NO20140389A1 - Undersjøisk varmevekslerinnretning og en fremgangsmåte for å forbedre graden av varmeoverføring i en undersjøisk varmeveksler - Google Patents

Description

Uhdarajøisk vannavakslarinnretning og an fraagangamat* for å forbedr* gradart av vanaaovarføring i an undarajaiak varawrakslar

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en undersjøisk varmevekslerinnretning som omfatter en varmeoverføringsanordning, plassert nedsenket i sjøvann, der sjøvannet blir satt i bevegelse for å forbedre varmeoverføringen ved hjelp av tvangsstyrt konveksjon.Foreliggende oppfinnelse vedrører videre en fremgangsmåte for å sørge for tvangsstyrt konveksjon til en varmeoverføringsanordning som er anordnet for overføring av varme fra et prosessmedium for hydrokarbonproduksjon til det omgivende sjøvannet.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk

Ved produksjon av hydrokarbonprodukter offshore brukes varmevekslere i ulike sammenhenger for avkjølingsformål eller for varmegjenvinning. For eksempel når det gjelder å lette gjenvinning av hydrokarbonprodukter og transport av produksjonsfluid, kan varmevekslere nyttes til å regulere temperaturen i hydrokarbonene som gjenvinnes. For å sikre stabil og effektiv drift av undersjøisk produksjonsutstyr, slik som pumper og kompressorer, kan varmevekslere brukes til å regulere temperaturen i smøre- og barrierefluider. For å forklare oppfinnelsen vil de ulike fluidene som kan vare en del i hydrokarbonproduksjonsprosesser bli kalt prosessmedium i denne patentsøknaden.

Overføring av varme fra et prosessmedium til det omgivende sjøvannet kan finne sted i varmevekslerutstyr i form av naturlig konveksjon eller tvangsstyrt konveksjon. Undersjøisk bruk av varmeveksler med tvangsstyrt konveksjon er tidligere kjent teknikk. Ett eksempel finnes i WO 2008/147219 som beskriver en undersjøisk kjøleenhet der et antall konveksjonsspoler er eksponert til sjøvann inne i en trakt som er åpen for sjøvann i toppen og i bunnen, og der en vifte eller impeller i bunnen av trakten kjøres slik at det dannes en stigende strømning av sjøvann gjennom trakten. Andre eksempler kan finnes i WO 2013/004277 og WO 2010/002272, som begge beskriver konveksjonsspoler innrettet innenfor en tett kapsling som sjøvann ved hjelp av pumper kan tvangsstyres til å passere gjennom.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I søk etter mer effektive løsninger vil foreliggende oppfinnelse tilby et alternativ til kjente varmevekslere for undersjøisk bruk.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er derfor å skaffe en varmevekslerinnretning og en fremgangsmåte for undersjøisk bruk som sørger for tvangsstyrt konveksjon ved hjelp av en ukomplisert og pålitelig konstruksjon, som resulterer i en billig men effektiv varmeoverføring fra et prosessmedium til det omgivende sjøvannet.

Andre hensikter inkluderer å oppnå redusert tilgroing av varmevekslerrør på grunn av sedimenter og marinevekster f.eks., så vel som reduserte krav til krafttilførsel til den tvangsstyrte konveksjonen.

I det minste blir en første hensikt oppfylt i en

varmevekslerinnretning der en varmeoverføringsanordning blir eksponert for sjøvann inne i en tank som omfatter en tankvegg som strekker seg fra et tankbunnområde til en tanktopp som er åpen mot sjøvann, et utløp for sjøvann innrettet i bunnregionen av tanken, et resirkuleringsrørsystem som forbinder utløpet med minst én innløpsåpning som er dannet gjennom tankveggen, og en pumpe innrettet i resirkuleringsrørsystemet, idet den minst ene innløpsåpningen for resirkuleringsrørsystemet er innrettet i hovedsak tangensielt i forhold til tankveggen.

En varmevekslerinnretning som er konfigurert slik, vil tillate bruk av en fremgangsmåte for å forbedre virkningsgraden av varmeoverføring i en undersjøisk varmeveksler, idet fremgangsmåten således omfatter: nedsenking av en varmeoverføringsanordning i et definert volum av sjøvann, dannelse av en nedadgående bevegelse i det definerte sjøvannsvolumet ved å trekke sjøvann ut fra et bunnområde i det definerte volumet av sjøvann, og generering av en strømningsvirvel i det definerte volumet av sjøvann ved å resirkulere en andel av det uttrukne sjøvannet.

