用于操作海底压缩系统的设备和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于操作海底压缩系统的设备和方法，海底压缩系统包括分离器(3)、压缩机(1)和泵(2)，其中，压缩机能够操作用于压缩和排出从给送到分离器的井流分离的气体，且泵能够操作用于泵送从井流分离的液体。根据本发明，压缩气体经由驱动地连接于泵的涡轮膨胀器单元(10)而从压缩机排出侧再循环到压缩机吸入侧，泵能够响应于压缩气体从压缩机排出侧到压缩机吸入侧的流通而操作。
【专利说明】用于操作海底压缩系统的设备和方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及用于在海底烃开采中通过压缩气体进行井流(well stream)升压和泵送液体的压缩系统。更准确而言，本发明涉及用于操作构造成用于该目的的海底压缩系统的设备和方法。
【背景技术】
[0003]近海气体开采涉及由陆基或海基终端或主设施(host facility)控制和供能的海床上的装备。在产品供应到市场之前，井流体经由管线从海底开采系统输送到接收终端以待进一步加工。在开采的初始阶段，流体储槽压力通常足以用于通过管线给送烃流体。随后在开采中，或在井流体储槽与接收终端之间的距离很长的情况下，在一个或更多压缩系统中可能沿给送管路需要流体压力升压和流动，以便保持流速和开采水平。
[0004]用于海底压缩系统中的压缩机适于处理含一定比例液体的湿气体。高于此比例，将需要液体泵。在压缩系统中，含气体和液体的井流体进入分离器或洗涤器中，液体在该分离器或洗涤器中从井流分离且给送至泵，为压缩机和泵二者关于液体体积分率或水平提供可预测的操作点。该 泵通常被操作以通过将液体注入从压缩机排出的压缩气体中来向下游泵送液体，由此使重新混合的多相井流体在增大的压力水平和流量下离开压缩系统。然而，海底压缩系统可以可选地布置用于经由单独的输出管路排出升压的气体和液体流。
[0005]按惯例，各压缩机和泵通常分别由专用电动机驱动，该电动机被经由将压缩系统与其主设施连接的脐带(umbilical)提供操作功率和控制功率。压缩系统中的各压缩机或泵马达对其操作需要独立的功率装置和控制装置(诸如，海底开关装置、湿插拔(wet-mate)电连接器、高压电跳线和电控制系统构件、包括阀的冷却和润滑回路、和流量及压力控制件等)以用于可变速度驱动。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于减少如下海底压缩系统中所需的构件数目和功率，该海底压缩系统构造成用于使含气体和液体的井流升压。
[0007]该目的在包括分离器、压缩机和泵的海底压缩系统中实现，其中，压缩机能够操作用于压缩和排出从给送到分离器中的双相井流分离的气体，且泵能够操作用于泵送从井流分离的液体。
[0008]用于操作海底压缩系统的方法包括:
?将压缩机布置在来自分离器的气体给送管路中；
?提供将压缩机的排出侧与压缩机的吸入侧连接的气体返回管路；
?将涡轮膨胀器单元布置成与气体返回管路流动连接；
?将泵布置在来自分离器的液体给送管路中；?将涡轮膨胀器单元驱动地连接于液体泵，且响应于从压缩机排出侧到压缩机吸入侧的压缩气体流通而操作泵。
[0009]根据本发明的海底压缩系统对应地包括压缩机、泵和分离器，其中，压缩机能够操作用于压缩气体，且泵能够操作用于将在分离器中从在压缩系统中接收的双相井流分离的液体加压，且此外，其中，气体经由气体给送管路从分离器给送到压缩器且在压缩状态下从压缩机排出，且液体经由液体给送管路从分离器抽取到泵并在加压状态下从泵排出。气体返回管路布置成将压缩机的排出侧与压缩机的吸入侧连接；涡轮膨胀器单元布置成与气体返回管路流动连接；涡轮膨胀器单元与泵驱动地连接，且能够响应于压缩气体从压缩机排出侧到压缩机吸入侧的流通而操作泵。
