold til vekt/størrelse. Det oppnås også en vesentlig operasjonell fordel ved at systemet med enkle operasjoner kan konfigureres for en radikal endring av dybde uten å måtte trekkes opp til overflaten.

Et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen er særlig egnet til frembringelse av hydraulisk energi til operasjon av ”work-over completion systems”. Disse systemene benyttes til overhaling av oljebrønner som kan befinne seg på ethvert havdyp.

Kjent teknikk

Ulike ventilanordninger og aktuatorer som benyttes i undervannsbasert oljevirksomhet er for en stor del operert ved hjelp av hydraulisk trykk, idet materiellet er innrettet til å utnytte hydraulikkvæskens overtrykk relativt til omgivende trykk. Den hydrauliske kraften frembringes i dag fortrinnsvis ved at trykket i en komprimert gass overføres til hydraulikkvæsken 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.

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.

I de senere årene er det utviklet gassfrie konsepter for frembringelse av hydraulisk energi. Løsningen vist i WO 2015/154314 A anses å representere nærmeste kjente teknikk ved at den i likhet med angjeldende oppfinnelse er basert på å generere hydraulisk kraft ved at en forskyvbar stempelanordning frembringer hydraulisk kraft ved å utnytte trykkforskjellen mellom en væske som i utgangspunktet har samme trykk som det omgivende vann og trykket i et tilnærmet tomrom. Et konstruksjonsmessig trekk som særlig skiller angjeldende oppfinnelse fra kjent teknikk er at den omfatter en sjalteanordning som er innrettet til å samvirke med en forskyvbar stempelanordning slik at det etableres diverse ulike driftsmodi som hver især representerer et endret forhold mellom drivmediets trykk og det hydraulikktrykket som frembringes.

Angjeldende sjalteanordning kan på dette viset sjaltes mellom et antall driftsmodi, og som en følge av dette kan et akkumulatorsystem settes sammen av akkumulatorenheter som hver for seg kan utnytte energien i et tilført drivmedium effektivt til å levere hydraulisk energi som holder et forstilt trykknivå på ethvert havdyp.

Kort beskrivelse av tegningene

Virkemåten for akkumulatorenhetene og et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen beskrives i det følgende med henvisning til figurene 1 - 6, der

- Fig.1 viser et prinsippriss for en forenklet første utførelse av et akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen.

- Fig.2 viser et prinsippriss for en akkumulatorenhet som består av tre separate kamre

- Fig 3 viser et prinsippriss for en 6 kammers akkumulatorenhet med en enkel sjalteanordning

- Fig. 4 viser et riss av relevante utførelser av stempelanordningen

- Fig.5 viser et riss av et foretrukket utførelse av en trykkstabiliserende ventil

- Fig. 6 viser et tilnærmet komplett akkumulatorsystem ifølge oppfinnelsen

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Subsea basert hydraulikkutstyr har et nominelt operasjonstrykk som typisk kan være 345 bar over omgivende vanntrykk. Angjeldende akkumulatorsystem kan benyttes til å frembringe ethvert relevant hydraulikktrykk, men for enkelthets skyld er den videre beskrivelse basert på 345 bar leveringstrykk.

Fig.1 viser et riss av et forenklet hydraulikksystem som omfatter en akkumulatorenhet med 6 innvendige kamre. Drivmediet er lagret i et fleksibelt reservoar 14) og har derved tilnærmet samme trykk som det omgivende vann. Akkumulatorenheten består av et akkumulatorhus 1) med en aksialt forskyvbar stempelanordning 2-4) som adskiller 6 kamre (I–VI) med separate forbindelser til 6 porter 5-10) i akkumulatorhuset. Kammer I er i kontakt med stempelarrangementets største trykkflate, og betegnes som drivkammer, idet dette kammeret er i permanent åpen forbindelse med drivmediet via innløpsporten 5). Prinsipielt sett er drivkammeret det eneste kammeret som uansett driftsmodus er i åpen forbindelse med drivmediet. Av de øvrige fem kamrene er minst ett gjort tilnærmet trykkløst, mens de resterende er fylt med væske og er satt i åpen forbindelse med enten innløpsporten 5) eller med utløpsporten 11) som er anordnet på nevnte sjalteanordning 12).

