(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. H02J 3/22 (06.01) H02M 7/04 (06.01) H02M 7/ (06.01) H02K 47/04 (06.01) H02P 11/04 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Kjell Olav Stinessen, Vækerøveien 132 O, 0383 OSLO, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Undervannsinnretning for likestrømslaster (6) Anførte publikasjoner GB A BAGGERUD, E. et al. Technical Status and Development Needs for Subsea Gas Compression. OTC 1892, Offshore Technology Conferense, Huston, Texas, USA April - 3 May 07. (7) Sammendrag Anordning for operativ forbindelse mellom en fjernestliggende ende av en undervanns utleggskabel og undervannslaster, så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer, som skiller seg ut ved at anordningen vil være en undervanns likestrøms forsyningsenhet (SDCP), og at den vil omfatte: - en SDPC-enhet for å endre strømeffekten mottatt fra utleggskabelen til likestrøms effekt for levering til nevnte laster, - én gass- og / eller væskefylt trykktank, hvor nevnte enhet vil være anordnet, og - minst en penetrator for elektrisk tilkopling av nevnte enhet til utenfor trykktanken.

2 1 UNDERVANNSINNRETNING FOR LIKESTRØMSLASTER 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 vil kunne befinne seg langt vekk fra overflateplattformer, eller fra land, og som krever høy kraftoverføring. Nevnte laster vil typisk kunne være motorer for pumper og kompressorer, som i henhold til teknikkens stand krever en regulering av rotasjonshastighet ved å regulere den elektriske frekvensen. 1 Oppfinnelsen vil få bukt med de problemene som er forårsaket av Ferrantieffekten og skinneffekten, som derved åpner for lengre utleggslengder undervanns enn det som tidligere har vært mulig å oppnå. 2 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 utvinning 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 med tilknytning til undervanns produksjonsrammer med undervannsbrønner til disse plattformene. I noen tilfeller blir produksjonen ledet direkte til en mottaksfasilitet uten en plattform, som vil være på land. For å kunne opprettholde en tilstrekkelig høy produksjon fra undervannssatellitter til en sentral plattform eller direkte til land, kan det tilveiebringes en trykkforsterkning 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.

3 1 2 2 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 O Ctil+ O C, og vindhastigheten vil kunne 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 utslipp av klimagass for fabrikasjon på grunn av mindre materialmengder Mindre utslipp av karbondioksid ved drift på grunn av eliminering av helikoptertransport og drift av plattform Mindre utslipp av karbondioksid sammenlignet med plattformer på grunn av at det vil være 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

4 3 Ulempen med undervanns kompressorer per er at ingen har blitt installert og blitt driftet under vann, det medfører at dette er en teknikk som ikke har blitt utprøvd. Imidlertid vil dette kun være et spørsmål om tid, og den første kompressorstasjonen under vann vil trolig være i drift i 1 eller før på grunn av de sterke motivasjonene for denne anvendelsen. Undervanns trykkforsterkning er en nokså ny 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 tidligere eller som er irrelevante andre steder. 1 2 Teknikkens stand pr. i dag har blitt definert i patentpublikasjon WO 09/01670, 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) og frekvensomformere eller bare omformere, og disse representerer teknikkens stand. Verken i WO 09/01670 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 km fra plattform eller fra land, og så langt har ikke dybdene vært på mer enn 1800 m. Det er kjent at seriøse studier og prosjekter for tiden utføres innen oljeindustrien, og som har mål av seg å få til installasjon av kompressorer med

