Unterwasserförderaggregat

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserförderaggregat mit einer Pumpe und einer Antriebseinrichtung, bei der die Antriebseinrichtung gegenüber dem umgebenden Wasser und gegenüber einem Prozessmedium abgedichtet ist. Die Erfindung ist insbesondere geeignet und dafür vorgesehen, Multiphasen- Gemische zu fördern.

Die DE 37 21 398 Al beschreibt ein Förderaggregat aus einer Pumpe mit einer Antriebseinrichtung, wobei die Pumpe allseits von einem Pumpengehäuse umschlossen ist, das einen Saugraum mit einer Ansaugöffnung und einen Druckraum mit einer Auslassöffnung aufweist. Das Pumpengehäuse ist wasserdicht ausgebildet und mit einem ebenfalls wasserdicht ausgebildeten, die Antriebseinrichtung aufnehmenden Motorgehäuse verbunden, das einen die gekapselte Antriebseinheit umgebenden Motorraum einschließt, der gegenüber dem Saugraum flüssigkeitsdicht abgeteilt ist. Der Motorraum ist mit einem Sperrmedium, vorliegend mit öl, gefüllt, das zur Schmierung der Lager, etwaiger Zahnräder oder dergleichen dient und die Dichtungen beaufschlagt sowie die Wärme über das Motorgehäuse an dessen Umgebung abgibt. Solche Unterwasserfördereinrichtungen werden zur Förderung von Kohlenwasserstoffen im Meer eingesetzt.

Bei der Erdöl- und Erdgasproduktion im Meer werden Vorkommen in immer größeren Wassertiefen erschlossen, Wassertiefen bis 4000 m sind hierbei keine Seltenheit. Dementsprechend steigen auch die Anforderungen an die Rohrleitungssysteme und Förderaggregate bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen hydrostatische Drücke von außen durch die Wassersäule und innen durch den Reservoir-Druck durch Erdöl und Erdgas. üblicherweise werden Rohrleitungssysteme bei Tiefseeförderung für einen überdruck von innen in Höhe von 300 bis 500 bar ausgelegt und müssen einen überdruck

von außen in Höhe von bis zu 400 bar standhalten, je nach Wassertiefe.

Als zusätzliche Herausforderungen sind die Temperaturen des umgebenden Wassers und die des Förder- oder Prozessmediums unterschiedlich, während die Wassertemperatur zwischen 1 und 4°C liegt, wird das Prozessmedium bis über 100°C warm werden, so dass entsprechend hohe thermische Belastungen auftreten. Alle Komponenten, die in ein Fördersystem integriert werden, müssen zumindest die oben aufgeführten Belastungen aushalten können.

Pumpensysteme zur Förderung von Kohlenwasserstoffen in der Tiefsee werden in der Regel so ausgeführt, dass die Pumpe und die Antriebseinrichtung wie Motor und Kupplung in einem gemeinsamen Gehäuse installiert sind. Hierdurch kann auf eine technisch kritische Wellendurchführung von Pumpengehäuse zum Motorgehäuse verzichtet werden. Dabei gibt es einen vom Prozessmedium gefüllten Bereich, nämlich der Saugraum, die Förderkammern der Pumpe sowie der Druckraum, und einen nicht vom Prozessmedium gefüllten Bereich mit Motor, Lager und Kupplung. Die beiden Bereiche sind durch Wellendichtung voneinander getrennt; der nicht mit dem Prozessmedium gefüllte Bereich mit Motor, Lager und Kupplungsraum ist mit einem Sperrmedium gefüllt, üblicherweise mit Wasser oder öl.

Nachteilig an diesem Konzept ist eine enge Verknüpfung zwischen dem drucktragenden Gehäuse und den für den Betrieb notwendigen engen

Tolleranzen für rotierende Elemente und dichtende Bauteile. Verformungen durch die auftretenden Drücke von + 350 bis -500 bar und

Temperaturschwankungen von 1°C bis über 100 ⁰ C müssen an mehreren, auf

Form- und Lageänderungen sensibel reagierenden Stellen, wie z. B. Lager, Wellendichtungen und Motorspalt, aufgenommen werden können. Hierzu kommen große Viskositätsschwankungen im Sperrmedium, sofern dieses als

