NO20111233A1

NO20111233A1 - Roterende undervannsinnretning

Info

Publication number: NO20111233A1
Application number: NO20111233A
Authority: NO
Inventors: Kjell Olav Stinessen
Original assignee: Aker Subsea As
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-03-13
Also published as: RU2614741C2; CA2846208C; GB2507446B; CN103797676A; GB2507446A; CN103797676B; CA2846208A1; MY170484A; US20140203640A1; GB201402774D0; NO334144B1; RU2014112014A; WO2013039404A1; AU2012309236B2; US9728968B2; AU2012309236A1

Abstract

Oppfinnelsen tilveiebringer en anordning for operativ forbindelse mellom en fjernestliggende ende av undervanns utleggskabel og undervannslaster, så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer, som utmerker seg ved at anordningen vil være en roterende frekvenssteppingsanordning, mer spesifikt en roterende oppsteppings- eller nedsteppingsanordning, og at den omfatter: en motor og en generator operativt forbundet slik at motoren driver generatoren, minst en gass- og / eller væskefylt trykktank, hvor nevnte enhet eller deler av denne vil bli anordnet, og minst en penetrator for elektrisk tilkopling av nevnte enhet til utenfor trykktanken.

Description

ROTERENDE UNDERVANNSINNRETNING

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder utstyr for produksjon av petroleum under vann, spesielt utstyr som blir plassert langt vekk fra en tørr toppside eller på steder som er på land. Mer spesifikt, oppfinnelsen gjelder utstyr for elektrisk kraftoverføring til undervannslaster som kan være plassert langt vekk fra overflateplattformer, eller land, og som krever høy kraftoverføring. Nevnte laster vil typisk kunne være motorer for pumper og kompressorer, som krever en regulering av rotasjonshastighet ved å regulere den elektriske frekvensen.

Oppfinnelsen vil få bukt med de problemene som er forårsaket av Ferranti-effekten og skinneffekten, som derved åpner for lengre utleggslengder undervanns enn det som tidligere har vært oppnåelig.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere teknikk

I løpet av de siste titalls år har det globale energiforbruket øket eksponentielt, og man kan ikke se for seg noen ende på den økende etterspørselen. Hvormed utnyttelse av fossile brensler tidligere var fokusert på felt som var på land, har den begrensede mengden med olje satt i gang seriøse anstrengelser for å kunne finne og utvinne offshore gass- og oljefelt. Dagens teknikk for produksjon fra offshorefelt, er anvendelse av faste eller flytende bemannede plattformer, og ved tilknytning til undervanns produksjonsrammer med undervannsbrønner til disse plattformene. I noen tilfeller blir produksjonen ledet direkte til en mottaksfasilitet uten en plattform, som er på land. For å kunne opprettholde en tilstrekkelig høy produksjon fra undervannssatellitter til en sentral plattform eller direkte til land, kan det tilveiebringes en trykk-forsterkning ved bruk av en multifasepumpe eller-separasjon, etterfulgt av pumping og kompresjon. Det har også blitt installert pumper på havbunnen for direkte injeksjon av sjøvann inn i reservoaret for trykkstøtte til økt oljeproduksjon.

Det finnes flere fordeler som gir motivasjon for undervannsplassering av pumper og kompressorstasjoner sammenlignet med plassering på plattformer: Sikkerhet for mennesker, ved at man ikke arbeider eller bor på en

plattform, og ved at man ikke blir fraktet frem og tilbake med helikopter Ingen brann- og eksplosjonsrisiko

Ingen utblåsningsrisiko fra produksjonsstigerør opp fra havbunnen til

plattformen og ned fra plattformen til havbunnen

Sikkerhet mot sabotasje

Kostnadsbesparelser for både kapital og drift, det vil si reduserte

produksjonskostnader for olje og gass

Øket produksjon fordi sugeeffekten fra kompressorer og pumper er

nærmere brønnhodene

Utstyret har statiske omgivelsesforhold, det vil si nesten konstant, kald temperatur og nesten konstant lav hastighet på havstrømmer rundt utstyret og ingen bølger, mens temperaturen på plattformene vil kunne variere fra for eksempel - 20 °C til + 30 °C, og vindhastigheten kan være ved orkans styrke kombinert med ekstremt høye bølger

Det kalde sjøvannet vil kunne bli benyttet til avkjøling av motorer og

annet elektrisk eller elektronisk utstyr og prosessfluider

Ingen visuelle forurensinger

Betydelig lavere vekt, og dermed lavere material- og energimengder ved

fabrikasjon av et undervannsanlegg

• Mindre karbondioksid, det vil si klimagass utslipp for fabrikasjon på grunn av mindre materialmengder • Mindre utslipp av karbondioksid ved drift på grunn av at helikoptertransport elimineres og drift av plattform • Mindre utslipp av karbondioksid sammenlignet med plattformer på grunn av at det er elektriske motorer som driver kompressorer og pumper, og forsyning av elektrisk strøm fra land eller plattform • Mindre energiforbruk og mindre utslipp av klimagasser per vektenhet av olje og gass

Ulempen med undervanns kompressorer per 2010 er at ingen har blitt installert og blitt driftet under vann, det betyr at dette er en teknikk som ikke er bevist. Imidlertid vil dette kun være et spørsmål om tid, og den første kompressorstasjonen under vann vil trolig være i drift i 2015 eller tidligere på grunn av sterke motivasjoner for denne anvendelsen.

Undervanns trykkforsterkning er en nyere teknologi. Trykkforsterkning under vann, hvor det kreves en betydelig undervanns utleggslengde, er en svært ny teknologi som bruker moderne teknologi og som blir stilt opp mot problemer som ikke har blitt møtt eller som er irrelevante andre steder.

Teknikkens stand pr. i dag har blitt definert i patentpublikasjon WO 2009/015670, som foreskriver anvendelse av et første arrangement av en omformer på den nærliggende enden, toppsidene eller på den enden som er på land, av en undervanns utleggskabel og til slutt et andre arrangement av en omformer på den andre enden, den enden som er fjerntliggende under vann, av en undervanns utleggskabel. En variabel hastighets drivmotor, VSD (engelsk: «variable speed drive») har blitt foreskrevet på hver ende av utleggskabelen. Undervanns variabel hastighets drivmotor kalles også variabel frekvens drivmotor (engelsk: «variable frequency drive», VFD), eller justerbar frekvens drivmotor (engelsk: «adjustable frequency drive», AFD) eller frekvensomformere eller bare omformere, og disse representerer teknikkens stand. Verken i WO 2009/015670 eller andre publikasjoner har Ferranti-effekten blitt nevnt, og heller ikke har noen av de problemene som er knyttet til undervanns VSD'er blitt omtalt eller antydet.

Så langt finnes det bare noen få undervanns kompressorer som er i drift. Imidlertid er undervanns kompressorstasjoner i stadig utvikling, og de første forventes å bli installert og komme i drift innen få år. For tiden blir alle undervannspumper og -kompressorer drevet med asynkrone motorer. Utleggsavstanden for installerte pumper er ikke på mer enn omtrent 30 km fra plattform eller fra land, og så langt har ikke dybdene vært på mer enn 1800 m. Det er kjent at det blir utført seriøse studier og prosjekter innen oljeindustrien, og som har mål av seg å få til installasjon av kompressorer med en utleggsavstand i en størrelsesorden av 40 til 150 km og ved vanndybder ned til 3000 m eller mer.

En realistisk motoreffekt vil være fra omtrent 200 kW for små pumper, og opp til 15 MW for kompressorer, og i fremtiden vil man kunne se for seg enda større motorer. De undervannnsmotorene som for tiden installeres vil være forsynt med strøm via vekselstrømskabler fra det stedet hvor det finnes en strømforsyning, det vil si på en plattform eller på land og, dersom det finnes flere motorer, vil hver av disse motorene ha sin egen kabel og egen frekvensomformer («variable speed drive», VSD) på den nærliggende enden av kabelen for å kunne regulere hastigheten på hver individuelle motor ved den fjernestliggende enden av kabelen, ref. figur 1 og tabell 2.

