NO343020B1 - An underwater hydraulic system that converts stored energy into hydraulic energy via the drive chambers of pumping devices. - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår et hydraulikksystem som er innrettet for frembringelse av hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner på ethvert havdyp, især på dybder utover anslagsvis 300 meter. Hydraulikksystemet er basert på en pumpeanordning som effektivt omdanner energi som kan hentes ut ved en utnyttelse av trykkforskjellen mellom omgivende vanntrykk og et ikke-væskefylt volum i en tank med lavt trykk, slik at det allerede på moderate dyp kan frembringes hydraulisk energi og trykknivåer på nivå med det som oppnås med tradisjonelle undervannshydraulikksystemer.The invention relates to a hydraulic system adapted for generating hydraulic energy for power intensive underwater operations at any depth of sea, especially at depths beyond an estimated 300 meters. The hydraulic system is based on a pump device that efficiently converts energy that can be extracted by utilizing the pressure difference between ambient water pressure and a non-liquid volume in a low pressure tank, so that hydraulic energy and pressure levels can be generated at moderate depth already with what is achieved with traditional underwater hydraulic systems.

Description

Oppfinnelsen angår et hydraulikksystem som er innrettet for frembringelse av hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner på ethvert havdyp, især på dybder utover anslagsvis 300 meter. Hydraulikksystemet er basert på en pumpeanordning som effektivt omdanner energi som kan hentes ut ved en utnyttelse av trykkforskjellen mellom omgivende vanntrykk og et ikke-væskefylt volum i en tank med lavt trykk, slik at det allerede på moderate dyp kan frembringes hydraulisk energi og trykknivåer på nivå med det som oppnås med tradisjonelle undervanns hydraulikksystemer. The invention relates to a hydraulic system which is designed for generating hydraulic energy for power-demanding underwater operations at any sea depth, especially at depths beyond an estimated 300 metres. The hydraulic system is based on a pumping device that efficiently converts energy that can be extracted by exploiting the pressure difference between ambient water pressure and a non-liquid-filled volume in a low-pressure tank, so that even at moderate depths hydraulic energy and pressure levels at with what is achieved with traditional underwater hydraulic systems.

US 6192680 B1 og NO 333477 B1 er publikasjoner som baserer seg på å utnytte forskjellen mellom det innvendige trykket i en tank eller beholder med lavt trykk og trykket i den omgivende vannmassen til direktedrift av dertil egnet hydraulisk utstyr. Kjent teknikk er i eksisterende utførelse egnet for operasjonelt bruk på havdyp utover anslagsvis 6000 fot (ca. US 6192680 B1 and NO 333477 B1 are publications which are based on utilizing the difference between the internal pressure in a tank or container with low pressure and the pressure in the surrounding water mass for direct operation of suitable hydraulic equipment. Known technology is, in its existing design, suitable for operational use at sea depths beyond an estimated 6,000 feet (approx.

1825 meter), idet det man anser at trykket som frembringes på grunnere havdyp, blir for lavt WO 2014/147406 A2 oppviser et apparat med et mekanisk grensesnitt som omfatter en drivaksel koplet til en hydraulisk pumperotor for overføring av inngangsdriftskraft til rotoren for å betjene pumpen. En styreanordning (26) styrer væskestrømmen mellom pumpen og en hydraulisk aktuator for å styre driften av aktuatoren og ønsket funksjon av en anordning. Pumpen, grensesnittet og styreanordningen er tilveiebrakt som en enhet som er løsbar montert på anordningen i et undervannsmiljø og koblet til den hydrauliske aktuatoren for å gi hydraulisk kraft når det trengs. 1825 meters), considering that the pressure generated at shallower ocean depths is too low WO 2014/147406 A2 discloses an apparatus with a mechanical interface comprising a drive shaft coupled to a hydraulic pump rotor for transmitting input drive power to the rotor to operate the pump . A control device (26) controls the fluid flow between the pump and a hydraulic actuator to control the operation of the actuator and the desired function of a device. The pump, interface and control device are provided as a unit releasably mounted on the device in an underwater environment and connected to the hydraulic actuator to provide hydraulic power when needed.

US 2013/0113213 A1 omhandler en fremgangsmåte for å tilveiebringe en hydraulisk kraft til kjemisk injeksjonsanvendelse, og innebærer viderekobling av injeksjonsvæske, og bruk av strømningsomformerenhet til å drive en produksjonsenhet for å generere energi til bruk ved en havbunnsfasilitet. US 2013/0113213 A1 relates to a method for providing a hydraulic power for chemical injection use, and involves diverting injection fluid, and using a flow converter unit to drive a production unit to generate energy for use at a seabed facility.

Ingen av de ovennevnte publikasjoner eller annen teknikk vi kjenner til viser omhandler et hydraulikksystem hvor lagret energi hentes ut lagret via drivkamre. None of the above-mentioned publications or other techniques that we are aware of deal with a hydraulic system where stored energy is extracted from the stored via drive chambers.

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

Oljeindustrien søker stadig etter enklere og mer kostnadseffektive måter til å kunne drive oljeutvinning på store dyp. En av de store utfordringene er å sikre tilgang på tilstrekkelig energi til at man til enhver tid kan foreta de operasjonene som er nødvendige for å forhindre at en potensielt farlig situasjon kan eskalere. The oil industry is constantly looking for simpler and more cost-effective ways to extract oil at great depths. One of the major challenges is to ensure access to sufficient energy to enable the operations necessary to prevent a potentially dangerous situation from escalating at all times.

Fram til i dag er det i all hovedsak hydraulisk kraft som blir benyttet til dette formålet, idet det er relativt enkelt å frembringe slik hydraulisk kraft ved bruk av akkumulatorer hvor trykket i komprimert gass overføres til væske i blære- eller stempelakkumulatorer. Dette er en løsning som anses for å fungere tilfredsstillende på grunne og moderate dyp. Det hydrauliske systemet skal sørge for energi til å drifte ulike typer aktuatorer. Until today, it is mainly hydraulic power that is used for this purpose, as it is relatively easy to produce such hydraulic power using accumulators where the pressure in compressed gas is transferred to liquid in bladder or piston accumulators. This is a solution that is considered to work satisfactorily at shallow and moderate depths. The hydraulic system must provide energy to operate various types of actuators.

I 1999 ble det innvilget amerikansk patent (US 6192680 B1) på et nytt system for frembringelse av hydraulisk energi på store havdyp. Ideen var å utnytte trykkforskjellen mellom væske som har omgivelsestrykk og fleksible volum som oppnår et tilnærmet atmosfærisk trykk ved hjelp av en avluftingslinje opp til overflaten. Det fremgår av patentbeskrivelsen at denne løsningen var tiltenkt dybder utover anslagsvis 6000 fot. På 6000 fots dybde vil differansen mellom omgivende vanntrykk og atmosfærisk trykk representere et drivtrykk på 183 bar, som kan benyttes til å operere dertil egnet hydraulisk materiell. Dette materiellet måtte være konstruert for et stort utvendig overtrykk, mens tradisjonelt subsea basert hydraulikkutstyr i all hovedsak er konstruert for et hydraulisk overtrykk i forhold til omgivende vanntrykk. In 1999, an American patent (US 6192680 B1) was granted for a new system for generating hydraulic energy at great ocean depths. The idea was to utilize the pressure difference between liquid that has ambient pressure and flexible volume that achieves an approximate atmospheric pressure by means of a vent line up to the surface. It appears from the patent description that this solution was intended for depths beyond an estimated 6,000 feet. At a depth of 6,000 feet, the difference between ambient water pressure and atmospheric pressure will represent a driving pressure of 183 bar, which can be used to operate suitable hydraulic equipment. This material had to be designed for a large external overpressure, while traditional subsea-based hydraulic equipment is mainly designed for a hydraulic overpressure in relation to the surrounding water pressure.

NO 333477 B1 beskriver en alternativ fremgangsmåte til frembringelse av et lavt referansetrykk i form av et tilnærmet trykkløst, væskefritt volum i en trykkbestandig tank. Dette oppnås ved at angjeldende tank først blir fullstendig fylt med væske, som så pumpes ut ved hjelp av en dertil egnet fortrengerpumpe. Den vesentligste fordel med denne fremgangsmåten er at det kan etableres et lavt referansetrykk nede i sjø uten at det trengs en avluftingsslange til overflaten. For øvrig har dette patentet i hovedsak de samme begrensninger som US 6,192,680 B1, og løsningen er i den beskrevne utførelsen kun egnet for relativt store havdyp. NO 333477 B1 describes an alternative method for generating a low reference pressure in the form of an almost pressureless, liquid-free volume in a pressure-resistant tank. This is achieved by the tank in question first being completely filled with liquid, which is then pumped out using a suitable displacement pump. The most significant advantage of this method is that a low reference pressure can be established down in the sea without the need for a deaeration hose to the surface. Otherwise, this patent has essentially the same limitations as US 6,192,680 B1, and the solution in the described embodiment is only suitable for relatively large ocean depths.

