NO343020B1 - Et undervannsbasert hydraulikksystem som via drivkamrene på pumpeanordninger omdanner lagret energi til hydraulisk energi. - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår et hydraulikksystem som er innrettet for frembringelse av hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner på ethvert havdyp, især på dybder utover anslagsvis 300 meter. Hydraulikksystemet er basert på en pumpeanordning som effektivt omdanner energi som kan hentes ut ved en utnyttelse av trykkforskjellen mellom omgivende vanntrykk og et ikke-væskefylt volum i en tank med lavt trykk, slik at det allerede på moderate dyp kan frembringes hydraulisk energi og trykknivåer på nivå med det som oppnås med tradisjonelle undervannshydraulikksystemer.

Description

Oppfinnelsen angår et hydraulikksystem som er innrettet for frembringelse av hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner på ethvert havdyp, især på dybder utover anslagsvis 300 meter. Hydraulikksystemet er basert på en pumpeanordning som effektivt omdanner energi som kan hentes ut ved en utnyttelse av trykkforskjellen mellom omgivende vanntrykk og et ikke-væskefylt volum i en tank med lavt trykk, slik at det allerede på moderate dyp kan frembringes hydraulisk energi og trykknivåer på nivå med det som oppnås med tradisjonelle undervanns hydraulikksystemer.

US 6192680 B1 og NO 333477 B1 er publikasjoner som baserer seg på å utnytte forskjellen mellom det innvendige trykket i en tank eller beholder med lavt trykk og trykket i den omgivende vannmassen til direktedrift av dertil egnet hydraulisk utstyr. Kjent teknikk er i eksisterende utførelse egnet for operasjonelt bruk på havdyp utover anslagsvis 6000 fot (ca.

1825 meter), idet det man anser at trykket som frembringes på grunnere havdyp, blir for lavt WO 2014/147406 A2 oppviser et apparat med et mekanisk grensesnitt som omfatter en drivaksel koplet til en hydraulisk pumperotor for overføring av inngangsdriftskraft til rotoren for å betjene pumpen. En styreanordning (26) styrer væskestrømmen mellom pumpen og en hydraulisk aktuator for å styre driften av aktuatoren og ønsket funksjon av en anordning. Pumpen, grensesnittet og styreanordningen er tilveiebrakt som en enhet som er løsbar montert på anordningen i et undervannsmiljø og koblet til den hydrauliske aktuatoren for å gi hydraulisk kraft når det trengs.

US 2013/0113213 A1 omhandler en fremgangsmåte for å tilveiebringe en hydraulisk kraft til kjemisk injeksjonsanvendelse, og innebærer viderekobling av injeksjonsvæske, og bruk av strømningsomformerenhet til å drive en produksjonsenhet for å generere energi til bruk ved en havbunnsfasilitet.

Ingen av de ovennevnte publikasjoner eller annen teknikk vi kjenner til viser omhandler et hydraulikksystem hvor lagret energi hentes ut lagret via drivkamre.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Oljeindustrien søker stadig etter enklere og mer kostnadseffektive måter til å kunne drive oljeutvinning på store dyp. En av de store utfordringene er å sikre tilgang på tilstrekkelig energi til at man til enhver tid kan foreta de operasjonene som er nødvendige for å forhindre at en potensielt farlig situasjon kan eskalere.

Fram til i dag er det i all hovedsak hydraulisk kraft som blir benyttet til dette formålet, idet det er relativt enkelt å frembringe slik hydraulisk kraft ved bruk av akkumulatorer hvor trykket i komprimert gass overføres til væske i blære- eller stempelakkumulatorer. Dette er en løsning som anses for å fungere tilfredsstillende på grunne og moderate dyp. Det hydrauliske systemet skal sørge for energi til å drifte ulike typer aktuatorer.

I 1999 ble det innvilget amerikansk patent (US 6192680 B1) på et nytt system for frembringelse av hydraulisk energi på store havdyp. Ideen var å utnytte trykkforskjellen mellom væske som har omgivelsestrykk og fleksible volum som oppnår et tilnærmet atmosfærisk trykk ved hjelp av en avluftingslinje opp til overflaten. Det fremgår av patentbeskrivelsen at denne løsningen var tiltenkt dybder utover anslagsvis 6000 fot. På 6000 fots dybde vil differansen mellom omgivende vanntrykk og atmosfærisk trykk representere et drivtrykk på 183 bar, som kan benyttes til å operere dertil egnet hydraulisk materiell. Dette materiellet måtte være konstruert for et stort utvendig overtrykk, mens tradisjonelt subsea basert hydraulikkutstyr i all hovedsak er konstruert for et hydraulisk overtrykk i forhold til omgivende vanntrykk.

NO 333477 B1 beskriver en alternativ fremgangsmåte til frembringelse av et lavt referansetrykk i form av et tilnærmet trykkløst, væskefritt volum i en trykkbestandig tank. Dette oppnås ved at angjeldende tank først blir fullstendig fylt med væske, som så pumpes ut ved hjelp av en dertil egnet fortrengerpumpe. Den vesentligste fordel med denne fremgangsmåten er at det kan etableres et lavt referansetrykk nede i sjø uten at det trengs en avluftingsslange til overflaten. For øvrig har dette patentet i hovedsak de samme begrensninger som US 6,192,680 B1, og løsningen er i den beskrevne utførelsen kun egnet for relativt store havdyp.

