Устройство для стабильной подводной передачи электропитания для приведения в действие высокоскоростных двигателей или иных подводных нагрузок
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в оборудовании для передачи электропитания к подводным нагрузкам, расположенным далеко от надводных частей платформы или от берега, требующим передачи большой мощности. Устройство для стабильной подводной передачи электропитания для приведения в действие высокоскоростных двигателей или иных подводных нагрузок, например насосы, компрессоры и системы управления, представляет собой вращающееся устройство шагового изменения частоты, конкретнее - вращающееся устройство повышения или понижения частоты; оно содержит: двигатель и генератор, функционально соединенные так, что двигатель приводит в действие генератор; по меньшей мере один сосуд, наполненный газом и/или жидкостью, в котором находится по меньшей мере что-то одно из двигателя и генератора, при этом протяженность кабеля является длинной, что означает - достаточно длинной, чтобы вызвать проблемы из-за эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров. Устройство через протяженный кабель получает на входе электропитание при достаточно низкой частоте, чтобы иметь стабильную передачу. Устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает на выходе частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей. Система для подводного повышения давления углеводородной текучей среды или другой текучей среды содержит это устройство. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил., 4 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оборудованию для подводной добычи нефти, в частности к оборудованию, расположенному далеко от сухих площадок верхнего строения платформы или далеко от берега. Конкретнее, изобретение относится к оборудованию для передачи электропитания к подводным нагрузкам, которые могут быть расположены далеко от надводных частей платформ или от берега и требуют передачи большой мощности. Упомянутые нагрузки - это, в типовом случае, двигатели насосов и компрессоров, которые требуют управления скоростью вращения посредством управления частотой электрического тока.
Настоящее изобретение решает проблемы, вызванные эффектом Ферранти и скин-эффектом, открывая тем самым возможность достижения под водой более дальних расстояний, чем были достижимы ранее.
Предпосылки создания изобретения и уровень техники
В последние десятилетия мировое потребление энергии увеличивалось экспоненциально, и конца росту этого спроса не видно. Раньше добыча ископаемого топлива происходила в основном на материковых месторождениях, но ограниченное количество нефти побудило приложить серьезные усилия к поиску и разработке морских месторождений нефти и газа. Сегодня уровень техники добычи на морских месторождениях характеризуется применением стационарных или плавучих обитаемых платформ и подсоединением подводных опорных плит и подводных скважин к этим платформам. В некоторых случаях добытый продукт транспортируется без использования платформ прямо в береговое приемное отделение. Для поддержания достаточно высоких объемов подачи продукта от подводных скважин-спутников к центральной платформе или прямо на берег может быть предусмотрено повышение давления путем использования многофазного насоса или путем сепарации с последующими перекачкой и сжатием. Насосы устанавливаются также на морском дне для прямой закачки морской воды в пласт с целью подъема давления и увеличения добычи нефти.
По сравнению с размещением на платформах у подводного размещения насосных и компрессорных станций имеется следующий ряд преимуществ:
- безопасность для персонала, которому не нужно работать и жить на платформе и который не нужно доставлять и увозить на вертолета;.
- нет опасности пожара и взрыва;
- нет опасности утечек из вертикальных труб от морского дна до платформы и от платформы до морского дна; защита от саботажа;
- экономия как капитальных, так и эксплуатационных затрат, т.е. снижение стоимости добычи нефти и газа;
- увеличение добычи, так как эффект всасывания компрессоров и насосов возникает ближе к устью скважин;
- оборудование работает в стабильных окружающих условиях, т.е. при почти постоянной низкой температуре, почти постоянной низкой скорости течения морской воды вокруг оборудования и в отсутствие волн, в то время как температура на платформах может меняться от, например, - 20°C до +30°C, а скорость ветра может достигать ураганной силы и сочетаться с чрезвычайно высокими волнами;
- холодная морская вода может быть использована для охлаждения двигателей и другого электрического и электронного оборудования и технологических текучих сред;
- нет видимого загрязнения;
- значительно меньший вес и соответственно меньше материалоемкость и энергоемкость изготовления подводной установки;
- меньший выброс двуокиси углерода, т.е. неэкологичного газа, при изготовлении оборудования вследствие меньшей его материалоемкости;
- меньший выброс двуокиси углерода в процессе эксплуатации вследствие устранения вертолетной транспортировки и эксплуатации платформы;
- меньший выброс двуокиси углерода в сравнении с платформой вследствие использования электрических двигателей для привода компрессоров и насосов и подачи электроэнергии с берега или с платформы;
- меньше потребление энергии и выброс неэкологичного газа на единицу веса добытых нефти и газа.
Недостаток подводных компрессоров на 2010 г. заключается в том, что ни один из них не был установлен и не эксплуатировался под водой, т.е. эта технология не испытана.
Однако это - лишь вопрос времени, и первая подводная компрессорная станция будет, вероятно, запущена в эксплуатацию в 2015 г. или раньше, так как мотивация для их внедрения высока.
Подводное повышение давления - это новая технология. А подводное повышение давления на значительном удалении под водой - это самая новая технология, использующая современное оборудование и сталкивающаяся с проблемами, которые еще нигде не встречались или не создавали препятствий.
Уровень техники определен в патентной публикации WO 2009/015670, предписывающей использование первого преобразователя на ближнем конце, на верхнем строении платформы или на береговом конце протяженного подводного кабеля и второго преобразователя на дальнем, подводном удаленном конце протяженного подводного кабеля. На обоих концах протяженного кабеля имеется привод с регулируемой скоростью (ПРС (VSD)). Подводные приводы с регулируемой скоростью (ПРС (VSD)) для электродвигателей называют также приводами с переменной частотой (VFD) или частотно-регулируемыми приводами (AFD), или частотными преобразователями, или просто преобразователями, и они представляют уровень техники. Ни в документе WO 2009/015670, ни в других публикациях не упоминается эффект Ферранти, а также не обсуждаются и не указываются какие-либо проблемы, связанные с подводными ПРС (VSD).
В настоящее время эксплуатируется лишь несколько подводных насосов, а подводные компрессоры не эксплуатируются. Однако подводные компрессорные станции разрабатываются, и ожидается, что первая из них должна быть установлена и введена в эксплуатацию в ближайшие годы. В настоящее время все подводные насосы и компрессоры приводятся в действие асинхронными двигателями. Удаление установленных насосов не превышает примерно 30 км от платформы или берега, и пока что достижимы глубины не более 1800 м. Известно, что в нефтяной отрасли выполняются серьезные исследования и проекты, имеющие целью установку компрессоров на удалении в диапазоне от 40 км до 150 км и на глубинах до 3000 м под уровнем моря и более.
Реально достижимая мощность двигателя составляет от приблизительно 200 кВт для малых насосов до 15 МВт для компрессоров, а в будущем могут предусматриваться даже и более мощные двигатели. Подводные двигатели, которые сегодня устанавливаются, запитываются через кабели переменного тока с места размещения источников питания, т.е. с платформы или берега, и в случае нескольких двигателей каждый двигатель имеет свой собственный кабель и частотный преобразователь (привод с регулируемой скоростью, ПРС (VSD)) на ближнем конце кабеля для управления скоростью каждого отдельного двигателя на дальнем конце кабеля, см. фиг. 1 и Таблицу 2.
