BR112013023523B1

BR112013023523B1 - turbomáquina submarina

Info

Publication number: BR112013023523B1
Application number: BR112013023523-3A
Authority: BR
Inventors: Olav Stinessen Kjell; Eriksen Asbjørn
Original assignee: Aker Solutions As
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2021-05-18
Also published as: BR112013023523A2; RU2608662C2; AU2012229589A1; CA2846780A1; GB2502505B; AU2012229589B2; CN103459853A; GB2502505A; NO343629B1; RU2013143389A; US20180023573A1; GB201317218D0; WO2012125041A1; US20140086764A1; NO20131358A1; US9841026B2; AU2012229589A2

Abstract

INTENSIFICADOR DE PRESSÃO SUBMARINO. A invenção se refere a uma turbomáquina submarina para aumentar a pressão do fluxo de fluido de petróleo a partir de poços ou sistemas de produção de petróleo submarinos, a qual compreende um motor elétrico e um compressor ou uma bomba acionados pelo motor elétrico, uma entrada de fluido e uma saída de fluido, caracterizado pelo fato que a turbomáquina compreende: um alojamento de pressão comum para o motor elétrico ou estator, e um compressor, bomba ou rotor; uma engrenagem magnética no interior do alojamento de pressão comum para conexão operativa entre o motor ou estator e compressor, bomba ou rotor, e uma partição no interior do alojamento de pressão comum, disposta de modo a separar um compartimento do motor, ou estator de um compartimento do compressor, bomba ou rotor.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção se refere a aumento de pressão. Mais especificamente a invenção se refere a compressores e bombas, particularmente compressores e bombas submarinos, incluindo bombas de multifase para aumentar a pressão de gás, multifases ou líquido de poços submarinos ou sistemas de produção de petróleo. No seguimento será usado um termo comum: Intensificadores de pressão; para turbomáquinas tais como compressores, bombas multifásicas e bombas para líquidos.

Antecedentes da invenção e técnica anterior

[002] A pressão de um reservatório de petróleo, em particular um reservatório de gás, diminui muito rapidamente durante a produção. A fim de manter e prolongar a produção de reservatórios submarinos, envolvendo frequentemente longo transporte através de um duto de fluido produzido, é necessário aumentar a pressão.

[003] Na Figura 1 é ilustrado o processo de uma estação de compressão submarina. O equipamento rotativo se trata de compressores e bombas. A velocidade de rotação da bomba é tipicamente na faixa de 3000 a 4000 rpm, enquanto compressores operam normalmente na faixa de 5000 a 12000 rpm. É feita referência à Tabela 1, para a compreensão desta figura. Para dar uma ideia das dimensões, o diâmetro do separador da Figura 1 pode estar na faixa de 3 m e 10 m de altura. Tabela 1

[004] A exigência de energia típica para intensificador de pressão de um tal comboio compressor é de 5 a 15 MW. Isto, combinado com alta frequência de transmissão limita o comprimento de um cabo elétrico de saída submarino, estabelecido e controlado a partir da superfície (superfície ou em terra) através de um variador de velocidade (VSD) de superfície. Mais especificamente o efeito Ferranti, e possivelmente também outros efeitos, limitam o comprimento submarino de cabos de saída elétricos de alta potência de alta frequência em cerca de 40 a 50 km.

[005] O estado da técnica de compressores submarinos (compressores de motor) está indicado na Figura 2, em que os componentes principais são o compressor que é acionado por um motor elétrico de alta velocidade que gira a uma velocidade que o compressor necessita, isto é, o motor gira a uma velocidade tipicamente na faixa de 5000 a 12000 rpm. A velocidade do motor é transmitida para o compressor por pelo menos um eixo que liga motor e o compressor. A frequência da energia elétrica para dar essa velocidade ao motor e, assim, ao compressor deve estar na faixa de cerca de 80 a 200 Hz, para um motor de dois polos. A potência do eixo do motor do compressor pode estar tipicamente na faixa de 5 a 15 MW e possivelmente maior no futuro. A transmissão estável de energia elétrica a altas frequências que o motor necessita é viável se a distância entre a fonte de alimentação, normalmente a partir de terra ou costa (superfície) está limitada à faixa de 40 a 50 km. Se a distância de saída é maior do que isso, a transmissão de energia através do cabo torna-se instável e inoperável. Nestes casos haverá requisitos contraditórios entre a frequência elevada que o motor necessita para dar a velocidade adequada e a baixa frequência, por exemplo, tipicamente 40 a 70 Hz que é necessária para se ter uma transmissão de energia estável. Essa contradição pode ser resolvida pela baixa frequência de transmissão de energia e o aumento local de frequência, colocando um variador de velocidade submarino (SVSD) perto do motor.

