DRIVENHET OVER VANNFLATEN MED VARIABEL HASTIGHET FOR STORE PUMPER OG KOMPRESSORER.

Transkript

1 DRIVENHET OVER VANNFLATEN MED VARIABEL HASTIGHET FOR STORE PUMPER OG KOMPRESSORER. Oppfinnelsens område Foreliggende oppfinnelse vedrører trykkforsterkning av væsker som olje, kondensat og vann, flerfasefluid eller gasser, ved bruk av en pumpe eller kompressor plassert over vannoverflaten. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en drivenhet med variabel hastighet for store pumper eller kompressorer ved plassering over vannoverflaten, hvilket er tørre plasseringer så som ubemannede plattformer. Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stand En drivenhet med variabel hastighet kan variere hastigheten til tilkoblede pumper og kompressorer trinnløst, i motsetning til trinnvis, hvilket erholdes med et drivenhet med variabel hastighet. En drivenhet med variabel hastighet, en VSD (variable speed drive), har fordeler av mange årsaker, typisk vedrørende bedre tilpasning til prosessbetingelser, energibesparelse, jevnere drift, og resulterende fordeler for mekanisk utstyr og så videre. Et typisk drivenhet med variabel hastighet for en pumpe eller kompressor er en elektrisk kontrollinnretning med såkalte kraftelektriske komponenter. Andre drivenhet enn VSD er basert på kraftelektronikk er ansett å være mer kostbare og mindre pålitelige enn eldre versjoner med mekaniske komponenter, som er store, tunge og kostbare, og ofte vanskelige eller umulige å tilpasse til drivenheter med variabel hastighet. Dagens løsninger er derfor VSD er basert på kraftelektronikk. Som forklart i patentpublikasjon WO 2013/ A1, kan et marinisert motorgenerator sett, en RotoConvertor, være fordelaktig fremfor VSD er basert på kraftelektronikk for bruk under vann. Dette er spesielt situasjonen for langs undervanns utleggingslengder, for hvilke ladestrømmen for undervanns kontrollkabler og transientstrømmer for undervanns VSD en samvirker med det omgivende vannet, eller Ferranti-effekten eller andre effekter gjør kraftoverføringen og drivenhetshastigheten ustabil. Jo lengre utleggingslende

2 under vann, desto høyere blir effekten, og det må forventes dårligere stabilitet. RotoConvertoren i WO 2013/ A1 er en overraskende løsning på problemet med undervanns pumping og komprimering for petroleumsindustrien, og fjerner de negative effektene fra undervannsmiljøet på utstyret. Denne løsningen er overraskende sett i lys av publikasjonen «Technical status and development needs for subsea gas compression «(Teknisk status og utviklingsbehov for undervanns gasskompresjon), OTC 18952, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA 30. april 3. mai 2007, som kun beskriver løsninger med kraftelektronikkbaserte VSD er som drivenhet. Det har ikke blitt funnet noen lære om at drivenheter med variabel hastighet som ligner undervanns RotoConvertoren i WO 2013/ A1 med fordel også kan brukes på tørre plasseringer, som så over vannflaten på plattformer eller lignende konstruksjoner. For bruk overvannflaten, er det nå kun kraftelektronikkbaserte VSD er er de eneste VSD er som brukes i praksis. Kraftelektronikkteknologi har redusert størrelse og kostnader og har forbedret ytelsen til drivenhet med variable hastighet ved bruk av halvleder svitsjeanordninger og tilhørende teknologi, og har fått en totalt dominerende posisjon for drivenheter for motorer. For enkelte applikasjoner kan det plasseres en opptrappingstransformator mellom drivenheten og motorlasten. Kraftelektronikk VSD er med midlere spenning kan klassifiserende for 100 MW kraftklassifisering, hvilket gjør kraftelektronikk-vsd er det opplagte valget for fagmannen også for store pumper og kompressorer. Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe alternativ eller fordelaktig drivenhetsteknologi for spesifikk anvendelse. Oppsummering av oppfinnelse Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en drivenhet for elektriske sentrifugalpumper eller kompressorer over vannflaten, for strømeffekter fra ca. 6 MW og høyere, som er kjennetegnet ved at drivenheten innbefatter: - en elektrisk motor - en elektrisk generator,