Innenfor konteksten av denne patentbeskrivelsen betyr den nærliggende enden den enden av kraftoverføringen som vil være i nærheten av kraftforsyningen. For undervanns anvendelser vil dette være et sted som er på toppsiden av en plattform eller på land. Tilsvarende vil den fjernest liggende enden vise til den andre enden av overføringslinjen være i nærheten av kraftlastene, typisk motorlaster. Den fjernest liggende enden vil ikke nødvendigvis være begrenset til den høyspente enden av overføringslinjen. Uttrykket vil kunne bli utvidet til busser eller terminaler med lavere spenning, og som er en del av den fjernest liggende stasjonen, så som en alminnelig undervannsbuss på den lavspente siden av en undervanns transformator.

Kompressorer og pumper blir ofte driftet ved maksimums hastigheter, som vil ligge på henholdsvis mellom 4000 til 14000 rpm og mellom 2000 til 5000 rpm. Dermed må den elektriske drivmotoren ha en nominell hastighet i størrelsesorden fra 2000 til 14000 rpm når det blir brukt moderne høyhastighets motorer uten en girkasse mellom motoren og pumpen eller kompressoren.

Denne mekaniske hastigheten tilsvarer et elektrisk frekvensområde for det innmatende drivmotoren på omtrent 30 til 230 Hz for det eksempelet som har en to-polet motor. Motorer med flere pol-par vil kunne tillate en lavere maksimumshastighet for de samme elektriske frekvensene.

Figur 1 illustrerer den eneste løsningen som så langt har blitt brukt til overføring av elektrisk strøm til installerte pumper, i noen tilfeller uten omformere mellom VSD og undervannsmotorer, og dette blir referert til som en Første løsning. Denne løsningen, med én overføringskabel per motor, har den ulempen at den blir dyr ved lange oppskrittinger, for eksempel når de er på mer enn 50 km, på grunn av den høye kostnaden for kablene.

En alvorlig teknisk hindring for denne løsningen vil være at, ved en bestemt undervanns utleggslengde vil det ikke la seg gjøre med å kunne overføre elektrisk strøm, på grunn av at overføringssystemet vil bli elektrisk ustabilt og være ubrukelig på grunn av Ferranti-effekten, som vil bli beskrevet senere. Oppfinnelsen vil løse dette problemet med ustabilitet.

Figur 2 illustrerer en løsning som har blitt foreslått for overføring av elektrisk strøm til flere laster ved en lang oppskritting, Løsning To. Denne løsningen, med en felles overføringskabel og et undervanns strømfordelingssystem, som innbefatter en undervanns VSD («Variable Speed Drive») per motor, vil gi en betydelig reduksjon av kabelkostnadene for overføringen, og vil dessuten forebygge problemet med elektrisk ustabilitet ved å begrense strømfrekvensen i overføringskabelen til for eksempel 50-10 Hz, og dessuten vil skinneffekten være akseptabel for slike frekvenser. Frekvensen økes deretter med en VSD for å kunne passe til hastigheten på den motoren som har blitt koplet til VSD'en. Andre Løsning vil imidlertid også ha ulemper. Blant annet vil det være kostbare VSD'er, som ikke har blitt dokumentert for bruk under vann, og fordi slike VSD'er vil være satt sammen med mange elektriske og elektroniske komponenter, inkludert et reguleringssystem, som vil kunne være tilbøyelig til å gi en større hyppighet av feil på elektriske overføringer og fordelingssystemer under vann.

I det som følger nå vil de iboende elektriske problemene med den eksisterende Første løsningen ( figur 1) bli beskrevet, med en motor på den fjernestliggende enden av en lang kabel, og en Tredje løsnin<g>, illustrert i figur 3, med flere motorer på den fjernestliggende enden av en felles lang overføring og en felles VSD ved den nærliggende enden.

For en lang utleggsavstand fra strømforsyning til last, i en størrelsesorden av 50 km eller mer, vil innflytelse fra undervannskabelen være så sterk at et slikt system enda ikke har blitt laget for en begrenset last, så som en enkelt motor. Linjens induktans og motstand innebærer et stort spenningstap fra strømforsyningen til lasten. Det er kjent at et slikt spenningstap vil være selvforsterkende, og vil kunne føre til null spenning ved den fjernestliggende enden. Jo lengre utleggsavstanden er, jo høyere må overføringsspenningen være for å kunne redusere det spenningstapet som vil være langs overføringslinjen. Imidlertid vil en kabel ha en høy kapasitans, og en lang vekselstrømskabel vil utvise en betydelig såkalt Ferranti-effekt. Ferranti-effekten er et kjent fenomen, hvor den kapasitive ladningsstrømmen på linjen eller kabelen øker med linjens lengde og nivået for spenningen. Ved en utleggslengde på 100 km, vil ladningsstrømmen i en kabel kunne være høyere enn laststrømmen, hvilket gjør det vanskelig å rettferdiggjøre et slikt ineffektivt overføringssystem. Et mer kritisk resultat vil være at ikke-last spenningen vil kunne være omtrent 50 % høyere enn tilførselsspenningen ved den nærliggende enden. En slik høy spenning ville ødelegge kabelen og transformatoren og forbindelsene på den fjernestliggende enden. Ved et plutselig fall ville spenningen på den fjernestliggende enden hoppe til dette høye nivået. I tillegg vil det være en transient topp på for eksempel 50 %, som gir noe slikt som 100 % totalt, se Tabell 1 nedenfor hvor de verdiene som er

markert med fet kursiv skrift er over spenningsklassemarginen for isolasjonen.

Dagens systemer med utleggsavstander i en størrelsesorden av 30 km har ikke dette problemet, fordi undervanns utleggslengde og elektrisk last i kombinasjon fortsatt vil kunne la seg gjøre.

Ferranti-effekten og skinneffekten - noen betraktninger:

Ferranti-effekten er en økning av en spenning, som oppstår på den fjernestliggende enden av en lang overføringslinje, i forhold til den spenningen som er ved den nærliggende enden, og som forekommer når linjen er ladet men når det er en svært liten last eller når lasten er frakoplet. Denne effekten oppstår på grunn av spenningstapet over linjeinduktansen (på grunn av ladningsstrømmen) som er i fase med de spenningene som er på den enden som sender. Av denne grunn vil både kapasitans og induktans være ansvarlig for at dette fenomenet oppstår. Ferranti-effekten vil være mer fremhevet jo lengere linjen er og jo høyere spenning som blir anvendt. Den relative spenningsøkningen vil være proporsjonal med kvadratet av linjens lengde.

På grunn av en høy kapasitans vil Ferranti-effekten være mye mer fremhevet for undergrunns- og undervannskabler, selv over korte lengder, sammenlignet med luftspente overføringslinjer.

En foreslått ligning for å kunne bestemme Ferranti-effekten for et gitt system er:

hvor:

Vf = den fjernestliggende spenningen

vn= den nærliggende spenningen

w = 2x3,14xf

f = frekvens

C = linjens kapasitans

L = linjens induktans

I = linjens lengde

I<2>= linjens lengde i kvadrat

I litteraturen vil det også kunne bli funnet andre uttrykk for Ferranti-effekten, men det er i alle fall enighet om at effekten øker med overføringsfrekvensen, kabelkapasitans, kabellengde og spenning.

Ut fra ovenstående ligning kan det sluttes at Ferranti-effekten for en lang linje kan bli kompensert for med en passende reduksjon i elektriske frekvensen. Dette er årsaken til Andre løsning med en undervanns VSD. Overføringsfrekvensen kan for eksempel være den vanlige europeiske frekvensen på 50 Hz.

En annen fordel med lav overføringsfrekvens vil være en sterk reduksjon av den elektriske skinneffekten for overføringskabelen, det vil si bedre utnyttelse av tverrsnittsarealet på kabelen. I praksis vil overføring av en høyfrekvent elektrisitet, for eksempel 100 Hz eller mer over lengre avstander, for eksempel 100 km eller mer, være prohibitivt på grunn av skinneffekten og den tilsvarende høye motstanden i kabelen.