Akkumulatorsystemet vil normalt omfatte en trykkstabiliserende ventil 20) som anordnes mellom nevnte reservoar og akkumulatorenheten(e), og er innrettet til å regulere tilførselen av drivmedium til akkumulatorenheten(e) slik at hydraulikktrykket holder ønsket nivå uavhengig av modus. En slik trykkstabiliserende ventil kan unnlates dersom akkumulatorenheten skal benyttes innenfor et begrenset dybdeintervall, ettersom det med bruk av 6 kamre vil være mulig å holde hydraulikktrykket innenfor eksempelvis 345 bar /- 10 %. Virkemåten for en foretrukket utførelse av en trykkstabiliserende ventil vil bli forklart senere med henvisning til fig. 5.

Hydraulikksystemet vil normalt omfatte en ladeanordning 21) for opprettholdelse av hydraulisk kapasitet. Denne omfatter i foretrukket utførelse en elektrisk drevet lavtrykkspumpe og en trykkforsterkende pumpe. Virkemåten for ladeanordningen vil bli forklart senere med henvisning til fig. 6.

Virkemåte for gassfri akkumulator

Virkemåten for en gassfri akkumulatorenhet forklares med henvisning til fig. 2 som viser et riss av en akkumulatorenhet med en stempelanordning 3,4) som adskiller tre separate kamre (I,II,VI) i akkumulatorhuset 1). Huset har en innløpsport 5) for tilførsel av et drivmedium, og en utløpsport 11) for avgivelse av trykksatt hydraulikkvæske. Stempelanordningen er sammensatt av en stempelstang 3) med tverrsnitt A2 og et stempel 4) med trykkflate A1, og samvirker med to glidetetninger 2,5) som hindrer lekkasje mellom de tre kamrene (I,II,VI).

Kammer I betegnes som drivkammer, og har kontakt med stempelanordningens største trykkflate og med innløpsporten 5). Drivmediet føres inn i drivkammeret I med et trykk PD ≤ PAMB, der PAMB defineres som omgivende vanntrykk. Drivmediet vil følgelig skape en kraft FS = PD*A1 mot stempelanordningen. Denne kraften søker å presse stempelanordningen i retning vekk fra innløpet 5), og genererer tilsvarende store motkrefter i kamrene I og II. Motkraften fra kammer II er ubetydelig fordi dette kammeret er gjort tilnærmet trykkløst. Dette er fortrinnsvis oppnådd ved at porten 6) er blindet av etter at stempelanordningen er presset opp mot posisjonen der volumet av kammer I er tilnærmet null. Friksjonen i glidetetningene 15,16) anses i denne sammenheng som ubetydelige, slik at FS tilnærmet fullt ut kan utnyttes til å trykksette hydraulikkvæsken i kammer VI. Kraftbalansen de aksiale krefter som påvirker stempelanordningen er således gitt ved;

1) PD*A1 = PH*A2 = FS eller PH = A1/A2*PD

der PH er hydraulikkvæskens absoluttrykk

Vi definerer akkumulatorenhets forsterkningsfaktor K som forholdet mellom hydraulikktrykket PH som frembringes og drivtrykket PD som frembringer det.

Herav; K = PH/PD,

Av likning 1) fremgår at forsterkningsfaktoren for angjeldende akkumulator enhet er K = A1/A2. Likning 1 kan derved omformes til;

PH= PH + PD= PD*K eller 2) PH = K*PD -PAMB

der PH er hydraulikkvæskens overtrykk i forhold til det omgivende vanntrykk

I følgende regneeksempel tar vi som utgangspunkt at denne akkumulatorenheten skal anordnes på 500 meters dyp, og at den der skal kunne drifte hydraulisk utstyr som har nominelt operasjonstrykk på 345 bar. Vi ønsker at akkumulatorenheten kan generere et hydraulikktrykk på 345 bar på 500 meters dyp.

De videre beregningene er forenklet ved at atmosfærisk trykk er satt lik 1 bara = 1 kp/cm<2>, og ved at trykkøkningen pr 10 meter vanndyp er satt lik 1 bar. I disse beregningene betraktes tetningsringenes friksjon som neglisjerbar.

Ved innsetting i likning 2) finner vi; 345bar = K*PAMB -PAMB

der PAMB = 51 bara . Herav finnes K = 7,76. .

