多相泵的制作方法

本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分的用于输送多相工艺流体的多相泵。

背景技术：

多相泵用于许多不同的行业，其中，必须输送包括多个相（例如，液相和气相）的混合物的工艺流体。重要的示例是油气加工业，其中，多相泵用于输送烃类流体，例如，用于从油田中提取原油或者用于通过管道或在炼油厂内运输油/气。

鉴于油气田的高效开采，现在对可以直接在海底（seaground）上安装和操作的泵的需求不断增加，特别是在水面下深达100米、深达500米、或者甚至深达多于1000米的海底。不用说，这种泵的设计具有挑战性，尤其是因为这些泵应在困难的海下环境中长时期运行，并尽可能少地进行维护和维修工作。这需要特定的测量以使所涉及的设备的量最小化并且优化泵的可靠性。

化石燃料通常不以纯净形式存在于油田或气田中，而是作为多相混合物，其包含液体组分、气体组分以及可能还包含诸如沙子的固体组分。例如，原油、天然气和化学品的这种多相混合物也可能包含海水和比例不大的沙子，并且必须从油田或气田中抽出。对于这种化石燃料的输送，使用多相泵，其能够泵送液体-气体混合物，该液体-气体混合物也可能包含例如沙子的固体组分。

关于多相泵的设计的其中一个挑战在于如下事实：在许多应用中，多相工艺流体的成分在泵的操作期间强烈变化。例如，在开采油田期间，气相（例如，天然气）和液相（例如，原油）的比例会强烈变化。这些变化可能会非常突然地发生并且可能导致泵效率下降、泵的振动或者其它问题。多相混合物中气相的比例通常是通过无量纲气体体积分数（gvf）来测量，该无量纲气体体积分数表示多相工艺流体中气体的体积比。在油气业的应用中，gvf可以在0％与100％之间变化。工艺流体的成分的这些强烈变化可能导致泵至少临时地在设计用于泵的操作范围之外工作。用于减少gvf的较大变化的一种已知措施是在多相泵的入口上游提供缓冲罐。待由多相泵泵送的多相工艺流体首先被供应至适合体积的缓冲罐，并且缓冲罐的出口连接至泵的入口。通过这种措施，可以抑制gvf的强烈变化，从而改善泵性能。油气业中的现代多相泵可以处理gvf高达95％或甚至更高的多相工艺流体。然而，在一些应用中，提供缓冲罐可能是不合理的，例如，这是由于技术原因或者由于缺乏可用空间。

但即使提供缓冲罐，多相工艺流体的成分变化可能仍然很强，以至于无法确保多相泵始终在设计用于泵的操作范围内操作。尤其是在gvf非常高的情况下，存在使流过泵的液体降低至低于最小流量的风险，在该最小流量下，泵以安全、可靠和高效的方式操作。

为了防止泵在低于操作范围的最小流量下操作，泵被设计用于本领域中已知的若干泵保护策略，例如，提供再循环管线或回流管线以人为地增加泵入口处的体积流量。该回流管线在泵出口的下游分支并且导回至泵入口，以使一部分工艺流体从泵出口下游的高压侧循环回流到低压侧处的泵的吸入侧或入口。回流管线可以通过t形件或任何其它合适的分支装置连接至泵出口下游的管道。回流管线包括用于打开或关闭回流管线的阀。在检测到关键操作状态时（例如，流量接近泵的操作范围的最小流量），阀打开回流管线，以便使得一部分工艺流体再循环至泵的吸入侧。当通过泵的流量增加并且移动远离最小所需流量时，借助阀关闭回流管线，因而防止工艺流体进一步再循环至泵的吸入侧。例如，在ep-a-3037668中描述了这种回流管线的操作和控制。

这种再循环方法或回流管线的性能受流体性质以及其它外部因素的影响很大，流体性质例如为流体相的密度和混溶性、gvf、流体速度、剪切力、温度和压力，其它外部因素诸如管道布局、再循环管线规模、阀位置、控制反馈滞后和阀控制。

因此，取决于实际条件，流过回流管线的液体流量可能变得太低而不能确保泵的可靠操作。

为了改善这种回流管线的性能，已知的措施是在回流管线中或上游提供液体提取单元。例如，液体提取单元是静态分离装置，其试图将液体从多相流体中分离出来，以便使得仅仅或者主要是多相流体的液相返回至吸入侧。然而，存在的问题是液体提取单元实际上不能处理广泛的操作点，例如，gvf的强烈变化。可能的是，液体提取单元在某个操作点处具有非常好的效率，但当移动远离所述操作点时，液体提取单元的性能迅速下降。甚至可能的是，液体提取单元在某些操作点处用作气体提取单元。因此，具有液体提取单元的解决方案在实践中并不真正令人满意。

