NO337108B1

NO337108B1 - Multiphase pressure amplification pump

Info

Publication number: NO337108B1
Application number: NO20120908A
Authority: NO
Inventors: Åge Hofstad
Original assignee: Aker Subsea As
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2016-01-25
Also published as: BR112015003136A2; AU2013303298A1; US20150315884A1; NO20120908A1; WO2014027895A1

Description

FLERFASE TRYKKFORSTERKNINGSPUMPE MULTIPHASE PRESSURE BOOSTING PUMP

Oppfinnelsens område Field of the invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører en trykkforsterkningspumpe for fluider. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen trykkforsterkning av flerfasestrømmer fra brønner og hydrokarbonproduksjonssystemer, spesielt undersjøiske, hvilke fluider kan ha et meget bredt eller uforutsigbart område med hensyn til sammensetning, fra gass til væske. Oppfinnelsen tilveiebringer en trykkforsterkningspumpe og et system som er spesielt egnet for undersjøisk trykkforsterkning av såkalt våtgass, men pumpen og systemet kan imidlertid også forsterke trykket til fluider med sammensetning fra ren væske til tørr gass. The present invention relates to a pressure booster pump for fluids. More particularly, the invention relates to pressure boosting of multiphase flows from wells and hydrocarbon production systems, especially subsea, which fluids can have a very wide or unpredictable range with regard to composition, from gas to liquid. The invention provides a pressure boosting pump and a system which is particularly suitable for underwater pressure boosting of so-called wet gas, but the pump and system can also boost the pressure of fluids with a composition ranging from pure liquid to dry gas.

Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stand Background for the invention and the state of the art

Undersjøisk pumping og kompresjon er allerede en teknologi som har blitt testet og kvalifisert. Undersjøisk pumping er implementert og undersjøisk kompresjon vil bli implementert i 2015. For undersjøisk trykkforsterkning av brønnstrøm eller undersjøiske system for strømning av våtgass med en variabel sammensetning og i et område med blandet gass og væske, foreskriver teknikkens stand enten å ha minst to undersjøisk anordnede turbomaskiner, nemlig en pumpe og en kompressor, i tillegg til minst en separator og annet utstyr eller en flerfasepumpe med resirkulasjon av væske. Et våtgassfluid vil typisk ha en GVF (gass volum fraksjon) på 70-100 %, typisk rundt 95 %. For undersjøisk trykkforsterkning av våtgass er det mulig å anvende helikoaksiale pumper, men en begrensning med helikoaksiale pumper er imidlertid trykkforsterkningsevnen ved høy GVF, spesielt mot 100 % GVF, hvor det nesten ikke er noen trykkforsterkning overhodet. For undersjøisk trykkforsterkning i tilfelle med høy GVF, er det kjent å resirkulere væske for å gjøre det mulig for flerfasepumper å øke driftsområdet. Dette er imidlertid meget ineffektivt og kostbart, siden trykket til den resirkulerte væsken må strupes ned fra utløpstrykket til innløpstrykket til flerfasepumpen, og det er mye mer energikrevende å pumpe væsken enn å komprimere gassen, hvilket resulterer i et stort energitap. Det kan også brukes fortrengningstype pumper, så som en dobbeltskruepumpe, men mangel på robusthet er imidlertid en begrensende faktor. Hittil har det ikke vært mulig å håndtere store variasjoner i fluidsammensetningen og strømningsraten på en effektiv og pålitelig måte undervann med kun en turbomaskin. Undersjøisk separasjon og separat pumping og kompresjon er imidlertid et krav for å håndtere store variasjoner av sammensetning på en effektiv og pålitelig måte, inkludert høyt vanninnhold, så som under 70 % GVF. Et økende antall turbomaskiner og annet utstyr reduserer gjennomsnittstiden mellom feil. Økende kompleksitet reduserer også den gjennomsnittelige tiden mellom hver feil. For undersjøiske operasjoner, er utstyrets pålitelighet typisk det enkelaspektet med høyest viktighet, siden feil på undersjøisk utstyr kan ha en dramatisk effekt med hensyn til produksjon, økonomi og enkelte ganger miljø og sikkerhet. Subsea pumping and compression is already a technology that has been tested and qualified. Subsea pumping has been implemented and subsea compression will be implemented in 2015. For subsea pressurization of well flow or subsea system for the flow of wet gas with a variable composition and in an area with mixed gas and liquid, the state of the art prescribes either having at least two subsea arranged turbomachines , namely a pump and a compressor, in addition to at least one separator and other equipment or a multiphase pump with liquid recirculation. A wet gas fluid will typically have a GVF (gas volume fraction) of 70-100%, typically around 95%. For subsea pressure boosting of wet gas, it is possible to use helical pumps, but a limitation with helical pumps is the pressure boosting ability at high GVF, especially towards 100% GVF, where there is almost no pressure boosting at all. For subsea pressure boosting in the case of high GVF, it is known to recirculate fluid to enable multiphase pumps to increase their operating range. However, this is very inefficient and expensive, since the pressure of the recycled liquid must be throttled down from the outlet pressure to the inlet pressure of the multiphase pump, and it is much more energy-intensive to pump the liquid than to compress the gas, resulting in a large energy loss. Displacement-type pumps, such as a twin-screw pump, can also be used, but lack of robustness is a limiting factor. Until now, it has not been possible to handle large variations in fluid composition and flow rate in an efficient and reliable way underwater with only one turbo machine. However, subsea separation and separate pumping and compression is a requirement to handle wide variations in composition efficiently and reliably, including high water content such as below 70% GVF. An increasing number of turbo machines and other equipment is reducing the mean time between failures. Increasing complexity also reduces the average time between each failure. For subsea operations, equipment reliability is typically the single aspect of highest importance, since failure of subsea equipment can have a dramatic effect with regard to production, economy and sometimes environment and safety.

