NO318709B1 - Innretning for separasjon av en vaeske fra en flerfase-fluidstrom - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for separasjon av en væske fra en flerfase-fluidstrøm som strømmer gjennom en rørledning, omfattende en i hovedsaken rørformet kappe som er innrettet til å utgjøre en del av selve rørledningen, et spinnelement som er beliggende ved en oppstrømsende av kappen og er innrettet til å sette fluidstrømmen i rotasjon slik at den separeres i en sentral sone som i hovedsaken inneholder gass, og en ytre, ringformet sone som i hovedsaken inneholder væske, en utløpsanordning for gassen omfattende et utløpselement som er anordnet ved en nedstrømsende av kappen og har en sentral, aksialt forløpende passasje for gassen, en væskeoppsamlingsanordning omfattende et ringrom som er dannet mellom kappens indre overflate og en ytre overflate av gassutløpselementet, og en barriere for væsken som er dannet ved en nedstrømsende av gassutløpselementet, og en utløpsanordning for væsken omfattende en beholder som er innrettet til å motta væske fra ringrommet og fra området for barrieren.

En innretning av ovennevnte type er kjent fra US 6 083 291.

Videre er det fra GB 1 146 262 kjent en innretning for fjerning av medførte partikler fra damp og/eller gass som strømmer i en sylindrisk kappe, hvor en blanding av partikler og damp og/eller gass tas ut via en rekke ringformede slisser i kappen og via en samleledning føres til en sekundær separator hvor partiklene fjernes og partikkelfri damp og/eller gass føres tilbake til kappen. Det dreier seg her om et spesielt arrangement for fjerning av partikler fra den utskilte damp eller gass.

Ved utvinning av hydrokarboner (olje og gass) til havs blir de produserte fluider ofte transportert i forholdsvis lange rørledninger og stigerør opp fra havbunnen til den aktuelle produksjonsplattform. Det produserte fluid består vanligvis av væske (olje og vann) i hvilken gass og damp er oppløst. I denne forbindelse benyttes det forskjellige typer av separasjonsutstyr for bulkseparasjon av væske fra en strømmende gass/damp-fase.

Slik som innledningsvis angitt, er det kjent å separere en fluidstrøm i væske og gass ved benyttelse av syklonteknikker. Det separasjonsutstyr som benyttes i dag, er imidlertid forholdsvis tungt og plasskrevende, og det er forbundet med forholdsvis høye byggeomkostninger.

Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en separasjons-innretning av den aktuelle type hvor innretningen har en kompakt konstruksjon samtidig som den er enkel med hensyn til fabrikasjon, installasjon og regulering.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning som er i stand til å separere store mengder væske fra en gasstrøm nærmest uavhengig av operasjons trykket, som gir en tilnærmet perfekt tofaseseparasjon mellom væske og gass, og som har meget høy kapasitet og samtidig lavt trykkfall.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en innretning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at et øvre parti av beholderen og et sentralt parti av spinnelementets oppstrømsende er sammenkoplet ved hjelp av en ledning for resirkulasjon av gass som medføres av væske som renner eller faller ned i beholderen, idet spinnelementet har et sentralt hulrom og er forsynt med et antall langs omkretsen anordnede åpninger for utstrømning av resirkulert gass fra hulrommet.

Ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en innretning som benytter "in-line"-teknologi for å separere en fiuidstrøm i en rørledning. Innretningen er basert på syklonprinsippet og er forsynt med et aksial-spinnelement som forenkler "in-line"-metoden ved at den tilførte fiuidstrøm og den separerte gassfraksjon kan strømme i rørledningen aksialt inn i og ut av den rørformede kappe. På denne måte kan kappen enkelt installeres i en rett rørledningsstrekning uten vesentlig endring av den eksisterende rørgeometri.

Innretningen ifølge oppfinnelsen kan anvendes som innløpsarrangement til gassvaskere (scrubbere) og separatorer for å forbedre ytelsen av slikt utstyr. Videre kan innretningen benyttes som en frittstående enhet i rør og rørlinjer i olje/gassbrønner, i rørledninger på land eller på havbunnen, eller i prosessanlegg på land eller til havs.