Selv på relativt grunne dyp er det betydelige energimengder som kan frembringes via aktuatorer som påvirkes av forskjellen mellom omgivende vanntrykk (PAmb) og trykket (PTank) i en tilnærmet trykkløs tank. Potensielt utnyttbar energi E er gitt ved formelen

E = (PAmb-PTank)*V = PAmb*V, der V volumet som kan avgis til tanken.

Hydraulisk materiell som benyttes i undervannsbasert oljevirksomhet er i stor grad innrettet for å driftes av hydraulikktrykk som typisk ligger i området 200 – 350 bar over omgivende vanntrykk. Det betyr at ovennevnte potensielle energi må omformes for å kunne operere tradisjonelt hydraulikkutstyr.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene.

Angjeldende oppfinnelse løser dette ved hjelp av en ny pumpeteknologi som er innrettet for å frigjøre og omdanne den potensielle energien i en og samme operasjon. Pumpeanordninger basert på denne teknologien kan skaleres for raskt frembringelse av store energimengder allerede på beskjedne havdyp. Beskrivelsen inneholder tre eksempler med enkle betraktninger og regneeksempler som bl.a. viser at hydraulikksystemer basert på denne pumpeteknologien vil kunne drifte store BOP’er allerede på så vidt grunne havdyp som eksempelvis 300 meter.

Oljeindustrien ønsker å flytte mer av den undervannsbaserte oljevirksomhet ned på havbunnen. Denne nye teknologien gjør det mulig å satse på undervanns installasjoner der de fleste operasjoner, eventuelt alle, kan foretas med nødvendig kraftforsyning fra overflatestyrte undervannsroboter. Robotene kan overføre elektrisk og/eller hydraulisk kraft som kan brukes direkte til operasjon av de ulike ventilarrangementer. Overflatefartøyet vil kunne besørge all nødvendig logistikk mellom undervannsinstallasjonen og fartøyet. Dette kan dreie seg komponenter som må skiftes ut, kjemikalier som skal injiseres i brønnen etc. I et slikt system kunne den hydrauliske reservekapasiteten som kreves for relevante sikkerhetsoperasjoner ligge mer eller mindre permanent lagret på havbunnen i form av tomme, lekkasjesikrede lavtrykkstanker. Man kan kompensere for forbrukt hydraulisk kapasitet ved at tomme væskereservoarer og fylte lavtrykkstanker heves opp til overflaten, og sendes i retur etter at innholdet fra lavtrykkstankene er pumpet over i væskereservoarene. I ytterste konsekvens kan man helt unngå bruk av umbilical, og kontrollfunksjoner og sikkerhetsoperasjoner kan styres av akustiske signaler fra overflaten, i samvirke med en egnet batteripakke nede på installasjonen.

Ved å utnytte disse mulighetene vil en kunne oppnå vesentlige kostnadsreduksjoner relatert til så vel oppstart som drift av fremtidige subsea brønner.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere forklart med henvisning til figurene 1 - 4, der - Fig 1 A og B viser et forenklet riss av prinsippet for eksisterende teknologi innrettet til å utnytte forskjellen mellom omgivende vanntrykk og et kammer eller tank med lavt innvendig trykk.

- Fig 2 viser et riss av en pumpeanordning ifølge oppfinnelsen

- Fig. 3 viser et riss av pumpeanordningens sjaltemekanisme

- Fig. 4 viser et riss av et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen

Den følgende beskrivelse forenkles ved at vi regner trykket på overflaten som 1 bara , og at trykket i sjø øker med 1 bar for hver tiende meter med dybdeøkning. Eksempel; omgivende trykk på 300 meters dyp = 31 bara.

Videre vil væske som har tilnærmet samme trykk som omgivende vann bli betegnet som ”trykkutliknet væske”,

Et reservoar som inneholder trykkutliknet væske betegnes som ”trykkutliknet reservoar”, og en tank som inneholder et væskefritt volum med lavt trykk betegnes som ”lavtrykkstank”.

Fig. 1 viser et prinsippriss for kjent teknikk vedr. hydraulikksystem som utnytter trykkforskjellen mellom trykkutliknet væske og en lavtrykkstank 3). I fig.1A oppnås et væskefritt volum i lavtrykkstanken 3) som samtidig gjort tilnærmet trykkløs, ved at en fortrengerpumpe 1) fjerner væske. Dette samsvarer med NO 333477. I dette oppsettet avgis væsken til et elastisk reservoar 12).

