WO2014095291A1 - Mehrphasenpumpe mit abscheider, wobei das prozessfluid die pumpe schmiert und kühlt - Google Patents

Mehrphasenpumpe mit abscheider, wobei das prozessfluid die pumpe schmiert und kühlt Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a multiphase pump for pumping a hydrocarbon-containing multiphase mixture.
  • Fossil fuels are not in pure form in oil or gas fields, but as a multi-phase mixture containing liquid, gas and possibly also solid components.
  • This multiphase mixture of crude oil, natural gas and chemicals, where appropriate also includes seawater and a not inconsiderable proportion of sand, is pumped with pumps from the oil or gas field and transported further.
  • Such fossil fuel delivery utilizes multiphase pumps that are capable of pumping a liquid-gas mixture that may also contain solid components, such as sand.
  • Such multiphase pumps are designed as high-pressure pumps in order to be able to convey the conveyed product over a long distance, even vertically. This applies in particular to underwater pumps for conveying raw materials from underwater fields.
  • cooling and lubrication can be done with little maintenance and with little external circuits, for example, for lubricants.
  • phase-enriched component in particular a liquid-enriched liquid component and / or a gas-enriched gas component, can be used for special operating tasks in the multiphase pump, for example lubricating and / or cooling a pump unit and / or a motor unit.
  • the multiphase pump comprises a feed system for supplying a liquid-enriched liquid component as a lubricant to a pump unit to be lubricated.
  • a feed system for supplying a liquid-enriched liquid component as a lubricant to a pump unit to be lubricated.
  • the pump element to be lubricated may be a bearing of a motor unit and / or a pump unit of the multiphase pump.
  • the pump element is lubricated exclusively with the liquid-enriched liquid component.
  • the liquid-enriched liquid component is a hydrocarbon-containing liquid component whose liquid fraction is higher than that of the multiphase mixture.
  • the liquid content is over 98 percent by weight, with a volume fraction of the liquid of over 70% is advantageous.
  • the separation system is used for separating a liquid-enriched liquid component from the multiphase mixture, in particular also for separating a gas-enriched gas component from the multiphase mixture, and further in particular for separating a solid component, such as sand, from the multiphase mixture, so that the liquid-enriched liquid component at least substantially solid is free.
  • a solid content of up to 1 weight percent, in particular up to 0.2 weight percent, with a grain size greater than 100 ⁇ is still compatible and may fall under the name substantially solids-free.
  • the multiphase pump is expediently a high-pressure pump for pumping the multiphase mixture with a differential pressure of at least 10 bar.
  • the multiphase pump is an underwater pump, a top-side pump or other pump, especially for use below the water surface provided, in particular to a depth of 100 m, to 500 m or even to more than 1, 000 m below the water surface.
  • the pump can be a petroleum pump prepared for pumping crude oil.
  • the multiphase mixture advantageously contains crude oil or crude oil as the hydrocarbon-containing fraction.
  • the multiphase mixture may contain methane, natural gas or other gaseous fuel.
  • the separation system includes a branch between a product inlet and a product outlet of the multiphase pump.
  • the branch may be before or after a pumping section, that is to say connected to a high-pressure region or a low-pressure region of the pump.
  • the branch may be a partially permeable seal through which a portion of the pumped product, ie the multiphase mixture, pushes.
  • the separation system has a second separation stage, which is present in addition to the first separation stage, for separating the liquid-enriched liquid component into a higher-enriched liquid component and a gas-enriched gas component.
  • Another function of the separation stage is to prevent or at least suppress mixing of the liquid component and the gas component.
  • a liquid-cleaner liquid component for a more effective lubrication process can be generated.
  • the first separation stage is provided to at least substantially completely separate the solids fraction from the liquid-enriched liquid component. The gas content does not have to be intensively absorbed by the liquid-enriched th liquid component are separated.
  • the liquid-enriched liquid component may be separated into a higher-enriched liquid component and a gas-enriched gas component in the second separation stage, and one or both components may be used individually.
  • the liquid-enriched liquid component may be used for lubricating and / or cooling a pump element, for example one or more bearings of the pump unit or motor unit.
  • the gas-enriched gas component is also used, for example for cooling an element of the pump unit or motor unit.
  • both liquid component and gas component can be used operationally beneficial in the multi-phase pump, so that an expense for lubricating and / or cooling of elements of the multiphase pump can be reduced.
  • the second separation stage of the separation system is advantageously arranged in the feed system in front of the pump element.
  • the liquid component is thus guided from the first separation stage via the second separation stage to the pump element.
  • a separated in the first separation stage gas component and / or solid component reaches the second separation stage expediently not, so that there a higher-enriched liquid component can be generated.
  • the second separation stage is arranged directly on the pump element to be lubricated, for example, a bearing to be lubricated the pump unit or the motor unit of the multi-phase pump.
  • a reliable separation within the second separation stage can be achieved if it has a centrifuge with a rotating centrifugal element with an internal gas channel and an external liquid channel. Due to the greater inertia, the liquid is centrifugally pushed out more than the gas, so that separate gas and liquid content.
  • the liquid channel of the centrifuge passes through a bearing for supporting the centrifugal element.
  • This may cause the cooling and / or lubricating of the gers are connected in a very compact manner with the separation in the second separation stage, so that a compact, simple and reliable lubrication and / or cooling and separation can be achieved.
  • a central shaft of the multiphase pump is supported by the centrifugal element.
  • the centrifugal element is co-rotated by the pump shaft, whereby the centrifuge drive is particularly easy to reach.
  • a centrifugal separation can be connected in a simple and compact way with a shaft bearing.
  • a further advantageous embodiment of the invention proposes that the feed system has a cooling unit, in particular in a circuit of a liquid-enriched liquid component.
  • the liquid component may be cooled and used to cool a pump element.
  • the cooling unit is arranged between the first and the second separation stage.
  • the liquid-rich liquid component obtained in the first separation stage can be cooled and fed in cooled form to the pump element to be lubricated and / or cooled.
  • This has the advantage that not only the liquid in the liquid-enriched liquid component but also the gas fraction remaining in the liquid component is cooled and thus can be used for cooling purposes. If the gas component and the liquid component are separated in the second separation stage, both components can be used accordingly in places where they are particularly advantageous.
  • gas flow through the entire pump housing, starting from the first separation stage takes place as a result of the rising gas, so that gas is also available as such.
  • Pump elements may be cooled by a liquid component or a gas component. While the liquid component has the advantage of higher cooling capacity, the gas component is said to have lower friction associated with cooling. So it is advantageous to use the gas component there for cooling, where a liquid cooling would produce an undesirable friction and would therefore be detrimental.
  • the multiphase pump a Has gas supply from a gas outlet of the separation system to a heat generating pumping element.
  • the gas outlet is a part of the second separation stage of the separation system, which has the advantage that the separated in the first separation stage gas component can be used for transporting a solid content.
  • the gas outlet is an outlet of a second separation stage for separating the liquid-enriched liquid component into a higher-enriched liquid component and a gas-enriched gas component.
  • the gas component which emerges in particular from the second separation stage, is used for cooling a pumping element.
  • the gas component has expediently previously flowed through a cooling unit, for example together with a liquid portion of the liquid component.
  • the multiphase pump has a pump motor in a motor unit.
  • the motor unit expediently comprises an outer stator and an inner rotor, wherein the outer stator can be cooled by a coolant, for example by a dielectric fluid, so that a separate cooling circuit can be present.
  • the cooling of the rotor is difficult, however, because a fluid connection to the rotor is very expensive. This offers a gas cooling.
  • Such gas cooling can be achieved when the multiphase pump has a cooling gas path from a gas outlet of the separation system, which passes a gas-enriched gas component through a pump motor for cooling the pump motor.
  • a gas component from the first or second separation stage can be led to the pump motor and cool it there.
  • a gas fraction which has been separated off in the second separation stage and in particular has previously passed through a cooling unit is guided by the pump motor to its cooling.
  • the gas-enriched gas component can be guided between the rotor and the stator of the pump motor and thus pass through a gap between rotor and stator.
  • the rotor expediently has a pot which shields the outer dielectric cooling fluid from the inner rotor, So it is a so-called Canned engine, the gap between the rotor and stator can be made very narrow, so with a small volume, so that the gas along the entire rotor forcibly guided and effective cooling is possible.
  • the multiphase pump has a gas circulation for a gas-enriched gas component of the separation system, which contains a cooling unit.
  • the gas component may be cooled down and repeatedly passed to the pump element to be cooled, for example the rotor of the pump motor.
  • the invention is also directed to methods of operating a multiphase pump which pumps a multiphase hydrocarbon-containing mixture.
  • a part of the multiphase mixture is fed to a first separation stage of a separation system of the multiphase pump, the separation system separates the separated part into at least one liquid-enriched liquid component and a gas-enriched gas component.
  • One or both components may be used for lubricating and / or cooling a pump element and correspondingly there may be dispensed with resource containers. If at least one pump element is lubricated or cooled with a portion of the multiphase mixture, then the multiphase pump is a product-lubricated and / or product-cooled multiphase pump.
  • the liquid-enriched liquid component is used at least substantially solids-free for lubrication.
  • the liquid-enriched liquid component is cooled and used both for lubricating and for cooling a pump element.
  • a gas-enriched gas component is also produced, which is usually recycled to the product stream. If, on the other hand, at least part of the gas-enriched gas component is used to cool a pump element, it may be possible to dispense with other cooling mechanisms and to keep the pump simple.
  • a pump and / or a motor unit of the multiphase pump is divided into at least one liquid-cooled and at least one gas-cooled region and the liquid-enriched liquid component is supplied to the liquid-cooled region and the gas-enriched gas component is supplied to the gas-cooled region.
