Multiphase pumps – the path to success

( World Pumps – 22 September 2009)

Multiphase pump technology is still considered a relatively young technology even though it was mentioned in oil and gas literature way back in 1957.
Bornemann was among the first to test the technology but after some initial frequent pump failures due to unsolvable tasks led to the company putting the development on hold. The vision of handling liquid and gas mixtures in this way disappeared from the company’s strategy for nearly 30 years.
Later on, the company took another look at multiphase boosting technology – this time withmuch more success, as the following case studies show.

Poseidon project
The first implementation of multiphase pump technology in the exploration and production (E&P)industry was made in 1985 with the Poseidon Project,which was conducted by oil giants Statoil and Total and based in Tunisia. One of the main reasons for this development was the huge cost investment involved in offshore structures. The companies considered that if it was possible to boost the total well production at the subsea wellhead, as well as at distant, dry processing installations, gaining enormous cost savings. Bornemann became part of the Poseidon project in 1986 and delivered the first multiphase pump in 1990 for the start of the field test campaign until 1992.
During this campaign, two major unexpected phenomena were observed: prolonged gas phases and a thermal load on mechanical seals. Even at moderate average gas volume fractions (below 90%), prolonged 100% gas phases as dry running occurred several times a day, leading to excessive heat generation, temperature shut down, and even blocking of the rotating pump internals. Meanwhile, the mechanical seals of this first generation multiphase pump were located in the inlet chamber of the multiphase pump, and were thus directly exposed to an in-homogeneous multiphase flow. Permanent temperature variations (shocks) of the seal faces led to temporary seal leakages and even seal failures.

MTT Project
In 1987, the German Ministry for Research and Technology asked the
GKSS-Research Institute, located in Northern Germany, to look at the activities of several German companies and institutes working on multiphase technology and suggested a joint research and development project. The aim of this project was to define a development goal and to quantify the market potential of the new technology. Available data regarding energy consumption, oil & gas demands, hydrocarbon reserves and resources were considered together with a forecast up to the year 2020.
For this project, Bornemann developed a multiphase pump similar to that used in the Poseidon project. It was subject to intensive scientific tests in a test campaign from 1990 until 1992 in the GKSS test facilities.
Researchers used water-nitrogen mixtures to prove that a twin-screw multiphase pump could handle gas fractions up to 90%. The pressure build up along the feed screws was also examined, and the capacity increase during pumping of liquid/gas mixtures was verified.
The test campaign also included liquid slug simulation and extended gas cap simulation. As a result of these observations, Bornemann applied for its base multiphase patent in 1993.

PROCAP 2000 Project
The Procap 2000 Project and other research projects of the Brazilian state oil company Petrobras followed, and are now among the most important milestones for multiphase technology in the world.
Bornemann began to take part in the project in 1993 with its delivery of a MW7T-28 multiphase pump in 2004 to the Atalaia test field, which can be found close to the city of Aracaju in Northern Brazil.
The Atalaia test field was the first full scale multiphase test loop using ‘real’ products (crude oil and natural gas) for the scientific examination of multiphase pumps – and it achieved an excellent result. In this case, the inlet piping arrangement was long enough (around 200 m) for the correct generation of slug flow entering the multiphase pump.
The test field was equipped with two different choke devices for generating the differential pressure across the multiphase pump – one directly located at the discharge and two located at the top and bottom of the separator downstream of the pump (for separate choking of the liquid and gas stream).
Using one choke valve directly located at the discharge in slug flow conditions caused a pulsation of differential pressure higher than 20 bar, and led to rough running of the multiphase pump. Using the two choke valves at the separator in the same slug flow conditions meant that pulsation of differential pressure did not occur, and the running behaviour of the multiphase pump was uniform and smooth.
Thus, the first practical proof of the perfect slug handling capabilities of twin-screw multiphase pump technology was demonstrated.
The test field layout in Atalaia had important impact on other test fields worldwide(especially on a test field set up by Bornemann itself).