3 - en hydraulisk kobling som forbinder motoren med generatoren med variabel trinnløs kobling, - minst et hus for eksplosjonssikker innkapsling av motoren, generatoren og den hydrauliske fra omgivelsene, og - Eksplosjonssikre gjennomføringer gjennom minst en husvegg. Sentrifugalpumper eller kompressorer, for effektnivåer fra ca. 6 MW og høyere, blir også betegnet som store eller høyeffekt pumper og kompressorer. Drivenheten i henhold til oppfinnelsen tilveiebringer en vesentlig og uventet teknisk effekt i forhold til tidligere kjente løsninger for drivenheter over vannflaten basert på kraftelektroniske VSD er, hvilket vil fremgå tydelig fra en etterfølgende beskrivelse. Fortrinnsvis er den hydrauliske koblingen en turbokobling for hvilket den overførte kraften og hastigheten blir kontrollert ved å kontrollere graden av fylling med hydraulisk fluid, så som olje eller oljeblanding. Fortrinnsvis innbefatter turbokoblingen et skovlrør eller en lignende anordning for kontrollert fylling eller kontrollert variabel posisjon for å kontrollere mengden av olje i koblingen, og derved kontrollere effekten og hastigheten til koblingen. Denne utførelsesformen er en hydraulisk kobling av friksjonstypen. I en alternativ utførelsesform innbefatter den hydrauliske koblingen lukkede eller innhyllede impelleres, en bypassledning og en kontrollventil for variabel hastighetskontroll. For applikasjoner med kun nesten stabil drift, kan dette være foretrukket, siden effektiviteten kan være høy siden denne utførelsesformen er en kobling av fortrengningstypen. Drivenheten innbefatter fortrinnsvis en kjølekrets med en kjøler, anordnet inn i huset eller med en kjøler på utsiden av huset, eller kjølere både inni og utenfor huset. Fortrinnsvis inneholder et felles hus motoren, generatoren og den hydrauliske koblingen. Huset eller husene er fortrinnsvis enten fylt med olje eller inertgass eller fylt med både olje og inertgass, så som delvis fylt med olje. Andre væsker

4 kan erstattet olje, så som en vann-glykolblanding. Luft eller annen gass kan erstattet inertgass. Oppfinnelsen tilveiebringer også bruk av en drivenhet i henhold til oppfinnelsen, for drift av pumper og kompressorer over vannflaten med variabel hastighet, på tørre plasseringer. Fortrinnsvis er anvendelsen for drift av pumper og kompressorer på ubemannede plattformer eller plattformer som normalt er ubemannede, for produksjon av petroleum til havs. Som nevnt er den tekniske effekten av drivenheten i henhold til oppfinnelsen betydelig og overraskende, av hvilken årsak drivenheten i henhold til oppfinnelsen skiller seg vesentlig fra tidligere kjente løsninger. Mer spesielt er MTTF (mean time to failure gjennomsnittlig tid for feil) til en drivenhet i henhold til oppfinnelsen, beregnet å være 10 år: MTTF en til en kjent kraftelektronikkbasert VSD er ca. 3,3 år, for samme dreveffekt. Påliteligheten er derved tre ganger bedre, hvilket er betydelig og overraskende. En kjent VSD veier typisk 5-20 metriske tonn over vannflaten. I tillegg må det legges til en transformator på 5 til metriske tonn. Til sammenligning veier drivenheten i henhold til oppfinnelsen mindre enn 1/3 og koster ca. 1/3, mens den har 3 ganger MTTF. Vektbesparelsen vil også ha en betydelig innvirkning, siden 1 kg spart over vannflaten, som en tommelfingerregel vil spare 3 kg eller mer konstruksjonsvekt. Uten å ville være bundet av noen teori, antas det at den forbedrede påliteligheten har å gjøre med kompleksiteten til kraftelektronikkbaserte VSD er for høye effekter, som krever et stort antall komponenter, omfattende kjøling og kontroll. Selv om hver komponent gar en meget høy pålitelighet, si 99,999 % for ett års drift, må påliteligheten til de samvirkende komponentene typisk måtte multipliseres, Med tilstrekkelig høyt antall komponenter og feilmekanismer, som typisk telles i tusener, vil den resulterende virkelige påliteligheten til en kraftelektronikkbasert VSD bli redusert til 1/3 av den resulterende påliteligheten til drivenheten i henhold til oppfinnelsen.