[0010]因此，可省略专用泵马达和相关联构件(诸如功率供应构件、操作控制件、润滑和冷却设备等)，这可显著降低海底压缩系统的成本和复杂性。
[0011]涡轮膨胀器单元为离心涡轮或轴流涡轮，压缩的高压气体在其中膨胀，且膨胀气体中的能量释放来用于驱动涡轮膨胀器单元中的膨胀涡轮或转子。
[0012]在本发明中，膨胀涡轮机具有驱动地连接于离心泵或正排量泵的泵轮/转子的引出轴。泵与涡轮膨胀器单元可直接连接或经由减速齿轮或减速装置而间接地连接，例如，插入涡轮膨胀器单元与泵之间。[0013]涡轮膨胀器单元优选为包括在气体给送环路中，该气体给送环路包括连接压缩机排出侧与吸入侧的气体给送管路。离开涡轮膨胀器单元的膨胀气体的压力可保持在压缩机吸入侧上的气体压力之上，用于将气体再循环到压缩机上游的气体流。备选地，膨胀气体可借助于由压缩机吸入侧上的气体流驱动的喷射器而返回到上游气体流。
[0014]因此基本上，涡轮膨胀器单元的吸入口在压缩机出口与压缩气体排出管路上的液体注入点之间连接于压缩气体排出管路，而涡轮膨胀器单元的出口能够通过流量控制阀而连接于对压缩机给送湿气体的流体管路，或备选地能够连接于在分离器上游流动的井流。
[0015]涡轮膨胀器单元和泵由流量控制阀间断地驱动、控制和调节，专用于该目的且响应于在分离器中探测到的液体体积分率而受促动，或响应于在对分离器供应和给送的井流中探测到的液体体积分率而受促动。
[0016]在所使用的泵不能够完全依靠气体而运转的情况下，泵的排出侧上的出口能够连接于分离器，以用于经由布置在液体返回环路(包括液体返回管路)中的流量控制阀使液体再流通，以便避免泵干运转的风险。
[0017]在达到分离器中的低液体设定点的情况下，泵还可通过关闭流量控制阀来停止，或泵还可具有外部液体作业管路，该外部液体作业管路通常供应可用于泵的连续和/或间断起动的甲醇或乙二醇。
[0018]海底压缩系统的流动回路包括再循环环路，气体可通过该再循环环路从压缩机排出侧返回到压缩机吸入侧。通过响应于在压缩机中探测到的喘振(surge)情况来布置流动通过涡轮膨胀器单元以用于涡轮膨胀器单元和泵的操作的气体，同时控制来自泵的液体流以用于再流通到分离器或注入压缩机排出管路或输出管路中，本发明可提供抗喘振的再循环环路。
[0019]在海底压缩系统中可布置若干组压缩机和泵，各组分别包括压缩气体返回环路、液体返回环路、和涡轮膨胀器单元。[0020]两个或更多压缩机或压缩机级可串联地布置。涡轮膨胀器单元可插入从最终压缩机或最终压缩机级分别流动到串联的第一压缩机或第一压缩机级的压缩气体返回流中。
[0021]中间冷却器也可安装在串联地布置的压缩机或压缩机级之间。
[0022]本发明的其它优点、有利特征和实施例将从从属权利要求和优选实施例的以下详细描述中变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]以下将参考所附示意图来进一步阐释本发明。在附图中，
图1为示意性地示出了现有技术海底压缩系统的设置的示图；
图2为对应于图1的示图，示出了根据本发明的海底压缩系统的设置，并且 图3为示出本发明的实施方式的简图。
【具体实施方式】
[0024]在图1的示图中示意性地示出了用于井流升压的海底压缩系统的主模块和流动回路概览。海底压缩系统从至少一个海底开采系统接收双相或多相井流体，且将升压的井流体F给送到一个或更多输出管线中，用于进一步输送到接收终端或主设施。海底压缩系统包括:包括一个或更多压缩机I的压缩机模块、包括至少一个泵2的泵模块，和包括分离器3的分离器/洗涤器模块。分离器3设计成用于液体/气体分离，且可以可选地构造成用于溶解液体渣，以用于防止水合物和用于清理出井流中携带的固体颗粒，用于气体洗涤等，以便对压缩机吸入口输送可压缩气体(湿气体)。(多个)压缩机I设计成用于升高气体的压力和在升高的压力下将气体排出到输出管线中。(多个)泵2设计成用于在升高的压力下将额外的液体注入从压缩机排出的气体流中。