Dersom en akkumulatorenhet med forsterkningsfaktor 7,76 senkes til eksempelvis 800 msw, vil PD= PAMB frembringe et absolutt hydraulikktrykk PH = 81*7,76 bara = 628,5 bara – som tilsvarer 547.5 bar over PAMB. Vi ser altså at forutsetningen for å kunne basere seg på denne type akkumulatorenheter på store dyp er man avhengig av en trykkreduserende ventil som senke drivmediets trykk ned til et nivå som er til dels betydelig lavere enn PAMB. Som eksempel må drivmediets trykk senkes fra PAMB = 101 bar til PD= 57,5 bar dersom hydraulikktrykket fortsatt skal være 345 bar (over PAMB) på 1000 msw. Dette er ikke gunstig to årsaker. Den ene er at det å måtte senke drivtrykket betydelig i forhold til PAMB representerer et uønsket stort tap av energi, og den andre er at stort trykkfall gir større påkjenninger på trykkreguleringsventilen som skal opprettholde et stabilt hydraulikktrykk.

Virkemåte og egenskaper for et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen

En akkumulatorenhet ifølge oppfinnelsen er basert på at den forskyvbare stempelanordningen utformes slik at det fortrinnsvis avgrenses 6 kamre, idet alle disse kamrene - med unntak av drivkammeret I - prinsipielt sett kan sjaltes mellom tre tilstander der de enten blir gjort trykkløse, blir satt i åpen forbindelse med innløpssporten 5) eller blir satt i åpen forbindelse med utløpsporten 11). For den videre beskrivelse av oppfinnelsen henvises til fig. 3 som viser et forstørret riss av en akkumulatorenhet med 6 kamre (I-VI).

Stempelanordningen 2,3,4) består av en hul stempelstang 3) og to stempler 2,4).

Hulrommet er sylinderformet, er anordnet aksialt i stempelstangen og samvirker med en stang 19) som er fast montert til huset 1), Stangen 19) har en sylindrisk utvekst 18) som er påmontert en glidetetning slik at hulrommet adskilles lekkasjefritt i to kamre III,IV ). Stempelanordningen adskiller ved denne utførelsen 6 separate kamre, hvorav 4 kamre (I,II,V,VI) har kontakt med trykkarealer på stempelanordningens utside, og 2 kamre (III,IV) har kontakt med trykkarealer på stempelarrangementets innside. Samtlige kamre har separat åpen forbindelse til en av de 6 portene 5-10) i akkumulatorhuset, og fra disse portene er det rørforbindelser til sjalteanordningen 12) som har til oppgave å kunne frembringe enhver ønsket kopling av kamrene.

Tre av kamrene (II,III, VI) har kontakt med trykkarealer som vender vekk fra innløpsporten 5), og trykksetting av disse kamrene frembringer krefter som søker å presse stempelanordningen i retning mot porten 6). Tilsvarende har tre av kamrene (I,IV,V) kontakt med trykkarealer på stempelarrangementet som er rettet mot innløpsporten 5), og trykksetting av disse frembringer krefter som søker å presse stempelarrangementet i retning vekk fra innløpsporten 5).

Trykkarealene for de 6 kamrene (I-IV) betegnes AI–AVI og er definert ved de sirkulære tverrsnittene A1 – A5 som følger;

AI =A1, AII= A1-A2, AIII= A3, AIV= A3-A4, AV = A5-A2, AVI = A5-A4

Tilsvarende betegnes trykket i de seks kamrene som PI, PII, PIII, PIV, PV og PVI.

Ettersom kreftene som påvirker stempelarrangementet i aksial retning må være i likevekt kan det settes opp følgende likevektslikning basert på absoluttrykk;

3) PI*AI + PIV*AIV +PV*AV = PII*AII +PIII*AIII + PVI*AVI

Kammer I er drivkammer, og vil alltid ha trykket PD, mens de øvrige 5 kamrene i prinsippet kan veksle mellom hhv. å være gjort trykkløse, være koplet opp innløpsporten 5) eller være koplet opp mot utløpsporten 11) for hydraulikkvæsken.

Det er et stort antall koplingsalternativer for de fem kamrene II-VI, men følgende betingelser må være oppfylt for at akkumulatorenheten skal kunne generere hydraulisk energi;

- Kammeret som har kontakt med det største trykkarealet på stempelarrangementet må fungere som drivkammer og ha åpen forbindelse til drivvæsken

- Minst ett av kamrene som er i kontakt med trykkflate som er motsatt rettet av den største trykkflaten på stempelarrangementet må ha lavt trykk (være tilnærmet trykkløst)

- Minst ett av kamrene som er i kontakt med trykkflate som er motsatt rettet av den største trykkflaten på stempelarrangementet må ha åpen forbindelse til utløpsporten 11).