5 4 en utleggsavstand i en størrelsesorden av 40 til 10 km og med vanndybder ned til 00 m eller mer. En realistisk motoreffekt vil være fra omtrent 0 kw for små pumper, og opp til 1 MW for kompressorer, og i fremtiden vil man kunne se for seg enda større motorer. De undervannnsmotorene som for tiden blir installert 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. 1 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 en toppside av en plattform eller på land. Tilsvarende vil den fjernestliggende enden vise til den andre enden av overføringslinjen være i nærheten av kraftlastene, typisk motorlaster. Den fjernestliggende 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 vil være en del av den fjernestliggende stasjonen, så som en alminnelig undervannsbuss på den lavspente siden av en undervanns transformator. 2 Kompressorer og pumper blir ofte driftet ved maksimums hastigheter, som vil ligge på henholdsvis mellom 4000 til rpm og mellom 00 til 000 rpm. Dermed må den elektriske drivmotoren ha en nominell hastighet i størrelsesorden fra 00 til rpm når det brukes 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 til 2 Hz for det eksempelet som har en to-polet motor. Motorer med flere pol-par vil kunne gi anledning for en lavere maksimumshastighet for de samme elektriske frekvensene.

6 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 utlegg, for eksempel når de er på mer enn 0 km, på grunn av den høye kostnaden for kablene. 1 2 En alvorlig teknisk hindring for denne løsningen vil være at, ved en bestemt undervanns utleggslengde vil det ikke la seg gjøre å kunne overføre elektrisk strøm, fra en kraftkilde ved en nærliggende ende til en motor i en fjernestliggende ende, på grunn av at overføringssystemet vil bli elektrisk ustabilt og vil være ubrukelig på grunn av Ferranti-effekten, slik 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 lange utlegg, 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 0 Hz, og dessuten vil skinneffekten kunne 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 den ha kostbare VSD er, som ikke har blitt dokumentert for bruk under vann, og siden slike VSD er vil være satt sammen med mange elektriske og elektroniske komponenter, inkludert et reguleringssystem, vil de kunne være tilbøyelig til å ha en større hyppighet med 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

7 6 enden av en lang kabel, og en Tredje løsning, illustrert i figur 3, med flere motorer på den fjernestliggende enden av en felles lang overføring og en felles VSD ved den nærliggende enden. 1 2 For en lang utleggsavstand fra strømforsyning til last, i en størrelsesorden av 0 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 én enkelt motor. Linjens induktans og motstand vil innebære 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, desto 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 kunne oppvise en betydelig såkalt Ferranti-effekt. Ferranti-effekten er et kjent fenomen, hvor den kapasitive ladningsstrømmen på linjen eller kabelen vil øke med linjens lengde og nivå for spenning. Ved en utleggslengde på 0 km, vil ladningsstrømmen i en kabel kunne være høyere enn laststrømmen, hvilket vil gjøre det vanskelig å rettferdiggjøre et slikt ineffektivt overføringssystem. Et mer kritisk resultat vil være at ikke-last spenningen vil kunne være omtrent 0 % høyere enn tilførselsspenningen, som 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 0 %, som vil gi noe slikt som 0 % totalt, se Tabell 1 nedenfor hvor de verdiene som har blitt markert med fet kursiv skrift er over spenningsklassemarginen for isolasjonen. Dagens systemer med utleggsavstander i en størrelsesorden av km vil ikke ha dette problemet, fordi undervanns utleggslengde og elektrisk last i kombinasjon fortsatt vil kunne la seg gjøre. Tabell 1: Spenningsøkning ved last-tripper på grunn av Ferranti-effekten i forskjellige systemer. Effekt på lengstliggende aksling Maks overføringseffekt, f max og motorhastighet max Utleggslengde Standard kabel Kildespenning ved nærliggende ende,u Spenning, U, for fulllast og ingen-last Transient spenningstopp, u p,på fjernestliggende, etter full-lasts