Selv på relativt grunne dyp er det betydelige energimengder som kan frembringes via aktuatorer som påvirkes av forskjellen mellom omgivende vanntrykk (PAmb) og trykket (PTank) i en tilnærmet trykkløs tank. Potensielt utnyttbar energi E er gitt ved formelen Even at relatively shallow depths, there are significant amounts of energy that can be generated via actuators that are affected by the difference between the ambient water pressure (PAmb) and the pressure (PTank) in an almost pressureless tank. Potentially usable energy E is given by the formula

E = (PAmb-PTank)*V = PAmb*V, der V volumet som kan avgis til tanken. E = (PAmb-PTank)*V = PAmb*V, where V is the volume that can be delivered to the tank.

Hydraulisk materiell som benyttes i undervannsbasert oljevirksomhet er i stor grad innrettet for å driftes av hydraulikktrykk som typisk ligger i området 200 – 350 bar over omgivende vanntrykk. Det betyr at ovennevnte potensielle energi må omformes for å kunne operere tradisjonelt hydraulikkutstyr. Hydraulic equipment used in underwater oil operations is largely designed to be operated by hydraulic pressure that is typically in the range of 200 – 350 bar above ambient water pressure. This means that the above-mentioned potential energy must be transformed in order to operate traditional hydraulic equipment.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene. The purpose is achieved by the features indicated in the description below and in the subsequent patent claims.

Angjeldende oppfinnelse løser dette ved hjelp av en ny pumpeteknologi som er innrettet for å frigjøre og omdanne den potensielle energien i en og samme operasjon. Pumpeanordninger basert på denne teknologien kan skaleres for raskt frembringelse av store energimengder allerede på beskjedne havdyp. Beskrivelsen inneholder tre eksempler med enkle betraktninger og regneeksempler som bl.a. viser at hydraulikksystemer basert på denne pumpeteknologien vil kunne drifte store BOP’er allerede på så vidt grunne havdyp som eksempelvis 300 meter. The invention in question solves this with the help of a new pump technology which is designed to release and transform the potential energy in one and the same operation. Pumping devices based on this technology can be scaled for the rapid production of large amounts of energy already at modest ocean depths. The description contains three examples with simple considerations and calculation examples such as shows that hydraulic systems based on this pump technology will be able to operate large BOPs already at sea depths as shallow as, for example, 300 metres.

Oljeindustrien ønsker å flytte mer av den undervannsbaserte oljevirksomhet ned på havbunnen. Denne nye teknologien gjør det mulig å satse på undervanns installasjoner der de fleste operasjoner, eventuelt alle, kan foretas med nødvendig kraftforsyning fra overflatestyrte undervannsroboter. Robotene kan overføre elektrisk og/eller hydraulisk kraft som kan brukes direkte til operasjon av de ulike ventilarrangementer. Overflatefartøyet vil kunne besørge all nødvendig logistikk mellom undervannsinstallasjonen og fartøyet. Dette kan dreie seg komponenter som må skiftes ut, kjemikalier som skal injiseres i brønnen etc. I et slikt system kunne den hydrauliske reservekapasiteten som kreves for relevante sikkerhetsoperasjoner ligge mer eller mindre permanent lagret på havbunnen i form av tomme, lekkasjesikrede lavtrykkstanker. Man kan kompensere for forbrukt hydraulisk kapasitet ved at tomme væskereservoarer og fylte lavtrykkstanker heves opp til overflaten, og sendes i retur etter at innholdet fra lavtrykkstankene er pumpet over i væskereservoarene. I ytterste konsekvens kan man helt unngå bruk av umbilical, og kontrollfunksjoner og sikkerhetsoperasjoner kan styres av akustiske signaler fra overflaten, i samvirke med en egnet batteripakke nede på installasjonen. The oil industry wants to move more of the underwater oil operations down to the seabed. This new technology makes it possible to focus on underwater installations where most operations, possibly all, can be carried out with the necessary power supply from surface-controlled underwater robots. The robots can transmit electrical and/or hydraulic power that can be used directly to operate the various valve arrangements. The surface vessel will be able to provide all necessary logistics between the underwater installation and the vessel. This could involve components that need to be replaced, chemicals to be injected into the well, etc. In such a system, the hydraulic reserve capacity required for relevant safety operations could be more or less permanently stored on the seabed in the form of empty, leak-proof low-pressure tanks. You can compensate for consumed hydraulic capacity by raising empty liquid reservoirs and filled low-pressure tanks to the surface, and sending them back after the contents from the low-pressure tanks have been pumped into the liquid reservoirs. Ultimately, the use of an umbilical can be completely avoided, and control functions and safety operations can be controlled by acoustic signals from the surface, in cooperation with a suitable battery pack down on the installation.

Ved å utnytte disse mulighetene vil en kunne oppnå vesentlige kostnadsreduksjoner relatert til så vel oppstart som drift av fremtidige subsea brønner. By exploiting these opportunities, it will be possible to achieve significant cost reductions related to both start-up and operation of future subsea wells.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen. The invention is defined by the independent patent claim. The independent claims define advantageous embodiments of the invention.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere forklart med henvisning til figurene 1 - 4, der - Fig 1 A og B viser et forenklet riss av prinsippet for eksisterende teknologi innrettet til å utnytte forskjellen mellom omgivende vanntrykk og et kammer eller tank med lavt innvendig trykk. The invention will be further explained in the following with reference to figures 1 - 4, where - Fig 1 A and B show a simplified outline of the principle of existing technology designed to utilize the difference between ambient water pressure and a chamber or tank with low internal pressure.

- Fig 2 viser et riss av en pumpeanordning ifølge oppfinnelsen - Fig 2 shows a drawing of a pump device according to the invention

- Fig. 3 viser et riss av pumpeanordningens sjaltemekanisme - Fig. 3 shows a sketch of the pump device's switching mechanism

- Fig. 4 viser et riss av et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen - Fig. 4 shows a diagram of a hydraulic system according to the invention

Den følgende beskrivelse forenkles ved at vi regner trykket på overflaten som 1 bara , og at trykket i sjø øker med 1 bar for hver tiende meter med dybdeøkning. Eksempel; omgivende trykk på 300 meters dyp = 31 bara. The following description is simplified by calculating the pressure on the surface as 1 bara, and that the pressure in the sea increases by 1 bar for every ten meters of increase in depth. Example; ambient pressure at a depth of 300 meters = 31 bara.

Videre vil væske som har tilnærmet samme trykk som omgivende vann bli betegnet som ”trykkutliknet væske”, Furthermore, a liquid that has approximately the same pressure as the surrounding water will be termed a "pressure equalized liquid",

Et reservoar som inneholder trykkutliknet væske betegnes som ”trykkutliknet reservoar”, og en tank som inneholder et væskefritt volum med lavt trykk betegnes som ”lavtrykkstank”. A reservoir that contains pressure-compensated liquid is called a "pressure-compensated reservoir", and a tank that contains a liquid-free volume at low pressure is called a "low-pressure tank".

Fig. 1 viser et prinsippriss for kjent teknikk vedr. hydraulikksystem som utnytter trykkforskjellen mellom trykkutliknet væske og en lavtrykkstank 3). I fig.1A oppnås et væskefritt volum i lavtrykkstanken 3) som samtidig gjort tilnærmet trykkløs, ved at en fortrengerpumpe 1) fjerner væske. Dette samsvarer med NO 333477. I dette oppsettet avgis væsken til et elastisk reservoar 12). Fig. 1 shows a principle price for known technology regarding a hydraulic system that utilizes the pressure difference between a pressure-compensated liquid and a low-pressure tank 3). In Fig. 1A, a liquid-free volume is achieved in the low-pressure tank 3) which is simultaneously made almost depressurised, by a displacement pump 1) removing liquid. This corresponds to NO 333477. In this set-up, the liquid is discharged into an elastic reservoir 12).

Fig.1B viser tilsvarende en utførelse i samsvar med US 6,192,680 B1. Her oppnås et væskefritt volum og tilnærmet atmosfæretrykk i tanken 3) ved hjelp av en avluftingslinje til overflaten. Gass og væske holdes adskilt av en lekkasjefri barriere i form av et stempel 2). Hydrauliske forbrukere er representert ved aktuatoren 8). Slagretningen på denne kan endres ved å kople om i sjalteblokken 10). I den viste posisjon vil åpning av ventilen 6) føre til at porten 9) får tilførsel av væske fra reservoaret 12) via rørforbindelsen 11), og at aktuatoren avgir en tilsvarende væskemengde til tanken via porten 7). Aktuatoren vil følgelig trekke seg sammen. Fig. 1B correspondingly shows an embodiment in accordance with US 6,192,680 B1. Here, a liquid-free volume and approximate atmospheric pressure is achieved in the tank 3) by means of a venting line to the surface. Gas and liquid are kept separate by a leak-free barrier in the form of a piston 2). Hydraulic consumers are represented by the actuator 8). The stroke direction of this can be changed by switching the switching block 10). In the position shown, opening the valve 6) will cause the port 9) to receive a supply of liquid from the reservoir 12) via the pipe connection 11), and the actuator to release a corresponding amount of liquid to the tank via the port 7). The actuator will therefore contract.

