Hier Ansätze der Technologie:
Voith präsentiert neuen regelbaren Antrieb für Unterwassereinsatz
Die Förderung von Erdöl und Erdgas steht mitten im Prozess eines Wandels. Der Grund: zahlreiche Ölquellen drohen im nächsten Jahrzehnt zu versiegen, andere bestehende Ölquellen weisen nicht mehr den für eine Förderung nötigen Druck auf.
Da es gilt, neue Ölfelder für eine Förderung nutzbar zu machen, ist tendenziell eine Zunahme von Offshore-Bohrstellen zu erwarten. Als Folge dieser Entwicklung wird die Anzahl an Onshore- und Offshore-Bohrstellen weltweit in Kürze nahezu gleich sein. Intensive Förderarbeiten werden derzeit im Golf von Mexico, Brasilien, der Nordsee und in Westafrika durchgeführt. Voith Turbo hat für diese Offshore-Bohrstellen einen Unterwasser-Antrieb entwickelt, der für die zukünftige Erdölförderung deutliche Vorteile bringt.
Pumpen in bis zu 3.000 Meter Tiefe sichern Erdölförderung
Während der Druck in den Feldern im Golf von Mexico zur Zeit noch ausreichend hoch ist, um das Öl ohne Unterstützung auf die Plattformen zu transportieren, befinden sich in der Nordsee zahlreiche kleinere weit verteilte Ölfelder. Hier ist zur Förderung eine Druckerhöhung durch Pumpen nötig. Auch in Brasilien und Westafrika muss der Druck im tieferen Wasserbereich durch den Einsatz von Pumpen erhöht werden, um akzeptable Fördermengen aus Unterwasser-Bohrlöchern zu ermöglichen.
Dazu stehen derzeit mehrere Verfahren zur Auswahl: Zusätzliche Druckerhöhung im Bohrloch (durch Elektrische Unterwasserpumpe "ESP", Gasanhebung, etc.), Unterwasser-Separierung und Single-Phase-Pumpen oder Multiphase Pumpen. Um die Förderung auch in Zukunft sicherzustellen, plant die Ölindustrie Multi-Phase- oder Zentrifugal-Pumpen auf dem Meeresgrund in Tiefen zwischen 600 m und 3.000 Meter zu installieren.
Bedingt durch die Druckschwankungen in der Bohrstelle und durch Unterschiede im Öl-, Wasser oder Gas-Gehalt ist es erforderlich die Unterwasser-Pumpen in der Drehzahl zu regeln.
Voith-Entwicklung sichert Antriebs- und Drehzahlregelung unter Wasser
Zur Antriebs- und Drehzahlregelung dieser Unterwasser-Multiphasepumpen, hat Voith einen neuen, hydrodynamischen Regelantrieb konzipiert. Dieser Antrieb basiert auf dem hydrodynamischen Wandlerprinzip und wird direkt zwischen einem Motor mit konstanter Drehzahl und einer Pumpe installiert. Das Leistungsspektrum reicht bis hinauf zu 10000 kW.
Da die Voith-Lösung auf dem Prinzip der Hydrodynamik beruht, bietet das neue Antriebskonzept erhebliche Einsparungen bei den Investitions- und Wartungskosten. Zugleich bedeutet es für die Erdölförderung eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu konventionellen Frequenzumrichtern. Die einfache Installation und eine einfache Kabelverbindung sind weitere Vorteile.
Im Betrieb zeichnet sich der hydrodynamische Unterwasserwandler durch lastfreien Motorstart aus, Stoß- und Drehzahlschwingungen werden gedämpft, und der Antriebsmotor kann während des Betriebes nicht überlastet werden. Da der Motor mit konstanter Drehzahl läuft, ist es möglich Standard Asynchron Motoren zu verwenden. Zur Zeit sind zwei Pumpentypen auf dem Markt, für die der neuen Regelantrieb von Voith konzipert ist: Schrauben-Pumpen und rotodynamische Pumpen.
Erfolgreicher Testlauf mit Prototyp im Voith Testfeld
Dass der neue regelbare Antrieb für Unterwasser-Einsatz nach gut einjähriger Entwicklungszeit die Marktreife erreicht hat, konnte bei einem Präsentations-Testlauf im Voith-Werk in Crailsheim vor einer Delegation internationaler Fachleute erfolgreich demonstriert werden. Der Prototyp war mit einem Stellantrieb, entsprechender Instrumentierung und einem Kühlsystem ausgerüstet.
Ziel des Testlaufs war, die sichere Funktion des Antriebs, der Instrumente und des Stellantriebes bei einer simulierten Wassertiefe von 1.000 Meter zu demonstrieren. Dazu wurde das Gehäuse mit einem Wassermantel von 100 bar beaufschlagt, während 1.800 kW bei einer Eingangsdrehzahl von 3.600 U/min übertragen wurden.