8 Pumpe 2, MW Første løsning Kompressor 7, MW Første løsning Pumpe 2, MW Første løsning Kompressor 7, MW Første løsning Tre kompressorer og tre pumper. Totalt MW Tredje løsning 60 Hz (3600 rpm) 180 Hz (800 rpm) 60 Hz (3600 rpm) 180 Hz (800 rpm) 180 Hz Kompressor: 800 rpm Pumpe: 400 rpm 7 40 km 9 mm 2 (36) kv 40 km 10 mm 2 (36) kv 0 km 10 mm 2 (36) kv 0 km 10 mm 2 (36) kv 0 km 400 mm 2 4 (4) kv kv 18,3 kv,2 kv 32 kv 29,2 kv 34,8 kv 26 kv 23,6 kv 27, kv 28,kV 28,8 kv 2,7 kv 4,6 kv 4,6 kv ustabil trip,9 kv 41,0 kv 28,9 kv 68,4 kv 1 kv 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 vil være ved den nærliggende enden, og som forekommer når linjen er ladet men når det er en svært liten last eller når lasten har blitt 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 ut. Av denne grunn vil både kapasitans og induktans være ansvarlig for at dette fenomenet oppstår. Ferranti-effekten vil være mer fremhevet jo lengre linjen er og jo høyere spenning det er som blir brukt. Den relative spenningsøkningen vil være proporsjonal med kvadratet av linjens lengde. 1 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: v f =v n 2 ) hvor:

9 v f = den fjernestliggende spenningen v n = den nærliggende spenningen f = frekvens C = linjens kapasitans L = linjens induktans l = linjens lengde l 2 = linjens lengde i kvadrat 8 I litteraturen vil det også kunne bli funnet andre uttrykk for Ferranti-effekten, men det er i alle fall enighet om at effekten vil øke med overføringsfrekvens, kabelkapasitans, kabellengde og spenning. 1 Ut fra ovenstående ligning kan det sluttes at Ferranti-effekten for en lang linje vil kunne bli kompensert for med en passende reduksjon i den elektriske frekvensen. Dette er årsaken til Andre løsning, med en undervanns VSD. Overføringsfrekvensen vil for eksempel kunne være den vanlige europeiske frekvensen på 0 Hz. 2 En annen fordel med en lav overføringsfrekvens vil kunne være en sterk reduksjon av den elektriske skinneffekten for overføringskabelen, det vil si bedre utnyttelse av tverrsnittsarealet til kabelen. I praksis vil overføring av en høyfrekvent elektrisitet, for eksempel 0 Hz eller mer over lengre avstander, for eksempel 0 km eller mer, være prohibitivt på grunn av skinneffekten og den tilsvarende høye motstanden i kabelen. Innflytelsen fra Ferranti-effekten og skinneffekten må naturligvis beregnes fra tilfelle til tilfelle for å kunne vurdere hvorvidt de er akseptable eller ikke for overføring ved en gitt frekvens. Det er etterspørsel etter å få frem elektriske kraftoverføringssystemer under vann, som vil være gunstige med hensyn til de ovenfor nevnte problemene og uten å introdusere undervanns VSD er. Figurer

10 9 Oppfinnelsen vil bli illustrert med figurer, av hvilke Figurer 1 3 illustrerer utførelsesformer ved tidligere teknikk, og Figurer 4 og illustrerer en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. 1 2 Oppsummering av oppfinnelsen I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning for operativ forbindelse mellom en fjernestliggende ende av en undervanns utleggskabel og undervannslaster, så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer, som er kjennetegnet ved at anordningen er en undervanns likestrøms forsyningsenhet (SDCP), og den omfatter: - en undervanns likestrøms forsyningsenhet for å endre vekselstrømkraft mottatt fra utleggskabelen til likestrømskraft for levering til nevnte undervannslaster, - én gass- og / eller væskefylt beholder, hvor nevnte enhet er anordnet, og - anordningen er en undervanns likestrøms forsyningsenhet, for undervannsplassering ved en fjernestliggende ende av undervanns utleggskabelen som er koplet til minst én vekselstrømskilde ved en nærliggende ende av utleggskabelen ved et tørt sted på land eller en toppside, og utleggslengden er lang, som betyr lang nok til å kunne forårsake stabilitetsproblemer ved de frekvens- og effektnivåene som er egnet for undervannspumpe- og -kompressormotorer, og hvor anordningen via utleggskabelen tar i mot elektrisk kraft ved en tilstrekkelig lav frekvens til å kunne ha en stabil overføring, og anordningen, som er operativt koplet til undervannsmotorene, leverer en likestrøms elektrisk ampère og spenning som er egnet for drift av de tilkoplete pumpe- og kompressormotorene. I én foretrukket utførelsesform vil anordningen være en SDPC, for undervanns plassering ved en fjernestliggende ende av en utleggskabel tilkoplet minst en kraftkilde ved en fjernestliggende 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