Det foreligger derfor et behov for undersjøisk trykkforsterkningsutstyr med økende grad av enkelhet, allsidighet og pålitelighet sammenlignet med kjent utstyr. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å oppfylle dette kravet. There is therefore a need for subsea pressure boosting equipment with an increasing degree of simplicity, versatility and reliability compared to known equipment. The purpose of the present invention is to fulfill this requirement.

Relevant teknikk er beskrevet i patentpublikasjonene NO 168965 B og NO 307226 B. Relevant technology is described in the patent publications NO 168965 B and NO 307226 B.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Oppfinnelsen tilveiebringer et system forflerfasepumping, omfattende en flerfase trykkforsterkningspumpe og en separator, et flerfase fluidinnløp forbundet med pumpen, et flerfaseutløp fra separatoren, et utløp fra pumpen anordnet til et innløp til separatoren, et væskeutløp til separatoren anordnet til et væskeinnløp på pumpen, og en kraftgjenvinningsturbin anordnet mellom væskeutløpet til separatoren og væskeinnløpet til pumpen. Systemet særpreges ved at et utløp fra kraftgjenvinningsturbinen leverer hele fluidmengden til pumpen og kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet til pumpen. The invention provides a system for multiphase pumping, comprising a multiphase booster pump and a separator, a multiphase fluid inlet connected to the pump, a multiphase outlet from the separator, an outlet from the pump arranged to an inlet to the separator, a liquid outlet to the separator arranged to a liquid inlet on the pump, and a power recovery turbine arranged between the liquid outlet of the separator and the liquid inlet of the pump. The system is characterized by the fact that an outlet from the power recovery turbine delivers the entire fluid quantity to the pump and can deliver fluid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet to the pump.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en flerfase trykkforsterkningspumpe innbefattende en motor, en eller flere impellere anordnet på en aksel felles med en motoraksel eller koblet til motoren, et trykkhus, et flerfasefluid innløp og et utløp, idet pumpen videre omfatter et væskeinnløp og en The invention also provides a multiphase pressure booster pump including a motor, one or more impellers arranged on a shaft in common with a motor shaft or connected to the motor, a pressure housing, a multiphase fluid inlet and an outlet, the pump further comprising a fluid inlet and a

kraftgjenvinningsturbin, hvor kraftgjenvinningsturbinen er anordnet mellom power recovery turbine, where the power recovery turbine is arranged between

væskeinnløpet og pumpeimpellerne. Pumpen særpreges ved at et utløp fra kraftgjenvinningsturbinen leverer hele fluidmengden til pumpen og kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet til pumpen. the liquid inlet and the pump impellers. The pump is characterized by the fact that an outlet from the power recovery turbine delivers the entire fluid quantity to the pump and can deliver fluid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet to the pump.

Med de foretrukne utførelsesformene av systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen, blir gassen komprimert med roterende væske i pumpeimpellerne mens 60-90 %, typisk 75 % av energien til den resirkulerte væsken blir gjenvunnet. For et typisk våtgass flerfasefluid, blir ca. 50 % av motorenergien erstattet med energi gjenvunnet av turbinen, hvilket resulterer i betydelig potensiale for besparelse av energi og krav til hjelpeutstyr og tilførselskjeder. With the preferred embodiments of the system and pump according to the invention, the gas is compressed with rotating liquid in the pump impellers while 60-90%, typically 75% of the energy of the recycled liquid is recovered. For a typical wet gas multiphase fluid, approx. 50% of engine energy replaced with energy recovered by the turbine, resulting in significant potential for saving energy and requirements for auxiliary equipment and supply chains.

Pumpen omfatter fortrinnsvis flerfase impellere eller-blader, og hver impeller omfatter fortrinnsvis minst ett blad eller en radial fluidkanal. Impellerne er fortrinnsvis i henhold til læren i WO 2011/000821, som det herved refereres til. Kraftgjenvinningsturbinen er fortrinnsvis anordnet på pumpeakselen, alternativt en separat turbinaksel med en generator som er koblet til en motor eller en motoraksel. Kraftgjenvinningsturbinen tilfører den injiserte væsken, eller væskerik strøm med 0-10 eller 0-5 % GVF, fortrinnsvis 0 % GVF, til pumpeimpellerne. Flerfaseinnløpene leder flerfasefluidet, som typisk er gassrikt, til pumpeimpellerne. Kraftgjenvinningsturbinen gjenvinner energi fra den resirkulerte væsken, reduserer kraftbehovet, og den injiserte væsken forbedrer trykkforsterkningen av gassen til flerfasefluidet ved rotasjon av væske, hvilket vil bli nærmere forklart under. Kraftgjenvinningsturbinen er fortrinnsvis av en innoverstrøms-type, så som en Francistype turbin, som lar væsken bli tilført nær pumpens rotasjonsakse, og fordelen med dette vil bli forstått utfra den etterfølgende beskrivelsen. The pump preferably comprises multi-phase impellers or blades, and each impeller preferably comprises at least one blade or a radial fluid channel. The impellers are preferably according to the teaching in WO 2011/000821, which is hereby referred to. The power recovery turbine is preferably arranged on the pump shaft, alternatively a separate turbine shaft with a generator which is connected to a motor or a motor shaft. The power recovery turbine supplies the injected liquid, or liquid-rich stream with 0-10 or 0-5% GVF, preferably 0% GVF, to the pump impellers. The multiphase inlets lead the multiphase fluid, which is typically gas-rich, to the pump impellers. The power recovery turbine recovers energy from the recycled fluid, reducing the power requirement, and the injected fluid improves the pressure amplification of the gas to the multiphase fluid by fluid rotation, which will be further explained below. The power recovery turbine is preferably of an inflow type, such as a Francis type turbine, which allows the fluid to be supplied close to the pump's axis of rotation, and the advantage of this will be understood from the following description.