  • the liquid-cooled region is expediently an area in which a high cooling capacity is in the foreground
  • the gas-cooled area is expediently an area which is cooled as smoothly as possible, for example a rotor of the pump motor or a coupling between pump unit or motor unit of the multiphase pump.
  • the liquid component is separated in a second separation stage of the separation system into a higher-enriched liquid component and a gas-enriched gas component and the higher-enriched liquid component cools a pump element.
  • the corresponding component should be as free of solids as possible.
  • the multiphase pump has a first separation stage, in which the solids content is at least substantially completely saturated. is constantly excreted from the multiphase mixture and an additional second separation stage is present, which is supplied to at least one liquid-rich liquid component from the first separation stage. In the second separation stage, these can be separated into liquid and gas components. Both resulting in the second separation stage components can be used for lubrication or cooling without solid particles damage the pump.
  • both the gas component and the liquid component When using both the gas component and the liquid component for lubrication and / or cooling, both components should be kept separate from each other in order to avoid re-mixing as much as possible.
  • the liquid component and the gas component are conducted after the separation in a common space from which the liquid component down and the gas component are discharged upward.
  • the different specific weights of liquid and gas components are exploited to keep the previously separated components separate even with simple guidance in a common space. The gas rises and the liquid falls down, so that the liquid can be led out of the room downwards and the gas can be led up out of the room.
  • FIG. 1 shows a sectional side view of a multiphase pump with a vertical orientation and an overhead motor unit and a pump unit located below
  • FIG. 2 is a sectional view through a first separation stage of a separation unit of
  • FIG. 3 is a sectional side view of a second separation stage of the separation system
  • FIG. 6 shows a separation stage of the separation system with sand removal
  • FIG. 7 shows a further alternative multiphase pump with a lower motor unit and an upper pump unit
  • 8 shows an analogous to FIG 1 multiphase pump with an additional additional separation stage.
  • the multiphase pump 2 may be an underwater oil pump, for example on a seabed, and is particularly intended for use below the water surface, in particular to a depth of 100 m, up to 500 m or even over 1 000 m below the water surface.
  • the multi-phase pump 2 is provided for vertical operation, their shaft, consisting of the motor shaft 4 and the pump shaft 6 is thus vertical in operation, ie in the direction of gravity, aligned.
  • the multiphase pump 2 is made for pumping a multiphase mixture, which may comprise a liquid, a gaseous and a solid phase, wherein the liquid component may contain heavy crude oil, seawater and chemicals, the gas component methane, natural gas or the like and the solid component sand, sludge and smaller rocks without damaging the multiphase pump 2 when pumping the multiphase mixture.
  • a multiphase mixture which may comprise a liquid, a gaseous and a solid phase, wherein the liquid component may contain heavy crude oil, seawater and chemicals, the gas component methane, natural gas or the like and the solid component sand, sludge and smaller rocks without damaging the multiphase pump 2 when pumping the multiphase mixture.
  • the multiphase pump 2 has a motor unit 8 and a pump unit 10.
  • the pump unit 10 is provided with a product inlet 12 for sucking the product to be pumped, ie the multiphase mixture, and a product outlet 14, from which the pumped product with a relation to the product input 12 increased pressure is ejected again.
  • a pumping section 16 with rotating impellers and static diffusers is arranged, wherein the rotating impellers are mounted on the pump shaft 6 and the diffusers are rigidly connected to a pump housing 18.
  • the low pressure side 20 which is equal in pressure with the product input 12
  • the high pressure side 22 is arranged, which is equal to the pressure with the product outlet 14.
  • the pressure difference between low pressure side 20 and high pressure side 22 is in regular operation between 50 and 200 bar.
  • the motor unit 8 is an electric motor unit with a stator 24, which is supplied via a power supply 26 with electrical energy. During operation drives the stator 24 a rotor 28 which forms the motor shaft 4 at its ends.
  • the motor shaft 4 is mounted in two bearings 30, 32 and the pump shaft 6 is also mounted in two bearings 34, 36. Motor shaft 4 and pump shaft 6 are rotatably connected to each other via a coupling 38, which is indicated in FIG 1 by a dash-dotted box.
  • part of the pumped multiphase mixture is removed from the high pressure side 22 and fed to a separation system 40 having a first separation stage 42.
  • the first stage 42 of the separation system 40 separates the hydrocarbon-containing multiphase mixture into three components, a gas-enriched gas component, a liquid-enriched liquid component, and a solid component that substantially comprises the solids portion from the withdrawn portion of the multiphase mixture.
  • the mode of action of the first separation stage 42 is described in more detail below for the detail illustration from FIG.
  • FIG. 2 shows the first separation stage 42 of the separation system 40 in an enlarged sectional side view.
  • the input side of the first separation stage 42 is formed by a seal 44 which seals the high-pressure side 22 against a low-pressure chamber 46 of the first separation stage 42.
  • the sealing is not complete so that a small portion of the pumped multiphase mixture passes through the seal 44 and reaches the low pressure chamber 46.
  • an impeller 48 is arranged, which is fixedly connected to the pump shaft 6.
  • the multiphase mixture arriving in the low-pressure chamber 46 is set in rapid rotation by the rotating impeller 48.
  • the multiphase mixture flows around the impeller 48 below, as indicated by the solid arrow in FIG.
  • the multiphase mixture splits into a gas-enriched gas component (dotted arrow) and the remainder of the multiphase mixture (solid arrow). Due to the inertia, it is the solids content and the liquid content hardly possible to rise radially inwardly via a gas passage 54 back into the low pressure chamber 46, as indicated by the dotted arrow in FIG. Liquid and solid are instead driven radially outwards and thus reaches a collecting chamber 56 in which, in particular, the solids content of the multiphase mixture collects.
  • the discharge channel 50 which serves for example to relieve the charge, is connected via a connecting line 52 (FIG. 1) to the low-pressure side 20 of the pump unit 10, so that the discharged multiphase mixture is introduced again into the product flow to be pumped.
  • liquid channel 60 passes from the collection chamber 56 down into a liquid channel 60 and is supplied via a cooler 62 to be lubricated and cooled elements of the multi-phase pump 2.
  • Liquid channel 60, cooler 62 and feed space 64 are part of a feed system 66 for supplying a liquid-enriched liquid component as lubricant and coolant to a plurality of pump elements.
  • the cooler 62 is connected, for example, to surrounding seawater, so that the heat is released from the cooler 62 into the surrounding seawater and the liquid component flowing through the cooler 62 is correspondingly cooled.
  • the liquid component cooled in the cooler 62 is pressed into the feed space 64.
  • the pressure force is created by the impeller 48, which pushes the liquid component through the delivery system 66.
  • the liquid component reaches one of the pump elements to be cooled and lubricated, namely the radial bearing 36, in which the pump shaft 6 is mounted.
  • the fluid component pushes through a radial gap between radial bearing 36 and pump shaft 6 and lubricates the bearing 36 and cools it at the same time.
  • a collecting space 70 FIG.
  • FIG. 1 shows beyond the example shown in FIG. 2 that the liquid components enriched in liquid in the first separation stage are supplied not only to the lower bearing 36 but also to the two motor bearings 30, 32 and the upper pump bearing 34.
  • the supply to the upper pump bearing 34 is shown in FIG.
  • FIG. 3 shows the bearing 34 at the upper end of the pump shaft 6, to which the liquid component is guided by the feed system 66.
  • the bearing 34 comprises an impeller 76, which rotates with the pump shaft 6 and centrifuges the liquid component in the feed space 74.
  • gas (dotted line) and higher-enriched liquid (dashed line) separate, thereby forming a second separation stage 78.
  • a gas-enriched gas component flows through the gas channel 80, which is located radially inside the impeller 76, where it is guided through a labyrinth ring 82 into a space 84, the labyrinth ring 82 acting as a pump and pushing the gas component up into the space 84.
  • the outwardly thrown liquid component is pushed and lubricates through a gap between a bearing member 68 and the impeller 76 and also cools it because the temperature of the liquid component in the cooler 62 has been significantly reduced.
  • Another function of the separation stage is to prevent or at least suppress mixing of the liquid component and the gas component.
  • the centrifugal member 76 supports the shaft 6 in the bearing 34, so that it fulfills both the centrifugal function of the second separation stage 78 and a bearing function for the pump shaft 6. Accordingly, the liquid component is separated from the gas-enriched gas component by the centrifugal element 76 and, as it flows through the bearing gap of the bearing 34, precisely cools that element which causes the separation.
  • the cooling liquid component also reaches the space 84, in which, as shown in FIG. 1, the coupling 38 is arranged between the motor shaft 4 and the pump shaft 6. While the liquid component, the clutch 38 is not substantially reached, but discharged through a discharge channel 86 down is, the gas-enriched gas component rises in the space 84 upwards and flows around the clutch 38. As a result, the clutch 38 is cooled, without their friction is significantly increased.
  • the pump 2 makes use here of the gravitational effect that the gas rises and the liquid component flows down. A strictly separate gas and liquid management is not necessary and the two components can be supplied together to the space 84 and still remain separated.
  • the liquid component flows through the outlet 86 down into the low-pressure side 20 and thus back into the product inlet 12 and is thus combined with the product stream to be pumped.
  • the ascending gas component rises through design-related recesses in the multiphase pump 2 upwards and collects in an upper plenum 88 below the upper end of the motor housing 90th
  • the liquid component which reaches the upper bearing 30 in the feed system 66 which is shown in greater detail in FIG. 4, is moved.
  • a second separation stage 78 with a centrifugal element 92, a gas channel 94 and a labyrinth ring 96 for pumping the gas-enriched gas component upwards is present, in this case into the collecting space 88.
  • the liquid component separated radially outward by the rotation of the centrifugal element 92 is again passed through a bearing gap between the centrifugal element 92 and a bearing element 98 and thus cools the bearing 30 and lubricates it in addition.
  • the shaft 6 is supported by the centrifugal member 92.
