NO324577B1 - Trykk- og lekkasjekontroll i roterende utstyr for undervannskompresjon - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse definerer en undervannskompresjonsmodul med en elektrisk motor (1) i et første trykkhus for trykksetting med et trykk (Pm) og en kompressor (3) i et annet trykkhus med et sugetrykk (Pl). Et tredje mellomliggende trykkhus (2) er anordnet mellom motoren (1) og kompressoren (3), og en tetning (Tl) for utgangsakselen for motoren tetter mellom trykkhuset for motoren og det tredje mellomliggende trykkhus. En tetning (T2) for inngangsakselen for kompressoren (3) tetter mellom det mellomliggende trykkhus (2) og kompressoren (3). En forbindelse K er anordnet mellom motoren (1) og kompressoren (3) i det tredje mellomliggende trykkhus (2). En fremgangsmåte for opprettholdelse av en kontrollert omgivelse for en undervannskompresjonsmodul er også tilveiebrakt.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et undervannskompresjonssystem for trykk-økning i brønnfluid ved komprimering av hydrokarbongasser og pumping av hydrokarbonvæsker. Mer bestemt vedrører oppfinnelsen hvordan interne lekkasjer i kompresjonsmodulen bør håndteres for å sørge for en passende omgivelse for de forskjellige komponenter, og hvordan man sørger for at ingen kontaminasjon lekker fra modulen inn i omgivelsene på utsiden av kompresjonsmodulen eller systemet, eller bygges opp inne i komponentene.

Systemet er særlig utviklet for dypvanns kompresjonsstasjoner.

Et offshore gassfelt kan utbygges med havbunnsinnstallasjoner, som er tilknyttet terminaler på land eller til en eksisterende plattform. Havbunnsinstallasjonen omfatter én eller flere produksjonsbrønnrammer, hvor hver brønnramme produserer brønnfluider gjennom manifoldsamlerør, som er forbundet til én eller flere rørledninger. Rørledningene transporterer brønnfluider til en terminal på land, en offshoreplattform eller et hvilket som helst annet mottaksanlegg for videre prosessering. Prosessert gass og kondensat eksporteres til markedet. Én eller flere navlestrenger for elektrisk kraft, styring og tilførsel av hjelpestoffer installeres fra mottaksanlegget til undervannsinstallasjonen.

For den initiale produksjonsfase kan brønnfluider strømme inne i mottaksanlegget ved hjelp av reservoartrykket. Senere i produksjonsfasen eller ved oppstart av produksjonen, er trykkøkning i brønnfluidet påkrevet for å opprettholde produksjonsnivået og for å utvinne de forventede volumer av gass og kondensat. Dette kan utføres ved hjelp av en undervannskompressorsammenstilling.

Undervannskompressorer for dette formål med elektriske motorer som krever en tørr omgivelse, og som anvender et trykksatt, gassfylt motorhus, er for eksempel offentliggjort i norsk patent nr 172075, NO 173197, norsk patentsøknad nr 2001 5199 så vel som norsk patentsøknad nr 2003 3034.

Disse publikasjoner offentliggjør anvendelsen av gassfylte elektriske motorer hvor unngåelse av korrosjon og andre problemer som er relatert til separasjon av hydrokarbonkondensat og vann i væskeform i motoren er tatt i betraktning.

US 3999897 viser en pumpe eller en kompressor båret av et fluidisolert, væskesmurt thrustlager. Formålet med løsningen i dette patentet er å beskytte gassen som føres av kompressoren mot kontakt med andre gasser eller skadelige bestanddeler. Videre synes det å være et formål å kunne drive en kompressor ved lite tap på grunn av lagerfriksjon og å unngå kontakt mellom den førte gassen og et smøremiddel. Videre synes det å være et problem å tilveiebringe en gass og væskesmurt innretning for å bære en rotor for en kompressor på mer enn 500 kW. Dette løses med en maskin med en rotor og en impeller. Rotoren og impelleren (rotoren tilsvarer motoren) er plassert i et gasstett hus. En aksling forbinder disse komponentene.