Innflytelse fra Ferranti-effekten og skinneffekten må naturligvis beregnes fra tilfelle til tilfelle, for å kunne vurdere om de er akseptable eller ikke for overføring ved en gitt frekvens. Det er en etterspørsel etter å få frem elektriske kraftoverføringssystemer under vann, som vil være gunstige med hensyn til de ovenfor nevnte problemene.

Figurer

Oppfinnelsen har blitt illustrert med figurer, av hvilke

Figurer 1 - 3 illustrerer utførelsesformer ved tidligere teknikk, og

Figurer 4-7 illustrerer utførelsesformer ved den foreliggende oppfinnelsen.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen tilveiebringer en innretning for operativ tilkopling mellom en fjernestliggende ende av en undervanns utleggskabel og undervannslaster, så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer, som skiller seg ut ved at innretningen vil være en roterende innretning for stepping av frekvensen, mer spesifikt en roterende oppsteppings- eller nedsteppingsanordning, og ved at den omfatter: en motor og en generator som er operativt koplet slik at motoren driver generatoren,

minst én gass- og / eller væskefylt trykktank i hvilken minst en av motoren og generatoren er anordnet i, og

minst én penetrator for elektrisk kopling av motoren og generatoren til utenfor trykktanken.

Innretningen er fortrinnsvis en passiv frekvensoppsteppingsanordning, som ikke har noen midler for aktiv undervannsregulering eller -justering på stedet, og den omfatter: en roterbar aksling som har en motor anordnet; en generator anordnet på motorakslingen eller på en annen aksling som er operativt koplet til

motorakslingen; en trykktank hvor motoren, generatoren og akslingene er

anordnet; en gass og / eller en væske som fyller opp trykktanken, minst en elektrisk penetrator og en trykk-kompensator dersom tanken fylles opp med væske som skal være trykk-kompensert med det omgivende sjøvannstrykket. Frekvensnedsteppingen vil kunne være hele veien ned til 0 Hz, og frekvensoppsteppingen vil kunne være opp til den driftsfrekvensen som er for de tilkoplete lastene.

Mer foretrukket, innretningen vil være en undervanns roterende frekvensoppsteppingsanordning (engelsk: «Subsea Rotating Frequency Step-up Device», SRFSD) som omfatter en elektrisk motor koplet til en generator, for undervannsplassering ved en fjernestliggede ende av en undervanns utleggskabel koplet til minst en kraftkilde ved utleggskabelens nærliggende ende ved et tørt sted på land eller på en toppside, og utleggslengden er lang, som betyr at den er lang nok til å kunne forårsake problemer på grunn av Ferranti-effekten ved de frekvens- og kraftnivåene som er mulig for undervanns pumpe- og kompressormotorer, og hvor innretningen via utleggskabelen kan ta i mot en inngang av elektrisk kraft ved en tilstrekkelig lav frekvens til å kunne ha en stabil overføring, og hvor innretningen, som er operativt koplet til undervannsmotoren, leverer en utgang av elektrisk frekvens, ampére og spenning som vil kunne la seg gjøre for drift av de tilkoblede motorene, og innretningen blir satt inn i en trykktank eller et -hus som vil være fylt med væske eller gass.

Mest foretrukket vil anordningen omfatte en elektrisk motor og en elektrisk generator som har en felles aksling, pol-antallet for generatoren er en multippel av pol-antallet for motoren. Alternativt vil anordningen omfatte en av følgende: et mekanisk gir, et fluiddynamisk eller hydraulisk gir, et mekanisk fluiddynamisk gir eller et magnetisk gir.

Ingen tidligere undervanns trykkforsterkningssystemer har tatt hensyn til Ferranti-effekten. Tidligere systemversjoner med en undervanns VSD vil derfor kunne være ubrukelig i mange applikasjoner, siden isolasjonen på utleggskabelen kan bli ødelagt av en ukontrollert høy spenning på den fjernestliggende enden på grunn av Ferranti-effekten. Særtrekket om en «passiv elektrisk frekvensoppsteppings eller -nedsteppings- (eller steppings-) anordning», betyr at anordningen ikke skal og ikke kan bli justert på stedet, under drift eller ved et hvilket som helst tidspunkt i systemets levetid, anordningen vil være en passiv slaveenhet, nemlig en passiv frekvensoppsteppingsanordning eller en passiv frekvensnedsteppingsanordning, i motsetning til en undervanns VSD. En undervanns VSD vil være svært kompleks, stor og kostbar, - den er typisk omtrent 12 m høy, 3 m i diameter og veier rundt 200 tonn. I motsetning til dette, vil den passive anordningen være mye mindre og enklere, og vil typisk være omtrent 6 m lang og 2 - 3 m i diameter, med en vekt på rundt 50 tonn. Anordningens pålitelighet har blitt anslått å være flere ganger bedre enn den for en undervanns VSD. Dette er på grunn av at en undervanns VSD er svært kompleks, og selv om alle komponenter i en undervanns VSD vil være av topp kvalitet, vil i praksis det store antallet av komponenter og kompleksitet føre til en dårligere pålitelighet. Kostnaden for anordningen eller et system av oppfinnelsen vil bli betydelig redusert sammenlignet med de systemene som har dagens teknikk av en undervanns VSD. Uttrykket andre laster omfatter strøm til reguleringssystemer og andre laster som ikke nødvendigvis er knyttet til trykkforsterkning.

Driftsfrekvensen for utleggskabelen må tas med i betraktningen, hvor det blir tatt hensyn til Ferranti-effekten og de elektriske tapene. Isolasjon er et nøkkelelement. Mest foretrukket vil dimensjoner på ledere og isolasjon, og valg av driftsfrekvens, være slik at ved den fjernestliggende enden av kabelen vil Ferranti-effekten, når den er ved det maksimale under drift, øke spenningen like mye som de elektriske tapene, og således vil man unngå overspenning ved den fjernestliggende enden på grunn av Ferrant-effekten og kabelutformingen vil bli forenklet. Den veiledningen som har blitt tilveiebragt i dette dokumentet, kombinert med god teknisk praksis, antas å være tilstrekkelig for å få en ordentlig utforming av utleggskabelen, inkludert valg av driftsfrekvens: Løsningen bør kunne finnes for hvert enkelt tilfelle. Anordningen i henhold til oppfinnelsen blir da bli utformet for å kunne omforme driftsfrekvensen for utleggskabelen til den driftsfrekvensen som er for undervannslastene, det vil si undervannskompressorer eller -pumper eller, mer spesifikt, de motorene som er for undervannskompressorer eller -pumper.

Ytterligere utførelsesformer og særtrekk har blitt definert i de avhengige kravene. De særtrekkene som har blitt beskrevet eller illustrert i dette dokumentet vil kunne bli innbefattet i oppfinnelsens anordning i en hvilken som helst kombinasjon, og hver slik kombinasjon vil være en utførelsesform av oppfinnelsen. Motivasjonen for slike kombinasjoner vil være basert på det som har blitt beskrevet eller har blitt illustrert, eller kombinasjonene vil kunne være opplagte for fagpersoner på området etter å ha studert dette dokumentet grundig.

Den elektriske frekvensen for anordningens inn- og utgang vil være forskjellige. Forskjellen vil være ved et fast tallforhold for passive anordninger. Inngangsfrekvensen, driftsfrekvensen for utleggskabelen, vil være i området av 0,1 - 150 Hz, så som 2-60 eller 4 - 50 Hz eller 5-40 Hz, mens utgangsfrekvensen vil være i området av 0,1 - 350 Hz, så som 30 - 300 eller 50 - 250 Hz eller 50 - 200 Hz. Utgangsfrekvensen vil også kunne være 0, det vil si likestrøm (DC) ved å bruke en DC-generator i motor-generator settet. Undervannsinnretningen vil kunne være anordnet i ett eller flere hus, som ett eller flere elementer, imidlertid må alle deler kunne stå i mot det tøffe undervannsmiljøet uten at det må feile. Med den foreliggende oppfinnelsen vil langtidskostnaden og påliteligheten for nevnte anordning, og tilhørende systemer, bli betydelig forbedret i forhold til det som for tiden vil kunne oppnås med for eksempel undervanns turtallsregulerte drivmotorer i fast tilstand.