Følgelig blir strømningsvirvelbevegelsen generert ved hjelp av en pumpe som gir tangensiell hastighet til det resirkulerende vannet når det returneres til det definerte sjøvannsvolumet. Ved å trekke ut vann fra et bunnområde i tanken vil pumpen samtidig tilføre vertikal hastighet og nedadgående bevegelse til volumet av sjøvann i tanken.

I henhold til én utførelse av varmevekslerinnretningen kan resirkuleringsrørsystemet være innrettet for å gi en åpning inn til tanken via to eller flere innløpsåpninger jevnt fordelt rundt omkretsen av tanken. På denne måten kan den tangensielle hastigheten opprettholdes og strømningvirvel-bevegelsen vil være sikret i hele den indre omkretsen av tanken.

Resirkuleringsrørsystemet kan videre være innrettet til å gi en åpning inn til tanken via to eller flere innløpsåpninger fordelt på to eller flere nivåer mellom topp- og bunnområde i tanken.Strømningsvirvelbevegelsen kan dermed opprettholdes eller til og med akselereres mot bunnområdet i tanken.

I varmevekslerinnretningen er en første ventil eller strømningsåpning integrert i resirkuleringsrørsystemet og tjener til å støte ut en del av det resirkulerende vannet til det omgivende sjøvannet på utsiden av tanken. Nærmere bestemt kan første ventil eller strømningsåpning med fordel være innrettet til å støte ut en mengde på 25-75 %, og minst en mengde på 40-60 % eller om lag 50 % av resirkuleringavann til det omgivende sjøvannet på utsiden av tanken.

Fremgangsmåten omfatter på liknende måte et trinn med å støte en del av det resirkulerende vannet ut til det omgivende sjøvannet, idet fortrinnsvis en mengde på 25-75 %, og minst en mengde på 40-60 % eller om lag 50 % av det resirkulerende vannet blir støtt ut samtidig som en lik mengde av det omgivende sjøvannet blir sluppet inn i tanken via den åpne toppen på tanken.

En andre ventil eller strømningsåpning kan være installert i resirkuleringsrørsystemet og innrettet justerbar i forhold til den første ventilen eller åpningen, for å innstille strømningsmengden som blir resirkulert til tanken i forhold til mengden av vann som blir støtt ut til det omgivende sjøvannet.

I én utførelse av varmevekslerinnretningen omfatter resirkuleringsrørsystemet en stigerørseksjon som mater ett eller flere fordelingsrør som omgir tanken på ett eller flere nivåer.

I én utførelse av varmevekslerinnretningen er tanken, eller i det minste en nedre del av tanken, traktformet og skråner inn mot utløpet i bunnområdet av tanken.

I denne utførelsen kan fremgangsmåten inkludere trinnet med å akselerere nedadbevegelsen ved å presse sjøvannet gjennom en innsnevrende passasje under uttrekking.

Den innsnevrende delen av tankveggen kan være utformet som en rett konus, eller kan i andre utførelser ha en parabolsk, konveks eller konkav form.

I én utførelse omfatter utløpet fra tanken en perforert rørseksjon som går oppover fra tankens bunn mot varmeoverføringsinnretningen, i et sentralt område av tanken. Varmeoverføringsanordningen kan omfatte et spiralformet eller serpentinformet rør eller rørsamling, som konvensjonellt.

Kort beskrivelse av teqninqsfiqurene

Utførelser av oppfinnelsen vil bli nærmere forklart nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningsfigurene, som er skjematiske og ikke i målestokk, der: Figur 1 er en planskisse av en varmevekslerinnretning i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser en utførelse av varmevekslerinnretningen illustrert på figur 1, sett fra siden. Figur 3 er en forenklet skjematisk skisse som viser en alternativ utførelse av varmevekslerinnretningen, Figur 4 er en tilsvarende forenklet skjematisk skisse som viser en annen alternativ utførelse av varmevekslerinnretningen, og Figur 5 er en tilsvarende forenklet skjematisk skisse som viser enda en annen utførelse av varmevekslerinnretningen.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser Med henvisning til tegningsfigurene omfatter en undersjøisk varmevekslerinnretning en varmeoverføringsanordning 1 nedsenket i et volum av sjøvann definert og atskilt fra den omgivende sjøen ved vegger og bunn i en tank 2.