Pumpen og systemet i henhold til oppfinnelsen anvender resirkulering av væske for å oppnå trykkforsterkning av en gassrik flerfase innløpsstrøm. Dette skjer ved å blande den gassrike flerfasestrømmen med væskerik væskeinjeksjonsstrøm, å øke trykket med pumpeimpellerne, å separere ut gassen slik at gassen kan føres til mottageren og å bringe en væskerik strøm tilbake til lavtrykks flerfase brønnstrømmen ved anvendelse av en kraftgjenvinningsturbin for å gjenvinne noe av energien i den resirkulerte strømmen. The pump and system according to the invention use recirculation of liquid to achieve pressure amplification of a gas-rich multiphase inlet stream. This is done by mixing the gas-rich multiphase stream with the liquid-rich liquid injection stream, increasing the pressure with the pump impellers, separating out the gas so that the gas can be fed to the receiver, and returning a liquid-rich stream to the low-pressure multiphase well stream using a power recovery turbine to recover some of the energy in the recycled stream.

Med pumpen og systemet i henhold til oppfinnelsen, er det med en enkel turbomaskin mulig å effektivt og mer pålitelig pumpe el ler forsterke trykket til fluid som kan ha en gass til væske volumfraksjon fra 0 til 100 %, så som 0-95 % GVF. Et redusert kraftbehov skyldes den energieffektive løsningen og den økte gjennomsnittstiden mellom feil skyldes løsningens enkelthet. Et egnet fluid er våtgass med GVF i området 70-100 %, men også ren væske kan pumpes. Dersom væskefraksjonen er høy, kan flerfasepumpen pumpe væske, dersom væskefraksjonen blir redusert mot tørrgass, blir væske resirkulert gjennom pumpen i henhold til behov. Pumpen opererer ved en lavere omdreiningshastighet enn en kompressor, typisk rundt halvparten til to tredjedeler av kompressorhastigheten (3-7000 rpm sammenlignet 8-12000 rpm for gasskompressorer), men uansett er gasskompresjon også effektiv for tørrgass eller nesten tørrgass på grunn av væskeinjeksjonen som beskrevet. Samtidig, i motsetning til en kompressor, kan også flerfasefluid med lav GVF og ren væske også pumpes effektivt. With the pump and system according to the invention, it is possible with a simple turbo machine to efficiently and more reliably pump or boost the pressure of fluid that can have a gas to liquid volume fraction from 0 to 100%, such as 0-95% GVF. A reduced power requirement is due to the energy-efficient solution and the increased average time between failures is due to the simplicity of the solution. A suitable fluid is wet gas with a GVF in the range of 70-100%, but pure liquid can also be pumped. If the liquid fraction is high, the multiphase pump can pump liquid, if the liquid fraction is reduced towards dry gas, liquid is recycled through the pump according to need. The pump operates at a lower rotational speed than a compressor, typically around half to two-thirds of the compressor speed (3-7000 rpm compared to 8-12000 rpm for gas compressors), but regardless, gas compression is also effective for dry gas or nearly dry gas due to the liquid injection as described. At the same time, unlike a compressor, multiphase fluid with low GVF and pure liquid can also be pumped efficiently.

Pumpen og systemet er spesielt egnet for bruk med våtgass feltstrømmer som har en liten til midlere størrelse. På grunn av begrensninger med hensyn til den kraften som kan oppnås med en enkelt trykkforsterkningsturbomaskin, så som forårsaket av mekanisk ustabilitet eller begrensninger relatert til elektrisk kraft, kan de største gassfelt strømningsratene fra store felt være for store for en enkelt maskin på et felt. Også for store våtgassfelt er imidlertid systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen hensiktsmessige siden anbringelse av flerfasepumper eller systemer i henhold til oppfinnelsen parallelt eller i serie, fremdeles vil redusere antallet maskiner og kompleksiteten sammenlignet med tidligere kjent teknologi. The pump and system are particularly suitable for use with wet gas field flows that have a small to medium size. Due to limitations on the power that can be achieved with a single boost turbomachine, such as caused by mechanical instability or limitations related to electrical power, the largest gas field flow rates from large fields may be too large for a single machine in a field. Even for large wet gas fields, however, the system and the pump according to the invention are appropriate since placing multiphase pumps or systems according to the invention in parallel or in series will still reduce the number of machines and the complexity compared to previously known technology.

Med parallelle systemer eller pumper i henhold til oppfinnelsen, øker strømnings- eller produksjonssikkerheten sammenlignet med tidligere kjente løsninger med separat pumpe for væske og kompressor for gass. Mer spesielt må produksjonen typisk stanses med de tidligere kjente løsningene dersom en av to turbomaskiner pumpe og kompressor feiler, men med parallelle pumper eller systemer i henhold til oppfinnelsen, kan produksjonen fortsette selv om en av de to turbomaskinene feiler. With parallel systems or pumps according to the invention, flow or production reliability increases compared to previously known solutions with a separate pump for liquid and compressor for gas. More specifically, production must typically be stopped with the previously known solutions if one of two turbomachines, pump and compressor, fails, but with parallel pumps or systems according to the invention, production can continue even if one of the two turbomachines fails.

I foretrukne utførelsesformer av systemet og pumpen i henhold til oppfinnelsen er flerfase innløpet anordnet til pumpen nedstrøms av turbinen men oppstrøms av pumpeimpellerne, for derved å blande lavtrykks gassrik innløpsbrønnstrøm med væskerik strøm fra turbinene med likt trykk, ved å gjenvinne energien til den resirkulerte væskerike strømmen i turbinen og å komprimere gassen med roterende væske i impellerne. Fortrinnsvis er koblingen for væske fra turbinen anordnet slik væsken injiseres inn i pumpeimpellerne nær rotasjonsaksen, fortrinnsvis nærmere rotasjonsaksen enn den gassrike innløpsbrønnstrømmen. Fortrinnsvis blir resirkulert væske injisert i pumpen innenfor to midlere fluidstrømsbane diametre fra overflaten av det roterende navet eller akselen, mer foretrukket i én, og enda mer foretrukket i en halv midlere fluidstrømningsbane diameter fra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i et ringformet turbinvæsketilførsels strømningstverrsnitt inn i en koaksial ytre ringformet flerfase fluidinnløpsarrangement, slik at væske blir injisert i volumet hvor gassen ellers ville blokkere strømningen. Med andre ord, en ringformet væskestrøm fra turbinen er fortrinnsvis anordnet innenfor en ringformet gassrik strøm fra flerfaseinnløpet. In preferred embodiments of the system and pump according to the invention, the multiphase inlet is arranged to the pump downstream of the turbine but upstream of the pump impellers, thereby mixing low-pressure gas-rich inlet well flow with liquid-rich flow from the turbines at equal pressure, by recovering the energy of the recycled liquid-rich flow in the turbine and to compress the gas with rotating fluid in the impellers. Preferably, the connection for liquid from the turbine is arranged so that the liquid is injected into the pump impellers close to the axis of rotation, preferably closer to the axis of rotation than the gas-rich inlet well flow. Preferably, recycled fluid is injected into the pump within two mean fluid flow path diameters from the surface of the rotating hub or shaft, more preferably within one, and even more preferably within half a mean fluid flow path diameter from the surface of the rotating hub or shaft, such as in an annular turbine fluid supply flow cross-section into a coaxial outer annular multiphase fluid inlet arrangement, so that fluid is injected into the volume where the gas would otherwise block flow. In other words, an annular liquid flow from the turbine is preferably arranged within an annular gas-rich flow from the multiphase inlet.