В контексте данного патентного описания понятие «ближний конец» означает конец линии передачи электропитания около источника питания. В подводных применениях - это верхнее строение платформы или берег. Соответственно «дальний конец» - это другой конец линии передачи, вблизи нагрузок, в типовом случае - вблизи двигателя. «Дальний конец» не обязательно ограничен значением «высоковольтный конец» линии передачи. Значение этого термина может быть распространено на шины или концевые муфты пониженного напряжения, являющиеся частью станции на дальнем конце, например, распространено на общую подводную шину с низковольтной стороны подводного трансформатора.
Компрессоры и насосы часто эксплуатируются на максимальных скоростях в диапазоне от 4000 до 14000 об/мин и от 2000 до 5000 об/мин соответственно. Таким образом, электродвигатель привода должен иметь номинальную скорость порядка 2000-14000 об/мин, если использовать современные высокоскоростные двигатели без редуктора между двигателем и насосом или компрессором. Если взять для примера двухполюсный двигатель, такая механическая скорость соответствует диапазону электрических частот питания привода примерно от 30 до 230 Гц. Для двигателей с числом пар полюсов более двух допустима меньшая максимальная механическая скорость при тех же электрических частотах.
Фиг. 1 иллюстрирует единственное используемое на сегодняшний день решение для передачи электропитания к установленным насосам, в некоторых случаях - без трансформаторов между ПРС (VSD) и подводными двигателями; для ссылок обозначим его как «Первое решение». Это решение с одним кабелем передачи на двигатель имеет тот недостаток, что становится дорогим для большой протяженности, скажем, более 50 км, вследствие высокой стоимости кабеля.
Серьезным техническим препятствием для осуществления этого решения является тот факт, что при определенной подводной протяженности передача электропитания от источника питания на ближнем конце к удаленному двигателю на дальнем конце невозможна, так как передающая система становится электрически нестабильной и неработоспособной вследствие эффекта Ферранти, который будет описан ниже. Настоящее нововведение решает эту проблему нестабильности.
Фиг. 2 иллюстрирует решение, которое было предложено для передачи электропитания к нескольким нагрузкам на большом удалении - «Второе решение». Это решение с одним общим передающим кабелем и подводной системой распределения энергии, включающей один подводный ПРС (VSD) (привод с регулируемой скоростью) на двигатель, значительно снижает стоимость кабеля для передачи, а также снимает проблему электрической нестабильности, ограничивая частоту тока в передающем кабеле до, скажем, 50-10 Гц, и скин-эффект на таких частотах также приемлем. Частота затем повышается в ПРС (VSD) для обеспечения соответствующей скорости двигателя, соединенного с ПРС (VSD). Однако Второе решение также имеет недостатки. К ним относятся высокая стоимость ПРС (VSD), которые не доказали свою пригодность для подводного использования, и увеличение вероятности сбоев передачи электроэнергии и подводной системы распределения в силу чувствительности таких ПРС (VSD), поскольку они, в частности - их системы управления, состоят из большого числа электрических и электронных компонентов.
Далее будут описаны электрические проблемы, свойственные существующему Первому решению (фиг. 1) с одним двигателем на дальнем конце длинного кабеля и Третьему решению, проиллюстрированному на фиг. 3, с несколькими двигателями на дальнем конце общей длинной линии передачи и общим ПРС (VSD) на ближнем конце.
При большом расстоянии от источника питания до нагрузки, составляющем порядка 50 км и более, влияние подводного кабеля так сильно, что подобной системы для столь ограниченной нагрузки, как одиночный двигатель, еще не построено. Индуктивность и сопротивление линии создают большое падение напряжения от источника питания до нагрузки. Известно, что такое падение напряжения является самоусиливающимся и может привести к нулевому напряжению на дальнем конце. Чем больше величина протяженности, тем выше должно быть напряжение передачи для снижения падения напряжения вдоль линии передачи. Однако кабель обладает большой емкостью, и в длинном кабеле переменного тока проявится значительный, так называемый, эффект Ферранти. Эффект Ферранти - это известное явление, при котором емкостной зарядный ток линии или кабеля возрастает с увеличением длины линии и уровня напряжения. При удалении в 100 км зарядный ток в кабеле может быть выше, чем ток нагрузки, что делает затруднительным оправдание такой неэффективной передающей системы. Но более критическое следствие состоит в том, что напряжение внезапно возникшего холостого хода будет примерно на 50% выше, чем напряжение питания на ближнем конце. Такое высокое напряжение выведет из строя кабель, трансформатор и соединения на дальнем конце. При внезапном сбросе нагрузки напряжение на дальнем конце подскочит до этого высокого уровня. Кроме того, возникнет переходный пик величиной, например, 50%, что даст около 100% в сумме, см. Таблицу 1 ниже, где полужирным курсивом выделены значения, превышающие электрическую прочность изоляции для данного класса напряжения.
Сегодняшние системы с удалениями порядка 30 км не сталкиваются с этой проблемой, так как такое сочетание подводного удаления и электрической нагрузки еще допустимо.
Таблица 1. Повышение напряжения при отключениях нагрузки вследствие эффекта Ферранти в разных системах.
Некоторые соображения по поводу эффекта Ферранти и скин-эффекта.
Эффект Ферранти заключается в подъеме напряжения, происходящем на дальнем конце длинной линии передачи, в сравнении с напряжением на ближнем конце; такой подъем имеет место, когда линия под нагрузкой, но нагрузка очень мала или отсоединена. Причина эффекта - падение напряжения вдоль линии, когда индуктивность (вследствие зарядного тока) оказывается в фазе с напряжениями передающего конца. Поэтому ответственны за это явление как емкость, так и индуктивность. Эффект Ферранти будет тем более выражен, чем длиннее линия и чем выше приложенное напряжение. Относительное повышение напряжения пропорционально квадрату длины линии.
Вследствие высокой емкости эффект Ферранти намного сильнее выражен в подземных и подводных кабелях даже небольшой длины в сравнении с воздушными подвесными линиями передач.
Предложено выражение для расчета эффекта Ферранти в данной системе:
Vf=Vn(1+ω×C×L×I2),
где:
Vf - напряжение на дальнем конце;
Vn - напряжение на ближнем конце;
ω=2×3,14×f;
f – частота;
C - емкость линии;
L - индуктивность линии;
I - длина линии;
I2 - квадрат длины линии.
В литературе можно найти и другие формулы для расчета эффекта Ферранти, но в любом случае принимается, что эффект возрастает с частотой передачи, емкостью кабеля, длиной кабеля и напряжением.
Из вышеприведенного выражения можно заключить, что эффект Ферранти в длинной линии может быть компенсирован соответствующим понижением частоты. Это - основание для Второго решения с подводными ПРС (VSD). Частота передачи может, например, быть стандартной европейской частотой 50 Гц.