Virkemåten for en gassfri akkumulatorenhet med 6 kamre er prinsipielt sett den samme som for en akkumulator med tre kamre. Forskjellen er at etablering av seks kamre gir mange kombinasjonsmuligheter både mht. størrelsen på resultantkraften som drivmediets trykk frembringer mot stempelanordningen i retning vekk fra innløpsporten 5) og mht. størrelsen og retningen på arealene som utnytter den overførte kraften til å trykksette den hydrauliske væsken. De frembrakte modiene, representert ved hvert av de valgte koplingssoppsettene, vil alle kunne besørge en effektiv overføring av energi fra drivmediet til hydraulikkvæsken. Forholdet mellom tilført mengde drivmedium og mengde hydraulikkvæske som avgis er entydig bestemt av den valgte forsterkningsfaktor. Det er således ønskelig å finne fram til et sett av moduser som kombinerer stort opptak av drivmedium med forsterkningsfaktorer som setter den enkelte akkumulatorenhet i stand til å kunne operere den enkelte akkumulatorenheten over et over et bredest mulig dybdeintervall. Dette illustreres ved tabell 1 og tabell 2 som viser egenskapene til en akkumulatorenhet med en utførelse i samsvar riss av akkumulatorenheten som vises i fig. 3. Det er valgt følgende innbyrdes dimensjonering;

A2 = 0,37*A1 A3 = 0,23*A1 A4 = 0,082*A1 A5= 0,54 A6 = 0,14*A1

Tabellene er basert på kun en liten del av kombinasjonsmulighetene ettersom kammer II blir holdt trykkløst i alle modi, kamrene III,IV og VI kun veksles mellom å være koplet mot innløpsporten 5) eller utløpsporten 11), og kammer VI kun veksler mellom å være koplet mot utløpsporten 11) eller å gjort trykkløs. For å oppnå disse kombinasjonene trengs det 4 stk. toveis ventiler som i realiteten gir 24 = 16 koplingsmuligheter. Av disse 16 koplingsalternativene er 10 koplingsmuligheter brukbare for formålet, mens de resterende 6 ikke er egnet til frembringelse av hydraulisk kraft. I tabell 1 og tabell 2 har vi valgt ut de 7 koplingsalternativene som anses best egnet under de gitte forutsetninger.

Rubrikken ”Volum” angir hvor mange liter hydraulikkvæske med PH = 345 bar som kan avgis i de respektive modi for en akkumulatorenhet som har slaglengde 100 cm og der A1 er valgt lik 314 cm2 (tilsvarende Ø=200 mm). Vi ser at akkumulatorenheten kan avgi 4,7 liter med koplingsalternativet som gir forsterkningsfaktor =7,8. Dette er ca 18 % mer enn man kan oppnå med en tre kammers akkumulatorenhet med den samme forsterkningsfaktor og samme stempeldiameter og slaglengde. Årsaken til denne økte utnyttelsen er at kamrene IV og V bidrar til økt utnyttelse av drivmediet.

I tabell 2 angis største og minste dybde. Minste dybde defineres som dybden der PD = PAMB frembringer PH=345 bar. Største dybde defineres som dybden hvor forsterkningsfaktoren som angis i neste kolonne frembringer PH = 345 bar når PD settes lik PAMB.

Største ∆P angir trykkfallet som den trykkstabiliserende ventilen må frembringe på ”største dybde” for å opprettholde PH = 345 bar.

Tabell 2 viser at en akkumulatorenhet iht. den gitte dimensjoneringen vil kunne frembringe et ønsket hydraulikktrykk fra typisk 500 msw til drøyt 4000 msw ved hjelp av en sjalteordning som omfatter fire toveisventiler.

Tabell 1

Tabell 2

I fig 3 er er innbyrdes dimensjonering i de viste rissene av akkumulatorenheter med 6 kamrene i samsvar med data som angis i tabell 1 og 2.