I en foretrukket utførelsesform av systemet og pumpen, er separatoren integrert med pumpen og turbinen i én maskin, en kjøler er fortrinnsvis anordnet i røret fra separatorens væskeutløp til gjenvinningsturbinens væskeinnløp, og ventiler og instrumentering er fortrinnsvis anordnet for å gi enkel styring. En trykkreguleringsventil kan være anordnet i ledningen til turbininnløpet, for å sikre at den resirkulerte væskens tilførselstrykk fra turbinen alltid kan være lik flerfaseinnløpsstrømmen. I en foretrukket utførelsesform er det anordnet en separat turbin-elektrisk generator i turbinens innløpsrør eller en forgrening derav for å regulere trykket og gjenvinne energi. Dette kan bedre sikre full gjenvinning av energi og trykkregulering samtidig i alle driftsmoduser. Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for forsterkning av trykket til et flerfasefluid, fortrinnsvis under vann, ved å operere systemet i henhold til oppfinnelsen, særpreget ved å resirkulere væske fra separatoren til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende rate ved avtagende væskeinnhold i flerfasefluidet som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet til fluidet som kommer inn i pumpeimpellerne er 95 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere og enda mer foretrukket 70 % eller lavere, idet utløpet fra kraftgjenvinningsturbinen kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet. Fortrinnsvis innbefatter væskeinjeksjons- eller resirkuleringsstrømningsraten 0-50 %, mer foretrukket 30 - 50 % av flerfase innløpsstrømsraten. In a preferred embodiment of the system and pump, the separator is integrated with the pump and turbine in one machine, a cooler is preferably arranged in the pipe from the separator liquid outlet to the recovery turbine liquid inlet, and valves and instrumentation are preferably arranged to provide easy control. A pressure control valve can be arranged in the line to the turbine inlet, to ensure that the recycled fluid supply pressure from the turbine can always be equal to the multiphase inlet flow. In a preferred embodiment, a separate turbine-electric generator is arranged in the turbine's inlet pipe or a branch thereof to regulate the pressure and recover energy. This can better ensure full recovery of energy and pressure regulation simultaneously in all operating modes. The invention also provides a method for boosting the pressure of a multiphase fluid, preferably under water, by operating the system according to the invention, characterized by recycling liquid from the separator to the liquid inlet of the recovery turbine, at an increasing rate when the liquid content of the multiphase fluid entering the the multiphase pump, preferably such that the GVF ratio of the fluid entering the pump impellers is 95% or lower, preferably 80% or lower and even more preferably 70% or lower, the outlet from the power recovery turbine being able to deliver fluid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet . Preferably, the liquid injection or recycle flow rate comprises 0-50%, more preferably 30-50% of the multiphase inlet flow rate.

Oppfinnelsen muliggjør også trykkforsterkning av tørr gass ved tilførsel av en kompatibel væske for resirkulerings-forsterkningsprosessen. I en utførelsesform av oppfinnelsen er dette en fremgangsmåte for å forsterke trykket til en tørrgass, fortrinnsvis under vann, ved å operere pumpen i henhold til oppfinnelsen, særpreget ved å tilføre kompatibel væske til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende rate ved avtagende væskeinnhold i flerfasefluidet som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet til fluidet som kommer inn i pumpeimpellerne er 95 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere og mer foretrukket 70 % eller lavere, fortrinnsvis er væsken en hydrokarbonvæske som kan pumpes videre med den forsterkede gassen, alternativt er væsken hydratinhibert produsert vann eller sjøvann som kan separeres nedstrøms, brukes på en annen måte eller pumpes videre med gassen, idet utløpet fra kraftgjenvinningsturbinen kan levere væske ved et trykk likt med trykket i tørrgass fluidinnløpet. The invention also enables pressure boosting of dry gas by supplying a compatible liquid for the recirculation-boosting process. In one embodiment of the invention, this is a method for increasing the pressure of a dry gas, preferably under water, by operating the pump according to the invention, characterized by adding compatible liquid to the liquid inlet of the recovery turbine, at an increasing rate with decreasing liquid content in the multiphase fluid which enters the multiphase pump, preferably such that the GVF ratio of the fluid entering the pump impellers is 95% or lower, preferably 80% or lower and more preferably 70% or lower, preferably the liquid is a hydrocarbon liquid which can be pumped further with the enhanced gas, alternatively, the liquid is hydrate-inhibited produced water or seawater that can be separated downstream, used in another way or pumped on with the gas, as the outlet from the power recovery turbine can deliver liquid at a pressure equal to the pressure in the dry gas fluid inlet.

Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av en flerfasepumpe eller et system i henhold til oppfinnelsen, for trykkforsterkning av fluid undervann. The invention also relates to the use of a multiphase pump or a system according to the invention, for pressure amplification of fluid underwater.