Ved kjent teknikk iht. fig.1 A, gis aktuatoren et definert drivtrykk som tilsvarer omgivende vanntrykk. Den praktiske betydningen av dette er at det hydrauliske materiellet må være tilpasset den aktuelle dybden, og at man trenger en betydelig dybde før man oppnår kraften som kreves for å kunne oppnå en tilfredsstillende rask aktivering av eksempelvis en BOP. By known technique according to fig.1 A, the actuator is given a defined drive pressure that corresponds to the surrounding water pressure. The practical significance of this is that the hydraulic equipment must be adapted to the depth in question, and that you need a significant depth before you achieve the power required to be able to achieve a satisfactory rapid activation of, for example, a BOP.

Et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen er basert på bruk av i det minste en pumpeanordning, som er innrettet for å frigjøre og omdanne energien fra væske som mottas fra et reservoar med trykkutliknet væske og avgis til en lavtrykkstank. Pumpeanordningen omfatter et stempelarrangement som resiprokeres i samvirke med fire kamre, som har kontakt med hvert sitt av fire trykkavfølende flater på dette stempelarrangementet. A hydraulic system according to the invention is based on the use of at least one pump device, which is arranged to release and convert the energy from liquid that is received from a reservoir with pressure equalized liquid and delivered to a low-pressure tank. The pump device comprises a piston arrangement which is reciprocated in cooperation with four chambers, which are in contact with each of four pressure-sensing surfaces on this piston arrangement.

Fig. 2 viser et riss av en pumpeanordning ifølge oppfinnelsen. Pumpeanordningen har et hus som er sammensatt av fem seksjoner 22,23,30,34,36), som fortrinnsvis er holdt sammen av utvendige, langsgående stenger. Pumpeanordningen omfatter en sjaltemekanisme som er anordnet i seksjonen 36). Denne samvirker med stempelarrangementet 24) via manøverstangen 15), og vil bli beskrevet senere med referanse til fig. 3 som viser et forstørret riss av seksjonen 36). Fig. 2 shows a diagram of a pump device according to the invention. The pump device has a housing which is composed of five sections 22,23,30,34,36), which are preferably held together by external, longitudinal rods. The pump device comprises a switching mechanism which is arranged in section 36). This cooperates with the piston arrangement 24) via the operating rod 15), and will be described later with reference to fig. 3 showing an enlarged view of the section 36).

I fig.2A er stempelarrangementet 24) vist som et kompakt element, men er i foretrukket utførelse sammensatt av utskiftbare komponenter som vist i fig.2B. Stemplet 39) er påmontert en glidetetning 28), og er anordnet mellom to hylser 38,40) som holdes i posisjon av en aksialt anordnet stang 36) og to tilstramningsmuttere 35,37). In Fig. 2A, the piston arrangement 24) is shown as a compact element, but in the preferred embodiment is composed of replaceable components as shown in Fig. 2B. The piston 39) is mounted on a sliding seal 28), and is arranged between two sleeves 38,40) which are held in position by an axially arranged rod 36) and two tightening nuts 35,37).

Hylsene 38,40) er lekksjefritt forskyvbare i glidetetninger 26,33) som er anordnet i føringene 25,32) og har effektivt trykkareal ADrettet mot hver av kamrene I og IV. Stemplet 39) er lekkasjefritt forskyvbart i en innvendig føring i seksjonen 30), og har effektivt trykkareal APrettet mot hver av kamrene II og III. The sleeves 38,40) are leak-free displaceable in sliding seals 26,33) which are arranged in the guides 25,32) and have an effective pressure area AD directed towards each of the chambers I and IV. The piston 39) is leak-free displaceable in an internal guide in the section 30), and has an effective pressure area AP directed towards each of the chambers II and III.

Den nevnte sjaltemekanisme sørger for at kamrene I og IV veksler om å være i åpen forbindelse med hhv. nevnte reservoar og med lavtrykkstanken. Forbindelsen mellom kammer IV og nevnte sjaltemekanisme går via en rørforbindelse mellom en port 35) i seksjonen 36) og en port 21) i seksjonen 22). Kamrene I og IV betegnes som drivkamre ved at trykkvekslingene frembringer kraft av vekslende retning, som bevirker at stempelarrangementet resiprokeres og overfører aksialt virkende krefter til væske i kamrene II og III. Disse kamrene får tilført trykkutliknet væske via innporten 19) og denne blir retningsdirigert mot utporten 29) av de fire enveisventilene 17,20,27,31.) Kamrene II og III fungerer derved som pumpekamre. Nevnte aksialt virkende krefter overføres til væsken i det av pumpekamrene II,III) som er i kompresjonsmodus. Kraften overføres via stemplets trykkareal AP, og frembringer en definert trykkøkning på denne væsken. The aforementioned switching mechanism ensures that the chambers I and IV alternate between being in open connection with the respective said reservoir and with the low pressure tank. The connection between chamber IV and said switching mechanism is via a pipe connection between a port 35) in section 36) and a port 21) in section 22). Chambers I and IV are referred to as drive chambers in that the pressure changes produce force of alternating direction, which causes the piston arrangement to reciprocate and transfer axially acting forces to liquid in chambers II and III. These chambers are supplied with pressure equalized liquid via the inlet port 19) and this is directed towards the outlet port 29) by the four one-way valves 17,20,27,31.) Chambers II and III thereby function as pump chambers. Said axially acting forces are transferred to the liquid in the one of the pump chambers II,III) which is in compression mode. The force is transmitted via the piston's pressure area AP, and produces a defined pressure increase on this liquid.

Friksjonskreftene i de tre glidetetningene 26,28,33) ligger på et beskjedent nivå i forhold til kreftene som frembringer stemplets forskyvning. Vi ser bort fra disse friksjonskreftene i de følgende betraktninger vedr. sammenhengen mellom omgivende vanntrykk PAmb, og det hydrauliske trykket PHsom frembringes av pumpeanordningen. The frictional forces in the three sliding seals 26,28,33) are at a modest level in relation to the forces that produce the displacement of the piston. We disregard these frictional forces in the following considerations regarding the relationship between ambient water pressure PAmb and the hydraulic pressure PH produced by the pumping device.

Betraktningene tar utgangspunkt i den situasjon at kammer I har åpen forbindelse med et trykkbalansert reservoar med trykk PAmb, og at kammer IV derved har åpen forbindelse med en lavtrykkstank med trykk PTank. The considerations are based on the situation that chamber I has an open connection with a pressure-balanced reservoir with pressure PAmb, and that chamber IV thereby has an open connection with a low-pressure tank with pressure PTank.

Stempelarrangementet 24) vil da påvirkes av en høyrerettet kraft fra drivkamrene av størrelse The piston arrangement 24) will then be affected by a right-directed force from the drive chambers of size

Ettersom pumpekamrenes innport 19) er i åpen forbindelse med et trykkbalansert reservoar, vil trykket i kammer II være tilnærmet lik PAmb. Dette trykket frembringer en høyrerettet kraft mot stempelarrangementet av størrelse FK= PAmb*AP. As the pump chambers' inlet 19) is in open connection with a pressure-balanced reservoir, the pressure in chamber II will be approximately equal to PAmb. This pressure produces a right-directed force against the piston arrangement of magnitude FK= PAmb*AP.

Total høyrerettet kraft mot stempelarrangementet vil følgelig være ; Total right-handed force against the piston arrangement will therefore be;

Denne kraften overføres til væsken i kammer III via et trykkareal av størrelse AP. Dette fører til at væsken i kammer III trykksettes til This force is transferred to the liquid in chamber III via a pressure area of size AP. This causes the liquid in chamber III to be pressurized

Ettersom det effektive hydraulikktrykket PHer væskens overtrykk i forhold til omgivelsestrykket finner vi; PH= PAmb*AD/AP As the effective hydraulic pressure PHer is the excess pressure of the liquid in relation to the ambient pressure, we find; PH= PAmb*AD/AP

Hvis vi setter AD= APfinner vi at PH= PAMB. Det betyr at pumpeanordningen vil omdanne et overtrykk PAMBi forhold til et nulltrykk - til å bli et overtrykk PAMBi forhold til omgivelsestrykket PAMB. Denne omformingen skjer med et minimum av energitap. If we put AD= AP we find that PH= PAMB. This means that the pump device will convert an overpressure PAMBi relative to a zero pressure - into an overpressure PAMBi relative to the ambient pressure PAMB. This transformation takes place with a minimum of energy loss.

Hvis vi tilsvarende velger AD= 4*AP, finner vi PH= 4*PAmb. If we similarly choose AD= 4*AP, we find PH= 4*PAmb.

Hvis en pumpeanordning med dette arealforholdet opereres på 500 meters dyp vil den altså frembringe et hydraulikktrykk PH= 51 bara*4 = 204 bar (over omgivelsestrykket). If a pump device with this area ratio is operated at a depth of 500 metres, it will therefore produce a hydraulic pressure PH= 51 bara*4 = 204 bar (above the ambient pressure).