MPA Project
In 1997, 10 years after the start of the MTT project, the German Ministry for Research and Education decided to support another research project for this technology: the MPA Project. A group of partners from the universities of Hanover, Bochum, Hamburg and Munich, along with industrial partners at Burgmann/Seals, GISMA/Connectors, Helmke/Electric Motors with Bornemann as project leader, manufactured a multiphase pump aggregate and installed it in a dry location that simulated subsea conditions of 1000 m water depth by means of a pressure vessel.
This test aggregate was installed and has operated in a Winter shall sour gas field in northwest Germany since 2004. Besides the simulation of a subsea environment the MPA Project achieved the following targets:
Extrapolation for power requirements up to 7 MW (10 000 HP) Verification of mechanical seal reliability in multiphase pumps Management of component wear in the presence of aggressive fluids and solids Continuous operation, control and observation for 24,000 working hours in order to improve reliability figures of all major components General further development of multiphase boosting technology with regard to design, monitoring and control.
Within the MPA Project, Bornemann applied for two important patents for multiphase boosting technology – its Smart Seal System for special demands in multiphase pumping service, and the manufacturing process for feed screws allowing digressive screws, i.e. screws with a decreasing pitch.

DEMO 2000 Project
In 1998, Aker Kvaerner and Bornemann entered into a cooperation agreement for the manufacturing of subsea multiphase boosting equipment. In the course of this agreement AkerKvaerner participated in the DEMO 2000 project supported by the Norwegian government. Bornemann delivered the pump internals (type SMPC 335) for AkerKvaerner’s Subsea MultiBooster.
This module was subject to several scientific test campaigns at AkerKvaerner’s internal test facilities as well as Statoil’s K-Lab. Finally, the DEMO 2000 module was installed in CNRI’s Lyell Field in the North Sea, as the first twinscrew multiphase pump under real field sub sea conditions. It has been in operation successfully since February 2006.

MPT Project
In 2005, within the framework of a Russian/German agreement for scientific and technical cooperation, the German Ministry of Education and Research decided to support the MPT Association with a research project on the sustained use of hydrocarbon reserves by implementing multiphase boosting technology.
This project covers the whole process chain, from the reservoir until hydrocarbon utilisation. For this project, the Russian industrial partner and Bornemann manufactured a test multiphase pump system especially designed for the demands of single well multiphase boosting. This test aggregate was officially presented in Russia in March 2008 and was installed for field testing in an oilfield in Western Siberia in the summer of the same year.

انواع سیل (آب بند) در توربین ها


سيل ها در انتهاي پوسته توربين جهت جلوگيري از نشت بخار به خارج از پوسته و ورود هوا به داخل پوسته بكار مي روند. به عنوان مثال، در یک توربين فشار فشار بالا، در قسمت IP به علت بالا بودن فشار بايد از نشت بخار و در قسمت LP به علت پايين بودن فشار بايد از ورود هوا به داخل پوسته جلوگيري نمود. خروج بخار باعث كاهش راندمان توربين شده و ورود هوا نيز باعث اختلال در عملكرد سيكل مي گردد.

معرفي انواع seal strip و آرايش آنها

روش آب بندي غير تماسي seal strip روشي است كه سازنده براي آب بندي بين قطعات ثابت و متحرك بكار مي برد. در شكل 1 استفاده از seal strip براي آب بندي دو سر پوسته يك توربين نشان داده شده است. به علت اختلاف فشار بين داخل پوسته و خارج آن، بخار تمايل به خروج از پوسته و ورود به هواي آزاد را دارد. وجود مجموعه اي از seal strip ها به صورت يك مانع عمل كرده، با يك فرآيند خفگي (throttle) باعث كاهش فشار در هر مرحله و در نتيجه كاهش دبي جرمي عبوري خواهد شد. مقدار بخار عبوري از seal strip ها توسط سيستم seal & gland كنترل شده و به مصرف قسمت LP رسيده و يا به كندانسور وارد مي شود.

