Kraftforsyning til installasjoner på havbunnen

Transkript

1 Kraftforsyning til installasjoner på havbunnen Efiks oktober 2007 Prof. Erling Ildstad Inst for elkraftteknikk NTNU

2 Innhold Bakgrunn og Status Elkraft utfordringer Hva gjør vi ved NTNU/SINTEF?

3 Store teknologiske skritt i løpet av kort tid: Fra plattformer til landbaserte havbunn-innstallasjoner

4 Nyhamna Langeled to UK Storegga Slide Edge -250m Control Umbilicals And MEG Template A Template B -850m 12 MW inverters for subsea motors/compressors

5

6

7

8 Offshore elektrifisering:

9 Langsiktig perspektiv: The Europeen Offshore super grid Offshore Vindmøller + gasskraftverk med CO2 håndtering

10 Oljeindustriens utfordringer - sokkel + internasjonalt: Økt produksjon av vann, sand og gass fra modne felt Kostnadseffektiv utbygging og drift av mindre fjerntliggende felt Rørtransport av komplekse olje/gass/vann blandinger/hydrater Dypvannsbrønner langt fra land / eksisterende infrastruktur Kaldt miljø

11 Økt behov for elektrisk kraft til undervannsinstallasjoner: Motordrifter flerfasepumper Oljepumper Separasjonsutstyr Vanninjeksjonspumper Gasskompresjon Oppvarming av lange rørledninger og manifolder Kontrollsystem

12 Behandling av brønnstrøm fra reservoaret Olje Gass Kondensat Formasjonsvann Sand Syrer Rå-olje gass Sand vann Syrer

13 Prosessutstyr på havbunnen: - Fjerning av vann for hindring av hydratplugger Nivået i separatoren reguleres av pumpene

14 Eksempel på NTNU/SINTEF prosjekt: Elektrokoalesens for effektiv separasjon av vann og olje (PhD oppg.)

15 Eksempel på prosjekt ved NTNU/SEfAS: Direkte elektrisk oppvarming av rørledninger AC støm for ohmsk oppvarming av selve rørledningen -Hindrer dannelse av voks/hydrater Topside power supply Power supply cables Power cable/ Piggy-back Connections Connection Current transfer zone Well stream pipe Current transfer zone

16 Installasjon av DEH system (Tyrihans Sommer 2007)

17 Lang avstand til prosessanlegg krever høyere spenning og mer utstyr på havbunnen =>marinisering av et stort antall elkraftkomponenter

18 Modulære system for Distribusjon av kraft på havbunnen (SEPDIS)

19 Kraftelektronikk omformer med bryter og transformator Passiv kjøling i 1 atm kammer, basert på fordampning av kjølemediet (ABB & Framo Engineering)

20 Motorer Vikling av stator i vannfylt motor (Hayward Taylor) Installasjon av pumpe (FRAMO Engineering AS)

21 Koblere (Brytere) Helt nødvendig for å kunne lage, installere og drifte modulære systemer (heve utstyr for vedlikehold og utskifting) De fleste av dagens design er en videreutvikling av koblere for lavspent kontrollsystemer Utfordring å hindre vanninntregning: Før, under og etter sammenkobling

22 Bryting av strøm. - Problematisk i luft. Hva med subsea?

23 MECON fra ABB/Ocean Design Koblingen gjøres i flere trinn: Mekanisk Innestengt vann i koblingskammeret erstattes av isolasjonsolje Elektrisk

24 Eksempel på subsea høyspent koblere (Tronic) 11 kv 3-fase 36 kv 1-fase

25 Undervanns høyspennings isolasjonsteknikk Risiko for at vann trenger inn ved installasjon Vann diffunderer inn over tid Systemet må ha en viss toleranse for vann Ofte hybride isolasjonssystemer Fast isolasjon utgjør hovedisolasjonen Olje benyttes for å fylle hulrom Feltforhold og holdfasthet påvirkes av vanninnhold i oljen Kjemisk kompatibilitet mellom olje, fast isolasjon og spesialmaterialer for feltstyring

26 Redusert holdfasthet pga fuktighet AC holdfasthet til oljegap med 2.5mm IEC elektroder Metning Silikonolje og oljer basert på ester (MIDEL) har samme prinsipielle avhengighet av vanninnhold. Metningskonsentrasjon for silikonolje typisk 200 ppm. For MIDEL ppm. Grenseflater mellom olje og fast isolasjon har redusert holdfasthet ved fuktig olje. Holdfastheten reduseres 50-80% i tangentiell retning.