Fig.1B viser tilsvarende en utførelse i samsvar med US 6,192,680 B1. Her oppnås et væskefritt volum og tilnærmet atmosfæretrykk i tanken 3) ved hjelp av en avluftingslinje til overflaten. Gass og væske holdes adskilt av en lekkasjefri barriere i form av et stempel 2). Hydrauliske forbrukere er representert ved aktuatoren 8). Slagretningen på denne kan endres ved å kople om i sjalteblokken 10). I den viste posisjon vil åpning av ventilen 6) føre til at porten 9) får tilførsel av væske fra reservoaret 12) via rørforbindelsen 11), og at aktuatoren avgir en tilsvarende væskemengde til tanken via porten 7). Aktuatoren vil følgelig trekke seg sammen.

Ved kjent teknikk iht. fig.1 A, gis aktuatoren et definert drivtrykk som tilsvarer omgivende vanntrykk. Den praktiske betydningen av dette er at det hydrauliske materiellet må være tilpasset den aktuelle dybden, og at man trenger en betydelig dybde før man oppnår kraften som kreves for å kunne oppnå en tilfredsstillende rask aktivering av eksempelvis en BOP.

Et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen er basert på bruk av i det minste en pumpeanordning, som er innrettet for å frigjøre og omdanne energien fra væske som mottas fra et reservoar med trykkutliknet væske og avgis til en lavtrykkstank. Pumpeanordningen omfatter et stempelarrangement som resiprokeres i samvirke med fire kamre, som har kontakt med hvert sitt av fire trykkavfølende flater på dette stempelarrangementet.

Fig. 2 viser et riss av en pumpeanordning ifølge oppfinnelsen. Pumpeanordningen har et hus som er sammensatt av fem seksjoner 22,23,30,34,36), som fortrinnsvis er holdt sammen av utvendige, langsgående stenger. Pumpeanordningen omfatter en sjaltemekanisme som er anordnet i seksjonen 36). Denne samvirker med stempelarrangementet 24) via manøverstangen 15), og vil bli beskrevet senere med referanse til fig. 3 som viser et forstørret riss av seksjonen 36).

I fig.2A er stempelarrangementet 24) vist som et kompakt element, men er i foretrukket utførelse sammensatt av utskiftbare komponenter som vist i fig.2B. Stemplet 39) er påmontert en glidetetning 28), og er anordnet mellom to hylser 38,40) som holdes i posisjon av en aksialt anordnet stang 36) og to tilstramningsmuttere 35,37).

Hylsene 38,40) er lekksjefritt forskyvbare i glidetetninger 26,33) som er anordnet i føringene 25,32) og har effektivt trykkareal ADrettet mot hver av kamrene I og IV. Stemplet 39) er lekkasjefritt forskyvbart i en innvendig føring i seksjonen 30), og har effektivt trykkareal APrettet mot hver av kamrene II og III.

Den nevnte sjaltemekanisme sørger for at kamrene I og IV veksler om å være i åpen forbindelse med hhv. nevnte reservoar og med lavtrykkstanken. Forbindelsen mellom kammer IV og nevnte sjaltemekanisme går via en rørforbindelse mellom en port 35) i seksjonen 36) og en port 21) i seksjonen 22). Kamrene I og IV betegnes som drivkamre ved at trykkvekslingene frembringer kraft av vekslende retning, som bevirker at stempelarrangementet resiprokeres og overfører aksialt virkende krefter til væske i kamrene II og III. Disse kamrene får tilført trykkutliknet væske via innporten 19) og denne blir retningsdirigert mot utporten 29) av de fire enveisventilene 17,20,27,31.) Kamrene II og III fungerer derved som pumpekamre. Nevnte aksialt virkende krefter overføres til væsken i det av pumpekamrene II,III) som er i kompresjonsmodus. Kraften overføres via stemplets trykkareal AP, og frembringer en definert trykkøkning på denne væsken.

Friksjonskreftene i de tre glidetetningene 26,28,33) ligger på et beskjedent nivå i forhold til kreftene som frembringer stemplets forskyvning. Vi ser bort fra disse friksjonskreftene i de følgende betraktninger vedr. sammenhengen mellom omgivende vanntrykk PAmb, og det hydrauliske trykket PHsom frembringes av pumpeanordningen.

Betraktningene tar utgangspunkt i den situasjon at kammer I har åpen forbindelse med et trykkbalansert reservoar med trykk PAmb, og at kammer IV derved har åpen forbindelse med en lavtrykkstank med trykk PTank.

Stempelarrangementet 24) vil da påvirkes av en høyrerettet kraft fra drivkamrene av størrelse

Ettersom pumpekamrenes innport 19) er i åpen forbindelse med et trykkbalansert reservoar, vil trykket i kammer II være tilnærmet lik PAmb. Dette trykket frembringer en høyrerettet kraft mot stempelarrangementet av størrelse FK= PAmb*AP.

Total høyrerettet kraft mot stempelarrangementet vil følgelig være ;

Denne kraften overføres til væsken i kammer III via et trykkareal av størrelse AP. Dette fører til at væsken i kammer III trykksettes til

Ettersom det effektive hydraulikktrykket PHer væskens overtrykk i forhold til omgivelsestrykket finner vi; PH= PAmb*AD/AP

Hvis vi setter AD= APfinner vi at PH= PAMB. Det betyr at pumpeanordningen vil omdanne et overtrykk PAMBi forhold til et nulltrykk - til å bli et overtrykk PAMBi forhold til omgivelsestrykket PAMB. Denne omformingen skjer med et minimum av energitap.