技术实现要素：

因此，从该现有技术出发，本发明的目的是提出一种用于输送多相工艺流体的改进型多相泵，其中，更好地防止多相泵在低于设计用于泵的最小流量下操作。尤其，泵应该适用于海下应用。

满足该目的的本发明的主题的特征在于独立权利要求的特征。

因此，根据本发明，提出了一种多相泵，该多相泵用于将多相工艺流体（processfluid）从低压侧输送至高压侧，该多相泵包括具有用于工艺流体的泵入口和泵出口的壳体，该多相泵进一步包括：入口环室（annulus），其设计用于接收来自泵入口的工艺流体；排放环室，其设计用于将工艺流体排放到泵出口中；泵转子，其用于绕着布置在壳体内的轴向方向旋转，泵转子被设计用于将工艺流体从入口环室输送至出口环室；以及回流管线，其用于使工艺流体从高压侧返回至低压侧，其中，回流管线包括用于接收工艺流体的入口、用于排放工艺流体的出口以及用于打开和关闭回流管线的控制阀，并且其中，回流管线的入口直接布置在排放环室处。

通过将回流管线的入口直接设在出口环室处，进入回流管线的工艺流体会非常均质。作用在工艺流体上的泵转子产生工艺流体的不同相的非常均质的混合物。尤其，气相均匀地分布在液相中。进入回流管线的彻底混合和均质化的工艺流体具有以下优点：可以实现达到低压侧和泵入口的足够高的回流，因而防止泵在低于安全和高效泵操作所需的最小流量下操作。在已知的解决方案中，在回流管线在泵出口下游分支的情况下，排放环室中的均质化工艺流体必须在进入回流管线之前流过泵出口和附加管道。这会在待再循环的工艺流体中产生不利影响，诸如，相分离、分层或块状物产生。利用根据本发明的多相泵避免了所有这些不利的分离影响，因为工艺流体从一个位置（即，排放环室）进行再循环，在此，工艺流体的均质性最高。

此外，由于排放环室中的工艺流体的均质性，所以在回流管线的入口上游或者回流管线中不需要任何液体提取单元。

必须注意的是，在所述工艺流体可以穿过由工艺流体润湿的且泵的旋转部件（即，泵转子的部件）在其中与静止部件相互作用的任何附加部件之前，其入口直接布置在排放环室处的回流管线将工艺流体再循环至低压侧。例如，所述部件是平衡活塞或者用于泵转子的轴承，尤其是由工艺流体或工艺流体的（多个）部件润滑的轴承。因此，当从排放环室流过回流管线时，从排放环室直接返回至低压侧的工艺流体不会穿过任何旋转部件，诸如，平衡活塞或轴承。

回流管线的入口直接在排放环室处的布置确保了通过排放环室中的正常旋流完全混合和均质化的工艺流体进入回流管线。根据本发明的多相泵不需要单独的旋流装置或混合装置来确保适当混合和未分离的多相工艺流体进入回流管线。然而，入口环室和排放环室可以被设计例如用于特定应用，以包括旋流装置或其它机械表面以促进旋风或类似效果，以进一步改善流入和流出回流管线的流体流动条件。

此外，可以在排放环室中或排放环室处提供使用切向或离心力的集成旋风分离装置，以从工艺流体中去除沙子或其它固体成分，以便分别避免固体再循环至低压侧和入口环室。

例如，在ep-a-2626564或ep-a-2626563中公开这种分离装置，其可以可选地设在根据本发明的多相泵中。这些分离装置与泵转子共同旋转以借助离心力从工艺流体中分离出固体（诸如，沙子）。

根据优选实施例，回流管线的入口和泵出口在排放环室处以间隔关系进行设置。因此，回流管线的入口是在排放环室处的与泵出口不同的开口。

优选地，回流管线的出口与入口环室呈流体连通。因此，排放环室借助回流管线与入口环室呈流体连通，以便使得当回流管线打开时，工艺流体可以直接从排放环室再循环至入口环室。

此外，优选的是使回流管线的出口直接布置在入口环室处。

根据其它实施例，还能够在排放环室与入口环室之间提供缓冲罐，以便使得通过回流管线再循环的工艺流体首先进入缓冲罐并且然后从缓冲罐被供应至泵的低压侧以进入入口环室。

根据有利措施，回流管线的出口和泵入口在入口环室处以间隔关系进行设置。因此，回流管线的出口是在入口环室处与泵入口不同的开口。

根据优选实施例，回流管线使排放环室与入口环室直接联接，即，在用于打开和关闭回流管线的控制阀旁边，不存在布置在回流管线中的其它装置。例如，回流管线是使排放环室与入口环室直接连接的单个管道。