Væskemengden som drivkamrene må få tilført og avlevert til lavtrykkstanken er i denne situasjonen 4 ganger større enn hydraulikkmengden som tilføres de hydrauliske forbrukerne. I tillegg til dette har sjaltemekanismen et forbruk som typisk kan være 3 – 4 % av drivkamrenes forbruk. Hydraulikkvæsken som pumpes fram til de hydrauliske forbrukerne vil normalt resultere i en samtidig retur av en tilsvarende væskemengde. Følgelig sirkuleres denne væsken på en måte som ikke påvirker reservoarets eller lavtrykkstankens væskeinnhold. In this situation, the amount of liquid that the drive chambers must have supplied and delivered to the low-pressure tank is 4 times greater than the amount of hydraulics supplied to the hydraulic consumers. In addition to this, the switching mechanism has a consumption that can typically be 3 - 4% of the drive chambers' consumption. The hydraulic fluid that is pumped to the hydraulic consumers will normally result in a simultaneous return of a corresponding amount of fluid. Consequently, this liquid is circulated in a way that does not affect the liquid content of the reservoir or low pressure tank.

Når en pumpefrekvensen går opp mot en øvre verdi på anslagsvis 0,5 Hz vil viskositet i væsken og friksjon i tetningsringene føre til at hydraulikktrykket faller noe i forhold til beregnet verdi. Dette trykkfallet vil praktisk sett bety lite ettersom pumpeanordningene vil være dimensjonert for at væskehastigheten gjennom sjaltemekanisme og kanaler ligger på et beskjedent nivå. When the pump frequency rises to an upper value of approximately 0.5 Hz, viscosity in the liquid and friction in the sealing rings will cause the hydraulic pressure to drop somewhat in relation to the calculated value. This pressure drop will mean little in practice as the pump devices will be dimensioned so that the liquid speed through the switching mechanism and channels is at a modest level.

Ved hjelp av angjeldende pumpe vil man altså prinsipielt sett kunne drifte enhver type hydraulisk operert undervannsutstyr. På store dyp som eksempelvis 3000 meter vil (PAmb– PTank) være 301 bara. Følgelig må APvære 50 % større enn ADdersom pumpeanordningen skal betjene hydrauliske forbrukere som er designet for 200 bar forsyningstrykk. I en slik situasjon vil pumpen levere ca 50 % mer hydraulikkvæske enn mengden som må avgis til lavtrykkstanken. With the help of the pump in question, it will therefore in principle be possible to operate any type of hydraulically operated underwater equipment. At great depths such as 3000 metres, (PAmb – PTank) will be 301 bara. Accordingly, AP must be 50% greater than ADif the pumping device is to serve hydraulic consumers designed for 200 bar supply pressure. In such a situation, the pump will deliver approx. 50% more hydraulic fluid than the amount that must be delivered to the low-pressure tank.

Fig 3 viser et riss av seksjonen 36) som inneholder sjaltemekanismen som bevirker at stempelarrangementet resiprokeres og kan overføre energi. Den påfølgende beskrivelse tar utgangspunkt i at pumpeanordninger står vertikalt. Fig 3 shows a diagram of the section 36) which contains the switching mechanism which causes the piston arrangement to reciprocate and can transfer energy. The following description assumes that pump devices are vertical.

Sjaltemekanismen samvirker med stempelarrangementet 24) via manøverstangen 15). The switching mechanism interacts with the piston arrangement 24) via the operating rod 15).

Sjaltemekanismen består av en aktiveringsventil 53,56), og en første 41,44) og en andre 47,52) hydraulisk styrte sjalteventil. Aktiveringsventilen initierer et skifte av stempelarrangementets bevegelsesretning når manøverstangen 15) blir forskjøvet aksialt mellom to definerte posisjoner. Manøverstangen er glidbar i forhold til en aksialt anordnet kanal i stempelarrangementet 24), og tvinges til å bli med på stempelarrangementets videre bevegelse når en utvekst på manøverstangen treffes av et av kontaktpunktene 16,18) i stempelarrangementet (ref.fig.2A). The switching mechanism consists of an activation valve 53,56), and a first 41,44) and a second 47,52) hydraulically controlled switching valve. The activation valve initiates a change in the movement direction of the piston arrangement when the operating rod 15) is shifted axially between two defined positions. The maneuvering rod is slidable in relation to an axially arranged channel in the piston arrangement 24), and is forced to join the further movement of the piston arrangement when an outgrowth on the maneuvering rod is hit by one of the contact points 16,18) in the piston arrangement (ref.fig.2A).

Når manøverstangen forskyves veksler sjaltemekanismen mellom to tilstander; When the control rod is moved, the switching mechanism switches between two states;

- en første tilstand som innebærer at kammer I har åpen forbindelse med innporten 13) via kanalen 59) og er avstengt fra utporten (14), og at kammer IV samtidig har åpen forbindelse med utporten 14) via utløpet 21) og en ikke vist rørforbindelse til en kanal 35) i seksjonen 36), og er avstengt fra innporten 13). - a first condition which implies that chamber I has an open connection with the inlet port 13) via the channel 59) and is closed off from the outlet port (14), and that chamber IV simultaneously has an open connection with the outlet port 14) via the outlet 21) and a pipe connection not shown to a channel 35) in section 36), and is shut off from the inlet 13).

- en andre tilstand som innebærer at kammer I har åpen forbindelse med utporten 14) via kanalen 59) og er avstengt fra innporten 13), og at kammer IV samtidig har åpen forbindelse med innporten 13), og er avstengt fra utporten (14). - a second condition which implies that chamber I has an open connection with the outlet 14) via channel 59) and is closed from the inlet port 13), and that chamber IV simultaneously has an open connection with the inlet port 13) and is closed from the outlet (14).

I fig.3 vises sjaltemekanismen i den første tilstanden. Fig.3 shows the switching mechanism in the first state.

Den første hydraulisk styrte sjalteventil 41,44) retningsdirigerer væsken inn og ut av kammer I via kanalen 59). Ventilelementet 41) har en øvre og en nedre posisjon som samsvarer med den første og den andre tilstand for sjaltemekanismen. Ventilelementet settes i den øvre posisjon ved at aktiveringsventilen 53,56) trykksetter aktiveringskammeret V, og den andre posisjonen frembringes tilsvarende ved at aktiveringsventilen avlufter det samme kammer. The first hydraulically controlled switching valve 41,44) directionally directs the liquid into and out of chamber I via channel 59). The valve element 41) has an upper and a lower position which corresponds to the first and the second state of the switching mechanism. The valve element is set in the upper position by the activation valve 53,56) pressurizing the activation chamber V, and the second position is produced correspondingly by the activation valve venting the same chamber.

Ventilelementet 52) i den andre hydraulisk styrte sjalteventilen 47,52) har også en øvre og en nedre posisjon. Posisjonen til dette ventilelementet er styrt av trykket i de tre kamrene VI,VII og VIII. Kammer VIII er i permanent åpen forbindelse med innporten 13) via en kanal 49), og har følgelig trykket PAmb. Kammer VII er i permanent åpen forbindelse med utløpet 14) via en kanal 51), og er følgelig tilnærmet trykkløs. Ved å velge et egnet forhold mellom de respektive trykkflatene på ventilelementet 52) er dette forskyvbart mellom den nedre og den øvre posisjonen ved at kammer VI trykksettes resp. avluftes. De to ovennevnte tilstander frembringes ved at kammer VI har en permanent åpen kanal 57) til kammer I, slik at ventilelementet 52) umiddelbart går til sin nedre posisjon når ventilelementet 41) går til sin øvre, og umiddelbart går til sin nedre posisjon når ventilelementet 41) går til sin nedre. Det innebærer altså at ventilelementet 52) er slavestyrt av ventilelementet 41). The valve element 52) in the second hydraulically controlled switching valve 47,52) also has an upper and a lower position. The position of this valve element is controlled by the pressure in the three chambers VI, VII and VIII. Chamber VIII is in permanent open connection with the inlet 13) via a channel 49), and consequently has the pressure PAmb. Chamber VII is in permanent open connection with the outlet 14) via a channel 51), and is consequently virtually depressurised. By choosing a suitable ratio between the respective pressure surfaces on the valve element 52), this can be moved between the lower and the upper position by pressurizing chamber VI resp. vented. The above two conditions are produced by chamber VI having a permanently open channel 57) to chamber I, so that the valve element 52) immediately moves to its lower position when the valve element 41) moves to its upper position, and immediately moves to its lower position when the valve element 41 ) goes to its lower. This means that the valve element 52) is slave controlled by the valve element 41).