Hvis vi tilsvarende velger AD= 4*AP, finner vi PH= 4*PAmb.

Hvis en pumpeanordning med dette arealforholdet opereres på 500 meters dyp vil den altså frembringe et hydraulikktrykk PH= 51 bara*4 = 204 bar (over omgivelsestrykket).

Væskemengden som drivkamrene må få tilført og avlevert til lavtrykkstanken er i denne situasjonen 4 ganger større enn hydraulikkmengden som tilføres de hydrauliske forbrukerne. I tillegg til dette har sjaltemekanismen et forbruk som typisk kan være 3 – 4 % av drivkamrenes forbruk. Hydraulikkvæsken som pumpes fram til de hydrauliske forbrukerne vil normalt resultere i en samtidig retur av en tilsvarende væskemengde. Følgelig sirkuleres denne væsken på en måte som ikke påvirker reservoarets eller lavtrykkstankens væskeinnhold.

Når en pumpefrekvensen går opp mot en øvre verdi på anslagsvis 0,5 Hz vil viskositet i væsken og friksjon i tetningsringene føre til at hydraulikktrykket faller noe i forhold til beregnet verdi. Dette trykkfallet vil praktisk sett bety lite ettersom pumpeanordningene vil være dimensjonert for at væskehastigheten gjennom sjaltemekanisme og kanaler ligger på et beskjedent nivå.

Ved hjelp av angjeldende pumpe vil man altså prinsipielt sett kunne drifte enhver type hydraulisk operert undervannsutstyr. På store dyp som eksempelvis 3000 meter vil (PAmb– PTank) være 301 bara. Følgelig må APvære 50 % større enn ADdersom pumpeanordningen skal betjene hydrauliske forbrukere som er designet for 200 bar forsyningstrykk. I en slik situasjon vil pumpen levere ca 50 % mer hydraulikkvæske enn mengden som må avgis til lavtrykkstanken.

Fig 3 viser et riss av seksjonen 36) som inneholder sjaltemekanismen som bevirker at stempelarrangementet resiprokeres og kan overføre energi. Den påfølgende beskrivelse tar utgangspunkt i at pumpeanordninger står vertikalt.

Sjaltemekanismen samvirker med stempelarrangementet 24) via manøverstangen 15).

Sjaltemekanismen består av en aktiveringsventil 53,56), og en første 41,44) og en andre 47,52) hydraulisk styrte sjalteventil. Aktiveringsventilen initierer et skifte av stempelarrangementets bevegelsesretning når manøverstangen 15) blir forskjøvet aksialt mellom to definerte posisjoner. Manøverstangen er glidbar i forhold til en aksialt anordnet kanal i stempelarrangementet 24), og tvinges til å bli med på stempelarrangementets videre bevegelse når en utvekst på manøverstangen treffes av et av kontaktpunktene 16,18) i stempelarrangementet (ref.fig.2A).

Når manøverstangen forskyves veksler sjaltemekanismen mellom to tilstander;

- en første tilstand som innebærer at kammer I har åpen forbindelse med innporten 13) via kanalen 59) og er avstengt fra utporten (14), og at kammer IV samtidig har åpen forbindelse med utporten 14) via utløpet 21) og en ikke vist rørforbindelse til en kanal 35) i seksjonen 36), og er avstengt fra innporten 13).

- en andre tilstand som innebærer at kammer I har åpen forbindelse med utporten 14) via kanalen 59) og er avstengt fra innporten 13), og at kammer IV samtidig har åpen forbindelse med innporten 13), og er avstengt fra utporten (14).

I fig.3 vises sjaltemekanismen i den første tilstanden.

Den første hydraulisk styrte sjalteventil 41,44) retningsdirigerer væsken inn og ut av kammer I via kanalen 59). Ventilelementet 41) har en øvre og en nedre posisjon som samsvarer med den første og den andre tilstand for sjaltemekanismen. Ventilelementet settes i den øvre posisjon ved at aktiveringsventilen 53,56) trykksetter aktiveringskammeret V, og den andre posisjonen frembringes tilsvarende ved at aktiveringsventilen avlufter det samme kammer.

Ventilelementet 52) i den andre hydraulisk styrte sjalteventilen 47,52) har også en øvre og en nedre posisjon. Posisjonen til dette ventilelementet er styrt av trykket i de tre kamrene VI,VII og VIII. Kammer VIII er i permanent åpen forbindelse med innporten 13) via en kanal 49), og har følgelig trykket PAmb. Kammer VII er i permanent åpen forbindelse med utløpet 14) via en kanal 51), og er følgelig tilnærmet trykkløs. Ved å velge et egnet forhold mellom de respektive trykkflatene på ventilelementet 52) er dette forskyvbart mellom den nedre og den øvre posisjonen ved at kammer VI trykksettes resp. avluftes. De to ovennevnte tilstander frembringes ved at kammer VI har en permanent åpen kanal 57) til kammer I, slik at ventilelementet 52) umiddelbart går til sin nedre posisjon når ventilelementet 41) går til sin øvre, og umiddelbart går til sin nedre posisjon når ventilelementet 41) går til sin nedre. Det innebærer altså at ventilelementet 52) er slavestyrt av ventilelementet 41).