5 Mulige hydrauliske koblinger for drivenheten i henhold til oppfinnelsen, eller eksisterende koblinger som kan modifiseres, er tilgjengelige fra Voith, MARA Corporation, GM. Mitsubishi, DKM og sannsynligvis andre. Ingen av de nevnte leverandørene har brukt eller vurderer å bruke sine hydrauliske koblinger for trinnløse drivenhet for pumper eller kompressorer tover vannflaten, ved effektnivåer over 6 MW. Tidligere bruk har vært for jernbanelokomotiver, kjernekraftanlegg for kontroll av moderatorstangposisjoner og kjøling, eller mere fjerntliggende bruksområder. Figurer Drivenheten i henhold til oppfinnelsen er vist i to figurer, hvor: Figur 1 viser en drivenhet i henhold til oppfinnelsen med en turbokobling og et felles hus, med indre kjøling, og Figur 2 viser en annen utførelsesform av en drivenhet i henhold til oppfinnelsen, med en hydraulisk kobling av fortrengningstypen, to hus og en ytre kjøler. Detaljert beskrivelse Det vises til figur 1 som viser en drivenhet 1 i henhold til oppfinnelsen med en turbokobling 2 og et felles hus 3, med indre kjøling (ikke vist). Drivenheten innbefatter en elektrisk motor M og en elektrisk generator G, koblet sammen via turbokoblingen 2, med en variabel trinnløs kobling. Huset 3 er eksplosjonssikkert, såkalt Ex-sikkert og kan inneholde utstyr for trykkontroll og deteksjon av eksplosiv gass (ikke vist). Drivenheten innbefatter elektriske gjennomføringer 4 til motoren og elektriske gjennomføringer 5 fra generatoren til tilkoblede pumper og kompressorer (ikke vist). Hastigheten og effekten til den tilkoblede generatoren blir kontrollert ved å kontrollere fyllenivået av hydraulisk olje i turbokoblingen, som blir kontrollert med pumpe 7 og fyllerør 6. Den hydrauliske kobleren innbefatter en kjøler (ikke vist) og et reservoar (ikke vist) for full kontroll av nivå og temperatur, for kobling av generatoren til motoren som en trinnløs kobling fra 0% til tilnærmet 100% kobling avhengig av fyllenivået til oljen. Ved full fylling, er friksjonen mellom drivimpelleren, koblet til motorakselen, og den drevne impelleren, koblet til generatorakselen, ved sitt