Når aktiveringsventilen trykksetter kammer V presses stempelelementet 41) oppover. Det første som da skjer er at et ringformet sete 46) på ventilelementet 41) får kontakt med en nedre utvekst på ventilelementet 44). Dermed lukkes åpningen mellom kanalen 59) og utporten 14) helt, slik at stempelarrangementet bremses ned til stillstand. Kammer V tilføres fortsatt væske og ventilelementet 41) forflyttes videre oppover, og løfter øvre utvekst på ventilelementet 44) opp fra setet 43). Dermed åpnes forbindelsen mellom innporten 13), og utløpet 45) slik at kammer I trykksettes via kanalen 59). Denne trykksettingen frembringer en umiddelbar trykksetting av kammer VI via kanalen 57), slik at stempelelementet 52) presses nedover. Dette fører til at den øvre utvekst på ventillegemet 47) legger seg mot setet 48) slik at dette ventillegemet ikke kan følge med ventilelementets videre nedad rettede bevegelse. Dermed åpnes det opp for at kammer IV kan avluftes til utporten 14) via åpningen som frembringes mellom nedre utvekst på ventillegemet 47) og det ringformede setet 50) på ventilelementet 52). When the activation valve pressurizes chamber V, the piston element 41) is pressed upwards. The first thing that then happens is that an annular seat 46) on the valve element 41) comes into contact with a lower outgrowth on the valve element 44). Thus, the opening between the channel 59) and the outlet 14) is completely closed, so that the piston arrangement is slowed down to a standstill. Chamber V is still supplied with liquid and the valve element 41) is moved further upwards, lifting the upper growth of the valve element 44) up from the seat 43). This opens the connection between the inlet port 13) and the outlet 45) so that chamber I is pressurized via the channel 59). This pressurization produces an immediate pressurization of chamber VI via the channel 57), so that the piston element 52) is pressed downwards. This causes the upper outgrowth of the valve body 47) to lie against the seat 48) so that this valve body cannot follow the further downward movement of the valve element. This opens up so that chamber IV can be vented to the outlet 14) via the opening created between the lower outgrowth on the valve body 47) and the annular seat 50) on the valve element 52).

Dette betyr at sjaltemekanismen har koplet fra den andre til den første tilstand. This means that the switching mechanism has switched from the second to the first state.

Aktiveringsmekanismen har som funksjon å initiere en sjalteoperasjon hver gang stempelarrangementet er nær en vendeposisjon. En slik initiering innebærer at det iverksettes rask trykksetting eller avlufting av kammer V. Fig. 3 viser en foretrukket utførelse av en aktiveringsmekanisme, bestående av et ventillegeme 53) og et ventilelement 56). The actuation mechanism has the function of initiating a switching operation whenever the piston arrangement is close to a turning position. Such an initiation means that rapid pressurization or venting of chamber V is implemented. Fig. 3 shows a preferred embodiment of an activation mechanism, consisting of a valve body 53) and a valve element 56).

Ventilelementet 56) har en øvre posisjon hvor ventillegemet 53) er presset oppover og har åpnet for væskeforsyning fra innporten 13) til kammer V via utløpet 62). Tilsvarende har ventilelementet 56) en nedre posisjon hvor kammer V avluftes til utporten 14) via kanalen 55). På undersiden av ventilelementet 56) er det anordnet et sete 61) som er innrettet for å kunne tette mot en konisk utvekst 60) på manøverstangen 15). I vist situasjon befinner sjaltemekanismen seg i den første tilstanden. Det betyr at kammer I er trykksatt og stempelarrangementet 24) har nedad rettet bevegelse i forhold til seksjon 36). Denne tilstanden ble initiert mens stemplet var i oppad rettet bevegelse, og ventilelementet hadde blitt presset så langt oppover at ventillegemet 53) åpnet for tilførsel av væske til kammer V. Ventilelementet 41) ble da raskt presset oppover, og kammer I ble trykksatt i det øyeblikk den øvre utveksten på ventilelementet 44) ble løftet opp fra setet 43). Dette stoppet umiddelbart stempelarrangementets oppad rettede bevegelse. Trykksettingen av kammer I førte til at ventilelementet 52) ble presset raskt nedover, og samtidig ble undersiden av manøverstangens utvekst 60) tilført væske via kanalen 58) slik at ventilelementet 56) raskt ble presset opp til øvre posisjon. Denne virkemåte sikrer at sjaltemekanismen forblir i den første tilstand inntil stempelarrangementet nærmer seg nedre vendeposisjon, og trekker manøverstangen 15) nedover. Det første som nå skjer er at væskeforsyningen til kammer V stenges av, og umiddelbart etter starter avluftingen av kammer V via kanalen 55) The valve element 56) has an upper position where the valve body 53) is pressed upwards and has opened for liquid supply from the inlet 13) to chamber V via the outlet 62). Correspondingly, the valve element 56) has a lower position where chamber V is vented to the outlet 14) via the channel 55). On the underside of the valve element 56) there is arranged a seat 61) which is designed to be able to seal against a conical growth 60) on the operating rod 15). In the situation shown, the switching mechanism is in the first state. This means that chamber I is pressurized and the piston arrangement 24) has downwardly directed movement in relation to section 36). This condition was initiated while the piston was in an upward motion, and the valve element had been pushed so far upwards that the valve body 53) opened for the supply of liquid to chamber V. The valve element 41) was then quickly pushed upwards, and chamber I was pressurized at that moment the upper protrusion of the valve element 44) was lifted up from the seat 43). This immediately stopped the upward movement of the piston arrangement. The pressurization of chamber I led to the valve element 52) being quickly pushed downwards, and at the same time the underside of the operating rod outgrowth 60) was supplied with liquid via the channel 58) so that the valve element 56) was quickly pushed up to the upper position. This operation ensures that the switching mechanism remains in the first state until the piston arrangement approaches the lower turning position, pulling the operating rod 15) downwards. The first thing that now happens is that the liquid supply to chamber V is shut off, and immediately afterwards the venting of chamber V starts via channel 55)

Kanalene i sjaltemekanismen er fortrinnsvis dimensjonert slik at tiden fra en omsjalting er initiert og til stempelarrangementet har oppnådd full hastighet i motsatt retning er av størrelse 1/10 sekund. The channels in the switching mechanism are preferably dimensioned so that the time from when a switching is initiated and until the piston arrangement has reached full speed in the opposite direction is of size 1/10 of a second.

Angjeldende sjaltemekanisme er spesielt utviklet for denne pumpeanordningen, og er patentsøkt (norsk søknadsnummer 20161801 - innleveringsdato 15/11-16). Den har spesielt tre viktige egenskaper; The switching mechanism in question has been specially developed for this pump device, and is patent pending (Norwegian application number 20161801 - submission date 15/11-16). It has three important characteristics in particular;

• Den har ingen dødpunkt. Det betyr at stempelarrangementet starter opp fra enhver posisjon så snart det er etablert en viss minimums trykkdifferanse mellom innporten 13) og utporten 14). • It has no dead center. This means that the piston arrangement starts up from any position as soon as a certain minimum pressure difference has been established between the inlet port 13) and the outlet port 14).

• Sjalteprosessen innebærer en kontrollert nedbremsing av stempelarrangementet til stillstand og en tilsvarende kontrollert motsatt rettet akselerasjon noen få millisekunder etter dette. Dette gir et glatt strømningsforløp og lav mekanisk påkjenning på systemet som helhet • The switching process involves a controlled deceleration of the piston arrangement to a standstill and a correspondingly controlled acceleration in the opposite direction a few milliseconds after this. This results in a smooth flow course and low mechanical stress on the system as a whole

• Sjaltemekanismen er enkelt skalerbar, og kan eksempelvis dimensjoneres for at strømningstverrsnittet for væskestrømmen tilsvarer en sirkulær åpning med diameter på 40 mm. • The switching mechanism is easily scalable, and can, for example, be dimensioned so that the flow cross-section for the liquid flow corresponds to a circular opening with a diameter of 40 mm.

• Sjaltemekanismen drives av energi som tas fra væsken som tilføres drivkamrene, og er uavhengig av elektriske styresignaler eller annen form for ekstern energi. Den vil vil typisk forbruke 3 – 4 % av væskemengden som drivkamrene får tilført. • The switching mechanism is powered by energy taken from the liquid supplied to the drive chambers, and is independent of electrical control signals or other forms of external energy. It will typically consume 3 – 4% of the amount of liquid that the drive chambers are fed.

Fig. 4 viser et riss av hvordan en slik pumpeanordning kan være implementert i et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen. Den hydrauliske forbrukeren er representert ved aktuatoren 8). Lavtrykkstanken 3) kan her isoleres fullstendig fra alle andre deler av systemet ved at ventilen 6) er stengt. I så fall vil hele systemet, med unntak av selve lavtrykkstanken, i prinsippet ha innvendig trykk på nivå med det omgivende vanntrykk. Fig. 4 shows an outline of how such a pump device can be implemented in a hydraulic system according to the invention. The hydraulic consumer is represented by the actuator 8). The low-pressure tank 3) can here be completely isolated from all other parts of the system by the valve 6) being closed. In that case, the entire system, with the exception of the low-pressure tank itself, will in principle have an internal pressure at the same level as the surrounding water pressure.

Et subsea hydraulikksystem skal fortrinnsvis kunne operere ulike hydrauliske forbrukere, og kan derfor inneholde et antall pumpeanordninger som frembringer ulike trykknivåer. A subsea hydraulic system should preferably be able to operate different hydraulic consumers, and can therefore contain a number of pump devices that produce different pressure levels.

