技术摘要：
提出了一种工艺流体润滑泵，其具有公共壳体、布置在公共壳体中的泵单元和布置在公共壳体中的驱动单元，其中，公共壳体包括用于工艺流体的低压入口和高压出口。泵单元包括泵轴，所述泵轴从泵轴的驱动端延伸到非驱动端；以及第一泵节段，所述第一泵节段具有固定地安装在  全部
背景技术：
用于输送工艺流体的工艺流体润滑泵已在许多不同的行业中使用。一个重要的示 例是油气加工行业，其中工艺流体润滑泵被设计为例如用于输送烃流体的多相泵，例如用 于从油田中提取原油或用于通过管道或在炼油厂内进行油/气运输。工艺流体润滑泵在油 气行业中的另一个应用是将工艺流体（大多数情况下是水，并且尤其是海水）喷射到油储层 中。对于此类应用，所述泵被设计为水喷射泵，其将高压下的海水供应到通向油储层的地下 区域的井。这种水喷射泵产生的压力增加的典型值为200-300  bar（20-30  MPa）或甚至更 高。 向油储层中的水喷射是增加从油气田中烃的采收率的众所周知的方法。喷射的水 维持或增加油储层中的压力，从而驱使油或烃流向和离开生产井。 在某些应用中，将未经处理的海水喷射到油储层中。然而，在许多应用中，对海水 进行预处理以避免对油储层的负面影响，诸如通过例如硫化氢（H2S）使油酸化，或通过例如 硫酸盐堵塞油储层中的孔隙或小通道。为了达到期望的海水质量，海水会通过一系列不断 细化的过滤器，从而对海水进行微过滤。另外，可以使用生物或电化学过程来预处理海水。 通常，过滤的最后步骤是纳滤（nanofiltration），特别是从海水中去除硫酸盐。纳滤是一种 膜过滤工艺，需要以通常为25-50  bar（2.5-5.0  MPa）的压力向膜单元供水。特别是对于反 渗透过滤，所需的压力甚至可能更高。在纳滤工艺之后，海水被供应到水喷射泵，被加压并 喷射到油储层所在的地下区域中。因此，对海水进行预处理并将其喷射到油储层中通常需 要两个泵，即用于向膜过滤单元供应海水的膜馈送泵和用于将过滤后的海水供应到井以将 海水引入到油储层中的水喷射泵。 鉴于对油气田的有效开发，如今对泵且尤其是水喷射泵的需求不断增长，这些泵 可以直接安装在海底，特别是在水面以下达100  m、达500  m或甚至达超过1000  m的深度处。 不用说，此类泵的设计具有挑战性，特别是因为这些泵应在困难的海底环境中长时间运行， 并尽可能少地进行维护和保养工作。这就需要采取特殊的措施来最小化所涉及的设备数量 并优化泵的可靠性。鉴于水喷射泵部署在海底以及对海水进行预处理，如果海水喷射系统 的安装深度足以使环境水压力足以馈送膜过滤单元，则可以省去膜馈送泵。例如，在水面以 下500  m处，海水的静水压力已经为约50  bar，该压力可足够高来馈送膜过滤单元。 WO  2014/206919公开了一种海底海水过滤和处理系统，其具有将海水供应到硫酸 盐去除单元（膜单元）的馈送泵和水喷射泵两者。为了最小化设备数量，WO  2014/206919建 议使用由共同的马达驱动的两个不同的泵级，其中一个泵级用作馈送泵，以将海水供应给 硫酸盐去除单元，并且另一个泵级用作水喷射泵。 不用说，对于海底上的海底安装而言，泵的可靠性以及最小化泵内的磨损和劣化 5 CN 111577613 A 说　明　书 2/20 页 至关重要。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提出一种改进的或替代的工艺流体润滑泵，该泵特别适合 于海底应用和部署在海底上。该泵在设备方面应具有较低的复杂性、较低的磨损和较高的 运行可靠性。具体地，该泵应该适于被配置为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射泵。另 外，本发明的目的是提出一种包括这种泵的海水喷射系统。 满足这些目的的本发明的主题的特征在于相应的独立权利要求的特征。 因此，根据本发明，提出了一种用于输送工艺流体的工艺流体润滑泵，其具有公共 壳体、布置在公共壳体中的泵单元和布置在公共壳体中的驱动单元，其中，公共壳体包括用 于工艺流体的低压入口和高压出口。泵单元包括泵轴，泵轴从泵轴的驱动端延伸到非驱动 端并且被配置为绕轴向方向旋转。