Fig. 4 a-e) viser alternative utførelser mht. stempelanordning 2-4) og stang (18,19). Fig. 4 a) viser en utførelse med 4 kamre. Fig. 4b) og 4c) viser utførelser basert på 5 kamre. Fig d) og e) viser utførelser basert på 6 kamre. Valg av utførelse velges ut fra hvordan akkumulatorsystemet skal fungere. Skal det brukes i work-over systemer vil man normalt velge en 6 kammer løsning for å kunne frembringe et ønsket hydraulikktrykk over et stort dybdeintervall. Skal hydraulikksystemet benyttes til operasjon av en BOP kan en fire - eller femkammers løsning være mer fordelaktig.

Virkemåten for en trykkstabiliserende ventil ifølge oppfinnelsen

Fig. 5 a-c viser ulike riss av en trykkstabiliserende ventil i foretrukket utførelse.

Ventilen omfatter et hus 24) med et innløp 42) og et utløp 28), og er innrettet til å styre tilførselen av drivmedium til akkumulatorenhetens innløpsport (5) ved at strømningstverrsnittet gjennom ventilen endres ved forskyvning av et aksialt anordnet første ventillegeme (27) i forhold til en ringformet tetningsflate(28). Ventillegemets forskyvning frembringes ved samvirke med et trykkavfølende element (32) som avføler forskjellen mellom hydraulikkvæsken trykk og det omgivende trykk PAMB. Dette oppnås ved at det er etablert rørforbindelser mellom utløpsporten 11) og porten 34) i ventilhuset, og en tilsvarende forbindelse mellom en linje som er forbundet med reservoaret 14) og porten 30).

I fig. 5a) er den trykkstabiliserende ventilen holdt i lukket posisjon ved at det første ventillegemet 27) er presset mot setet 28). Dette ventillegeme er forskyvbart i en trang føring i en hylse 25) som er anordnet aksialt i huset 24). Det første ventillegemet 27) utgjør derved en forskyvbar endevegg, idet dette kammeret får tilført drivfluid fra innløpet 42) via en trang kanal 41), og kan avgi drivfluid til utløpet 29) ved at et andre aksialt anordnet ventillegeme 36) forskyves vekk fra et sete 37) som er anordnet i det første ventillegemet 27). Dette andre ventillegeme er forskyvbart kun et lite stykke vekk fra setet 37) før det treffer innsiden av det første ventillegemet, slik at en videre forskyvning i retning vekk fra setet 37) vil medføre et det første ventillegemet forskyves i retning vekk fra setet 28). Når det andre ventillegemet tetter mot setet 33) vil trykket i kammer VII være PAMB, og det første ventillegemet presses ned mot setet 28) av spennet fra en fjær 41) samt av trykkforskjellen mellom innløpet 42) og utløpet 29). Ettersom det andre ventillegemet typisk vil ha en diameter av størrelse 40 mm vil det i utgangspunktet kreves en betydelig kraft for å presse det første ventillegemet vekk fra setet 28). Ved at det andre ventillegemet presses vekk fra setet 37) åpnes det for avgivelse av væske fra kammer VII til utløpet 29). Den trange kanalen 41) kan bare sørge for beskjeden etterfylling, og derved vil kraften som søker å presse det første ventillegemet mot setet 28) typisk kunne reduseres med 90 %. Dette fører til at reguleringsprosessen blir vesentlig mer presis.

Den trykkstabiliserende ventilen vil typisk være forsynt med en fjærpakke som gjør at det trykkavfølende elementet forskyves 13 mm i retning mot innløpet 42) dersom avfølt trykk faller 30 bar i forhold til et ønsket trykk, idet det første ventillegemet fortrinnsvis vil være dimensjonert slik at en slik forskyvning endrer strømningstverrsnittet fra null til en åpning tilsvarende Ø35. Man kan eksempelvis velge at den trykkstabiliserende ventilen går i fullt åpen posisjon hvis hydraulikktrykket har falt til 320 bar, og går mot helt stengt posisjon hvis hydraulikktrykket stiger opp mot 350 bar.

Opprettholdelse av hydraulisk kapasitet

Et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen vil normalt være basert på bruk av en ikke -smørende væske benyttes både som drivmedium og som hydraulikkvæske, idet denne væsken resirkuleres i et lukket kretsløp. I en foretrukket utførelse er hydraulikksystemet permanent trykksatt, slik at det kreves kun åpning av en ventil mellom utløpsporten 13) og hydraulikkutstyret som skal aktiviseres. Følgelig er det ønskelig at forbrukt hydraulisk kapasitet skal kunne gjenvinnes/vedlikeholdes mens akkumulatorsystem er trykksatt, og at gjenvinningsprosessen har minst mulig effekt på det hydrauliske trykket som blir generert.