Varmeoverføringsanordningen 1 kan omfatte en gruppe med spiralformete eller serpentinformete rør eller rørsamling som har et innløp 3 og et utløp 4 for et varmt medium M som blir sendt gjennom rørene i varmeoverføringsanordningen for avkjøling ved overføring av varme til sjøvannet i tanken. Tanken 2, som har et sirkulært tverrsnitt, har en tanktopp 5 som er åpent for sjøvannet ovenfor tanken. Tanktoppen er definert ved en øvre kant 5 av en omgivende tankvegg 6 som stiger fra et bunnområde 7 til tanktoppen. I bunnområdet av tanken er det dannet et utløp 8 som tillater uttak av sjøvann fra tanken ved hjelp av en pumpe 9 tilkoblet utløpet 8.

Pumpen 9 er installert i et rørsystem 10 for resirkulering av sjøvann, og fører uttatt sjøvann til et fordelingsrør 11. Nærmere bestemt er en rekke fordelingsrør 11, 11', 11'' osv. innrettet på ulike nivåer rundt tanken 2 og kan på denne måten få tilført uttatt vann via en stigerørseksjon 12 som utgjør en del av resirkuleringsrørsystemet. Hvert fordelingsrør 11 er koblet til sjøvannsvolumet i tanken via et eller flere innløpsrør 13, 13', 13'' osv., og injiserer strømning gjennom tankveggen 6 via tilsvarende innløpsåpninger 14, 14', 14'' osv.

Innløpsrørene 13 strekker seg i en vinkel i forhold til tankveggen 6 og i forhold til en radius fra senter av tanken til innløpsåpningen 14. Nærmere bestemt er åpningen på innløpsrørene 13 tilnærmet tangensiell i forhold til tankveggen.

Slik uttrykket er brukt her, skal uttrykket «tilnærmet tangensiell» forstås slik at det gjelder en retning som er parallell eller nær parallell med en sann tangent eller en nesten sann tangent til den sirkulære omkretsen av tanken.

Resultatet er at ved injeksjon inn i tanken via innløpsåpningene 14 blir det resirkulerte vannet innført i retning av omkretsen i tanken, og gir derved tangensiell hastighet og strømningsvirvelbevegelse til en periferisk andel av volumet av sjøvann i tanken (se strømningsvirvel-pilene V på figur 1). Strømningsvirvelbevegelsen går etter hvert inn til de mer sentrale delene av sjøvannsvolumet og passerer rørene i varmeoverføringanordningen 1 før strømning går til utløpet 8.

En andel av det uttrukne vannet, som er noe varmere enn det omgivende sjøvannet ved å ha absorbert varme som er ledet gjennom rørveggene i varmeoverføringsanordningen, blir støtt ut i den omgivende sjøen via en første ventil eller strømningsåpning 15 installert i resirkuleringsrørsystemet 10.

En andre ventil eller strømningsåpning 16 er installert i resirkuleringsrørsystemet som vist på tegningsfigurene. Den andre ventilen eller strømningsåpningen 16 er innstillbar i forhold til første ventil eller strømningsåpning 15, for å kunne innstille strømningsmengden som blir resirkulert til tanken versus mengden av vann som blir støtt ut til det omgivende sjøvannet.

En del av vannet som blir tatt ut fra tanken blir på denne måten støtt ut i den omgivende sjøen via den første ventilen eller strømningsåpningen 15. Ventilen eller strømningsåpningen 15 kan ha fast eller innstillbar åpningsdiameter og dimensjonert eller regulert til å støte ut fra om lag 25 % til om lag 75 % av det uttrukne vannet til den omgivende sjøen. Fortrinnsvis blir minst 40-60 % eller om lag 50 % av det resirkulerende vannet støtt ut.

I alle fall er nettovolumet av resirkulert vann mindre enn volumet som er trukket ut fra tanken, slik at det blir rom for å ta inn en viss mengde friskt sjøvann via den åpne toppen av tanken.

I alle tilfeller vil uttrekking av vann fra tanken til resirkuleringssystemet danne en nedadgående bevegelse i sjøvannet som befinner seg i tanken.

En akselerert nedadgående bevegelse i volumet av sjøvann som finnes i tanken kan bli oppnådd dersom tankveggen eller i det minste en nedre del av tankveggen, eller til og med bunnen av tanken, har form som en trakt som snevres inn mot utløpet 8. En innsnevrende tankbunn kan utføres som en rett konus, slik det er vist i utførelsen på figur 2.