Другая выгода от низкой частоты передачи - сильное снижение скин-эффекта в передающем кабеле, т.е. лучшее использование площади поперечного сечения кабеля. На практике передача высокочастотного электрического сигнала, скажем, частотой 100 Гц или более на большие расстояния, скажем, на 100 км или более становится невозможной из-за скин-эффекта и соответствующего высокого сопротивления кабеля.
Влияние эффекта Ферранти и скин-эффекта должно, разумеется, рассчитываться в каждом конкретном случае, чтобы оценить, приемлемы они или нет для передачи на данной частоте. Существует спрос на поставку систем подводной передачи электроэнергии, которые выгодны с учетом вышеупомянутых проблем.
Чертежи
Настоящее изобретение иллюстрируется на чертежах, на которых
на фиг. 1-3 показаны варианты осуществления, известные из уровня техники, и
на фиг. 4-7 показаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается устройство для функционального соединения дальнего конца протяженного подводного кабеля и подводных нагрузок, таких как насосы, компрессоры и системы управления, отличающееся тем, что представляет собой вращающееся устройство шагового изменения частоты, конкретнее - вращающееся повышающее или понижающее устройство, и оно содержит:
двигатель и генератор, функционально соединенные так, что двигатель приводит в действие генератор,
по меньшей мере один сосуд, заполненный газом и/или жидкостью, в котором находится по меньшей мере одно из двигателя и генератора, и
протяженность кабеля является длинной, что означает - достаточно длинной, чтобы вызвать проблемы вследствие эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров, причем устройство через протяженный кабель получает на входе электропитание при достаточно низкой частоте, чтобы передача была стабильна, при этом устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей.
Устройство предпочтительно представляет собой пассивное устройство повышения частоты или понижения частоты, не включающее в себя средства активного подводного управления или регулирования на месте, и содержит: двигатель с вращающимся валом; генератор, установленный на валу двигателя или на другом валу, функционально соединенном с валом двигателя; сосуд высокого давления, в котором находятся двигатель, генератор и валы; газ и/или жидкость, наполняющие сосуд высокого давления; по меньшей мере один электрический пенетратор; и компенсатор давления, если сосуд наполнен жидкостью, чтобы уравнять давление с давлением окружающей морской воды. Понижение частоты может доходить до 0 Гц, повышение частоты может достигать рабочей частоты подключенных нагрузок.
Более предпочтительным является подводное вращающееся устройство повышения частоты, (ПВУПЧ (SRFSD)), содержащее электродвигатель, связанный с генератором для подводного размещения на дальнем конце протяженного подводного кабеля, соединенного по меньшей мере с одним источником питания на ближнем конце протяженного кабеля в сухом месте на берегу или верхнем строении платформы, при этом протяженность кабеля является длинной, что означает - достаточно длинной, чтобы вызвать проблемы вследствие эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров, причем устройство через протяженный кабель получает на входе электропитание при достаточно низкой частоте, чтобы передача была стабильна, причем устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает на выходе частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей, при этом данное устройство установлено в сосуде или корпусе высокого давления, который наполнен жидкостью или газом.
Наиболее предпочтительно устройство содержит электрический двигатель и электрический генератор, имеющие общий вал, при этом число полюсов генератора кратно числу полюсов двигателя. Альтернативно, устройство содержит одну из передач: механическую передачу, гидродинамическую или гидравлическую передачу, механическую гидродинамическую передачу или магнитную передачу.
Раньше в системах подводного повышения давления не учитывали эффект Ферранти. Поэтому для многих применений прежняя модель системы с подводным ПРС (VSD) может оказаться бесполезна, так как изоляция протяженного кабеля может быть повреждена неуправляемым высоким напряжением на дальнем конце вследствие эффекта Ферранти. Признак «пассивное повышающее или понижающее частоту электрического тока (или шаговое) устройство» применительно к некоторым вариантам осуществления означает, что устройство не регулируется и не может регулироваться на месте в процессе работы или в любое время в течение срока службы системы, это устройство является пассивным ведомым узлом, а именно - пассивным устройством повышения частоты или пассивным устройством понижения частоты в отличие от подводных ПРС (VSD). Подводный ПРС (VSD) - это очень сложный, большой и дорогой узел, в типовом случае - примерно 12 м высотой, 3 м в диаметре и весом около 200 тонн. В отличие от него пассивное устройство намного меньше и проще: в типовом случае - примерно 6 м длиной, 2-3 м в диаметре и весом около 50 тонн. По оценкам надежность такого устройства в несколько раз выше, чем подводного ПРС (VSD). Причина этого в том, что подводный ПРС (VSD) очень сложен, и даже если все компоненты - высшего качества, большое число компонентов и сложность конструкции приводят на практике к снижению надежности. Стоимость устройства или системы согласно настоящему изобретению будет значительно снижена в сравнении с известными системами, содержащими подводный ПРС (VSD). Термин «другие нагрузки» включает питание для систем управления и другие нагрузки, не обязательно связанные с повышением давления.
Рабочая частота протяженного кабеля должна рассматриваться с учетом эффекта Ферранти и электрических потерь. Ключевым элементом является изоляция. Наиболее предпочтительно размеры проводников и изоляции и выбор рабочей частоты таковы, чтобы на дальнем конце кабеля максимально проявляющийся в процессе работы эффект Ферранти увеличивал напряжение как раз в меру электрических потерь, тогда предотвращается перенапряжение из-за эффекта Ферранти на дальнем конце и конструкция кабеля упрощается. Предполагается, что сведений, содержащихся в этом документе, в сочетании с инженерным опытом должно быть достаточно для надлежащего проектирования протяженного кабеля, включая выбор рабочей частоты: в каждом случае будет найдено свое решение. Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению выполнено с возможностью преобразования рабочей частоты протяженного кабеля в рабочую частоту подводных нагрузок, т.е. подводных компрессоров или насосов - или, конкретнее, двигателей подводных компрессоров или насосов.
Дальнейшие варианты осуществления и признаки раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки, раскрытые или проиллюстрированные в настоящем документе, могут быть включены в устройство согласно настоящему изобретению в любом функциональном сочетании, и каждое такое сочетание является вариантом осуществления настоящего изобретения. Таковыми являются сочетания, основанные на том, что здесь раскрыто или проиллюстрировано, или сочетания, которые будут очевидными для специалистов после внимательного изучения настоящего документа.
Входная и выходная электрические частоты устройства различны. Для пассивных устройств это различие определяется постоянным соотношением. Входная частота, т.е. рабочая частота протяженного кабеля, находится в диапазоне 0,1-150 Гц, например, 2-60 Гц, или 4-50 Гц, или 5-40 Гц, в то время как выходная частота находится в диапазоне 0,1-350 Гц, например 30-300 Гц, 50-250 Гц или 50-200 Гц. Выходная частота может также равняться 0, т.е. ток может быть постоянным при использовании генератора постоянного тока в двигатель-генераторном агрегате. Подводное устройство может размещаться в одном или нескольких корпусах, в виде одного или нескольких элементов, но все части устройства должны выдерживать без отказов жесткие условия подводной среды. Настоящее изобретение значительно повышает экономическую эффективность и надежность при длительной работе указанного устройства и связанных систем в сравнении с тем, что достижимо сегодня, например, при использовании подводных твердотельных приводов с регулируемой скоростью.