öl ausgeführt ist. Ist keine Förderphase vorhanden, kühlen sich im Stillstand der Motor und die Pumpe auf die Umgebungstemperatur ab; im Betrieb heizen sie sich durch die Temperatur des Prozessmediums sowie durch Reibung auf 60°C bis 80°C auf. Die sich hierdurch verändernden Sperrölviskositäten von ca. 100 cSt bei einem kalten System und bis weniger als 2 cSt bei heißem System erfordern besondere Maßnahmen im Sperrölsystem. Die Schmier- und Tragfähigkeit des Sperröls muss sowohl im kalten als auch im warmen Zustand erhalten bleiben. Im kalten Zustand müssen zudem hohe hydraulische Reibungsverluste z. B. im Motor überwunden werden.

Die Anzahl der Dichtstellen zur Umgebung sind bei einem Unterwasserförderaggregat möglichst zu minimieren, da Dichtstellen eine potentielle Fehlerquelle darstellen und zu Undichtigkeiten neigen und die Erkennung einer kleinen Leckage sehr schwer möglich ist, aus Umweltschutzgründen jedoch jegliche Leckage vermieden werden sollte.

Die gemeinsame Förderung von Erdöl und Erdgas bedeutet, dass Flüssigkeiten und Gase nebeneinander transportiert werden. Bei der Erdöl/Erdgasförderung wird ein sogenanntes Multiphasengemisch gefördert, das eine hohe Wahrscheinlichkeit für die temporäre Anwesenheit von nur einer Phase aufweist, also dass über beträchtliche Zeiträume nur Flüssigkeiten oder nur gasförmige Komponenten gefördert werden. Darüber hinaus schwankt die Zusammensetzung des Multiphasengemisches über einen weiten Bereich und über größere Zeiträume, so dass hier besondere Anforderungen an die Pumpentechnologie gestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Unterwasserförderaggregat für Kohlenwasserstoffe bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet und die Gefahr von Umweltschäden aufgrund von Undichtigkeiten vermindert, ohne dass die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit

beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Unterwasserfördergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Unterwasserförderaggregat mit einer Pumpe und einer Antriebseinrichtung, bei der die Antriebseinrichtung gegenüber dem umgebenden Wasser und gegenüber einem Prozessmedium abgedichtet ist, sieht vor, dass die Pumpe und die Antriebseinrichtung zu einem Modul in einem Modulgehäuse zusammengefasst und in einem Druckgehäuse angeordnet sind, wobei das Druckgehäuse mit dem Prozessmedium während des Betriebs gefüllt ist und das Modulgehäuse umgibt. Durch das Anordnen von Pumpe und Antriebseinrichtung innerhalb eines Modulgehäuses wird die Pumpe und die Antriebseinrichtung sowie die üblicherweise vorzusehenden Getriebeeinrichtungen oder Kupplungen sowie Steuereinrichtungen vollständig von dem Umgebungsdruck und der Temperatur durch die Wassersäule entkoppelt. Durch den aktiven Druckausgleich des Modul- Innendruckes auf einen konstanten überdruck bezüglich des umgebenden Prozessmediums werden Druckwechsellasten auf das Modulgehäuse, im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, vollständig vermieden. Aufgrund des modularen Aufbaus des Förderaggregates mit der Pumpe und der Antriebseinrichtung in einem Modulgehäuse werden alle rotierenden und toleranzkritischen Bauteile zu einer Einheit zusammengefasst, wobei das für die Formänderung verantwortliche Modulgehäuse konstante Druckkräfte erfährt und von dem Außendruck, der auf das Druckgehäuse lastet, entkoppelt ist. Durch das Prozessmedium wird ein unmittelbarer Kontakt des Modulgehäuses mit dem Umgebungswasser verhindert, was zu einer Vergleichmäßigung der Betriebstemperatur und einem geringeren Temperaturgradienten führt, so dass die Pumpe und der Antrieb geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Insgesamt kann das Modulgehäuse