Et ladesystem ifølge oppfinnelsen er basert på at hydraulisk kapasitet gjenvinnes ved et samvirke mellom to pumpetyper som begge er kommersielt tilgjengelige; En elektrisk drevet subsea pumpe 22) som er designet for å kunne øke trykket i ikke-smørende væsker og en intensifier pumpe 43). Sistnevnte er fortrinnsvis er basert på norsk patent 344418. Ladeprosessen baseres på det er anordnet en ikke vist posisjonsindikator som er innrettet på å aktivere ladesystemet når en eller flere stempelanordningene har blitt forskjøvet et gitt stykke som følge av noe hydraulisk kapasitet er forbrukt. Ladesystemet skal deaktiveres når indikatorene gir signal om at hydraulikksystemet igjen har full kapasitet. Denne type funksjon anses som kjent teknologi.

Aktivisering av ladessystemet innebærer at den elektrisk drevne pumpen starter med å suge væske fra drivkammeret via røret som forbinder den trykkstabiliserende ventilen 20) med innløpsporten 5), samtidig med at intensifierpumpen begynner å presse væske tilbake til akkumulatorenhetenes hydraulikkamre via utløpsporten 11). Det vil kun bli krevet en beskjeden økning i trykket ved utløpsporten 11) for at væske skal bli presset tilbake til akkumulatorkamrene, da under den forutsetning av at væskemengden som pumpes ut fra akkumulatorenhetens drivkamre tilstrekkelig stor i forhold til mengden væske som søkes presset inn i hydraulikkamrene. Dette illustreres ved følgende regneeksempel;

Eksemplet tar som utgangspunkt at akkumulatorenhetene skal genererer hydraulisk kraft på 600 meters dybde, og at de er konfigurert med forsterkningsfaktor 7,8 (jfr. tabell 2). I denne situasjonen er det kammer III som fungerer som hydraulikkammer Når forsterkningsfaktoren er satt til 7,8 betyr det at det må fjernes 7,8 liter væske fra drivkammeret for hver liter væske som presses tilbake til kammer III.

Ladefunksjonen er basert på at væske som den elektrisk drevne pumpen fjerner fra drivkammeret blir trykksatt i tilstrekkelig grad til at den kan fungere som drivmedium for intensifierpumpen, idet vi velger å basere ladesystemet på en intensifier pumpe 43) med forsterkningsfaktor 8. Det innebærer at 8 liter væske som fjernes fra drivkammeret vil kunne benyttes av intensifierpumpen til å øke trykket på 1 liter væske som opptas fra reservoaret 14) via innløpet 46) ï tilstrekkelig grad til at denne væsken kan presses inn i kammer III via utløpsporten 11). Under disse betingelsene vil det bli fjernet 0,2 liter væske mer enn det som trengs for at kammer III skal kunne motta 1 liter væske. Følgelig vil trykket i drivkammeret falle slik at den trykkregulerende ventilen åpner og kompenserer for dette volumet.

En relevant type elektrisk dreven pumpen kan typisk ha kapasitet til å pumpe 40 liter væske pr minutt. En intensifierpumpe med forsterkningsfaktor 8 vil i så fall kunne pumpe 5 liter væske pr minutt tilbake til akkumulatorenhetene. Vi antar som eksempel at den trykkstabiliserende ventilen er innrettet for å opprettholde et hydraulikktrykk på 345 bar. Vi antar videre at intensifierpumpa må generere et væsketrykk som er 15 bar høyere – dvs. 360 bar – for å få presset væske tilbake til akkumulatorenhetene.

Ettersom intensifierpumpen har forsterkningsfaktoren 8 vil den da kreve et drivtrykk på anslagsvis 360 bar/8 = 45 bar (over omgivende vanntrykk). Basert på tabell 2 vil den trykkompenserende ventilen under de gitte betingelsene være innrettet på skape et trykkfall ∆P = 18,7 bar*(61-51)/(86,9-51) = 5,2 bar. Det betyr at den elektrisk drevne pumpen vil øke trykket på væsken som suges ut fra drivkammeret fra ca PAMB – 5,2 bar til PAMB+ 45 bar. Ladesystemet er selvregulerende i den forstand at den selv regulerer trykket inn til intensifierpumpens innløp 44) til det nivået som kreves for å lade akkumulatorenhetene.