  • the bearing 32 also has a centrifugal element 92 and thus a second separation stage 78, in which-as well as in the bearing 30 and in the bearing 34-the liquid-enriched liquid component brought in by the feed system 66 is freed from a gas component and thus forms a higher-enriched liquid component ,
  • the higher-enriched liquid component cools the centrifugal element 92 and also the entire bearing 32 and lubricates it at the same time.
  • the gas-enriched gas component rises and reaches an annular gap 100 between the rotor 28 and stator 24 of the motor unit 8.
  • This annular gap 100 is closed by a pot radially outward, so that the dielectric liquid that cools the stator 24 and through a cooler 102 in a cooling circuit is guided, can not get into the annular gap 100 and thus to the rotor 28.
  • the gas component rises in the annular gap 100 upwards and flows around the entire rotor 28, on which it has a cooling effect. Due to design-related spaces also this gas component enters the upper plenum 88 and is enriched there.
  • both the liquid component from the bearing 30 and the gas component from the upper collecting chamber 88 are recirculated to the low-pressure chamber 46 in an evacuation 104.
  • the gas cooler may be, for example, seawater-soaked, so that cooling is easily achieved.
  • the multiphase pump 2 can be divided into gas regions 106 and liquid regions 108, which are arranged vertically stacked in the multiphase pump 2.
  • the gas regions 106 are those regions to which the gas-enriched gas component is supplied, for example for cooling the clutch 38 or for cooling the rotor 28.
  • the liquid regions 108 are those regions to which the liquid-enriched liquid component is supplied for cooling and lubrication, such as the upper engine mount 30, the lower motor bearing 32, the upper pump bearing 34 and the lower pump bearing 36.
  • the resulting liquid component can be used in the fluid areas 108 for cooling and lubrication, wherein the stator 24 is cooled separately, for example, with a dielectric fluid.
  • the gas component produced in the second separation stage can be supplied to the gas regions 106 for cooling, without the cooling being associated with a high degree of friction.
  • the element in the gas region 106 is thus cooled only by the gas component and kept free of the liquid component.
  • internal components of the multiphase pump 2 such as bearings 30, 32, 34, coupling 38, are cooled and lubricated by components of the pumped multiphase mixture.
  • the multiphase mixture is at least largely freed of solids in a first separation stage 42 and the purified enriched liquid component used for cooling and lubrication.
  • this liquid component is separated again in one or more second separation stages 78 into a higher-enriched liquid component and a gas-enriched gas component, both components being used for cooling pump elements.
  • the gas component is supplied to at least one gas region in which the gas component has a cooling effect.
  • the liquid component is supplied to at least one liquid region 108, which is different from the gas region 106, and in which the liquid component has a cooling and lubricating action. In this way, several components of the multiphase mixture can be used to cool elements of the multiphase pump.
  • the multiphase pump 2 is divided into a plurality of layers or regions 106, 108 arranged vertically one above the other and the liquid component and gas component are supplied to the respective associated gas region 106 or liquid region 108 for cooling.
  • the separation and supply can take place gravitationally driven so that the liquid from a common space 84 drops down and the gas component rises up into the gas area 106.
  • FIGS. 5 to 8 show alternative variants of individual components of the multiphase pump 2. The following description is essentially limited to the differences from the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 4 with respect to FIG of the same characteristics and functions.
  • the multiphase pump 110 is essentially constructed like the multiphase pump 2 from FIG. 1, but the product inlet 12 is arranged lower than the product outlet 14. Accordingly, the part of the multiphase mixture used for cooling and lubricating the components is taken up from the high pressure side 22 of the pump unit 10 taken.
  • the bearings 30, 32, 34, the coupling 38 and the rotor 28 are cooled as previously described. The cooling of the lower pump bearing 36 is described with reference to FIG.
  • FIG. 6 shows the lower portion of the multi-phase pump 1 10 with the bearing 36, in which the pump shaft 6 is mounted below.
  • a first separation stage 42 is formed, through which the gas-enriched gas component (dotted line) is drawn radially inward and thus separated from the liquid component, which is radially outward (dashed line) out, and is pressed by the bearing 36 and this lubricates and cools.
  • the pressure conditions should be such that as far as possible Overpressure in the collection chambers 1 12, 1 14 is present, so that as possible only purified liquid component - with gas present - is present and no solid component enters the feed system 66 and the bearings 30, 32, 34, 36 damaged.
  • an additional sand discharge 124 may be provided, but this is not necessary.
  • the pump unit 10 is arranged at the top and the motor unit 8 at the bottom.
  • the seal 44 high pressure side part of the multiphase mixture is separated and - as described in the previous embodiments - separated in a first separation stage 42, so that the bearing 36 can be lubricated and cooled.
  • the liquid component is guided by gravity down into the motor unit 8 and thus reaches both the clutch 38 and the annular gap 100 between the rotor 28 and stator 24. In this way, a particularly effective cooling of the motor unit 8 can be achieved, however, connected to higher friction losses due to the significantly higher viscosity of the liquid component compared to the gas component.
  • the liquid component collecting at the bottom of the multiphase pump 16 is guided upwards again by the cooler 62 and to the bearings 36, 34, 32.
  • liquid component and gas component are separated and the gas component can cool the clutch 38 or is returned to the product inlet 12.
  • the multiphase pump 2 is similar to that of FIG. 1. In contrast, it has a further separation unit 1 18, in which the separated gas component is fed back into the product input 12.
  • the purified liquid component is guided into the low-pressure chamber 46.
  • recirculated liquid component from the bearing 34 is not performed by a discharge 86 in the product input 12, but also fed via a return 120 the circuit again by being passed over the separation stage 1 18 and then into the low-pressure chamber 46.
  • This allows the Available Fluid content increased and run cleaner, so that the lubrication and cooling can be performed more effectively.
  • the dielectric liquid used to cool the motor unit 8 is cooled by the cooler 102 and kept in circulation.
  • the radiator 102 is disposed outside the pump housing and immersed in seawater, so that discharge of the introduced heat can be effectively done.
  • the pressure within the stator 24 is adjusted to the pressure outside of the stator 24.
  • the stator 24 can provide cooling channels through which liquid-enriched liquid component is led out of the multiphase mixture so that the separate circuit with the dielectric fluid can be dispensed with.
  • the external circuit with the cooler 102 can be dispensed with since the entire cooling passes through the cooler 62, ie both liquid component and cooling for the cooling of the stator and the cooling of the pump elements, such as the bearings 30, 32, 34, 36 is identical.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine produktgeschmierte Mehrphasenpumpe (2, 110, 116) zum Pumpen eines kohlenwasserstoffhaltigen Mehrphasengemischs. Um eine gute Kühlung und Schmierung von Pumpenelementen ohne viele Betriebsmittel und Betriebsmittelkreisläufe zu erreichen, wird vorgeschlagen dass die Mehrphasenpumpe (2, 110, 116) ein eine erste Trennstufe (42) aufweisendes Trennsystem (40) zum zumindest teilweisen Trennen von zumindest einem Teil des Mehrphasengemischs in mehrere phasenangereicherte Komponenten aufweist und auch ein Zuführsystem (66) zum Zuführen einer flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente als Schmiermittel zu einem zu schmierenden Pumpenelement.

Description

MEHRPHASENPUMPE MIT ABSCHEIDER, WOBEI DAS PROZESSFLUID DIE
PUMPE SCHMIERT UND KÜHLT
Die Erfindung betrifft eine Mehrphasenpumpe zum Pumpen eines kohlewasserstoffhal- tigen Mehrphasengemischs.
Fossile Brennstoffe liegen in Öl- oder Gasfeldern nicht in reiner Form vor, sondern als Mehrphasengemisch, das Flüssigkeits-, Gas- und ggf. auch Feststoffbestandteile enthält. Dieses Mehrphasengemisch aus Rohöl, Erdgas und Chemikalien, gegebenenfalls ist auch Seewasser und ein nicht unerheblicher Sandanteil dabei, wird mit Pumpen aus dem Öl- oder Gasfeld gepumpt und weiter transportiert. Bei einem solchen Fördern fossiler Brennstoffe werden Mehrphasenpumpen verwendet, die in der Lage sind, ein Flüssigkeits-Gasgemisch zu pumpen, das eventuell auch Feststoffbestandteile, beispielsweise Sand, enthält. Solche Mehrphasenpumpen sind als Hochdruckpumpen ausgeführt, um das geförderte Produkt über eine lange Distanz, auch vertikal, fördern zu kön- nen. Dies gilt insbesondere bei Unterwasserpumpen zum Fördern von Rohstoffen aus Unterwasserfeldern.
Gerade bei schwer zugänglichen Pumpen, wie Pumpen auf dem Meeresgrund, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlung und Schmierung wartungsarm und mit wenig externen Kreisläufen, zum Beispiel für Schmiermittel, erfolgen kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Mehrphasenpumpe anzugeben, die mit möglichst wenigen Kreisläufen spezieller Betriebsmittel auskommt. Diese Aufgabe wird durch eine Mehrphasenpumpe der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß ein eine erste Trennstufe aufweisendes Trennsystem zum zumindest teilweisen Trennen von zumindest einem Teil des Mehrphasengemischs in mehre- re phasenangereicherte Komponente aufweist. Die einzelnen phasenangereicherten Komponenten, insbesondere eine flüssigkeitsangereicherte Flüssigkomponente und/oder eine gasangereicherte Gaskomponente, können für spezielle Betriebsaufgaben in der Mehrphasenpumpe eingesetzt werden, beispielsweise ein Schmieren und/oder Kühlen einer Pumpeneinheit und/oder einer Motoreinheit.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Mehrphasenpumpe ein Zuführsystem zum Zuführen einer flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente als Schmiermittel zu einer zu schmierenden Pumpeneinheit. Es kann auf diese Weise auf einen Schmiermit- telbehälter und auf einen Schmiermittelkreislauf eines externen Schmiermittels verzichtet werden. Außerdem kann auf Dichtungen zum Trennen von Schmiermittel und gepumptem Produkt an der Hoch- und Niederdruckseite der Pumpe verzichtet werden.