[0025]从主设施经由连接到海底压缩系统上的脐带供应高电压功率、低电压功率、水力、控制以及效用。效用和控制功率经由变压器、高电压线缆和湿插拔电连接器、开关装置、电跳线、断路器模块等分配给海底压缩系统上的消耗装置。由于(多个)压缩机和(多个)泵分别由专用的可变速度驱动(VSD)电动机4和5独立地驱动，故需要为各电动机独立地安装效用和控制功率设备。在图中，通过VSD框6示意性地表示专用效用和控制功率设备。
[0026]此外，在海底压缩系统中，各马达需要单独的柔性联接、引导和放置装置、阀，和用于冷却、润滑和阻隔压力(barrier pressure)的流体管路。
[0027]图2为利用了本发明而设置的海底压缩系统的概览。图2的架构中的显著差异在于，明显减少了 VSD框6的数目，如由本发明所教导的，作为以从(多个)压缩机排出的压缩气体驱动(多个)泵2的结果，VSD框6可减少50%。
[0028]自然地，海底压缩系统中所需的构件数目方面的减少适用于在其它情况下省略的泵马达的操作已涉及的全部构件。
[0029]图3示意性地示出根据本发明的优选实施例而布局的海底压缩系统。
[0030]在未明确地参考图3而详细地阐释的情况下，完全地装备且有效的海底压缩系统通常包括输入和输出井流的歧管和阀、流量和压力计、再流通管路和阀、抗喘振控制回路和阀、润滑和阻隔流体回路和阀、脐带头端、变压器、冷却器、砂阱等，以及在海底压缩系统上常见的其它设备。为了清楚，图3已经排除了在这方面具有次要意义的模块和单元的详细结构和组织。
[0031]在实施本发明的海底压缩系统中，井流体F经由井流供应管路7供应至海底压缩系统，且给送到分离器3中，分离器3构造成用于分离井流中包含的气体和液体。湿气体经由湿气体给送管路8从分离器输送到压缩机I的吸入口。
[0032]压缩气体经由压缩气体排出管路9从压缩机I排出到引出管和输出管线(未示出)。从压缩机排出管路9获取高压气体且经由压缩气体给送管路11供应到涡轮膨胀器单元10。膨胀气体从涡轮膨胀器单元10中排出且经由膨胀气体返回管路12通过流量调节阀13再循环到压缩机的吸入侧。响应于由传感器器件探测到且应用于海底控制单元14中的分离器中的液体体积分率，可控制备选地安装在去往涡轮膨胀器单元10的气体给送管路11上的流量调节阀13，海底控制单元14控制流量调节阀13的定位。气体返回管路12中的单向阀15防止流回到返回气体管路12中。
[0033]作为使膨胀气体从涡轮膨胀器单元10返回到压缩机I吸入侧上的气体给送管路8(如图3示出的连续管路)的替换方案，膨胀气体可返回到压缩机吸入侧上的更上游，诸如，返回到分离器或返回到给送到分离器中的双相井流，如图3中由将气体返回管路12延伸到分离器上游侧的虚线所示。后一备选方案可为有利的，例如，在涡轮膨胀器单元10的排出侧上从膨胀气体凝结出液体的情况下。
[0034]涡轮膨胀器单元10中的膨胀涡轮16驱动地连接于液体泵2中的泵轮或转子17。在操作中，泵2经由液体给送管路18从分离器3抽取液体，用于经由连接于排出管路9的液体注入管路19而在液体注入点处注入压缩气体排出管路9中。返回至分离器3的液体再循环可通过液体返回环路20和流量控制阀21来实现，液体返回环路20和流量控制阀21将分离器与泵出口侧上的液体注入管路19连接。
[0035]在达到分离器中的低液体设定点的情况下，泵还可通过关闭流量控制阀来停止，或泵还可具有外部液体作业管路，外部液体作业管路通常供应可用于泵的连续和/或间断起动的甲醇或乙二醇。