شكل(1) استفاده از Seal Strips براي آب بندي بين پوسته و روتور

دو نوع seal strip را می توان در توربينهاي بخاری مورد استفاده داد كه در شكل 2 با نام هاي A و B  نشان داده شده است. در انتخاب seal strip بايد به مسايل زير دقت نمود:

  1. راندمان سيل يعني توانايي كاهش فشار و در نتيجه كاهش دبي جرمي
  2. تحمل تنش خمشي ايجاد شده در مقطع ريشه سيل به علت اختلاف فشار در دو طرف آن
  3. فركانس طبيعي سيل نصب شده

هر چه يك سيل نازك تر باشد راندمان آن بهتر مي باشد و دبي جرمي كمتري را عبور خواهد داد. بنابراين سيل نازك بر سيل ضخيم برتري دارد. در مواردي مانند قسمتهاي HP و IP كه اختلاف فشار بين دو طرف سيل زياد است به علت تنش هاي بالاي ايجاد شده، نمي توان از سيل هاي نازك مانند نوع A استفاده نمود. همچنين استفاده از سيل ضخيم راندمان را كم مي كند. برای حل اين مشكل مي توان از سيل نوع B استفاده نمود كه در نوك نازك و در نتيجه راندمان خوبي دارد و همچنين در ريشه ضخيم است و در نتيجه توانايي تحمل تنش بالايي را دارد. البته بايد توجه داشت كه اين سيل ها  گرانتر از سيلهاي نوع A  مي باشد.

شكل (2) مدل هاي مختلف seal strips

در شكل 3 انواع آرايش سيل ها نشان داده شده است. معمولا بين روتور و پوسته از آرايش هاي 1,2,3 استفاده مي شود و آرايشهاي 4,5,6 بيشتر در آب بندي بين پره و روتور و يا پره ها و پوسته كاربرد دارد.

شكل (3) انواع آرايش سيل ها

در ذيل خصوصيات هر كدام از آرايش ها و كاربرد آنها توضيح داده خواهد شد:

Labyrinth: اين آرايش راندمان خوبي دارد و هم بين پوسته و روتور و هم در پره ها استفاده    مي شود. معمولا در قسمتهاي HP و IP و جاهايي كه انبساط محوري كم مي باشد استفاده مي شود. در صورتي كه انبساط محوري زياد باشد بايد جهت جلوگيري از برخورد فاصله بين سيل ها را زياد كرد كه اين امر باعث كاهش راندمان سيل مي شود.

Tip to Tip: اين آرايش كارآيي كمتري نسبت به Labyrinth دارد. اما در مواقعي كه انبساط طولي زياد است بهتر است از اين آرايش استفاده نمود. معمولا در قسمتهاي LP نيز كه افت فشار كمتر است از اين آرايش استفاده مي شود. همچنين در قطعاتي كه به صورت يك دايره كامل هستند و دو تكه نمي باشد به علت امكان مونتاژ از اين آرايش مي توان استفاده نمود. همچنين محاسبات نشان مي دهد كه در پره هاي LP كه لقي شعاعي حدود 0.9mm است حالت بهینه اين آرايش بدست مي آيد. اين نتيجه مستقل از موقعيت ياتاقان تراست مي باشد.

Straight through: اين آرايش راندمان كمتري نسبت به آرايش هاي 1و 2 دارد. اما از لحاظ اقتصادي به صرفه تر است. در مواردي كه طول آب بندي به اندازه كافي زياد و افت فشار كم است مي توان از اين آرايش استفاده نمود.

Castellated: اين آرايش، بيشتر براي پره ها استفاده مي شود و راندمان بسيار خوبي دارد. همچنين جهت كاهش وزن shroud و در نتيجه كاهش نيروهاي وارد بر پره نيز از اين آرايش استفاده مي شود. جهت استفاده از اين آرايش بايد پهناي shroud به اندازه مناسب باشد. همچنين ماشين كاري اين آرايش هزينه بر است.

