1 SYSTEM FOR OVERFØRING AV ELEKTRISK LIKESTRØM OVER SVÆRT LANGE UTLEGGSLENGDER

Transkript

1 1 SYSTEM FOR OVERFØRING AV ELEKTRISK LIKESTRØM OVER SVÆRT LANGE UTLEGGSLENGDER Område for oppfinnelsen Den foreliggende oppfinnelsen gjelder utstyr som blir plassert under vann, og langt vekk fra steder på land eller topside, spesielt utstyr for trykkøkning av petroluemsfluid, som krever høye effektnivåer med vekselstrøm eller høye effektnivåer med likestrøm, men også forskjellige typer av annet utstyr. Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere teknikk Operasjon av elektriske laster under vann er utfordrende. Inntrengning av vann må forhindres, og man må ofte kunne håndtere svært høye trykk. I tillegg til de forventede elektriske effektene, så som store tap og den svært høye kapasitansen i eller i nærheten av det nokså elektrolytiske sjøvannet, må man også kontroll på Ferranti-effekten og de elektriske resonanseffektene, transienter og høyere harmoniske knyttet til strømelektronikk. Problemene blir forsterket ved høyere effektnivåer, og av denne grunn vil det være store utfordringer med operasjon av utstyr under vann som krever høye nivåer av elektrisk effekt, så som utstyr for trykkøkning, slik som undervanns kompressorer, undervanns flerfase pumper og undervanns pumper. Problemene blir større med økende utleggslengde på kabelen, økende spenning, høyere frekvens og høyere kapasitans. Så langt har undervanns utleggslengder på omtrent 40 km vært mulig med et effektnivå på omtrent MW, overføringsfrekvens på 0 0 Hz og et spenningsnivå på omtrent 0 kv, og som er mulig for å kunne operere undervanns kompressorer uten at det oppstår for omfattende ohmsk tap eller elektrisk ustabilitet. Imidlertid vil patentsøknader NO og PCT/EP11/06797, som begge har blitt skrevet i søkerens navn, tilveiebringe teknologi som vil kunne virke ved undervanns utleggslengder på opp til omtrent 0 0 km for laster med høy effekt under vann, så som kompressorer og flerfase pumper. Dette oppnås med en forholdsvis lav overføringsfrekvens,

2 2 omtrent 0 60 Hz, og en oppstepping av den reelle driftsfrekvensen tett opp til undervannsutstyret. Den teknologien som er gitt i NO og PCT/EP11/06797 innebærer at en installasjon av elektronisk regulering for strøm under vann, en undervanns-vsd, som er stor, dyr og i praksis upålitelig, blir erstattet med annen teknologi. Avhengig av driftsparametrene og lasten, vil den maksimalt oppnåelige utleggslengden under vann være på omtrent 0 km. Som omtalt i NO og foreskrevet i WO 09/0670 (Siemens), vil én mulighet kunne være å anvende en VSD («variable speed drive») variabel hastighets motor (også kalt variabel frekvens motor, VFD, og andre uttrykk) på kabelens borteste ende, men dette er komplekst, dyrt, og er overraskende nok også upålitelig. Grunnen til at det er manglende pålitelighet i en undervanns - VSD, til tross for at alle enkeltkomponentene i denne er av topp kvalitet, antas å være den store kompleksiteten og antall komponenter, som fører til at det er en svært liten risiko for feil i hver enkelt komponent i forhold til mange komponenter, men som samlet forsterker seg opp til å bli en betydelig risiko for feil. Ingen av de eksisterende løsningene nevnt ovenfor har blitt anslått til å kunne være i stand til å levere en høy effekt med opp til mange MW med vekselstrømseffekt, så som 0 MW, med avstander på mer enn omtrent 0 km uten at de ovennevnte effektene gir en forringelse av strømtilførselen. Flere effekter og faktorer begrenser lengden, så som størrelse på transformatorer og den minst mulige spenningen og frekvensen. Større dimensjoner på utstyret vil kunne gi større problemer, for eksempel vil en økning av lederens tverrsnittsareal kunne gi øket kapasitans og Ferranti-effekt, som vil ødelegge isolasjonen og vil gjør systemet ustabilt. Det er velkjent at undervanns strømoverføring over lange avstander vil kunne løses med likestrøm, ettersom de problemene som er knyttet til ustabilitet forårsaket av Ferranti-effekten, resonans osv., ikke finnes i likestrømsoverføringer. I likestrømsoverføringer vil de ohmske tapene kunne kompenseres for ved en øket spenning og større tverrsnittsareal for lederen