Når aktiveringsventilen trykksetter kammer V presses stempelelementet 41) oppover. Det første som da skjer er at et ringformet sete 46) på ventilelementet 41) får kontakt med en nedre utvekst på ventilelementet 44). Dermed lukkes åpningen mellom kanalen 59) og utporten 14) helt, slik at stempelarrangementet bremses ned til stillstand. Kammer V tilføres fortsatt væske og ventilelementet 41) forflyttes videre oppover, og løfter øvre utvekst på ventilelementet 44) opp fra setet 43). Dermed åpnes forbindelsen mellom innporten 13), og utløpet 45) slik at kammer I trykksettes via kanalen 59). Denne trykksettingen frembringer en umiddelbar trykksetting av kammer VI via kanalen 57), slik at stempelelementet 52) presses nedover. Dette fører til at den øvre utvekst på ventillegemet 47) legger seg mot setet 48) slik at dette ventillegemet ikke kan følge med ventilelementets videre nedad rettede bevegelse. Dermed åpnes det opp for at kammer IV kan avluftes til utporten 14) via åpningen som frembringes mellom nedre utvekst på ventillegemet 47) og det ringformede setet 50) på ventilelementet 52).

Dette betyr at sjaltemekanismen har koplet fra den andre til den første tilstand.

Aktiveringsmekanismen har som funksjon å initiere en sjalteoperasjon hver gang stempelarrangementet er nær en vendeposisjon. En slik initiering innebærer at det iverksettes rask trykksetting eller avlufting av kammer V. Fig. 3 viser en foretrukket utførelse av en aktiveringsmekanisme, bestående av et ventillegeme 53) og et ventilelement 56).

Ventilelementet 56) har en øvre posisjon hvor ventillegemet 53) er presset oppover og har åpnet for væskeforsyning fra innporten 13) til kammer V via utløpet 62). Tilsvarende har ventilelementet 56) en nedre posisjon hvor kammer V avluftes til utporten 14) via kanalen 55). På undersiden av ventilelementet 56) er det anordnet et sete 61) som er innrettet for å kunne tette mot en konisk utvekst 60) på manøverstangen 15). I vist situasjon befinner sjaltemekanismen seg i den første tilstanden. Det betyr at kammer I er trykksatt og stempelarrangementet 24) har nedad rettet bevegelse i forhold til seksjon 36). Denne tilstanden ble initiert mens stemplet var i oppad rettet bevegelse, og ventilelementet hadde blitt presset så langt oppover at ventillegemet 53) åpnet for tilførsel av væske til kammer V. Ventilelementet 41) ble da raskt presset oppover, og kammer I ble trykksatt i det øyeblikk den øvre utveksten på ventilelementet 44) ble løftet opp fra setet 43). Dette stoppet umiddelbart stempelarrangementets oppad rettede bevegelse. Trykksettingen av kammer I førte til at ventilelementet 52) ble presset raskt nedover, og samtidig ble undersiden av manøverstangens utvekst 60) tilført væske via kanalen 58) slik at ventilelementet 56) raskt ble presset opp til øvre posisjon. Denne virkemåte sikrer at sjaltemekanismen forblir i den første tilstand inntil stempelarrangementet nærmer seg nedre vendeposisjon, og trekker manøverstangen 15) nedover. Det første som nå skjer er at væskeforsyningen til kammer V stenges av, og umiddelbart etter starter avluftingen av kammer V via kanalen 55)

Kanalene i sjaltemekanismen er fortrinnsvis dimensjonert slik at tiden fra en omsjalting er initiert og til stempelarrangementet har oppnådd full hastighet i motsatt retning er av størrelse 1/10 sekund.

Angjeldende sjaltemekanisme er spesielt utviklet for denne pumpeanordningen, og er patentsøkt (norsk søknadsnummer 20161801 - innleveringsdato 15/11-16). Den har spesielt tre viktige egenskaper;

• Den har ingen dødpunkt. Det betyr at stempelarrangementet starter opp fra enhver posisjon så snart det er etablert en viss minimums trykkdifferanse mellom innporten 13) og utporten 14).

• Sjalteprosessen innebærer en kontrollert nedbremsing av stempelarrangementet til stillstand og en tilsvarende kontrollert motsatt rettet akselerasjon noen få millisekunder etter dette. Dette gir et glatt strømningsforløp og lav mekanisk påkjenning på systemet som helhet

• Sjaltemekanismen er enkelt skalerbar, og kan eksempelvis dimensjoneres for at strømningstverrsnittet for væskestrømmen tilsvarer en sirkulær åpning med diameter på 40 mm.