Innretningen kan i de fleste tilfeller bygges med samme nominelle diameter og spesifikasjon som for den rørledning i hvilken separasjonen utføres. Dette vil holde kostnadene ved anvendelse av teknologien nede og vil redusere kompleksiteten av de aktuelle installasjoner betraktelig i forhold til konvensjonell separasjonsteknologi. Dette vil være tilfelle ved innstallsjoner i nye anlegg og rørledninger, men gevinsten vil kanskje være enda større ved anvendelse av teknologien i eksisterende anlegg og rørledninger.

Fordelene med en innretning som er konstruert i overensstemmelse med oppfinnelsen, kan oppsummeres som følger: 1. Lav vekt i forhold til konvensjonelle "scrubbere" og separatorer eller "slug catchere".

2. Lave byggeomkostninger i forhold til ovennevnte utstyr.

3. Det faktum at man benytter en rørledning som sådan til separasjons-innretningen, gjør det mulig å bygge innretningen med meget små dimensjoner. 4. Innretningen kan bygges etter den gjeldende rørspesifikasjon, slik at beskyttelsesutstyr ikke blir nødvendig, slik som for konvensjonelle trykktanker i prosessanlegg. 5. Selve separasjonen av væske fra gass/damp-fasen skjer uten at gass/damp-fasen endrer hovedretning. Dette resulterer i at trykktapet gjennom innretningen kan holdes lavt samtidig med at separasjonen av væske finner sted. 6. Innretningen kan monteres både horisontalt og vertikalt med visse konstruksjonsendringer. 7. Innretningen er i stor grad selvregulerende, slik at det ikke er behov for kompliserte reguleringsanordninger. Styring av innretningen med en reguleringsanordning kan likevel være hensiktsmessig ved enkelte anvendelser.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere om i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen hvis ene figur viser et skjematisk, aksialt gjennomskåret sideriss av en innretning ifølge oppfinnelsen.

Slik det fremgår av tegningen, omfatter innretningen (heretter også kalt væskeut-skiller) ifølge oppfinnelsen en sylindrisk, rørformet kappe 1 som er beregnet for innkopling i en rørledning (ikke vist), slik at kappen utgjør en del (et "in-line"-element) av selve rørledningen. Kappen 1 har en innløpsende 2 for tilførsel av en tofaseblanding av væske og gass/damp, og en utløpsende 3 hvor gassfasen forlater kappen 1, i begge tilfeller i kappens aksialretning.

I innløpsenden er det anordnet et spinnelement 4 som setter tofaseblandingen i rotasjon, slik at man ved sentrifugalvirkning oppnår separasjon av tofaseblandingen i en gassfase i en sentral sone S i kappen, og en væskefase i en ringformet, ytre sone 6 ved kappens indre overflate.

Spinnelementet har normalt samme diameter som kappens 1 innerdiameter, slik som i den viste utførelse. Dette kan imidlertid fravikes opp eller ned dersom det finnes hensiktsmessig for en bestemt anvendelse.

Selve spinnelementet 4 slutter tett til kappens indre overflate, for å unngå en direkte passering av gass/damp og væske som vil forstyrre selve separasjonsprosessen nedstrøms av spinnelementet. Spinnelementet omfatter ledeskovler 7 som endrer retn-ingen på fluidet, slik at det oppstår sentrifugalkrefter som slynger væsken ut mot kappeveggen. Skovlenes stigningsvinkel og utforming kan variere, avhengig av anvendelsen.

For ytterligere å forbedre innløpsforholdene i væskeutskilleren, kan et blandeelement (ikke vist) av kommersielt tilgjengelig type monteres oppstrøms av spinnelementet 4.