auf im Wesentlichen konstante Kräfte hin ausgelegt werden, was eine Reduzierung des konstruktiven Aufwandes bedeutet und gleichzeitig eine höhere Effektivität der Pumpe bei gleichzeitig geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit zur Folge hat.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Modulgehäuse unter Ausbildung eines Ringraumes in dem Druckgehäuse gelagert ist, so dass das Modulgehäuse vollständig von dem Prozessmedium umgeben werden kann, mit Ausnehme der notwendigen Lagerstellen des Modulgehäuses innerhalb des Druckgehäuses. Der Ringraum dient dabei gleichzeitig als eine Separationseinrichtung, über die eine Flüssigkeitsphase von einer Gasphase getrennt werden kann. Der Ringraum kann als ein Rückhalteraum für eine Flüssigkeitsphase eingesetzt werden, sofern dieser saugseitig angeordnet ist, um separierte Flüssigkeitsphase bei Bedarf dem Saugraum der Pumpe zuzuführen, um die in der Regel als Schraubenspindelpumpe ausgeführte Pumpe mit einem ausreichenden Maß an Flüssigkeitsphase zu versorgen, um einerseits eine Spaltabdichtung der Bewegungsspalte der parallel zueinander angeordneten Schraubenspindeln zu gewährleisten und anderseits eine Schmierung und Kühlung zu bewirken. Sollte der Ringraum druckseitig angeordnet sein, kann er als Separationsraum dienen und über eine Kurzschlussleitung in den Ansaugraum der Pumpe eine Rezirkulierung von bereits geförderter Flüssigkeitsphase ermöglichen.

Zur mechanischen Entkopplung ist vorgesehen, dass das Modulgehäuse zumindest an einer Lagerstelle in dem Druckgehäuse verschieblich gelagert ist, so dass durch eine Loslagerung in Axialrichtung die notwendige

Entkopplung des Moduls bzw. des Modulgehäuses von thermischen oder hydrostatischen Verformungen des Druckgehäuses gewährleistet wird.

Bevorzugt ist das Modulgehäuse zylindrisch ausgebildet, um eine hohe Druckstabilität zu gewährleisten, wobei das Druckgehäuse bevorzugt konzentrisch um das Modulgehäuse herum angeordnet ist.

Innerhalb des Druckgehäuses und/oder innerhalb des Modulgehäuses können Separationseinrichtungen zur Trennung einer Flüssigkeitsphase und einer Gasphase eines Multiphasengemisches angeordnet sein, beispielsweise in Gestalt von Umleiteinrichtungen oder Beruhigungszonen oder gezielten Strömungsquerschnittserhöhungen, um die Strömungsgeschwindigkeiten zu verringern und eine schwerkraftbedingte Trennung von Flüssigkeitsphase und Gasphase zu bewirken. Die getrennte Flüssigkeitsphase kann dann entweder innerhalb des Modulgehäuses oder von dem Druckgehäuse zurück in den Saugraum der Pumpe geleitet werden, um eine Rezirkulation der separierten Flüssigkeitsphase zu bewirken, sofern dies notwendig ist, wenn z.B. über einen längeren Zeitpunkt ausschließlich Gasphase gefördert wird. Die Rezirkulation dient der Aufrechterhaltung der Spaltabdichtung sowie der Kühlung der Förderelemente.

Das Modulgehäuse ist vorzugsweise innerhalb des Druckgehäuses an einem Punkt in einem Festlager gelagert, wobei das Festlager vorzugsweise mit Durchführungen durch das Druckgehäuse ausgestattet ist, um beispielsweise elektrische oder hydraulische Versorgungsleitungen zu dem Modulgehäuse und der Antriebseinrichtung zu führen. Die Durchführungen können einfach und sicher statisch abgedichtet werden.

Eine Rezirkulationsleitung kann von dem Druckraum der Pumpe zu dem Saugraum der Pumpe vorgesehen sein, um eine separierte Flüssigkeitsphase dem Saugraum dosiert zuzuleiten. Die Separation und die Speicherfähigkeit der separierten Flüssigkeitsphase können dabei unabhängig von der Orientierung des Druckgehäuses bzw. der Pumpe und der Antriebseinrichtung erfolgen, so dass sowohl bei einem horizontalen als auch bei einem vertikalen Einbau eine Separation von Flüssigkeitsphase und Gasphase erfolgen kann.

In dem Druckgehäuse und/oder in dem Modulgehäuse kann saugseitig ein

Rückhalteraum für die Flüssigkeitsphase vorgesehen sein, um einen ausreichenden Vorrat für Gasphasenförderzeiträume zu haben.

