PUMPSYSTEM UND VERFAHREN ZUR FÖRDERUNG VON MEHRPHASENGEMISCHEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Pumpsystem zur Förderung von Mehrphasengemischen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Förderung von Mehrphasengemischen gemäss Oberbegriff von Anspruch 6 sowie eine Förderanlage mit einem derartigen Pumpsystem.

[0002] Bei der Förderung von Mehrphasengemischen, wie beispielsweise Rohöl, das neben Erdöl auch Erdgas und häufig auch Wasser und Feststoffanteile wie z.B. Sand enthält, stellt sich das Problem, dass mit steigendem Gasanteil im Mehrphasengemisch der Wirkungsgrad der verwendeten Pumpvorrichtungen abnimmt. Beispielsweise ist bei niedrigen Gasdichten der Einsatz von Pumpvorrichtungen mit radialen Laufrädern bereits ab einem volumetrischen Gas/Flüssigkeitsverhältnis von grösser als 3 bis 5 % nicht mehr möglich oder wirtschaftlich. In herkömmlichen Förderanlagen wird deshalb bei höherem Gasanteil die gasförmige Phase der Mehrphasengemische in einem Separator von der flüssigen abgetrennt und die beiden Phasen getrennt gefördert, wobei für die Förderung der flüssigen Phase Radialpumpen eingesetzt werden. Der Nachteil derartiger Fördersysteme besteht darin, dass der darin verwendete Separator für die Phasentrennung ein vergleichsweise grosses Volumen aufweist.

[0003] Für Anwendungen, wo wenig Platz zur Verfügung steht, wird deshalb für die Förderung des Flüssiganteils eine Mehrphasenpumpe nach dem Separator eingesetzt, die es erlaubt, einen Separator mit einem kleineren Volumen zu verwenden, da die Mehrphasenpumpe in der Lage ist, Mehrphasengemische mit einem volumetrischen Gas/Flüssigkeitsverhältnis von mehr als 5 % zu fördern. Die Verwendung von Mehrphasenpumpen hat jedoch den Nachteil, dass die damit erzeugbare Förderhöhe auf maximal 1000 m begrenzt ist.

[0004] Für Anwendungen, wo wenig Platz zur Verfügung steht und gegebenenfalls eine grössere Förderhöhe benötigt wird, wurden zudem spezielle Pumpvorrichtungen für Mehrphasengemische entwickelt, die einlassseitig mindestens eine axiale Kompressionsstufe enthalten, um das volumetrische Gas/Flüssigkeitsverhältnis der zu fördernden Mehrphasengemische soweit zu verringern, dass anschliessend herkömmliche Förderstufen mit radialen Laufrädern eingesetzt werden können. Normalerweise ist für die axiale Kompressionsstufe und die radialen Förderstufen eine gemeinsame Welle vorgesehen. In Dokument US 5 961 282 ist eine Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische offenbart, die mindestens eine axiale Pumpstufe und mindestens eine radiale Pumpstufe umfasst, die anschliessend an die axiale Pumpstufe angeordnet ist. Laut Dokument US 5 961 282 ist die offenbarte Pumpvorrichtung in der Lage, Mehrphasengemische mit einem beliebigen volumetrischen Gas/Flüssigkeitsverhältnis zu fördern, wobei in einem Beispiel ein volumetrisches Gas/Flüssigkeitsverhältnis von mindestens 40 % erwähnt ist. Gemäss Untersuchungen der Anmelderin ist die in US 5 961 282 offenbarte Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische insbesondere bei höheren Gas/Flüssigkeitsverhältnissen von beispielsweise 40 % und höher wirtschaftlich und von der Zuverlässigkeit her gesehen nicht optimal, da bei höheren Gas/Flüssigkeitsverhältnissen eine grössere Anzahl axialer Pumpstufen benötigt werden, welche die Pumpvorrichtung verteuern, und/oder höhere Drehzahlen von 5000 Umdrehungen/Minute und mehr notwendig sind, was den Aufwand für Lagerung und Schmierung erhöht und sich negativ auf die Zuverlässigkeit auswirkt.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fördersystem und ein Verfahren zur Förderung von Mehrphasengemischen zur Verfügung zu stellen, sowie eine Förderanlage für Mehrphasengemische umfassend ein derartiges Fördersystem, welche für ein volumetrisches Gas/Flüssigkeitsverhältnis von grösser als 20 % oder grösser als 40% oder grösser als 60 % geeignet sind, und welche einen vergleichsweise kompakten und Platz sparenden Aufbau, und je nach Anzahl der Förderstufen Förderhöhen von 50 m bis 2000 m und grösser ermöglichen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das in Anspruch 1 definierte Pumpsystem, und das in Anspruch 6 definierte Verfahren gelöst, sowie durch die in Anspruch 10 definierte Förderanlage.