В изобретении также предлагается подводная система для повышения давления углеводородной текучей среды или другой текучей среды, содержащая:
подводный протяженный кабель, соединенный на ближнем конце с источником переменного тока, при этом протяженность подводного кабеля слишком длинная для стабильной работы при частоте и уровне мощности, подходящих для оборудования подводного повышения давления, и
подводные двигатели для насосов или компрессоров, функционально соединенные с дальним концом подводного протяженного кабеля,
отличающаяся тем, что данная система дополнительно содержит: вращающееся двигатель-генераторное устройство повышения частоты, расположенное между подводным протяженным кабелем и подводными насосами или компрессорами.
Предпочтительно данное устройство в системе не имеет средств для активного подводного управления или регулирования на месте и содержит:
генератор, расположенный на валу двигателя,
сосуд, в котором расположены двигатель, генератор и вал,
жидкость, наполняющую сосуд,
компенсатор давления, и
по меньшей мере один электрический пенетратор.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает применение устройства подводного вращающегося шагового преобразователя согласно изобретению для преобразования параметров электропитания подводного протяженного кабеля в параметры электропитания, подходящие для работы подключенного подводного оборудования; систему с по меньшей мере одним подводным шаговым устройством согласно настоящему изобретению, расположенным на дальнем конце подводного протяженного кабеля, и способ эксплуатации указанной системы посредством регулировочных настроек только узлов системы, расположенных на сухом верхнем строении платформы или на берегу, например, ПРС (VSD) на верхнем строении платформы. Любой из объектов изобретения: устройство, система, способ или применение согласно настоящему изобретению - может содержать любые раскрытые или проиллюстрированные в настоящем документе признаки или шаги в любом функциональном сочетании, причем каждое такое функциональное сочетание является вариантом осуществления настоящего изобретения.
Описание примера осуществления изобретения с повышением частоты для приведения в действие двигателей переменного тока
Один из вариантов осуществления настоящего изобретения, представляющий Четвертое решение, показан на фиг. 4 и 5. Главный признак этого варианта осуществления - это введение подводного устройства повышения или понижения частоты; в проиллюстрированном варианте осуществления - устройства повышения частоты, УПЧ (FSD), расположенного под водой на дальнем конце передающего кабеля и на коротком расстоянии от двигателей, которые приводят в действие компрессоры и насосы. «Короткое расстояние» означает в данном контексте: достаточно близко для того, чтобы сохранять приемлемым падение напряжения на активном сопротивлении и тем самым потери энергии на участке от генератора/УПЧ (FSD) до двигателей, а также означает достаточно короткое для того, чтобы избежать проблем, вызванных эффектом Ферранти и нестабильностью. Важно отметить, что подводные УПЧ (FSD) непрямо управляют частотой для соответствия рабочей скорости двигателей, имея местную систему управления, регулирующую скорость соответственно потребностям. Изменение скорости соответственно потребностям установившегося производственного процесса, пуска и останова, а также линейное снижение и повышение скорости производится расположенным на ближнем конце надводным (на верхнем строении платформы или на берегу) ПРС (VSD) или другими средствами, удаленными от подводных УПЧ (FSD). УПЧ (FSD), являясь просто ведомыми узлами ПРС (VSD), предназначены только для повышения частоты передачи, заданной ПРС (VSD), с некоторым коэффициентом умножения.
Такое повышение легче всего получается, когда вал подводного электродвигателя соединен с подводным электрическим генератором, и обе машины работают с одной и той же скоростью, т.е. с помощью подводного вращающегося УПЧ, (ВУПЧ (RFSD)). Может быть использован любой тип соединения (например, шарнирное, жесткое, общим валом двигателя и генератора, гидравлическое, гидродинамической муфтой), обеспечивающего одну и ту же скорость двигателя и генератора. Двигатель предпочтительно должен иметь 2 полюса для того, чтобы поддерживать частоту передачи как можно более низкой, в то время как число полюсов генератора выбирается соответственно потребности повышения частоты от частоты передачи; последняя достаточно низка, чтобы не создавать вышеуказанных проблем, вызванных эффектом Ферранти, нестабильностью и высоким сопротивлением из-за скин-эффекта - с соответствующим неприемлемым падением напряжения, т.е. лежит в пределах «беспроблемного частотного диапазона».
При 2-полюсном двигателе и 4-полюсном генераторе коэффициент повышения будет 2:1, 6-полюсный генератор даст коэффициент 3:1, 8-полюсный генератор - 4:1 и т.д. в зависимости от числа полюсов генератора. Это означает, что если частота, выдаваемая надводным ПРС (VSD), составляет порядка 50 Гц, то подводная частота, выдаваемая подводным ВУПЧ (RFSD), будет порядка 100 Гц, соответственно скорости вращения 2-полюсного двигателя от 6000 об/мин. Если использовать 8-полюсный генератор, соответствующая повышенная частота будет порядка 200 Гц, а скорость 2-полюсного двигателя - 12000 об/мин. Эти примеры ясно показывают, что изобретение может обеспечить подачу любой требуемой частоты для реальных значений скоростей двигателей при правильном сочетании чисел полюсов двигателя и генератора подводных ВУПЧ (RFSD), причем на беспроблемной частоте передачи.
В общем случае коэффициент повышения может быть выражен так:
fs-u=n×ft, где
ft - частота передачи, Гц,
fs-u - повышенная частота = входная частота для двигателей, Гц,
n - множитель 2, 3, 4 и т.д. в зависимости от числа полюсов генератора в сравнении с двигателем.
Беспроблемный частотный диапазон должен рассчитываться в каждом конкретном случае. Для расстояний протяжением до, скажем, 150 км частота передачи до, скажем, 75 Гц может быть в пределах беспроблемного частотного диапазона, и она даст скорость 2-полюсного компрессорного двигателя, равную 2×75×60=9000 об/мин, если коэффициент повышения 2:1 (2-полюсный двигатель и 4-полюсный генератор). Если будет определено, что частота 75 Гц слишком высока для беспроблемной работы, то может быть применен коэффициент повышения 3:1 (2-полюсный двигатель и 6-полюсный генератор), который в данном примере снизит максимальную частоту передачи до 50 Гц. Частота передачи не остается постоянной в течение всего времени разработки нефтяного или газового месторождения, она должна повышаться со временем по мере падения давления в устьях скважин. В определенном случае частота передачи на ближнем конце может быть 33.3 Гц в начале и 50 Гц в конце разработки, что соответствует скоростям 2-полюсного компрессорного двигателя на дальнем конце в диапазоне от 6000 до 9000 об/мин.