11 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 vil kunne 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, ampère og spenning som vil kunne la seg gjøre for de tilkoblede motorene, og innretningen blir satt inn i en trykktank eller et hus som vil være fylt med væske eller gass. En VSD vil kunne bli tilkoplet ved en nærliggende ende av utleggskabelen for å justere en lavfrekvent kraftoverføring i utleggskabelen. Fortrinnsvis vil overføringsfrekvensen fra kraftkilde ved den nærliggende enden være fast. 1 2 Ingen tidligere undervanns trykkforsterkningssystemer har tatt hensyn til Ferranti-effekten. De tidligere systemversjonene med en undervanns VSD vil derfor kunne være ubrukelig i mange applikasjoner, siden isolasjonen på utleggskabelen vil kunne bli ødelagt av en ukontrollert høy spenning på den fjernestliggende enden på grunn av Ferranti-effekten. Anordningen i henhold til oppfinnelsen vil være en passiv slaveenhet, nemlig en passiv likeretter. En undervanns VSD vil være svært kompleks, stor og kostbar, - den er typisk omtrent 12 m høy, 3 m i diameter og veier rundt 0 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 0 tonn. Anordningens pålitelighet har blitt anslått å være flere ganger bedre enn den som er 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 kunne 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 opp til trykkforsterkning.

12 1 11 Driftsfrekvensen for utleggskabelen vil måtte tas med i betraktningen, hvor det vil bli tatt hensyn til Ferranti-effekten og de elektriske tapene. Isolasjonen vil være 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 Ferranti-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, SDPC en, vil da likerette driftsfrekvensen for utleggskabelen til likestrøm eller den vil produsere likestrøm med et undervannsmotor likestrømsgenerator sett (SDCS) for undervannslastene, det vil si undervannskompressorer eller -pumper eller, mer spesifikt, de motorene som er for undervannskompressorer eller pumper, eller andre laster så som utstyr for reguleringssystem. 2 I henhold til oppfinnelsen er det også tilveiebragt et system for undervanns trykkøkning av hydrokarbonfluid eller annet fluid, omfattende: - en undervanns utleggskabel, koplet til en elektrisk vekselstrømkilde ved en nærliggende ende, lengden på undervanns utleggskabelen er for lang for stabil drift ved frekvens og effektnivåer egnet for undervannspumper eller - kompressorer, - undervannspumper eller -kompressorer operativt koplet til en fjernestliggende ende av undervanns utleggskabelen, som er kjennetegnet ved at systemet videre omfatter en undervanns forsyningsenhet for likestrøm anordnet mellom utleggskabelen og likestrømsmotorene for undervannspumper eller -kompressorer. I samsvar med det andre aspektet av oppfinnelsen omfatter systemet videre en undervanns forsyningsenhet for likestrøm anordnet mellom utleggskabelen og likestrømsmotorene for undervannspumper eller -kompressorer.

13 12 Ytterligere utførelsesformer og særtrekk har blitt definert i de avhengige kravene. Inngangsfrekvensen, driftsfrekvensen for utleggskabelen, vil være i området av 0,1 10Hz,såsom2 60eller4 0Hzeller1 Hz,mens utgangsfrekvensen vil være 0, det vil si likestrøm DC. 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. 1 I tillegg vil oppfinnelsen tilveiebringe anvendelse av en anordning for undervanns likestrøms forsyningsenhet i henhold til oppfinnelsen for å kunne omforme de karakteristiske kraftkarakteristikkene for en undervanns utleggskabel til likestrøm for drift av tilkoplet undervannsutstyr, et system med minst én undervanns likestrøms forsyningsenhet 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. 2 Det vil være noe effekttap i en undervanns likeretter, for eksempel 2 til %, men en undervanns VSD vil også ha tap, selv om disse kanskje vil være lavere. Utforming av undervanns forsyningsenhet for likestrøm («Subsea DC Provider» - SDCP) av SDCS-type Oljefylt trykkhus SDCS en blir satt 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: SDCS en har et passende antall radielle lagringer.

