NO329392B1

NO329392B1 - Pressure reducing turbine with a current generator arranged in a well stream

Info

Publication number: NO329392B1
Application number: NO20090632A
Authority: NO
Inventors: Egil Eriksen
Original assignee: Tool Tech As
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-10-11
Also published as: NO20090632L; WO2010090530A1

Abstract

Oppfinnelsen angår en undervanns strømgenerator med trykkreduksjonsenhet som har en lukket turbin og generator, som med flenser på innløpssiden (4) og utløpssiden (5) av turbinen tilkoples et rørsystem i en brønnstrøm. Turbinen har to tannhjul (6 og 7) i inngrep med hverandre, montert på tvers av brønnstrømmen. En avlederplate (8) ved brønnstrøminnløpet deler brønnstrømmen og halvparten av brønnstrømmen ledes mot yttersidene av de to tannhjulene (6, 7) og drive tannhjulene med motsatt rotasjon. En elektrisk generator (16) får tilført det samlede dreiemoment via en aksling (10) som er opplagret til et rullelager (12) og koplet til en magnetkopling (15). Enheten konstrueres for å gi et stort trykkfall, og kan frakoples rørsystemet og trekkes til overflaten.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention This invention relates to a subsea flow generator having a pressure reducing unit having a closed turbine and generator, which with flanges on the inlet side (4) and the outlet side (5) of the turbine are connected to a piping system in a well stream. The turbine has two gears (6 and 7) in engagement with each other, mounted across the well stream. A diverter plate (8) at the well flow inlet divides the well flow and half of the well flow is directed toward the outer sides of the two gears (6, 7) and drives the gears with opposite rotation. An electric generator (16) is supplied to the total torque via a shaft (10) which is stored to a roller bearing (12) and connected to a magnetic coupling (15). The unit is designed to provide a large pressure drop and can be disconnected from the piping system and pulled to the surface.

Description

TRYKKREDUSERENDE TURBIN MED STRØMGENERATOR ANORDNET I EN BRØNN-STRØM PRESSURE REDUCING TURBINE WITH CURRENT GENERATOR ARRANGEMENT IN A WELL STREAM

Oppfinnelsen angår en anordning ved trykkreduserende turbin tilknyttet en strømge-nerator og anordnet i en brønnstrøm slik det er angitt i det medfølgende krav 1. The invention relates to a device for a pressure-reducing turbine connected to a current generator and arranged in a well stream as stated in the accompanying claim 1.

Oppfinnelsen erstatter en trykkreduksjonsventil som inngår i et produksjons- rør-system for en undervannsinstallasjon, eller en produksjonsmstallasjon til havs, eventuelt i en installasjon på land. Turbinen skal gi et ønsket trykkfall i hyd roka rbon-strømmen, samtidig som strømningsenergien blir omgjort til elektrisk energi ved at turbinen driver en elektrisk generator. The invention replaces a pressure reduction valve which forms part of a production pipe system for an underwater installation, or a production installation at sea, possibly in an installation on land. The turbine must produce a desired pressure drop in the hydro carbon flow, at the same time that the flow energy is converted into electrical energy by the turbine driving an electrical generator.

Elektrisk energi distribueres til undervannsinstallasjoner via høyspente strømkabler fra gassturbiner på en fast installasjon, så som en plattform. Ved introduksjon av nye funksjoner på eksisterende undervannsinstallasjoner kan det ofte bli utilstrekkelig strømforsyning fra produksjonsanlegget. Electrical energy is distributed to underwater installations via high-voltage power cables from gas turbines on a fixed installation, such as a platform. When introducing new functions to existing underwater installations, there can often be insufficient power supply from the production plant.

Kostnadene ved å legge undervannskabler er store. Integrasjon av en ny strømkabel for en eksisterende undervannsinstallasjon kan bli vanskelig og for omfattende til å forsvare denne i forhold til behovet. Batteripakker kan benyttes der kraftbehovet er forholdsvis lite, men er ikke en tilfredsstillende løsning for drift av mer energikrevende utstyr. Strømgeneratoren kan også fungere i kombinasjon med en batteripakke for å lade denne. The costs of laying underwater cables are high. Integration of a new power cable for an existing underwater installation can be difficult and too extensive to defend this in relation to the need. Battery packs can be used where the power requirement is relatively small, but are not a satisfactory solution for operating more energy-demanding equipment. The power generator can also work in combination with a battery pack to charge it.

I en overflateapplikasjon vil miljøaspektet ved teknikken være viktig. Når elektrisk energi produseres fra tilgjengelig energi fra brønnstrømmen, vil dette redusere behovet for å produsere strøm via gassturbin på en installasjon og dermed reduseres ut-slipp til omgivelsene. In a surface application, the environmental aspect of the technique will be important. When electrical energy is produced from available energy from the well stream, this will reduce the need to produce electricity via a gas turbine on an installation and thus reduce emissions to the environment.