Som vist på tegningen, er spinnelementet 4 ved sin nedstrømsende utformet med en aerodynamisk, konsentrisk endedel 8 som er tilspisset mot nedstrømsenden. Denne endedel er forsynt med et antall langs omkretsen forløpende, ringformede lepper 9 som skal sikre at syklonstrømmen nedstrøms av spinnelementet 4 får så optimal trykkprofil som mulig. Leppene tjener som væskestoppere som hindrer at væske kryper langs roten av spinnelementet inn i syklonens "øye" hvor det er små eller ingen sentrifugalkrefter som kan slynge væske i retning mot kappeveggen.

Utløpsanordningen for gassen i den sentrale sone 5 omfatter et ved kappens 1 nedstrømsende anordnet utløpselement 10 som har en sentral, aksialt forløpende passasje 11 for gassen, og en ytre overflate som sammen med kappens motstående, indre overflate avgrenser et ringrom 12 for innstrømning av væske i den ytre sone 6.1 den viste utførelse er utløpselementet 10 et rørformet element som har et sylindrisk oppstrømsparti 13 og et fra dette parti divergerende nedstrømsparti 14 som er tettende forbundet med kappen 1, for dannelse av en barriere 15 for væsken ved en nedstrømsende av ringrommet.

Utformingen av utløpselementet 10 kan tilpasses til den aktuelle anvendelse og til væske/gass/damp-forholdet og fluidenes egenskaper, for å oppnå et optimalt forhold mellom separasjonseffektivitet og trykkfall gjennom væskeutskilleren.

Utløpsanordningen for væsken omfatter som vist en oppad åpen beholder 16 som er anordnet ved kappens 1 nedstrømsende og er innrettet for opptakelse av væske som strømmer inn i ringrommet 12 og dels renner ned i beholderen 16 fra kappens bunnområde ved beholderåpningen, og dels faller ned i beholderen fra området ved den nevnte barriere 15.

Slik det fremgår av tegningen, er et øvre parti av beholderen 16 og et sentralt parti av spinnelementets 4 oppstrømsende sammenkoplet ved hjelp av en ledning 17 for resirkulasjon av gass som medføres av væske som renner eller faller ned i beholderen. Spinnelementet er forsynt med et sentralt hulrom 18 som står i forbindelse med ledningen 17, og er videre forsynt med et antall langs omkretsen anordnede åpninger 19 i form av små hull eller slisser for utstrømning av resirkulert gass fra hulrommet 18. En ventil 20 er innkoplet i resirkulasjonsledningen 17, for styring av mengden av resirkulert gass.

Som vist, er rørledningens 17 innløpsåpning fra beholderen 16 avskjermet ved hjelp av en skillevegg 21 som rager et stykke ned i beholderen fra dennes innløpsåpning, slik at væske hindres i å komme inn i rørledningen.

Resirkulasjonen av gass oppnås ved utnyttelse av undertrykket som oppstår i sentrum av syklonen. Denne resirkulasjon vil forbedre væskedreningen ut av væskeutskillerens kappe. Mengden av resirkulert gass kan som nevnt styres ved hjelp av ventilen 20, for å finne den optimale driftstilstand ved den aktuelle anvendelse. På grunn av undertrykket som oppstår ved innløpet til rørledningen 17, vil resirkulasjonsgassen også bidra til å trekke utskilt væske ned i beholderen 16.

Gassen som ledes ut av kappen 1 via utløpselementet 10, har fremdeles en roterende bevegelse i den sentrale passasje 11. For å oppheve den roterende bevegelse, kan gassutløpet være forsynt med et antispinnelement dersom dette finnes hensiktsmessig av strømningsmessige årsaker ved enkelte anvendelser. I den viste utførelse er et slikt element 22 anordnet ved utløpselementets 10 nedstrømsende.

I den viste utførelse er beholderens bunn 23 forsynt med et væskeutløpsrør 24 i hvilket det er innkoplet en ventil 25 for styring av væskemengden som avgis fra beholderen og som ledes til et passende sted i det aktuelle prosessanlegg eller produksjonssystem. Styreventilen 25 er innrettet til å styres ved hjelp av en nivåstyreenhet 26 som er koplet til en nivåmåler 27 for måling av væskenivået i beholderen. Nivåmåleren kan være av en passende, konvensjonell type, f.eks. en PD-måler.