En innsnevrende tankbunn kan alternativt være konstruert med en konveks eller parabolsk form eller en konkav form som vist ved utførelsen på figur 3, som ellers tilsvarer varmeanordningen på figur 2 bortsett fra installasjonen av resirkuleringsrørsystemet 10. Nærmere bestemt er i utførelsen på figur 3 fordelingsrørene 11 integrert i tankveggen slik at innløpsrørene fra den foregående utførelsen kan utelates ved å utforme innløpsåpningene 14 som tangensielt rettede munninger eller dyser som åpner direkte i veggen til fordelingsrørene.

En annen utførelse av varmevekslerinnretningen er vist på figur 4. Utførelsen på figur 4 skiller seg fra de foregående utførelsene når det gjelder strukturen av utløpet 8. Nærmere bestemt omfatter utløpet i utførelsen på figur 4 en rørseksjon 17 som stiger opp mot varmeoverføringsanordningen 1 i et sentralt område av tanken. Et antall hull 18 danner en perforert rørvegg som sjøvann kan bli trukket ut fra på en rekke nivåer nedenfor toppen av tanken. I forskjellige utførelser av oppfinnelsen kan den perforerte rørseksjonen 17 være forlenget inn i varmeoverføringsanordningen, som illustrert.

Enda en annen utførelse av varmevekslerinnretningen er vist i den forenklede skissen på figur 5. Utførelsen på figur 5 tilsvarer de foregående, bortsett fra formen på tanken 2, som i dette tilfellet er formet helt som en trakt. Nærmere bestemt er tankveggen 6 kontinuerlig skrånende fra kanten 5 ved den åpne toppen av tanken til bunnområdet 7, hvor utløpet 8 fører til resirkuleringsrørsystemet 10. I utførelsen på figur 5 er tankveggen bueformet eller konveks eller parabolsk i tverrsnitt. Når vann beveger seg nedover inne i tanken, vil den innsnevrende formen akselerere denne bevegelsen. I tillegg kan en unngå tap som følge av resirkuleringsmønstre av vann i hjørnesoner i bunnen, takket være den jevnt innsnevrende formen.

Legg merke til at formålet med uttrekkingen og resirkulering av vann er å generere tangensiell hastighet og strømningsvirveldannelse omkring varmevekslerrør som er nedsenket i et definert og begrenset volum av sjøvann, og på denne måten fremme tvangsstyrt konveksjon og forsterket overføring av varme og forbedret virkningsgrad for varmeveksling.

Det begrensede volumet av sjøvann omkring varmevekslerrørene fører til reduserte krav når det gjelder rørdiametre og pumpestørrelse sammenliknet med det som kreves for å opprettholde samme sjøvannshastighet f.eks. i en åpen innretning (dvs. uten en omsluttende tank).

Som en illustrasjon kan det nevnes at i følge det som er funnet ved beregning og forsøk, kan en pumpestørrelse på om lag 100-125 kW bli kjørt for å generere en dysehastighet på om lag 10-12 m/s ved utløp fra hvert av ni (3 x 3) innløpsrør med 50 mm diameter innrettet på en tank som har en radius på om lag 1000-1250 mm. I denne oppstillingen av varmevekslerinnretningen kan diameteren av utløpet fra tanken være i størrelsesorden 500 mm, massestrømmen gjennom tanken kan være i størrelsesorden 800-900 kg/s, og strømningshastigheten ved utløpet av de ni innløpsrørene kan være om lag 40 l/s. De tallene som er angitt her, er selvsagt ikke-begrensende eksempler.

Det er alminnelig kjent at overføring av varme via veggene på rørene i en varmeveksler som er nedsenket i sjøvann er proporsjonal med graden av kontinuerlig tilført kaldt sjøvann over varmevekslerrørene og nivået av forstyrrelse/turbulens som blir dannet i vannet ved passasje av varmevekslerrørene. Merk dessuten at den tangensielle hastigheten og strømningsvirvelbevegelsen som blir påført volumet av sjøvann i tanken som er åpen for sjøvann i tillegg forhindrer tilgroing av varmevekslerrør som et resultat av turbulensen som dannes i vannet rundt rørene. Det antas at disse tilstandene i høy grad er oppfylt i alle beskrevne utførelser av oppfinnelsen slik den er definert med særtrekkene og begrensningene i de vedlagte patentkravene.