3 3 siden, for tilfelle av likestrømsoverføring, blir hele tverrsnittsarealet benyttet siden det ikke finnes noen skinneffekt slik som det er ved vekselstrømsoverføring, og økning av spenning reduserer strømstyrken. For tiden vil imidlertid ikke lange utleggslengder for likestrøm under vann være et mulig alternativ siden det ikke finnes utstyr til å kunne anvende den høyspente likestrømseffekten for laster av forskjellig type undervanns, enten det er vekselstrøms kompressorer eller pumper som klassifiserer for et effektnivå på mange MW, eller andre undervannslaster med store effektnivåer. For tiden kan ikke høyspent likestrøm med høye effekter ikke benyttes direkte i likestrømsmotorer ved det spenningsnivået som er påkrevet for utleggsoverføring til høyeffekts undervannlaster. For tiden finnes det ikke undervanns strømelektronisk utstyr som er pålitelig og i stand til å transformere høyspent likestrøm (HVDC) ned til anvendbare strømkarakteristikker for vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC). Innføring av kraftelektroniske komponenter i fast form har redusert kostnadene og gitt dramatisk forbedring av pålitelighet for kraftelektroniske systemer, og det er en akseptert sannhet blant fagfolk på området at ytterligere forbedringer, også for undervannssystemer, vil være basert på forbedringer av kraftelektroniske komponenter og systemer med halvledere i fast form. Faktisk har søkeren og andre signifikante utviklere av undervannsteknologi arbeidet i over år med å utvikle en teknologi som kan brukes til en lang høyspent likestrømsoverføring, spesielt for utvikling av en HVDC («High Voltage Direct Current») transformator for anvendelse under vann. Selv om det synes å være oppnåelig, vil størrelsen og kompleksiteten ved utformingen, basert på kraftelektronikk, være en begrensende faktor. Mer spesifikt, det arrangementet med kraftelektronikk for et stort fjerntliggende undervannsfelt, med krav om kompresjon og muligens pumping, vil kunne bli på størrelse av en fotballbane og kostnaden vil kunne komme på et nivå hvor det kan stilles spørsmål om undervanns feltutvikling vil kunne være forsvarlig ut fra et økonomisk synspunkt. Men mest kritisk, påliteligheten vil bli for lav for den løsningen som skal kunne la seg gjøre, på grunn av den omfattende kompleksiteten og størrelsen som gir en høyere upålitelighet opp til nivåer som

4 4 ikke kan aksepteres. Etter mer enn år med omfattende forskning og utvikling, og etter å ha investert milioner i utvikling, er det fortsatt ingen løsning for HVDC undervanns oppskrittinger som kan brukes. Flerfoldige eksisterende petroleumsfelt, og mange av de som fortsatt ikke har blitt funnet, befinner seg mer enn 40 km fra land eller fra plattformer, og noen befinner seg mer enn 0 km fra land eller fra plattformer. Det vil være et behov for enda lengre utleggslengder under vann, som i denne konteksten betyr mulige lengder på mer enn 40 km, fortrinnsvis mer enn 0 km, så som 600 km, og formålet med oppfinnelsen vil være å møte nevnte behov. Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen tilveiebringer et system for drift av undervanns laster med elektrisk kraft tilført gjennom en undervanns utleggskabel, spesielt undervannslaster med høy elektrisk effekt. Systemet skiller seg ut ved at det omfatter en høyspent likestrøms (HVDC) undervanns utleggskabel for overføring, kabelen kobles til en HVDC - kilde i en nærliggende ende og til en HVDC motor i en borteste undervanns ende. I denne konteksten er HVDC en likestrømsspenning på over 2 kv, og høye effekter på undervanns laster er i denne konteksten belastninger på minst 1 MW maksimumseffekt. Kilden vil vanligvis være en topside- eller en landkilde. Imidlertid kan kilden også være en undervannskilde. HVDC - motoren koplet til den borteste enden kan være klassifisert for en lavere spenning enn HVDC kilden siden tap vil forekomme og oppstart vil kunne arrangeres til alltid å være myk, for eksempel styrt fra den nærliggende enden av en justerbar motstand. Fortrinnsvis vil HVDC utleggskabelen og HVDC undervannsmotoren i oppfinnelsens system bli klassifisert til å operere ved en maksimums spenning på 2 0 kv, så som 0, 0, 0, 0, 400, 600, 800 eller 1600 km eller mer. Tidligere teknikks vekselstrømsforsyning er begrenset til omtrent 40 km undervanns utleggslengde ved en driftsfrekvens som for laster med høy effekt, så som undervanns kompressorer og pumper. Følgelig er den foreliggende