[006] A atmosfera do compressor do motor na figura 1 será o gás, quer seja o gás a ser potenciado ou um gás inerte fornecido a partir de um reservatório. O termo gás inerte no contexto da presente descrição de patente significa qualquer gás que não seja prejudicial aos materiais internos do motor, bem como à engrenagem nos casos em que um tal equipamento está localizado no mesmo compartimento do motor. Normalmente, o gás inerte pode ser nitrogênio seco ou metano seco, no entanto, é preferível nitrogênio seco e, no contexto aqui abranger todos os tipos de gases inertes aplicáveis.

[007] Nos casos em que as bombas têm motor cheio de líquido, o motor é preenchido com um líquido inerte, isto é, um líquido que não seja prejudicial aos materiais internos do motor e à engrenagem nos casos em que uma engrenagem está localizada no mesmo compartimento que a bomba.

[008] Deve ser mencionado que apenas os principais componentes necessários para a compreensão do estado da técnica de motor-compressor submarino incluída na Figura 2 e nas Figuras 3 a 6 a seguir. Outros componentes vitais necessários para o projeto de um compressor completo submarino operável ou intensificador de pressão não incluídos são: sistema de refrigeração do motor de gás, conectores de força de alta tensão para transmissão de energia para o motor, cabos de baixa tensão para o sinal e controle dos mancais magnéticos, pistão de equilíbrio e outros.

[009] No entanto, enquanto equipamento de processamento submarino ganhou aceitação ao longo dos anos recentes por ser uma opção realista, há mais relutância contra equipamentos elétricos e eletrônicos, ou seja, uma percepção de que esse tipo de equipamento terá baixa confiabilidade e robustez. Isto é particularmente válido para acionamentos submarinos estáticos de velocidade variável, VSD, para motores elétricos. [VSD é também chamado de acionamento de frequência variável (VFD) e conversores de frequência]. Por conseguinte, é uma visão comum no ambiente profissional que o risco de perda de produção por aplicação de VSDs submarinos é considerado elevado e deve se possível ser evitado.

[0010] Um SVSD (VSD submarino) também será grande em dimensões e peso e, portanto, não é fácil de instalar e recuperar. O custo também será alto.

[0011] Um VSD submarino localizado perto da turbomáquina permitirá a transmissão de energia elétrica de alta potência e baixa frequência por meio do cabo de saída submarino, o que permite um comprimento muito mais longo de saída. No entanto, o custo de um VSD submarino viável para um motor de 10 MW pode ser indicativamente de 100 milhões de Coroas Norueguesas, e peso de cerca de 100 toneladas, altura de cerca de 11 m, e o diâmetro de cerca de 3 m. Mas um problema mais grave é o risco de confiabilidade limitada de um VSD submarino.

[0012] Mesmo que o VSD submarino contenha componentes de qualidade superior, cada um de qualidade muito alta e fiabilidade, o elevado número de componentes e a complexidade da estrutura resultam em uma fiabilidade total de VSD submarino que pode ser um problema significativo.

[0013] A demanda por mais melhorias ainda existe, para intensificadores de pressão em geral e intensificadores de pressão submarinos em particular, e o objetivo da presente invenção é atender disse que a demanda.

Breve descrição da invenção

[0014] A demanda é satisfeita com uma turbomáquina submarina para aumentar a pressão do fluxo de fluido de petróleo a partir de poços ou sistemas de produção submarinos de petróleo, que compreende um motor elétrico e um compressor ou bomba acionados pelo motor elétrico, uma entrada de fluido e uma saída de fluido, caracterizado pelo fato de que a turbomáquina compreende:

[0015] um alojamento de pressão comum para o motor elétrico ou estator, e um compressor, bomba ou rotor;

[0016] uma engrenagem magnética no interior do alojamento de pressão comum para conexão operativa entre o motor ou estator e compressor, bomba ou rotor, e

[0017] uma partição no interior do alojamento de pressão comum, disposta de modo a separar um compartimento do motor ou estator de um compartimento do compressor, bomba ou rotor.