Beholderen 16 kan f.eks. være en separator, en scrubber eller et T-rørelement, avhengig av den aktuelle anvendelse. Beholderen kan eventuelt være utstyrt med en mer eller mindre avansert dråpefanger, for å tørke resirkulasjonsgassen til et hensiktsmessig nivå, avhengig av anvendelsen.

For å oppnå optimal overvåking av væskeutskilleren, kan denne utstyres med trykkfølere (ikke vist) før spinnelementet 4, i syklonlegemet, etter gassutløpselementet 10 og i væskebeholderen 16. Disse følere kan være av konvensjonell type og vil gi verdifull informasjon om hvordan væskeutskilleren opererer ved en bestemt anvendelse og under varierende driftsbetingelser. Signalene fra følerne kan benyttes sammen med nivåmålingen i væskebeholderen til å lage en optimal, automatisert styringsalgoritme for en bestemt anvendelse.

Ved den enkleste anvendelse av væskeutskilleren, som f.eks. i innløpet til en separator eller scrubber, vil det i det hele tatt ikke være noe behov for overvåking eller styring av innretningen. Ved slike anvendelser vil man kun utforme væskeutskilleren for å fungere best mulig innenfor et definert operasjonsområde og et definert sett med operasjonsbetingelser.

Claims (7)

1. Innretning for separasjon av en væske fra en flerfase-fluidstrøm som strømmer gjennom en rørledning, omfattende en i hovedsaken rørformet kappe (1) som er innrettet til å utgjøre en del av selve rørledningen, et spinnelement (4) som er beliggende ved en oppstrømsende av kappen (1) og er innrettet til å sette fluidstrømmen i rotasjon slik at den separeres i en sentral sone (5) som i hovedsaken inneholder gass, og en ytre, ringformet sone (6) som i hovedsaken inneholder væske, en utløpsanordning for gassen omfattende et utløpselement (10) som er anordnet ved en nedstrømsende av kappen (1) og har en sentral, aksialt forløpende passasje (11) for gassen, en væskeoppsamlingsanordning omfattende et ringrom (12) som er dannet mellom kappens (1) indre overflate og en ytre overflate av gassutløpselementet (10), og en barriere (15) for væsken som er dannet ved en nedstrømsende av gassutløpselementet (10), og en utløpsanordning for væsken omfattende en beholder (16) som er innrettet til å motta væske fra ringrommet (12) og fra området for barrieren (15), karakterisert ved at et øvre parti av beholderen (16) og et sentralt parti av spinnelementets (4) oppstrømsende er sammenkoplet ved hjelp av en ledning (17) for resirkulasjon av gass som medføres av væske som renner eller faller ned i beholderen (16) , idet spinnelementet (4) har et sentralt hulrom (18) og er forsynt med et antall langs omkretsen anordnede åpninger (19) for utstrømning av resirkulert gass fra hulrommet (18).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at det i resirkulasjonsledningen (17) er innkoplet en ventil (20) for styring av mengden av resirkulert gass.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at et antispinnelement (22) er anordnet ved gassutløpselementets (10) nedstrømsende.

4. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at spinnelementet (4) ved sin nedstrømsende er utformet med en aerodynamisk, konsentrisk endedel (8).

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at spinnelementet (4) ved sin nedstrømsende er forsynt med et antall langs omkretsen forløpende, ringformede lepper (9) som tjener som væskestoppere.

6. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at beholderen (16) i sitt bunnområde har et væskeutløpsrør (24) i hvilket det er innkoplet en styreventil (25) for styring av avgitt væskemengde fra beholderen.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at styreventilen (25) er innrettet til å styres ved hjelp av en nivåstyreenhet (26) som er koplet til en nivåmåler (27) for måling av nivået av væske i beholderen (16).