Das zu schmierende Pumpenelement kann ein Lager einer Motoreinheit und/oder einer Pumpeneinheit der Mehrphasenpumpe sein. Insbesondere wird das Pumpenelement ausschließlich mit der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente geschmiert. Die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente ist eine kohlenwasserstoffhalti- gen Flüssigkeitskomponente, deren Flüssigkeitsanteil höher als der des Mehrphasen- gemischs ist. Insbesondere liegt der Flüssigkeitsanteil bei über 98 Gewichtsprozenten, wobei ein Volumenanteil der Flüssigkeit von über 70% vorteilhaft ist.
Das Trennsystem dient zum Abtrennen einer flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente aus dem Mehrphasengemisch, insbesondere auch zum Abtrennen einer gasangereicherten Gaskomponente aus dem Mehrphasengemisch, und weiter insbe- sondere zum Abtrennen einer Feststoffkomponente, wie Sand, aus dem Mehrphasengemisch, so dass die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente zumindest im Wesentlichen von Feststoff befreit ist. Ein Feststoff anteil von bis zu 1 Gewichtprozent, insbesondere bis zu 0,2 Gewichtprozent, mit einer Körnung größer 100 μηπ ist hierbei noch verträglich und kann unter die Bezeichnung im Wesentlichen feststofffrei fallen.
Die Mehrphasenpumpe ist zweckmäßigerweise eine Hochdruckpumpe zum Pumpen des Mehrphasengemischs mit einem Differenzdruck von zumindest 10 bar. Beispiels- weise ist die Mehrphasenpumpe eine Unterwasserpumpe, eine Top-Side Pumpe oder eine andere Pumpe, insbesondere für einen Gebrauch unterhalb der Wasseroberfläche vorgesehen, insbesondere bis zu einer Tiefe von 100 m, bis 500 m oder sogar bis über 1 .000 m unter der Wasseroberfläche. Die Pumpe kann eine Erdölpumpe sein, die zum Pumpen von Rohöl vorbereitet ist. Insofern enthält das Mehrphasengemisch als koh- lenwasserstoffhaltigen Anteil zweckmäßigerweise Erdöl beziehungsweise Rohöl. Weiter kann das Mehrphasengemisch Methan, Erdgas oder einen anderen gasförmigen Brennstoff enthalten.
Zum Trennen des Teils des Mehrphasengemischs umfasst das Trennsystem eine Abzweigung zwischen einem Produkteingang und einem Produktausgang der Mehrphasenpumpe. Die Abzweigung kann vor oder nach einer Pumpstrecke liegen, also mit einem Hochdruckbereich oder einem Niederdruckbereich der Pumpe verbunden sein. Insbesondere bei einer Anordnung im Hochdruckbereich kann die Abzweigung eine teildurchlässige Dichtung sein, durch die ein Teil des gepumpten Produkts, also des Mehrphasengemischs, hindurchdrückt. Um eine Rückführung von abgetrennten Komponenten, insbesondere einer Feststoffkomponente und/oder Gaskomponente, in den Produktkanal zwischen Produkteingang und Produktausgang zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn das Trennsystem mit der Niederdruckseite der Pumpe verbunden ist, so dass dort hinein die abzuführende Komponente eingebracht werden kann.
Mit einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Trennsystem eine zusätzlich zur ersten Trennstufe vorhandene zweite Trennstufe zum Trennen der flüssig- keitsangereicherten Flüssigkeitskomponente in eine höher angereicherte Flüssigkeits- komponente und eine gasangereicherte Gaskomponente auf. Eine weitere Funktion der Trennstufe ist es eine Vermischung von Flüssigkeitskomponente und Gaskomponente zu verhindern oder zumindest zu unterdrücken. Hierdurch kann eine flüssigkeitsreinere Flüssigkeitskomponente für einen effektiveren Schmierprozess erzeugt werden. Vorteilhafterweise ist die erste Trennstufe dazu vorgesehen, den Feststoff anteil zumindest im Wesentlichen vollständig von der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente zu trennen. Der Gasanteil muss nicht intensiv von der flüssigkeitsangereicher- ten Flüssigkeitskomponente getrennt werden. Die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente kann in der zweiten Trennstufe in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente getrennt werden und eine oder beide Komponenten können einzeln verwendet werden. So kann die flüssigkeits- angereichter Flüssigkeitskomponente zum Schmieren und/oder Kühlen eines Pumpenelements verwendet werden, beispielsweise eines oder mehrerer Lager der Pumpeneinheit oder der Motoreinheit.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die gasangereicherte Gaskomponente ebenfalls verwendet, beispielsweise zum Kühlen eines Elements der Pumpeinheit oder Motoreinheit. Auf diese Weise können sowohl Flüssigkeitskomponente als auch Gaskomponente betriebsförderlich in der Mehrphasenpumpe eingesetzt werden, so dass ein Aufwand zum Schmieren und/oder Kühlen von Elementen der Mehrphasenpumpe reduziert werden kann.
Die zweite Trennstufe des Trennsystems ist vorteilhafterweise im Zuführsystem vor dem Pumpenelement angeordnet. Die Flüssigkeitskomponente wird also von der ersten Trennstufe über die zweite Trennstufe zum Pumpenelement geführt. Eine in der ersten Trennstufe abgesonderte Gaskomponente und/oder Feststoffkomponente erreicht die zweite Trennstufe zweckmäßigerweise nicht, so dass dort eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente erzeugt werden kann. Vorteilhafterweise ist die zweite Trennstufe unmittelbar am zu schmierenden Pumpelement angeordnet, beispielsweise einem zu schmierenden Lager der Pumpeinheit oder der Motoreinheit der Mehrphasenpumpe. Eine zuverlässige Trennung innerhalb der zweiten Trennstufe kann erreicht werden, wenn diese eine Zentrifuge mit einem rotierenden Zentrifugalelement mit einem innen liegenden Gaskanal und einem außen liegenden Flüssigkeitskanal aufweist. Durch die größere Massenträgheit wird die Flüssigkeit zentrifugal mehr nach außen gedrückt als das Gas, so dass sich Gas und Flüssigkeitsanteil trennen.
Vorteilhafterweise führt der Flüssigkeitskanal der Zentrifuge durch ein Lager zum Lagern des Zentrifugalelements. Hierdurch kann das Kühlen und/oder Schmieren des La- gers in sehr kompakter Weise mit dem Auftrennen in der zweiten Trennstufe verbunden werden, so dass eine kompakte, einfache und zuverlässige Schmierung und/oder Kühlung und Trennung erreicht werden kann. Vorteilhafterweise ist eine zentrale Welle der Mehrphasenpumpe durch das Zentrifugalelement gelagert. Das Zentrifugalelement wird durch die Pumpenwelle mitrotiert, wodurch der Zentrifugenantrieb besonders einfach erreichbar ist. Hierdurch kann eine Zentrifugaltrennung in einfacher und kompakter Weise mit einer Wellenlagerung verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass das Zuführsystem eine Kühleinheit aufweist, insbesondere in einem Kreislauf einer flüssigkeitsange- reicherten Flüssigkeitskomponente. Die Flüssigkeitskomponente kann gekühlt und zum Kühlen eines Pumpenelements verwendet werden. Vorteilhafterweise ist die Kühleinheit zwischen der ersten und der zweiten Trennstufe angeordnet. Die in der ersten Trennstufe erhaltene flüssigkeitsangereichte Flüssigkeitskomponente kann gekühlt werden und in gekühlter Form zum zu schmierenden und/oder zur kühlenden Pumpenelement geführt werden. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Flüssigkeit in der flüssigkeitsan- gereicherten Flüssigkeitskomponente, sondern auch der in der Flüssigkeitskomponente verbleibende Gasanteil gekühlt wird und somit zu Kühlzwecken einsetzbar ist. Werden Gasanteil und Flüssigkeitsanteil in der zweiten Trennstufe getrennt, können beide Komponente entsprechend eingesetzt werden an Stellen, an denen sie besonders vorteilhaft sind. Dabei ist es in der Praxis in der Regel so, dass aufgrund des Aufsteigenden Gases eine Gasströmung durch das gesamte Pumpengehäuse, von der ersten Trennstufe ausgehende, stattfindet, so dass auch Gas als solches zur Verfügung steht.
Pumpenelemente können durch eine Flüssigkeitskomponente oder eine Gaskomponente gekühlt werden. Während die Flüssigkeitskomponente den Vorteil einer höheren Kühlleistung aufweist, spricht für die Gaskomponente eine niedrigere mit der Kühlung verbundene Reibung. So ist es vorteilhaft, die Gaskomponente dort zur Kühlung einzusetzen, wo eine Flüssigkeitskühlung eine ungewünschte Reibung erzeugen würde und daher nachteilig wäre. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Mehrphasenpumpe eine Gaszufuhr von einem Gasausgang des Trennsystems zu einem wärmeerzeugenden Pumpelement aufweist. Vorteilhafterweise ist der Gasausgang ein Teil der zweiten Trennstufe des Trennsystems, was den Vorteil birgt, dass die in der ersten Trennstufe abgetrennte Gaskomponente zum Abtransportieren eines Feststoffanteils verwendet werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasausgang ein Ausgang einer zweiten Trennstufe zum Trennen der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Gaskomponente, die insbesondere aus der zweiten Trennstufe hervorgeht, zum Kühlen eines Pumpelements verwendet wird. Hierfür ist die Gaskomponente zweckmäßigerweise zuvor durch eine Kühleinheit geflossen, beispielsweise zusammen mit einem Flüssigkeitsanteil der Flüssigkeitskomponente. Zum Pumpen weist die Mehrphasenpumpe einen Pumpenmotor in einer Motoreinheit auf. Die Motoreinheit umfasst zweckmäßigerweise einen außen liegenden Stator und einen innen liegenden Rotor, wobei der außen liegende Stator durch ein Kühlmittel gekühlt werden kann, beispielsweise durch ein dielektrisches Fluid, so dass ein eigener Kühlkreislauf vorhanden sein kann. Das Kühlen des Rotors ist jedoch schwierig, da ein Fluidanschluss an den Rotor sehr aufwändig ist. Hier bietet sich eine Gaskühlung an.