[0018] A partição de preferência compreende polos magnéticos ou eletroímãs, ou ambos, para modular a relação de acoplamento de campo magnético e a relação da engrenagem magnética. A relação da engrenagem pode ser controlada através de eletroímãs de energização ou de não energização na partição. Em geral, o lado de baixa velocidade é o lado do motor ou do estator, normalmente a uma velocidade de até cerca de 4000 rotações por minuto - rpm, enquanto que o lado de alta velocidade é o lado do compressor da bomba ou do rotor, tipicamente a uma velocidade de até cerca de 12.000 rpm, em um efeito até cerca de 15 MW. No entanto, as velocidades e efeitos podem pelo menos no futuro ser variados para além dos limites indicados aqui.

[0019] A engrenagem magnética é de preferência uma engrenagem magnética step-up que permite comprimentos de saída submarinos muito acima de 40 km, pois o efeito Ferranti pode ser manipulado. Uma engrenagem magnética de saída é estimada para resultar em fiabilidade muito maior que a de um SVSD. Custos indicativos de uma tal engrenagem estarão na faixa de 10 a 15% da de um SVSD, o diâmetro na faixa de 1,5 m e comprimento de 1,5 m e de peso na faixa de 5 a 10 toneladas. Comparado com o uso de SVSD, é muito favorável providenciar uma engrenagem magnética step-up entre o motor e o compressor para aumentar a velocidade a partir da baixa velocidade do motor, necessária para a transmissão elétrica estável, até a velocidade que é necessária para o compressor. Tipicamente a relação da engrenagem de step-up pode estar na faixa de 2 a 3, mas a presente invenção abrange todas as proporções a partir de 1, isto é, um acoplamento magnético 1:1, até o que pode ser necessário de um caso para outro. Em comparação com as soluções da arte anterior, a fiabilidade pode ser 10 vezes melhor, cada um dentre tamanho, peso e custo pode ser de 1/10. Muitas formas de realização do intensificador de pressão da invenção é sem contato, tendo engrenagem magnética e mancais magnéticos, proporcionando perda extremamente baixa combinada com elevada fiabilidade, tornando as referidas formas de realização particularmente favoráveis tanto em locais submarinos quanto em locais secos.

[0020] A engrenagem magnética pode ser de qualquer tipo, por exemplo, paralela, planetária e cicloide. Normalmente, a transmissão é uma engrenagem de ímã permanente, mas engrenagens com eletroímãs ou do lado do motor (isto é, o lado da baixa velocidade) seja do lado do compressor ou em ambos os lados também podem ser adaptadas para intensificadores de pressão submarinos.

[0021] Um desenho favorável da engrenagem magnética é uma engrenagem de ímã permanente cicloide que liga operativamente o motor e turbomáquinas, mais preferencialmente uma engrenagem interna cicloide de ímã permanente cujo anel interno de engrenagem está ligado às turbomáquinas. Isto permite a transferência de torque muito elevada, porque os ímãs permanentes do anel interno são influenciados pelos ímãs permanentes do anel externo para um maior número de ímãs, aumentando o acoplamento magnético e, assim, a capacidade de transferência de torque. Uma outra vantagem é uma construção compacta em relação à concepção de uma roda dentada convencional, uma vez que um anel está dentro do outro, e também a concepção simples que melhora a fiabilidade e não necessita de rolamentos.

[0022] A engrenagem planetária também terá essas características favoráveis e mais perfeito alinhamento do eixo do motor e do compressor. Concretizações de engrenagens planetárias podem ser muito favoráveis uma vez que a transferência de torque pode ser muito elevada, devido a um grande número de interações de polo e a estabilidade podem ser muito bons, devido à estrutura simétrica aos eixos do motor e disposta coaxialmente com as turbomáquinas. Além disso, as engrenagens planetárias podem ser dispostas de modo a permitir a mudança de marcha.

[0023] Como mencionado anteriormente, a invenção não deve ser limitada no que diz respeito ao tipo de equipamento magnético e ela tanto pode ser um ímã permanente quanto do tipo eletroímã. O tipo mais apropriado de engrenagem será selecionado conforme cada caso, entre outras coisas no estado da técnica dos vários tipos.