[0036]效用和控制功率经由VSD框6和表示所需的高电压电路和低电压电路、湿插拔连接器、开关装置、断路器等的脐带头端框22而供应到压缩机马达4。
[0037]用于海底压缩系统中的(多个)压缩机设计成用于气体压力的较大升高，诸如，从压缩机吸入口处的大约40bar到压缩机排出口处的大约120bar，例如，重载离心机湿气体压缩机一般用在这方面，通常在十或几十兆瓦的功率范围和约8-12000转每分钟的转速下操作。
[0038]用于海底压缩系统中的(多个)泵设计成用于使液体流升压到用于引入从压缩机排出的气体中所需的压力。固定排量泵在这方面是有用的，其在数百千瓦的功率范围和大约1500-4000转每分钟的转速下操作。
[0039]因此，在大多数压缩机/泵组合中，大约4-5:1的减速比例可为期望且适当的。然而，可备选地使用在其它操作速度下旋转的压缩机、固定排量泵或离心泵，而不需要减速比或需要其它减速比。然而，由于驱动气体流和所得的输出转矩及旋转可通过流量调节阀13来控制，故本发明在泵/压缩机组合的选择中提供了较大的自由度。备选地，通过图3中的符号表示23指出的减速或速度调节装置(例如，诸如液力转矩转换器或电磁滞离合器)可插入涡轮膨胀器单元与泵之间，且取决于所需的输出转矩而在驱动构件与从动构件之间控制在零到100%锁闭之间。
[0040]自然地，本发明不限于附图中示意性地示出的涡轮膨胀器单元和泵的直列式同轴组件。作为替代，泵和涡轮膨胀器单元可备选地布置在平行的纵轴线上，或甚至布置在交叉轴线上，其中相互啮合的齿轮或锥齿轮将转矩和旋转从膨胀涡轮传递到泵转子。
[0041]本发明不局限于上述实施例。相反，在不脱离本发明的基本构想的情况下，技术人员可由在本文中提供的教导想到本发明的变型的许多可能性。例如，此类变型可包括布置在海底压缩系统中的多个压缩机和泵。另一个变型预见两个或更多压缩机或压缩机级串联地布置。在此类实施例中，中间冷却器可安装在串联地布置的压缩机或压缩机级之间。还能想到的是，在串联地布置的压缩机或压缩机级之间布置压缩气体的中间流出和抽出，用于供应到涡轮膨胀器单元。
[0042]本发明人预见了提供等同效果和优点的这些以及其它能想到的变型，且应相信它们包括在所附权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种操作海底压缩系统的方法，所述海底压缩系统包括压缩机(I)、泵(2)和分离器(3)，所述压缩机能够操作用于压缩气体，且所述泵能够操作用于将在所述分离器中从在所述压缩系统中接收的双相井流分离的液体加压，所述方法包括: -将所述压缩机布置在来自所述分离器的气体给送管路(8)中； -提供将所述压缩机的排出侧与所述压缩机的吸入侧连接的气体返回管路(12)； -将涡轮膨胀器单元(10)布置成与所述气体返回管路(12)流动连接； -将所述泵布置在来自所述分离器的液体给送管路(18)中； -将所述涡轮膨胀器单元(10)驱动地连接于所述泵(2)，且响应于压缩气体从所述压缩机排出侧到所述压缩机吸入侧的流通而操作所述泵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵(2)布置成与液体返回管路(20)流动连接，所述液体返回管路(20)将所述泵的排出侧与所述分离器(3)连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述涡轮膨胀器单元(10)和所述泵(2)响应于在所述分离器(3)中探测到的液体体积分率而操作。