• Sjaltemekanismen drives av energi som tas fra væsken som tilføres drivkamrene, og er uavhengig av elektriske styresignaler eller annen form for ekstern energi. Den vil vil typisk forbruke 3 – 4 % av væskemengden som drivkamrene får tilført.

Fig. 4 viser et riss av hvordan en slik pumpeanordning kan være implementert i et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen. Den hydrauliske forbrukeren er representert ved aktuatoren 8). Lavtrykkstanken 3) kan her isoleres fullstendig fra alle andre deler av systemet ved at ventilen 6) er stengt. I så fall vil hele systemet, med unntak av selve lavtrykkstanken, i prinsippet ha innvendig trykk på nivå med det omgivende vanntrykk.

Et subsea hydraulikksystem skal fortrinnsvis kunne operere ulike hydrauliske forbrukere, og kan derfor inneholde et antall pumpeanordninger som frembringer ulike trykknivåer.

I mange sammenheng vil det være BOP’er og andre kapasitetskrevende typer hydraulikkutstyr som vil være dimensjonerende for hydraulikksystemet. Mens mindre ventiler kan opereres ved hjelp av små pumpeanordninger, vil det være naturlig å basere seg på større pumpeanordninger for å drifte utstyr som krever stor hydraulisk kapasitet.

Nedenfor beskrives eksempler på hva som kreves av et system ifølge oppfinnelsen for, på ulike dybder, å oppnå hydraulisk kapasitet tilsvarende 150 liter væske med overtrykk 245 bar. Dette er på nivå med det som kreves for å operere en BOP av moderat størrelse. Vi har her tatt utgangspunkt i en pumpeanordning hvor stempelføringen i seksjonen 30) har en diameter på 200 mm, og stempelarrangementet 24) har en slaglengde på 350 mm. En slik pumpe vil få en totallengde på ca 100 cm, og en totalvekt på anslagsvis 150 kg.

Pumpeanordningen tilpasses de ulike dybder ved å skifte ut hylsene 38,40) samt føringene 25,32).

I de følgende beregninger tar vi utgangspunkt i en pumpeanordning hvor sylinderføringen i seksjon 30) har diameter = 200 mm. Det innebærer at AD+ AP= 314 cm2. Vi ønsker å frembringe et hydraulikktrykk på 245 bar på følgende tre dybder; 300, 800 og 2000 meter. Videre baserer vi oss på at pumpeanordningen skal ha slaglengde 350 mm, og pumpefrekvens 0,5 Hz. Vi velger å dimensjonere sjaltemekanismen for et strømningstverrsnitt tilsvarende en lysåpning Ø=40 mm.

Videre tar vi som utgangspunkt at hydraulikksystemet skal levere 150 liter væske med 245 bar trykk i løpet av 30 sekunder (= 5 liter/sek), og ser på hvor mange pumper som trengs for å oppnå dette

Eksempel 1

Dybde = 300 meter

Omgivende trykk 31 bara. PH= PAmb* AD/AP= 31 * AD/AP= 245 bar

Herav: AD/AP= 7,9. Herav: AD= 7,9 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 278,7 cm<2>– svarende til diameter Ø = 188 mm.

Det betyr at drivkamrene har et samlet slagvolum V= 278,7 cm<2>* 35 cm = 9755 cm<3>= 9,76 liter.

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende, vil det passere 19,52 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (sjaltemekanismens forbruk er ikke inkludert i dette).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså pumpen oppta energi fra 9,76 liter væske pr sekund..

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende

9,75/7,9 = 1,23 l/sek. av væske med trykk 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 1230 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 29.6 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 1,23 l/sek. Det betyr at det trengs 4 – 5 pumpeanordninger 1 (enhetsvekt 150 kg).

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP* 1,05 = 1244 liter. Det tilsvarer 11 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.120 kg – totalt 1320 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 5 pumpeanordninger 1 anslås til henholdsvis 0,5 tonn, 1,25 tonn og 0,75 tonn. Samlet vekt < 3 tonn.

Eksempel 2

Dybde = 800 meter

Omgivende trykk 81 bara. PH= PAmb* AD/AP= 81 * AD/AP= 245 bar

Herav: AD/AP= 3,02. Herav: AD= 3,02 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 235,9 cm<2>– svarende til diameter Ø = 173,3 mm.

Det betyr at drivkamrene har et slagvolum V= 235,9 cm<2>* 35 cm = 8257 cm<3>= 8,26 liter.

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende, vil det passere 16,52 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (ekskl. sjaltemekanismens 360 forbruk).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså drivkamrene oppta energi fra 8,26 liter væske pr sekund..

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende;

8,26/3,02 = 2,74 l/sek av væske med 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 2740 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 65,9 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 2,74 l/sek. Altså trengs 2 pumpeanordninger (enhetsvekt ca.150 kg).

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 1,23 l/sek. Det betyr at det trengs 4 – 5 pumpeanordninger (enhetsvekt 150 kg)

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP* 1,05 = 433 liter. Det tilsvarer 4 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.210 kg – totalt 840 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 2 pumpeanordninger anslås til henholdsvis 0,5 tonn, 0,44 tonn og 0,3tonn. Samlet vekt < 2,2 tonn.