[0007] Das erfindungsgemässe Pumpsystem zur Förderung von Mehrphasengemischen umfasst eine Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase. Die Pumpvorrichtung enthält eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad und eine oder mehrere Förderstufen mit jeweils einem radialen Laufrad, die anschliessend an die axiale Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind, wobei das Pumpsystem einlassseitig der Pumpvorrichtung zusätzlich einen Separator umfasst, um die gasförmige Phase oder einen Teil derselben abzutrennen, und wobei die Pumpvorrichtung für Förderhöhen grösser als 50 m ausgebildet ist. In einer typischen Anwendung ist die Pumpvorrichtung ausgelegt, um ein Mehrphasengemisch mit einem volumetrischen Gas/Flüssigkeitsverhältnis von bis zu 20 % oder bis zu 30 % zu fördern. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist in einer oder mehreren oder sämtlichen der axialen Kompressionsstufen das Laufrad mit helico-axial ausgebildeten Schaufeln versehen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante enthält die Pumpvorrichtung für Mehrphasengemisch eine bis sechs, insbesondere zwei bis vier axiale Kompressionsstufen.

[0008] Erfindungsgemäss ist ausgangsseitig der Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische eine Rückführleitung vorgesehen, um Mehrphasengemisch in den Separator zurückzuführen.

[0009] In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Pumpvorrichtung für Mehrphasengemisch einen Nennförderstrom Q_max auf und der Separator ein Volumen von höchstens V = 60s · Q_max oder höchstens V = 20s · Q_max.

[0010] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Pumpsystem eine Steuereinheit, um die Drehzahl der Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische zu steuern, wobei am Separator mindestens ein Füllstandssensor vorgesehen ist, der mit der Steuereinheit verbunden ist, um den Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung zu regeln.

[0011] In dem erfindungsgemässen Verfahren zur Förderung von Mehrphasengemischen mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase wird ein Mehrphasengemisch mittels einer Pumpvorrichtung gefördert, die eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad enthält und eine oder mehrere Förderstufen mit jeweils einem radialen Laufrad, die anschliessend an die axialen Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind. Zusätzlich wird in dem Verfahren in einem Separator einlassseitig der Pumpvorrichtung ein Teil der gasförmigen Phase von der flüssigen Phase abgetrennt, und die flüssige Phase beziehungsweise das restliche Mehrphasengemisch mittels der Pumpvorrichtung auf eine Förderhöhe von mehr als 50 m oder mehr als 100 m oder mehr als 200 m gefördert.

[0012] Erfindungsgemäss wird über eine Rückführleitung Mehrphasengemisch in den Separator zurückgeführt, wenn der Füllstand im Separator einen minimalen Wert unterschreitet.

[0013] In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator mittels eines oder mehreren Füllstandsensoren erfasst und bei Bedarf durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung automatisch gesteuert oder geregelt.

[0014] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Zufuhr von Mehrphasengemisch zum Separator unterbrochen, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat, und/oder der Gasaustritt aus dem Separator über eine Gasaustrittsleitung durch Schliessen derselben unterbrochen, wenn der Füllstand im Separator den Einlass der Gasaustrittsleitung erreicht hat. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Förderstrom in einer an die Pumpvorrichtung angeschlossen auslassseitigen Förderleitung unterbrochen, beispielsweise mittels eines Rückflussventils oder Absperrmittels, wenn der auslassseitige Förderdruck und/oder Förderstrom unter einen minimalen Wert fällt.

[0015] Zusätzlich umfasst die Erfindung eine Förderanlage umfassend ein Pumpsystem nach einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsvarianten und/oder ausgestattet zur Ausführung eines Verfahrens nach oben stehender Beschreibung.

[0016] Das erfindungsgemässe Pumpsystem und das erfindungsgemässe Verfahren haben den Vorteil, dass das Volumen des Separators klein gehalten werden kann, da dank der Kombination eines Separators mit einer nachfolgenden Pumpvorrichtung für Mehrphasengemische mit hohem Gasanteil an die Phasentrennung im Separator keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen. Die Pumpvorrichtung fördert den flüssigen Anteil des Mehrphasengemisches aus dem Separator auch dann noch zufriedenstellend, wenn nur ein Teil der gasförmigen Phase oder Phasen abgetrennt werden und der flüssige Anteil noch grössere Mengen Gas enthält. Das Separatorvolumen kann deshalb wesentlich kleiner gewählt werden, als dies in vergleichbaren Fördersystemen mit Radialpumpen möglich ist. Darüber hinaus kann im erfindungsgemässen Pumpsystem und Verfahren auf Einbauten für die Gastrennung im Separator weitgehend oder ganz verzichtet werden, sodass das Gewicht des Separators gesenkt werden kann. Die in den Ausführungsformen und -varianten beschriebenen Steuer- und Regelverfahren ermöglichen darüber hinaus einen störungsfreien Betrieb, da damit der Füllstand im Separator auch bei kleinem Volumen desselben auf einem sicheren Wert gehalten wird und unerwünschte Betriebszustände wie mangelnde Füllung oder Überfüllung des Separators vermieden werden oder wenigstens keine schädlichen Auswirkungen auf das Pumpsystem haben.

[0017] Von Vorteil ist auch, dass trotz des vergleichsweise geringen Platzbedarfs sowohl der Gasanteil der zu fördernden Mehrphasengemische als auch die erzielbare Förderhöhe vergleichsweise hoch sein können. So kann beispielsweise das volumetrische Gas/Flüssigkeitsverhältnis 40 % oder 60 % oder mehr betragen, bezogen auf die thermodynamischen Bedingungen am Einlass des Pumpsystems, während die Förderhöhe je nach Anzahl und Ausgestaltung der radialen Förderstufen zwischen 50 m und 2000 m und mehr betragen kann.