[0024] Uma engrenagem magnética pode ser providenciada como uma caixa de velocidades em que a proporção de step-up pode ser mudada em etapas. Isso pode ser feito na parara da intensificador de pressão por ROV ou por um motor elétrico montado na caixa de engrenagem.

[0025] A maneira mais convencional para alterar a proporção step-up é recuperar a impressão de pressão e trocar a engrenagem por outra engrenagem com a nova relação de step-up desejada. Isto pode ser feito em conexão com o reagrupamento do compressor ou bomba.

[0026] Engrenagens magnéticas com eletroímãs no lado de baixa velocidade do motor ou no lado de alta velocidade da turbomáquina faz com que seja possível variar continuamente a velocidade da turbomáquinas pelo aumento ou redução da velocidade de rotação do campo magnético dos eletroímãs, ao energizar ou não energizar os eletroímãs.

[0027] O motor, engrenagem e compressor serão dispostos no alojamento de pressão comum, no entanto, uma ou mais partições com vedações de eixo situam-se entre os principais componentes separando o alojamento de pressão comum em compartimentos em que os principais componentes são instalados. Uma concepção favorável para proteger a motor e engrenagem com os seus mancais magnéticos é ter uma partição entre um compartimento contendo motor e engrenagem em um lado de pelo menos uma vedação de eixo e o compressor, no outro lado.

[0028] O alojamento de pressão pode ser uma peça única, uma vez que o número dos possíveis percursos de vazamento de fluido é, assim, minimizado. Alternativamente, o alojamento de pressão pode ter flanges entre os compartimentos com os componentes principais, se tal for considerado favorável para substituir os componentes numa fase posterior, por exemplo, a fim de aumentar a velocidade do compressor no extremo final de produção de um reservatório, aumentando a relação de engrenagem.

[0029] O intensificador de pressão de preferência compreende eixos com mancais magnéticos, um eixo para o motor com a parte de baixa velocidade da engrenagem e um eixo para a turbomáquina com a parte de alta velocidade da engrenagem magnética. Se for usada a engrenagem cicloide, um anel exterior da engrenagem magnética está ligado ao eixo do motor e um anel interno da engrenagem magnética é ligado ao eixo da turbomáquina. Cada eixo está suspenso em dois mancais magnéticos radiais, em ou perto de uma ou outra extremidade, e um rolamento magnético de impulso e um sistema de controle de 5 eixos encontra-se operacionalmente ligado aos mancais de cada eixo. Os mancais magnéticos necessitam de um sistema de controle abrangente a fim de ser operativo, requerendo uma unidade de controle no fundo do mar, uma vez que os eixos são ativamente controlados pelos eletroímãs dos rolamentos a fim de girar sem contato físico. Um sistema de controle de 5 eixos é favorável porque é uma concepção comprovada e verificada para ter suficiente fiabilidade para a finalidade.

[0030] Embora dois rolamentos radiais e um axial sejam suficientes para um eixo, o número de rolamentos não deve ser uma limitação da invenção.

[0031] Rolamentos alternativos, tais como rolamentos mecânicos são possíveis, mas isso irá resultar em necessidade de óleo lubrificante suscetível à contaminação pelos meios de impulsionados e requer um sistema de óleo lubrificante bastante complicado.

[0032] Em comparação com os intensificadores de pressão submarinos de alta velocidade do estado da técnica, que incluem um VSD submarino, o tipo de intensificador da invenção é estimado como tendo uma fiabilidade muito maior, presumivelmente da ordem de mais de uma década. E assim são as dimensões, o peso e o custo. Existem, portanto, fortes incentivos de custo e técnicas para a invenção.

[0033] Separando o motor e a engrenagem com os seus rolamentos da turbomáquina por uma partição ou um diafragma com uma vedação de eixo, isto é, de tal modo que o motor com engrenagem e a turbomáquina estão localizados em compartimentos separados, será possível proteger o motor e a engrenagem de quantidades prejudiciais de contaminantes oriundos do meio impulsionado pelo fornecimento de pequeno fornecimento de um fluido inerte em relação aos materiais do motor e da engrenagem de tal modo que esse fluido em todo o tempo constitui a principal composição do volume do motor-engrenagem, e os contaminantes que devem entrar neste volume serão diluídos para concentrações não prejudiciais. O fluido inerte fornecido será perdido pelo fluir através da vedação.