При правильном выборе коэффициента повышения посредством выбора числа полюсов двигателя и генератора, вероятно, будет возможно беспроблемно подавать переменный ток на подводные двигатели на расстояние от ближнего конца до дальнего конца (протяженность) в 300 км и более.
Использование 2-полюсного двигателя предпочтительно для того, чтобы поддерживать частоту передачи как можно более низкой. Если требуется учесть другие параметры, например крутящий момент и мощность, должно быть предпочтительным использование двигателя с увеличенным числом полюсов; и в этом случае возможно получить желаемое повышение соответственным выбором числа полюсов генератора, так, например, 4-полюсный двигатель и 12-полюсный генератор дают коэффициент повышения 3:1.
Преимущество использования низкой частоты и 4-полюсного двигателя состоит в том, что скорость двигателя и генератора будет низкой, и такими же будут соответствующие потери на трение в двигателе. Это открывает возможность использования маслонаполненного двигателя и генератора, расположенных в общем прочном корпусе.
Если, например, частота передачи составляет 25 Гц и использован 4-полюсный двигатель, то скорость вращения будет только 750 об/мин, что обеспечит низкие потери на трение. Чтобы достичь частоты 150 Гц, генератор должен быть 24-полюсным. При изменении частоты передачи от 18 до 28 Гц выходная частота генератора будет меняться в диапазоне от 108 до 168 Гц и даст скорость двигателя (2-полюсного) от 6480 до 10080 об/мин, что может быть приемлемо для компрессорного двигателя.
Поэтому при выборе диапазона изменения частоты передачи и соответственно необходимого коэффициента повышения следует предусматривать достаточно низкую частоту, чтобы, ослабляя эффект Ферранти и скин-эффект, обеспечить стабильную для данного удаления передачу, в сочетании с соответствующим числом полюсов и крутящим моментом двигателя и генератора. Кроме того, если предпочтение отдается маслонаполненным двигателю и генератору, скорость должна быть ограничена некоторым пределом для того, чтобы избежать слишком высоких потерь на трение; в типовом случае может быть предпочтительна скорость от 750 до 1500 об/мин, т.е. передача 25 Гц, чтобы получить 750 Гц при 4-полюсном двигателе и 1500 об/мин при 2-полюсном двигателе.
Ниже в качестве примера приведена таблица, в которой указана результирующая скорость подводного компрессорного привода (двигателя) с 2 полюсами при использовании двигатель-генераторного агрегата с 4-полюсным двигателем и 12-полюсным генератором:
Таблица показывает, что частоты передачи в диапазоне до 50 Гц составляют наиболее актуальный скоростной диапазон для компрессоров.
Аналогичная таблица приведена ниже для компрессорного привода с 2 полюсами, 6-полюсного двигателя для двигатель-генераторного агрегата и 24-полюсного генератора:
В этом случае достаточно частот передачи до 40 Гц.
Приведенные выше таблицы ясно показывают, что частота передачи может сохраняться низкой для того, чтобы избежать проблем, вызванных эффектом Ферранти и скин-эффектом.
Выбор компрессорного узла - это также фактор, расширяющий возможности выбора 10 частоты передачи и коэффициента повышения частоты, т.е. этот узел может быть в разумных пределах выбран для соответствия fs-u, определяемой оптимальной передающей системой.
В принципе, подводное ВУПЧ (RFSD) - очень простое устройство, и системы управления для него не требуется, так как повышенная частота будет получаться автоматически и определяться соотношением числа полюсов генератора и числа полюсов двигателя ВУПЧ (RFSD).
Другое преимущество подводного вращающегося устройства повышения частоты состоит в том, что выходные ток и напряжение будут иметь практически идеально синусоидальную форму колебания, которая выгодна для двигателей, т.к. не требуется сглаживающего электрического фильтра для ее получения.
Кроме того, подводное ВУПЧ (ПВУПЧ (SRFSD)) повышает индуктивность передающей системы, которая из-за кабеля обладает избыточной емкостью, и поэтому ПВУПЧ (SRFSD) снижает потребность в фазовой компенсации на ближнем конце.
В ПВУПЧ (SRFSD) будут некоторые потери энергии, скажем, 5%, но в подводном ПРС (VSD) также будут потери, правда, возможно, меньшие.
Разумеется, должно быть выбрано такое ПВУПЧ (SRFSD), у которого выходная мощность генератора на данной частоте соответствует потребности подключенного двигателя (двигателей). Если, например, 2-полюсный компрессорный двигатель выдает 10 МВт при 10000 об/мин, то выходная мощность генератора должна быть соответствующей, плюс немного сверх того для покрытия потерь на частоте 167 Гц. Двигатель ПВУПЧ (SRFSD) должен соответственно выдавать мощность на валу 10 МВт, плюс немного сверх того для покрытия потерь.
Другим средством, кроме разного числа полюсов двигателя и генератора в двигатель-генераторном агрегате, может быть включение между двигателем и генератором постоянной повышающей передачи, например 3:1. Если частота передачи, например, составляет 50 Гц, а 4-полюсный двигатель имеет скорость 1500 об/мин, то скорость генератора будет 4500 об/мин с выходной частотой 150 Гц, что обеспечит 2-полюсному компрессорному приводу скорость 9000 об/мин. Сочетание постоянной повышающей передачи и числа полюсов генератора может также быть использовано для снижения числа полюсов, если это предпочтительно. Если, например, повышающая передача с передаточным числом 2:1 введена между 4-полюсным двигателем и 8-полюсным генератором, то скорость двигателя при 50 Гц составит 1500 об/мин, скорость генератора составит 3000 об/мин, его выходная частота - 200 Гц и скорость привода - 112000 об/мин. Имея ПРС (VSD) на ближнем конце, скорость привода можно регулировать на соответствующие значения подстройкой частоты передачи в диапазоне до 50 Гц.
В некоторых случаях можно сохранять постоянную частоту передачи и тем самым постоянную выходную частоту генератора, а следовательно, постоянную скорость подключенного двигателя, например двигателя компрессора, многофазного или однофазного двигателя насоса. Если двигатель приводит в действие компрессор, то скорость компрессора может сохраняться постоянной, например 9000 об/мин, а соответствующие производительность и коэффициент давления компрессора, которые будут меняться со временем, могут регулироваться перегруппированием и некоторой рециркуляцией. Это даст самую простую систему в целом с минимальными капзатратами, но с несколько более высокими потерями энергии из-за периодов с рециркуляцией на компрессоре. Может также потребоваться более частое перегруппирование компрессора по сравнению с системой переменной частоты. Оптимальные параметры передачи и компрессорной системы должны рассчитываться в каждом конкретном случае для создания оптимальной конструкции системы.
Конструкция подводного ВУПЧ (RFSD)
Маслонаполненный прочный корпус
Двигатель и генератор собираются в общем прочном корпусе с соответствующим числом фланцев с уплотнениями. Кроме того, имеется несколько опций для практической реализации конструкции, которые перечислены ниже.
Двигатель-генератор с соответствующим числом подшипников.