[0018] Die obige Beschreibung von Ausführungsformen dient lediglich als Beispiel. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0019] Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein Ausführungsbeispiel eines Pumpsystems gemäss vorliegender Erfindung,

Fig. 2

ein zweites Ausführungsbeispiel eines Pumpsystems gemäss vorliegender Erfindung, und

Fig. 3

ein Ausführungsbeispiel einer Pumpvorrichtung zur Verwendung in einem Pumpsystem gemäss vorliegender Erfindung.

[0020] Das in Fig. 1 gezeigte Pumpsystem 1 zur Förderung von Mehrphasengemischen gemäss vorliegender Erfindung umfasst eine Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemische mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase. Die Pumpvorrichtung 3 enthält eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad und eine oder mehrere Förderstufen mit jeweils einem radialen Laufrad, die anschliessend an die axiale Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind, wobei das Pumpsystem 1 einlassseitig der Pumpvorrichtung zusätzlich einen Separator 2 umfasst um die gasförmige Phase oder einen Teil derselben abzutrennen, und wobei die Pumpvorrichtung für Förderhöhen grösser als 50 m ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die Pumpvorrichtung 3 ausgelegt, um ein Mehrphasengemisch mit einem volumetrischen Gas/Flüssigkeitsverhältnis von bis zu 20 % oder bis zu 30 % zu fördern.

[0021] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist in einer oder mehreren oder sämtlichen der axialen Kompressionsstufe das Laufrad mit helico-axial ausgebildeten Schaufeln versehen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante enthält die Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemisch eine bis sechs, insbesondere zwei bis vier axiale Kompressionsstufen. Mit der angegebenen Anzahl axialer Kompressionsstufen lassen sich wirtschaftlich besonders vorteilhafte Pumpsysteme für Mehrphasengemische herstellen. Ein Ausführungsbeispiel einer Pumpvorrichtung zur Verwendung in einem Pumpsystem gemäss vorliegender Erfindung wird im Rahmen der Beschreibung von Fig. 3 näher erläutert.

[0022] Zusätzlich kann das Pumpsystem 1 fallweise eines oder mehrere der nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Bauteile umfassen. Beispielsweise kann das Pumpsystem eine einlassseitige Förderleitung 4 enthalten, die zweckmässigerweise mit dem Separator 2 verbunden ist, um das zu fördernde Mehrphasengemisch dem Separator zu zuführen, oder eine Gasaustrittsleitung 5, die zweckmässigerweise mit dem Separator 2 verbunden ist, um den im Separator abgetrennten Teil der gasförmigen Phase oder Phasen wegzuführen. Falls die gasförmige Phase oder Phasen unter Überdruck stehen und/oder leichter als Luft sind, können diese ohne zusätzliche Fördermittel durch die Gasaustrittsleitung 5 entweichen. Weiter kann das Pumpsystem 1 eine auslassseitige Förderleitung 6 enthalten, die zweckmässigerweise mit einem Auslass der Pumpvorrichtung 3 verbunden ist, um von der Pumpvorrichtung geförderte Flüssigphasen und/oder Mehrphasengemische weiterzuleiten. Vorteilhafterweise wird in der auslassseitigen Förderleitung 6 ein Rückflussventil oder Absperrmittel 8 vorgesehen, um den Förderstrom zu unterbrechen, wenn der auslassseitige Förderdruck und/oder Förderstrom unter einen minimalen Wert fällt. Zur Erfassung des auslassseitigen Förderstromes kann zum Beispiel ein Durchflussaufnehmer 9 in der auslassseitigen Förderleitung 6 vorgesehen sein.

[0023] In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemische einen maximalen Förderstrom Q_max auf und der Separator 2 ein Volumen von höchstens V = 60s · Q_max oder höchstens V = 20s · Q_max.

[0024] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Pumpsystem 1 einen Antrieb 13 zum Antreiben der Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemische und eine Steuereinheit 10, die mit dem Antrieb 13 verbunden ist, um die Drehzahl der Pumpvorrichtung zu steuern. Vorteilhafterweise ist am Separator 2 mindestens ein Füllstandssensor 11 vorgesehen, der mit der Steuereinheit 10 verbunden ist, um den Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung 3 automatisch zu regeln.

[0025] In dem Pumpensystem zur Förderung von Mehrphasengemischen gemäss vorliegender Erfindung ist ausgangsseitig der Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemische eine Rückführleitung 7 und optional ein Absperrventil 12 zum Absperren der Rückführleitung vorgesehen, um Mehrphasengemisch in den Separator 2 zurückzuführen, insbesondere wenn der Füllstand im Separator einen minimalen Wert unterschreitet.

[0026] Das Pumpsystem kann zusätzlich ein Absperrventil oder Absperrmittel 14 umfassen, das beispielsweise mit der Steuereinheit 10 verbunden sein kann, um die Zufuhr von Mehrphasengemisch zum Separator 2 über die einlassseitige Förderleitung 4 zu unterbrechen. Die Unterbrechung der Zufuhr von Mehrphasengemisch zum Separator ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat.