27 Faglige utfordringer for E-bransjen + NTNU/SINTEF Gode systemløsninger for fremføring og distribusjon av elektrisk kraft til undervannsinstallasjoner Pålitelige komponenter med riktig levetid Test og kvalifisering av løsninger før de tas i bruk Tilstandskontroll av de elektriske anleggene på havbunnen

28 Forsknings utfordringer: LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB Økt systemforståelse for bedre simuleringer Trykksetting av kraftelektronikk Kjølemetoder for kompakte omformere Virkning av høyt hydrostatisk trykk, temperatur og fuktighet på de elektriske isolasjonsegenskapene Aldrings- og nedbrytingsmekanismer, både elektrisk og kjemisk Materialkompatibilitet samspill mellom ulike materialer Kunnskap om feilårsaker og feilmekanismer Gode tilstandskontrollmetoder; referanser, databaser, statistikk Testmetoder for kvalifisering

29 KMB Subsea Power JIP Partners PROSPECTS: Updated 4th October 2007

30 Laboratorier ved NTNU/SINTEF Energiforskning Høye spenninger og strømmer Høyspenningshaller og celledelt hall Høystrøm-bryterlab Trykk (med og uten spenning) Små trykktanker til materialtesting: 100 bar Større tank med lave strømmer/spenninger: 40 bar, L ca 1.0 m, innv D 80 cm Tanker med spenning: 100 bar, L 1.5 m, innv D 20 cm, 52 kv, ikke gjennomføringer 150 bar, L 1.0 m, innv D 30 cm, 15 kv 30 bar, L 10.0 m, innv D 30 cm, 90 C Avanserte analyseinstrumenter

31 Etablering av Subsea-lab på Gløshaugen Gjør den store høyspenningshallen kvadratisk Reduserer ikke muligheten for høyspennings prøving i hallen! ca 240 m 2 nye arealer fordelt på to etasjer To etasjer over porten

32 Hovedtyngden av institutt for elkraftteknikks PhD aktivitet skal ligge innenfor følgende 3 prioriterte forskningsområdene: 1. Energimarked og forsyningssikkerhet Samspill mellom ulike energikilder og energibærere. Planlegging under markedsbaserte betingelser. Leveringskvalitet og sikkerhet i elektrisitetsforsyningen. Modellering av kraft og energimarkeder, bruk av nettet i internasjonal elhandel 2. Utnyttelse av fornybare energikilder Utvikling av driftssikre offshore vindmølle generatorer. Kraftelektronikk og kabler for nettilkobling av vindmøller, solceller, brenselceller, små bølge- og vannkraftverk. 3. Elektrifisering av offshore og undervanns olje og gass produksjon Kraftelektronikk for store hydrostatiske trykk. Undervanns høyspennings koblere. Nye isolasjonsmaterialer for høye trykk og temperaturer. Gass- /dieselelektriske fremdrifter for skip og plattformer. System for tilstandskontroll og vedlikehold.

33 Utdanning av nye spesialister: KMB-prosjektene: 4 doktorgradsstudier NTNU-SUP programmet: 3 doktorgradsstudier MSc studenter ved NTNU Institutt for elkraftteknikk vil bli involvert gjennom prosjektarbeid og hovedoppgaver. => Spennende fremtidsmuligheter!

34

35 Takk for oppmerksomheten

36

37

38

39 Overall structure of a program for development and qualification of equipment for subsea power supply Subsea power supply Main focus of NTNU strategic programme: PhDs NTNU strategic programme BIP/JIP DEH Mulig omfang for BIP/JIPprosjekter: 5-10 MNOK/år BIP/JIP KMB-project KMB-project KMB-project Test- og kvalifiseringsoppdrag Generic topics Solve basic restrictions BIP/JIP AC connectors BIP/JIP Power converters Applied Technology Projects Totalt budsjett for de tre KMBprosjektene: ca 65 MNOK over 5 år BIP/JIP (some examples mentioned) Main focus of KMB projects: to generate knowledge necessary for implementing applied technology projects Main focus of BIP/JIP: to bring specific results on limited topics based on the knowledge gained in the KMB-project

40 Knowledge Friendship Team work PARTNERSHIP INNOVATION

41 Historisk utvikling:

42

43 Systemløsninger plattformdrift av undervannspumper Tekniske utfordringer: Resonansfenomener i lang kabel Oppstart av motor

44 Fullskala forsøk ved Orkanger:

45

46

47 Status for termineringer og koblere Flere system med spenning inntil 6 kv er i drift, med godt resultat Troll Pilot med et 11 kv system har vært i drift siden Flere leverandører arbeider med systemer inntil 36 kv Prototyper er bygget og testet Langtidsprøver ikke gjennomført Gasskompresjon på havbunnen vil kreve utstyr med større effekt For spenninger over 24 kv må materialvalg og design i stor grad baseres på erfaringer fra design av høyspentutstyr på land. Nødvendig å påkjenne materialer med høyere feltstyrker for å holde størrelsen på komponentene nede. Høye krav til pålitelig drift og sikker installasjon

48 SINTEF Energiforsknings Petromaks KMB-initiativ: Electric power systems for subsea processing and transportation of oil and gas " Hovedaktiviteter: 1. Vurdering av eksisterende utfordringer og teknologier Beskrive state of the art for kraftforsyningssystemer til undervannsinstallasjoner. Undersøke hva som er typiske krav til en subseainstallasjon (i den grad noe slikt finnes) og hva som er tekniske utfordringer ved ulike løsninger. 2. Fenomenstudier Studere ulike fenomen som kan forstyrre driften av et kraftforsyningsanlegg til en subsea installasjon eller redusere installasjonens levetid. 3. Modellutvikling og validering Basert på behov som fremkommer i aktivitet 2 skal det utvikles nødvendige regnemodeller for system og for de aktuelle komponenter.

49 Undervanns produksjonsutstyr: Troll Pilot