[0034] Como exemplo, pode ser indicado que a perda de líquido inerte para uma bomba é da ordem de 1 litro por dia por vedação.

[0035] Para um compressor, a atmosfera do compartimento de engrenagem e do motor, em teoria, deveria ser mantida protegida da contaminação por ter uma velocidade de fluxo de um gás inerte através de uma vedação mais elevada do que a velocidade de difusão dos contaminantes. Se o volume total da atmosfera do motor e da engrenagem incluído arrefecedor de gás e tubagem é 2 m2, presume-se que um fornecimento de gás inerte, por exemplo, nitrogênio seco ou metano seco, a uma taxa que resulte em algumas poucas trocas de volume por ano é suficiente para proteger os materiais de serem danificados.

[0036] Se, por exemplo, um vaso de pressão ou tanque de 10 m3 está localizado sobre ou no compressor e tem uma pressão partida de 450 bar e a pressão de aspiração do compressor é de 50 bar, uma estimativa irá resultar em que a atmosfera do compartimento do motor-engrenagem de 2 m3 pode ser trocada cerca de 20 vezes, ou seja, com uma troca de atmosfera por mês, o tanque vai durar bem abaixo de um ano antes da recarga, o que pode ser feito a partir do navio por ROV quando necessário.

[0037] Um outro design que protege completamente parte de baixa velocidade do motor e da engrenagem no lado do motor ou do estator contra contaminantes é separar hermeticamente a parte de baixa e de alta velocidade (lado do compressor ou do rotor) por meio de uma partição ou parede de separação, por vezes, chamada de cobertura de proteção, semelhante ao que é usado para acoplamentos magnéticos. Para manter a necessária resistência e a consequente espessura da cobertura de proteção razoável, a diferença de pressão entre o compressor e a atmosfera do motor deve em todo o tempo, ser mantida dentro de limites aceitáveis, por algum tipo de dispositivo de equilíbrio de pressão. A partição, saia ou parede de separação é na sua maior parte não magnética, mas, no entanto deve preferencialmente compreender peças de polo ou eletroímãs dispostos na divisória entre os ímãs em cada lado da divisória, a fim de modular o acoplamento de engrenagem e a relação de transmissão.

[0038] Uma forma de realização muito preferida da invenção é uma turbomáquina distinta na medida em que é um intensificador de pressão que compreende um compartimento de estator e um compartimento de rotor, o compartimento do rotor compreende um compressor ou bomba disposto diretamente no rotor ou acoplado ao rotor. Os compartimentos estão separados por um diafragma, divisória ou cobertura de proteção, de preferência, separadas hermeticamente, e peças de polo ou eletroímãs estão dispostos na divisória entre os ímãs em cada lado da divisória a fim de modular o acoplamento de engrenagem e relação de engrenagem. Dita turbomáquina é para uso submarino e em superfície uma vez que a solução parece ser completamente nova. Breve descrição dos desenhos As Figuras 1 e 2 ilustram as soluções da técnica anterior, As Figuras 3 a 6 ilustram formas de realização e características da presente invenção, e A Figura 7 dá exemplos de engrenagens magnéticas. A Figura 8 ilustra uma forma de realização preferida da invenção, e A Figura 9 ilustra em mais pormenores a engrenagem magnética de uma turbomáquina submarina da invenção.

Descrição detalhada da invenção

[0039] No que se segue a invenção em várias formas de realização será explicada e ilustrada pelas figuras. É feita referência à Tabela 2, para a compreensão das Figuras 3 a 5. Deve ser mencionado que apenas os principais componentes necessários para a compreensão da invenção estão incluídos nas Figuras 3 a 6. Tabela 2

[0040] É feita referência à Figura 3, que ilustra um intensificador de pressão sob a forma de um compressor com engrenagem magnética e um motor elétrico, e onde a engrenagem magnética tem uma razão de step-up que intensifica a velocidade do eixo do motor, que é suficientemente baixa para ser fornecida com uma frequência suficientemente baixa para ter a transmissão por cabo estável, até a velocidade necessária do compressor. O motor pode, por exemplo, girar a uma velocidade de 3000 rpm, isto é, a energia elétrica tem uma frequência de 50 Hz para um motor de dois polos, e a transmissão pode ter uma razão de step-up de 2,5:1, o que significa que o compressor tem uma velocidade de 7500 rpm. Se a fonte de energia localizada na superfície tem um VSD, a frequência pode ser alterada, por exemplo, entre 33 e 67 Hz. Uma partição (4') está disposta entre a engrenagem magnética (13) e o alojamento de pressão e no interior da engrenagem magnética, não mostrada, entre os lados de velocidade mais elevada e velocidade mais baixa da engrenagem.