[0027] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Pumpsystems zur Förderung von Mehrphasengemischen gemäss vorliegender Erfindung. Das gezeigte Pumpsystem 1 umfasst eine Pumpvorrichtung 3 für Mehrphasengemische mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase. Die Pumpvorrichtung 3 enthält eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad und eine oder mehrere Förderstufen mit jeweils einem radialen Laufrad, die anschliessend an die axiale Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind, wobei das Pumpsystem 1 einlassseitig der Pumpvorrichtung zusätzlich einen Separator 2 umfasst um die gasförmige Phase oder einen Teil derselben abzutrennen, und wobei die Pumpvorrichtung für Förderhöhen grösser als 50 m ausgebildet ist.

[0028] Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten lediglich darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel eine in Fig. 2 eingezeichnete Rückführleitung 7 in eine einlassseitige Förderleitung 4 des Pumpsystems 1 mündet, während in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Rückführleitung in den Separator 2 mündet. In beiden Fällen dient die Rückführleitung 7 dazu, durch die Pumpvorrichtung 3 geförderte Flüssigphasen und Mehrphasengemische in den Separator 2 zurückzuführen und ein zu starkes Absinken des Füllstandes im Separator zu vermeiden. Darüber hinaus wird bei der in Fig. 2 gezeigten Rückführvariante das zurückgeführte Mehrphasengemisch im Separator demselben Trennvorgang unterworfen, wie das frisch zugeführte Mehrphasengemisch. Weiter findet sich in Fig. 2 ein Absperrventil 15 zum Absperren einer Gasaustrittsleitung 5 des Separators, das jedoch lediglich eine Ausführungsvariante darstellt, die im Folgenden separat beschrieben wird, da sie unabhängig vom Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Das im Rahmen von Fig. 1 beschriebene Absperrventil 14 ist dagegen in Fig. 2 nicht nochmals eingezeichnet, obwohl es ebenfalls eine Ausführungsvariante darstellt, die unabhängig vom Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Die übrigen Merkmale, Eigenschaften und Ausführungsformen und -varianten des zweiten Ausführungsbeispiels sind identisch mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb im Folgenden auf eine Wiederholung der Beschreibung verzichtet wird.

[0029] Das Pumpsystem kann, wie erwähnt und in Fig. 2 gezeigt, ein Absperrventil oder Absperrmittel 15 umfassen, das beispielsweise mit der Steuereinheit 10 verbunden sein kann, um eine mit dem Separator 2 verbundene Gasaustrittsleitung 5 abzusperren. Das Absperren der Gasaustrittsleitung 5 ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat, beispielsweise wenn der Füllstand die Gasaustrittsleitung erreicht.

[0030] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen zur Verwendung in einem Pumpsystem gemäss vorliegender Erfindung. Die Pumpvorrichtung 30 umfasst im Ausführungsbeispiel eine erste Stufengruppe mit einer oder mehreren, beispielsweise zwei axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad, um das volumetrische Gas/Flüssigkeitsverhältnis der Mehrphasengemische zu verringern und die Phasenverteilung derselben zu homogenisieren, sowie zusätzlich eine zweite Stufengruppe mit mindestens einer Förderstufe 21.1 mit einem radialen Laufrad 25.1, die auslassseitig der ersten Stufengruppe angeordnet ist. Die eine oder mehreren axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 können z.B. entsprechend den in Dokument GB-A-1 561 454 oder Dokument EP 0 486 877 A1 beschriebenen Pump- oder Kompressionsstufen ausgebildet sein. Zudem kann die erste Stufengruppe zum Beispiel einlassseitig eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit einem axialen Laufrad umfassen und auslassseitig eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit einem halbaxialen Laufrad. Weiter kann die zweite Stufengruppe der Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen zur Erzielung grösserer Förderhöhen, wie in Fig. 3 gezeigt, mit beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Förderstufen ausgestattet sein.

[0031] Mit Vorteil werden die axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 der ersten Stufengruppe und die radialen Förderstufen 21.1 der zweiten Stufengruppe jeweils in Reihe angeordnet. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, die radialen Förderstufen der zweiten Stufengruppe in zwei gegenläufige Untergruppen aufzuteilen, wodurch der Axialschubausgleich vereinfacht wird.

[0032] In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die eine oder mehreren axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 der ersten Stufengruppe jeweils ein Laufrad 45.1, 45.2, welches helico-axial und/oder helico-axial geschlossen und/oder halbaxial ausgeführt ist, und an welchem eine oder mehrere Schaufeln, insbesondere mindestens zwei Schaufeln, ausgebildet sind. Vorteilhafterweise werden die Schaufeln z.B. auf einer Nabe befestigt, die auf einer Welle 32 der Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen aufgezogen sein kann. Das Verhältnis zwischen Innen- und Aussendurchmesser der einen oder mehreren Schaufeln liegt einlassseitig typisch zwischen 0.3 und 0.95 und mit Vorteil zwischen 0.6 und 0.9. Die eine oder mehreren Schaufeln können beispielsweise einen Eintrittswinkel zwischen 2° und 50° und vorzugsweise zwischen 4° und 25° aufweisen sowie einen Austrittswinkel, der zwischen dem Eintrittswinkel und 60° liegt und vorzugsweise zwischen dem Eintrittswinkel und 25°. Weiter können die Schaufeln ein Profil aufweisen, das durch den Schnitt derselben mit der Oberfläche eines zum Laufrad koaxialen Zylinders gebildet wird, in welchem der Neigungswinkel des Profils zur axialen Richtung von der Eintrittskante der Schaufel bis zur Austrittskante kontinuierlich abnimmt, beispielsweise indem das Profil in der unmittelbaren Umgebung der Eintrittskante im Wesentlichen keine Krümmung aufweist und indem sich die Steilheit einer Kurve der Schaufelprofilkrümmung als Funktion des axialen Abstandes von der Eintrittskante mit zunehmendem Abstand von der Eintrittskante ständig vergrössert.