Norsk patentsøknad 2003 3034 beskriver en gasskompressormodul med trykkhus. Modulen inkluderer en elektrisk motor og en kompressor som er forbundet med minst én aksel. Kompressoren og motoren er isolert ved hjelp av minst én tetning. Akselen bæres av magnetiske lågere. Søknaden beskriver regulering av volum og trykk for gassen som strømmer i motoren, og anvendelse av en forsyning av tørr hydrokarbongass. Ytterligere midler for avføling av trykket i innløpet og utløpet er beskrevet, hvorved basert på det målte trykk, trykk- og volumregulatoren regulerer trykket i gassen fra forsyningen for injeksjon inn i motorhuset.

Søknaden tar imidlertid ikke i betraktning hvordan man skal håndtere gassen som lekker ut rundt akselen for motoren og akselen for kompressoren, og det er følgelig et behov for en anordning hvor disse lekkasjer kan tas hånd om på en miljøvennlig måte. Videre er det en hensikt med oppfinnelsen å tillate strøm ut gjennom tetningene rundt inngangsakselen for kompressoren, og hindre denne strømmen i å komme inn i motorhuset, for eksempel gjennom tetningene rundt utgangsakselen for motoren. Enda en annen hensikt med oppfinnelsen er å hindre de fluider som lekker ut av tetningene for å samles opp, eller å bygge opp et trykk med en mulig konsekvens at fluidene lekker tilbake inn i komponentene.

Dette oppnås med systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse som tilveiebringer en undervannskompresjonsmodul med en elektrisk motor med en utgangsaksel med en tetning T1 i et første trykkhus med et trykk Pm, en kompressor med en inngangsaksel og en tetning 12 for inngangsakselen i et annet trykkhus med et sugetrykk P1 og en trykkregulator. Et tredje mellomliggende trykkhus er plassert mellom motoren og kompressoren. Tetningen T1 for utgangsakselen for motoren tetter mellom det første trykkhus og det tredje mellomliggende trykkhus. Tetningen T2 for inngangsakselen for kompressoren tetter mellom det mellomliggende trykkhus og det annet trykkhus. Det mellomliggende trykkhus inkluderer en fluidforbindelse L4. En trykksensor for overvåking av trykket i det mellomliggende trykkhus er i forbindelse med huset 2. Trykkregulatoren er tilpasset til å sørge for at trykket Pk i det mellomliggende trykkhus er lavere enn trykket Pm i det første trykkhus og høyere enn sugetrykket P1 for kompressoren. Akselen for motoren og akselen for kompressoren er forbundet med en forbindelse i det tredje mellomliggende trykkhus.

Fluidforbindelsen i det mellomliggende trykkhus kan kommunisere med gassforbindelsene på lavtrykkssiden av kompressoren, slik at fluidforbindelsen for det mellomliggende trykkhus er i forbindelse med gassforbindelsene på sugesiden av kompressoren og/eller en væskeutskiller oppstrøms for innløpet til kompressoren.

En tilførselsledning med en trykksatt gass fra en væskeseparator kan tilføre trykket til motorens trykkhus. En avtappingsledning kan forbinde koplingen eller det mellomliggende trykkhus med væskeseparatoren/væskeutskilleren. En trykkontroller eller en trykkregulator i forbindelse med tilførselsledningen kan opprettholde trykket Pm i motoren eller det første trykkhus. Trykket i tilførsels-ledningen kan være likt eller høyere enn det nødvendige trykk Pm i det første hus. Trykkregulatoren kan være plassert mellom tilførselsledningen og en innløps-ledning til det første trykkhus for regulering av trykket Pm i gassen fra tilførselsledningen til det første trykkhus.

Det mellomliggende trykkhus kan være forbundet til innløpsfluidseparatoren eller væskeutskilleren for gjeninnføring av fluidet fra det mellomliggende trykkhus.

Trykket i det første trykkhus Pm kan reguleres til å være høyere enn trykket Pm i innløpsfluidseparatoren.