Figurer Figures

Oppfinnelsen vil bli illustrert med seks figurer, nemlig: The invention will be illustrated with six figures, namely:

Figur 1 som viser prisnippet ved gassforsterkning ved resirkulering av væske, Figur 2 som viser et system og en flerfasepumpe i henhold til oppfinnelsen, med kombinert pumpe, motor og kraftgjenvinningsturbin, Figur 3 som viser et system i henhold til oppfinnelsen med separat pumpe/motor og kraftgjenvinningsturbin/generator, Figur 4 som viser blandeseksjonen for væske ut fra gjenvinningsturbinen og den gassrike brønnstrømmen, i et system og en pumpe i henhold til oppfinnelsen, Figur 5 som viser en kombinert pumpeenhet og separator, i et system og en pumpe i henhold til oppfinnelsen, og Figur 6 som viser detaljer ved gjenvinningsturbinutløpet og flerfasepumpeinnløpet i et system og en pumpe i henhold til oppfinnelsen. Figure 1 which shows the price cut for gas boost when recycling liquid, Figure 2 which shows a system and a multiphase pump according to the invention, with combined pump, motor and power recovery turbine, Figure 3 which shows a system according to the invention with separate pump/motor and power recovery turbine/generator, Figure 4 showing the mixing section for liquid from the recovery turbine and the gas-rich well stream, in a system and a pump according to the invention, Figure 5 showing a combined pump unit and separator, in a system and a pump according to the invention , and Figure 6 which shows details of the recovery turbine outlet and the multiphase pump inlet in a system and a pump according to the invention.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Det vises til figur 1 som viser grunnprinsippet med en væskeresirkulasjonsstrøm som blandes med den gassrike brønnstrømmen, og blandingen blir deretter forsterket til et høyere trykk i flerfasepumpeseksjonen til maskinen og deretter blir gassen separert fra væsken i en separator og væsken føres tilbake til kraftgjenvinningsturbinen hvor en betydelig del av væskens trykkenergi blir gjenvunnet til akselen og blir brukt til å drive flerfasepumpen. Foreliggende oppfinnelse muliggjør væskeresirkulasjon for å unngå å bruke en mengde unødig energi. Reference is made to Figure 1 which shows the basic principle of a liquid recycle stream being mixed with the gas rich well stream and the mixture is then boosted to a higher pressure in the multiphase pump section of the machine and then the gas is separated from the liquid in a separator and the liquid is returned to the power recovery turbine where a significant part of the liquid's pressure energy is recovered to the shaft and is used to drive the multiphase pump. The present invention enables liquid recirculation to avoid using an amount of unnecessary energy.

Det vises til figurene 2 og 4 som viser et system 1 og en flerfase forsterkningspumpe 2 i henhold til oppfinnelsen. Flerfasepumpen 2 omfatter en motor 3, flerfase impellere 4 anordnet på akselen, og en gjenvinningsturbin med løpere 5 anordnet på samme aksel 6 som flerfaseimpellerne. Reference is made to figures 2 and 4 which show a system 1 and a multiphase booster pump 2 according to the invention. The multiphase pump 2 comprises a motor 3, multiphase impellers 4 arranged on the shaft, and a recovery turbine with runners 5 arranged on the same shaft 6 as the multiphase impellers.

Pumpen eller maskinen er plassert inn i et trykkhus 7, hvilket har et innløp 8 for flerfasefluid, et utløp 9 fra pumpen og et innløp 10 for væskeinjeksjon eller The pump or machine is placed in a pressure housing 7, which has an inlet 8 for multiphase fluid, an outlet 9 from the pump and an inlet 10 for liquid injection or

resirkulasjon til gjenvinningsturbinen. recirculation to the recovery turbine.

En separator 11 håret innløp 12 som er forbundet med utløpet 9 til pumpen. Et væskeutløp 14 fra separatoren er forbundet med væskeinnløpet 10 på maskinen for derved å returnere væske til gjenvinningsturbinen. Separatoren innbefatter et flerfaseutløp 13, hvilket utløp eksporterer i hovedsak flerfase fluidgass dersom et væskenivå i separatoren er under åpningen til flerfaseutløpsrøret, dersom væskenivået er over åpningen blir også væske eller i hovedsak væske eksportert. Separatoren og utløpet kan innta mange utførelsesformer. Røret fra væskeutløpet 14 fra separatoren innbefatter en kjøler 15. En strupeventil 16 kan brukes for å hjelpe til med å regulere operasjonen. Ventiler eller separate turbin-generator sett kan være plassert både på innløpet og utløpet til separatoren av denne årsak, og på væskeinnløpet til pumpen. I stedet for eller i tillegg til ventiler, kan strømning og trykk reguleres ved bruk av justerbare føringsfinner oppstrøms av turbinløperne som brukt i turbiner av Francis typen og/eller og justerbare føringsfinner etter pumpeimpellerne. A separator 11 has the inlet 12 which is connected to the outlet 9 of the pump. A liquid outlet 14 from the separator is connected to the liquid inlet 10 of the machine to thereby return liquid to the recovery turbine. The separator includes a multiphase outlet 13, which outlet exports mainly multiphase fluid gas if a liquid level in the separator is below the opening of the multiphase outlet pipe, if the liquid level is above the opening, liquid or mainly liquid is also exported. The separator and outlet can take many forms. The pipe from the liquid outlet 14 from the separator includes a cooler 15. A throttle valve 16 can be used to help regulate the operation. Valves or separate turbine-generator sets can be located both on the inlet and outlet of the separator for this reason, and on the liquid inlet of the pump. Instead of or in addition to valves, flow and pressure can be regulated using adjustable guide fins upstream of the turbine runners as used in Francis type turbines and/or and adjustable guide fins downstream of the pump impellers.

Beskrivelsen angir et arrangement med en separator utenfor flerfasemaskinen. Oppfinnelsen muliggjør også et arrangement hvor flerfasemaskinen er plassert inne i separatoren, hvorved det oppnås en kompakt enhet som vist i fig. 5. The description indicates an arrangement with a separator outside the polyphase machine. The invention also enables an arrangement where the multiphase machine is placed inside the separator, whereby a compact unit is obtained as shown in fig. 5.