[0033] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die erste Stufengruppe ein erstes Gehäuse 43, 43' und die zweite Stufengruppe ein zweites Gehäuse 23, 23', wobei die beiden Gehäuse 43, 43', 23, 23' miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Gehäuse aus mehreren Gehäuseteilen 43, 43', 23, 23' aufgebaut sein können. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die erste und zweite Stufengruppe eine gemeinsame Haltevorrichtung und/oder ein gemeinsames Gehäuse 33, in welchem die erste und zweite Stufengruppe angeordnet sind, und welches beispielsweise ein Gehäuseteil enthalten kann, das sich wenigstens über einen Teil der ersten sowie einen Teil der zweiten Stufengruppe erstreckt.

[0034] Mit Vorteil umfassen die eine oder mehreren axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 der ersten Stufengruppe und die mindestens eine Förderstufe 21.1 der zweiten Stufengruppe jeweils ein Laufrad 45.1,45.2, 25.1-25.4 und eine Leitvorrichtung 44.1, 44.2. 26.1, wobei die Leitvorrichtung 44.2 der letzten axialen Kompressionsstufe 41.2 der ersten Stufengruppe fluidleitend mit dem Laufrad 25.1 der ersten Förderstufe 21.1 der zweiten Stufengruppe verbunden ist, beispielsweise über einen oder mehrere Verbindungskanäle oder so genannte Rückführkanäle 36, die in dem oder den Gehäusen 33, 43, 43', 23, 23' vorgesehen sind. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante können in dem oder den Verbindungs- oder Rückführkanälen 36 Leitelemente 34 vorgesehen sein.

[0035] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen eine oder mehrere der axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 der ersten Stufengruppe, jeweils einen Diffusor 44.1, 44.2, insbesondere einen Diffusor mit mehreren Leitelementen, der fest mit dem ersten Gehäuse 43, 43' und/oder gemeinsamen Gehäuse 33 verbunden ist. Die Leitelemente können als Schaufeln ausgebildet sein, wobei der Diffusor beispielsweise zwischen 6 und 50 Schaufeln, vorzugsweise zwischen 12 und 30 Schaufeln aufweisen kann. Am Einlass des Diffusors 44.1, 44.2 können die Schaufeln z.B. im Wesentlichen tangential zur Strömung ausgerichtet sein und am Auslass im Wesentlichen in axialer Richtung. Falls das zugehörige Laufrad, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Nabe mit in Förderrichtung zunehmenden Durchmesser aufweist, wird der Diffusor im Zentrum vorteilhafterweise mit einer Nabe oder Hülle versehen, die in Förderrichtung einen abnehmenden Durchmesser aufweist sowie bei Bedarf eine Schnittlinie in einem axialen Längsschnitt, die einlass- und/oder auslassseitig achsparallel verläuft.

[0036] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die eine oder mehreren axialen Kompressionsstufen 41.1, 41.2 der ersten Stufengruppe und die mindestens eine Förderstufe 21.1 der zweiten Stufengruppe eine gemeinsame Rotationsachse auf, beispielsweise indem das oder die Laufräder 45.1, 45.2 der einen oder mehreren axialen Kompressionsstufen und das radiale Laufrad 25.1 der mindestens einen Förderstufe auf einer gemeinsamen Welle 32, 42 angeordnet sind. Die gemeinsame Welle kann im Bereich 42 der ersten Stufengruppe einen geänderten, vorzugsweise vergrösserten Durchmesser aufweisen oder eine entsprechende Nabe mit vergrössertem Durchmesser. Vorteilhafterweise ist die erste und zweite Stufengruppe der Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen mit einem gemeinsamen Antrieb, der in Fig. 3 nicht gezeigt ist, versehen.

[0037] In der mindestens einen Förderstufe 21.1 der zweiten Stufengruppe umfasst das Laufrad 25.1 vorteilhafterweise eine oder mehrere Schaufeln zur Beschleunigung der zu fördernden Mehrphasengemische in zumindest teilweise radialer Richtung. Das Laufrad kann offen, halboffen oder geschlossen ausgeführt sein. Zweckmässigerweise umfasst die Förderstufe 21.1 ein Gehäuse 33, 23, das z.B. aus mehreren Gehäuseteilen 23, 23' aufgebaut sein kann. Vorteilhafterweise ist im Gehäuse eine Leitvorrichtung 26.1 ausgebildet, die aussen an das Laufrad 25.1 anschliesst und z.B. über einen Ringraum mit dem Laufrad der nächsten Förderstufe oder dem Auslass der Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen verbunden sein kann.