泵单元还包括第一泵节段，第一泵节段具有固定地安装 在泵轴上并且被配置为增加工艺流体的压力的第一组叶轮。驱动单元被配置为在泵轴的驱 动端上施加扭矩以驱动泵轴的旋转。第一平衡鼓在泵单元和泵轴的驱动端之间固定地连接 到泵轴，第一平衡鼓限定面向泵单元的第一前侧和第一后侧。第一泄压通道设置在第一平 衡鼓和被配置为相对于公共壳体静止的第一静止部件之间，第一泄压通道从第一前侧延伸 到第一后侧。第二平衡鼓在泵单元和泵轴的非驱动端之间固定地连接到泵轴，第二平衡鼓 限定面向泵单元的第二前侧和第二后侧。第二泄压通道设置在第二平衡鼓和被配置为相对 于公共壳体静止的第二静止部件之间，第二泄压通道从第二前侧延伸到第二后侧。设置连 接第一后侧和第二后侧的平衡管线。 通过在泵轴的两端设置平衡鼓，即邻近泵轴的驱动端的第一平衡鼓和邻近泵轴的 非驱动端的第二平衡鼓，可大大提高转子的动态性。转子包括泵单元的所有旋转部件（即泵 轴）、固定到泵轴的所有叶轮和平衡鼓。具体地，提高的转子动态性是由增加的转子稳定性 导致的。每个平衡鼓都有助于转子的稳定性并增强转子的稳定性。转子稳定性的提高大大 降低了磨损的风险，特别是在支撑泵轴的轴承单元中。另外，提高的转子动态性还提高了可 靠性并减少了故障的可能性。 在许多应用中，特别是在海底应用中，泵被配置为立式泵，即，其中泵轴在重力方 向上延伸。另外，立式泵通常设计成将驱动单元布置在泵单元的顶部上。特别是在这种配置 中，现有技术中已知的泵可在转子稳定性方面存在问题。泵轴可能会发生振动，并且泵轴可 能会旋转。具体地，泵轴的这种旋转对于轴承单元是有害的，并且可能导致磨损大大增加和 轴承单元的过早失效或损坏。 根据本发明提供的两个平衡鼓大大提高了转子的稳定性，并且至少大大降低了泵 轴的旋转，特别是在驱动单元布置在泵单元顶部上的立式泵中。 根据本发明的工艺润滑泵特别适合作为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射 泵。在此类应用中，工艺流体是海水。泵可以从过滤单元或硫酸盐去除单元接收过滤后的海 水，该过滤单元或硫酸盐去除单元的出口连接到泵的低压入口。泵单元的第一组叶轮增加 海水的压力，并通过高压出口排放加压的水。高压出口可以与通向地下油储层的井流体连 通。因此，泵将加压的水通过井喷射到油储层中。 例如，根据安装泵的水面以下的深度，海水的静水压力可足以馈送膜过滤单元（例 6 CN 111577613 A 说　明　书 3/20 页 如硫酸盐去除单元（SRU））。如果泵是例如安装在水面以下500  m的深度处，则海水的静水压 力为50  bar（5.0  MPa），该静水压力在许多应用中足以为膜过滤单元供水。海水首先经过提 供微过滤的一个过滤单元或一系列过滤单元。然后将过滤后的海水提供给膜过滤单元进行 最终过滤过程，以达到所需的海水质量或纯度。膜过滤单元可对海水进行纳滤。膜过滤单元 的渗透物出口接收贫化或净化的海水，例如去除了硫酸盐的海水。纳滤的海水从渗透物出 口供应到泵的低压入口。第一泵节段增加了海水的压力，例如增加了200-300  bar（20-30  MPa），并通过高压出口排放加压的海水。高压出口与井等流体连通，以将净化的海水喷射到 油储层所在的地下区域中。 在其它应用中，例如当将泵安装在浅水中时，例如在水面以下200  m的深度处，可 需要馈送泵，或者馈送泵可有利于将海水供应到膜过滤单元。特别是对于这些应用，优选的 实施例是，泵单元还包括第二泵节段，该第二泵节段具有固定地安装在泵轴上并且被配置 为增加工艺流体的压力的第二组叶轮。第一泵节段和第二泵节段相对于轴向方向彼此相邻 布置。节流装置布置在第一泵节段和第二泵节段之间，以允许工艺流体从第一泵节段泄漏 到第二泵节段。公共壳体还包括用于工艺流体的增大的压力出口和增大的压力入口。第二 泵节段被配置为从低压入口接收工艺流体并通过增大的压力出口排出工艺流体，而第一泵 节段被配置为从增大的压力入口接收工艺流体并通过高压出口排出工艺流体。 根据该实施例，两个泵节段设置在同一泵轴上，从而构成“二合一”泵。第二泵节段 可以用作用于向膜过滤单元提供海水的馈送泵，并且第一泵节段可以用作水喷射泵，用于 从膜过滤单元接收过滤后的海水并将加压的海水喷射到油储层中。