I tillegg tilveiebringer oppfinnelsen anvendelse av en undervanns statisk steppingsanordning for å kunne omforme de karakteristiske strøm karakteristikkene for en undervanns utleggskabel til en elektrisk kraftskarakteristikk som vil kunne være mulig for drift av tilkoplet undervannsutstyr, et system med minst én undervanns steppingsanordning i henhold til oppfinnelsen anordnet på den fjernestliggende enden av en undervanns utleggskabel, og en fremgangsmåte for å drifte nevnte system, ved reguleringsjusteringer bare for systemgjenstander ved slike steder som på en tørr toppside eller på land.

Oppfinnelsens utførelsesform med frekvensoppstepping for å kjøre vekselstrømsmotorer

En utførelsesform av oppfinnelsen, den Fjerde løsningen, har blitt vist i figur 4 og 5. det viktigste særtrekket ved denne utførelsesformen vil være en introduksjon av en undervanns frekvensoppsteppingsanordning (FSD), plassert under vann ved den fjernestliggende enden av overføringskabelen og med en kort avstand til de motorene som kjører kompressorene og pumpene. Kort avstand i denne sammenheng betyr nært nok til å kunne holde et akseptabelt ohmsk motstandstap, og dermed krafttap, mellom generatoren / FSD'en og motorene, og dette betyr også kort nok til å unngå de problemene som vil oppstå på grunn av Ferranti-effekt og ustabilitet. Det er viktig å merke seg at undervanns FSD'er ikke direkte vil regulere frekvensen til å passe med driftshastigheten for motorer, ved å ha et lokalt reguleringssystem som justerer hastigheten i henhold til behov. Variasjon av hastighet i henhold til produksjonsbehovet ved stasjonær tilstand, oppstart og stopp, og ramping av hastighet ned og opp, blir gjort med VSD'en ved den nærliggende endeoverflaten (toppside på plattform eller på land), eller på annen måte langt unna undervanns FSD'ene. FSD'ene vil ganske enkelt væøre slaver av VSD'en, og deres formål vil bare være en oppstepping av den overføringsfrekvensen, som er gitt av VSD'en med en eller annen multippel.

Denne oppsteppingen vil lettest kunne bli oppnådd ved å bruke en undervanns elektrisk motor, hvilken aksling vil være koplet til en undervanns elektrisk generator og begge maskiner vil kjøre med samme hastighet, det vil si en undervanns roterende FSD (RFSD). En hvilken som helst type kopling (for eksempel fleksibel, rigid, felles aksling for en motor og generator, hydraulisk, fluidkopling) vil kunne bli brukt, som gir den samme hastigheten for motoren og generatoren. Motoren bør fortrinnsvis være 2-polet for å kunne holde overføringsfrekvensen så lav som mulig, mens generatorens antall av poler vil bli valgt i henhold til det behovet som er for oppstepping fra en overføringsfrekvens som er lav nok til ikke å gi de ovenfor beskrevne problemene forårsaket av Ferranti-effekt, ustabilitet og høy motstand på grunn av skinneffekten med tilsvarende uakseptable spenningstap, det vil si innenfor et «problemfritt frekvensområde».

Ved å ha en 2-polets motor og en 4-polet generator vil oppsteppingens tallforhold være 2 : 1, en 6-polet generator vil gi et forhold på 3 : 1 og en 8-polet generator vil gi et forhold på 4 : 1 og så videre, avhengig av antall poler på generatoren. Dette betyr at, dersom frekvensen fra en overflate-VSD er i området av 50, vil undervanns frekvensen fra undervanns RFSD-anordningen være i området av 100 Hz, som tilsvarer en omdreiningshastighet for de 2-polete motorene fra 6000 rpm. Dersom det brukes en 8-polet generator, vil den tilsvarende oppsteppede frekvensen være i området av 200 og hastigheten for en 2-polet motor vil være 12000 rpm. Disse eksemplene viser klart at oppfinnelsen kan tilføre en hvilken som helst nødvendig frekvens for realistiske motorhastigheter, med en korrekt kombinasjon av poler for motoren og generatoren til den roterende undervanns-RFSD'en og ved en problemfri overføringsfrekvens.

Generelt vil tallforholdet for oppsteppingen kunne uttrykkes som:

fs-u: overføringsfrekvens, Hz

fs-u: oppsteppet frekvens = inngangsfrekvens for motorer, Hz n: multippel 2, 3, 4 og så videre, avhengig av antall poler på generatoren sammenlignet med motoren.

Det problemfrie frekvensområdet må beregnes fra tilfelle til tilfelle. For utleggsavstander på opp til for eksempel 150 km, vil en overføringsfrekvens på opp til for eksempel 75 Hz kunne være innenfor det problemfrie området, som vil gi en 2-polet kompressormotorhastighet på 2 x 75 x 60 = 9000 rpm dersom oppsteppingsforholdet er 2 : 1 (2-polet motor og 4-polet generator). Dersom 75 Hz blir funnet å være for høyt til å kunne være problemfri, vil det kunne anvendes et oppsteppingsforholdet på 3 : 1 (2-polet motor og 6-polet generator), som for det gitte eksemplet vil redusere overføringsfrekvensen til en maksimum på 50 Hz. Overføringsfrekvensenen vil ikke forbli konstant over hele produksjonstiden for olje- og gassfeltet, men vil måtte justeres over tid etter hvert som trykket på brønnhodene blir redusert. For et gitt tilfelle vil overføringskraften fra den nærliggende enden kunne være 33,3 Hz i begynnelsen og 50 Hz på slutten av produksjonen, som tilsvarer en hastighet på mellom 6000 og 9000 rpm for en 2-polet kompressor ved den fjernestliggende enden.

Ved å velge det riktige oppsteppingsforholdet ved valg av poler for motor og generator, vil det trolig være mulig å overføre vekselstrømseffekten uten problemer til undervannsmotorer med en avstand fra den nærliggende enden til den fjernestliggende enden (oppsteppingsavstand) på 300 km eller mer.

Anvendelse av en 2-polet motor vil, være fordelaktig for å holde overføringsfrekvensen så lav som mulig. Dersom det av andre grunner, for eksempel dreiemoment og effekt, skulle være mulig å få en ønskelig oppstepping ved å velge antall poler på generatoren tilsvarende, for eksempel vil en 4-polet motor og 12-polet generator gi et oppsteppingsforhold på 3 : 1.

En fordel med å bruke lav frekvens og 4-polet motor er at hastigheten på motoren og generatoren vil være lav, og det samme vil de tilsvarende friksjonstapene i motoren være. Dette åpner for anvendelse av en oljefylt motor og generator anordnet i et felles trykk-hus. Dersom, for eksempel, overføringsfrekvensen er 25 Hz og en 4-polet motor blir brukt, vil rotasjonshastigheten bare være 750 rpm, som vil føre til lave friksjonstap. For å oppnå en frekvens på 150 Hz fra generatoren, vil denne måtte være 24-polet. Ved å variere overføringsfrekvensen fra 18 til 25 Hz, vil frekvensen fra generatoren variere i området fra 108 til 168 Hz, og gi motorhastighet (2-polet) fra 6480 til 10080, som vil kunne være passende for en kompressor motor. Valg av det området for den variable overføringsfrekvensen, og det nødvendige oppsteppingsforholdet som følger av dette, vil derfor være basert på en tilstrekkelig lav frekvens til å ha en stabil overføring for den gitte utleggsavstanden og holde Ferranti-effekten og skinneffekten lav kombinert med et passende antall av poler og dreiemoment for motoren og generatoren. I tillegg, dersom oljefylt motor og generator er foretrukket, må hastigheten bli holdt under en grense for å unngå at det blir for store friksjonstap; typisk kunne en hastighet på 750 til 1500 rpm være gunstig, det vil si en overføring på 25 Hz for å oppnå 750 Hz for en 4-polet motor og 1500 rpm for en 2-polet motor.