Um den Testlauf zu dokumentieren, wurde die Leistungskurve von n = 0 bis 1 bei pwasser = 100 bar, pÖl = 120 bar bei einer Leitschaufelposition von 0 %, 20 %, 80 % und 20 % als Reproduktionsmessung aufgezeichnet. Die anschließende Auswertung der Leistungskurve am Bildschirm wurde durchweg positiv bewertet. Getestet wurden ferner die Positionierung und Dynamik der Leitschaufelverstellung durch Drehzahlregelung bei gleichbleibender Last und eine Drehzahlregelung durch Leitschaufelverstellung bei unterschiedlicher Last.
Funktion und Aufbau des Unterwasser-Regelantriebs
Voith-Drehmomentwandler wie der neue Unterwasser-Regelantrieb sind hydrodynamische Übertragungseinheiten zur stufenlosen Regelung von Drehmoment und Drehzahl zwischen Eingangs- und Ausgangswelle. Das Herzstück eines hydrodynamischen Wandlers ist der hydraulische Kreislauf, bestehend aus Pumpe, Turbine und Leitrad mit verstellbaren Leitschaufeln.
Die mechanische Energie des Motors wird durch das Pumpenrad in hydraulische Energie umgewandelt. Im Turbinenrad wird diese hydraulische Energie in mechanische Energie zurückgewandelt und zur Ausgangswelle weitergeleitet. Dabei regeln verstellbare Leitschaufeln den Massenfluss im hydraulischen Kreislauf. Bei geschlossenen Leitschaufeln (kleiner Massenfluss) ist die Leistungsübertragung minimal, bei vollständig geöffneten Leitschaufeln (großer Massenfluss) ist sie maximal. Aufgrund des veränderlichen Massenflusses ist die Drehzahl des Turbinenrades variabel und kann den unterschiedlichen Drehzahlen der Arbeitsmaschine, z. B. an Multi-Phase-Pumpen, angepasst werden.
Abgesehen von der Drehzahl können Drehmomentwandler auch ihr Ausgangs-Drehmoment variieren oder sogar erhöhen, was insbesondere beim Anfahren, Losbrechen bzw. Schweranlauf von Maschinen oder bei abnormalen Betriebsbedingungen der Arbeitsmaschine genutzt wird.
Hintergrund Voith Turbo
Voith ist weltweit führend in der Herstellung von hydrodynamischen Regelkupplungen, Getrieberegelkupplungen und Drehmomentwandlern, die in der Energieerzeugung, in der Öl- und Gasindustrie, der chemischen Industrie sowie in der Fördertechnik zum Einsatz kommen. Hydrodynamische Antriebe von Voith arbeiten überall in der Welt unter härtesten Bedingungen. Die Antriebe sind in Produktions-, Transport oder Prozessanlagen installiert. Auf Offshore-Plattformen, Erdgas-Pipelines, Rohöl-Pipelines, Raffinerien, Petrochemie-Anlagen und anderen Industrieanlagen, in der Wüste oder in arktischer Umgebung – Regelbare Antriebe von Voith laufen 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr.
Aufgrund ihrer kompakten und robusten Bauweise ermöglichen hydrodynamische Regelbare Antriebe Energie- und Kostenersparnisse, größere Flexibilität, längere Standzeiten von Arbeitsmaschinen, niedrige Wartungskosten und Einsätze auch unter härtesten Bedingungen. Die übertragene Leistung reicht von 100 kW bis 50.000 kW, mit Drehzahlen bis zu 20.000 U/min.
Voith Turbo, der Spezialist für hydrodynamische Antriebs-, Kupplungs- und Bremssysteme für den Einsatz auf der Straße, Schiene und Industrie, sowie für Schiffsantriebe ist ein Konzernbereich von Voith.
Voith setzt Maßstäbe in der Papiertechnik, Antriebstechnik, Energietechnik und bei Industriedienstleistungen. Gegründet am 1. Januar 1867 ist Voith heute mit ca. 24.000 Mitarbeitern, 3,1 Mrd. Euro Umsatz und weltweit über 180 Standorten eines der großen Familienunternehmen Europas.
Prototyp eines Voith-Unterwasser-Regelantriebs auf dem Voith-Teststand
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Prototyp eines Voith-Unterwasser-Regelantriebs auf dem Voith-Teststand
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Schnittzeichnung eines Voith-Unterwasser-Regelantriebs
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Arbeitsprinzip des Drehmomentwandlers
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Friedrich Fischer
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Im Golf von Mexiko wurden riesige Ölfelder entdeckt
