NO334554B1 - Undersjøisk kompresjonssystem for trykkøkning av brønnstrøm - Google Patents

Abstract

En undersjøisk kompresjonsstasjon er beskrevet, som omfatter en separator (3), en kompressor (1) og en pumpe (2), der kompressoren brukes til komprimering og utløp av gass separert fra en brønnstrøm som blir ført inn i separatoren, og der pumpen brukes til å pumpe væske som er separert fra brønnstrømmen, og som i tillegg omfatter en elektrisk motor (4) som er koblet til å drive en kompressorrotor som har en kompressorrotoraksel (7). Kompressorrotorakselen (7) kan forbindes med en pumperotor (11) via en hastighetsreduksjonsinnretning (8) og sette pumperotoren i samrotasjon med kompressorrotoren ved redusert hastighet.

Description

Undersjøisk kompresjonssystem for trykkøkning av brønnstrøm Teknisk område for oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører et kompresjonssystem for trykkøkning av brønnstrøm ved komprimering av gass og pumping av væske i undersjøisk hydrokarbonproduksjon. Nærmere bestemt vedrører foreliggende oppfinnelse innretninger på en kompress-ors tas jon som utgjør en del av et undersjøisk kompresjonssystem.

Bakgrunn og kjent teknikk

Offshore produksjon av gass involverer installasjoner på hav-bunnen som er styrt og forsynt med kraft fra en landbasert eller offshorebasert terminal eller vertsfasilitet. Brønnfluid blir transportert via rørledninger fra et undersjøisk produksjonssystem til mottaksterminalen for så å bli prosessert videre før produktene blir levert til markedet. I de første produksjonsfasene er fluidreservoartrykket vanligvis til-strekkelig til å transportere hydrokarbonfluidene gjennom rørledningen. Senere i produksjonen, eller i tilfeller med svært lang avstand mellom brønnfluidreservoar og mottaksterminal, kan det være nødvendig å øke fluidtrykk og fluid-strømning i en eller flere kompresjonsstasjoner langs rørled-ningen for å opprettholde strømningshastighet og produksjons-nivå .

Kompressorer som brukes i undersjøiske kompresjonsstasjoner er tilpasset for å prosessere våtgass som inneholder en viss andel væske. En større slik andel vil kreve væskepumper. I kompresjonsstasjonen kommer brønnfluid som inneholder gass og væske inn i en separator eller scrubber, der væske blir skilt fra brønnstrømmen og ført til pumpen, og gir derved forutsigbare operasjonspunkter både for kompressoren og pumpen i forhold til andel væskevolum. Pumpen blir kjørt for å pumpe væsken ned-strøms, typisk ved å injisere væsken inn i den komprimerte gassen som løper ut fra kompressoren, slik at re-mikset multifase brønnfluid forlater kompresjonsstasjonen med et forhøyet trykknivå og strømning. Ikke desto mindre kan den undersjøiske kompresjonsstasjonen valgfritt være innrettet for utløp av trykkøket gass- og væskestrømmer via separate eksportrørled-ninger.

Vanligvis blir hver kompressor og pumpe drevet av en dedikert elektrisk motor som hver får tilført drivkraft og styrestrøm via en navlestreng (umbilical) som forbinder kompresjons-stas jonen med dens vertsfasilitet. Hver kompressor- eller pumpemotor i kompresjonsstasjonen krever et individuelt oppsett av kraft- og reguleringsutstyr for variabel hastighetsreguler-ing, slik som undersjøisk koblingsanlegg, våtkoblede elektriske konnektorer, høyspent elektriske kabelbroer og elektriske reguleringssystemkomponenter, kretser for avkjøling og smøring, inkludert ventiler og strømnings- eller trykkregulering, osv.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å redusere antall av komponenter som kreves i en undersjøisk kompresjonsstasjon konfigurert for trykkøkning av en brønnstrøm som inneholder gass og væske.

Målet blir oppnådd ved en undersjøisk kompresjonsstasjon som omfatter en separator, en kompressor og en pumpe, idet kompressoren brukes til komprimering og utløp av gass som er separert fra en brønnstrøm som ledes inn i separatoren, og pumpen brukes til å pumpe væske som er separert fra brønn-strømmen. En elektrisk motor er driftsmessig koblet til en kompressorrotor som har en kompressorrotoraksel, idet kompressorrotorakselen kan kobles til en pumperotor via en hastighetsreduksjonsinnretning som bringer pumperotoren i samrotasjon med kompressorrotoren ved redusert hastighet.