Nedenfor er det gitt, som et eksempel, en tabell som viser den hastigheten som oppnås for et undervanns kompressor-driv (motor) med 2 poler, ved anvendelse av et motor - generator sett med 4-polet motor og 12-polet generator:

Tabellen viser at et overføringsfrekvensområde på opp til 50 Hz vil dekke det mest aktuelle hastighetsområdet for kompressorer.

En tilsvarende tabell er gitt nedenfor for en kompressor med 2 poler, 6-polet motor for motor - generator settet og 24-polet generator:

I dette tilfelle vil en overføringsfrekvens på opp til 40 Hz være tilstrekkelig.

De ovenstående tabellene viser klart at overføringsfrekvensen vil kunne bli holdt lav for å unngå problemene som er med Ferranti-effekten og skinneffekten.

Valg av kompressor-bunt vil også være en faktor som hjelper til med å gi frihet i valg av overføringsfrekvensen og frekvensoppsteppingsforhold, det vil si at en bunt vil kunne bli valgt, innenfor rimelige grenser, for å passe med en fs.usom kommer fra et optimalt overføringssystem.

En undervanns RFSD er i prinsippet nokså enkelt, og det er ikke nødvendig med noe reguleringssystem fordi den oppsteppede frekvensen vil automatisk bli oppnådd som en følge av tallforholdet for poler for generatoren i forhold til poler for motoren til RFSD'en.

En annen fordel med en undervanns roterende oppsteppingsanordning er at utgangsstrømmen og -spenningen vil ha en form som vil være en praktisk talt perfekt sinusbølget, som er fordelaktig for motorene, det vil si at det ikke vil være nødvendig med noe elektrisk filter for å kunne oppnå dette.

Undervanns RFSD'en (SRFDS) tilfører også induktans til overføringssystemet, som på grunn av kabelen har et overskudd av kapasitans, og SRFDS'en vil derfor redusere behovet for elektrisk fasekompensasjon ved den nærliggende enden.

Det vil være noe effekttap i en SRFDS, for eksempel 5 %, men en undervanns VSD vil også ha tap, selv om de kanskje er mindre.

Valg av SRFDS må selvsagt være slik at utgangseffekten for generatoren ved en gitt frekvens er slik at den tilsvarer etterspørselen for de(n) tilkoblede motoren(e). Dersom, for eksempel, en 2-polet kompressormotor skal gi 10 MW ved 10000 rpm, må effektuttaket for generatoren være tilsvarende pluss litt ekstra for å dekke opp for tap ved en frekvens på 167 Hz. Motoren til SRFDS'en må tilsvarende gi en akslingseffekt på 10 MW tilsvarende pluss litt ekstra for å dekke opp for tap.

En annen måte, enn å ha forskjellige poler for motoren og generatoren for motor - generator settet, kan være å inkludere et fast oppsteppingsgir mellom motoren og generatoren, for eksempel 3:1. Dersom overføringsfrekvensen for eksempel er 50 Hz, vil en 4-polet motor ha en hastighet på 1500 og generatoren vil ha en hastighet på 4500 rpm med en utgangsfrekvens på 150 Hz som gir en 2-polet drivmotor for kompressor en hastighet på 9000 rpm. En kombinasjon av fast oppstepping og antall generatorpoler vil også kunne bli brukt til å holde antallet poler nede dersom det er gunstig. Dersom for eksempel et oppsteppingsgir med tallforhold 2 : 1 blir satt inn mellom en 4-polet motor og 8-polet generator, vil hastigheten på motoren ved 50 Hz være 1500 rpm, hastigheten på generatoren 3000 rpm, og dens frekvensutgang vil være 200 Hz og hastigheten på drivmotoren vil være 112000 rpm. Ved å ha VSD ved den nærliggende enden, vil hastigheten på drivmotoren kunne bli justert til passende verdier ved å justere overføringsfrekvensen i området opp til 50 Hz.

I noen tilfeller kan det bli holdt en fast overføringsfrekvens, og derved en fast frekvens fra generatoren og således en fast hastighet for den tilkoblede motoren, for eksempel kompressor, multifase eller enkeltfase pumpemotor. Dersom motoren kjører en kompressor, vil kompressorhastigheten for eksempel kunne bli holdt konstant ved 9000 rpm, og egnet strømningskapasitet og trykkforhold for kompressoren, som vil variere over tid, vil kunne justeres ved ombunting og litt resirkulasjon. Dette vil de enkleste og laveste kapitalkostnadene («CAPEX») for det totale systemet, men med noe høyere effekttap på grunn av perioder med resirkulasjon på kompressoren. En mer regelmessig ombunting av kompressoren vil også kunne være nødvendig sammenlignet med variabel frekvens. En optimalt effektoverførings og kompresjonssystem må være basert på beregninger for å kunne etablere en optimal system utform ing fra tilfelle til tilfelle.

Utforming av undervanns RFSD

Oljefylt trykkhus

Motoren og generatoren settes sammen i et felles trykkhus med et passende antall flenser med tetninger. Videre er det flere valg for praktisk utforming, som blir listet opp som følger:

Motor - generator har et passende antall lagringer.

Rotasjonshastigheten for motor - generator er lav nok til å holde et akseptabelt friksjonstap, og det felles trykkhuset blir fylt opp med en passende væske, for eksempel olje, som smører lagringene og dessuten avkjøler motor og generator, og egenskapene for den valgte oljen burde fortrinnsvis være slik at den vil kunne tjene som en elektrisk isolator.

Istedenfor olje, vil huset kunne bli vannfylt med vann eller en blanding av vann og frostmiddel, for eksempel MEG, som krever en fullstendig elektrisk isolasjon for motor- og generatorviklingene.

Trykket inne i huset vil kunne velges fritt ved ikke å fylle det opp fullstendig med væske og ha et gassvolum ved et trykk.

En gunstig løsning vil være å fylle opp huset med væske og ha en trykkbalanseringsenhet mellom det omgivende sjøvannet og den innvendige væsken i trykkhuset. Dette vil føre til en minimums tykkelse på trykkhuset og dessuten redusere lasten og kravene for flenser og tetninger. Dersom den direkte kjølingen av motor - generator, ved varmeflyt gjennom trykkhuset og til sjøen, er for lav, må det tas med en ekstern kjølekrets med varmeveksling til det omgivende sjøvannet.

Pumpen for kjølekretsen vil på en fordelaktig måte kunne bli koplet til motor - generator akslingen, eller den kan være en separat pumpe med elektrisk motor. Dersom de magnetiske lagrene for drift i væske er tilgjengelig, vil dette kunne være en opsjon for væske-smurte lagre. For mer detaljer om dette, vil det bli vist til beskrivelsen nedenfor for gassfylt hus.

Gassfylt hus

Trykkhuset kan være fylt opp med en inert gass, for eksempel tørr nitrogen eller tørr luft. Fordelen med dette er lavere friksjonstap enn for oljefylte, som tillater høyere hastighet på motor - generator. I tillegg vil den praktiske løsningen kunne innbefatte følgende: Væske-smurte lagre (for eksempel olje, vann eller vann / MEG) med en sirkulerende krets gjennom en ekstern varmeveksler eller bare inne i huset. Minimum en pumpe for smøremidlet, enten drevet med motor - generator akslingen eller en separat elektrisk pumpe.

Om nødvendig vil en kjølekrets for gassen være innbefattet, ved å ha minst en vifte til å sirkulere gassen gjennom en ekstern varmeveksler eller bare inne i huset.

Som alternativ til væske-smurte lagre, kan magnetiske lagre benyttes. Kjølesystemet for gassen må da bli dimensjonert for også å kjøle ned de magnetiske lagrene.

Et reguleringssystem for de magnetiske lagrene må være innbefattet, plassert i nærheten av motor - generator huset eller inne i huset. Dersom reguleringssystemet blir plassert i en kapsel utenfor motor - generator huset, vil det være nødvendig med penetratorer gjennom husveggen så vel som ledninger for kraft og signaler mellom reguleringssystemet og de magnetiske lagrene. Dersom reguleringssystemet er i en kapsel, vil kapselen eventuelt kunne bli utformet til å bli hentet opp separat.