根据优选的设计，回流管线合理地尽可能短。尤其，回流管线具有的长度是泵入口与泵出口之间的距离的至多两倍，优选地为至多1.5倍。因此，努力使回流管线的长度最小化。理想地，回流管线的长度基本上与排放环室与入口环室之间的距离相对应。然而，取决于泵的相应设计或相应配置并且取决于回流管线如何联接至排放环室和入口环室，回流管线的总长度可以实际上稍微大于排放环室与入口环室之间的距离。根据该优选设计，回流管线配置为具有在构造上可能或合理的最短长度。

回流管线的短长度具有几个优点：通过回流管线的短长度，避免或者至少显著地减少了回流管线中的再循环工艺流体的分离效果，诸如，分层、相分离或块状物产生。此外，短长度使得由回流管线中的摩擦损失导致的沿着回流管线的压力损失仅仅非常低。此外，与通过泵的工艺流体的主流相比，回流管线中的工艺流体的热变化非常低，例如，回流管线中的工艺流体的温度至少非常类似于由泵转子从入口环室输送至排放环室的工艺流体的温度。回流管线上的低压降和低热变化都有助于防止水合物的形成。

根据优选实施例，回流管线与壳体可拆卸地连接，例如，借助法兰连接。

在优选实施例中，回流管线被设计作为布置在壳体外部处的外部管道。

在另一优选实施例中，回流管线布置在壳体内部。

根据本发明的多相泵可以被设计为立式泵，其中泵转子在竖直方向上延伸。可替代地，根据本发明的多相泵可以被设计为卧式泵，其中泵转子垂直于竖直方向（即，在水平方向上）延伸。

根据优选配置，多相泵包括驱动单元，该驱动单元可操作地连接至泵转子以使泵转子旋转，其中，驱动单元布置在壳体内部。

尤其，多相泵可以设计用于海下油气输送。

在优选实施例中，多相泵设计用于在海底上安装。

本发明的其它有利措施和实施例将从从属权利要求变得显而易见。

附图说明

下文将参考附图更详细地解释本发明。在示意代表图中示出了：

图1为根据本发明的多相泵的第一实施例的横截面图；

图2为根据本发明的多相泵的第二实施例的横截面图；

图3为根据本发明的多相泵的第三实施例的横截面图；以及

图4为根据本发明的多相泵的第四实施例的横截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的多相泵的实施例的横截面图，该多相泵的实体用附图标记1表示。多相泵1被设计作为离心泵，其用于将多相工艺流体从低压侧lp输送至高压侧hp。多相泵1具有被设计作为压力壳体的壳体2，其能够承受由泵1产生的压力以及由环境施加在泵1上的压力。壳体2可以包括若干壳体部分，这些壳体部分彼此连接以形成壳体2。

在如下描述中，通过示例的方式参照重要的应用，即，多相泵1被设计并适合于用作油气业中的海下泵。尤其，多相泵1配置用于在海底上安装，即，在水面下方使用，尤其是在海的水面下深达100米、深达500米或者甚至深达多于1000米的海底。在这种应用中，多相工艺流体通常是含烃混合物，其必须从例如油田被泵送至水面下或水面上或者岸上的处理单元。构成待被输送的工艺流体的多相混合物可以包括液相、气相和固相，其中，液相可以包括原油、海水和化学品，气相可以包括甲烷、天然气等，并且固相可以包括沙子、污泥和较小的石头，而多相泵1在泵送多相混合物时不会被损坏。

不言而喻，本发明不限于该具体示例，而是涉及一般的多相泵。本发明可以用于许多不同的应用，尤其是用于将多相泵1安装在难以接近的位置处的这种应用中。

多相泵1的壳体2包括泵入口3和泵出口4，多相工艺流体通过泵入口3在低压侧lp处进入泵1，如箭头i所指示的，泵出口4用于以增加的压力在高压侧hp处排放工艺流体，如箭头o所指示的。通常，泵出口4连接到管道或管道系统（未示出）以将工艺流体递送至另一位置。泵出口4处（即，高压侧hp处）的工艺流体的压力通常显著地高于泵入口3处（即，低压侧lp处）的工艺流体的压力。高压侧与低压侧之间的差的典型值是例如50巴至200巴。

泵1进一步包括入口环室5。泵入口3通向入口环室5，以便使得入口环室5通过泵入口3接收工艺流体。泵1进一步包括用于将工艺流体排放至泵出口4中的排放环室6，工艺流体通过泵出口4离开泵1。泵出口4通向排放环室6。