Скорость вращения двигателя-генератора достаточно низка для того, чтобы потери на трение оставались приемлемыми, и общий прочный корпус наполняется соответствующей жидкостью, например маслом, которое смазывает подшипники, а также охлаждает двигатель и генератор, причем свойства выбранного масла предпочтительно должны быть такими, чтобы оно служило электрическим изолятором.
Вместо масла корпус может быть водонаполненным и наполняться водой или смесью воды с антифризом, например МЭГ (MEG), что требует полной электрической изоляции обмоток двигателя и генератора.
Давление внутри корпуса может свободно выбираться за счет неполного его заполнения жидкостью и наличия какого-то объема газа при некотором давлении.
Предпочтительно наполнять корпус жидкостью и иметь устройство выравнивания давления между окружающей морской водой и жидкостью внутри прочного корпуса.
Это обеспечит минимальную толщину прочного корпуса, а также снизит нагрузки и требования к фланцам и уплотнениям.
Если прямое охлаждение двигателя-генератора отводом тепла сквозь прочный корпус в море слишком слабо, то должен быть добавлен контур внешнего охлаждения теплообменом с окружающей морской водой.
Насос для контура охлаждения предпочтительно может быть соединен с валом двигателя-генератора или может быть отдельным насосом с электрическим двигателем.
Если имеются магнитные подшипники для работы в жидкости, это может быть опцией к выбору подшипников с жидкой смазкой. Подробности приведены ниже в описании газонаполненного корпуса.
Газонаполненный корпус
Прочный корпус может быть наполнен инертным газом, например сухим азотом или сухим воздухом. Это дает преимущество меньших потерь на трение, чем в маслонаполненных корпусах, что позволяет повысить скорость двигателя-генератора. Кроме того, практическая реализация может включать в себя следующее.
Подшипники с жидкой смазкой (например, маслом, водой или водой/МЭГ (MEG)) и контур циркуляции сквозь внешний теплообменник или только внутри корпуса.
Минимум один насос для смазки с приводом от вала двигателя-генератора - либо отдельный электрический насос.
При необходимости добавляется контур охлаждения газа в составе минимум одного вентилятора для прогона газа сквозь внешний теплообменник или только внутри корпуса.
В качестве альтернативы подшипникам с жидкой смазкой могут быть использованы магнитные подшипники. Параметры системы охлаждения для газа должны в этом случае обеспечивать также охлаждение магнитных подшипников.
Должна быть добавлена система управления для магнитных подшипников, расположенная вблизи корпуса двигателя-генератора или внутри корпуса. Если система управления расположена в приставке вне корпуса двигателя-генератора, то нужны пенетраторы сквозь стенку корпуса, а также провода для питания и передачи сигналов связи системы управления и магнитных подшипников. Если система управления располагается в приставке, то приставка может быть выполнена с возможностью ее независимого извлечения или без таковой.
Давление внутри корпуса может быть выбрано в диапазоне от порядка одного бара и до равного давлению окружающей воды или выше. Преимущество низкого давления заключается в низком трении и низких потерях. Преимущество высокого давления состоит в том, что теплоемкость газа возрастает с повышением давления и поэтому обеспечивает лучшее охлаждение. Еще одно преимущество высокого давления заключается также в снижении требований к толщине стенок и меньшей нагрузке на фланцы и уплотнения. Если давление выбирается близким к давлению окружающей морской воды, то результирующие требования к прочному корпусу, фланцам и уплотнениям будут аналогичны требованиям к сосуду, наполняемому жидкостью с выравниванием давления.
Подводный вращающийся ПРС (VSD)
Выше упоминалось использование гидравлической или гидродинамической муфты между двигателем и генератором в двигатель-генераторном агрегате. Такое соединение имеет преимущество «плавного пуска», т.е. генератор нагружает двигатель не мгновенно, а с линейным ростом в течение некоторого времени, так что удается избежать сильного пускового броска тока. Использование такого соединения может быть далее развито до регулируемого соединения, так что скорость генератора может регулироваться относительно постоянной скорости двигателя. Таким образом, двигатель-генераторный агрегат может быть использован как подводный привод с регулируемой скоростью, т.е. подводный вращающийся привод с регулируемой скоростью, (ВПРС (RVSD)), и можно обойтись без ПРС (VSD) на верхнем строении платформы.
Вместо гидродинамической муфты может быть использована механическая передача для повышения и понижения скорости генератора и тем самым его выходной частоты.
Если используется регулируемое соединение какого-то вида (гидродинамическое или механическое), то система управления для этого регулируемого соединения может размещаться в отдельной приставке вне подводного ВПРС (RVSD) или предпочтительно она может быть надводного расположения и предпочтительно быть соединенной с общей системой или встроенной в общую систему управления подводной насосной станции, компрессорной станции или подводной технологической установки, или другой системы, оснащенной подводными двигателями с регулируемой скоростью.
Некоторые соображения
Один важный момент в настоящем изобретении заключается в том, что, хотя в типовом случае на ближнем конце используется ПРС (VSD), возможность быстрого регулирования частоты нагрузок двигателя не важна. Скорость двигателя медленно регулируется в течение ряда лет по мере разработки месторождения и постепенного падения пластового давления, вследствие чего требуется повышать мощность, т.е. скорость двигателя. Это позволяет, например, постепенно замедлять работающие двигатели, чтобы подключить еще один двигатель. Альтернативно, неиспользуемый двигатель может быть подключен непосредственно к нагрузке, если расчеты покажут, что это приемлемо с учетом пиковых токов или других возмущений системы передачи электроэнергии. В зависимости от числа уже работающих двигателей может быть выгодным постепенное снижение частоты перед прямым пуском от сети (DOL-пуском). При необходимости питание в момент пуска дополнительного двигателя может быть отключено, а затем производится пуск и одновременное увеличение скорости всех двигателей. В компрессорной станции другой вариант выбора состоит в переводе всех насосов и компрессоров на рециркуляцию перед запуском компрессора или насоса, который был остановлен; затем запускается остановленный блок, и когда он достигает желаемой скорости, все подключенные компрессоры и насосы переводятся в рабочий режим.
Вышеупомянутые устройства и способы позволяют справиться с эффектом Ферранти и скин-эффектом и тем самым значительно увеличить расстояние стабильной подводной высоковольтной передачи электроэнергии.
Таким образом, максимальное практически достижимое удаление может быть очень значительно увеличено без введения подводных ПРС (VSD) с местным подводным управлением частотой. На фиг. 4 и 5 повышающие устройства не содержат местную систему управления, которая изменяет частоту и тем самым скорость двигателей соответственно добыче, не управляют прямо снижением частоты для подключения двигателей, которые были остановлены, и не управляют прямо повышением частоты для получения штатной скорости двигателей, соответствующей добыче.
Если ВУПЧ (RFSD) содержит подшипники, смазываемые маслом, то не требуется никакой системы управления блоком, и, возможно, контрольные измерения могут быть ограничены мониторингом, например, вибраций и температуры, если это будет сочтено полезным.