5 oppfinnelsen særlig relevant for undervanns utleggslengder på over 40 km, for hvilken det er ingen offentlig kjente løsninger uten en undervanns VSD, og enda mer relevant for undervanns utleggslengder på over 0 km, hvor det kan stilles spørsmål ved løsninger basert på undervanns VSD. HVDC motoren vil fortrinnsvis værekoplet til en undervanns kompressor eller pumpe, direkte på den samme akslingen eller ved en kopling eller en girkopling så som en oppsteppingsanordning, fortrinnsvis et magnetisk oppsteppingsutstyr, eller HVDC motoren vil være en del av et motor generator sett koplet til en ytterligere last, så som en vekselstrøms undervanns kompressor- eller pumpemotor. I en foretrukket utførelsesform er HVDC motoren en del av et motor generator sett som omfatter en felles aksling, for eksempel en vekselstrøms generator som produserer strøm med 6,6 kv eller 11 kv med en frekvens på 0 Hz. Den produserte spenningen fra generatoren er den spenningen som er påkrevet av de elektriske lastene (vekselstrøms motorer, UPS, reguleringssystemer) enn hva generatoren gir. Alternativt er HVDC motoren en del av et motor generator sett med likestrøm. Fortrinnsvis omfatter HVDC motoren statorviklinger med isolerte høyspenningskabler istedenfor de tradisjonelle statorstavene. Dette tillater økning av spenningen for HVDC- nivå til mer enn 2 kv, så som kv, mer foretrukket kv, enda mer foretrukket mer enn kv, så som 1. HVAC motorer er for tiden tilgengelig med isolerte viklinger for effektnivåer på opp til minst 0 kv, det vil si Motorformer fra ABB. Selv om det er utfordrende, er det ingen tekniske begrensinger for å modifisere likestrøms motorer til HVDC motorer ved å anvende isolerte viklinger som et generelt konsept, og spesielt ved å anvende XLPE - isolerte HVDC kabelviklinger på statoren. Lasten anordnes fortrinnsvis i et gassfylt trykkhus eller et trykk - kompensert oljefylt hus. Laster med aktive magnetiske lagre i et gassfylt trykkhus tilveiebringer høy virkningsgrad, og representerer en foretrukket utførelsesform.

6 6 I en foretrukket utførelsesform omfatter systemet en regulering ved en nærliggende ende ved topside eller på land. Denne vil kunne ha mange utførelsesformer, hvorav den enkleste vil være en variabel - motstands anordning som er nyttig for regulering av hastigheten på de koblede lastene ved den nærliggende enden fra topside eller fra land. I tillegg eller alternativt omfatter oppfinnelsen en lokal reguleringsanordning ved hver undervanns last. Den kombinerte høyspente og en vekselstrøms- eller likestrømsgenerator på samme akslinger en slik lokal reguleringsanordning, som innenfor konteksten av denne oppfinnelsen kalles en «likestrømstransformator». Hastigheten på en likestrømsmotor kan reguleres med kjente fremgangsmåter (ref. NO ), og fordi generatorhastigheten vil variere deretter, og ved å gjøre dette kan en undervanns likestrøms transformator også ha den funksjonen som tilsvarer den for en undervanns VSD. Dersom én likestrøms transformator anordnes for hver kompressormotor, kan hastigheten på hver kompressor varieres individuelt. En likestrøms transformator med likestrøms generator kan brukes til å transformere spenningsnivået på likestrømmen til et lavere nivå som vil være bedre egnet for en ytterligere likestrøms belastning, hvor det tilveiebringes høyere strømstyrke, og tilsvarende for en vekselstrøms last dersom generatoren er en vekselstrøms generator. I en foretrukket utførelsesform omfatter systemet ved oppfinnelsen en enkelt eller to eller flere vesentlig parallelle HVDC undervanns utleggskabler, hvor hver kabel vil være koblet til en eller et antall laster, der lastene er dimensjonert slik at ved den maksimale arbeidsbelastningen for lastene vil den borteste endens kabelspenning være lik det maksimale spenningsnivået som tillates for lastene, mens den nærliggende kabelendens spenninger vil være lik den borteste kabelendens spenning pluss de ohmske tap i de respektive kablene, og i den nærliggende enden omfatter de respektive kablene et middel for spenningsregulering, så som en justerbar motstand eller andre kjente anordninger. Derved kan det benyttes likestrømslaster med en lavere