14 1 13 Rotasjonshastigheten for SDCS en 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 et middel mot frysing, for eksempel MEG, som krever en fullstendig elektrisk isolasjon av SDCS-viklingene. Trykket inne i huset vil kunne velges fritt ved ikke å fylle det opp fullstendig med væske og ha et gassvolum ved noe 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 minste tykkelse på trykkhuset og vil dessuten redusere lasten og kravene for flenser og tetninger. Dersom den direkte kjølingen av SDCS en, 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 SDCSakslingen, eller den kan være en separat pumpe med elektrisk motor. Dersom magnetiske lagre 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. 2 Gassfylt hus Trykkhuset vil kunne 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: - Væskesmurte 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 SDCS-akslingen eller en separat elektrisk pumpe.

15 14 - 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. 1 Et reguleringssystem for de magnetiske lagrene må være innbefattet, plassert i nærheten av SDCS-huset eller inne i huset. Dersom reguleringssystemet blir plassert i en kapsel utenfor SDCS-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 vil kunne bli valgt ut fra et område fra én bar og opp til det som er likt med det omgivende vanntrykket eller høyere. Fordelen med lavt trykk vil være lav friksjon og lite tap. Fordelen med høyt trykk er at varmekapasiteten for gassen øker med trykket og vil derfor gi bedre kjøling. En annen fordel med høyt trykk er også redusert krav til veggtykkelse og mindre 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 de som er for en væskefylt trykkbalansert tank. 2 Undervannsroterende statisk likeretter (SSR «subsea static rectifier») Alternativt til en SDCS vil det kunne bli brukt en undervanns statisk likeretter (SSR) forutsatt at en slik anordning kan lages i en forenklet versjon sammenlignet med en undervanns variabel hastighet drivmotor og med akseptabelt høy robusthet, pålitelighet og tilgjengelighet. Noen elementer i en praktisk løsning vil kunne innbefatte: Komponentene i en undervanns SSR vil kunne bli satt sammen i en trykktank som er fylt opp med en egnet væske, for eksempel isolerende olje som også vil avkjøle de elektroniske og elektriske komponentene.

16 1 Den innvendige oljen vil kunne være trykkbalansert mot det omgivende sjøvannet, eller trykket vil kunne bli holdt på et nivå som er på mellom én bar og et omgivelsestrykk som blir bestemt ut fra trykktoleransen for komponentene. Reguleringssystemet vil kunne være plassert inne i trykkhuset, men mer foretrukket i en separat ekstern kapsel (det vises til beskrivelsen ovenfor om Gassfylt hus for detaljer). 1 Reguleringssystemet vil kunne være plassert på overflaten (på en toppside eller på land). Alternativt til en væskefylt tank kan det brukes en tank som blir fylt opp med inert, tørr gass, for eksempel tørr nitrogen. Trykket inne i huset vil kunne bli valgt fra området av én bar og opp til det som er likt med det omgivende vanntrykket eller høyere. Fordelen med høyt trykk vil være at varmekapasiteten for gassen da øker med trykket og derfor vil gi bedre avkjøling. En annen fordel med høyt trykk er at det vil bli mindre krav til veggtykkelse og mindre belastning på flenser og tetninger. Dersom trykket blir valgt tett opp til det som er det omgivende sjøvannstrykket, vil de kravene som følger for trykktanken og flenser og tetning være tilsvarende de som er for en væskefylt trykkbalansert tank. Det er trykktoleransen for komponentene inne i tanken (det vil si elektroniske, elektriske, eller annet) som vil bestemme trykkbegrensningen. 2 Dersom det er å foretrekke, vil komponentene for undervanns SSR en kunne bli segregert på en optimal måte i samsvar med deres toleranse for: væske, trykksatt væske og trykksatt gass. De komponentene vil kunne bli anordnet i tanker på følgende måte: - De mest robuste komponentene kan bli installert i en tank fylt opp med trykksatt væske. - Komponenter som er tolerante for væsker, som har lav toleranse for trykk, kan bli installert i en annen lavtrykks væskefylt tank. - Komponenter som ikke tolererer væske, men tolererer høytrykks gass kan bli installert i en høytrykks tank.