Castellated with scalloped surface: تجربه نشان داده است كه با اضافه كردن يك شيار مطابق شكل نشان داده شده به آرايش castellated در جهت مقابل جريان راندمان آن بسيار افزايش مي يابد. ضعف اين آرايش مشكل بودن ماشين كاري شيار مرد نظر مي باشد.

Stepped: اين آرايش، بيشتر براي پره ها بكار مي رود و راندمان خوبي دارد. ماشين كاري اين آرايش نيز سخت است. در مواقعي كه شيب مسير جريان زياد است اين آرايش بسيار مناسب است. همچنين اين آرايش باعث كاهش وزن پره مي شود.

 در توربين شکل 4، تنها آرايش هاي Labyrinth و Tip to Tip مورد استفاده قرار گرفته اند. در قسمت IP آرايش نوع 1 و در قسمت LP آرايش نوع 2 بكار برده شده است. در این شكل، سيل هاي مربوط به قسمت IP بين روتور و پوسته توربين نشان داده شده است. همان طور كه مشاهده مي گردد از آرايش Labyrinth  استفاده شده است. در شكل 5 سيل هاي مربوط به قسمت LP توربين نشان داده شده است. به علت بالا بودن انبساط محوري در اين ناحيه و همچنين امكان مونتاژ shaft seal casing و bearing casing  از آرايش Tip to Tip  استفاده شده است.

شكل (4) نقشه sealing قسمت IP توربين

شكل (5) نقشه sealing قسمت LP توربين

محاسبه دبي جرمي نشتي  از سيل

براي محاسبه نشتي سيل دو روش Stodola و *Beta بكار برده مي شود. روش Stodola  روش قديمي تري است و تنها براي آرايش labyrinth  كاربرد دارد. در اين روش دبي جرمي طبق فرمول زير بدست مي آيد:

A  سطح  مقطع  عبور جريان در سيل، p1 و p2  به ترتيب فشار در بالا دست و پايين دست سيل، z تعداد سيلهاي درگير، v1 حجم مخصوص بخار در ورودي سيل و Alpha يك ضريب است كه با توجه به هندسه و آرايش سيل بدست مي آيد.

روش *Beta  براي همه آرايش ها كاربرد دارد. در اين روش براي همه آرايش ها از يك فرمول استفاده مي شود و فقط ضريب *Beta  فرق مي كند كه اين ضريب وابسته به نوع آرايش و هندسه آن قابل محاسبه است. در اين روش نشتي طبق فرمول زير بدست مي آيد:

A سطح  مقطع عبور جريان در سيل، و p1  و p2 به ترتيب فشار در بالا دست و پايين دست سيل، L طول كلي سيلهاي درگير، s لقي شعاعي، v1 حجم مخصوص بخار در ورودي سيل و Alpha  يك ضريب است كه با توجه به هندسه و آرايش سيل بدست مي آيد. سطح مقطع عبور جريان نيز طبق فرمول زير محاسبه مي شود:

در فرمول فوق d قطر متوسط است. در شكلهاي 6 تا 10 پارامترهاي هندسي بكار برده شده در فرمول هاي فوق براي آرايش هاي مختلف نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده مي شود با افزايش اختلاف  فشار در دو طرف سيل مقدار نشتي افزايش پيدا مي كند. همچنين مقدار نشتي با افزايش طول آب بندي كاهش و با افزايش لقي شعاعي افزايش پيدا مي كند. هر چه قطر آب بندي بيشتر باشد مقدار مساحت A و در نتيجه نشتي افزايش پيدا مي كند.