根据优选的设计，泵的 低压入口连接至微过滤单元的出口以接收来自微过滤单元的过滤后的海水。第二泵节段增 加海水的压力，例如增加20-50  bar（2-5  MPa）或其它任何适合将海水供应到膜过滤单元的 值。第二泵节段通过增大的压力出口排出加压的海水，增大的压力出口与膜过滤单元的入 口流体连通。接收纳滤的海水的膜过滤单元的渗透管线与泵的增大的压力入口流体连通， 以将纳滤的海水供应到第一泵节段。第一泵节段增加海水的压力，例如增加了200-300  bar （20-30  MPa）或任何其它适合水喷射的值，并且通过高压出口排出加压的海水。高压出口与 井等流体连通，以将净化的海水喷射到油储层所在的地下区域中。 将第一泵节段和第二泵节段设置在同一泵轴上大大减少了所需的设备，因为只有 一个泵，其中两个泵节段布置在同一泵轴上并由同一驱动单元驱动，而不是两个单独的泵， 其中每个泵包括单独的驱动器。这种配置大大降低了整个系统（例如海底海水喷射系统）的 复杂性以及成本、质量、风险（例如，故障风险）和系统占地面积。 当将第二泵节段用作膜过滤单元的馈送泵时，泵的工艺流体润滑具有额外的优 势，即不会有被化学品或任何其它对膜有害的物质污染膜过滤单元的膜的风险。由于馈送 泵（即布置在膜过滤单元上游的第二泵节段）仅由工艺流体（即海水）润滑，因此没有任何化 学品（诸如润滑油等）进入膜过滤单元的风险。因此，防止了通常易受化学品劣化的膜免受 污染。 布置在第一泵节段和第二泵节段之间的节流装置可以被配置为产生作用在泵轴 上的附加推力。例如，节流装置可包括附加的平衡鼓或固定地连接到泵轴的中心衬套或节 流套筒（也称为节流衬套），以及分别围绕平衡鼓或中心衬套或节流套筒的环形节流间隙。 根据其它实施例，节流装置可以被配置为使得其不产生作用在泵轴上的附加推力。例如，节 7 CN 111577613 A 说　明　书 4/20 页 流装置可以包括环形节流间隙，该节流间隙直接邻近泵轴布置并且围绕泵轴。 根据优选的设计，第一前侧和第二前侧中的一个与高压出口流体连通。因此，由第 一平衡鼓限定的第一前侧或由第二平衡鼓限定的第二前侧暴露于由第一泵节段产生的高 压。因此，高压出口处的压力与低压入口处的压力之间的工艺流体的整个压力差可用于两 个平衡鼓上的压降。 根据特别优选的实施例，泵被设计为不具有机械密封件的无密封泵。机械密封件 通常用于密封泵的旋转轴，并应防止工艺流体沿泵的轴泄漏。通常，机械密封件包括定子和 转子。转子与泵的轴以抗扭的方式连接，并且定子相对于泵壳体固定，使得定子被固定以防 止旋转。在轴旋转期间，转子与定子滑动接触，从而执行密封作用。尽管这样的机械密封件 在离心泵技术中广泛使用，但是它们在海底应用中还是有些问题，因为它们非常复杂并且 通常需要附加设备，这通常被认为是海底应用的缺点。因此，优选地，根据本发明的泵被设 计为无密封泵，即，没有机械密封件的泵。在许多应用中，这要求泵单元和驱动单元充满工 艺流体。无密封泵的优点是泵的设计更简单。另外，工艺流体本身可以用于冷却和润滑泵的 组件，例如泵轴的轴承单元和泵的驱动单元。 根据优选的配置，泵包括用于支撑泵轴的第一泵轴承单元和第二泵轴承单元，其 中，第一泵轴承单元布置在第一平衡鼓和驱动单元之间，并且被配置为接收通过第一泄压 通道或通过平衡管线的工艺流体，并且其中，第二泵轴承单元布置在第二平衡鼓和非驱动 端之间或布置在非驱动端处，并且被配置为接收通过平衡管线或通过第二泄压通道的工艺 流体。在一些实施例中，在驱动端处的第一轴承单元被配置为径向和轴向地支撑泵轴，并且 在泵轴的非驱动端处的第二轴承单元被配置为径向地支撑泵轴。 根据优选的设计，驱动单元包括驱动轴、被配置为使驱动轴绕轴向方向旋转的电 动马达、用于支撑驱动轴的第一马达轴承单元和第二马达轴承单元，其中，驱动轴连接至泵 轴的驱动端，其中，电动马达布置在第一马达轴承单元和第二马达轴承单元之间，并且其 中，驱动单元被配置为从第一泵轴承单元接收工艺流体，以至少润滑第一马达轴承单元和 第二马达轴承单元。 特别是对于这种设计，优选地，平衡管线被布置和配置为接收从驱动单元排出的 工艺流体。因此，例如沿着第一平衡鼓穿过第一泄压通道到达第一平衡鼓所限定的第一后 侧的工艺流体被引导至第一泵轴承单元，经过第一泵轴承单元，然后被引导通过驱动单元， 并且随后进入平衡管线。 