[0038] Vorteilhafterweise ist die Pumpvorrichtung 30 zur Förderung von Mehrphasengemischen für ein volumetrisches Gas/Flüssigkeitsverhältnis von bis zu 15 % oder bis zu 20% oder bis zu 30%, ausgebildet, bezogen auf die thermodynamischen Bedingungen am Einlass der ersten axialen Kompressionsstufe der ersten Stufengruppe.

[0039] Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens zur Förderung von Mehrphasengemischen mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase wird im Folgenden an Hand der Figuren 1 und 2 beschrieben. In dem Verfahren wird ein Mehrphasengemisch mittels einer Pumpvorrichtung 3 gefördert, die eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad enthält und eine oder mehrere Förderstufen mit jeweils einem radialen Laufrad, die anschliessend an die axialen Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind. Zusätzlich wird in dem Verfahren in einem Separator 2 einlassseitig der Pumpvorrichtung 3 die gasförmige Phase oder ein Teil derselben abgetrennt, und die flüssige Phase oder das restliche Mehrphasengemisch mittels der Pumpvorrichtung auf eine Förderhöhe von mehr als 50 m oder mehr als 100 m oder mehr als 200 m gefördert.

[0040] Eine der Schwierigkeiten bei der Förderung von Mehrphasengemischen ist die unregelmässige Zufuhr und Zusammensetzung des zu fördernden Mehrphasengemisches, die bei einem kleinen Volumen des Separators besonders störend in Erscheinung tritt. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird deshalb der Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator 2 mittels eines oder mehreren Füllstandsensoren 11 erfasst und bei Bedarf durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung 3 automatisch gesteuert oder geregelt.

[0041] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Zufuhr von Mehrphasengemisch zum Separator 2 unterbrochen, beispielsweise mittels eines Absperrventils 14, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat, und/oder der Gasaustritt aus dem Separator 2 über eine Gasaustrittsleitung 5 durch Schliessen derselben unterbrochen, beispielsweise mittels eines Absperrventils 15, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat, zum Beispiel wenn der Füllstand den Einlass der Gasaustrittsleitung 5 erreicht hat. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Förderstrom in einer an die Pumpvorrichtung 3 angeschlossen auslassseitigen Förderleitung 6 unterbrochen, beispielsweise mittels eines Rückflussventils oder Absperrmittels 8, wenn der auslassseitige Förderdruck und/oder Förderstrom unter einen minimalen Wert fällt. Gemäss der Erfindung wird über eine Rückführleitung 7 Mehrphasengemisch in den Separator 2 zurückgeführt, wenn der Füllstand einen minimalen Wert unterschreitet. Die erwähnten Ausführungsvarianten des Verfahrens sind besonders dann vorteilhaft, wenn der Füllstand im Separator 2 trotz Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung 3 nicht im gewünschten Bereich gehalten werden kann.

[0042] Zusätzlich umfasst die Erfindung eine Förderanlage umfassend ein Pumpsystem zur Förderung von Mehrphasengemischen nach einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsvarianten und/oder ausgestattet zur Ausführung eines Verfahrens nach oben stehender Beschreibung.

[0043] Das oben stehend beschriebene Pumpsystem und das oben stehend beschriebene Verfahren zur Förderung von Mehrphasengemischen sind für volumetrische Gas/Flüssigkeitsverhältnisse von grösser als 40 % oder grösser als 60% geeignet, erlauben einen vergleichsweise kompakten und Platz sparenden Aufbau und einen sicheren Betrieb trotz stark schwankender Zufuhr des zu fördernden Mehrphasengemisches und ermöglichen je nach Anzahl der Förderstufen Förderhöhen von 50 m bis 2000 m und grösser.

Ansprüche

1. Pumpsystem zur Förderung von Mehrphasengemischen umfassend eine Pumpvorrichtung (3, 30) für Mehrphasengemische mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase, wobei die Pumpvorrichtung (3, 30) eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen (41.1, 41.2) mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad (45.1, 45.2) enthält und eine oder mehrere Förderstufen (21.1) mit jeweils einem radialen Laufrad (25.1 - 25.6), die anschliessend an die axiale Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind, wobei die Pumpvorrichtung (3, 30) für Förderhöhen grösser als 50 m ausgebildet ist
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pumpsystem (1) einlassseitig der Pumpvorrichtung (3, 30) zusätzlich einen Separator (2) umfasst, um die gasförmige Phase oder einen Teil derselben abzutrennen, und
dass ausgangsseitig der Pumpvorrichtung (3, 30) für Mehrphasengemische eine Rückführleitung (7) vorgesehen ist, um Mehrphasengemisch in den Separator (2) zurückzuführen.

2. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei die Pumpvorrichtung (3, 30) für Mehrphasengemisch eine bis sechs und insbesondere zwei bis vier axiale Kompressionsstufen (41.1, 41.2) enthält.

3. Pumpsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in einer oder mehreren oder sämtlichen der axialen Kompressionsstufen (41.1, 41.2) das Laufrad (45.1, 45.2) mit helico-axial ausgebildeten Schaufeln versehen ist.

4. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pumpvorrichtung (3, 30) für Mehrphasengemisch einen maximalen Förderstrom Q_max aufweist und der Separator (2) ein Volumen von höchstens V = 60s · Q_max.

5. Pumpsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Pumpsystem (1) eine Steuereinheit (10) umfasst, um die Drehzahl der Pumpvorrichtung (3, 30) für Mehrphasengemische zu steuern, und wobei am Separator (2) mindestens ein Füllstandssensor (11) vorgesehen ist, der mit der Steuereinheit (10) verbunden ist, um den Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator (2) durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung (3, 30) zu regeln.

6. Verfahren zur Förderung von Mehrphasengemischen mit mindestens einer flüssigen Phase und mindestens einer gasförmigen Phase, in welchem ein Mehrphasengemisch mittels einer Pumpvorrichtung (3, 30) gefördert wird, die eine oder mehrere axiale Kompressionsstufen (41.1, 41.2) mit jeweils einem axialen oder halbaxialen Laufrad (45.1, 45.2) enthält und eine oder mehrere Förderstufen (21.1) mit jeweils einem radialen Laufrad (25.1 - 25.4), die anschliessend an die axiale Kompressionsstufe oder -stufen angeordnet sind, wobei die flüssige Phase oder das restliche Mehrphasengemisch mittels der Pumpvorrichtung (3, 30) auf eine Förderhöhe von mehr als 50 m gefördert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass einlassseitig der Pumpvorrichtung (3, 30) die gasförmige Phase oder ein Teil derselben in einem Separator (2) abgetrennt wird, und
dass über eine Rückführleitung (7) Mehrphasengemisch in den Separator (2) zurückgeführt wird, wenn der Füllstand im Separator einen minimalen Wert unterschritten hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Füllstand der flüssigen Phase oder Phasen im Separator (2) mittels eines oder mehreren Füllstandsensoren (11) erfasst und durch Variieren der Drehzahl der Pumpvorrichtung (3, 30) automatisch gesteuert oder geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Zufuhr von Mehrphasengemisch zum Separator (2) unterbrochen wird, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert überschritten hat und/oder wobei der Gasaustritt aus dem Separator (2) über eine Gasaustrittsleitung (5) durch Schliessen derselben unterbrochen wird, wenn der Füllstand im Separator einen maximal zulässigen Wert erreicht hat, und insbesondere wenn der Füllstand den Einlass der Gasaustrittsleitung (5) erreicht hat.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Förderstrom in einer an die Pumpvorrichtung (3, 30) angeschlossen auslassseitigen Förderleitung (6) unterbrochen wird, beispielsweise mittels eines Rückflussventils (8), wenn der auslassseitige Förderdruck und/oder Förderstrom unter einen minimalen Wert fällt.

10. Förderanlage umfassend ein Pumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

Claims

1. A pump system for the pumping of multiphase mixtures comprising a pumping apparatus (3, 30) for multiphase mixtures with at least one liquid phase and at least one gaseous phase, wherein the pumping apparatus (3, 30) comprises one or more axial compression stages (41.4, 41.2) with each stage comprising an axial or semi-axial impeller (45.1, 45.2), and one or more pumping stages (21.1) with one radial impeller (25.1 - 25.6), wherein the pumping stage or stages are arranged to adjoin the axial compression stage or stages, the pumping apparatus (3, 30) is made for delivery height larger than 50 m, characterised in that the pump system (1) additionally includes a separator (2) at the inlet side of the pumping apparatus (3, 30) to separate the gaseous phase or a portion thereof; and in that a return line (7) is provided at the output side of the pumping apparatus (3, 30) to return a multiphase mixture into the separator (2).

2. A pump system in accordance with claim 1, wherein the pumping apparatus (3, 30) for multiphase mixtures comprises one to six axial compression stages (41.1, 41.2) and in particular two to four axial compression stages.

3. A pump system in accordance with claim 1 or claim 2, wherein the impeller (45.1, 45.2) is provided with vanes made in helico-axial form in one or more, or all, of the axial compression stages (41.1, 41.2).

4. A pump system in accordance with any one of the preceding claims, wherein the pumping apparatus (3, 30) for multiphase mixture has a maximum flow rate Q_max and the separator (2) has a volume of maximal V = 60s · Q_max.

5. A pump system in accordance with any one of the preceding claims, wherein the pumping system (1) includes a control unit (10) to control the speed of the pumping apparatus (3, 30) for multiphase mixtures, and wherein at least one filling sensor (11) provided at the separator (2) is connected to the control unit (10) to regulate the filling level of the liquid phase or phases in the separator (2) by varying the speed of the pumping apparatus (3, 30).

6. A method for the pumping of multiphase mixtures with at least one liquid phase and at least one gaseous phase, the method including pumping a multiphase mixture by means of a pumping apparatus (3, 30) which comprises one or more axial compression stages (41.1, 41.2) with each stage comprising anaxial or semi-axial impeller (45.1, 45.2), and one or more pumping stages (21.1) with one radial impeller (25.1 - 25.6), wherein the pumping stage or stages are arranged to adjoin the axial compression stage or stages, and pumping the liquid phase or the residual multiphase mixture to a delivery height of more than 50 m by means of the pumping apparatus (3, 30), characterised in that the gaseous phase or a portion thereof is separated in a separator (2) at the inlet side of the pumping apparatus (3, 30); and in that the multiphase mixture is led back into the separator (2) via a return line (7) when the filling level in the separator has fallen below a minimum value.