Fra patenthtteraturen hitsettes som bakgrunnsteknikk: From the patent title, the following is cited as background technology:

- US 2008/047753 Al beskriver en nedihulls strømgenerator, som innbefatter en turbin med innløps- og utløpskanal for brønnstrømmen, et svinghjul som er koplet til turbinen og en nedihulls strømgenerator med magnetkoplmg. - NO 323.524 Bl omhandler en nedihulls innretning i flere utførelsesformer plassert i en sidekanal i forbindelse med et produksjonsrør i en brønn. Formålet er å generere elektrisitet til nedihulls utstyr. Oppfinnelsen har forskjellig bruksområde, nedihulls applikasjon, og omformer brønnstrøms- energi til elektrisitet gjennom et annet prin-sipp enn den omsøkte oppfinnelsen, forøvrig samme oppfinnelse som er omfattet av nedenstående patent. - NO 315.577 Bl beskriver en nedihulls turbin / strømgeneratorkombinasjon lukket i et hus som er koplet inn i brønnstrømmen via en tverrforskjøvet sidekanal, med per-manentmagnet og en energiomformer med forbindelse til en elektrisitetsforsymngsen-het. - US 2008/047753 Al describes a downhole current generator, which includes a turbine with an inlet and outlet channel for the well flow, a flywheel which is connected to the turbine and a downhole current generator with magnetic coupling. - NO 323,524 Bl deals with a downhole device in several embodiments placed in a side channel in connection with a production pipe in a well. The purpose is to generate electricity for downhole equipment. The invention has a different field of application, downhole application, and converts well flow energy into electricity through a different principle than the invention applied for, otherwise the same invention that is covered by the patent below. - NO 315,577 Bl describes a downhole turbine / power generator combination closed in a housing which is connected to the well flow via a transversely offset side channel, with a permanent magnet and an energy converter with connection to an electricity supply unit.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe tilveie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by features that are stated in the description below and in subsequent patent claims.

Det er en oppgave med oppfinnelsen å omdanne brønnstrømsenergi til elektrisk energi og i tillegg frembringe et trykkfall i oljestrømmen. Oppfinnelsen er tenkt benyttet som en erstatning for, eventuelt et supplement til en trykkreduksjonsventil (eng. choke). It is a task of the invention to convert well flow energy into electrical energy and in addition produce a pressure drop in the oil flow. The invention is intended to be used as a replacement for, or possibly a supplement to, a pressure reduction valve (eng. choke).

Systemet kan være et supplement på eldre undervannsinstallasjoner ved innføring av utstyr som krever ekstra energi, og man ønsker å unngå å installere nye forsynings-kabler fra produksjonsplattformen. The system can be a supplement to older underwater installations when introducing equipment that requires extra energy, and you want to avoid installing new supply cables from the production platform.

Som eksempel er oljeoppstrømmen til BP - Amoco Norges ULA-felt benyttet, der en As an example, the oil upflow to BP - Amoco Norway's ULA field is used, where a

tretti bars oppstrøm av vannblandet olje holder 1300 C på dekket etter fraseparasjon av omkring 80 % vann, stigende til omkring 90 % i år 2010. En fluidstrøm på omkring 1000 tonn/time med tretti bars trykk tilsvarer en fallhøyde på mer enn to hundre me-ter. Denne varme olje-/vannstrømmen iblandet sedimenter vil kreve store slitasje-egenskaper for en roterende turbin. thirty bar upstream flow of water-mixed oil maintains 1300 C on the deck after the separation of about 80% water, rising to about 90% in the year 2010. A fluid flow of about 1000 tons/hour with thirty bar pressure corresponds to a drop height of more than two hundred m- ter. This hot oil/water flow mixed with sediments will require great wear properties for a rotating turbine.

Oppfinnelsen er en turbin med kraftoverføring til en generator via en kopling. Turbinen integreres ved å kople en rørseksjon på et egnet sted i et undervanns produksjonssys-tem, slik at brønnstrømmen ledes gjennom turbinen, alternativt integreres turbinen i et rørsystem på overflaten. The invention is a turbine with power transmission to a generator via a coupling. The turbine is integrated by connecting a pipe section at a suitable location in an underwater production system, so that the well flow is led through the turbine, alternatively the turbine is integrated into a pipe system on the surface.

Isolasjonsventiler og undervannskoplinger i grensesnittet mellom turbinen og rør-systemet kan ha forskjellig utforming. Disse elementene inngår i systemløsningen av operasjonelle hensyn, men er ikke en del av oppfinnelsen. Isolasjonsventiler blir benyttet for å stenge av rørforbindelsene i forbindelse med at enheten installeres eller trekkes til overflaten for utskifting. Isolation valves and underwater connections in the interface between the turbine and the pipe system can have different designs. These elements are included in the system solution for operational reasons, but are not part of the invention. Isolation valves are used to shut off the pipe connections in connection with the unit being installed or pulled to the surface for replacement.