多相泵进一步包括泵转子7，其用于绕着轴向方向a旋转。以本身已知的方式，泵转子7配置用于将工艺流体从低压侧lp处的入口环室5输送至高压侧hp处的排放环室6。泵转子7的细节未在图1中示出。通常，泵转子7包括可绕着轴向方向a旋转的轴71（例如，见图2）和一个叶轮72（单级泵）或者多个叶轮72（多级泵），多个叶轮72沿着轴向方向a串联布置以将工艺流体从入口环室5输送至排放环室6，并且因而增加工艺流体的压力。每个叶轮72以抗扭矩的方式固定至轴71。每个叶轮72可以被设计作为例如径向叶轮或轴向叶轮或半轴向叶轮。

为了使泵转子7的轴71旋转，轴71可操作地连接至驱动单元8，驱动单元8可以是位于泵的壳体2外部的单独单元，或者可以集成到壳体2中。对于海下应用，驱动单元8通常被布置在壳体2内部。

借助驱动单元8，泵转子7在泵1的操作期间被驱动以绕着轴向方向a旋转，轴向方向a由泵转子7的纵向轴线限定。

多相泵1进一步包括回流管线9，以将一部分工艺流体从高压侧hp再循环至低压侧lp。回流管线9包括：用于接收待进行再循环的工艺流体的入口91、用于排放待进行再循环的工艺流体的出口92、以及用于打开和关闭回流管线9的控制阀93。控制阀93可以被设计作为例如最小流量阀，当泵1所产生的流量下降至低于最小流量时，该最小流量阀打开回流管线9。

根据本发明，回流管线9的入口91直接布置在排放环室6处，以便使得回流管线9直接从排放环室6接收工艺流体。排放环室6中的多相工艺流体通过泵转子7的作用强烈地均质化，泵转子7至少充分混合多相流体的液相和气相。

在图1所示的实施例中，回流管线9的入口91通向排放环室6，以便使得工艺流体可以从排放环室6直接进入回流管线9的入口91。

回流管线9的入口91和泵出口4在排放环室6处以间隔关系进行设置。通常，排放环室6是环形室。如图1所示，回流管线9的入口91和泵出口4在排放环室6处沿直径相对地布置。

必须注意的是，当从排放环室6的圆周方向上观看时，回流管线9的入口91与排放环室6处的泵出口4之间的距离可以不同于180°。然而，进入排放环室6的入口91的开口是与泵出口4进入排放环室6的开口不同的开口。

回流管线9的出口92与泵1的入口环室5呈流体连通。根据图1所示的实施例，回流管线9的出口92直接布置在入口环室5处。出口92通向入口环室5。

回流管线9的出口92和泵入口3在入口环室5处以间隔关系进行设置。通常，入口环室5是环形室。如图1所示，回流管线9的出口92和泵入口3在入口环室5处沿直径相对地布置。

必须注意的是，当从入口环室5的圆周方向上观看时，回流管线9的出口92与入口环室5处的泵入口3之间的距离可以不同于180°。然而，进入入口环室5的出口92的开口是与泵入口3进入入口环室5的开口不同的开口。

回流管线9被设计作为使排放环室6与入口环室5连接的管道。在图1所示的第一实施例中，回流管线9被设计作为外部管道并且布置在壳体2外部。回流管线9借助第一法兰连接94和借助第二法兰连接95固定至壳体2，第一法兰连接94使回流管线9的入口91与排放环室6连接，第二法兰连接95使回流管线的出口92与入口环室5连接。

回流管线9被设计作为管道，当考虑构造或结构方面时，该管道具有可能的或者在技术上合理的最短长度。理想地，构成回流管线的管道的长度基本上与在排放环室6与入口环室5之间的距离相同。实际上，由于构造原因，所以回流管线9略长于排放环室6与入口环室5之间的距离。优选的是，回流管线9具有的长度是泵入口3与泵出口4之间的距离的至多两倍，并且尤其优选地为至多1.5倍。回流管线9的短而紧凑的设计具有优势，即，由回流管线9中的摩擦损失引起的压力损失非常低。此外，回流管线9的短长度减少了再循环工艺流体中的任何分离效果，诸如，相分离、分层或块状物产生。此外，通过回流管线9的短长度，避免了再循环工艺流体与主流工艺流体之间的相当大的温度变化。由于较低压力损失和较低热变化，所以防止了尤其是在回流管线9中水合物的形成。