Vi tenker oss så at hydraulikksystemet skal lades mens det er plassert på 1500 meters dyp. Basert på tabell 2 skal akkumulatorenhetens da være konfigurert for en forsterkningsfaktor 3,76. Når ladesystemet aktiviseres vil den elektrisk drevne pumpen begynne å pumpe 40 liter pr minutt fra drivkamrene, med den følge at intensifierpumpen lader akkumulatorenhetene med 5 liter pr minutt. I denne situasjonen vil mengden som må fjernes fra drivkamrene være 5 liter/min.* 3,76 = 18,8 liter/min.. Ettersom den elektrisk drevne pumpen fjerner 40 liter/minutt vil den trykkstabiliserende ventilen i denne situasjonen kompensere for dette ved å besørge væsketilførsel til drivkamrene av størrelse 21,2 liter/min.

Effekt av lekkasje i glidetetninger

Et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen vil ha en viss væskelekkasje inn kamrene som blir gjort trykkløse mot via de ulike glidetetninger. Denne lekkasjen vil normalt være liten, og ikke å påvirke hydraulikksystemets kapasitet eller funksjon i nevneverdig grad med mindre systemet holdes trykksatt over lang tid. Det kan imidlertid være ønskelig å ha mulighet til å kunne fjerne væske fra disse kamrene. I figur 6 indikeres at akkumulatorenhetene er orientert slik at eventuell væske i de tilnærmet trykkløse kamrene gis mulighet til å renne ned til en lavtliggende tank 23). Denne tanken vil kunne forsynes med en innbygget, enkeltvirkende pumpe som kan aktiviseres ved åpning av ventilen 48) og pumpe mottatt væske tilbale til reservoaret 14). Dette kan løses på ulike måter ved hjelp av kjent teknikk og vil ikke bli ikke nærmere beskrevet.

Claims (6)

Krav

1. Et undervannsbasert, dybdekompenserbart akkumulatorsystem som består av minst en akkumulatorenhet i samvirke med en sjalteanordning (12), idet akkumulatorenheten omfatter en aksialt forskyvbar stempelanordning (2-4) som avgrenser et antall kamre (I-VI) og som er innrettet til å frembringe et ønsket trykk på hydraulikkvæske som er lagret i akkumulatorenheten ved å utnytte et tilført drivmediums overtrykk i forhold til ett eller flere kamre tilnærmet trykkløse kamre i akkumulatorenheten, k a r a k t e r i s e r t v e d a t

- akkumulatorenheten består av et akkumulatorhus (1) med lekkasjefrie sylindriske føringer for stempelanordningen (2-4) som avgrenser et

antall innvendige kamre (I-VI) i akkumulatorhuset, hvorav

- et kammer (I) som vender mot stempelanordningens største trykkflate er åpen mot innporten (5) for tilførsel av drivmediet - i det minste ett kammer som har kontakt med trykkflate som er rettet motsatt i av stempelanordningens største trykkflate, er gjort tilnærmet trykkløst,

- i det minste ett kammer som har kontakt med trykkflate som er rettet motsatt i av stempelanordningens største trykkflate har åpen forbindelse med et utløp(11) for hydraulikkvæsken som er anordnet på sjalteanordningen (12),

- sjalteanordningen (12) har en utport (11) for avgivelse av hydraulisk væske, og omfatter solenoide styrte, hydrauliske eller mekanisk opererte sjalteventiler som via portene (5-10) i akkumulatorhuset (1) er tilkoplet hver enkelt av de kamrene slik at det er mulig å gjennomføre et ønsket skifte mht. hvilke som skal gjøres trykkløse og hvilke som skal koples opp mot hhv. innløpsporten 5) resp. utløpsporten (11)

2. Et undervannsbasert akkumulatorsystem ifølge krav 1 eller 2, k a r a k t er i s e r t v e d at stempelanordningens stempelstang (3) har et aksialt anordnet sylindrisk hulrom som danner føring for en stang (18,19) som har minst en fast tilkopling til akkumulatorhuset (1), som er påmontert en lekkasjefri glidetetning (18) og som er ført inn i nevnte hulrom via minst en gjennomføring i stempelstangen (3) slik at det inne i denne fremkommer et eller to kamre (III,IV) som er lekkasjefritt adskilt fra akkumulatorhusets øvrige kamre (I,II,V,VI) og som er forbundet med porter (8,9) i akkumulatorhuset via kanaler i stangen (18,19).