Derved kan den dedikerte pumpemotoren og tilknyttede komponenter slik som kraftforsyningskomponenter, driftsstyring, smøring og avkjølingskomponenter osv. unnværes, noe som reduserer kostnader og kompleksitet ved kompresjonsstasjonen betraktelig.

Hastighetsreduksjonsinnretningen kan være utført på alternative måter. Et hastighetsreduksjonsforhold på om lag 4-5:1 kan antas som passende for de fleste undersjøiske kompressor/pumpe-kombinasjoner.

For eksempel kan en mekanisk clutch og en gir-reduksjon bli brukt som koblings- og hastighetsreduksjonsinnretning. En mekanisk clutchkobling ville imidlertid kreve lavere fart på drivmotor og kompressor for å kunne koble pumperotoren med kompressorrotoren som roterer med betydelig høyere hastighet enn pumperotoren under normale driftsforhold.

For å sikre jevn akselerasjon av pumpen er det foretrukket å koble pumperotoren med kompressorrotorakselen via en hydrodynamisk momentomformer med variabel hastighet, eller alternativt via en elektrisk hysteresedrevet clutch, idet begge alternativer gir momentoverføring uten fysisk kontakt mellom den drivende kompressorrotorakselen og den drevne pumperotoren.

I én foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse er kompressorrotorakselen fast forbundet med en kapsling med en fyllingsregulert hydrodynamisk momentomformer, og pumperotoren er fast koblet til en turbin i den fyllingsregulerte momentomformeren.

I en annen foretrukket utførelse er kompressorrotorakselen fast forbundet med et skovlhjul (impeller) på en hydrodynamisk momentomformer med variabel skovl, og pumperotoren er fast forbundet med en turbin på momentomformeren med variabel skovl.

I enda en annen foretrukket utførelse er kompressorrotorakselen fast forbundet med en rotor på en elektrisk hysteresedrevet clutch, og pumperotoren er fast forbundet med en hystereseskive på den elektriske clutchen.

Foreliggende oppfinnelse fremskaffer dermed et konsept med felles drift og individuell styring, idet justerbart dreiemoment kan bli overført uten fysisk kontakt fra en kompressormotor til en pumperotor i en undersjøisk kompresjonsstasjon, og sette pumperotoren i samrotasjon med kompressorrotoren ved redusert hastighet. Tilkobling og frakobling av pumpen kan utføres etter behov i forhold til væskeinnhold i den tilførte brønnstrømmen, enten ved å regulere fyllingen av en fyllingsregulert hydrodynamisk kobling eller ved å justere angrepsvinkelen for skovlene i en hydrodynamisk kobling med variable skovle, eller ved å regulere elektrisk kraft tilført til en elektromagnet i en elektrisk hysteresedrevet clutch.

Foreliggende oppfinnelse kan med fordel anvendes på en under-sjøisk kompresjonsstasjon der en sentrifuga1kompressor for våtgass og en fortrengningspumpe for væske har felles drift og er individuelt styrt.

Ytterligere fordeler, fordelaktige egenskaper og utførelser av oppfinnelsen vil fremgå av de avhengige patentkravene og av følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelser.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart nedenfor med henvisning til de vedlagte skjematiske tegningsfigurene. Tegningsfigurene viser som følger: Figur 1 er et diagram som skjematisk illustrerer oppstillingen ved en undersjøisk kompresjonsstasjon i kjent teknikk; Figur 2 er et diagram tilsvarende figur 1, som illustrerer oppstillingen ved en undersjøisk kompresjonsstasjon i henhold til foreliggende oppfinnelse; Figur 3 er et tverrsnitt som viser én foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Figur 4 er et tilsvarende tverrsnitt som viser en annen foretrukket utførelse; Figur 5 er et tverrsnitt som viser enda en annen foretrukket utførelse, og Figur 6 er et forenklet diagram som viser en implementering av foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

En oversikt over hovedmodulene og delene i en undersjøisk kompresjonsstasjon for trykkøkning av brønnstrøm er vist skjematisk på diagrammet på figur 1. Kompresjonsstasjonen mottar tofase eller multifase brønnfluid fra minst ett under-sjøisk produksjonssystem, og fører trykkøket brønnfluid inn i én eller flere eksportrørledninger for videretransport til en mottaksterminal. Kompresjonsstasjonen omfatter en kompressor-modul inkludert en eller flere kompressorer 1, en pumpemodul inkludert minst én pumpe 2, og en separator/scrubber-modul inkludert en separator 3. Separatoren 3 er konstruert for væske/gass-separasjon og kan i tillegg være strukturert for å løse opp væskeplugger, for hydratprevensjon og for utskilling av fasta partikler som følger med i brønnstrømmen, for gass-vasking osv., slik at i hovedsak komprimerbar gass (våtgass) blir levert til kompressorinntaket. Kompressoren(e) 1 er konstruert for å øke trykket i gassen og levere gassen under forhøyet trykk inn i eksportrørledningen. Pumpen(e) 2 er konstruert for å injisere overskuddet av væske, under forhøyet trykk, til gasstrømmen som kommer ut fra kompressoren.