Как отмечено в разделе: «Уровень техники», типовая скорость компрессоров может быть в диапазоне от, например, 4000 до 14000 об/мин, а насосов - от, например, 2000 до 5000 об/мин. Если двигатели компрессоров и насосов в компрессорной станции согласно настоящему изобретению (Четвертое и Пятое решения) запитывать с одной и той же частотой через общий передающий кабель, то скорость насосов легко может регулироваться до желаемой величины, равной половине скорости компрессоров, путем использования четырехполюсных двигателей или двигателей с большим числом полюсов для насосов и двухполюсных двигателей для компрессоров. Если в компрессорной станции для управления уровнем жидкости сепаратора используются насосы, то соответствующий регулируемый полезный расход подачи насоса может быть, установлен посредством рециркуляции и оснащения установки регуляторами расхода.
Таким образом, имеются следующие опции управления скоростью насосов:
специальное подводное УПЧ (FSD) для каждого двигателя насоса; одно общее УПЧ (FSD) для нескольких двигателей насосов;
эксплуатация двигателей насосов на той же частоте, что и компрессоров, но при удвоенном числе полюсов, что дает сниженную вдвое скорость вращения;
эксплуатация насосов на частоте передачи с одновременным повышением частоты питания компрессоров.
В общем случае нескольких подводных УПЧ (FSD) их число может быть от одного на двигатель до одного большого общего блока для всех двигателей, или некоторый промежуточный вариант, например: одно УПЧ (FSD) для большого компрессорного двигателя и один общий блок для весьма малых двигателей насосов, или, как отмечалось выше, вообще без УПЧ (FSD) для двигателей насосов.
Некоторые предлагаемые сочетания надводных ПРС (VSD), нескольких подводных приводов и нескольких 3-фазных линий передач
3-фазная линия передач состоит из трех отдельных кабелей, которые изолированы и собраны в пучок. Для длинной подводной линии передачи с более чем одним двигателем, например с двумя компрессорами, современные технологии позволяют собирать в пучок линии передачи для двух двигателей, т.е. шесть кабелей в пучке. Это снижает стоимость прокладки линий и имеет то преимущество, что позволяет по отдельности управлять частотой двух двигателей на дальнем конце двух линий, которые собраны в пучок. При этом имеется одно повышающее устройство на двигатель. Такое устройство показано на фиг. 7. В этом случае двигатель является высоковольтным, напряжение передачи может быть, например, 100 кВ, и подводных трансформаторов не требуется. В такой схеме автоматический выключатель должен ставиться после генератора, где напряжение является приемлемым, так как подводных автоматических выключателей для очень высоких напряжений типа 100 кВ сегодня не существует.
Другой вариант, позволяющий уменьшить инвестиции, представлен на фиг. 4 и содержит плавный гидравлический пускатель между двигателем Μ и генератором G, так что двигатели М1-М4 могут запускаться по отдельности без неприемлемых пусковых токов. Все двигатели работают на одной и той же скорости, что не составляет проблемы для одинаковых машин, например компрессоров.
Менее сложной является компоновка на фиг. 4 без плавного пускателя. В этом случае необходимо запускать все компрессоры одновременно, и это несколько неудобно, но не может считаться проблемой, так как число запусков в год ограниченно.
В Таблице 2 поясняются значения номеров позиций на чертежах.
Подробное описание
Обратимся к фиг. 4, иллюстрирующей конкретный вариант осуществления настоящего изобретения. Узел 1 соединен с источником электропитания; источник - это местная электрическая сеть или, например, местная генерирующая система. ПРС (VSD) 3 соединен с источником питания. Между ними часто включается трансформатор 2 для регулировки напряжения, подаваемого на вход ПРС (VSD), например, для понижения с 13,8 кВ напряжения платформы до номинального напряжения ПРС (VSD), например, 6 кВ. Трансформатор может быть составной частью ПРС (VSD), как предлагается некоторыми поставщиками. Обычно для подключения ПРС (VSD) 3 к высоковольтный линии передачи 5, которая в примере подводного применения представляет собой кабель, требуется повышающий трансформатор 4. Типовое напряжение, подаваемое на кабель, может составлять, например, приблизительно 120 кВ. Кабель проложен в море и идет от ближнего конца 8 до подводного дальнего конца 9; кабель имеет любую рабочую длину, от величины, при которой эффект Ферранти только начинает проявляться, до величины, при которой он значительно превосходит эффект тока нагрузки. Дальность такой передачи может составлять от приблизительно 20 км до 100 км и, возможно, больше в зависимости от расположения и свойств подводных нагрузок. На дальнем конце 9 кабеля находится подводный трансформатор 6, понижающий напряжение до, например, 20 кВ, подходящих для автоматических выключателей 7, 7', 7”, 7''', за которыми следуют трансформаторы 13, 13', 13”, 13''', понижающие напряжение до, например, 6 кВ, подходящих для двигателей подводных ВУПЧ (RFSD) или до рабочего напряжения ПУПЧ (SFSD) - это напряжение подходит также для двигателей М1, М2, М3, М4. Показаны четыре подводных двигателя; в их число могут входить, например, два компрессорных двигателя М1, Μ2 и два насосных двигателя М3, М4.
Понижающие трансформаторы, в принципе, опциональны, так как понижающий трансформатор 6 (см. фиг. 4 и 5) может непосредственно понижать напряжение до приемлемого для подводных УПЧ (FSD), как показано на фиг. 5. Введение трансформаторов 13, 13', 13”, и 13''' - это вопрос оптимизации дальнего конца системы распределения энергии.
Подводные ВУПЧ (RFSD) на фиг.4 и 5 повышают частоту передачи с нужным коэффициентом повышения посредством выбора числа полюсов двигателя Μ и генератора G.
Следует подчеркнуть, что ключевыми компонентами систем передачи электроэнергии на фиг. 4 и 5 являются источник питания 1, привод с регулируемой скоростью ПРС (VSD) 3, передающий кабель 5 и двигатель-генераторный агрегат M-G. Прочие компоненты, т.е. повышающие и понижающие трансформаторы, 2, 4, 6, и 14, 13', 13”, 13''', а также автоматические выключатели 15, 7, 7', 7”, 7''' вводятся соответственно потребностям в каждом конкретном случае.
Если, например, двигатель Μ двигатель-генераторного агрегата относится к типу машин с изолированными кабелями в статоре, то такой двигатель может работать при намного более высоких напряжениях, чем двигатели с обычными обмотками. Следовательно, понижающие трансформаторы 4, 6 и 13 могут стать излишними. Если к тому же двигатели М1-М4 работают на постоянной скорости, обеспечиваемой повышающими устройствами, то можно обойтись без ПРС (VSD) 3.
Другое преимущество высоковольтных подводных двигателей с изолированными кабелями статора состоит в том, что эти двигатели требуют меньшего тока (силы тока) через пенетраторы, проходящие сквозь корпус двигателя, чем двигатели обычного напряжения порядка 6 кВ. Это позволит применять двигатели большей мощности, чем сейчас, когда максимально допустимы примерно 12 МВт из-за ограничений по предельному току (силе тока).