[0041] É feit a referência à Figura 4 que ilustra que há uma partição (4’) com uma vedação de eixo entre o compressor (2) no compartimento do motor (8) e a engrenagem magnética no compartimento (7). Vaso ou tanque de pressão de contém reservatório de nitrogênio (17) a alta pressão, por exemplo, 400 bar de pressão de carga, e o nitrogênio é fornecido a uma taxa pequena, mas suficiente para que o compartimento do motor-engrenagem mantenha a sua atmosfera inofensiva no que diz respeito aos componentes à penetração de gases impulsionados nocivos que, em princípio, irá ser mantida fora do compartimento do motor-engrenagem pelo fluxo de nitrogênio a partir do compartimento do motor e para o do compressor. Alguma penetração de contaminantes no gás que está sendo impulsionado, por vezes, pode ocorrer, mas estes componentes serão diluídos a níveis inofensivos pelo fornecimento contínuo de nitrogênio. Alternativamente, o nitrogênio pode ser fornecido por um tubo em umbilical.

[0042] Se for utilizado o arranjo mostrado na Figura 4 com fornecimento de nitrogênio a partir de um recipiente sob pressão, a regulagem do fluxo por uma válvula (18) pode ser controlada através da medição da pressão no recipiente (17). A diminuição da pressão é de expressão para o fluxo para fora do recipiente com a precisão suficiente, porque a temperatura do volume de gás no reservatório está perto de constante, ou seja, a temperatura da água do mar, que em aguas profundas é próxima a constante ao longo de todo o ano. Como alternativa ao fornecimento de um pequeno fluxo de nitrogênio através de válvula baseado em cálculos e experiência para manter inofensiva a atmosfera de nitrogênio no compartimento (7), a válvula pode ser controlada por sensores tendo na atmosfera de nitrogênio, que medem a concentração de contaminantes no nitrogênio: por exemplo, hidrocarbonetos totais, hidrocarbonetos selecionados (por exemplo, moléculas de hidrocarbonetos pesados), vapor de água, H2S, CO2, vapor de MEG ou outros componentes nocivos, que indica o grau de contaminação da atmosfera. A válvula (18) pode assim com base nestas medições regular o fornecimento de nitrogênio para manter o grau de contaminação abaixo de um nível perigoso. Este nível pode ser estabelecido pela experiência e conhecimento sobre a tolerância dos vários contaminantes dos materiais no compartimento (7). O controle da válvula (18) pode ser contínuo ou intermitente.

[0043] Na Figura 5 é dada uma ilustração de um compressor em que o lado de alta velocidade do motor da engrenagem magnética é hermeticamente separado do lado de baixa velocidade do motor por uma divisória ou diafragma também chamado blindagem. Desta forma, o motor com a sua parte da engrenagem e rolamentos magnéticos é hermeticamente separado (compartimento (7)) do compressor com a parte de alta velocidade da engrenagem e mancais magnéticos (compartimento (8)). Algum tipo de equilíbrio de pressão da pressão da atmosfera do compartimento (7) do motor-engrenagem em comparação com a pressão de aspiração do compressor no compartimento (8) será necessária para manter as exigências da resistência da blindagem razoáveis. Na Figura 5, o equilíbrio de pressão é providenciado pelo fornecimento de nitrogênio do reservatório (17) (ou, alternativamente, do tubo em umbilical), através do tubo de pressão de transmissão (20), e por um Regulador de Pressão- Volume, PVR, que é um dispositivo bem conhecido e comprovado. Um tubo de transmissão de pressão está ligado ao compartimento de compressor, e o PVR vai comparar continuamente e controlar a pressão da atmosfera do motor- engrenagem para estar próxima da pressão de aspiração do compressor.

[0044] O equilíbrio de pressão também pode ser providenciado com um arranjo de válvulas de regulagem de pressão (18) e (18’) e um sensor ou sensores de pressão que detectam a diferença de pressão entre o compartimento do motor-engrenagem e a pressão de aspiração do compressor.