Alternativt er flerfasepumpen og gjenvinningsturbinen, og separatoren, separate enheter, som vist i fig. 3, som viser en separat turbin-generator, hvor turbinen 5 og generatoren 20 er kombinert til en enhet. Alternatively, the multiphase pump and the recovery turbine, and the separator, are separate units, as shown in fig. 3, which shows a separate turbine-generator, where the turbine 5 and the generator 20 are combined into one unit.

Under drift vil en sensor (ikke vist) måle væskeinnholdet, GVF forhold eller tilsvarende og overvåker fortrinnsvis flerfaseinnløpsstrømmen. En reguleringsmekanisme for væskenivået, forsynt med instrumentering eller med utforming som vist, sikrer opprettholdelse av tilstrekkelig væske i separatoren for å sikre tilstrekkelig væske for resirkulasjon av væske gjennom flerfasepumpen for effektiv kompresjon i situasjoner med meget tørr flerfaseinnløpsstrøm til pumpen, det vil si minst 5 % væskestrøm for en tørrgass innløpsstrøm. Separatorvolumet eller separasjonseffekten bør være tilstrekkelig for kontinuerlig resirkulering av nødvendig væske-resirkulasjonsstrømningsrate fra separatoren for å håndtere den ønskede forsterkningen. I situasjoner med meget tørr flerfasefluid, må væskeresirkulasjonen være tilstrekkelig til å sikre effektiv trykkforsterkning, en GVF på 95 % eller lavere gjennom impellerne er ansett egnet for effektiv trykkforsterkning. During operation, a sensor (not shown) will measure the liquid content, GVF ratio or equivalent and preferably monitors the multiphase inlet flow. A liquid level control mechanism, instrumented or designed as shown, ensures maintenance of sufficient liquid in the separator to ensure sufficient liquid for recirculation of liquid through the multiphase pump for efficient compression in situations of very dry multiphase inlet flow to the pump, i.e. at least 5% liquid flow for a dry gas inlet flow. The separator volume or separation power should be sufficient to continuously recycle the required liquid recycle flow rate from the separator to handle the desired gain. In very dry multiphase fluid situations, fluid recirculation must be sufficient to ensure effective pressure boosting, a GVF of 95% or lower through the impellers is considered suitable for effective pressure boosting.

Det vises til figur 6 som viser en foretrukket utførelsesform ved blanding av væske og gass i turbin-flerfase innløps-impeller koblingen. Væskeinjeksjon fra gjenvinningsturbinen 17 blir gjort nærmere akselen og det gassrike brønnstrømsinnløpet 18 blir gjort på den ytre periferien. Det anses å være en stor fordel å injisere væske nær pumpeakselens rotasjonsakse, siden dette er der hvor gassen akkumuleres i henhold til forsøk og simuleringer, mens trykkoppbyggingen i substans skjer videre ut på impellerbladene. Den injiserte væsken vil derved trekke med seg gassen til de ytre delene av impellerbladene for en mer effektiv trykkforsterkning. Som nevnt bør væsken injiseres i pumpen i to midlere fluidstrømsbanediametre fra overflaten av det roterende navet eller akselen, mer foretrukket innen én, og enda mer foretrukket innen en halv midlere fluidstrømningsbanediameterfra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i et ringformet turbin væsketilførsels strømningstverrsnitt inn i et koaksial ytre ringformet flerfasefluid innløpsarrangement, slik at væsken blir injisert i volumet hvor gassen ellers ville blokkere strømningen. Med andre ord er det fortrinnsvis anordnet en ringformet fluidstrøm fra turbinen inne i en ringformet gassrik strøm fra flerfaseinnløpet. Midlere fluidstrømsbanediameter er gjennomsnittet av to ortogonale diametre til strømningsbanen mellom eller langs impellerbladene, ved den indre enden av strømningsbanen, ved akselen eller navet. Reference is made to Figure 6, which shows a preferred embodiment when liquid and gas are mixed in the turbine-multiphase inlet-impeller connection. Liquid injection from the recovery turbine 17 is made closer to the shaft and the gas-rich well stream inlet 18 is made on the outer periphery. It is considered to be a great advantage to inject liquid close to the axis of rotation of the pump shaft, since this is where the gas accumulates according to experiments and simulations, while the pressure build-up in substance takes place further out onto the impeller blades. The injected liquid will thereby draw the gas with it to the outer parts of the impeller blades for a more effective pressure boost. As mentioned, the fluid should be injected into the pump within two mean fluid flow path diameters from the surface of the rotating hub or shaft, more preferably within one, and even more preferably within half a mean fluid flow path diameter from the surface of the rotating hub or shaft, such as in an annular turbine fluid supply flow cross section into a coaxial outer annular multiphase fluid inlet arrangement, so that the liquid is injected into the volume where the gas would otherwise block the flow. In other words, an annular fluid flow from the turbine is preferably arranged inside an annular gas-rich flow from the multiphase inlet. Mean fluid flow path diameter is the average of two diameters orthogonal to the flow path between or along the impeller blades, at the inner end of the flow path, at the shaft or hub.