Стоимость длинных подводных кабелей и подводных ПРС (VSD) высока, а подводные ПРС (VSD) на фиг. 2 не только дороги, но еще и снижают надежность системы. Поэтому один общий передающий кабель дает значительную экономию вложений в сравнении с решением, представленным на фиг. 1.
Следует отметить, что хотя один общий передающий кабель выгоден с точки зрения стоимости, но не представляет никаких технических проблем наличие передающего кабеля для каждого подводного УПЧ (FSD). Это может быть оптимальным решением для протяженности средней длины, скажем, от 35 до 75 км, т.е. до расстояний, на которых стоимость кабеля становится ограничителем. Наличие одного ПРС (VSD) на передающий кабель, т.е. одного ПРС (VSD) на подводный двигатель, позволяет управлять скоростью каждого двигателя в отдельности.
Краткое описание подводного повышающего устройства согласно настоящему изобретению.
Высоковольтная передача больших мощностей электроэнергии под водой на высокой частоте, скажем, более 100 Гц, на большие расстояния, скажем, более 40 км, с целью обеспечения работы высокоскоростных двигателей подводных насосов и компрессоров проблематична или даже невозможна. Это является следствием эффекта Ферранти, который может создавать перенапряжение и нестабильность в передающей системе, а также скин-эффекта, который создает высокое омическое сопротивление и, следовательно, высокие потери напряжения и мощности.
Подводные приводы с регулируемой скоростью, для которых частота передачи может быть низкой, например 50 Гц, представляют решение этой проблемы. Однако они громоздки и оснащены большим количеством чувствительных и хрупких электрических и электронных компонентов и системой управления, что не только делает их дорогими, но и заставляет предполагать частые сбои.
В настоящем изобретении предлагается решение этой проблемы путем использования надводного ПРС (VSD) с системой управления (на платформе или на берегу) и, далее, одного или нескольких простых вращающихся подводных устройств повышения частоты возле подводных двигателей. Эти устройства предпочтительно не управляют непосредственно частотой тока питания двигателей, единственная функция этих устройств состоит в повышении частоты передачи, которая является регулируемой и введением соответствующего коэффициента устанавливается на частоту, нужную для двигателей. В случае вращающихся подводных устройств повышения частоты результирующий коэффициент повышения образуется отношением числа полюсов генератора и двигателя устройства. Так, например, коэффициент будет 2, если генератор 4-полюсный, а двигатель 2-полюсный.
Как было указано выше, предпочтительно функция ПВУПЧ (SRFSD) - это только повышение частоты передачи, и изменение выходной частоты определяется расположенным на ближнем конце надводным ПРС (VSD). Исключение составляет схема без ПРС (VSD) или аналогичного устройства управления на ближнем конце. В таких случаях выходная частота генератора ПВУПЧ (SRFSD) может быть постоянной или изменяться в некоторых пределах посредством введения какого-то регулируемого соединения или передачи (например, механической, газодинамической или гидравлической передачи, механической газодинамической передачи или магнитной передачи) между двигателем и генератором ПВУПЧ (SRFSD).
Вращающиеся подводные повышающие устройства увеличивают индуктивность передающей системы и поэтому выгодны, так как противодействуют большой емкости кабеля, благодаря чему возможно уменьшение системы компенсации на ближнем конце.
1. Устройство для функционального соединения дальнего конца подводного протяженного кабеля и подводных нагрузок, таких как насосы, компрессоры и системы управления, отличающееся тем, что данное устройство представляет собой вращающееся устройство шагового изменения частоты, конкретнее - вращающееся повышающее или понижающее устройство, и оно содержит:
двигатель и генератор, функционально соединенные так, чтобы двигатель приводил в действие генератор,
по меньшей мере один сосуд, заполненный газом и/или жидкостью, в котором находится по меньшей мере один объект: двигатель или генератор, при этом
протяженность кабеля является большой, что означает, что он достаточно длинный, чтобы вызвать проблемы из-за эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров, причем устройство по протяженному кабелю получает на входе электропитание при низкой частоте, чтобы передача была стабильной, при этом устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает на выходе частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
двигатель содержит вал, на котором находится указанный генератор,
причем двигатель, генератор и вал находятся в указанном по меньшей мере одном сосуде, наполненном жидкостью,
и тем, что устройство дополнительно содержит
компенсатор давления и
по меньшей мере один электрический пенетратор.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что данное устройство содержит электрический двигатель и электрический генератор, имеющие общий вал, причем число полюсов генератора кратно числу полюсов двигателя, при этом число полюсов двигателя и генератора выбрано так, чтобы достичь требуемого повышения частоты.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что данное пассивное устройство шагового изменения частоты электрического тока содержит одно из следующего: механическая передача, гидродинамическая или гидравлическая передача, механическая гидродинамическая передача или магнитная передача.
5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вал содержит гидравлическую или гидродинамическую муфту.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что муфта представляет собой плавный пускатель.
7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что на ближнем конце подводного протяженного кабеля подключен привод с регулируемой скоростью (ПРС (VSD)) для регулирования частоты низкочастотной передачи и тем самым для регулирования выходной частоты генератора путем ее повышения и понижения для обеспечения требуемой скорости подключенного двигателя или двигателей.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что частота передачи от источника питания на указанном ближнем конце постоянна.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус заполнен жидкостью, предпочтительно маслом или смесью воды с антифризом, и имеет устройство для выравнивания давления между окружающей морской водой и жидкостью внутри корпуса.
10. Устройство по любому из пп. 1-6 и с двумя или более подводными устройствами повышения частоты (ПВУПЧ (SRFSD)), отличающееся тем, что двигатели этих ПВУПЧ (SRFSD) соединены с собранными в пучки линиями передачи.
11. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что двигатель подводного вращающегося устройства повышения частоты (ПВУПЧ (RFSD)) является двигателем высоковольтного типа с изолированными кабелями в статоре.
12. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором корпус заполнен газом, отличающееся тем, что давление внутри корпуса выбрано в диапазоне от порядка одного бара до равного давлению окружающей воды или более высокого.
13. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что генератор является генератором постоянного тока.
14. Система для повышения давления углеводородной текучей среды или другой подводной текучей среды, содержащая:
подводный протяженный кабель, присоединенный на ближнем конце к источнику переменного тока, причем протяженность подводного протяженного кабеля слишком большая для стабильной работы при частоте и уровне мощности, подходящих для оборудования подводного повышения давления, что означает, что подводный протяженный кабель достаточно длинный, чтобы вызвать проблемы из-за эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров,
подводные двигатели для насосов или компрессоров, функционально присоединенные к дальнему концу подводного протяженного кабеля,
отличающаяся тем, что система дополнительно содержит: вращающееся двигатель-генераторное устройство повышения частоты, предусмотренное между подводным протяженным кабелем и подводными насосами или компрессорами.
15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что данное устройство содержит:
генератор, расположенный на валу двигателя,
сосуд, в котором расположены двигатель, генератор и вал,
жидкость, наполняющую сосуд,
компенсатор давления и
по меньшей мере один электрический пенетратор.
