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CN103097650B - 海底马达和泵模块的补偿式阻隔和润滑流体压力调控系统 - Google Patents

海底马达和泵模块的补偿式阻隔和润滑流体压力调控系统 Download PDF

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CN103097650B CN201180030717.5A CN201180030717A CN103097650B CN 103097650 B CN103097650 B CN 103097650B CN 201180030717 A CN201180030717 A CN 201180030717A CN 103097650 B CN103097650 B CN 103097650B
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Abstract

公开了一种用于海底马达和泵模块的补偿式马达阻隔和泵润滑流体压力调控系统，其包括：对马达和泵模块提供阻隔流体和润滑流体的液压流体供应；阻隔流体回路(14，15，17)，其中，从单独的第一压力补偿器(19)施加的压力使液压流体预压向马达；润滑流体回路(21，22，24)，其中，从单独的第二压力补偿器(26)施加的压力使液压流体预压向泵。第二压力补偿器(26)响应于在泵的吸入侧或排出侧处的泵送介质压力，并且对润滑流体回路施加那个压力和其固有的预压压力的总和，而且第一压力补偿器(19)响应于润滑流体回路中的压力，并且对阻隔流体回路施加那个压力和其固有的预压压力的总和。

Description

海底马达和泵模块的补偿式阻隔和润滑流体压力调控系统
技术领域
本发明大体涉及在将烃生产流体从海床处的生产点运送到海面或基于陆地的主设施中涉及的海底装备。更具体而言，本发明涉及设计成管理海底马达和泵模块中的阻隔和润滑流体压力的系统。
背景技术
海底烃生产中的过程流体典型地是从地底储层中抽出的多相流体，包括油和气体以及最后包括固体物质。马达/泵模块布置在海床上，并且构造成将过程流体从储层运送到海面或基于陆地的主设施。马达/泵模块频繁地受到例如泵送介质中的巨大的压力变化以及在泵启动和停止序列期间的巨大过渡负荷的影响。在泵的吸入侧处的介质压力可为大约好几百巴，从而在马达/泵模块中需要对应的措施来防止过程流体和颗粒物质从泵内部迁移到马达壳体中，以及迁移到马达/泵模块的轴承和密封件中。
为了泵送海底生产中的多相流体，有利地使用螺杆转子泵。螺杆转子泵是具有两个螺杆轴的正排量类型的泵，这两个螺杆轴被驱动而与相互啮合的齿轮一起旋转，在齿轮之间，一定量的流体沿螺杆的轴向方向从泵的吸入侧移置，以在泵的压力侧上排出。螺杆通过轴颈安装在泵壳体中的轴承中，并且以传动的方式连接到布置在马达壳体中的马达上。在双转子螺杆泵的情况下，承载在螺杆轴上的相互啮合的定时齿轮对旋转运动提供同步。密封装置在液压方面分隔马达壳体内部与泵壳体内部，其中，传动轴通过轴颈安装而延伸成与泵转子轴连接。密封装置在泵的两端处分隔泵轴承与泵送介质。
将马达壳体中的液压流体控制在泵的内部压力之上的压力处，从而液压流体用作防止过程流体和微粒通过密封件和轴承装置侵入到马达壳体中的阻隔。由于压差的原因，无法避免液压流体流沿着传动轴泄漏。泄漏速率取决于流体属性、压差、泵的瞬态运行状况和密封件(一个或多个)的紧密性。通过从外部液压流体供应补充马达壳体来补偿泄漏。同样，液压流体用于润滑泵轴承和定时齿轮。将泵润滑流体中的压力保持在泵的内部的泵送介质的压力之上，以便防止过程流体和微粒侵入泵轴承、密封件和定时齿轮中。通过从外部液压流体供应补充来补偿通过泵密封件进入到泵送介质中的泄漏。