Die Einlassseite und die Auslassseite des Unterwasserförderaggregates kann durch zumindest ein Rückschlagventil miteinander verbunden sein, das einen freien Durchgang des Prozessmediums in eine Richtung durchlässt und in andere Richtung sperrt, so dass ein freier Durchgang des Prozessmediums auch bei nicht aktivierter Pumpe gewährleistet ist und ein freier Austausch sichergestellt werden kann.

Weiterhin ist möglich, dass Einrichtungen zur Aufbereitung des Prozessmediums, zur Feststoffabscheidung und/oder zur Zufuhr von Zuschlagsstoffen, wie z. B Chemikalien usw. vorgesehen sind, so dass das Prozessmedium optimal gefördert und aufbereitet werden kann.

Zur Minderung von Geräuschemissionen können alle Kontaktstellen zwischen dem Druckgehäuse und dem Modulgehäuse mit Schwingungsdämpfern versehen sein. Bei einer Lagerung des Modulgehäuses in dem Druckgehäuse mit einem axial freien Loslager kann das Loslager auch als Einlas s stutzen für das Prozessmedium genutzt werden, so dass durch die Loslagerstelle in dem Druckgehäuse das Prozessmedium in den Saugraum der Pumpe und von dort aus in den Ringraum des Druckgehäuses gefördert wird. Von dem Druckraum aus wird das Prozessmedium über eine entsprechende Rohrleitung abtransportiert.

Die Ausgestaltung des Moduls aus Pumpe und Antriebseinrichtung in einem gemeinsamen Modulgehäuse hat den Vorteil, dass das mechanisch aktive Element vollständig vorgefertigt und getestet werden kann und nur noch in ein umschließendes Druckgehäuse eingeführt werden muss. Keine mechanisch beweglichen Teile müssen gegenüber der Umgebung abgedichtet werden, vielmehr können auch Undichtigkeiten innerhalb der Pumpe

unschädlich sein, da Leckagen in dem vollständig geschlossenen Druckgehäuse aufgenommen werden. Lediglich der Wirkungsgrad kann sich dadurch verringern. Die mechanisch einfache Bauform des Druckgehäuses mit der Minimierung der Schnittstellen sowie form- bzw. kraftschlüssigen Lagerstellen zwischen dem Modulgehäuse und dem Druckgehäuse erlauben eine sehr freie Wahl hinsichtlich des Materials, des Fertigungsprozesses und der Druckstufe des Druckgehäuses. Die Anzahl der Dichtungen zu Umgebungen wird minimiert und auf nicht rotierende Dichtungen eingeschränkt. Der Einbauraum für die Dichtungen ist dabei weitgehend frei wählbar.

Alle mechanischen Funktionen des Unterwasserförderaggregats sind in dem Modulgehäuse enthalten. Zum Testen der Funktion wird alleine das Modulgehäuse benötigt. Da das Modulgehäuse die Druckkräfte der Wassersäule und des absoluten Prozessdruckes nicht länger aufnehmen muss, können die Abmessungen und das Gewicht reduziert und die Zugänglichkeit von Komponenten vereinfacht werden. Auch hierdurch wird ein vollständiger Funktionstest des Moduls mit verringertem Aufwand möglich.

Die Auslegung des Druckgehäuses erfolgt unabhängig von konstruktiven Gegebenheiten der Pumpe nur hinsichtlich des maximalen Außen- und Innendruckes, sowie der Prozess- und Umgebungstemperatur und der chemischen Zusammensetzung des Prozessmediums, wohingegen das Modulgehäuse eine ausreichende Formstabilität für die mechanischen Belastungen sowie ein gegenüber dem konstanten Modulüberdruck ausreichend druckausgeglichenes und den Temperaturschwankungen hinreichend widerstandsfähiges Gehäuse ausbilden muss, das von den Verformungen des Druckgehäuses und den von außen wirkenden Belastungen weitgehend entkoppelt ist.

Das Modulgehäuse kann in dem Druckgehäuse über schwingungsdämpfende Lagerstellen gelagert sein, beispielsweise Gummi-Metall-Lager, um keine Schallemissionen aus dem Modulgehäuse auf das Druckgehäuse zu übertragen oder die übertragung möglichst zu verhindern. Dadurch wird eine Schallemission von dem Druckgehäuse an die Umgebung verringert, da bei einer Förderung von Mehrphasengemischen der Ringraum, der um das Modulgehäuse befindlich ist, durch den Gasgehalt im Fördermedium bereits als ein wenig Schall übertragender Raum ausgebildet ist. Alle Kontaktstellen des Modulgehäuses zu dem Druckgehäuse können schwingungsisoliert ausgebildet oder mit Schwingungsdämpfern ausgestattet sein.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Förderaggregates.