6 maksimum og gir en maksimal kobling på tilnærmet 100%, f.eks. 98% eller bedre. Mindre enn 2% går tapt i varme, hvilket må tolereres eller håndteres med en kjøler. Også ytterligere utstyr og ytterligere kjøling vil være nødvendig for å oppnå påliteligheten til motoren og generatoren. Lagre trenger smøring og kjøling, og separate kjølemidler og kjølere vil typisk være nødvendig, i tillegg til instrumentering for kontroll og overvåkning. En fagmann innen område til imidlertid vite hvordan men bruker god ingeniørpraksis for å sikre en pålitelig motor og generator, og detaljer om dette er derfor verken vist eller beskrevet. Figur 2 viser en annen utførelsesform av drivenheten 1 i henhold til oppfinnelsen, med en hydraulisk kobling av fortrengningstypen, to hus og en ekstern kjøler. Mer spesielt innbefatter drivenheten et separat motorhus 3M og et separat generatorhus 3G. Den hydrauliske koblingen innbefatter lukkede eller innhyllede impellere, med en drivimpeller i motorhuset og en drivenheten impeller i generatorhuset. Lukkede eller innhyllede impellere betyr at det strømmende fluidet for koblingen strømmer gjennom impellerne via mer eller mindre lukkede volumer mellom impellerbladene, hvilket betyr at de roterende impellerne opererer på en fortrengningslignende måte, siden volumene mellom impellerbladene i hovedsak er begrensede eller lukkede. Dette betyr at strømmen med olje kobler impellerne, ikke friksjonen i olje mellom de tett anordnede impellerne som for en turbokobling. Dette betyr også at variable trinnløse hastigheten eller koblingen må kontrolleres på en annen måte, mer spesielt med en bypasslinje 8 og en kontrollventil 9, som vist, eller på tilsvarende måter. For all stabil operasjon ev tilkoblede pumper og kompressorer, vil bypasslinjen fortrinnsvis være lukket for strømning, for best effektivitet. For transient operasjon, vil bypasslinjen imidlertid bli gradvis åpnet eller lukket for strømning med operasjonsventil 9. I den viste utførelsesformen, inneholder linjene mellom motorimpelleren og generatorimpelleren en kjøler 10 og et oljereservoar 11.

7 P a t e n t k r a v 1. Drivenhet (1) for elektriske sentrifugalpumper eller kompressorer over vann, for effekter fra ca. 6 MW og høyere, k a r a k t e r i s e r t v e d at drivenheten (1) innbefatter: - en elektrisk motor (M) - en elektrisk generator (G), - en hydraulisk kobling (2) som forbinder motoren (M) med generatoren (G) med en variabel trinnløs kobling, - minst et hus (3) for eksplosjonssikker innkapsling av motoren (M), generatoren (G) og den hydrauliske koblingen (2) fra omgivelsene, og - eksplosjonssikre gjennomføringer (4, 5) gjennom minst en husvegg. 2. Drivenhet (1) i henhold til krav 1, hvor den hydrauliske koblingen (2) er en turbokobling for hvilken overført kraft og hastighet blir kontrollert ved å kontrollere graden av fylling med hydraulisk fluid. 3. Drivenhet (1) i henhold til krav 1, hvor den hydrauliske koblingen (2) innbefatter lukkede eller innhyllede impellere, en bypasslinje (8) og en kontrollventil (9) for variabel hastighetskontroll. 4. Drivenhet (1) i henhold til hvilke som helst av kravene 1-3, som innbefatter en kjølekrets med en kjøler, anordnet inne i huset (3) eller med en kjøler (10) utenfor huset (3). 5. Drivenhet (1) i henhold til hvilke som helst av kravene 1-4, hvor et felles hus (3) inneholder motoren (M), generatoren (G) og den hydrauliske koblingen (2).

8 6. Drivenhet (1) i henhold til krav 2, hvor turbokoblingen (2) innbefatter et skovlrør med kontrollert variabel posisjon for kontroll av mengden av en olje som hydraulisk fluid i koblingen, og derved kontrollere effekten og hastigheten til koblingen. 7. Drivenhet (1) i henhold til hvilke som helst av kravene 1-6, hvor huset (3) eller husene er fylt med olje eller inertgass eller både olje og inertgass. 8. Anvendelse av en drivenhet (1) i henhold til hvilke som helst av kravene 1-7, for drift ved variabel hastighet av pumper og kompressorer på tørre plasseringer over vannflaten. 9. Anvendelse i henhold til krav 8, for drift av pumper og kompressorer på ubemannede plattformer eller plattformer som normalt er ubemannede, for produksjon av petroleum til havs.