Eine solche Gaskühlung kann erreicht werden, wenn die Mehrphasenpumpe einen Kühlgasweg von einem Gasausgang des Trennsystems aufweist, der eine gasangereicherte Gaskomponente durch einen Pumpenmotor hindurch führt zum Kühlen des Pumpenmotors. So kann ein Gasanteil aus der ersten oder zweiten Trennstufe zum Pumpenmotor geführt werden und diesen dort kühlen. Zweckmäßigerweise wird ein Gasanteil, der in der zweiten Trennstufe angetrennt wurde und insbesondere zuvor eine Kühleinheit durchlaufen hat, durch den Pumpenmotor zu dessen Kühlung geführt. So kann die gasangereicherte Gaskomponente beispielsweise zwischen den Rotor und den Stator des Pumpenmotors geführt werden und somit einen Spalt zwischen Rotor und Stator durchlaufen. Da der Rotor zweckmäßigerweise eine Topf aufweist, die die außen liegende dielektrische Kühlflüssigkeit von dem innen liegenden Rotor abschirmt, es sich also um einen sogenannten Canned Motor handelt, kann der Spalt zwischen Rotor und Stator sehr eng, also mit kleinem Volumen ausgeführt sein, so dass das Gas entlang des gesamten Rotors zwangsgeführt und eine effektive Kühlung ermöglicht wird.
Bei einem Auftrennen des Mehrphasengemischs oder der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente in der zweiten Trennstufe kann kaum verhindert werden, dass die beiden aufgetrennten Komponenten durch die Trennung etwas erwärmt werden. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Mehrphasenpumpe einen Gaskreislauf für eine gas- angereicherte Gaskomponente des Trennsystems aufweist, die eine Kühleinheit enthält. Die Gaskomponente kann heruntergekühlt und wiederholt zum zu kühlenden Pumpenelement, beispielsweise dem Rotor des Pumpenmotors, geführt werden.
Die Erfindung ist außerdem gerichtet auf Verfahren zum Betreiben einer Mehrphasen- pumpe, die ein kohlenwasserstoffhaltiges Mehrphasengemisch pumpt.
Um mit möglichst wenig Kreisläufen spezieller Betriebsmittel auszukommen, wird vorgeschlagen, dass erfindungsgemäß ein Teil des Mehrphasengemischs einer ersten Trennstufe eines Trennsystems der Mehrphasenpumpe zugeführt wird, das Trennsystem den abgetrennten Teil in zumindest eine flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente trennt. Eine oder beide Komponenten können zum Schmieren und/oder Kühlen eines Pumpenelements verwendet werden und es können entsprechend Betriebsmittelbehälter entfallen. Wird zumindest ein Pumpenelement mit einem Anteil des Mehrphasengemischs geschmiert oder gekühlt, so ist die Mehrphasenpumpe eine produktgeschmierte und/oder produktgekühlte Mehrphasenpumpe. Es kann z.B. auf ein Schmiermittelreservoir und vor allem auf Abdichtungen zwischen Produkträumen und Schmiermittelräumen verzichtet und die Pumpe so kompakt gehalten werden. Um den Verschleiß der Mehrphasenpumpe gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn Sand und andere Mehrphasenanteile aus dem Mehrphasengemisch entfernt werden, bevor ein Teil des Mehrphasengemischs zum Schmieren verwendet wird. Hierfür wird zweckmäßigerweise ein Feststoffanteil des Mehrphasengemischs in der ersten Trennstufe abgetrennt und die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente wird zumindest im Wesentlichen feststoffanteilfrei zum Schmieren verwendet. Zweckmäßigerweise wird die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente gekühlt und sowohl zum Schmieren als auch zum Kühlen eines Pumpenelements verwendet.
Beim Trennen des Mehrphasengemischs in mehrere phasenunterschiedliche Komponenten fällt auch eine gasangereicherte Gaskomponente an, die üblicherweise in den Produktstrom zurückgeführt wird. Wird hingegen zumindest ein Teil der gasangereicher- ten Gaskomponente zum Kühlen eines Pumpenelements verwendet, so kann gegebenenfalls auf andere Kühlmechanismen verzichtet und die Pumpe einfach gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Pumpen- und/oder ein Motoreinheit der Mehr- phasenpumpe in zumindest einen flüssigkeitsgekühlten und zumindest einen gasgekühlten Bereich aufgeteilt ist und die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente dem flüssigkeitsgekühlten Bereich und die gasangereicherte Gaskomponente dem gasgekühlten Bereich zugeführt wird. Auf diese Weise können beide Komponenten gewinnbringend eingesetzt werden und die Pumpe effektiv gekühlt werden. Der flüssig- keitsgekühlte Bereich ist zweckmäßigerweise ein Bereich, in dem eine hohe Kühlleistung im Vordergrund steht, wohingegen der gasgekühlte Bereich zweckmäßigerweise ein Bereich ist, der möglichst reibungsarm gekühlt wird, beispielsweise ein Rotor des Pumpenmotors oder eine Kupplung zwischen Pumpeneinheit oder Motoreinheit der Mehrphasenpumpe.
In Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeitskomponente in einer zweiten Trennstufe des Trennsystems in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente aufgetrennt wird und die höher angereicherte Flüssigkeitskomponente ein Pumpenelement kühlt. Zur Verwendung einer Komponente zur Kühlung und/oder Schmierung eines Pumpenelements sollte die entsprechende Komponente möglichst feststofffrei sein. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Mehrphasenpumpe eine erste Trennstufe aufweist, in der der Feststoff anteil zumindest weitgehend voll- ständig aus dem Mehrphasengemisch ausgeschieden wird und eine darüber hinausgehende zweite Trennstufe vorhanden ist, der zumindest eine flüssigkeitsangereichte Flüssigkeitskomponente aus der ersten Trennstufe zugeführt wird. In der zweiten Trennstufe kann diese in Flüssigkeits- und Gaskomponente aufgetrennt werden. Beide in der zweiten Trennstufe entstehenden Komponenten können zur Schmierung beziehungsweise Kühlung verwendet werden, ohne dass Feststoff partikel die Pumpe beschädigen.
Bei Verwendung sowohl der Gaskomponente als auch der Flüssigkeitskomponente zur Schmierung und/oder Kühlung sollten beide Komponenten getrennt voneinander ge- führt werden, um eine erneute Vermischung möglichst zu vermeiden. Um jedoch eine Vielzahl von separaten Komponentenkanälen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Flüssigkeitskomponente und die Gaskomponente nach der Trennung in einen gemeinsamen Raum geführt werden, aus dem die Flüssigkeitskomponente nach unten und die Gaskomponente nach oben abgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfin- dung werden die unterschiedlichen spezifischen Gewichte von Flüssigkeits- und Gaskomponente ausgenutzt, um die zuvor getrennten Komponenten auch bei einer einfachen Führung in einem gemeinsamen Raum getrennt voneinander zu halten. Das Gas steigt nach oben und die Flüssigkeit fällt nach unten, so dass die Flüssigkeit aus dem Raum nach unten herausgeführt werden kann und das Gas nach oben aus dem Raum herausgeführt werden kann.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zu- sammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden. Es zeigen:
FIG 1 eine geschnittene Seitendarstellung einer Mehrphasenpumpe mit einer vertikalen Ausrichtung und einer oben liegenden Motoreinheit und einer unten liegenden Pumpeneinheit,
FIG. 2 eine Schnittdarstellung durch eine erste Trennstufe einer Trenneinheit der
Mehrphasenpumpe aus FIG 1 ,
FIG 3 eine geschnittene Seitendarstellung einer zweiten Trennstufe des Trennsystems,
FIG 4 weitere zweite Trennstufe des Trennsystems,
FIG 5 eine alternative Mehrphasenpumpe mit einem unten liegenden Produkteingang und einem oben liegenden Produktausgang,
FIG 6 eine erste Trennstufe des Trennsystems der Mehrphasenpumpe aus
FIG 5 im unteren Bereich der Mehrphasenpumpe,
FIG 6a eine Trennstufe des Trennsystems mit Sandabführung, FIG 7 eine weitere alternative Mehrphasenpumpe mit einer unten liegenden Motoreinheit und einer oben liegenden Pumpeneinheit und FIG 8 eine zur FIG 1 analoge Mehrphasenpumpe mit einer zusätzlichen weiteren Trennstufe.
FIG 1 zeigt eine Mehrphasenpumpe 2 in einer seitlichen Schnittdarstellung. Die Mehr- phasenpumpe 2 kann eine Erdölpumpe für den Unterwasserbetrieb sein, zum Beispiel auf einem Meeresgrund, und sie ist insbesondere für einen Gebrauch unterhalb der Wasseroberfläche vorgesehen, insbesondere bis zu einer Tiefe von 100 m, bis 500 m oder sogar bis über 1 .000 m unter der Wasseroberfläche. Die Mehrphasenpumpe 2 ist für einen vertikalen Betrieb vorgesehen, ihre Welle, bestehend aus Motorwelle 4 und Pumpenwelle 6 ist also im Betrieb vertikal, also in Gravitationsrichtung, ausgerichtet. Die Mehrphasenpumpe 2 ist zum Pumpen eines Mehrphasengemischs hergestellt, das eine flüssige, eine gasförmige und eine Festkörperphase umfassen kann, wobei die Flüssigkomponente schweres Rohöl, Seewasser und Chemikalien enthalten kann, die Gaskomponente Methan, Erdgas oder dergleichen und die Feststoffkomponente Sand, Schlamm und kleinere Steine, ohne dass die Mehrphasenpumpe 2 beim Pumpen des Mehrphasengemischs Schaden nimmt.