4.根据权利 要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮膨胀器单元(10)和所述泵(2)响应于在所述压缩机⑴中探测到的喘振情况而操作。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮膨胀器单元(10)的转速在插入所述涡轮膨胀器单元与所述泵之间的减速齿轮或减速装置(23)中减小。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，若干组压缩机和泵布置在所述海底压缩系统中，各组分别包括压缩气体返回环路、液体返回环路和涡轮膨胀器单元。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，两个或更多压缩机或压缩机级串联地布置，涡轮膨胀器单元插入从最终压缩机或最终压缩机级分别流动到串联的第一压缩机或第一压缩机级的压缩气体返回流中。
8.一种海底压缩系统，所述海底压缩系统包括压缩机(I)、泵(2)和分离器(3)，其中，所述压缩机能够操作用于压缩气体且所述泵能够操作用于将在所述分离器中从在所述压缩系统中接收的双相井流(X)分离的液体加压，且此外，其中，气体经由气体给送管路(8)从所述分离器给送到所述压缩机并在压缩状态下从所述压缩机排出，且液体经由液体给送管路(18)从所述分离器抽取到所述泵并在加压状态下从所述泵排出，其特征在于 -气体返回管路(12)布置成将所述压缩机的排出侧与所述压缩机的吸入侧连接， -涡轮膨胀器单元(10)布置成与所述气体返回管路(12)流动连接， -所述涡轮膨胀器单元(10)与所述泵(2)驱动地连接，且所述泵能够响应于压缩气体从所述压缩机排出侧到所述压缩机吸入侧的流通而操作。
9.根据权利要求8所述的压缩系统，其特征在于，所述涡轮膨胀器单元(10)的吸入口在所述压缩机出口与压缩气体排出管路(9)上的液体注入点之间连接于所述压缩气体排出管路(9)，且所述涡轮膨胀器单元的出口能够通过流量控制阀(13)而连接于对所述压缩机(I)给送湿气体的流体管路(8)。
10.根据权利要求9所述的压缩系统，其特征在于，所述流量控制阀(13)响应于在所述分离器(3)中探测到的液体体积分率而受促动。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，所述泵的出口能够经由布置在液体返回环路(20)中的流量控制阀(21)而连接于所述分离器。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，流动通过所述涡轮膨胀器单元(10)的气体能够响应于在所述压缩机中探测到的喘振情况而受控制。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，所述泵为正排量栗。
14.根据权利要求8至13中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，减速齿轮或减速装置(23)插入所述涡轮膨胀器单元与所述泵之间。
15.根据权利要求8至14中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，多个压缩机和泵布置在所述海底压缩系统中。
16.根据权利要求8至15中的任一项所述的压缩系统，其特征在于，两个或更多压缩机或压缩机级串联地布置。
17.根据权利要求16所述的压缩系统，其特征在于，中间冷却器安装在串联地布置的所述压缩机或所述压缩机级之间。
18.根据权利要求16或17所述的压缩机系统，其特征在于，压缩气体在串联地布置的所述压缩机或所述压缩机级之间抽出，且供应到所述涡轮膨胀器单元。
【文档编号】E21B43/34GK103732857SQ201280026332
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月1日 优先权日:2011年6月1日
【发明者】O.P.汤特, J.韦塞尔 申请人:韦特柯格雷斯堪的纳维亚有限公司