Eksempel 3

Dybde = 2000 meter

Omgivende trykk 201 bara. PH= PAmb* AD/AP= 201 bar * AD/AP= 245 bar

Herav AD/AP= 1,22. AD+ AP = 314 cm<2>. Herav; AD= 1,22 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 172,4 cm<2>– svarende til diameter Ø = 148 mm.

Det betyr at drivkamrene har et slagvolum V= 172,4 cm<2>* 35 cm = 6034 cm<3>= 6,03 liter

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende vil det passere 12,06 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (ekskl. sjaltemekanismens forbruk).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså drivkamrene oppta energi fra 6,03 liter væske pr sekund.

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende

6,03/1,22 = 4,95 liter/sek. av væske med trykk 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 4950 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 119,1 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 liter/sek. Hver pumpeanordning leverer 4,95 l/sek. Det betyr at det trengs 1-2 pumpeanordninger (enhetsvekt ca.170 kg)

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP * 1,05 = 192,2 liter. Det tilsvarer 2 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.360 kg – totalt 720 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 2 pumpeanordninger anslås til hhv. 0,5 tonn, 0,2 tonn og 0,3 tonn. Samlet vekt < 1,8 tonn.

Pumpeanordningen tilpasses de ulike dybder ved å skifte ut hylsene 38,40) samt føringene 32,33).

Som det fremgår av beregningene, vil energiomsetningen i en slik pumpeanordning øke med økende dybde. Med utgangspunkt i en pumpefrekvens på 0,5 Hz vil pumpen omdanne effekter av størrelse 30 kW på 300 meters dyp, 66 kW på 800 meters dyp, og 119 kW på 2000 meters dyp.

Vi finner at det på 300 meters dyp vil kreves fire-fem pumpeanordninger for å kunne levere 150 liter væske med 245 bar i løpet av 30 sekunder. På 200 meters dyp vil én pumpeanordning nesten være tilstrekkelig til å gjøre det samme.

Det er vanskelig å gjøre en direkte sammenlikning med tilsvarende bruk av tradisjonelle gassbaserte akkumulatorer. Dimensjonering av et slikt system vil kunne variere mye ut fra en rekke faktorer;

Termiske effekter knyttet til rask ekspansjon av gassen, hvor store trykkvariasjoner som aksepteres i tilført væske, om det benyttes blære- eller stempelakkumulatorer osv.

Det kan konstateres er at på store dyp vil et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen ha en vekt- /volumbesparelse med minst faktor 10 i forhold til gassbaserte akkumulatorer med samme ytelse. Dette fortrinnet reduseres når dybden avtar, med et antatt skjæringspunkt på ca.300 meters dyp.

Oppsettet som er vist i fig. 4 omfatter en fortrengerpumpe 1). En slik pumpe er ikke en nødvendig komponent i et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen. Som tidligere nevnt kan man basere seg på at hydraulikksystemet i sin helhet skal være uavhengig av overflateforbindelser i form av umbilical etc.. Hydraulikksystemet kan være basert på at lavtrykkstanker og fylte væskereservoarer tas ned til havbunnen ved hjelp av ROV eller kransystemet på et overflatefartøy. Disse kan resirkuleres via overflaten når lavtrykktanken er fylt opp.

Alternativt kan ROV’en være forsynt med en pumpeanordning som kan kople seg inn på kretsløpet og gjenvinne forbrukt energi ved å pumpe væske fra lavtrykkstanken og over til et trykkbalansert reservoar.

Ulike typer hydrauliske forbrukere har et nominelt driftstrykk som hydraulikksystemet må kunne frembringe for å sikre gjennomføring av en operasjonssyklus. Normalt vil imidlertid deler av en slik syklus kunne gjennomføres med betydelig lavere trykk. En kutteventil (shear ram) i en BOP kan eksempelvis kreve et hydraulikktrykk på 200 bar for å kunne gjennomføre en kutteoperasjon. En vesentlig del av bevegelsen til de hydrauliske sylindrene i en kutteventil vil imidlertid bli brukt til å få knivene i posisjon rundt borestrengen. Denne delen av operasjonen krever normalt høyst 20 – 30 bar hydraulikktrykk, men som allikevel absorberer like mye hydraulisk kapasiteten som om hele sekvensen krevde 200 bar. I slike situasjoner kan en være tjent med å kople inn en pumpeanordning med en som er innrettet for å frembringe eksempelvis 40 bar hydraulikktrykk. Drivsylindrene på denne pumpeanordningen vil ha anslagsvis 25 % av væskeforbruket til de andre pumpeanordningene ved leveranse av samme hydraulikkmengde. De deler av den operasjonelle sekvensen som er lite kraftkrevende vil dermed kunne foregå raskere og dertil være betydelig mindre energikrevende.