Trykket inne i huset kan velges ut fra et område fra én bar og opp til det som er likt med det omgivende vanntrykket eller høyere. Fordelen med lavt trykk er lav friksjon og lite tap. Fordelen med høyt trykk er at varmekapasiteten for gassen

øker med trykket og gir derfor bedre kjøling. En annen fordel med høyt trykk er også redusert krav til veggtykkelse og lavere belastning på flenser og tetninger. Dersom det blir valgt et trykk som er tett opp til eller likt med det omgivende trykket fra sjøvannet, vil de resulterende kravene til trykkhus og flenser og tetninger være tilsvarende en væskefylt trykkbalansert tank.

Undervannsroterende VSD

Ovenfor er det nevnt bruk av hydraulisk eller fluidkopling mellom motoren og generatoren i motor - generator settet. En slik kopling har fordelen av å gi en «myk start», det vil si at generatorens last på motoren er ikke umiddelbar, men ramper opp over en viss tid slik at man unngår en topp med høy startstrøm. Anvendelsen av en slik kopling vil kunne utvides ytterligere til å få koplingen justerbarslik at hastigheten på generatoren kan justeres i forhold den konstante motorhastigheten. På denne måten kan motor - generator settet brukes som en undervanns variabel hastighetsdrivmotor, det vil si undervanns roterende variabel hastighets drivmotor (RVSD), og toppside-VSD'en vil kunne bli sløyfet.

Istedenfor en fluidkopling kan det brukes et mekanisk gir til å steppe opp og steppe ned hastigheten for generatoren, og dermed utgangsfrekvensen.

Dersom en variabel kopling av en eller annen type (fluid eller mekanisk) brukes, kan reguleringssystemet for den variable koplingen være i en separat kapsel utenfor undervanns RSVD'en, eller den kan fortrinnsvis være plassert på overflaten og fortrinnsvis være koplet til eller integrert inn i det totale reguleringssystemet for undervanns trykkforsterkningsstasjon, kompressorstasjon eller undervanns prosesseringsanlegg eller annet system med undervannsmotorer med variabel hastighet.

Noen betraktninger

Et viktig punkt ved oppfinnelsen vil være at, selv om det typisk blir brukt en VSD på den nærliggende enden, det ikke er viktig å kunne være i stand til å foreta en rask justering av frekvensen på motorlastene. Motorens hastighet vil langsomt bli justert i løpet av årene, mens reservoaret produserer og felttrykket gradvis blir redusert, som dermed vil kreve en økende effekt, det vil si motorhastighet. Dette faktum vil gi anledning til, for eksempel, en midlertidig nedramping av motorer som går, for å kunne kople til en motor til. Alternativt vil den ubrukte motoren kunne bli koplet direkte på lasten dersom beregningene har vist at dette vil kunne være mulig å gjøre med hensyn til strømtopper eller andre forstyrrelser i strømoverføringssystemet. Avhengig av det antall motorer som allerede er i gang, vil det kunne være fordelaktig med en midlertidig reduksjon av frekvensen før DOL-start (DOL: «direct online»). Om nødvendig, vil strømmen kunne bli slått av når man starter opp en ekstra motor, og oppstart og oppramping av hastigheten for alle motorer samtidig. I en kompressorstasjon vil et annet alternativ kunne være å sette alle pumper og kompressorer i sirkulasjon før man starter opp en kompressor eller en pumpe som har blitt stanset, og deretter starte opp den enheten som har stanset, og når denne har nådd den ønskede hastigheten, sette alle kompressorer og pumper online i en produksjonsmodus.

De ovenfor nevnte anordningene og fremgangsmåtene vil gjøre det mulig å håndtere Ferranti-effekten og skinneffekten, og dermed gi en betydelig forlengelse av avstanden for statisk undervanns høyspent strømoverføring.

Dermed vil maksimalt praktisk utleggsavstand kunne bli øket svært mye uten å introdusere undervanns VSD'er med lokal undervannsregulering av frekvensen. I både figur 4 og 5 har oppsteppingsanordningene ikke et lokalt reguleringssystem som varierer frekvensen og dermed hastigheten på motorene i henhold til produksjonen, de har verken regulering av nedrampingen for frekvens for å legge til en drift av motorer som har stanset eller har direkte regulering av oppramping for frekvensen for å få den virkelige hastigheten på motoren til å passe med produksjonen.

Dersom RFSD'en har oljesmurte lagringer, vil det ikke være noe behov for noe reguleringssystem for enheten, og mulig instrumentering vil være begrenset til overvåking, for eksempel av vibrasjoner og temperatur, dersom man finner dette fordelaktig.

Som nevnt i seksjonen om «Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere teknikk», vil hastigheten på kompressorene typisk kunne spenne fra for eksempel 4000 til 14000 rpm og fra for eksempel 2000 til 5000 rpm for pumpene. Når kompressor- og pumpemotorer i en kompresjonsstasjon i henhold til oppfinnelsen (Fjerde og Femte løsning) blir tilført med den samme frekvensen med en felles overføringskabel, vil hastigheten for pumpene lett kunne bli justert til den ønskede hastigheten med en halvpart av kompressorhastigheten ved å bruke fire-polete, eller flere-polete, motorer for pumpene, og to-polete motorer for kompressorene. Dersom pumpene brukes til regulering av væskenivået i en separator i en kompressorstasjon, vil en passende variabel netto fremadgående strømning for pumpen kunne bli anordnet med resirkulering og kunne bli utstyrt med ventiler for strømningsregulering.

Hastigheten for pumpene vil derfor kunne bli regulert på følgende eventuelle måter:

Dedikert undervanns FSD for hver pumpemotor.

En felles FSD forflere pumpemotorer.

Å kjøre pumpemotorene på samme frekvens som kompressorene, men med det dobbelte antallet av poler, og som fører til en halvering av rotasjonshastigheten.

Å kjøre pumpene på overføringsfrekvensen mens kompressorenes kraftfrekvens blir steppet opp.

Generelt, for det antall av undervanns FSD'er, kan deres antall være fra én per motor til en stor felles enhet for alle motorer, eller et eller annet i mellom, for eksempel én FSD per store kompressormotor og én felles enhet for nokså små pumpemotorer eller, som nevnt ovenfor, ingen FSD for pumpemotorene.

Noen foreslåtte kombinasjoner av overflateplasserte VSD'er, antall undervanns drivmotorer og antall 3-fase overføringslinjer

En 3-faset overføringslinje består av tre individuelle kabler som er isolerte og buntet sammen. For en lang undervannsoverføring med mer enn én motor, for eksempel to kompressorer, vil det med den foreliggende teknologien være mulig å bunte sammen overføringslinjer for to motorer, for eksempel seks kabler i bunten. Dette vil redusere utleggingskostnadene for linjene, og vil ha den fordelen av å kunne tillate individuell frekvensregulering av to motorer ved den fjernestliggende enden av de to linjene som har blitt buntet sammen. Det vil være én oppsteppings anordning per motor. Et slikt arrangement har blitt vist i fig. 7. I dette tilfelle er motoren av den høyspente typen og overføringsspenningen vil for eksempel kunne være 100 kV, og det vil ikke være noe behov for undervanns transformatorer. I et slikt tilfelle må kretsbryteren bli plassert etter generatoren hvor spenningen er akseptabel ettersom undervanns kretsbrytere for slike høye spenninger, så som 100 kV, somfor tiden ikke er tilgjengelig.

En annen måte, som vil føre til mindre investeringer, vil være den løsningen som har blitt vist i figur 4, og med en hydraulisk myk-starter mellom motor M og generator G, slik at motorene M1 - M4 vil kunne bli startet individuelt uten en uakseptabel startstrøm. Alle motorer vil bli driftet ved samme hastighet, som ikke vil være noe problem for like maskiner, for eksempel kompressorer.

Det mindre kompliserte arrangementet er det av figur 4 uten en myk-starter. I dette tilfelle vil det være nødvendig å starte opp alle kompressorer samtidig, og dette vil være noe uhensiktsmessig, men er ikke ansett for å være et problem, siden antall oppstarter per år vil være begrenset.