如上所述，回流管线9进一步包括用于打开和关闭回流管线9的控制阀93。当控制阀93处于打开位置时，通过回流管线9的流体连通打开，以便使得将工艺流体从排放环室6再循环至低压侧lp。当控制阀93处于关闭位置时，通过回流管线9的流体连通被关闭，以便使得工艺流体不会从排放环室6再循环至低压侧lp。控制阀93可以被设计为仅具有打开和关闭位置的截止阀，或者控制阀93可以被设计为用于调节通过回流管线9的工艺流体的流量的流量控制阀。

例如，控制阀93可以配置为电力致动阀或液压致动阀。

用于操作回流管线9的方法（尤其是控制阀93如何和何时打开或关闭回流管线9）本身对于本发明并不特别相关。原则上，本领域中已知的用于操作泵（尤其是多相泵1）中的回流管线9的每种方法都适合于操作根据本发明的多相泵1。作为示例，参照ep-a-3037668，其中描述了一种用于操作泵的方法，该泵具有用于将工艺流体从泵的高压侧再循环至低压侧或吸入侧的回流管线。

回流管线9的基本功能是避免多相泵1在低于设计用于多相泵1的最小流量的流量下操作。该最小流量是已知值，其由泵1的设计或泵安装给出。

在多相泵1的操作期间，监测泵1的液压性能。例如，通过如下方式来检测由泵产生的流量：例如，通过确定通过泵出口4排放的工艺流体的流量。该流量可以借助一个或多个适当的传感器来直接测量，或者该流量可以借助泵1的其它操作参数来确定，这些操作参数指示泵1产生的流量或与其有关。

当流量接近或达到最小流量时，回流管线9借助控制阀93部分地或完全地打开。现在，工艺流体至少部分地从泵1的高压侧hp再循环至低压侧lp或吸入侧。当然，输送至排放环室6的全部工艺流体流量也可能返回至入口环室5。

通过使工艺流体从高压侧hp分别返回至泵入口3或入口环室，泵入口4处的或通过入口环室5的体积流量增加，从而通过泵1从入口环室5流向排放环室6的流量增加，这使实际操作泵从最小流量状态向着最佳效率点移回。一旦由泵1产生的工艺流体的流量充分高于最小流量，就可以借助控制阀93关闭回流管线9，以便使得工艺流体不再从排放环室6再循环至泵的低压侧lp。

为了使工艺流体从排放环室6再循环至泵的低压侧lp，不需要通过与泵入口3通向入口环室5的孔口不同的开口来将再循环的工艺流体直接供应至入口环室5。

在泵1的其它实施例中，回流管线9的出口92连接至泵入口3。

此外，还能够使回流管线9连接至缓冲罐，并且缓冲罐与泵入口3连接。在这种实施例中，从排放环室6再循环的工艺流体被供应至缓冲罐。从缓冲罐将工艺流体供应至泵入口3。

图1所示的实施例被构造为立式泵，其中泵转子7在竖直方向上延伸。在泵的操作期间，泵转子7沿重力方向定向，并且轴向方向a竖直地延伸。

不言而喻，根据本发明的多相泵也可以被设计为卧式泵，其中泵转子7在水平方向（即，垂直于重力的方向）上延伸。

在下文对根据本发明的多相泵1的其它实施例的描述中，仅仅更详细地解释与第一实施例的不同之处。关于第一实施例的解释对于其它实施例也以相同方式或类似方式有效。相同的附图标记表示已经参照图1解释的特征或功能上等同的特征。此外，参照特定实施例解释的特征也可以在相应的其它实施例中以类似的方式进行实施。尤其，各个实施例均可以设计为立式泵或卧式泵。

图2示出了根据本发明的多相泵1的第二实施例的横截面图。第二实施例被设计为卧式泵1。多相泵1被设计为多级泵1，其中，泵转子7包括串联布置在轴71上的多个叶轮72。叶轮72被设计为半轴向叶轮72。在每种情况下，在相邻的叶轮72之间设有固定扩散器73，用于将工艺流体引导至下一级叶轮72。图2中未示出用于使泵转子7旋转的驱动单元8。

图3示出了根据本发明的多相泵1的第三实施例的横截面图。第三实施例在此被设计为立式泵。图3中未示出用于使泵转子7旋转的驱动单元8。

根据第三实施例，回流管线9以不可拆卸的方式固定地连接至壳体2。例如，回流管线9焊接至壳体2，如图3中的焊缝96所示。

图4示出了根据本发明的多相泵1的第四实施例的横截面图。第四实施例在此被设计为立式泵。图4中未示出用于使泵转子7旋转的驱动单元8。

在第四实施例中，回流管线9是内部管线，即，回流管线9被布置在多相泵1的壳体2内部。