Høyspent kraft og lavspent kraft, hydraulikk, regulerings- og hjelpeutstyr blir tilført fra vertsfasiliteten via en navlestreng (umbilical) koblet til den undersjøiske kompresjonsstasjonen. Kraft til hjelpeutstyr og regulering blir distri-buert til forbrukerne på den undersjøiske kompresjonsstasjonen via transformatorer, høyspenningskabler og våtkoblede elektriske konnektorer, koblingsanlegg, elektriske kabelbroer, skillebrytermoduler osv. Fordi kompressor(er) og pump(er) er drevet individuelt av dedikerte elektriske motorer, henholdsvis 4 og 5, med variabel hastighet (Variable Speed Drive - VSD), må hjelpeutstyr og utstyr for kraftregulering installeres individuelt for hver motor. På tegningsfigurene er det dedikerte hjelpe- og kraftreguleringsutstyret skjematisk representert med VSD-blokker 6.

I tillegg krever hver motor separate fleksible koblinger, anordninger for føring og landing, samt ventiler og fluid-ledninger for kjøling, smøring og barrieretrykk, på den under-sjøiske kompresjonsstasjonen.

Figur 2 viser en oversikt over en undersjøisk kompresjonsstasjon som er innrettet for utnyttelse av foreliggende oppfinnelse. En vesentlig forskjell ved arkitekturen på figur 2 er det betydelig reduserte antallet VSD-blokker 6, som kan være redusert med 50 % takket være driften av pumpen(e) 2 med kompressormotoren(e) 4 via kompressorrotorakselen 7 og en innkoblet hastighetsreduksjonsinnretning 8 som tjener til å bringe pumperotoren i samrotasjon med kompressorrotoren ved redusert hastighet.

Reduksjonen av antall komponenter som er påkrevd i den under-sjøiske kompresjonsstasjonen gjelder selvsagt alle komponenter som ellers ville vært involvert i drift av den utelatte motoren.

Figur 3 illustrerer en første foretrukket utførelse av oppfinnelsen og er basert på en hastighetsreduksjonsinnretning i form av en hydrodynamisk momentomformer 9 med variabel hastighet.

I utførelsen på figur 3 er kompressorrotorakselen 7 fast forbundet med en kapsling 10 for en fyllingsregulert hydrodynamisk momentomformer, og pumperotoren 11 er fast forbundet med turbinen 12 i den fyllingsregulerte hydrodynamiske momentomformeren. Størrelsen på dreiemoment og utgangshastighet som blir overført fra kompressorrotorakselen til pumperotoren, er avhengig av fyllingsnivået av hydraulikk-fluid i kapslingen, idet dette kan bli regulert og endret under drift. For en sakte start av pumpen kan akselerasjonen av pumperotoren bli regulert ved hastigheten som kapslingen blir fylt med, og passende hastighetsreduksjon blir oppnådd ved et tilsvarende fyllingsnivå i kapslingen.

Alternativt, som illustrert på figur 4, kan kompressorrotorakselen 7 være fast forbundet med et skovlhjul 13 på en hydrodynamisk momentomformer med variabel skovl 14, mens pumperotoren 11 er fast forbundet med turbinen 15 i momentomformeren med variabel skovl. Størrelsen på dreiemoment og utgangshastighet som blir overført fra kompressorrotorakselen til pumperotoren er avhengig av angrepsvinkelen hos ledeskovlene 16 som er innrettet innstillbare på en stator 17 som omslutter skovlhjulet, og kan bli regulert og endret under drift ved aktivering av en mekanisme 18 festet på statoren for å endre skovlvinkelen.

Figur 5 illustrerer en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen, og er basert på en hastighetsreduksjonsinnretning i form av en elektrisk hysteresedrevet clutch 19.