7. A method in accordance with claim 6, wherein the filling level of the liquid phase or phases is detected in the separator (2) by means of one or more filling level sensors (11) and is automatically controlled or regulated by varying the speed of the pumping apparatus (3, 30).

8. A method in accordance with one of the claims 6 or 7, wherein the supply of multiphase mixture to the separator (2) is interrupted when the filling level in the separator has exceeded a maximum permitted value and/or wherein the gas discharge from the separator (2) via a gas discharge line (5) is interrupted by closing thereof when the filling level in the separator has reached a maximum permitted value, and in particular when the filling level has reached the inlet of the gas discharge line (5).

9. A method in accordance with any one of the claims 6 to 8, wherein the flow rate in a pumping line (6) connected to the pumping device (3, 30) at the outlet side is interrupted, for example by means of a return valve (8) when the pumping pressure and/or flow rate at the outlet side falls below a minimum value.

10. A pumping unit including a pump system in accordance with any one of the claims 1 to 5.

Revendications

1. Système de pompage pour le transport de mélanges multiphases comprenant un dispositif de pompage (3, 30) pour des mélanges multiphases avec au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, le dispositif de pompage (3, 30) contenant un ou plusieurs étages de compression axiaux (41.1, 41.2) avec chacun un rotor axial ou semi-axial (45.1, 45.2) et un ou plusieurs étages de transport (21.1) avec chacun un rotor radial (25.1 - 25.6), qui sont disposés après l'étage ou les étages de compression, le dispositif de pompage (3, 30) étant conçu pour des hauteurs de transport supérieures à 50 m,
caractérisé en ce que
le système de pompage (1) comprend en outre, du côté de l'admission du dispositif de pompage (3, 30), un séparateur (2), afin de séparer la phase gazeuse ou une partie de celle-ci et
du côté de la sortie du dispositif de pompage (3, 30), pour les mélanges multiphases, une conduite de retour (7) est prévue, afin de retourner le mélange multiphase vers le séparateur (2).

2. Système de pompage selon la revendication 1, le dispositif de pompage (3, 30) contenant, pour le mélange multiphase, un à six et plus particulièrement deux à quatre étages de compression axiaux (41.1, 41.2).

3. Système de pompage selon l'une des revendications 1 ou 2, le rotor (45.1, 45.2) étant muni, dans un ou plusieurs ou l'ensemble des étages de compression axiaux (41.1, 41.2), de pales conçues de manière hélico-axiale.

4. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, le dispositif de pompage (3, 30) présentant, pour le mélange multiphase, un débit de transport Q_max et le séparateur (2) présentant un volume maximum V = 60 s . Q_max.

5. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, le système de pompage (1) comprenant une unité de commande (10), afin de contrôler la vitesse de rotation du dispositif de pompage (3, 30) pour des mélanges multiphases et, sur le séparateur (2), au moins un capteur de niveau (11) étant prévu, qui est relié avec l'unité de commande (10), afin de réguler le niveau de la phase ou des phases liquides dans le séparateur (2) en faisant varier la vitesse de rotation du dispositif de pompage (3, 30).

6. Procédé de transport de mélanges multiphases avec au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, dans lequel un mélange multiphase est transporté au moyen d'un dispositif de pompage (3, 30), qui contient un ou plusieurs étages de compression (41.1, 41.2) avec chacun un rotor axial ou semi-axial (45.1, 45.2) et un ou plusieurs étages de transport (21.1) avec chacun un rotor radial (25.1 - 25.4), qui sont disposés après l'étage ou les étages de compression, la phase liquide ou le reste de mélange multiphase étant transporté au moyen du dispositif de pompage (3, 30) à une hauteur de transport supérieure à 50 m,
caractérisé en ce que, du côté de l'admission du dispositif de pompage (3, 30), afin de séparer la phase gazeuse ou une partie de celle-ci dans un séparateur (2) et
en ce qu'une conduite de retour (7) permet de retourner le mélange multiphase vers le séparateur (2) lorsque le niveau dans le séparateur est passé en dessous d'une valeur minimale.

7. Procédé selon la revendication 6, le niveau de la phase ou des phases liquides dans le séparateur (2) étant détecté au moyen d'un ou plusieurs capteurs de niveau (11) et contrôlé ou régulé de manière automatique en faisant varier la vitesse de rotation du dispositif de pompage (3, 30) .

8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, l'introduction du mélange multiphase dans le séparateur (2) étant interrompue lorsque le niveau dans le séparateur a dépassé une valeur maximale admissible et/ou la sortie de gaz du séparateur (2) par l'intermédiaire d'une conduite de sortie de gaz (5) étant interrompue par la fermeture de celle-ci, lorsque le niveau dans le séparateur a atteint une valeur maximale admissible et plus particulièrement lorsque le niveau a atteint l'admission de la conduite de sortie de gaz (5).

9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, le débit de transport dans une conduite de transport (6) côté sortie raccordée au dispositif de pompage (3, 30) étant interrompu par exemple au moyen d'un clapet anti-retour (8) lorsque la pression de transport côté sortie et/ou le débit de transport tombe sous une valeur minimale.

10. Installation de transport comprenant un système de pompage selon l'une des revendications 1 à 5.

Zeichnung