En batteripakke er integrert i systemet for å gi strøm når enheten ikke produserer strøm. Enheten er konstruert spesielt for bruk i en brønnstrøm. Konstruksjonen opti-maliseres for sikker drift fremfor optimal produksjon. A battery pack is integrated into the system to provide power when the unit is not producing power. The unit is designed specifically for use in a well stream. The construction is optimized for safe operation rather than optimal production.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt en anordning ved trykkreduserende turbin tilknyttet en strømgenerator og anordnet i en brønnstrøm, hvor et turbinhus er forsynt med et innløp og et utløp hvor det er tilveiebrakt flenser som er innrettet til å kunne tilkoples et rørsystem i en brønnstrøm, kjennetegnet ved at The invention relates more specifically to a device for a pressure-reducing turbine connected to a power generator and arranged in a well stream, where a turbine housing is provided with an inlet and an outlet where flanges are provided which are designed to be able to be connected to a pipe system in a well stream, characterized by

to tannhjul som er i inngrep med hverandre, er anordnet i turbinhuset og er montert på tvers av brønnstrømmen; two meshing gears are arranged in the turbine housing and are mounted across the well stream;

en avlederplate anordnet ved innløpet deler brønnstrømmen, slik at brønn-strømmen ledes mot yttersidene av de to tannhjulene og driver tannhjulene med motsatt rotasjon; og a diverter plate arranged at the inlet divides the well flow, so that the well flow is directed towards the outer sides of the two gears and drives the gears with opposite rotation; and

en elektrisk generator får tilført det samlede dreiemoment via en kopling som er forbundet med en aksling som er tilknyttet et av tannhjulene og er opplagret i et rullelager. an electric generator is supplied with the total torque via a coupling which is connected to a shaft which is connected to one of the gears and which is stored in a roller bearing.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 -3 viser ulike ris og snitt av den kombinerte enheten; Fig. IA og IB viser lengde- og tverrsnitt av en enhet bestående av en turbin forbundet In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is visualized in the accompanying drawings, where: Figs. 1-3 show different elevations and sections of the combined unit; Fig. IA and IB show longitudinal and cross-sections of a unit consisting of a connected turbine

med en elektrisk generator; with an electric generator;

Fig. 2A og 2B viser komponentenes utside; og Fig. 2A and 2B show the exterior of the components; and

Fig. 3 viser en perspektivskisse av enheten. Fig. 3 shows a perspective sketch of the unit.

På figurene vises et arrangement av en enhet bestående av en turbin anordnet i et turbinhus 1 og forbundet med en elektrisk generator i en kapsling 2 via en magnetkopling i et koplingshus 3. Enheten er montert inn på en rørseksjon via flenser ved henholdsvis et innløp 4 og et utløp 5 på turbinhuset 1. Rørseksjonen med turbin- og generatorenhet utstyres med et arrangement for til- og fråkopling i forbindelse med installasjon eller demontering/trekking av utstyret. Tilkoplingspunktene på det øvrige rørsystemet utstyres med et koplingssystem og isolasjonsventiler. The figures show an arrangement of a unit consisting of a turbine arranged in a turbine housing 1 and connected to an electric generator in an enclosure 2 via a magnetic coupling in a coupling housing 3. The unit is mounted onto a pipe section via flanges at an inlet 4 and an outlet 5 on the turbine housing 1. The pipe section with turbine and generator unit is equipped with an arrangement for connection and disconnection in connection with installation or dismantling/pulling of the equipment. The connection points on the other pipe system are equipped with a connection system and isolation valves.

Turbinen består av to tannhjul 6, 7 som monteres med en akseretning på tvers av innløpet 4 til turbinen. Brønnstrømmen deles av en avlederplate 8 i innløpet 4 slik at væsken ledes mot yttersidene av de to tannhjulene 6, 7 i mellomrommet mellom ten-nene og turbinhuset 1, og tannhjulene 6, 7 drives rundt med motsatt rotasjon. Når brønnstrømmen kommer ut fra tannhjulene 6, 7, styres de to brønnstrømmene via en strømningsplate 9 mot utløpssiden 5 av turbinen. The turbine consists of two gears 6, 7 which are mounted with an axial direction across the inlet 4 to the turbine. The well flow is divided by a diverter plate 8 in the inlet 4 so that the liquid is directed towards the outer sides of the two gears 6, 7 in the space between the teeth and the turbine housing 1, and the gears 6, 7 are driven around with opposite rotation. When the well flow comes out of the gears 6, 7, the two well flows are controlled via a flow plate 9 towards the outlet side 5 of the turbine.