Claims (2)

Krav

1. Et undervannsbasert hydraulikksystem som er innrettet til å frembringe hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner ved å hente ut trykkenergi fra væske som føres fra et reservoar (12) med tilnærmet omgivelsestrykk og inn i en lavtrykkstank (3), k a r a k t e r i s e r t v e d at hydraulikksystemet er basert på en eller flere pumpeanordninger som er innrettet til å omdanne reservoarets (12) overtrykk i forhold til lavtrykkstanken til et hydraulisk overtrykk i forhold systemets omgivelsestrykk, og som omfatter to drivkamre (I,IV) og to pumpekamre (II,III) som avgrenses av et stempelarrangement (24) som i samvirke med en sjaltemekanisme resiprokeres mellom to definerte endeposisjoner , idet

- sjaltemekanismen samvirker med stempelarrangementet (24) via en manøverstang (15) som forskyves når stempelarrangementet nærmer seg en endeposisjon og bevirker at sjaltemekanismen veksler mellom en første og en andre tilstand samsvarende med stempelarrangementets (24) to bevegelsesretninger, og som fremkommer ved at sjaltemekanismen endrer på forbindelsen mellom drivkamrene(I,IV) og hhv. reservoaret (12) og lavtrykkstanken (3) slik stempelarrangementet påvirkes av aksiale krefter med vekslende retning

- pumpekamrene (II,III) blir tilført væske fra reservoaret (12) eller fra et annet reservoar med tilnærmet samme trykk, og nevnte aksiale krefter overføres via pumpearrangementets trykkavfølende arealer til væsken i det pumpekammeret som er i kompresjonsmodus, hvorved denne væsken får sitt trykk økt fra tilnærmet omgivelsestrykk opp til et gitt, definert nivå slik at er anvendbart til å drifte angjeldende hydraulikkutstyr.

2. Et undervannsbasert hydraulikksystem ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at sjaltemekanismen omfatter en første (41,44) og en andre (47,52) hydraulisk styrte sjalteventil og en aktiviseringsventil (53,56), idet

- den første hydraulisk styrte ventilen har en innport (13), en utport (14), et utløp (45) med åpen forbindelse med den ene drivkammeret (I) via en kanal (59), et ventillegeme (44) og et ventilelement (41) som er trangt forskyvbart i sylindriske føringer, idet

- ventillegemet (44) har en første utvekst som i kontakt med et sete (43) stenger for en åpning mellom innporten (13) og utløpet (45), og en andre utvekst som i kontakt med et sete (46) som ligger rundt en aksialt anordnet kanal i ventilelementet (41) stenger for en åpning mellom utløpet (45) og utporten (14),

- ventilelementet (41 er trangt forskyvbart i sylindriske føringer i seksjonen (36) hvor det er anordnet et aktiveringskammer (V) som ved vekslende trykksetting frembringer en forskyvning av ventilelementet (41) hvorved ventillegemet (44) veksler mellom å ha kontakt med de to setene (43,46) slik at det gjennomføres en tilnærmet lekkasjefri veksling mellom en første tilstand der utløpet (45) er i åpen forbindelse med innporten (13) og avstengt fra utporten (14), og en andre tilstand der utløpet (45) er avstengt fra innporten (13) og i åpen forbindelse med utporten (14),

- den andre hydraulisk styrte sjalteventil har en innport (13), en utport(14), et utløp (35) som har åpen forbindelse med det andre drivkammeret (IV), et ventillegeme (47) og et ventilelement (52) som er trangt forskyvbart i sylindriske føringer, idet

- ventillegemet (47) har en første utvekst som i kontakt med et sete (48) stenger for en åpning mellom innporten (13) og utløpet (35), og en andre utvekst som i kontakt med et sete (50) som er anordnet rundt en aksialt anordnet kanal i ventilelementet (52) stenger for en åpning mellom utløpet (35) og utporten(14),

- ventilelementet (52) er trangt forskyvbart i sylindriske føringer hvor det er anordnet et aktiveringskammer (VI) som via en kanal (57) er i åpen forbindelse med væske som har tilnærmet samme trykk som utløpet (45) på den første hydraulisk styrte sjalteventilen, og hvor vekslende trykk på dette utløpet (45) frembringer en motsatt rettet forskyvning av ventilelementet (52) i den forhold til ventilelementet (41), slik at det gjennomføres en tilnærmet lekkasjefri veksling av den andre hydraulisk styrte sjalteventilen til motsatt tilstand av det som den første hydraulisk styrte sjalteventilen befinner seg i,

-aktiveringsventilen (53,56) har en innport (13), en utport (14) og et utløp (62) som er i åpen forbindelse med aktiveringskammeret (V), idet

- aktiveringsventilen samvirker med stempelarrangementet (24) via manøverstangen (15) ved at det frembringes en forskyvning av manøverstangen hver gang stempelarrangementet (24) nærmer seg en vendeposisjon, hvorved aktiveringsventilen (53,56) veksler mellom en første tilstand der utløpet (62) er i åpen forbindelse med innporten (13) og avstengt fra utporten (14), og en andre tilstand der utløpet (62) er avstengt fra innporten (13) og i åpen forbindelse med utporten(14).