I tabell 2 er det forklart betydningen av de gjenstandene som er i figurene.

Tabell 2: Figurmerkinger

Detaljert beskrivelse

Det vises til Figur 4, som illustrerer en spesifikk utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Node 1 blir koplet til en kilde for elektrisk kraft; kilden vil være et lokalt strømnett eller, for eksempel, være et lokalt kraftgenereringssystem. En VSD 3 vil være tilkopling til en strømkilde. En VSD-inngang transformator 2 vil ofte være koplet i mellom, for å kunne justere tilførselsspenningen, for eksempel 13,8 kV for en plattform til den klassifiserte VSD-spenningen, for eksempel 6 kV. Transformatoren vil kunne være en integrert del av VSD'en, slik som tilbys av noen leverandører. Normalt vil det være nødvendig med en oppsteppingstransformator 4 for å kople VSD3 til den høyspente overføringslinjen 5, som i det eksempelet med en undervannsapplikasjon består av en kabel. En typisk spenning som blir brukt på kabelen vil for eksempel kunne være omtrent 120 kV. Kabelen blir lagt ned i sjøen for å kunne strekke seg fra den nærliggende enden 8 til en undervanns fjernestliggende ende 9; kabelen vil kunne ha en operativ lengde hvor Ferranti-effekten begynner å bli registrert inntil der hvor den sterkt vil dominere laststrømmen. Dette kan bli oversatt til en lengde i en størrelsesorden av 20 km, til 100 km og trolig mer enn dette, som blir bestemt av det stedet og de egenskapene som er for undervannslastene. På den fjernestliggende enden 9 av kabelen blir det anordnet en undervanns transformator 6, som stepper ned spenningen til for eksempel 20 kV som passer med kretsbryterne 7, 7', 7", 7"', etterfulgt av transformator 13, 13', 13", 13"', som stepper ned til for eksempel 6 kV som passer med motorene til undervanns RFSD'er eller den driftsmessige spenningen for SFSD'ene, som også er en passende spenning for motorene M1, M2, M3, M4. Det er illustrert fire undervannsmotorer, som for eksempel vil kunne være to kompressormotorer M1, M2 og to pumpemotorer M3, M4.

Nedsteppingstransformatorene vil i prinsippet være valgfrie, fordi nedsteppingstransformatoren 6 (ref. figurer 4 og 5) direkte vil kunne steppe ned den spenningen som vil være egnet for undervanns FSD'ene, slik som har blitt illustrert i figur 5. Å inkludere 13, 13', 13" og 13"' vil være et spørsmål om optimalisering av kraftfordelingssystemet på den fjernestliggende enden.

De undervanns RSFSD'ene i figurer 4 og 5 stepper opp overføringsfrekvensen med et ønskelig oppsteppingsforhold ved valg av poler for motoren M og generatoren G.

Det skal understrekes at nøkkelkomponentene i kraftoverføringssystemene av figurer 4 og 5 er kraftkilden 1, variabel hastighet drivmotor (VSD) 3, overføringskabelen 5 og motor - generator settet M - G. De andre komponentene, det vil si oppsteppings- og nedsteppingstransformatorene, 2, 4, 6 og 14, 13', 13" og 13"' og kretsbryterne 15, 7, 7', 7", 7"', vil kunne være inkludert i samsvar med behovet fra tilfelle til tilfelle.

Dersom for eksempel motoren M, for motor - generator settet, er av den typen som har isolerte kabler i statoren, vil den kunne operere ved en mye høyere spenning enn motorer med konvensjonelle spoler. Således vil begge nedsteppings transformatorer 4, 6 og 13 kunne være overflødige. Dersom, i tillegg, motorene M1 - M4 vil bli kjørt ved en fast hastighet fra oppsteppingsanordningene, vil VSD 3 kunne bli sløyfet.

En annen fordel med høyspente undervannsmotorer med isolerte statorkabler er at de trenger mindre strøm (ampere) gjennom penetratorene gjennom motorhuset enn motorer med en konvensjonell spenning i området av 6 kV. Dette vil gi anledning for motorer med en høyere effekt enn ved det foreliggende stadium, hvor rundt 12 MW vil være det maksimale på grunn av begrensningen i strømkapasitet (ampere).

Kostnaden for lange undervannskabler og undervanns VSD'er vil være svært stor, og undervanns VSD'er i figur 2 har en negativ innvirkning på systempålitelighet så vel som at de er dyre. En felles overføringskabel sammenlignet med den løsningen som er i figur 1 vil derfor representere en betydelig besparelse på investeringene.

Det skal nevnes at selv om én felles overføringskabel vil være gunstig ut fra kostnadshensyn, vil det ikke være noen tekniske problemer med å ha én overføringskabel for hver undervanns FSD. Dette vi kunne være den optimale

løsningen for mellomliggende utleggslengder, for eksempel fra 35 til 75 km, det vil si opp til de avstandene hvor kabelkostnaden ikke vil være prohibitiv. Med én VSD per overføringskabel, det vil si én VSD per undervannsmotor, fører dette til individuell hastighetsregulering for hver motor.

Kondensert beskrivelse av oppfinnelsen undervanns

oppsteppingsanordning

Det er problematisk, eller til og med ikke mulig, å overføre høyspent høy-effekts elektrisitet med høy frekvens, for eksempel mer enn 100 Hz, over lange oppsteppingsavstander under vann, for eksempel mer enn 40 km, for å forsyne motorer som opererer ved høy hastighet for undervannspumper og - kompressorer. Dette er på grunn av Ferranti-effekten, som kan danne overspenning og ustabilitet i overføringssystemet, så vel som den skinneffekten som skaper stor ohmsk motstand, og følgelig stort tap av spenning og effekt.

Undervanns drivmotorer med variabel hastighet, hvor overføringsfrekvensen kan være lav, for eksempel 50 Hz, tilveiebringer en løsning på dette. Imidlertid vil de være store, og de vil være utstyrt med en stor mengde av sensitive, skjøre elektriske og elektroniske komponenter og reguleringssystemer, som i tillegg til å gjøre dem dyre også antas å kunne føre til en høy feilhyppighet.

Oppfinnelsen tilbyr en løsning på dette ved å ha VSD'en med et reguleringssystem på overflaten (på en plattform eller på land), og som da vil ha en eller flere enkle undervanns frekvensoppsteppingsanordninger i nærheten av undervannsmotorene. Disse anordningene vil fortrinnsvis ikke regulere frekvensen i den elektriske strømmen direkte på motorene, men deres eneste funksjon er å steppe opp overføringsfrekvensen, som vil være variabel og stille inn på en frekvens i samsvar med behovet for de motorene, med et egnet forholdstall. I tilfelle av roterende undervanns frekvensoppsteppingsanordninger, vil det resulterende oppsteppingsforholdet oppstå fra det tallforholdet av antall poler for generator og motor i anordningen. Forholdet vil for eksempel kunne være 2 dersom generatoren er 4-polet og motoren er 2-polet.

Som hevdet ovenfor, vil den foretrukne funksjonen for en SRFSD helt og holdent være å steppe opp overføringsfrekvensen, og variasjon av utgangsfrekvensen vil bli bestemt av den overflate-plasserte VSD'en i en nærliggende ende. Unntaket fra dette vil være nå det ikke finnes noen VSD eller tilsvarende reguleringsanordning ved den nærliggende enden. I slike tilfeller vil utgangsfrekvensen for SRFSD-generatoren kunne bli fast eller være varierende innefor noen grenser, ved å innbefatte noen typer av justerbar kopling eller gir (for eksempel et mekanisk gir, et fluiddynamisk eller hydraulisk gir, et mekanisk fluiddynamisk gir eller et magnetisk gir) mellom motoren og generatoren i SRFSD'en.

Roterende undervannsoppsteppingsanordninger gir ekstra induktans til overføringssystemet og er derfor gunstige for å motvirke den store kapasitansen for kabelen, og av denne grunn vil trolig kompensasjonssystemet på den nærliggende enden kunne bli redusert.