17 16 - Komponenter som bare tolererer lavtrykksgass kan bli installert i en tank med lavtrykks gass. Passende avkjøling må anvendes for de forskjellige tankene. Komponenter i de forskjellige tankene vil bli koplet slik som vil være nødvendig, med ledninger som går gjennom penetratorer i tankveggene. Undervanns koplingsenheter, som er i stand til å gå i pardannelse, vil også kunne bli anordnet mellom tankene for å få de installerbare og opphentbare hver for seg. Det skal nevnes at den ovenfor beskrevne segregeringen, for å få til et optimalt arrangement av komponentene i en SSFSD i forskjellige tanker, hvor det blir tatt hensyn til nødvendig antall penetratorer og koplingsenheter, også vil kunne bli anvendt for undervanns variabel hastighets drivmotorer (VSD). 1 2 Noen betraktninger Hastigheten på en likestrømsmotor vil være direkte proporsjonal med tilførselsspenningen. Arrangementet med undervanns likerettere koplet til variable undervannstransformatorer i figur 4 vil derfor kunne tillate individuell hastighetsregulering av likestrømsmotorene og individuell oppstart av motorer. De ovenfor nevnte anordningene og fremgangsmåtene vil gjøre det mulig å kunne håndtere Ferranti-effekten og skinneffekten, og dermed gi en betydelig forlengelse av avstanden for statisk undervanns høyspent strømoverføring. Dermed vil den maksimalt praktiske utleggsavstanden kunne bli øket svært mye. Dersom SDCS en har oljesmurte lagringer, vil det ikke være noe behov for noe reguleringssystem for enheten, og mulig instrumentering vil kunne bli begrenset til overvåking, av for eksempel vibrasjoner og temperatur, hvis dette blir funnet fordelaktig. Hastigheten på kompressorene vil typisk kunne spenne fra for eksempel 4000 til rpm og fra for eksempel 00 til 000 rpm for pumpene.

18 17 I tabell 2 er det forklart betydningen av de gjenstandene som er i figurene. Tabell 2: Figurmerkinger Gjenstand nr. Forklaring 1 Elektrisk kraftforsyningsnett 2, 2, 2, 2 Nedsteppings transformator 3, 3, 3, 3 VSD, Variabel hastighet drivmotor 4, 4, 4, 4 Oppsteppings transformator,,, Overføringskabel 6, 6, 6, 6 Nedsteppings transformator 7, 7, 7, 7 Kretsbryter 8, 8, 8, 8 Nærliggende ende av overføringskabel 9, 9, 9, 9 Fjernestliggende ende av overføringskabel 13, 13, 13, 13 Nedsteppings transformator 14, 14, 14, 14 VSD 1, 1, 1, 1 Kretsbryter 16, 16, 16, 16 Likeretter M Motor for undervannsmotor Likestrømsgenerator sett, SDCS G Likestrømsgenerator for undervanns motor - Likestrømsgenerator sett, SDCS M1, M2, M3, M4 Likestrømsmotor for eksempel kompressor 1 Detaljert beskrivelse Det vises til Figur 4, som illustrerer en spesifikk utførelsesform av SSR-typen av den foreliggende oppfinnelsen. Node 1 vil bli 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 VSDinngang 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 VSD 3 til den høyspente overføringslinjen, som i det eksempelet med en undervannsapplikasjon består av en kabel. En typisk spenning som blir brukt på