马达和泵可以传动的方式连接在马达壳体的内部，或者连接在马达壳体的外部。例如，马达和泵可共用同一个轴，而没有以传动关系连接它们的单独的联接件。在其它设计中，泵轴可联接到马达壳体的内部的马达轴上。在另外的其它设计中，马达和泵借助于位于限定在马达壳体和泵之间的联接室中的联接件以传动的方式连接。但是，在所有备选方案中，分别在接口上(即在马达壳体、联接室(当存在时)和泵润滑系统与泵送介质之间)始终保持压差是合乎需要的。
传统上，从主设施供应马达阻隔流体和泵润滑流体各个，并且通常通过脐带从主设施管理泄漏补偿以及压力控制。随着日渐增多地安装海底烃生产点且在增大的深度和离船距离处操作海底烃生产点，润滑和冷却系统中的响应时间和控制要求对应地提高。因此，越来越多地需要一种在改进的控制要求的情况下运行且提供提高的运行可靠性的阻隔流体和润滑系统。
发明内容
因此本发明旨在提供一种用于海底马达和泵模块的阻隔和润滑流体压力调控系统，其避免了现有技术系统的问题，尤其是与离船距离长和水深大相关联的那些问题。
本发明尤其旨在提供一种用于海底马达和泵模块的阻隔和润滑流体压力调控系统，该系统具有适应泵送介质中的压力变化的固有的能力。本发明进一步旨在提供一种阻隔和润滑流体压力调控系统，其具有补偿由于通过马达和泵模块中的密封件和轴承的泄漏所造成的液压流体损失的固有的能力。本发明的又一个目的在于提供一种阻隔和润滑流体压力调控系统，其中，在阻隔流体回路和润滑流体回路之间的预设压差始终自动地保持，并且针对泵送介质压力而平衡。
本发明的阻隔和润滑流体压力调控系统可有利地应用于海底马达和泵模块，海底马达和泵模块包括：设置在马达壳体中的泵马达；设置在泵-壳体中的泵，其在泵的吸入侧处具有泵入口，并且在泵的排出侧处具有泵出口；以及泵-转子组件，其布置在泵马达和泵之间，并且通过轴颈安装在泵-壳体中的轴承中。泵-转子组件通过传动轴以传动的方式连接到马达上，传动轴通过密封装置到达马达和泵壳体之间，并且泵-转子组件构造成从泵入口移置出流体介质，以通过泵出口排出流体介质。
简而言之，通过阻隔和润滑流体压力调控系统来实现本发明的目的，该系统包括：对海底马达和泵模块提供马达阻隔流体和泵润滑流体的液压流体供应；阻隔流体回路，其中，从单独的第一压力补偿器施加的压力使液压流体预压向马达；润滑流体回路，其中，从单独的第二压力补偿器施加的压力使液压流体预压向泵，其中，第二压力补偿器响应于在泵入口和/或泵出口处(在泵的吸入侧和/或排出侧处)的泵送介质压力，以对润滑流体回路施加所述泵送介质压力和所述第二压力补偿器的固有的预压压力的总和，并且第一压力补偿器响应于润滑流体回路中的压力，并且对阻隔流体回路施加所述润滑流体回路中的压力和所述第一压力补偿器的固有的预压压力的总和。
根据本发明的系统提供对泵送介质压力的任何变化的立即响应，而且该系统是简单且稳定可靠的解决方法，其在阻隔和润滑流体回路之间持续地保持预先确定的压差，并且始终使回路压力与泵送介质的压力保持平衡。
在优选实施例中，阻隔流体回路和润滑流体回路分别能够通过可控的第一开/关阀和第二开/关阀单独地连接到液压流体供应上，并且润滑流体回路通过第一压力补偿器的加载隔室与液压流体供应连通。
此实施例对由于通过分隔马达和泵模块中的阻隔和润滑流体回路的密封件的泄漏所造成的液压流体损失提供了固有的补偿，以及对进入泵送介质中的泄漏流提供补偿。
在泵的吸入侧或排出侧处的泵送介质压力通过导引管线传送到第二压力补偿器的加载隔室。优选地，泵送介质压力经过包括在导引管线中的分离隔膜传送到第二压力补偿器。
此实施例对泵送介质中的压力变化提供立即响应，同时避免过程流体、海水和颗粒物质侵入到泵润滑回路中。
优选地，导引管线通过可选的第三开/关阀与液压流体供应连通，该可选的第三开/关阀是可控的，以通过导引管线和单向阀将液压流体馈送到泵的吸入侧或排出侧，单向阀容许有通过隔膜的回流。
此实施例有利地提供用于用液压流体冲洗导引管线和隔膜壳体的手段，以便移除烃，烃可潜在地浸入到导引管线中，并且形成固体物质(诸如氢氧化物或微粒)，烃可阻碍泵送介质压力精确地传送到阻隔和润滑流体回路。冲洗另外可具有使隔膜的位置复位以确保恰当传送的目的。