Die Mehrphasenpumpe 2 hat eine Motoreinheit 8 und eine Pumpeneinheit 10. Die Pumpeneinheit 10 ist mit einem Produkteingang 12 zum Einsaugen des zu pumpenden Produkts, also des Mehrphasengemischs, und einem Produktausgang 14 versehen, aus dem das gepumpte Produkt mit einem gegenüber dem Produkteingang 12 erhöhten Druck wieder ausgestoßen wird. Zwischen Produkteingang 12 und Produktausgang 14 ist eine Pumpstrecke 16 mit rotierenden Impellern und statischen Diffusoren angeordnet, wobei die rotierenden Impeller auf der Pumpenwelle 6 befestigt sind und die Diffu- soren starr mit einem Pumpengehäuse 18 verbunden sind. Am Anfang der Pumpstrecke 16 ist die Niederdruckseite 20, die mit dem Produkteingang 12 druckgleich ist, und am Ende der Pumpstrecke 16 ist die Hochdruckseite 22 angeordnet, die mit dem Produktausgang 14 druckgleich ist. Der Druckunterschied zwischen Niederdruckseite 20 und Hochdruckseite 22 beträgt im regulären Betrieb zwischen 50 und 200 bar.
Die Motoreinheit 8 ist eine elektrische Motoreinheit mit einem Stator 24, der über eine Stromversorgung 26 mit elektrischer Energie versorgt wird. Während des Betriebs treibt der Stator 24 einen Rotor 28 an, der an seinen Enden die Motorwelle 4 bildet. Die Motorwelle 4 ist in zwei Lagern 30, 32 gelagert und die Pumpenwelle 6 ist ebenfalls in zwei Lagern 34, 36 gelagert. Motorwelle 4 und Pumpenwelle 6 sind über eine Kupplung 38, die in FIG 1 durch ein strichpunktiertes Kästchen angedeutet ist, drehfest miteinander verbunden.
Während des Betriebs der Mehrphasenpumpe 2 wird ein Teil des gepumpten Mehrpha- sengemischs aus der Hochdruckseite 22 entnommen und einem Trennsystem 40 mit einer ersten Trennstufe 42 zugeführt. Die erste Stufe 42 des Trennsystems 40 trennt das kohlenwasserstoffhaltige Mehrphasengemisch in drei Komponenten, eine gasangereicherte Gaskomponente, eine flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente und eine Feststoffkomponente, die im Wesentlichen den Feststoff anteil aus dem entnommenen Teil des Mehrphasengemischs umfasst. Die Wirkweise des der ersten Trennstufe 42 ist zu der Detaildarstellung aus FIG 2 im Folgenden genauer beschrieben.
FIG 2 zeigt die erste Trennstufe 42 des Trennsystems 40 in einer vergrößerten geschnittenen Seitenansicht. Die Eingangsseite der ersten Trennstufe 42 wird durch eine Dichtung 44 gebildet, die die Hochdruckseite 22 gegen eine Niederdruckkammer 46 der ersten Trennstufe 42 abdichtet. Die Abdichtung erfolgt jedoch nicht vollständig, sodass ein kleiner Teil des gepumpten Mehrphasengemischs durch die Dichtung 44 hindurchfließt und die Niederdruckkammer 46 erreicht.
Am unteren Ende der Niederdruckkammer 46 ist ein Laufrad 48 angeordnet, das fest mit der Pumpenwelle 6 verbunden ist. Das in der Niederdruckkammer 46 ankommende Mehrphasengemisch wird durch das rotierende Laufrad 48 in schnelle Rotation versetzt.
Ein gewisser Teil des Mehrphasengemischs umfließt das Laufrad 48 jedoch unterhalb, wie durch den durchgezogenen Pfeil in FIG 2 angedeutet ist. Am unteren Ende dieses Kanals teilt sich das Mehrphasengemisch in eine gasangereicherte Gaskomponente (gepunkteter Pfeil) und den Rest des Mehrphasengemischs (durchgezogener Pfeil) auf. Aufgrund der Massenträgheit ist es dem Feststoffanteil und dem Flüssigkeitsanteil kaum möglich, radial nach innen über einen Gaskanal 54 wieder in die Niederdruckkammer 46 aufzusteigen, wie dies durch den gepunkteten Pfeil in FIG 2 angedeutet ist. Flüssigkeit und Feststoff wird anstelle dessen radial nach außen getrieben und erreicht so eine Sammelkammer 56, in der sich vor allem der Feststoffanteil des Mehrphasen- gemischs sammelt. Dieser wird durch einen Feststoffkanal 58 dem Abführkanal 50 wieder zugeführt und damit über die Verbindungsleitung 52 in den Produktstrom eingegliedert. Der Abführkanal 50, der beispielsweise der Entlastung dient, ist über eine Verbindungsleitung 52 (FIG 1 ) mit der Niederdruckseite 20 der Pumpeneinheit 10 verbunden, sodass das abgeführte Mehrphasengemisch wieder in zu pumpenden Produktstrom eingeführt wird.
Ein gewisser Flüssigkeitsanteil gelangt jedoch aus der Sammelkammer 56 nach unten in einen Flüssigkeitskanal 60 und wird über einen Kühler 62 zu schmierenden und zu kühlenden Elementen der Mehrphasenpumpe 2 zugeführt. Flüssigkeitskanal 60, Kühler 62 und ein Zuführraum 64 sind Teil eines Zuführsystems 66 zum Zuführen einer flüssig- keitsangereicherten Flüssigkeitskomponente als Schmiermittel und Kühlmittel zu mehreren Pumpenelementen. Der Kühler 62 ist beispielsweise mit umgebendem Meerwasser verbunden, sodass die Wärme aus dem Kühler 62 in das umgebende Meerwasser abgegeben wird und den Kühler 62 durchströmende Flüssigkeitskomponente entspre- chend gekühlt wird.
Wie in FIG 2 gezeigt, wird die im Kühler 62 gekühlte Flüssigkeitskomponente in den Zuführraum 64 gedrückt. Die Druckkraft entsteht durch das Laufrad 48, das die Flüssigkeitskomponente durch das Zuführsystem 66 drückt. Dort erreicht die Flüssigkeitskom- ponente eines der zu kühlenden und zu schmierenden Pumpenelemente, nämlich das Radiallager 36, in der die Pumpenwelle 6 gelagert ist. Die Fluidkomponente drückt durch einen Radialspalt zwischen Radiallager 36 und Pumpenwelle 6 hindurch und schmiert das Lager 36 und kühlt es zugleich. In einem Sammelraum 70 (FIG 1 ), der sich am unteren Ende des Pumpengehäuse 18 befindet, wird die Flüssigkeitskompo- nente gesammelt und durch eine Rückführung 72 wieder der Niederdruckkammer 46 zugeführt, sodass sie in einem Kreislauf wieder zur Verfügung steht oder durch den Abführkanal 50 in den Produktstrom wieder eingebracht wird. FIG 1 zeigt über das in FIG 2 gezeigte Beispiel hinaus, dass die in der ersten Trennstufe flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponenten nicht nur dem unteren Lager 36 sondern auch den beiden Motorlagern 30, 32 und dem oberen Pumpenlager 34 zuge- führt wird. Die Zuführung zu dem oberen Pumpenlager 34 ist in FIG 3 dargestellt.
FIG 3 zeigt das Lager 34 am oberen Ende der Pumpenwelle 6, zu dem die Flüssigkeitskomponente durch das Zuführsystem 66 geführt wird. Das Lager 34 umfasst ein Laufrad 76, das mit der Pumpenwelle 6 rotiert und die Flüssigkeitskomponente im Zuführ- räum 74 zentrifugiert. Hierbei trennen sich Gas (gepunktete Linie) und höher angereicherte Flüssigkeit (gestrichelte Linie), wodurch eine zweite Trennstufe 78 gebildet wird. Eine gasangereicherte Gaskomponente durchströmt den im Laufrad 76 radial innen liegenden Gaskanal 80 und wird dort durch einen Labyrinthring 82 in einen Raum 84 geführt, wobei der Labyrinthring 82 wie eine Pumpe wirkt und die Gaskomponente nach oben in den Raum 84 drückt. Die nach außen geschleuderte Flüssigkeitskomponente wird durch einen Spalt zwischen einem Lagerelement 68 und dem Laufrad 76 gedrückt und schmiert dieses und kühlt es auch, da die Temperatur der Flüssigkeitskomponente im Kühler 62 signifikant reduziert wurde. Eine weitere Funktion der Trennstufe ist es eine Vermischung von Flüssigkeitskomponente und Gaskomponente zu verhindern oder zumindest zu unterdrücken.
Das Zentrifugalelement 76 lagert die Welle 6 in dem Lager 34, sodass es sowohl die Zentrifugenfunktion der zweiten Trennstufe 78 als auch eine Lagerfunktion für die Pumpenwelle 6 erfüllt. Entsprechend wird die Flüssigkeitskomponente durch das Zentrifu- galelement 76 von der gasangereicherten Gaskomponente getrennt und kühlt im Durchströmen des Lagerspalts des Lagers 34 eben jenes die Trennung verursachendes Element.