En trykkregulator kan regulere trykket Pm for å sørge for at det er høyere enn innløpstrykket P1 for kompressoren og trykket Pk i det mellomliggende trykkhus.

Videre oppnås formålet med oppfinnelsen med en fremgangsmåte for opprettholdelse av en kontrollert omgivelse for undervannskompresjonsmodulen ved at en tørr gass fra kilden L5 ledes til en trykkregulator 6 som mater det første trykkhus med den tørre gassen ved et første trykk Pm. En viss lekkasje gjennom en tetning T1 omkring en utgangsaksel for motoren tillates inn i et tredje mellomliggende trykkhus. Videre reguleres trykket Pm i det første trykkhus til et trykk som er høyere enn trykket Pk i det tredje trykkhus 2, og trykk Pk avtappes fra det tredje trykkhus 2.

Kilden for tørr gass kan være en brønnstrøm som er behandlet i en fluidseparator, og en hovedsakelig tørr gass kan ekstraheres fra denne separatoren. En tørr gass fra en kilde som nevnt ovenfor kan ledes til trykkregulatoren som mater det første trykkhus med den tørre gass. En viss lekkasje tillates gjennom en tetning rundt en utgangsaksel for motoren, inn i et tredje mellomliggende trykkhus. Trykket i det første trykkhus kan reguleres til et trykk som er høyere enn trykket i det tredje trykkhus, og trykk fra det tredje trykkhus-trykk kan tappes av.

En brønnstrøm kan tilveiebringes til innløpet for kompressoren ved et innløpstrykk. En viss lekkasje kan tillates gjennom en tetning rundt en inngangsaksel på kompressoren også i det mellomliggende trykkhus. Trykket Pk i det mellomliggende trykkhus kan reguleres til å være høyere enn innløpstrykket P1 for kompressoren.

Trykket Pm i det første trykkhus kan være høyere enn innløpstrykket P1 for kompressoren.

Fluidet fra det tredje trykkhus kan ledes til innløpet for kompressoren.

En undervannskompresjonsstasjon hvor dette systemet kan være inkludert kan omfatte de følgende moduler og deler:

ett eller flere kompressortog,

én eller flere skillebrytermoduler,

innløps- og utløpsmanifolder,

innløpskjølere (hvis tilførselsrørledninger ikke er tilstrekkelig for kjøling av brønnstrømmen),

innløpssandfelle (for tilfeldig sandproduksjon),

parkeringslokalisering for hovedtransformator og kraftnavlestreng-termineringshode,

prosessystem,

kontrollsystem

Kompressortoget kan inkludere:

kompressormodul,

drivinnretning med variabel hastighet (variable speed drive, VSD) for kompressoren,

antipumpeventil og aktuator,

antipumpekjøler,

separator/væskeutskillermodul,

pumpemodul,

VSD (variable speed drive), drivinnretning med variabel hastighet for pumpen,

fjernopererte og manuelt opererte ventiler,

røropplegg for sammenkopling,

kontrollsystem inkludert kontrollmoduler.

Kompressoren kan drives direkte ved hjelp av høyhastighetsmotor. Den elektriske motor kan kjøles med en hydrokarbongass ved et trykk som reguleres til å være likt eller like ved sugetrykket for kompressoren. Gasskilden kan være brønn-strømmen som tilføres til undervannskompresjonsstasjonen, og bør være kondisjonert før den kommer inn i den elektriske motor. Systemet vil selvsagt også virke med en gass som i alminnnelighet brukes for trykksetting av elektriske komponenter. Systemet kan anvende magnetiske lagre for hver av undervanns-kompressormodulene, eller magnetiske radial- og aksiallagre, så vel som nedkjølingslagre. Materialegenskapene for kompressorenheten bør være egnet til operasjon med relevante innhold av H2S og CO2.

Kompressoren og materialegenskapene bør være designet for væskefraksjoner og innhold av faststoffer som kommer med gasstrømmen fra den oppstrøms separator. Størrelsen og fordelingen av væskedråper og faststoffpartikler er avhengige av separatorens design, og separatoren bør være designet til å bringe innholdet av væsker og faststoffer ned til et akseptabelt nivå. Kompresjons-systemet kan være designet til å håndtere den kontinuerlige produksjon av finstoffer/sand. Det roterende utstyr kan være beskyttet mot slitasje og forringelse fra faststoffer for å sørge for høy effektivitet, lang levetid og pålitelighet.