I mange sammenheng vil det være BOP’er og andre kapasitetskrevende typer hydraulikkutstyr som vil være dimensjonerende for hydraulikksystemet. Mens mindre ventiler kan opereres ved hjelp av små pumpeanordninger, vil det være naturlig å basere seg på større pumpeanordninger for å drifte utstyr som krever stor hydraulisk kapasitet. In many contexts, it will be BOPs and other capacity-demanding types of hydraulic equipment that will determine the dimensions of the hydraulic system. While smaller valves can be operated using small pumping devices, it would be natural to rely on larger pumping devices to operate equipment that requires large hydraulic capacity.

Nedenfor beskrives eksempler på hva som kreves av et system ifølge oppfinnelsen for, på ulike dybder, å oppnå hydraulisk kapasitet tilsvarende 150 liter væske med overtrykk 245 bar. Dette er på nivå med det som kreves for å operere en BOP av moderat størrelse. Vi har her tatt utgangspunkt i en pumpeanordning hvor stempelføringen i seksjonen 30) har en diameter på 200 mm, og stempelarrangementet 24) har en slaglengde på 350 mm. En slik pumpe vil få en totallengde på ca 100 cm, og en totalvekt på anslagsvis 150 kg. Examples are described below of what is required of a system according to the invention to, at various depths, achieve a hydraulic capacity corresponding to 150 liters of liquid with an excess pressure of 245 bar. This is on par with what is required to operate a moderately sized BOP. Here we have taken as a starting point a pump arrangement where the piston guide in section 30) has a diameter of 200 mm, and the piston arrangement 24) has a stroke length of 350 mm. Such a pump will have a total length of approximately 100 cm, and a total weight of approximately 150 kg.

Pumpeanordningen tilpasses de ulike dybder ved å skifte ut hylsene 38,40) samt føringene 25,32). The pump device is adapted to the various depths by replacing the sleeves 38,40) and the guides 25,32).

I de følgende beregninger tar vi utgangspunkt i en pumpeanordning hvor sylinderføringen i seksjon 30) har diameter = 200 mm. Det innebærer at AD+ AP= 314 cm2. Vi ønsker å frembringe et hydraulikktrykk på 245 bar på følgende tre dybder; 300, 800 og 2000 meter. Videre baserer vi oss på at pumpeanordningen skal ha slaglengde 350 mm, og pumpefrekvens 0,5 Hz. Vi velger å dimensjonere sjaltemekanismen for et strømningstverrsnitt tilsvarende en lysåpning Ø=40 mm. In the following calculations, we start from a pump device where the cylinder guide in section 30) has a diameter = 200 mm. This means that AD+ AP= 314 cm2. We want to produce a hydraulic pressure of 245 bar at the following three depths; 300, 800 and 2000 metres. Furthermore, we base it on the pump device to have a stroke length of 350 mm, and a pump frequency of 0.5 Hz. We choose to dimension the switching mechanism for a flow cross-section corresponding to a light opening Ø=40 mm.

Videre tar vi som utgangspunkt at hydraulikksystemet skal levere 150 liter væske med 245 bar trykk i løpet av 30 sekunder (= 5 liter/sek), og ser på hvor mange pumper som trengs for å oppnå dette Furthermore, we take as a starting point that the hydraulic system must deliver 150 liters of liquid with 245 bar pressure within 30 seconds (= 5 litres/sec), and look at how many pumps are needed to achieve this

Eksempel 1 Example 1

Dybde = 300 meter Depth = 300 metres

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

Herav: AD/AP= 7,9. Herav: AD= 7,9 * (314 cm<2>– AD) Of this: AD/AP= 7.9. Of this: AD= 7.9 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 278,7 cm<2>– svarende til diameter Ø = 188 mm. This gives AD= 278.7 cm<2> – corresponding to diameter Ø = 188 mm.

Det betyr at drivkamrene har et samlet slagvolum V= 278,7 cm<2>* 35 cm = 9755 cm<3>= 9,76 liter. This means that the drive chambers have a total displacement V= 278.7 cm<2>* 35 cm = 9755 cm<3>= 9.76 litres.

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende, vil det passere 19,52 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (sjaltemekanismens forbruk er ikke inkludert i dette). As the pump device is double-acting, 19.52 liters of liquid will pass through the pump chambers for each pump cycle (the switching mechanism's consumption is not included in this).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså pumpen oppta energi fra 9,76 liter væske pr sekund.. With a pump frequency of 0.5 Hz, the pump will therefore absorb energy from 9.76 liters of liquid per second.

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende Under these conditions, the pump chambers will have a corresponding hydraulic capacity

9,75/7,9 = 1,23 l/sek. av væske med trykk 245 bar. 9.75/7.9 = 1.23 l/sec. of liquid with a pressure of 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 1230 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 29.6 kW. This corresponds to a power transfer W = 1230 cm<3>/sec * 245 kp/cm<2>= 29.6 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 1,23 l/sek. Det betyr at det trengs 4 – 5 pumpeanordninger 1 (enhetsvekt 150 kg). A total liquid supply of 5 l/sec is required. Each pump device delivers 1.23 l/sec. This means that 4 – 5 pump devices 1 (unit weight 150 kg) are needed.

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP* 1,05 = 1244 liter. Det tilsvarer 11 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.120 kg – totalt 1320 kg The system needs low-pressure tanks with a total volume of V = 150 liters * AD/AP* 1.05 = 1244 litres. This corresponds to 11 low-pressure tanks of 120 litres. Weight per piece 120 kg - total 1320 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 5 pumpeanordninger 1 anslås til henholdsvis 0,5 tonn, 1,25 tonn og 0,75 tonn. Samlet vekt < 3 tonn. Weight for pressure-balanced reservoir fluid 5 pumping devices 1 is estimated at 0.5 tonnes, 1.25 tonnes and 0.75 tonnes respectively. Total weight < 3 tonnes.

Eksempel 2 Example 2

Dybde = 800 meter Depth = 800 meters

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

Herav: AD/AP= 3,02. Herav: AD= 3,02 * (314 cm<2>– AD) Of this: AD/AP= 3.02. Of this: AD= 3.02 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 235,9 cm<2>– svarende til diameter Ø = 173,3 mm. This gives AD= 235.9 cm<2> – corresponding to diameter Ø = 173.3 mm.

Det betyr at drivkamrene har et slagvolum V= 235,9 cm<2>* 35 cm = 8257 cm<3>= 8,26 liter. This means that the drive chambers have a displacement V= 235.9 cm<2>* 35 cm = 8257 cm<3>= 8.26 litres.

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende, vil det passere 16,52 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (ekskl. sjaltemekanismens 360 forbruk). As the pump device is double-acting, 16.52 liters of liquid will pass through the pump chambers for each pump cycle (excluding the switching mechanism's 360 consumption).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså drivkamrene oppta energi fra 8,26 liter væske pr sekund.. With a pumping frequency of 0.5 Hz, the drive chambers will therefore absorb energy from 8.26 liters of liquid per second.

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende; Under these conditions, the pump chambers will have a corresponding hydraulic capacity;

8,26/3,02 = 2,74 l/sek av væske med 245 bar. 8.26/3.02 = 2.74 l/sec of liquid at 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 2740 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 65,9 kW. This corresponds to a power transfer W = 2740 cm<3>/sec * 245 kp/cm<2>= 65.9 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 2,74 l/sek. Altså trengs 2 pumpeanordninger (enhetsvekt ca.150 kg). A total liquid supply of 5 l/sec is required. Each pump device delivers 2.74 l/sec. So 2 pump devices are needed (unit weight approx. 150 kg).

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 l/sek. Hver pumpeanordning leverer 1,23 l/sek. Det betyr at det trengs 4 – 5 pumpeanordninger (enhetsvekt 150 kg) A total liquid supply of 5 l/sec is required. Each pump device delivers 1.23 l/sec. This means that 4 – 5 pump devices are needed (unit weight 150 kg)

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP* 1,05 = 433 liter. Det tilsvarer 4 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.210 kg – totalt 840 kg The system needs low-pressure tanks with a total volume of V = 150 liters * AD/AP* 1.05 = 433 liters. This corresponds to 4 low-pressure tanks of 120 litres. Weight per piece 210 kg - a total of 840 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 2 pumpeanordninger anslås til henholdsvis 0,5 tonn, 0,44 tonn og 0,3tonn. Samlet vekt < 2,2 tonn. Weight for pressure balanced reservoir liquid 2 pump devices is estimated at 0.5 tonne, 0.44 tonne and 0.3 tonne respectively. Total weight < 2.2 tonnes.

Eksempel 3 Example 3

Dybde = 2000 meter Depth = 2000 meters

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

Herav AD/AP= 1,22. AD+ AP = 314 cm<2>. Herav; AD= 1,22 * (314 cm<2>– AD) Of this AD/AP= 1.22. AD+ AP = 314 cm<2>. Of this; AD= 1.22 * (314 cm<2>– AD)

Det gir AD= 172,4 cm<2>– svarende til diameter Ø = 148 mm. This gives AD= 172.4 cm<2> – corresponding to diameter Ø = 148 mm.