为了避免由于压力在回路中出乎意料地增加而使运行中断，可通过通到导引管线中的压力控制安全卸压阀来分别在泵入口或出口和阻隔或润滑流体回路之间建立流连通。
对于许多应用，将第一压力补偿器和第二压力补偿器各自设定成输送典型地大约5巴(72.5psig)的压差将是合适的。
第一压力补偿器和第二压力补偿器可各自与对控制逻辑返回补偿器位置的感测器件相关联。取决于压力补偿器的类型，感测器件可实现为响应于补偿器活塞的位置的线性可变差动变压器(LVDT)。传感器读取实际补偿器位置，并且与操作开/关阀的控制逻辑通信。控制逻辑优选设计成通过操作开/关阀来补充目标流体回路而将压力补偿器保持在空载位置上。照这样，控制逻辑实现将补偿器位置转换成补偿器压力，并且从而也转换成阻隔流体和泵润滑压力。
阻隔流体回路可包括在马达壳体外部的冷却器单元。
不限于任何特定类型或模型的马达和泵模块，本发明的阻隔流体和润滑系统有利地应用于配备有双螺杆转子的泵，以及布置成对泵轴承供应油的润滑回路，以及安装在泵中以使转子的旋转同步的定时齿轮。
具体实施方式
在以下中，将参照所附示意图(图1)来更加详细地描述本发明的优选实施例。
在图中，参考标号1表示海底马达和泵模块，其包括封闭在不透水的加压封罩或马达壳体2中的马达，以及封闭在泵壳体3中的泵转子组件。驱动泵的马达典型地是电动马达，但是可备选地采用其它驱动单元，诸如液压马达或涡轮。
泵转子构造成移置通过泵的吸入侧上的泵入口4进入泵壳体的泵送介质(典型地来自海床下面的储层的多相生产流体)，以通过泵的排出侧上的泵出口5排出该泵送介质。泵转子以传动的方式连接到马达上，并且泵的内部借助于密封装置6在液压方面与加压(典型地充满油的)马达壳体分隔开，密封装置6密封在旋转轴(由参考标号7指示)的外部上，泵转子通过旋转轴以传动的方式连接到马达上。泵轴承通过在泵的两端处的密封装置8和9与泵介质分隔开。泵转子通过轴颈安装在泵壳体3中的轴承装置(未显示)中。
由于本发明不限于任何特定类型或模型的马达和泵组件，而是实际上可应用于在运送烃生产流体中涉及的且由熟练技术人员操作的各种马达和泵构造，所以不必详细论述马达和泵模块1的内部。
液压流体通过管线10从液压流体供应(由参考标号11指示)供应到马达和泵模块1，例如液压流体供应可在水上位于海面平台上，或者位于基于陆地的主设施上。补偿式阻隔和润滑流体压力调控系统的所有其它构件都安装在海底。
通过第一流控制阀12和第二流控制阀13供应液压流体，流控制阀12和13是可控的，并且响应于补充系统的命令，基于阻隔和润滑流体回路中的流体压力的变化，而在开和关模式之间切换。
更确切地说，第一开/关阀12用于补充包括图中的管线14、15和17的马达阻隔流体回路。管线14使马达阻隔流体回路通过第一开/关阀12与液压流体供应连接。管线15打开，以便液压流体进入到马达壳体内部中，从而液压流体用作马达2和泵壳体3之间的接口处的阻隔，并且典型地也对马达提供润滑和冷却流体。阻隔流体回路能够通过管线16间接地连接成与泵入口进行流连通，管线16用作额外的安全功能，以在流体压力出乎意料地升高到过高的水平的情况下，通过安全卸压阀18从阻隔流体回路中卸出液压流体。阻隔流体回路中的流体压力由管线17中的流体压力控制，管线17从第一压力补偿器19通到管线15中，第一压力补偿器19如下面将更清楚地描述的那样对阻隔流体回路施加偏压。可在阻隔流体回路中结合冷却器20。
类似地，第二开/关阀13用于补充包括管线21、22和24的泵润滑流体回路。管线21使泵润滑流体回路通过第二开/关阀13与液压流体供应连接。管线22打开，以使液压流体进入到泵壳体中，从而对泵转子轴承提供润滑，并且在合适的时候，对定时齿轮提供润滑。更确切而言，第二开/关阀13通过第一压力补偿器19的加载隔室将液压流体馈送到润滑回路中，从而对在压力补偿器19中设定的固有的预压压力增加润滑回路中的流体压力，压力补偿器19通过管线17对阻隔流体回路施加这些压力的总和。管线23如将在下面描述的那样能够与泵入口间接地连接，并且用作额外的安全功能，以在流体压力出乎意料地上升到过高的水平的情况下，通过安全卸压阀25从泵润滑流体回路中卸出液压流体。润滑流体回路中的流体压力由管线24中的流体压力控制，管线24从第二压力补偿器26通到管线22中，第二压力补偿器26对润滑流体回路施加偏压。