Im weiteren Verlauf erreicht auch die kühlende Flüssigkeitskomponente den Raum 84, in dem, wie in FIG 1 dargestellt ist, die Kupplung 38 zwischen Motorwelle 4 und Pumpenwelle 6 angeordnet ist. Während die Flüssigkeitskomponente die Kupplung 38 im Wesentlichen nicht erreicht, sondern durch einen Abführkanal 86 nach unten abgeführt wird, steigt die gasangereicherte Gaskomponente im Raum 84 nach oben und umströmt die Kupplung 38. Hierdurch wird die Kupplung 38 gekühlt, ohne dass deren Reibung signifikant erhöht wird. Die Pumpe 2 macht sich hier den Gravitationseffekt zunutze, dass das Gas nach oben steigt und die Flüssigkeitskomponente nach unten abfließt. Eine streng getrennte Gas- und Flüssigkeitsführung ist hierdurch nicht notwendig und die beiden Komponenten können gemeinsam dem Raum 84 zugeführt werden und bleiben dennoch getrennt.
Die Flüssigkeitskomponente fließt durch die Abführung 86 nach unten in die Nieder- druckseite 20 und damit in den Produkteingang 12 zurück und wird so mit dem zu pumpenden Produktstrom vereinigt. Die nach oben aufsteigende Gaskomponente steigt durch bauartbedingte Ausnehmungen in der Mehrphasenpumpe 2 nach oben und sammelt sich in einem oberen Sammelraum 88 unter dem oberen Ende des Motorgehäuses 90.
Ganz ähnlich wie zu FIG 3 beschrieben, wird mit der Flüssigkeitskomponente verfahren, die im Zuführsystem 66 das obere Lager 30 erreicht, das in FIG 4 detaillierter dargestellt ist. Auch hier ist eine zweite Trennstufe 78 mit einem Zentrifugalelement 92, einem Gaskanal 94 und einem Labyrinthring 96 zum Pumpen der gasangereicherten Gas- komponente nach oben vorhanden, in diesem Fall in den Sammelraum 88. Die durch die Rotation des Zentrifugalelements 92 radial nach außen abgetrennte Flüssigkeitskomponente wird wieder durch einen Lagerspalt zwischen Zentrifugalelement 92 und einem Lagerelement 98 hindurch geführt und kühlt somit das Lager 30 und schmiert es zusätzlich. Außerdem wird die Welle 6 über das Zentrifugalelement 92 gelagert.
In gleicher Weise wird auch mit dem Lager 32 verfahren, auf dessen detailliertere Darstellung hier verzichtet wird. Auch das Lager 32 weist ein Zentrifugalelement 92 und somit eine zweite Trennstufe 78 auf, in der - ebenso wie im Lager 30 und im Lager 34 - die vom Zuführsystem 66 herangebrachte flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskompo- nente von einem Gasanteil befreit wird und somit eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente bildet. Die höher angereicherte Flüssigkeitskomponente kühlt das Zentrifugalelement 92 und auch das gesamte Lager 32 und schmiert es zugleich. Die gasangereicherte Gaskomponente steigt auf und erreicht einen Ringspalt 100 zwischen Rotor 28 und Stator 24 der Motoreinheit 8. Dieser Ringspalt 100 ist durch eine Topf radial nach außen verschlossen, sodass die dieelektrische Flüssigkeit, die den Stator 24 kühlt und durch einen Kühler 102 in einem Kühlkreislauf geführt wird, nicht in den Ringspalt 100 und damit an den Rotor 28 gelangen kann. Die Gaskomponente steigt im Ringspalt 100 nach oben auf und umfließt den gesamten Rotor 28, auf den es kühlend wirkt. Durch bauartbedingte Zwischenräume gelangt auch diese Gaskomponente in den oberen Sammelraum 88 und wird dort angereichert.
Bei dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden sowohl die Flüssigkeitskomponente aus dem Lager 30 als auch die Gaskomponente aus dem oberen Sammelraum 88 in einer Abführung 104 kreislaufartig in die Niederdruckkammer 46 zurückgeführt. Alternativ ist es möglich, die gasangereicherte Gaskomponente aus dem oberen Sam- melraum 88 in einer separaten Gasableitung einem Gaskühler zuzuführen, dort abzukühlen und im weiteren Verlauf einen zu kühlenden Gasbereich der Mehrphasenpumpe 2 zuzuführen. Der Gaskühler kann beispielsweise meerwasserumspült sein, so dass eine Kühlung einfach erreicht wird. Wie in FIG 1 angedeutet ist, ist die Mehrphasenpumpe 2 in Gasbereiche 106 und Flüssigkeitsbereiche 108 einteilbar, die vertikal übereinander geschichtet in der Mehrphasenpumpe 2 angeordnet sind. Die Gasbereiche 106 sind solche Bereiche, denen die gasangereicherte Gaskomponente zugeführt wird, beispielsweise zur Kühlung der Kupplung 38 oder zur Kühlung des Rotors 28. Die Flüssigkeitsbereiche 108 sind solche Bereiche, denen die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente zur Kühlung und zur Schmierung zugeführt wird, wie das obere Motorlager 30, das untere Motorlager 32, das obere Pumpenlager 34 und das untere Pumpenlager 36. Durch die Auftrennung des Mehrphasengemischs in der ersten Trennstufe 42 und damit die Reinigung vom Feststoff anteil kann die dabei entstehende Flüssigkeitskomponente gereinigt den meh- reren zweiten Trennstufen 78 an den drei oberen Lagern 30, 32, 34 zur weiteren Auftrennung in flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente und gasangereicherte Gaskomponente zugeführt werden. Die dabei entstehende Flüssigkeitskomponente kann in den Flüssigkeitsbereichen 108 zur Kühlung und Schmierung verwendet werden, wobei der Stator 24 beispielsweise mit einem dielektrischen Fluid separat gekühlt wird. Die in der zweiten Trennstufe erzeugte Gaskomponente kann den Gasbereichen 106 zur Kühlung zugeführt werden, ohne dass die Kühlung mit einer hohen Reibung ver- bunden wäre. Das Element im Gasbereich 106 wird somit nur durch die Gaskomponente gekühlt und von der Flüssigkeitskomponente freigehalten.
In zusammenfassenden Worten werden interne Komponenten der Mehrphasenpumpe 2, wie Lager 30, 32, 34, Kupplung 38, durch Bestandteile des gepumpten Mehrphasen- gemischs gekühlt und geschmiert. Hierbei wird das Mehrphasengemisch in einer ersten Trennstufe 42 vom Feststoff anteil zumindest weitgehend befreit und die gereinigte angereicherte Flüssigkeitskomponente zur Kühlung und Schmierung verwendet. Hierbei wird jedoch diese Flüssigkeitskomponente in einer oder mehreren zweiten Trennstufen 78 erneut in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangerei- cherte Gaskomponente getrennt, wobei beide Komponenten zur Kühlung von Pumpenelementen verwendet werden. Die Gaskomponente wird zumindest einem Gasbereich zugeführt, in dem die Gaskomponente eine kühlende Wirkung hat. Die Flüssigkeitskomponente wird zumindest einem Flüssigkeitsbereich 108 zugeführt, der von dem Gasbereich 106 verschieden ist, und in dem die Flüssigkeitskomponente eine kühlende und schmierende Wirkung hat. Auf diese Weise können mehrere Komponenten des Mehrphasengemischs zur Kühlung von Elementen der Mehrphasenpumpe herangezogen werden.
Hierbei wird die Mehrphasenpumpe 2 in mehrere vertikal übereinander angeordnete Schichten beziehungsweise Bereiche 106, 108 eingeteilt und Flüssigkeitskomponente und Gaskomponente werden dem jeweilig zugehörenden Gasbereich 106 beziehungsweise Flüssigkeitsbereich 108 zur Kühlung zugeführt. Die Auftrennung und Zuführung kann hierbei gravitationsgetrieben erfolgen, sodass die Flüssigkeit aus einem gemeinsamen Raum 84 nach unten absinkt und die Gaskomponente nach oben in den Gasbe- reich 106 aufsteigt. Während eine Basisvariante der Erfindung in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, zeigen die FIGen 5 bis 8 alternative Varianten einzelner Komponenten der Mehrphasenpumpe 2. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den FIGen 1 bis 4, auf das bezüglich gleichblei- bender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlich gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen beziffert und nicht erwähnte Merkmale sind in den folgenden Ausführungsbeispielen übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind, um die Beschreibung nicht unnötig in die Länge zu ziehen. Bei der in FIG 5 gezeigten Alternative ist die Mehrphasenpumpe 1 10 im Wesentlichen aufgebaut wie die Mehrphasenpumpe 2 aus FIG 1 , wobei jedoch der Produkteingang 12 tiefer angeordnet ist als der Produktausgang 14. Entsprechend wird der Teil des Mehrphasengemischs, der zur Kühlung und Schmierung der Komponenten verwendet wird, nach oben aus der Hochdruckseite 22 der Pumpeneinheit 10 entnommen. Die La- ger 30, 32, 34, die Kupplung 38 und der Rotor 28 werden gekühlt wie zuvor beschrieben. Die Kühlung des unteren Pumpenlagers 36 ist zu FIG 6 beschrieben.