Det betyr at drivkamrene har et slagvolum V= 172,4 cm<2>* 35 cm = 6034 cm<3>= 6,03 liter This means that the drive chambers have a displacement V= 172.4 cm<2>* 35 cm = 6034 cm<3>= 6.03 liters

Ettersom pumpeanordningen er dobbeltvirkende vil det passere 12,06 liter væske gjennom pumpekamrene for hver pumpesyklus (ekskl. sjaltemekanismens forbruk). As the pump device is double-acting, 12.06 liters of liquid will pass through the pump chambers for each pump cycle (excluding the switching mechanism's consumption).

Med pumpefrekvens på 0,5 Hz vil altså drivkamrene oppta energi fra 6,03 liter væske pr sekund. With a pumping frequency of 0.5 Hz, the drive chambers will therefore absorb energy from 6.03 liters of liquid per second.

Pumpekamrene vil under disse forhold ha en hydraulisk kapasitet tilsvarende Under these conditions, the pump chambers will have a corresponding hydraulic capacity

6,03/1,22 = 4,95 liter/sek. av væske med trykk 245 bar. 6.03/1.22 = 4.95 litres/sec. of liquid with a pressure of 245 bar.

Det tilsvarer en effektoverføring W = 4950 cm<3>/sek * 245 kp/cm<2>= 119,1 kW. This corresponds to a power transfer W = 4950 cm<3>/sec * 245 kp/cm<2>= 119.1 kW.

Det kreves en samlet væskeforsyning på 5 liter/sek. Hver pumpeanordning leverer 4,95 l/sek. Det betyr at det trengs 1-2 pumpeanordninger (enhetsvekt ca.170 kg) A total liquid supply of 5 liters/sec is required. Each pump device delivers 4.95 l/sec. This means that 1-2 pump devices are needed (unit weight approx. 170 kg)

Systemet trenger lavtrykkstanker med samlet volum V = 150 liter * AD/AP * 1,05 = 192,2 liter. Det tilsvarer 2 lavtrykkstanker á 120 liter. Vekt pr stk.360 kg – totalt 720 kg The system needs low-pressure tanks with a total volume of V = 150 liters * AD/AP * 1.05 = 192.2 liters. This corresponds to 2 low-pressure tanks of 120 litres. Weight per piece 360 kg - total 720 kg

Vekt for trykkbalansert reservoar væske 2 pumpeanordninger anslås til hhv. 0,5 tonn, 0,2 tonn og 0,3 tonn. Samlet vekt < 1,8 tonn. Weight for pressure-balanced reservoir liquid 2 pump devices is estimated to respectively 0.5 tonnes, 0.2 tonnes and 0.3 tonnes. Total weight < 1.8 tonnes.

Pumpeanordningen tilpasses de ulike dybder ved å skifte ut hylsene 38,40) samt føringene 32,33). The pump device is adapted to the various depths by replacing the sleeves 38,40) and the guides 32,33).

Som det fremgår av beregningene, vil energiomsetningen i en slik pumpeanordning øke med økende dybde. Med utgangspunkt i en pumpefrekvens på 0,5 Hz vil pumpen omdanne effekter av størrelse 30 kW på 300 meters dyp, 66 kW på 800 meters dyp, og 119 kW på 2000 meters dyp. As can be seen from the calculations, the energy turnover in such a pumping device will increase with increasing depth. Based on a pump frequency of 0.5 Hz, the pump will convert effects of size 30 kW at a depth of 300 metres, 66 kW at a depth of 800 metres, and 119 kW at a depth of 2,000 metres.

Vi finner at det på 300 meters dyp vil kreves fire-fem pumpeanordninger for å kunne levere 150 liter væske med 245 bar i løpet av 30 sekunder. På 200 meters dyp vil én pumpeanordning nesten være tilstrekkelig til å gjøre det samme. We find that at a depth of 300 meters four or five pumping devices will be required to deliver 150 liters of liquid at 245 bar within 30 seconds. At a depth of 200 metres, one pumping device will almost be sufficient to do the same.

Det er vanskelig å gjøre en direkte sammenlikning med tilsvarende bruk av tradisjonelle gassbaserte akkumulatorer. Dimensjonering av et slikt system vil kunne variere mye ut fra en rekke faktorer; It is difficult to make a direct comparison with the corresponding use of traditional gas-based accumulators. Dimensioning of such a system can vary widely based on a number of factors;

Termiske effekter knyttet til rask ekspansjon av gassen, hvor store trykkvariasjoner som aksepteres i tilført væske, om det benyttes blære- eller stempelakkumulatorer osv. Thermal effects related to rapid expansion of the gas, how large pressure variations are accepted in the supplied liquid, whether bladder or piston accumulators are used, etc.

Det kan konstateres er at på store dyp vil et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen ha en vekt- /volumbesparelse med minst faktor 10 i forhold til gassbaserte akkumulatorer med samme ytelse. Dette fortrinnet reduseres når dybden avtar, med et antatt skjæringspunkt på ca.300 meters dyp. It can be established that at great depths a hydraulic system according to the invention will have a weight/volume saving of at least a factor of 10 compared to gas-based accumulators with the same performance. This advantage is reduced as the depth decreases, with an assumed intersection point of approx. 300 meters deep.

Oppsettet som er vist i fig. 4 omfatter en fortrengerpumpe 1). En slik pumpe er ikke en nødvendig komponent i et hydraulikksystem ifølge oppfinnelsen. Som tidligere nevnt kan man basere seg på at hydraulikksystemet i sin helhet skal være uavhengig av overflateforbindelser i form av umbilical etc.. Hydraulikksystemet kan være basert på at lavtrykkstanker og fylte væskereservoarer tas ned til havbunnen ved hjelp av ROV eller kransystemet på et overflatefartøy. Disse kan resirkuleres via overflaten når lavtrykktanken er fylt opp. The layout shown in fig. 4 comprises a displacement pump 1). Such a pump is not a necessary component in a hydraulic system according to the invention. As previously mentioned, it can be based on the hydraulic system as a whole being independent of surface connections in the form of umbilicals etc. The hydraulic system can be based on low-pressure tanks and filled liquid reservoirs being taken down to the seabed with the help of an ROV or the crane system on a surface vessel. These can be recycled via the surface when the low-pressure tank is full.

Alternativt kan ROV’en være forsynt med en pumpeanordning som kan kople seg inn på kretsløpet og gjenvinne forbrukt energi ved å pumpe væske fra lavtrykkstanken og over til et trykkbalansert reservoar. Alternatively, the ROV can be equipped with a pumping device that can connect to the circuit and recover consumed energy by pumping liquid from the low-pressure tank into a pressure-balanced reservoir.

Ulike typer hydrauliske forbrukere har et nominelt driftstrykk som hydraulikksystemet må kunne frembringe for å sikre gjennomføring av en operasjonssyklus. Normalt vil imidlertid deler av en slik syklus kunne gjennomføres med betydelig lavere trykk. En kutteventil (shear ram) i en BOP kan eksempelvis kreve et hydraulikktrykk på 200 bar for å kunne gjennomføre en kutteoperasjon. En vesentlig del av bevegelsen til de hydrauliske sylindrene i en kutteventil vil imidlertid bli brukt til å få knivene i posisjon rundt borestrengen. Denne delen av operasjonen krever normalt høyst 20 – 30 bar hydraulikktrykk, men som allikevel absorberer like mye hydraulisk kapasiteten som om hele sekvensen krevde 200 bar. I slike situasjoner kan en være tjent med å kople inn en pumpeanordning med en som er innrettet for å frembringe eksempelvis 40 bar hydraulikktrykk. Drivsylindrene på denne pumpeanordningen vil ha anslagsvis 25 % av væskeforbruket til de andre pumpeanordningene ved leveranse av samme hydraulikkmengde. De deler av den operasjonelle sekvensen som er lite kraftkrevende vil dermed kunne foregå raskere og dertil være betydelig mindre energikrevende. Different types of hydraulic consumers have a nominal operating pressure that the hydraulic system must be able to produce to ensure completion of an operating cycle. Normally, however, parts of such a cycle can be carried out with significantly lower pressure. A shear valve (shear ram) in a BOP may, for example, require a hydraulic pressure of 200 bar in order to carry out a cutting operation. However, a significant part of the movement of the hydraulic cylinders in a cutting valve will be used to get the knives into position around the drill string. This part of the operation normally requires no more than 20 – 30 bar hydraulic pressure, but which still absorbs as much hydraulic capacity as if the entire sequence required 200 bar. In such situations, it may be useful to connect a pump device with one that is designed to produce, for example, 40 bar hydraulic pressure. The drive cylinders on this pump device will have an estimated 25% of the fluid consumption of the other pump devices when delivering the same hydraulic quantity. The parts of the operational sequence that require little power will thus be able to take place faster and, in addition, be significantly less energy-demanding.