مقدار *Beta  براي آرايشهاي مختلف از روابط زير بدست مي آيد :

مقدار *Beta  تابع پارامتر  يعني نسبت گام به لقي شعاعي مي باشد. در فرمول هاي فوق مبناي لگاريتم عدد e مي باشد به بيان ديگر Log = Ln است. همچنين فرمولهاي فوق در محدوده زير اعتبار دارند  :

Labyrinth Seals:

Tip-to-Tip Seals:

در روابط فوق h ارتفاع سيل مي باشد. هنگامي كه سيل هاي روي پوسته و روتور هم اندازه نيستند بايد از ميانگين ارتفاع سيل ها استفاده كرد. شكلهاي 6 تا 10 پارامترهاي هندسي بكار رفته در روابط فوق را بر حسب نوع آرايش نشان مي دهند.

شكل (6) مشخصات هندسي آرايش labyrinth

شكل (7) مشخصات هندسي آرايش Tip to Tip

شكل(8) مشخصات هندسي آرايش straight-through

شكل (9) مشخصات هندسي آرايش castellated

شكل (10) مشخصات هندسي آرايش stepped

شكل 11 مقدار  *Beta را بر حسب و نوع آرايش مي دهد. همان طور كه از شكل پيداست براي آرايشهاي Tip to Tip و Straight through يك منطقه بهينه وجود دارد كه هر چه از آن دور شويم مقدار نشتي بيشتر مي شود و طراحي بايد در اين منطقه صورت گيرد. همچنين آرايش Labyrinth از دو آرايش ديگر كار آمدتر است و نشتي كمتري دارد. شكل 12 وابستگي پارامتر *Beta  را به هندسه سيل بر حسب نوع آرايش نشان مي دهد و ديد خوبي را به طراح جهت انتخاب منطقه بهينه ارايه مي دهد. 

همچنين لازم به ذكر است كه روش  *Beta يك ضريب 1.25 جهت در نظر گرفتن انحرافات شرايط كاري نسبت به شرايط آزمايشگاهي را بر روي نشتي جرمي در بر دارد. در آرايش labyrinth براي طراحي ابتدا لقي بين پوسته و روتور و لقي مورد نياز بين سر سيل و روتور و يا پوسته تعيين شده و بر اساس آن ارتفاع سيل ها تعيين مي شود. در آرايش tip to tip جهت داشتن حالت اپتيموم،  هندسه آرايش بر اساس لقي شعاعي بدست مي آيد. به بيان ديگر در اين آرايش با انتخاب لقي شعاعي ساير اندازه ها تعيين مي شوند. جدول 1 جهت اين امر بكار مي رود

شكل (11) مقدار  براي آرايشهاي مختلف بر حسب t/s

جدول (1) هندسه آرايش tip to tip بر اساس لقي شعاعي

شكل (12) رابطه بين با هندسه seal

اصول طراحی پمپ های API 610

باتوجه به جايگاه حياتي پمپهاي ‏‏‏فرآيندي در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي و نيز تنوع و دامنه گسترده وكاربرد اين محصولات، موسسه استاندارد آمريكا جهت ايجاد هماهنگي بين سازندگان و مصرف كنندگان اين محصولات و نیز راحتي مشتريان آنها، استانداردي را در زمينه توليد این پمپ ها منتشر نموده است كه بنام API 610 معروف بوده و تامين كننده نيازهاي اوليه اي توليد كنندگان و مصرف كنندگان است که می بایست در این استاندارد رعايت گردد.

از جمله خصوصيات اين پمپها مي توان به شرايط خاص تعريف شده در مورد نحوه آب بندي(API682) كاهش دامنه ارتعاش پمپها و در نتيجه افزايش عمر ياتاقانها، استفاده از اندازه هاي محدود پايه ياتاقان جهت پوشش دادن به تعداد زياد پمپها، نحوه خنك كاري و روانكاري پايه ياتاقان و … اشاره نمود كه در ادامه در هر مورد به تفضيل توضيح داده خواهد شد.