根据另一优选实施例，泵具有外部冷却回路，该外部冷却回路用于借助于工艺流 体来冷却和润滑马达轴承单元和泵轴承单元。外部冷却回路包括用于冷却工艺流体的热交 换器，其中，热交换器布置在公共壳体的外部，并且被配置为从驱动单元接收工艺流体并将 工艺流体供应到马达轴承单元和/或泵轴承单元。 为了使工艺流体流过外部冷却回路，可以设置一个循环叶轮或多个循环叶轮。用 于外部冷却回路的循环叶轮优选地通过驱动单元旋转并且可以布置在驱动单元的顶部上。 驱动单元驱动循环叶轮，循环叶轮使工艺流体循环通过热交换器和轴承单元。热交换器可 以被配置为围绕泵的公共壳体的盘管（coil）。 根据用于冷却和润滑的另一种设计，泵单元包括连接到冷却回路的中间出口，其 中，中间出口被配置为以比低压入口处的工艺流体的压力大更的压力将工艺流体供应到冷 8 CN 111577613 A 说　明　书 5/20 页 却回路，并且其中，冷却回路被配置为将工艺流体供应到马达轴承单元和/或泵轴承单元。 因此，借助于中间出口从泵单元本身获得用于使工艺流体循环通过马达和泵轴承单元的压 力。 对于具有第一泵节段和第二泵节段的实施例，优选的配置是，相对于轴向方向，将 增大的压力入口布置在高压出口和增大的压力出口之间，并且低压入口布置在增大的压力 入口和增大的压力出口之间。这是确保通过节流装置的工艺流体的流动从第一泵节段引导 到第二泵节段的一种可能的措施。 在一些实施例中，第一组叶轮包括与第二组叶轮不同数量的叶轮，尤其是包括数 量更多的叶轮。当第一泵节段用作水喷射泵并且第二泵节段用作馈送泵时，该措施是特别 优选的。 根据优选的设计，第一组叶轮和第二组叶轮以背对背布置进行设置，使得由第一 组叶轮产生的轴向推力与第二组叶轮产生的轴向推力指向相反。这种背对背设计至少部分 补偿了分别由第一组叶轮和第二组叶轮产生的轴向推力。 根据优选的应用，泵被配置为安装在海底上。 根据优选实施例，泵被配置为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射泵。 另外，根据本发明，提出了一种海水喷射系统，其包括用于过滤海水的膜过滤单元 和用于将海水喷射到地下区域中的工艺流体润滑泵，其中，根据本发明设计的工艺流体润 滑泵具有第一泵节段。工艺流体优选是海水。泵的低压入口连接到膜过滤单元的出口以接 收过滤后的海水，并且泵的高压出口与井流体连通，以将海水喷射到地下区域中。 此外，根据本发明，提出了一种海水喷射系统，其包括用于过滤海水的膜过滤单元 和用于将海水喷射到地下区域中的工艺流体润滑泵，其中，根据本发明设计的工艺流体润 滑泵具有第一泵节段和第二泵节段。工艺流体优选是海水。泵的低压入口被配置为接收海 水。增大的压力出口连接到膜过滤单元的入口以将海水供应到膜过滤单元。泵的增大的压 力入口连接到膜过滤单元的出口，以接收过滤后的海水。泵的高压出口与井流体连通，以将 海水喷射到地下区域中。 优选地，海水喷射系统被配置为部署在海底上。海水喷射系统可以安装在水面以 下100  m、500  m甚至超过1000  m的深度处。 根据从属权利要求，本发明的另外的有利措施和实施例将变得显而易见。 附图说明 在下文中将参考本发明的实施例并参考附图来更详细地解释本发明。以示意图形 式示出： 图1：根据本发明的工艺流体润滑泵的第一实施例的示意性横截面视图， 图2：驱动单元的实施例的示意图， 图3：用于示出外部冷却回路的实施例的示意图， 图4：具有冷却回路的另一实施例的第一实施例的示意性横截面视图， 图5：根据本发明的工艺流体润滑泵的第二实施例的示意性横截面视图， 图6：根据本发明的工艺流体润滑泵的第三实施例的示意性横截面视图， 图7：节流装置的第一变型的示意性横截面视图， 9 CN 111577613 A 说　明　书 6/20 页 图8：节流装置的第二变型的示意性横截面视图， 图9：根据本发明的工艺流体润滑泵的第四实施例的示意性横截面视图， 图10-12：根据本发明的工艺流体润滑泵的第三实施例和第四实施例的不同变型的示 意性截面图， 图13：根据本发明的海水喷射系统的第一实施例的示意图，以及 图14：根据本发明的海水喷射系统的第二实施例的示意图。