Kompressoren kan inkludere en antipumpekontrollresirkuleringsledning som er designet for full resirkulering av strøm under tilstander med maksimum hastighet (105%). Antipumpekontrollventilen kan være en elektrisk aktuert design med aksialt slag, og kan være lokalisert nær kompressorens utstrømning ved høyt punkt. En antipumperesirkuleringskjøler kan være inkludert nedstrøms for antipumpeventilen i resirkuleringsrør-sløyfen. Kompressorene kan ha et utstrømningsrør som er forsynt med en fjernoperert isoleringsventil. En tilbakeslagsventil kan være innsatt i kompressorens utstrømningsrør oppstrøms for isoleringsventilen.

Separatoren separerer væsker/faststoffer fra gassen som i sin tur trekkes inn i pumpen henholdsvis kompressoren. Separatoren er designet til å separere væsker og faststoffer fra gasstrømmen for å unngå for stor erosjon av kompressoren, og for å sørge for ren, tørr gass til de forskjellige hus, inkludert motorhuset og kompressorhuset. Separatoren er designet for å sørge for at faststoffene ikke klumper seg sammen eller uønsket samles opp noe sted i separatoren.

Kompresjonsstasjonen kan inkludere forskjellige prosesskjølere, så som en antipumpekjøler-resirkuleringskjøler for å kjøle gasstrømmen i antipumpe-ledningen (kompressorens resirkuleringssløyfe) og inngangskjølere for å kjøle strømmen fra brønnrammer.

Kompressorstasjonen kan ha sammenkoplingsforbindelser for utstrømming av brønnfluid, og kan inkludere ROV-opererte ventiler for ruting av brønnfluidet til de forskjellige rørledninger.

Brønnfluidet fra sammenkoplede produksjonsbrønnerammer kan fordeles til en separator som er utstyrt med en hydraulisk aktuert isoleringsventil i innløpsrøret. Brønnstrømmen kan videre rutes via kompressorens omløpsledning før oppstart av kompressoren, og omløpsventilen kan stenges når kompressorene er brakt i operasjon. Mesteparten av faststoffene fra produksjonen kan fjernes i separtorer. Sand/finstoffer/faststoffer som kommer inn i kompresjonsstasjonen vil bli separert ut i separatoren og via væskepumpen transportert til utstrømningsrørledningen. En sandfelle for tilfeldig sandproduksjon kan imidlertid brukes til å fjerne sand fra innløpsbrønnfluidet. Vannfjerning i gassen og gass-væskeseparasjon kan utføres ved bruk av væskeutskillere.

Kort beskrivelse av den vedlagte figur:

Fig. 1 er en skjematisk representasjon av en undervanns kompresjonsmodul i henhold til en utførelse av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen med henvisning til den vedlagte figur: Fig. 1 viser en undervanns kompressormodul i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Modulen inkluderer en elektrisk motor 1, et koplingskammer eller mellomliggende kammer 2 og en kompressor 3. Motoren 1 er forbundet til kompressoren 3 med en kopling i det mellomliggende kammer 2. Motoren 1 og kompressoren 3 kan alternativt være forbundet til den samme aksel. Koplingen kan for eksempel være en flens eller en hvilken som helst annen egnet forbindelse. Det mellomliggende kammer 2 kan alternativt inkludere en transmisjon hvis et visst forhold er nødvendig mellom motoren 1 og kompressoren 3.

På utgangsakselen for motoren, er hvor denne kommer inn i det mellomliggende kammer, er en tetning T1 inkludert. Tilsvarende er en tetning T2 anordnet på inngangsakselen til kompressoren der hvor denne akselen kommer inn i det mellomliggende kammer 2.