På figur 5 er kompressorrotorakselen 7 fast forbundet med en rotor 20 på den elektriske hysteresedrevne clutchen, og pumperotoren 11 er fast forbundet med en hystereseskive 21 på den elektriske clutchen. Hystereseskiven 21 passerer en annulær åpning i rotoren 20, uten fysisk kontakt mellom disk og rotor. Rotoren 20 roterer i et magnetfelt som er dannet ved at strøm/ spenning blir tilført en elektromagnet 22 nær rotoren. Idet rotoren dreier seg, blir hystereseskiven trukket i rotasjon som følge av magnetisk tiltrekning (magetic drag) mellom rotoren 20 og hystereseskiven 21. Fordi hystereseskiven blir magnetisert ut fra styrken i magnetisk fluks som skapes av elektromagneten, er størrelsen på dreiemoment og utgangshastighet som blir overført fra kompressorrotorakselen til pumperotoren bestemt av hvor mye strøm/spenning som blir påtrykt elektromagneten, og som kan bli regulert og endret under drift.

En undersjøisk kompresjonsstasjon innrettet i samsvar med konseptet med felles drift og individuell regulering slik det fremgår av foreliggende oppfinnelse, er illustrert skjematisk på figur 6.

Uten at det er uttrykkelig forklart i detaljer med henvisning til figur 6, vil en fullt utstyrt og operativ undersjøisk kompresjonsstasjon typisk omfatte brønnstrømmanifolder og ventiler for import og eksport, strømnings- og trykkmålere, resirkuleringsledninger og ventiler, anti-surge-regulerings-krets og ventiler, smøre og barrierefluidkretser og ventiler, navlestrengtermineringshode, transformatorer, kjøleelementer, sandfelle osv., og annet utstyr som vanligvis finnes på en undersjøisk kompresjonsstasjon. For tydelighets skyld er detalj struktur og organisering av moduler og enheter som er av underordnet betydning i denne forbindelsen blitt utelatt fra figur 6.

I en undersjøisk kompresjonsstasjon som implementerer oppfinnelsen blir brønnfluid F ført inn i en separator og væske-fanger 3 som er konfigurert for å separere gass og væske. Separatoren inneholder et blanderør 23 der gass og gjenværende væske blir jevnt fordelt før det blir levert til inntaket på kompressor 1 via våtgassfluidledning 24. Væskenivået i separator 3 blir styrt gjennom dreneringsrør 25 der overskuddsvæske blir trukket ut og levert til pumpe 2 via selvfyllende væske-ledning 26. Kompressoren 1 og pumpen 2 får felles drift fra en enkelt elektrisk motor 4 med variabel hastighet, idet utgående dreiemoment og hastighet blir redusert ved hjelp av en hastighetsreduksjonsinnretning 8 innkoblet mellom pumpen og kompressoren.

Kraft for hjelpeutstyr og regulering blir tilført motoren 4 via VSD-blokk 6 og navlestreng-termineringshodeblokk 27 som repres-enterer de nødvendige høyspennings- og lavspenningskretser, våtkoblede konnektorer, koblingsanlegg, skillebrytere osv. Driftsfluid eller trykk for den fyllingsregulerte momentomformeren eller reguleringskraft for momentomformeren med variable skovler, eller magnetiseringsstrøm/spenning for den elektriske hystereseclutchen, i henhold til den respektive utførelsen, blir tilført til hastighetsreduksjonsinnretningen 8 fra vertsfasiliteten/overflateterminalen via kraftforsynings-linje 28. Regulering av kraftforsyning for aktivering av hastighetsreduksjonsinnretningen 8, dvs. inn- og utkobling av kompressorrotorakselen oppnås som respons på en detektert væskeandel eller nivå i separatoren 3 og blir kommunisert til aktuatorventiler eller aktuatorbrytere i hastighetsreduksjonsinnretningen via pilotlinje 29.

Kompressoren(e) som blir brukt i den undersjøiske kompresjons-stas jonen er konstruert for en betydelig økning av gasstrykket, slik som f.eks. fra om lag 4 0 bar ved kompressorinntaket til om lag 120 bar ved kompressorutløpet. Kraftige sentrifugalkom-pressorer for våtgass blir vanligvis brukt i denne forbindelse, og arbeider typisk i et kraftområde fra én till flere titalls megawatt og med rotasjonshastigheter i størrelsesorden 8-12000 omdreininger per minutt.