FIG 6 zeigt den unteren Bereich der Mehrphasenpumpe 1 10 mit dem Lager 36, in dem die Pumpenwelle 6 unten gelagert ist. Die Zuführung von vorgereinigter Flüssigkeits- komponente erfolgt über die Abführung 104 in einen Sammelraum 1 12. Dieser ist mit der Niederdruckseite 20 verbunden, sodass auch Mehrphasengemisch in die Sammelkammer 1 12 einströmen kann oder - je nach Druckverhältnissen - zurückgeführte Flüssigkeitskomponente in die Niederdruckseite 20 und damit in den Produktstrom zurückgeführt werden kann. Durch das Laufrad 48 wird eine erste Trennstufe 42 gebildet, durch die die gasangereicherte Gaskomponente (gepunktete Linie) nach radial innen gezogen und damit von der Flüssigkeitskomponente abgetrennt wird, die radial weiter außen (gestrichelte Linie) geführt ist, und durch das Lager 36 gedrückt wird und dieses schmiert und kühlt. Allerdings wird der größte Teil der Flüssigkeitskomponente radial nach außen gedrückt und durch den Kühler 62 geführt, dort gekühlt und wieder in den unteren Sammelraum 1 14 geführt. Dort liegt also gekühlte Flüssigkeitskomponente vor, sodass das Lager 36 gekühlt werden kann. Ist eine Sandabführung nicht vorgesehen, wie in FIG 6 dargestellt, so sollten die Druckverhältnisse so sein, dass möglichst ein Überdruck in den Sammelkammern 1 12, 1 14 vorliegt, sodass möglichst ausschließlich gereinigte Flüssigkeitskomponente - mit noch vorhandenem Gasanteil - vorliegt und keine Feststoffkomponente in das Zuführsystem 66 gelangt und die Lager 30, 32, 34, 36 beschädigt. Ausserdem kann gemäss FIG 6a eine zusätzliche Sandabführung 124 vorgesehen sein, wobei diese jedoch nicht notwendig ist.
Bei dem in FIG 7 dargestellten Ausführungsbeispiel einer alternativen Mehrphasenpumpe 1 16 ist die Pumpeneinheit 10 oben und die Motoreinheit 8 unten angeordnet. Durch die Dichtung 44 wird hochdruckseitig ein Teil des Mehrphasengemischs abgetrennt und - wie zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschreiben - in einer ersten Trennstufe 42 aufgetrennt, sodass das Lager 36 geschmiert und gekühlt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Flüssigkeitskomponente durch die Schwerkraft nach unten in die Motoreinheit 8 geführt und erreicht so sowohl die Kupplung 38 als auch den Ringspalt 100 zwischen Rotor 28 und Stator 24. Hierdurch kann eine besonders effektive Kühlung der Motoreinheit 8 erreicht werden, allerdings verbunden mit höheren Reibungsverlusten durch die erheblich höhere Viskosität der Flüssigkeitskomponente im Vergleich zur Gaskomponente. Die sich unten in der Mehrphasenpumpe 1 16 sammelnde Flüssigkeitskomponente wird durch den Kühler 62 wieder nach oben und zu den Lagern 36, 34, 32 geführt. In den bei den Lagern 32, 34 vorhandenen zweiten Trennstufen werden Flüssigkeitskomponente und Gaskomponente getrennt und die Gaskomponente kann die Kupplung 38 kühlen oder wird in den Produkteingang 12 zurückgeführt. Die Flüssigkeitskomponente sinkt nach unten und erreicht wiederholt die Motoreinheit 8. Bei dem in FIG 8 gezeigten Ausführungsbeispiel gleicht die Mehrphasenpumpe 2 derjenigen aus FIG 1 . Im Unterschied hierzu weist sie eine weitere Trenneinheit 1 18 auf, in der die abgetrennte Gaskomponente in den Produkteingang 12 zurückgespeist wird. Die gereinigte Flüssigkeitskomponente wird in die Niederdruckkammer 46 geführt. Außerdem wird rückgeführte Flüssigkeitskomponente aus dem Lager 34 nicht durch eine Abführung 86 in den Produkteingang 12 geführt, sondern auch über eine Rückführung 120 dem Kreislauf wieder zugeführt, indem es über die Trennstufe 1 18 geführt wird und danach in die Niederdruckkammer 46. Hierdurch kann der zur Verfügung stehende Flüssigkeitsanteil erhöht und sauberer ausgeführt sein, sodass die Schmierung und Kühlung effektiver durchgeführt werden kann.
Wie aus den Figuren 1 , 5, 7 und 8 zu sehen ist, wird die zur Kühlung der Motoreinheit 8 verwendete dielektrische Flüssigkeit über den Kühler 102 gekühlt und im Kreislauf gehalten. Der Kühler 102 ist außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet und in Seewasser getaucht, sodass eine Abführung der eingebrachten Wärme effektiv erfolgen kann. Über ein Druckausgleichselement 122 wird der Druck innerhalb des Stators 24 an den Druck außerhalb des Stators 24 angeglichen. Als alternative Kühlung der Motorein- heit 8 kann der Stator 24 Kühlkanäle vorsehen, durch die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente aus dem Mehrphasengemisch geführt wird, sodass auf den separaten Kreislauf mit dem dielektrischen Fluid verzichtet werden kann. Auf den externen Kreislauf mit dem Kühler 102 kann verzichtet werden, da die gesamte Kühlung über den Kühler 62 läuft, also sowohl Flüssigkeitskomponente als auch Kühlung für die Küh- lung des Stators und die Kühlung der Pumpenelemente, wie der Lager 30, 32, 34, 36 identisch ist.
Bezuaszeichenliste
2 Mehrphasenpumpe
4 Motorwelle
6 Pumpenwelle
8 Motoreinheit
10 Pumpeneinheit
12 Produkteingang
14 Produktausgang
16 Pumpstrecke
18 Pumpengehäuse
20 Niederdruckseite
22 Hochdruckseite
24 Stator
26 Stromversorgung
28 Rotor
30 Lager
32 Lager
34 Lager
36 Lager
38 Kupplung
40 Trennsystem
42 erste Trennstufe
44 Dichtung
46 Niederdruckkammer
48 Laufrad
50 Abführkanal
52 Verbindungsleitung
54 Gaskanal
56 Sammelkammer
58 Feststoffkanal
60 Flüssigkeitskanal 62 Kühler
64 Zuführraum
66 Zuführsystem
68 Lagerelement
70 Sammelraum
72 Rückführung
74 Zuführraum
76 Zentrifugalelement
78 zweite Trennstufe
80 Gaskanal
82 Labyrinthring
84 Raum
86 Abführung
88 Sammelraum
90 Motorgehäuse
92 Zentrifugalelement
94 Gaskanal
96 Labyrinthring
98 Lagerelement
100 Ringspalt
102 Kühler
104 Abführung
106 Gasbereich
108 Flüssigkeitsbereich
1 10 Mehrphasenpumpe
1 12 Sammelraum
1 14 Sammelraum
1 16 Mehrphasenpumpe
1 18 Trennstufe
120 Rückführung
122 Druckausgleichselement
124 Sandabführung

Claims

Patentansprüche
1 . Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) zum Pumpen eines kohlenwasserstoffhaltigen Mehrphasengemischs mit einem eine erste Trennstufe (42) aufweisenden Trennsystem (40) zum zumindest teilweisen Trennen von zumindest einem Teil des Mehrphasengemischs in mehrere phasenangereicherte Komponenten und einem Zuführsystem (66) zum Zuführen einer flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente als Schmiermittel zu einem zu schmierenden Pumpenelement.
2. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennsystem (40) eine zweite Trennstufe (78) zum Trennen der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente aufweist.
3. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trennstufe (78) im Zuführsystem (66) vor der Pumpeneinheit angeordnet ist.
4. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trennstufe (78) eine Zentrifuge mit einem rotierenden Zentrifugalelement (76, 92) mit einem innen liegenden Gaskanal (80, 94) und einem außen liegenden Flüssigkeitskanal aufweist, der durch ein Lager zum Lagern des Zentrifugalelements (76, 92) führt.
5. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch eine zentrale Welle (6, 8), durch das Zentrifugalelement (76, 92) gelagert ist.
6. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführsystem (66) eine Kühleinheit (62) zwischen der ersten und der zweiten Trennstufe (42, 78) aufweist.
7. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gaszufuhr von einem Gasausgang des Trennsystems (40) zu einem wärmeerzeugenden Pumpenelement.
8. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gasausgang ein Ausgang einer zweiten
Trennstufe (78) zum Trennen der flüssigkeitsangereicherten Flüssigkeitskomponente in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente ist.
9. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühlgasweg von einem Gasausgang des Trennsystems durch einen Pumpenmotor (8) hindurch für eine gasangereicherte Gaskomponente zum Kühlen des Pumpenmotors (8).
10. Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gaskreislauf für eine gasangereicherte Gaskompo- nente des Trennsystems und eine Kühleinheit im Gaskreislauf.
1 1 . Verfahren zum Betreiben einer Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16), bei dem die
Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) ein kohlenwasserstoffhaltiges Mehrphasengemisch pumpt, ein Teil des Mehrphasengemischs einer ersten Trennstufe (42) eines Trennsystems (40) der Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) zugeführt wird, das Trennsystem (40) den abgetrennten Teil in zumindest eine flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente trennt und die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente zumindest zum Schmieren eines Pumpenelements verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Feststoff anteil des Mehrphasengemischs in der ersten Trennstufe (42) abgetrennt wird und die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente feststoffanteilfrei zum Schmieren verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpeneinheit (10) und/oder eine Motoreinheit (8) der Mehrphasenpumpe (2, 1 10, 1 16) in zumindest einen flüssigkeitsge- kühlten Bereich (108) und zumindest einen gasgekühlten Bereich (106) aufgeteilt ist und die flüssigkeitsangereicherte Flüssigkeitskomponente dem flüssigkeitsge- kühlten Bereich (108) und die gasangereicherte Gaskomponente dem gasgekühlten Bereich (106) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskomponente in einer zweiten Trennstufe (78) des Trennsystems (40) in eine höher angereicherte Flüssigkeitskomponente und eine gasangereicherte Gaskomponente aufgetrennt wird und die höher angereicherte Flüssigkeitskomponente ein Pumpenelement kühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskomponente und die Gaskomponente nach der Trennung in einen gemeinsamen Raum (84) geführt werden, aus dem die Flüssigkeitskomponente nach unten und die Gaskomponente nach oben abgeführt werden.
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