En innløpsvæskeseparator 5 består typisk av innløpssykloner, og ledevinger mottar en brønnstrøm og leverer en hovedsakelig tørr gass til kompressoren, som komprimerer gassen.

En trykkregulator 6 regulerer trykket i gassen fra en kilde gjennom ledningen 5, og fører gassen gjennom en ledning L3 inn i motoren ved et trykk Pm. Gasskilden kan være en navlestreng fra en offshoreplattform, en ledning fra en installasjon på land, gasstanker i området, en kondisjoneringsenhet som tilveiebringer tørr gass fra brønnstrømmen, eller en hvilken som helst annen egnet kilde. Kilden må imidlertid være i stand til å tilveiebringe gass til trykkregulatoren 6 ved et trykk som er likt eller høyere enn det påkrevde motortrykk Pm.

En trykksensor i innløpsvæskeseparatoren 5 gir et signal til trykkregulatoren 6 gjennom en passende forbindelse S1, hvilket gjør det mulig for trykkregulatoren 6 å regulere trykket Pm i motoren til å være høyere enn trykket i innløpsvæske-separatoren 5, og følgelig trykket Pk i det mellomliggende kammer 2. Det faktiske trykk Pm i motorhuset kan også overvåkes for å sørge for at dette trykket Pm er innenfor det spesifiserte område i forhold til trykket i innløpsfluidseparatoren 5.

Linjen L4 forbinder det mellomliggende kammer 2 til væskeseparatoren.

En tilbakeslagsventil V1 på ledningen L4 mellom det mellomliggende kammer 2 og innløpsfluidseparatoren 5 sørger for at det ikke er noen innstrømming av fluid inn i det mellomliggende kammer 2 i tilfelle av tilstander som er utenfor design-tilstandene.

En linje L1 fra brønnen tilfører gass til kompressoren 3 ved et sugetrykk P1. Kompressoren leverer enn komprimert utløpsfluidstrøm gjennom ledningen L2.

Trykket Pk i det mellomliggende kammer styres av trykket Pm i motorhuset, hvilket reguleres av trykkregulatoren 6 og trykket i innløpsseparatoren. Trykket Pk i det mellomliggende kammer 2 er høyere enn sugetrykket P1 for kompressoren. Et trykk som er høyere enn sugetrykket P1 for kompressoren 3 og høyere enn trykket Pk i det mellomliggende kammer, vil imidlertid bygges opp rundt inngangsakselen for kompressoren 3 og sørge for fluidstrøm ut av tetningen T2 omkring inngangsakselen for kompressoren 3 og inn i det mellomliggende kammer 2. Trykkoppbygningen omkring inngangsakselen som kompressortetningen T2 utsettes for, er et iboende trekk ved aksialkompressorer.

Motoren 1 og kompressoren 3 er forbundet ved hjelp av en kopling K som er plassert inne i det mellomliggende kammer 2. Kompressoren 3 er forbundet til innløpsledningen L1 for mottaking av gass og utløpsledningen L2. Trykkhuset for motoren 1 inkluderer elektriske forbindelser i tillegg til ledningene L3 for tilførsel av ren/kondisjonert gass.

Det mellomliggende kammer 2 som isolerer motoren 1 og kompressoren 3 med tetninger T1 henholdsvis T2, mottar gass som lekker fra kompressoren 3, og/eller et mettet trykk under normal operasjon eller i tilfelle av en nedstenging av undervannskompressormodulen. Fra motorsiden kan det mellomliggende kammer 2 motta gass som lekker fra motoren 1, idet trykket i motoren Pm er høyere enn trykket Pk i det mellomliggende kammer 2 og høyere enn sugetrykket P1 for kompressoren.

For å sørge for at trykket i motorhuset er høyere enn trykket i det mellomliggende kammer 2, er trykksensorer eller -sonder forbundet til innløpsvæskeseparatoren 5 og til motorkammeret for overvåking av de respektive trykk, og trykkregulatoren 6 regulerer trykket i gassen i motorhuset. Dette sørger for at trykket Pm i motorhuset opprettholdes ved et høyere nivå enn sugetrykket P1 for kompressoren og trykket Pk i det mellomliggende kammer. Gassen i det mellomliggende kammer returneres til sugesiden eller væskeseparatoren 5 for å hindre oppsamling av urent fluid i systemet.