Pumpen(e) som blir brukt i den undersjøiske kompresjonsstasjonen er konstruert for å øke trykket i væskestrømmen opp til et trykk som kreves for injisering i gassen som kommer ut fra kompressoren. Fortrengningspumper er egnet i denne forbindelsen, og opererer innen et kraftområde på hundrevis kilowatt og med rotasjonshastigheter på om lag 1500-4000 omdreininger per minutt. Det følger at i de fleste kompressor/ pumpe-kombinasjoner vil et hastighetsreduksjonsforhold på om lag 4-5:1 være passende. Imidlertid kan en alternativt bruke fortrengningspumper eller sentrifugalpumper som roterer med andre driftshastigheter, som krever andre hastighetsreduksjonsforhold. Ikke desto mindre skaffer foreliggende oppfinnelse stor frihet i valg av pumpe-/kompressor-kombinasjoner, fordi både fyllingsregulerte og hydrodynamiske momentomformere med variable skovler, så vel som den elektriske hystereseclutchen lar seg regulere mellom null og 100 % låsing mellom drivende og drevne komponenter, selvsagt avhengig av ønsket utgående dreiemoment .

Selv om det blir kalt en kompressorrotoraksel 7 i beskrivelsen og de vedlagte kravene, presiseres det at element 7 kan inkludere enhver aksel som kan kobles til eller som utgjør en integrert forlengelse av kompressorrotoren og som samroterer med kompressorrotoren.

Selv om det blir kalt en pumperotor 11 i beskrivelsen og de vedlagte kravene, presiseres det at element 11 kan inkludere enhver aksel som kan kobles til eller som utgjør en integrert

forlengelse av pumperotoren og som samroterer med pumperotoren.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til en in-line, koaksial sammen-stilling slik det er skjematisk illustrert på tegningsfigurene. I stedet kan pumpe og kompressor alternativt være innrettet på parallelle aksler eller selv på kryssende aksler, med samvirk-ende tannhjul eller vinkelgir (bevel gears) som overfører dreiemoment og rotasjon fra kompressormotor til pumperotor.

Oppfinnelsen er selvsagt ikke på noen måte begrenset til de utførelsene som er beskrevet ovenfor. Tvert imot vil mange mulige modifikasjoner av utførelsene vær åpenbare for en person med normal kjennskap til teknikken, uten at de avviker fra grunnideen ved oppfinnelsen slik den er definert i de vedlagte patentkravene.

Claims (8)

1. Undersjøisk kompresjonsstasjon som omfatter en separator (3), en kompressor (1) og en pumpe (2), der kompressoren brukes til komprimering og utløp av gass separert fra en brønnstrøm som blir ført inn i separatoren, og der pumpen brukes til å pumpe væske som er separert fra brønnstrømmen, og som i tillegg omfatter en elektrisk motor (4) som er koblet til å drive en kompressorrotor som har en kompressorrotoraksel (7),karakterisert vedat kompressorrotorakselen kan forbindes med en pumperotor (11) via en hastighetsreduksjonsinnretning (8) og sette pumperotoren i samrotasjon med kompressorrotoren ved redusert hastighet.

2. Kompresjonsstasjon i henhold til krav 1, idet hastighets-reduks jonsinnretningen er en hydrodynamisk momentomformer med variabel hastighet (9; 14).

3. Kompresjonsstasjon i henhold til krav 2, idet kompressorrotorakselen (7) er fast forbundet med en kapsling (10) på en fyllingsregulert hydrodynamisk momentomformer (9), og pumperotoren (11) er fast forbundet med en turbin (12) i den fyllingsregulerte momentomformeren.

4. Kompresjonsstasjon i henhold til krav 2, idet kompressorrotorakselen (7) er fast forbundet med et skovlhjul (13) på en hydrodynamisk momentomformer (14) med variabel skovl, og pumperotoren (11) er fast forbundet med en turbin (15) i momentomformeren med variabel skovl.

5. Kompresjonsstasjon i henhold til krav 1, idet hastighets-reduks jonsinnretningen er en elektrisk hysteresedrevet clutch (19) .

6. Kompresjonsstasjon i henhold til krav 5, idet kompressorrotorakselen (7) er fast forbundet med en rotor (20) på den elektriske hysteresedrevne clutchen, og pumperotoren (11) er fast forbundet med en hystereseskive (21) på den elektriske clutchen.

7. Kompresjonsstasjon i henhold til hvilket som helst av kravene 1-6, idet innretningen for hastighetsreduksjon har et hastighetsreduksjonsforhold på om lag 4-5:1.

8. Kompresjonsstasjon i henhold til hvilket som helst av kravene 1-7, idet en sentrifugalkompressor for våtgass og en fortrengningspumpe for væske har felles drift og individuell styring.