19 18 kabelen vil for eksempel kunne være omtrent 1 kv. Kabelen vil bli 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 Ferrantieffekten vil begynne å bli registrert inntil der hvor den sterkt vil dominere laststrømmen. Dette vil kunne bli oversatt til en lengde i en størrelsesorden av km, til 0 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 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 er egnet for SSR (Figur 4) eller SDCS (Figur ). Det har blitt illustrert fire undervannsmotorer, som for eksempel vil kunne være to kompressormotorer M1, M2 og to pumpemotorer M3, M Nedsteppingstransformatorene 13, 13, 13 og 13 vil i prinsippet kunne være valgfrie, fordi nedsteppingstransformatoren 6 (ref. figurer 4 og ) direkte vil kunne steppe ned den spenningen som vil være egnet for SSR eller SDCS. Å inkludere 13, 13, 13 og 13 vil være et spørsmål om optimalisering av kraftfordelingssystemet på den fjernestliggende enden. Det skal understrekes at nøkkelkomponentene i kraftoverføringssystemene av figur 4 vil være kraftkilden 1, transformatoren 2, transformatorene 13, 13, 13 og 13, overføringskabelen og SSR en 16, 16, 16 og 16 eller SDCS en i figur. De andre komponentene vil kunne være inkludert i samsvar med behovet fra tilfelle til tilfelle. Kostnaden for lange undervannskabler og undervanns VSD er vil være høy, 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.

20 19 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 SDCP. Dette vi kunne være den optimale løsningen for mellomliggende utleggslengder, for eksempel fra 3 til 7 km, det vil si opp til de avstandene hvor kabelkostnaden ikke vil være prohibitiv. 1 Kortfattet beskrivelse av oppfinnelsen Det er problematisk, eller til og med ikke mulig, å overføre høyspent høy-effekts elektrisitet med høy frekvens, for eksempel mer enn 0 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 0 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. 2 Oppfinnelsen gir en løsning på dette ved å ha en VSD eller annet reguleringselement bare på overflaten, elektrisk kraft blir overført ved nettfrekvensen, for eksempel 0 eller 60 Hz eller mindre dersom det er påkrevet på grunn av Ferranti-effekten og tapene. Oppfinnelsen med undervanns vekselstrøm / likestrøms likeretting (SSR) eller sett med undervannsmotor likestrømsgenerator for å kjøre likestrømsmotorer Oppfinnelsen gjør det mulig å ha en overflateplassert frekvensregulering eller ingen frekvensregulering for hastighetsregulering av undervannsmotorer ved lange utleggsavstander, ved å likerette overført vekselstrøm til likestrøm eller produsere likestrøm med et sett med motor likestrømsgenerator ved en undervannslokasjon i nærheten av motorene. I nærheten betyr i denne

21 konteksten nære nok til å kunne holde det ohmske motstandstapet akseptabelt, og dermed effekttapet, mellom likeretteren og motorene. Det gjøres henvisning til figur 4, som illustrerer et overføringssystem fra en overflateplassert VSD til en undervanns likeretter som gir likestrøm til undervannsmotorer, og dessuten til figur med SDCS. I det som følgende vil det bli mer beskrevet anvendelse av den statiske typen med dioder i fast tilstand. Beskrivelsen er også gyldig for en hvilken som helst annen type av likeretter. Rotasjonshastigheten for motorene vil bli den etablerte måten for likestrømsmotorer, det vil si styring av shunt-, serie- eller kompoundmotorer. 1 Hastigheten for en likestrømsmotor vil være direkte proporsjonal med forsyningsspenningen. Av denne grunn vil en egnet måte å justere hastigheten på være å ha en transformator med justerbar utgangsspenning oppstrøms for SSR en og dermed motorspenningen og hastigheten, for eksempel ved endring av uttak. Mest opplagt vil dette kunne være undervanns transformatorene13, 13, 13, 13 direkte oppstrøms for likeretteren 16 i figur 4, men det vil også kunne være transformator 6 eller den overflateplasserte transformatoren 4 eller en kombinasjon av disse. 2 I tilfellet av SDCS, vil utgangsspenningen på likestrømsgeneratoren kunne bli justert med en spenningsregulator for generatoren, og dermed justere hastigheten på den tilkoplede motoren, for eksempel en kompressormotor. Alternativt vil en felles SDCP kunne brukes for flere motorer. Individuell hastighetsregulering kan i slike tilfelle gjøres med shunt-, serie- eller kompoundarrangement.