Claims

1. Anordning for operativ forbindelse mellom en fjerntliggende ende av en undervanns utleggskabel og undervannslaster, så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer,karakterisert vedat anordningen er en roterende frekvenssteppingsanordning, mer spesifikt en roterende oppsteppings- eller nedsteppingsanordning, og at den omfatter: en motor og en generator operativt forbundet slik at motoren driver generatoren, minst én gass- og / eller væskefylt trykktank, hvor nevnte enhet eller deler av denne vil være anordnet, og minst en penetrator for elektrisk tilkopling av nevnte enhet til utenfor trykktanken.

2. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat anordningen er en passiv frekvensoppsteppingsanordning, som ikke har noen midler for aktiv undervannsregulering eller -justering på stedet, og at den omfatter: en roterbar aksling som har en motor anordnet, en generator anordnet på motorakslingen eller på en annen aksling operativt forbundet til motorakslingen, en trykktank, hvor motoren, generatoren og akslingene vil være anordnet i, en gass og / eller væske som fyller opp trykktanken, en eventuell trykk-kompensator, og minst én elektrisk penetrator.

3. Anordning i henhold til krav 1, hvori anordningen er en undervanns roterende frekvensoppsteppingsanordning (SRFSD), omfattende en elektrisk motor koplet til en generator, for undervannsplassering ved en fjernestliggende ende av en undervanns utleggskabel som vil være koplet til minst en kraftkilde ved den nærliggende enden av utleggskabelen ved et tørt sted på land eller på en toppside, og utleggslengden vil være lang, som betyr lang nok til å kunne forårsake problemer på grunn av Ferranti-effekten ved de frekvens- og effektnivåene som er mulig for undervannsmotorer for pumper og kompressorer, og hvor anordningen via utleggskabelen vil ta i mot elektrisk kraft ved en tilstrekkelig lav frekvens til å kunne ha en stabil overføring, og anordningen, som er operativt koplet til undervanns motoren, leverer en utgang av elektrisk frekvens, ampére og spenning som skal være mulig for drift av de tilkoplete motorene, og anordningen vil bli installert i en trykktank eller -hus som har blitt fylt opp med væske eller gass.

4. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat anordningen omfatter en elektrisk motor og en elektrisk generator som har en felles aksling, pol-antallet for generatoren er en multippel av pol-antallet for motoren.

5. Anordning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat den passive elektriske frekvenssteppingsanordningen omfatter en av: et mekanisk gir, et fluiddynamisk eller hydraulisk gir, et mekanisk fluiddynamisk gir eller et magnetisk gir.

6. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat motoren og generatoren vill være koplet på en slik måte at de alltid kjører ved den samme hastigheten.

7. Anordning i henhold til krav 1 og 2,karakterisert vedat antallet poler for motoren og generatoren blir valgt slik at den ønskede frekvensoppsteppingen vil bli oppnådd.

8. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat forbindelsen eller koplingen er hydraulisk eller en fluidkopling.

9. Anordning i henhold til krav 8 eller 1,karakterisert vedat koplingen er en myk starter.

10. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1-9, karakteriser t v e d at en VSD vil være tilkoplet ved den nærliggende enden for å justere den lavfrekvente overføringsfrekvensen og dermed kunne justere utgangsfrekvensen for generatoren opp og ned for å gi den ønskede hastigheten for den tilkoblede motoren eller motorene.

11. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat forbindelsen eller koplingen vil være justerbar slik at hastigheten for generatoren kan bli justert i forhold til den konstante motorhastigheten.

12. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat koplingen er et mekanisk gir med et fast tallforhold for oppstepping.

13. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat koplingen er et mekanisk gir å steppe opp og steppe ned hastigheten for generatoren og dermed utgangsfrekvensen for denne.

14. Anordning i henhold til krav 12 eller 13,karakterisert vedat reguleringssystemet for den variable koplingen er en separat kapsel utenfor RFSD'en eller er plassert på overflaten.

15. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1-14, karakterise r t ved at overføringsfrekvensen fra kraftkilden ved den nærliggende enden er fast.

16. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1-15, karakterise r t ved at trykktanken eller -huset blir fylt opp med væske.

17. Oppfinnelse i henhold til krav 12,karakterisert vedat væsken smører lagrene i motoren og generatoren.

18. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat væsken kjøler ned motoren og generatoren.

19. Anordning i henhold til krav 18,karakterisert vedat væsken vil være en olje.

20. Anordning i henhold til krav 19,karakterisert vedat oljen tjener som en elektrisk isolator.

21. Anordnings oppfinnelse i henhold til krav 1,karakterisert vedat væsken er vann eller en blanding av vann og et middel mot frysing.

22. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat huset vil være fylt opp med væske og vil ha en trykk-balanserende anordning mellom det omgivende sjøvannet og den innvendige væsken i huset.

23. Anordning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat det innvendige trykket for trykkhuset vil kunne bli fritt valgt ved å ikke fylle det opp fullstendig med væske og ha noe gassvolum med noe trykk.

24. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 og hvilket som helst av krav 18 til 23,karakterisert vedat væsken vil bli avkjølt ved en ekstern kjølekrets med varmeveksling til det omgivende sjøvannet.

25. Anordning i henhold til krav 24,karakterisert vedat pumpen for kjølekretsen vil være koplet til motor - generator akslingen.

26. Anordning i henhold til krav 24,karakterisert vedat pumpen for kjølekretsen vil være en separat pumpe med elektrisk motor.

27. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat den omfatter magnetiske lagringer.

28. Anordning i henhold til krav 27,karakterisert vedat reguleringssystemet for de magnetiske lagringene vil være plassert i en kapsel utenfor motor - generator huset.

29. Anordning i henhold til krav 27,karakterisert vedat reguleringssystemet for de magnetiske lagringene vil være plassert inne i huset.

30. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 25, k a r a k t e r i s e r t v e d at det vil være én SRFSD per motor.

31. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 25, k a r a k t e r i s e rt ved at det vil være flere motorer som er tilkoplet én undervanns FSD.

32. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 31 og med to eller flere SRFSD'er,karakterisert vedat motorene for SRFSD'ene vil være tilkoplet buntede overføringslinjer.

33. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 32, k a r a k t e r i s e r t v e d at motoren for undervanns RFSD'en vil være av den høyspente typen med isolerte kabler i statoren.

34. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1,karakterisertved at huset eller tanken vil være fylt opp med gass.

35. Anordning i henhold til et hvilket som helst av krav 1 og 15 og 27 til 34,karakterisert vedat gassen vil være inert.

36. Anordning i henhold til krav 34 eller 35,karakterisert vedoljesmurte lagre med en kjølekrets gjennom en ekstern varmeveksler.

37. Anordning i henhold til krav 36,karakterisert vedat det er minimum én pumpe for det smøremidlet drevet av motor - generator akslingen.

38. Anordning i henhold til krav 36,karakterisert vedat det er minimum én separat elektrisk pumpe for det smøremidlet.

39. Anordning i henhold til krav 34 eller 35,karakterisert vedat lagrene er magnetiske lagre.

40. Anordning i henhold til krav 39,karakterisert vedat reguleringssystemet for de magnetiske lagrene vil være plassert i en kapsel i nærheten av motor - generator huset.

41. Anordning i henhold til krav 39,karakterisert vedat reguleringssystemet for de magnetiske lagrene vil være plassert inne i motor - generator huset.

42. Anordning i henhold til krav 34 eller 35 og hvilket som helst av krav 36 til 41,karakterisert vedat trykket inne i huset kan velges fra i området av én bar og opp til det omgivende vanntrykket eller høyere.

43. Anordning i henhold til krav 34 eller 35 og hvilket som helst av krav 36 til 42,karakterisert vedat der blir gassen sirkulert gjennom en ekstern varmeveksler.

44. Anordning i henhold til krav 43,karakterisert vedat det vil være minst én vifte til å sirkulere gassen gjennom den eksterne varmeveksleren.

45. Anordning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat generatoren vil være en likestrøms generator.