Tetningene T1 og T2 kan være av forskjellige typer, og kan for eksempel være børstetetninger eller labyrinttetninger, idet begge typer er velkjente innen feltet.

Claims (9)

1. Undervannskompresjonsmodul med en elektrisk motor (1) med en utgangsaksel med en tetning (T1) i et første trykkhus med et trykk (Pm), en kompressor (3) med en inngangsaksel og en tetning (T2) for inngangsakselen i et annet trykkhus med et sugetrykk (P1) og en trykkregulator (6), karakterisert ved at: et tredje mellomliggende trykkhus (2) er plassert mellom motoren (1) og kompressoren (3); tetningen (T1) for utgangsakselen for motoren (1) tetter mellom det første trykkhus og det tredje mellomliggende trykkhus (2); tetningen (T2) for inngangsakselen for kompressoren (3) tetter mellom det mellomliggende trykkhus (2) og det annet trykkhus; det mellomliggende trykkhus (2) inkluderer en fluidforbindelse (L4); en trykksensor for overvåking av trykket i det mellomliggende trykkhus (2) er i forbindelse med huset (2); trykkregulatoren (6) er tilpasset til å sørge for at trykket (Pk) i det mellomliggende trykkhus er lavere enn trykket (Pm) i det første trykkhus og høyere enn sugetrykket (P1) for kompressoren (3); og akselen for motoren (1) og akselen for kompressoren (3) er forbundet med en forbindelse i det tredje mellomliggende trykkhus (2).

2. Undervannskompresjonsmodul som angitt i krav 1, karakterisert ved at fluidforbindelsen (L4) for det mellomliggende trykkhus (2) er i forbindelse med sugesiden av kompressoren (3) og/eller væskeutskilleren (5).

3. Undervannskompresjonsmodul som angitt i krav 1, karakterisert ved at en tilførselsledning (L5) med en trykksatt gass ved et trykk som er likt eller høyere enn det nødvendige trykk (Pm) i det første hus tilfører trykket (Pm) til det første trykkhus.

4. Undervannskompresjonsmodul som angitt i krav 1, karakterisert ved at trykkregulatoren (6) er plassert mellom tilførsels-ledningen (L5) og en innløpsledning (L3) for det første trykkhus, for regulering av trykket (Pm) i gassen fra tilførselsledningen (L5) til det første trykkhus.

5. Fremgangsmåte for opprettholdelse av en kontrollert omgivelse for en undervannskompresjonsmodul med en motor (1) i et første trykkhus og en kompressor (3) i et annet trykkhus, karakterisert ved at den inkluderer følgende trinn: leding av en tørr gass fra kilden (L5) til en trykkregulator (6) som mater det første trykkhus med den tørre gass ved et første trykk (Pm); tillating av en viss lekkasje gjennom en tetning (T1) omkring en utgangsaksel for motoren (1) inn i et tredje mellomliggende trykkhus (2); regulering av trykket (Pm) i det første trykkhus til et trykk som er høyere enn trykket (Pk) i det tredje trykkhus (2); og avtapping av trykk (Pk) fra det tredje trykkhus (2).

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: tilveiebringelse av en brønnstrøm til et innløp for kompressoren (3) ved et innløpstrykk (P1); tillating av en viss lekkasje gjennom en tetning (T2) omkring en inngangsaksel på kompressoren (3) inn i det mellomliggende trykkhus (2); tilveiebringelse av et trykk (Pk) i det mellomliggende trykkhus som er høyere enn innløpstrykket (P1) for kompressoren.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: regulering av trykket (Pm) i det første trykkhus til et trykk som er høyere enn innløpstrykket (P1).

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: kondisjonering av en del av brønnstrømmen for å forsyne kilden (L5) med en tørr gass.

9 Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: leding av fluidet fra det tredje trykkhus (2) til innløpet (L1) for kompressoren.