Tannhjulene 6, 7 går i inngrep med hverandre på midten, og det samlede dreiemomentet overføres til en opplagret turbinaksling 10 tilknyttet det ene tannhjulet 7 i den ene enden og en ytre del 11 av magnetkoplingen i den andre enden. Som det fremgår av figur IB, er utløpets 5 strømningsplate 9 utstyrt med flere ventilasjonsåpninger for å unngå trykkoppbygging og ansamling av partikler når tannhjulene 6, 7 fører væske inn i området i midten av turbinen, der tannhjulene går i inngrep med hverandre. Un-dertrykk på nedstrømssiden bidrar til at væsken suges ut gjennom åpningene i midten av strømningsplaten 9 og blander seg med den øvrige væsken som passerer turbin-hjulene. The gears 6, 7 mesh with each other in the middle, and the total torque is transferred to a stored turbine shaft 10 associated with one gear 7 at one end and an outer part 11 of the magnetic coupling at the other end. As can be seen from Figure IB, the flow plate 9 of the outlet 5 is equipped with several ventilation openings to avoid pressure build-up and accumulation of particles when the gears 6, 7 lead liquid into the area in the middle of the turbine, where the gears mesh with each other. Underpressure on the downstream side contributes to the liquid being sucked out through the openings in the middle of the flow plate 9 and mixing with the other liquid that passes the turbine wheels.

Turbinakslingen 10 er opplagret i et rullelager 12. En labyrinttetning 13 benyttes for å unngå at væske lekker inn i koplingshuset 3 langs utsiden av turbinakslingen 10 og rullelageret 12. Væske og partikler som kommer inn i koplingshuset 3, kan dreneres via en rørforbindelse 14 fra koplingshuset 3 til turbinens utløp 5. The turbine shaft 10 is stored in a roller bearing 12. A labyrinth seal 13 is used to prevent liquid from leaking into the coupling housing 3 along the outside of the turbine shaft 10 and the roller bearing 12. Liquid and particles that enter the coupling housing 3 can be drained via a pipe connection 14 from the coupling housing 3 to the turbine outlet 5.

Magnetkoplmgens ytre del 11 overfører dreiemomentet til en indre del 15 som står i forbindelse med en generatoraksling 14 som driver den elektriske generatoren 16 montert i en trykkompensert kapsling 2 formålstjenlig fylt med silikonolje. Magnetkoplingen sikrer at generatorhuset i form av kapslingen 2 er skilt fra turbinen 1 og koplingshuset 2 uten bruk av dynamiske tetninger. The magnetic coupling's outer part 11 transfers the torque to an inner part 15 which is connected to a generator shaft 14 which drives the electric generator 16 mounted in a pressure-compensated enclosure 2 suitably filled with silicone oil. The magnetic coupling ensures that the generator housing in the form of the enclosure 2 is separated from the turbine 1 and the coupling housing 2 without the use of dynamic seals.

Enheten konstrueres for å gi et stort trykkfall, og er et alternativ til en trykkreduksjonsventil (eng. choke) i et brønnstrømsrørsystem. The unit is designed to provide a large pressure drop, and is an alternative to a pressure reduction valve (eng. choke) in a well flow piping system.

Enheten kan frakoples rørsystemet og trekkes til overflaten. The unit can be disconnected from the piping system and pulled to the surface.

Elektriske penetratorer 17 installeres på kapslingen 2, og kabler (ikke vist) føres ut til en ekstern kraftforsynings- og kontrollenhet (ikke vist). Electrical penetrators 17 are installed on the enclosure 2, and cables (not shown) are led out to an external power supply and control unit (not shown).

Det blir utstrakt bruk av keramikk i konstruksjonen for å motstå slitasje. There will be extensive use of ceramics in the construction to resist wear.

Generatoren 16 blir dimensjonert og tilpasset hvert enkelt prosjekt. Sammen med batteripakke skal den kunne gi strøm til typisk å kjøre ventilaktuatorer. The generator 16 is dimensioned and adapted to each individual project. Together with the battery pack, it should be able to provide power to typically run valve actuators.

Claims

1. Device for a pressure-reducing turbine connected to a power generator (16) and arranged in a well stream, where a turbine housing (1) is provided with an inlet (4) and an outlet (5) where flanges are provided and are designed to be able to be connected to a pipe system in a well flow, characterized by

two gears (6, 7) which mesh with each other are arranged in the turbine housing (1) and are mounted across the well stream;

a diverter plate (8) arranged at the inlet (4) divides the well flow, so that the well flow is directed towards the outer sides of the two gears (6, 7) and drives the gears (6, 7) with opposite rotation; and

an electric generator (16) is supplied with the total torque via a coupling which is connected to a shaft (10) which is connected to one of the gears (7) and is stored in a roller bearing (12).