因此，照这样，阻隔和润滑流体回路中的流体压力相互平衡，以在润滑流体回路中的所有实际流体压力下在两个回路之间保持恒定的压差。压差由可控的第一压力补偿器19的偏压确定。在认为合适的大多数情况下，压差典型地为大约5巴(72.5psig)。
另外，阻隔和泵润滑流体回路中的流体压力相对于泵的吸入侧处的泵送介质中的压力共同平衡。为了这个目的，介质压力通过管线27传送到第二压力补偿器26的加载隔室，从而对在压力补偿器26中设定的固有的预压压力增加泵送介质的压力，压力补偿器26通过管线24对泵润滑回路施加这些压力的总和。
因此，照这样，阻隔和润滑流体回路中的流体压力相对于泵的吸入侧处的泵送介质中的压力共同平衡。压差由可控的第二压力补偿器26的偏压确定。在认为合适的大多数情况下，压差典型地为大约5巴(72.5psig)。
泵送介质压力通过结合在导引管线27中的分离隔膜28传送到第二压力补偿器26的加载隔室。隔膜实现泵送介质与马达阻隔和泵润滑回路的隔离。
为了清洁导引管线27和隔膜壳体29的可与泵送介质一起进入的固体沉积，在阻隔和润滑流体压力调控系统中提供冲洗回路。冲洗另外可用于使隔膜的位置复位，以确保恰当的连通。冲洗回路包括结合在管线31中的第三开/关阀30，管线31使液压流体供应与第二压力补偿器26的加载隔室连接。布置在隔膜28中的单向阀32容许液压流体通过第二压力补偿器、隔膜和导引管线回冲到泵送介质入口4。
补偿器通常将管理阻隔和润滑流体回路中的压力升高。为了管理任何回路中的过度压力的情形，可安装额外的安全功能。在图中，这些额外的安全功能由管线23和16表示，管线23和16如示出的那样分别直接地和间接地连接到导引管线27上。通过结合在安全卸压阀18和25的下游的单向阀防止管线16和23中的逆流。
同样，为了管理突然的危急情形，诸如在例如泵的外部检测到烃，隔离阀33布置成切断泵送介质和阻隔和润滑流体回路之间的压力传送。
为了避免气体在导引管线27和/或隔膜壳体29中积聚(由于压缩或氢氧化物的形成，这将导致误读实际的介质压力)，可在导引管线中包括管环路34，以实现对多相生产流体的气相部分的捕捉。
另外，为了避免在导引管线27中有氢氧化物的形成和多相生产流体的气态和液态成分固化，导引管线与加热迹线35相关联，以实现使导引管线中的流体温度保持在这些流体成分的固化温度之上。
压力补偿器19和26可为用于所有海深的任何可用类型的穹顶加载压力补偿器，并且设计成分隔导引流体与待控制在目标压力范围的液压回路。具有可调弹簧偏压的补偿器是优选的，可调弹簧偏压为可控的，以设定相当于大约5巴的压差。适于预期目的的压力补偿器配备有传感器，传感器读取补偿器位置，并且对控制逻辑36返回信号，控制逻辑36在开和关模式之间第一操作阀12和第二操作阀13。在补偿器设计有用于直观地指示补偿器活塞位置的伸缩杆的情况下，传感器可为LVDT传感器。控制逻辑可设计成通过操作目标开/关阀来补充目标流体回路而将补偿器保持在空载位置上，并且照这样将补偿器的活塞位置转换成补偿器压力，以及从而也转换成马达阻隔流体或泵润滑流体压力。控制逻辑可位于海底，或者位于远处，以通过脐带与阻隔和润滑流体压力调控系统进行电子通信。
当然本发明无论如何不限于上面描述的实施例。相反，本发明的修改的许多可能性对本领域普通技术人员将是显而易见的，而不偏离诸如在所附权利要求中限定的本发明的基本思想。

Claims (13)

1.一种用于海底马达和泵模块的补偿式阻隔和润滑流体压力调控系统，包括：
对所述马达和泵模块提供阻隔流体和润滑流体的液压流体供应；
阻隔流体回路(14，15，17)，其中，从单独的第一压力补偿器(19)施加的压力使液压流体预压向所述马达；
润滑流体回路(21，22，24)，其中，从单独的第二压力补偿器(26)施加的压力使液压流体预压向所述泵，