Claims (16)

1. Undersjøisk varmevekslerinnretning idet en varmeoverføringsanordning (1) blir eksponert for sjøvann inne i en tank (2) som omfatter: en tankvegg (6) som strekker seg fra et tankbunnområde (7) til en tanktopp (5) som er åpen for sjøvann, et utløp (8) for sjøvann innrettet i bunnområdet av tanken, et resirkuleringsrørsystem) (10) som forbinder utløpet (8) med minst én innløpsåpning (14) utformet gjennom tankveggen, samt en pumpe (9) innrettet i resirkuleringsrørsystemet, idet den minst ene innløpsåpningen er innrettet tilnærmet tangensielt i forhold til tankveggen.

2. Varmevekslerinnretning i henhold til krav 1, idet resirkuleringsrørsystemet (10) går inn i tanken via to eller flere inn løps åpn inge r (14, 14', 14") som er jevnt fordelt omkring omkretsen av tanken.

3. Varmevekslerinnretning i henhold til krav 1 eller 2, idet resirkuleringsrørsystemet (10) går inn i tanken via to eller flere innløpsåpninger (14, 14', 14'') som er fordelt i to eller flere nivåer mellom toppen og bunnen av tanken.

4. Varmevekslerinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet en første ventil eller strømningsåpning (15, 16) er integrert i resirkuleringsrørsystemet (10) og tjener til å støte ut en andel av det resirkulerende vannet til det omgivende sjøvannet på utsiden av tanken.

5. Varmevekslerinnretning i henhold til krav 4, idet den første ventilen eller strømningsåpningen (15, 16) er innrettet til å støte ut en mengde på 25-75 %, og minst en mengde på 40-60 % eller om lag 50 % av det resirkulerende vannet til det omgivende sjøvannet på utsiden av tanken.

6. Varmevekslerinnretning i henhold til krav 4 eller 5, idet en andre ventil eller strømningsåpning (16) er installert i resirkuleringsrørsystemet (10) og innrettet justerbar i forhold til den første ventilen eller åpningen (15) slik at en kan innstille strømningsmengden som blir resirkulert til tanken sammenlignet med mengden av vann som blir støtt ut til det omgivende sjøvannet.

7. Varmevekslerinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet resirkuleringsrørsystemet (10) omfatter en stigerørseksjon (12) som mater ett eller flere fordelingsrør (11, 11', 11") som omgir tanken på ett eller flere nivåer.

8.Varmevekslerinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet tanken eller minst en nedre del av denne er traktformet, skrånende mot utløpet i bunnen av tanken.

9. Varmevekslerinnretning i henhold til krav 8, idet tankveggen har parabolsk form.

10. Varmevekslerinnretning av hvilket som helst av de foregående kravene, idet utløpet fra tanken omfatter en perforert rørseksjon (17) som går oppover fra tankbunnen mot varmeoverføringsanordningen (1) i et sentralt område av tanken (2) .

11.Varmevekslerinnretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet varmeoverføringsanordningen (1) omfatter et spiralformet eller serpentinformet rør eller rørsamling.

12.Fremgangsmåte for å forbedre varmeoverføringseffekten i en undersjøisk varmeveksler, idet fremgangsmåten omfatter: nedsenking av en varmeoverføringsanordning i et definert volum av sjøvann. dannelse av en nedadgående bevegelse i det definerte volumet av sjøvann ved å trekke ut sjøvann fra et bunnområde i det definerte volumet av sjøvann, og generering av en strømningsvirvelbevegelse i det definerte volumet av sjøvann ved å resirkulere en andel av det uttrukne sjøvannet.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, idet strømningsvirvelbevegelsen blir generert ved hjelp av en pumpe som tilfører tangensiell hastighet til det resirkulerende vannet når det går tilbake til det definerte volumet av sjøvann.

14. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 12 og 13, idet den omfatter utstøting av en del av det resirkulerende vannet til den omgivende sjøen.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, idet en mengde på 25-75 %, og minst en mengde på 40-60 % eller om lag 50 % av det resirkulerende vannet blir støtt ut.

16. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 12-15, idet fremgangsmåten omfatter å akselerere nedoverbevegelsen ved å presse sjøvannet gjennom en skrånende/innsnevrende passasje ved uttrekking.