[0045] Na Figura 6 é ilustrado o equilíbrio de pressão através da utilização de duas contra válvulas controladas através da medição do diferencial de pressão entre os compartimentos (7) e (8). O nitrogênio é fornecido pela válvula de controle (18), enquanto a sobrepressão no compartimento (7) em comparação com a pressão de sucção do compressor é liberada pela válvula de controle (18’).

[0046] Na Figura 7 são ilustrados os seguintes tipos de engrenagens magnéticas: engrenagem de dentes retos (paralela, radial), planetária e cicloide.

[0047] A Figura 8 ilustra uma forma de realização preferida da invenção em que um estator (21) está disposto num compartimento de estator (22), separado por uma divisória (16) de um compartimento de rotor (28), o compartimento de rotor compreende um compressor (2) ou bomba disposto diretamente no eixo do rotor ou acoplado ao rotor (23). De preferência, impulsores de bomba ou de compressor, ou ambos, são dispostos diretamente no eixo do rotor. De preferência a partição (16) veda hermeticamente o compartimento do estator do compartimento do rotor. A partição de preferência inclui peças polo (24), eletroímãs, ou ambos, para melhor acoplamento magnético, dispostas entre os lados de engrenagem, para um conjunto ou relação de transmissão controlável. A relação de engrenagem pode ser controlada através do controle de eletroímãs opcionais na partição, a posição do rotor pode ser inferida a partir da impedância do estator por meio de um algoritmo ou uma tabela de consulta. O eixo do rotor pode de preferência compreender rolamentos em cada extremidade, e também no eixo entre o rotor e impulsores se necessário.

[0048] A Figura 9 ilustra uma turbomáquina submarina preferida ou uma turbomáquina de efeito geral ou intensificador de pressão, de acordo com a invenção, em que a engrenagem magnética é uma engrenagem magnética radial com a divisória (16) colocada entre a parte interna (25) e partes externas (26). O aumento do comprimento da engrenagem permite melhor acoplamento magnético e transferência de maior efeito, o que é preferível, mas pode necessitar de rolamentos extras na extremidade da engrenagem do eixo. A divisória compreende peças polo magnéticas ou eletroímãs (25) ou ambos na partição entre os lados de velocidade mais baixa e de maior velocidade da engrenagem. O número de peças polo e / ou eletroímãs está relacionado com a relação de engrenagem, de preferência, o número de elementos do rotor e o número de peças polo ou eletroímãs é múltiplo ou fração do número de elementos de estator, as relações de fração ou múltiplos se referem à relação de engrenagem. A relação de engrenagem pode ser controlada energizando ou não energizando os eletroímãs na partição, ditos eletroímãs são preferencialmente ligados eletricamente à fonte de energia ou lado do estator, evitando quaisquer anéis coletores ou outros tipos de ligações elétricas rotativas. Esta figura ilustra em maiores detalhes a engrenagem magnética, a partição (16) e peças polo (24), ou similares, e o alojamento de pressão comum (3), enquanto o motor com estatores (21) e rotor (23), e o compressor (2) estão ilustrados fora de escala e não em detalhes por motivos de clareza. Rolamentos e algumas outras características não estão ilustrados ou são apenas indicados por motivos de clareza a fim de mostrar mais claramente como o acoplamento de engrenagem magnética pode ser configurado e arranjado. Com uma engrenagem radial do tipo ilustrado, cujo lado é o lado interior ou exterior, ou o lado mais rápido ou mais lento, pode ser sujeita a uma escolha de desenho, no entanto, em muitos casos, o lado mais rápido deve ser o lado interno uma vez que isto, na maioria dos casos resulta em níveis mais baixos de estresse.

[0049] Algumas das vantagens da invenção são como se segue: Elementos sem contato - nenhuma fricção entre os elementos. Elevada transferência de torque devida à interação de polo múltiplo. Utilização de pico de torque. Eixos de entrada e de saída podem ser isolados. Faixa de temperatura aumentada, nenhuma vedação de elastômero. Proteção inerente contra sobrecarga. Tolerância de desalinhamento aumentada. Várias opções para organizar mudanças da relação de transmissão, várias opções eletrônicas e mecânicas. O sistema de lubrificação e fornecimento de líquido pode ser eliminado. Os impulsionadores de pressão ou turbomáquinas da invenção podem incluir quaisquer características descritas ou ilustradas neste documento, em qualquer combinação operativa, cada uma dessas combinações é uma forma de realização da presente invenção. A invenção também proporciona a utilização da turbomáquina e intensificador de pressão da presente invenção para aumentar a pressão de fluidos em regiões submarinas e em superfície, particularmente de petróleo e gás submarinos.