Den mest foretrukne utførelsesformen er beskrevet og illustrert i detalj for henholdsvis systemet og pumpen, Imidlertid er det mulig med mange tilsvarende utførelsesformer. Pumpen behøver ikke å være en sentrifugalpumpe, men det er tenkelig med også andre rotordynamiske pumpetyper så som blandet strøm, aksiale eller heliko-aksiale pumper og også andre pumpetyper så som en fortrengningstype pumpe, så som en stempel-, plunger-, skrue eller gearpumpe. Videre behøver separatoren ikke å være en gravitasjonstype separator, den kan være av enhver type som er egnet for tilstrekkelig separasjon for å resirkulere mer eller mindre ren væske, så som 0-5 % GFV væske, til turbinene, for eksempel syklonseparatorer eller andre separatorer som anvender rotasjon. Videre kan turbinen være enhver turbin som er egnet for gjenvinning av energi fra væske, også fortrengningstype turbiner så som stempel, plunger, skrue eller andre rotordynamiske radial, blandet strøm eller aksialtyper så som Francis, Kaplan eller propelltype turbiner. Det er mulig å kombinere rotordynamiske og fortrengningsmaskiner med hensyn til turbin og pumpe, men separate aksler, en ytterligere generator på turbinakselen eller gir og koblinger kan være nødvendig for å koble forskjellige turbin og pumpeutforminger, eller å anordne en generator på turbinen og å anordne en elektrisk strømtilførsel fra generatoren til pumpemotoren. Videre kan pumpemotoren være hydraulisk og muliggjøre enkel gjenvinning av energi fra den resirkulerte væsken. The most preferred embodiment is described and illustrated in detail for the system and the pump, respectively. However, many similar embodiments are possible. The pump does not have to be a centrifugal pump, but it is also conceivable with other rotordynamic pump types such as mixed flow, axial or helico-axial pumps and also other pump types such as a displacement type pump, such as a piston, plunger, screw or gear pump . Furthermore, the separator need not be a gravity type separator, it may be of any type suitable for sufficient separation to recycle more or less pure liquid, such as 0-5% GFV liquid, to the turbines, for example cyclone separators or other separators such as applies rotation. Furthermore, the turbine can be any turbine that is suitable for recovering energy from liquid, also displacement type turbines such as piston, plunger, screw or other rotordynamic radial, mixed flow or axial types such as Francis, Kaplan or propeller type turbines. It is possible to combine rotordynamic and positive displacement machines with respect to turbine and pump, but separate shafts, an additional generator on the turbine shaft or gears and couplings may be required to connect different turbine and pump designs, or to arrange a generator on the turbine and to arrange a electrical power supply from the generator to the pump motor. Furthermore, the pump motor can be hydraulic and enable easy recovery of energy from the recycled liquid.

Claims

1. System forflerfasepumping, omfattende en flerfase trykkforsterkningspumpe og en separator, et flerfase fluidinnløp forbundet med pumpen, et flerfaseutløp fra separatoren, et utløp fra pumpen anordnet til et innløp til separatoren, et væskeutløp til separatoren anordnet til et væskeinnløp på pumpen, og en kraftgjenvinningsturbin anordnet mellom væskeutløpet til separatoren og væskeinnløpet til pumpen,karakterisert vedat et utløp fra kraftgjenvinningsturbinen leverer hele fluidmengden til pumpen og kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet til pumpen.1. System for multiphase pumping, comprising a multiphase booster pump and a separator, a multiphase fluid inlet connected to the pump, a multiphase outlet from the separator, an outlet from the pump connected to an inlet to the separator, a liquid outlet to the separator connected to a liquid inlet on the pump, and a power recovery turbine arranged between the liquid outlet to the separator and the liquid inlet to the pump, characterized in that an outlet from the power recovery turbine delivers the entire fluid quantity to the pump and can deliver liquid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet to the pump.

2. System i henhold til krav 1, hvor systemet er anpasset for undersjøisk applikasjon.2. System according to claim 1, where the system is adapted for underwater application.

3. System i henhold til krav 1 eller 2, hvorflerfaseinnløpet er anordnet på pumpen nedstrøms av turbinen men oppstrøms av pumpeimpellerne, for derved å blande lavtrykks gassrik innløpsbrønnstrøm med væskerik strøm med likt trykk fra turbinen, gjenvinne energi fra den resirkulerte væskerike strømmen i turbinen og komprimere gassen ved roterende væske i impellerne.3. System according to claim 1 or 2, wherein the multi-phase inlet is arranged on the pump downstream of the turbine but upstream of the pump impellers, thereby mixing low-pressure gas-rich inlet well flow with liquid-rich flow of equal pressure from the turbine, recovering energy from the recycled liquid-rich flow in the turbine and compressing the gas by rotating fluid in the impellers.

4. System i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3, hvor koblingen for væske fra turbinen er anordnet slik at det injiseres væske inn i pumpeimpellerne nær rotasjonsaksen, fortrinnsvis innen to midlere fluidstrømsbane diametre fra overflaten til det roterende navet eller akselen, mer foretrukket innen én, og enda mer foretrukket innen en halv midlere fluidstrømsbane diameter fra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i en ringformet turbin væsketilførsel strømningstverrsnitt inne i et ringformet flerfasefluid innløpsarrangement.4. System according to any one of claims 1-3, wherein the connection for fluid from the turbine is arranged so that fluid is injected into the pump impellers near the axis of rotation, preferably within two mean fluid flow path diameters from the surface of the rotating hub or shaft, more preferably within one, and even more preferably within half a mean fluid flow path diameter from the surface of the rotating hub or shaft, such as in an annular turbine fluid supply flow cross section within an annular multiphase fluid inlet arrangement.

5. System i henhold til krav 1-4, hvor det er anordnet en kjøler i røret fra separatorens væskeutløp til pumpens væskeinjeksjonsinnløp, hvilke impellerblader er flerfasefluid impellerblader, og separatoren er fortrinnsvis integrert med pumpen og turbinen til én maskin.5. System according to claims 1-4, where a cooler is arranged in the pipe from the separator's liquid outlet to the pump's liquid injection inlet, which impeller blades are multiphase fluid impeller blades, and the separator is preferably integrated with the pump and the turbine of one machine.

6. Flerfase trykkforsterkningspumpe innbefattende en motor, en eller flere impellere anordnet på en aksel felles med en motoraksel eller koblet til motoren, et trykkhus, et flerfasefluid innløp og et utløp, idet pumpen videre omfatter et væskeinnløp og en kraftgjenvinningsturbin, hvor kraftgjenvinningsturbinen er anordnet mellom væskeinnløpet og pumpeimpellerne,karakterisert vedat et utløp fra kraftgjenvinningsturbinen leverer hele fluidmengden til pumpen og kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet til pumpen.6. Multiphase pressure booster pump including a motor, one or more impellers arranged on a shaft in common with a motor shaft or connected to the motor, a pressure housing, a multiphase fluid inlet and an outlet, the pump further comprising a fluid inlet and a power recovery turbine, where the power recovery turbine is arranged between the fluid inlet and the pump impellers, characterized in that an outlet from the power recovery turbine delivers the entire fluid quantity to the pump and can deliver fluid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet to the pump.