3. Et undervannsbasert akkumulatorsystem ifølge krav 1, k a r a k t er i s e r t v e d at stempelanordningen (2,4,5) samvirker med lekkasjefrie føringer i akkumulatorhuset slik at det adskilles tre eller fire lekkasjefritt adskilte kamre (I-IV) som har separate forbindelser til porter (5,6,7,10) i akkumulatorhuset (1).

4. Et undervannsbasert akkumulatorsystem ifølge krav 1, k a r a k t er i s e r t v e d at drivmediet tilføres fra et fleksibelt reservoar (14) som inneholder væske med tilnærmet omgivelsestrykk, og at det mellom utløpet fra dette reservoaret og akkumulatorenhetens innløp (5) er anordnet en trykkstabiliserende ventil (23) som avføler trykket ved sjalteanordningens (12) utløp (11) og som er innrettet til å regulere tilførselen av drivmedium til kammer I via innløpsporten 5) slik hydraulikktrykket ved utløpet (11) opprettholdes på et fast, forstilt nivå

5. Et undervannsbasert akkumulatorsystem ifølge krav 1, k a r a k t er i s e r t v e d at den trykkstabiliserende ventilen (23) er innrettet til å styre tilførselen av drivmedium til akkumulatorenhetens innløpsport (5) ved å forskyve et aksialt anordnet første ventillegeme (26) i forhold til et ringformet sete (27) og således variere strømningstverrsnittet for drivmedium som blir ledet fra et innløp (42) til et utløp (28) i ventilhuset (24), idet ventillegemets forskyvning frembringes i samvirke med et trykkavfølende element (32) som avføler forskjellen mellom hydraulikkvæsken trykk ved utløpsporten (11) og det omgivende vanntrykk, og som er forspent i retning mot innløpet (39) av en fjær (31) slik at det trykkavfølende elementet (32) har en definert posisjon når avfølt hydraulikktrykk samsvarer med ønsket nivå, idet ventilanordningen også omfatter;

- en hylse som (25) som er som er anordnet aksialt i ventilhuset (1) og som har en trang innvendig føring for det første ventillegemet (26) slik at det fremkommer et kammer (VII) der ventillegemet utgjør en forskyvbar endevegg, idet dette kammeret forsynes med fluid fra innløpet (39) via en trang kanel (38)

- et andre ventillegeme som er begrenset aksialt forskyvbart i forhold til et sete (34) som er anordnet i det første ventillegemet, slik at det en

forskyvning av det andre ventillegemet vekk fra setet (34) frembringer

en lekkasje av væske fra kammer VII som medfører at trykket i kammeret faller til en brøkdel av trykket ved innløpet (39), og slik at en videre forskyvning av det andre ventillegemet i samme retning vil forskyve det første ventillegemet (26) i samme retning

- en første (33) og en andre (35), og en tredje (26) glidetetning, der

- den første glidetetningen er innrettet til å forhindre lekkasje mellom trykkavfølingskammeret VIII og kammer IX som holder trykket

PAMB ,

- den andre glidetetningen er innrettet på å forhindre lekkasje mellom trykkavfølingskammeret VIII og utløpet (29)

- den tredje (26) ) er innrettet til å begrense uønsket lekkasje inn i kammer VII.

6. Et undervannsbasert akkumulatorsystem ifølge krav 1, k a r a k t er i s e r t v e d at det omfatter et ladesystem som består av en elektrisk drevet pumpe (22) og en intensifierpumpe (43) som samvirker ved at den elektrisk drevne pumpen er innrettet for å kunne pumpe ut væske fra drivkamrene på angjeldende akkumulatorenhet og frembringe en trykkøkning på denne væsken og benytte den som drivmedium for nevnte intensifierpumpe, idet intensifierpumpen har en forsterkningsfaktor som er høyere enn akkumulatorenhetenes forsterkningsfaktor og er innrettet for å benytte dette drivmediet til å forsterke trykket på væske som intensifierpumpen opptar fra reservoaret 14) via innløpet 46) for å derved å kunne presse denne væsken fra intensifierpumpens utløp 47) og videre inn i akkumulatorenhetene via utløpsporten (11) i sjalteanordningen (12),