Claims (2)

KravClaim 1. Et undervannsbasert hydraulikksystem som er innrettet til å frembringe hydraulisk energi til kraftkrevende undervannsoperasjoner ved å hente ut trykkenergi fra væske som føres fra et reservoar (12) med tilnærmet omgivelsestrykk og inn i en lavtrykkstank (3), k a r a k t e r i s e r t v e d at hydraulikksystemet er basert på en eller flere pumpeanordninger som er innrettet til å omdanne reservoarets (12) overtrykk i forhold til lavtrykkstanken til et hydraulisk overtrykk i forhold systemets omgivelsestrykk, og som omfatter to drivkamre (I,IV) og to pumpekamre (II,III) som avgrenses av et stempelarrangement (24) som i samvirke med en sjaltemekanisme resiprokeres mellom to definerte endeposisjoner , idet1. An underwater-based hydraulic system which is designed to generate hydraulic energy for power-demanding underwater operations by extracting pressure energy from liquid which is fed from a reservoir (12) with approximately ambient pressure and into a low-pressure tank (3), characterized in that the hydraulic system is based on a or several pumping devices which are designed to convert the overpressure of the reservoir (12) in relation to the low-pressure tank into a hydraulic overpressure in relation to the system's ambient pressure, and which comprise two drive chambers (I,IV) and two pump chambers (II,III) which are delimited by a piston arrangement (24) which, in cooperation with a switching mechanism, is reciprocated between two defined end positions, as - sjaltemekanismen samvirker med stempelarrangementet (24) via en manøverstang (15) som forskyves når stempelarrangementet nærmer seg en endeposisjon og bevirker at sjaltemekanismen veksler mellom en første og en andre tilstand samsvarende med stempelarrangementets (24) to bevegelsesretninger, og som fremkommer ved at sjaltemekanismen endrer på forbindelsen mellom drivkamrene(I,IV) og hhv. reservoaret (12) og lavtrykkstanken (3) slik stempelarrangementet påvirkes av aksiale krefter med vekslende retning- the switching mechanism interacts with the piston arrangement (24) via a control rod (15) which is displaced when the piston arrangement approaches an end position and causes the switching mechanism to alternate between a first and a second state corresponding to the piston arrangement's (24) two directions of movement, and which results from the switching mechanism changing on the connection between the drive chambers (I, IV) and respectively the reservoir (12) and the low pressure tank (3) as the piston arrangement is affected by axial forces with alternating direction - pumpekamrene (II,III) blir tilført væske fra reservoaret (12) eller fra et annet reservoar med tilnærmet samme trykk, og nevnte aksiale krefter overføres via pumpearrangementets trykkavfølende arealer til væsken i det pumpekammeret som er i kompresjonsmodus, hvorved denne væsken får sitt trykk økt fra tilnærmet omgivelsestrykk opp til et gitt, definert nivå slik at er anvendbart til å drifte angjeldende hydraulikkutstyr.- the pump chambers (II, III) are supplied with liquid from the reservoir (12) or from another reservoir with approximately the same pressure, and said axial forces are transferred via the pump arrangement's pressure-sensing areas to the liquid in the pump chamber which is in compression mode, whereby this liquid gets its pressure increased from approximate ambient pressure up to a given, defined level so that it can be used to operate the relevant hydraulic equipment. 2. Et undervannsbasert hydraulikksystem ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at sjaltemekanismen omfatter en første (41,44) og en andre (47,52) hydraulisk styrte sjalteventil og en aktiviseringsventil (53,56), idet2. An underwater hydraulic system according to claim 1, characterized in that the switching mechanism comprises a first (41,44) and a second (47,52) hydraulically controlled switching valve and an activation valve (53,56), - den første hydraulisk styrte ventilen har en innport (13), en utport (14), et utløp (45) med åpen forbindelse med den ene drivkammeret (I) via en kanal (59), et ventillegeme (44) og et ventilelement (41) som er trangt forskyvbart i sylindriske føringer, idet- the first hydraulically controlled valve has an inlet port (13), an outlet port (14), an outlet (45) with an open connection with the one drive chamber (I) via a channel (59), a valve body (44) and a valve element ( 41) which is narrowly displaceable in cylindrical guides, as - ventillegemet (44) har en første utvekst som i kontakt med et sete (43) stenger for en åpning mellom innporten (13) og utløpet (45), og en andre utvekst som i kontakt med et sete (46) som ligger rundt en aksialt anordnet kanal i ventilelementet (41) stenger for en åpning mellom utløpet (45) og utporten (14),- the valve body (44) has a first outgrowth which in contact with a seat (43) closes an opening between the inlet (13) and the outlet (45), and a second outgrowth which is in contact with a seat (46) which lies around a axially arranged channel in the valve element (41) closes an opening between the outlet (45) and the outlet (14), - ventilelementet (41 er trangt forskyvbart i sylindriske føringer i seksjonen (36) hvor det er anordnet et aktiveringskammer (V) som ved vekslende trykksetting frembringer en forskyvning av ventilelementet (41) hvorved ventillegemet (44) veksler mellom å ha kontakt med de to setene (43,46) slik at det gjennomføres en tilnærmet lekkasjefri veksling mellom en første tilstand der utløpet (45) er i åpen forbindelse med innporten (13) og avstengt fra utporten (14), og en andre tilstand der utløpet (45) er avstengt fra innporten (13) og i åpen forbindelse med utporten (14),- the valve element (41) is narrowly displaceable in cylindrical guides in the section (36) where an activation chamber (V) is arranged which, by alternating pressurisation, produces a displacement of the valve element (41) whereby the valve body (44) alternates between having contact with the two seats (43,46) so that there is an almost leak-free changeover between a first state where the outlet (45) is in open connection with the input port (13) and shut off from the output port (14), and a second state where the outlet (45) is shut off from the input port (13) and in open connection with the output port (14), - den andre hydraulisk styrte sjalteventil har en innport (13), en utport(14), et utløp (35) som har åpen forbindelse med det andre drivkammeret (IV), et ventillegeme (47) og et ventilelement (52) som er trangt forskyvbart i sylindriske føringer, idet- the second hydraulically controlled switching valve has an inlet port (13), an outlet port (14), an outlet (35) which has an open connection with the second drive chamber (IV), a valve body (47) and a valve element (52) which is narrow displaceable in cylindrical guides, ie - ventillegemet (47) har en første utvekst som i kontakt med et sete (48) stenger for en åpning mellom innporten (13) og utløpet (35), og en andre utvekst som i kontakt med et sete (50) som er anordnet rundt en aksialt anordnet kanal i ventilelementet (52) stenger for en åpning mellom utløpet (35) og utporten(14),- the valve body (47) has a first outgrowth which in contact with a seat (48) closes an opening between the inlet (13) and the outlet (35), and a second outgrowth which is in contact with a seat (50) which is arranged around an axially arranged channel in the valve element (52) closes an opening between the outlet (35) and the outlet (14), - ventilelementet (52) er trangt forskyvbart i sylindriske føringer hvor det er anordnet et aktiveringskammer (VI) som via en kanal (57) er i åpen forbindelse med væske som har tilnærmet samme trykk som utløpet (45) på den første hydraulisk styrte sjalteventilen, og hvor vekslende trykk på dette utløpet (45) frembringer en motsatt rettet forskyvning av ventilelementet (52) i den forhold til ventilelementet (41), slik at det gjennomføres en tilnærmet lekkasjefri veksling av den andre hydraulisk styrte sjalteventilen til motsatt tilstand av det som den første hydraulisk styrte sjalteventilen befinner seg i,- the valve element (52) is narrowly displaceable in cylindrical guides where an activation chamber (VI) is arranged which via a channel (57) is in open connection with liquid which has approximately the same pressure as the outlet (45) of the first hydraulically controlled switching valve, and where alternating pressure on this outlet (45) produces an oppositely directed displacement of the valve element (52) in relation to the valve element (41), so that an almost leak-free switching of the second hydraulically controlled switching valve to the opposite state of that which the the first hydraulically controlled switching valve is located in, -aktiveringsventilen (53,56) har en innport (13), en utport (14) og et utløp (62) som er i åpen forbindelse med aktiveringskammeret (V), idet- the activation valve (53,56) has an inlet port (13), an outlet port (14) and an outlet (62) which is in open connection with the activation chamber (V), as - aktiveringsventilen samvirker med stempelarrangementet (24) via manøverstangen (15) ved at det frembringes en forskyvning av manøverstangen hver gang stempelarrangementet (24) nærmer seg en vendeposisjon, hvorved aktiveringsventilen (53,56) veksler mellom en første tilstand der utløpet (62) er i åpen forbindelse med innporten (13) og avstengt fra utporten (14), og en andre tilstand der utløpet (62) er avstengt fra innporten (13) og i åpen forbindelse med utporten(14).- the activation valve cooperates with the piston arrangement (24) via the maneuvering rod (15) in that a displacement of the maneuvering rod is produced each time the piston arrangement (24) approaches a turning position, whereby the activation valve (53,56) alternates between a first state where the outlet (62) is in open connection with the inlet port (13) and shut off from the outlet port (14), and a second condition where the outlet (62) is shut off from the inlet port (13) and in open connection with the outlet port (14).