其中，所述第二压力补偿器(26)响应于在所述泵的吸入侧或排出侧处的泵送介质的压力，并且对所述润滑流体回路施加所述泵送介质的所述压力和所述第二压力补偿器的固有的预压压力的总和，并且所述第一压力补偿器(19)响应于所述润滑流体回路中的压力，并且对所述阻隔流体回路施加所述润滑流体回路中的所述压力和所述第一压力补偿器的固有的预压压力的总和。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阻隔流体回路和所述润滑流体回路能够分别通过可控的第一开/关阀(12)和第二开/关阀(13)单独地连接到液压流体供应(10)上，并且所述润滑流体回路通过所述第一压力补偿器(19)的加载隔室与所述液压流体供应连通。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，泵送介质压力通过导引管线(27)传送到所述第二压力补偿器(26)的加载隔室。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，泵送介质压力经过包括在所述导引管线(27)中的分离隔膜(28)传送到所述第二压力补偿器(26)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括冲洗回路，所述冲洗回路包括结合在管线(31)中的第三开/关阀(30)，所述管线(31)使所述液压流体供应与所述第二压力补偿器(26)的加载隔室连通，其中所述第三开/关阀(30)配置成以通过所述导引管线(27)和容许有通过所述隔膜(28)的回流的单向阀将液压流体馈送到所述泵的所述吸入侧或所述排出侧。
6.根据前述权利要求3至5中的任一项所述的系统，其特征在于，可通过通到所述导引管线(27)中的安全卸压阀(25)来分别建立在泵吸入或排出侧和所述阻隔流体回路或所述润滑流体回路之间的流连通。
7.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一压力补偿器和所述第二压力补偿器(19；26)各自设定成输送典型地大约5巴的压差。
8.根据前述权利要求2至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一压力补偿器和所述第二压力补偿器(19；26)各自与将所述补偿器的位置返回到控制逻辑的感测器件相关联。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述感测器件是响应于压力补偿器活塞的位置的LVDT。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑设计成通过操作所述第一开/关阀和第二开/关阀来补充目标流体回路而使压力补偿器保持在空载位置上。
11.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述阻隔流体回路包括在所述马达的壳体外部的冷却器单元。
12.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述马达和泵模块(1)包括：设置在马达壳体中的马达；设置在泵壳体中的泵，所述泵在所述泵的吸入侧处具有泵入口，以及在所述泵的排出侧具有泵出口；以及泵-转子组件，其布置在所述马达和所述泵之间，并且通过轴颈安装在所述泵壳体中的轴承中，所述泵-转子组件通过传动轴以传动的方式连接到所述马达上，所述传动轴通过密封装置到达所述马达和所述泵壳体之间，其中，所述泵-转子组件构造成使流体介质从入口移置到所述泵，以通过所述泵的出口排出所述流体介质。
13.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述泵是双转子螺杆泵，并且所述润滑回路布置成对定时齿轮供应油，所述定时齿轮实现使所述转子的旋转同步。
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