22 P a t e n t k r a v Anordning for operativ forbindelse mellom en fjernestliggende ende (9) av en undervanns utleggskabel () og undervannslaster (M1, M2, M3, M4), så som pumper, kompressorer og reguleringssystemer, karakterisert ved at anordningen er en undervanns likestrøms forsyningsenhet (SDCP), og den omfatter: - en undervanns likestrøms forsyningsenhet (M, G) for å endre vekselstrømkraft mottatt fra utleggskabelen () til likestrømskraft for levering til nevnte undervannslaster (M1, M2, M3, M4), - én gass- og / eller væskefylt beholder, hvor nevnte enhet er anordnet, og - anordningen er en undervanns likestrøms forsyningsenhet, for undervannsplassering ved en fjernestliggende ende (9) av undervanns utleggskabelen () som er koplet til minst én vekselstrømskilde ved en nærliggende ende av utleggskabelen (8) ved et tørt sted på land eller en toppside, og utleggslengden er lang, som betyr lang nok til å kunne forårsake stabilitetsproblemer ved de frekvens- og effektnivåene som er egnet for undervannspumpe- og -kompressormotorer, og hvor anordningen via utleggskabelen () tar i mot elektrisk kraft ved en tilstrekkelig lav frekvens til å kunne ha en stabil overføring, og anordningen, som er operativt koplet til undervannsmotorene (M1, M2, M3, M4), leverer en likestrøms elektrisk ampère og spenning som er egnet for drift av de tilkoplete pumpe- og kompressormotorene. 2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at anordningen omfatter et sett med motor likestrømsgenerator (SDCS). 3. Anordning i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at anordningen omfatter en trykkompensator og minst én penetrator for elektrisk forbindelse av nevnte enhet til utenfor beholderen.

23 22 4. Anordning i henhold til krav 1, hvor anordningen er installert i en trykktank eller -hus som er fylt med gass.. Anordning i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at en VSD (variabel hastighet driver) (3) er tilkoplet ved den nærliggende enden (8) av utleggskabelen () for å justere den lavfrekvente overføringsfrekvensen. 6. Anordning i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til, karakterisert ved at overføringsfrekvensen fra kraftkilden ved den nærliggende enden (8) er fast Anordning i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at det er én SDCP per motor. 8. Anordning i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at flere motorer (M1, M2, M3, M4) er tilkoplet én undervanns SDCP. 9. Anordning i henhold til krav 1-4, karakterisert ved at undervanns likeretteren (16) er av den statiske typen (SSR).. Anordning i henhold til krav 1 4 eller 9, karakterisert ved at undervanns likeretteren (16) er av den statiske typen (SSR) med dioder i fast tilstand System for undervanns trykkøkning av hydrokarbonfluid eller annet fluid, omfattende: - en undervanns utleggskabel (), koplet til en elektrisk vekselstrømkilde ved en nærliggende ende (8), lengden på undervanns utleggskabelen () er for lang for stabil drift ved frekvens og effektnivåer egnet for undervannspumper eller - kompressorer, - undervannspumper eller -kompressorer operativt koplet til en fjernestliggende ende av undervanns utleggskabelen,

24 23 karakterisert ved at systemet videre omfatter en undervanns forsyningsenhet for likestrøm anordnet mellom utleggskabelen () og likestrømsmotorene (M1, M2, M3, M4) for undervannspumper eller -kompressorer. 12. System i henhold til krav 11, karakterisert ved at forsyningsenheten for undervanns likestrøm vil omfatte en av: et sett med motor likestrømsgenerator (SDCS) eller en statisk likeretter (SSR), anordnet i en tank som er fylt med væske eller gass. 13. System i henhold til krav 11 eller 12, karakterisert ved at forsyningsenheten for undervanns likestrøm er anordnet i en væskefylt tank, med en trykk-kompensator og minst én elektrisk penetrator. 1

25 1/

26 2/

27 3/

28 4/

29 / Fig.