7. Pumpe i henhold til krav 6, hvor pumpen er anpasset for undersjøisk applikasjon.7. Pump according to claim 6, where the pump is adapted for underwater application.

8. Pumpe i henhold til krav 6 eller 7, hvor væskeinjeksjonsinnløpet er anordnet i en oppstrømsside av kraftgjenvinningsturbinen for derved å gjenvinne energi i turbinen og forbedre gasskompresjonen ved rotasjon av injisert væske med impellerne.8. Pump according to claim 6 or 7, where the liquid injection inlet is arranged in an upstream side of the power recovery turbine to thereby recover energy in the turbine and improve gas compression by rotation of injected liquid with the impellers.

9. Pumpe i henhold til hvilke som helst av kravene 6-8, hvor koblingen for væske fra turbinen er anordnet til å injisere væske inn i pumpeimpellerne nær rotasjonsaksen, fortrinnsvis innen to midlere fluidstrømningsbane diametere fra overflaten til det roterende navet eller akselen, mer foretrukket innen én, enda mer foretrukket innen en halv midlere fluidstrømningsbane diameter fra overflaten av det roterende navet eller akselen, så som i et ringformet turbintilførsels- strømningstverrsnitt inne i et ringformet flerfase fluidinnløpsarrangement.9. A pump according to any one of claims 6-8, wherein the coupling for fluid from the turbine is arranged to inject fluid into the pump impellers near the axis of rotation, preferably within two mean fluid flow path diameters from the surface of the rotating hub or shaft, more preferably within one , even more preferably within half a mean fluid flow path diameter from the surface of the rotating hub or shaft, such as in an annular turbine feed flow cross-section within an annular multiphase fluid inlet arrangement.

10. Pumpe i henhold til hvilke som helst av kravene 6-9, hvor impellerne innbefatter flerfasefluid blader, og den injiserte væsken har en hastighetskomponent parallelt med flerfase-hastighetsretningen ved koblingen fra turbin til impellere, fortrinnsvis koaksialt rundt en roterende aksel som er felles for motoren, impellerne og turbinen, men koaksialt inne i flerfasefluidet.10. A pump according to any one of claims 6-9, wherein the impellers comprise multiphase fluid blades, and the injected fluid has a velocity component parallel to the multiphase velocity direction at the connection from the turbine to the impellers, preferably coaxially around a rotating shaft common to the engine, the impellers and the turbine, but coaxially inside the multiphase fluid.

11. Fremgangsmåte for forsterkning av trykket til et flerfasefluid, fortrinnsvis under vann, ved å operere systemet i henhold til hvilke som helst av kravene 1-5,karakterisert vedå resirkulere væske fra separatoren til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende rate ved avtagende væskeinnhold i flerfasefluidet som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet til fluidet som kommer inn i pumpeimpellerne er 95 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere og enda mer foretrukket 70 % eller lavere, idet utløpet fra kraftgjenvinningsturbinen kan levere væske ved et trykk likt med trykket i flerfase fluidinnløpet.11. Method for boosting the pressure of a multiphase fluid, preferably under water, by operating the system according to any one of claims 1-5, characterized by recycling liquid from the separator to the liquid inlet of the recovery turbine, at an increasing rate with decreasing liquid content in the incoming multiphase fluid into the multiphase pump, preferably so that the GVF ratio of the fluid entering the pump impellers is 95% or lower, preferably 80% or lower and even more preferably 70% or lower, the outlet from the power recovery turbine being able to deliver fluid at a pressure equal to the pressure in the multiphase fluid inlet.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, hvorved væskeinjeksjonen eller resirkulasjonsstrømsraten innbefatter 30-50 % av flerfase innløpsstrømsraten.12. The method of claim 11, wherein the liquid injection or recirculation flow rate comprises 30-50% of the multiphase inlet flow rate.

13. Fremgangsmåte for å forsterke trykket til en tørrgass, fortrinnsvis under vann, ved å operere pumpen i henhold til hvilke som helst av kravene 6-10,karakterisert vedå tilføre kompatibel væske til væskeinnløpet til gjenvinningsturbinen, ved økende rate ved avtagende væskeinnhold i flerfasefluidet som kommer inn i flerfasepumpen, fortrinnsvis slik at GVF forholdet til fluidet som kommer inn i pumpeimpellerne er 95 % eller lavere, fortrinnsvis 80 % eller lavere og mer foretrukket 70 % eller lavere, fortrinnsvis er væsken en hydrokarbonvæske som kan pumpes videre med den forsterkede gassen, alternativt er væsken hydratinhibert vann, idet utløpet fra kraftgjenvinningsturbinen kan levere væske ved et trykk likt med trykket i tørrgass fluidinnløpet.13. A method of increasing the pressure of a dry gas, preferably under water, by operating the pump according to any one of claims 6-10, characterized by supplying compatible liquid to the liquid inlet of the recovery turbine, at an increasing rate with decreasing liquid content of the entering multiphase fluid in the multiphase pump, preferably such that the GVF ratio of the fluid entering the pump impellers is 95% or lower, preferably 80% or lower and more preferably 70% or lower, preferably the liquid is a hydrocarbon liquid which can be pumped further with the enhanced gas, alternatively is the liquid is hydrate-inhibited water, as the outlet from the power recovery turbine can deliver liquid at a pressure equal to the pressure in the dry gas fluid inlet.

14. Anvendelse av en flerfasepumpe i henhold til krav 6-10 eller et system i henhold til krav 1-5 for trykkforsterkning av fluid under vann.14. Application of a multiphase pump according to claims 6-10 or a system according to claims 1-5 for pressure amplification of fluid under water.