Claims

1. Turbomáquina submarina para intensificar a pressão do fluxo de fluido de petróleo a partir de poços ou sistemas de produção de petróleo submarinos compreendendo um motor elétrico (1) que compreende um rotor (23) e um estator (21), o rotor e o estator sendo dispostos em um compartimento do motor (7); e um compressor (2) ou bomba acionados pelo motor elétrico, uma entrada de fluido (5) e uma saída de fluido (6), em que a turbomáquina compreende: um alojamento de pressão (3) comum para o motor elétrico, e compressor ou bomba; uma engrenagem magnética (13) no interior do alojamento de pressão (3) comum para ligação operativa entre o motor e o compressor ou bomba; um eixo (9) para motor elétrico e um eixo (9’) para compressor ou bomba, caracterizada pelo fato de que um anel externo da engrenagem magnética (13) está ligado ao eixo do motor (9) e um anel interno da engrenagem magnética (13) está ligado ao eixo do compressor (9’) ou da bomba, ou o inverso, cada eixo está suspenso em rolamentos radiais (11, 11’, 11’’, 11’’’) e pelo menos um rolamento de pressão (12, 12’); e uma partição (16) no interior do alojamento de pressão (3) comum disposta de modo a separar hermeticamente o compartimento do motor do compartimento do compressor ou bomba; um sistema de equilíbrio de pressão disposto entre o compartimento do motor e da parte de sucção do compartimento do compressor ou bomba.

2. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a relação da engrenagem magnética (13) é 1:1.

3. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a engrenagem magnética (13) compreende ímãs permanentes.

4. Turbomáquina submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a engrenagem magnética (13) compreende eletroímãs (25) no lado de baixa velocidade (14) ou no lado de alta velocidade (15) ou em ambos os lados da engrenagem.

5. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a velocidade de rotação do campo magnético no lado de baixa velocidade (14) ou no lado de alta velocidade (15) ou em ambos os lados da engrenagem pode ser controlada para variar a velocidade do compressor (2), para cima e para baixo, em comparação com a velocidade do eixo do motor.

6. Turbomáquina submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a engrenagem magnética (13) está disposta como uma caixa de engrenagem que torna possível alterar a relação de step-up quando parada através da utilização de um veículo operado remotamente ou por um motor elétrico dedicado montado dentro da ou na caixa de engrenagem.

7. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os rolamentos são rolamentos magnéticos, operativamente conectados aos rolamentos de cada eixo através de um sistema de controle de 5 eixos.

8. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o compartimento do motor (7) é preenchido com líquido.

9. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um compartimento do motor (7) tem um fornecimento de nitrogênio que constitui o principal componente da atmosfera do referido compartimento; a pressão interna do compartimento de pressão é equilibrada com a pressão de sucção do compressor por um regulador de pressão-volume ou a pressão do compartimento é equilibrada com a pressão de sucção do compressor por meio de válvulas de controle (18) e (18’) pelo sensoriamento controlado do diferencial de pressão entre o lado de sucção do compressor e a atmosfera do compartimento de motor (7).

10. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o fornecimento de nitrogênio pela válvula (18) para a atmosfera do compartimento de motor (7) é controlado pela medição de contaminantes da atmosfera, e o fornecimento é regulado de tal forma que o nível de contaminantes seja controlado e o fluxo de nitrogênio a partir do reservatório (17) para o compartimento do motor (7) é controlado através da regulagem da válvula (18).

11. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a engrenagem magnética é uma engrenagem magnética radial com a partição disposta entre as partes interna e externa da dita engrenagem magnética radial.

12. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a engrenagem magnética é uma engrenagem magnética cicloide com a partição disposta entre as partes interna e externa da dita engrenagem magnética cicloide.

13. Turbomáquina submarina, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que não possui um sistema de lubrificação e suprimento de liquido externo.