In der Figur ist ein Unterwasserförderaggregat 1 mit einem äußeren Druckgehäuse 2, das aus zwei Gehäuseteilen 21, 22 besteht, sowie einem darin angeordneten Modulgehäuse 3 besteht, wobei das Modulgehäuse 3 eine Pumpe 31 sowie eine Antriebseinrichtung 32 mit einer Kupplung 33 aufnimmt. Die Antriebseinrichtung 32 und die Kupplung 33 sind über ein Sperrmedium gegenüber einem Eindringen eines Prozessmediums abgedichtet. Das Modulgehäuse 3 ist an seinem rechten Ende in einem Festlager 24 des zweiten Druckgehäuseteils 22 gelagert und mit Durchführungen für elektrische und hydraulische Zuleitungen 5 versehen. Auf der linken Seite ist das Druckgehäuse 31 in einem Einlassstutzen 25 axial verschieblich gelagert, so dass das linke Ende des Modulgehäuses 3 als Loslager ausgebildet ist. An dem Druckgehäuse 2 sind zwei Flansche 23, 26 angeordnet, über die eine Verbindung zu Rohrleitungssystem hergestellt werden kann.

Das Modulgehäuse 3 ist so in dem Druckgehäuse 2 angeordnet, dass ein Ringraum 6 um das Modulgehäuse 3 entsteht, der mit Prozessmedium gefüllt wird. Durch den Einlassstutzen 25 wird das Prozessmedium in den Saugraum 311 der Pumpe 31 gefördert und von dort durch den Druckraum 312 in den Ringraum 6 gepumpt, wie durch die Pfeile angedeutet. Von dem Ringraum 6 wird das Prozessmedium dann durch den Auslassstutzen 26 abtransportiert.

Auf die Wandung des Druckgehäuses 2 wirken von innen der Förderdruck und von außen die Wassersäule, während auf das Modulgehäuse 3 von außen der Förderdruck und von innen der Druck des Sperrmediums wirkt, wobei der Druck des Sperrmediums gezielt auf die Betriebsbedingungen eingestellt wird. üblicherweise wird ein geringer konstanter überdruck, üblicherweise zwischen 1 und 25 bar vom Sperrmedium zum Prozessmedium im Druckgehäuse 2 angestrebt. Hierdurch wird eine konstante

Druckkompensation des gesamten Moduls gegenüber dem umgebenden

Prozessdruck sowie eine vollständige Entkopplung von dem

Umgebungsdruck, also dem Druck der Wassersäule erreicht. Die mechanische Auslegung des Modulgehäuses 3 kann hierdurch auf geringe, vor allen Dingen auf konstante Kräfte ausgerichtet werden.

Innerhalb des Ringraumes 6 können Separationseinrichtungen, wie Umleitelemente, Labyrinthe oder gezielte Quer Schnitts Vergrößerungen vorgesehen sein, um einen verbesserten Separationswirkungsgrad bereitzustellen. Von dem Ringraum 6 kann eine Kurzschlussleitung zu dem Saugraum 311 der Pumpe 31 geführt werden, um eine Rezirkulation einer separierten Flüssigkeitsphase zu ermöglichen.

Durch das Anordnen eines im Wesentlichen konzentrischen Ringraumes 6 um das Modulgehäuse 3 durch die Ausbildung eines entsprechend ausgebildeten Druckgehäuses 2 ist es möglich, eine thermische Isolierung

zwischen dem Modulgehäuse 3 und der Umgebung, also dem Meer, zur Verfügung zu stellen, so dass bei Stillstand der Pumpe 31 nur eine langsame Auskühlung stattfindet. Ebenfalls können Rückschlagventile angeordnet sein, die beim Stillstand der Pumpe 31 einen kontinuierlichen Austausch des Prozessmediums von den Einlassstutzen 25 zum Auslass 26 ermöglichen, so dass die Temperatur des Modulgehäuses 3 und damit die Temperatur der Pumpe 31und der Antriebseinrichtung 32 im Wesentlichen konstant gehalten werden können, da ein kontinuierlicher Austausch des Prozessmediums erfolgt.