7 7 spenningsklasse enn en undervanns HVDC utleggskabel. Med utgangspunkt fra 0 eller en lav spenning, kan den nærliggende endens kildespenning justeres opp til en høyere spenning enn det som vil være tillatt for laster når HVDC - motorlastene opereres ved full eller høy hastighet. Dersom en eller flere laster ikke er i drift, kan spenningen justeres ned ved den nærliggende kabelenden for så ikke å overskride den maksimalt tillatte likestrømsspenningen ved den borteste enden av utleggskabelen. Den ovenfor nevnte fremgangsmåten for drift representerer én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Fortrinnsvis omfatter systemet en eller flere av følgende laster: en undervanns kompressor, en undervanns flerfasepumpe, en undervanns pumpe, et undervanns reguleringssystem, et undervanns varmesporingssystem, en undervanns ventilaktuator, en undervanns prosesseringsfasilitet, en undervanns avbruddsfri strømforsyning, en undervanns likestrøms transformator og en undervanns omformer. Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å arrangere et system for drifte av undervanns laster med høy elektrisk effekt, særpreget ved at det anordnes en undervanns utleggskabel for elektrisk HVDC - effekt, som kopler en HVDC - kilde ved en nærliggende ende og en undervanns HVDC - motor ved en borteste undervanns ende. Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis å operere HVDC - utleggskabelen og HVDC - undervannsmotoren i oppfinnelsens system, opp til en maksimum spenning på 2 0 kv, så som 0 kv, ved en effekt på 40 MW eller høyere, ved undervanns utleggsavstand som kan ha lengde på over 40 km, så som 0, 0, 0, 0, 400, 600, 800 eller 1600 km. HVDC motoren koples til en undervannskompressor eller -pumpe, direkte på den samme akslingen eller ved en gir - kopling så som en oppsteppingsanordning, eller HVDC motoren er en del av et motor generator sett koplet til en ytterligere last så som en vekselstrøms kompressoreller pumpemotor.

8 8 Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av et system ifølge oppfinnelsen, for å operere undervanns laster med høy elektrisk effekt ved undervanns utleggslengder som kan være lengre enn 40 km. Figurer Oppfinnelsen illustreres med to figurer, nemlig Figur 1, som illustrerer systemet ifølge oppfinnelsen, og Figur 2, som illustrerer et annet system ifølge oppfinnelsen. Detaljert beskrivelse Med henvisning til Figur 1, som illustrerer en utførelsesform av et system 4 av oppfinnelsen, mer spesifikt en HVDC - kilde 1 på overflaten, en undervanns HVDC utleggskabel 2 på 0 kv, ved et effektnivå på 40 MW eller høyere, hvor undervannskabelens utleggslengde vil være på mer enn 0 km. Kabelen kobles direkte til fire undervannslaster 3 ved kabelens borteste ende. Systemet 4 i den illustrerte utførelsesformen omfatter HVDC - kilden 1, undervanns HVDC utleggskabelen 2 og lastene 3, som alle innbefatter HVDC motorer koplet til utleggskabelen. Lastene er likestrøms høyspente kompressormotorer, som hver for seg har et effektnivå på MW. Spenningen vil være på 6,6 kv, alle motorer kan reguleres som en gruppe fra den nærliggende enden med en variabel motstand eller andre kjente måter, så som en elektronisk hastighetsregulator. Dersom det bare er én likestrøms motor vil motorhastigheten praktisk kunne reguleres oppe og ned ved å variere likestrømsspenningen fra overflaten og ned. Dersom det er flere motorer, vil hastighetsnivået for alle motorer kunne varieres ved å variere overflatespenningen, og i tillegg kan hastigheten på hver motor reguleres med en lokal individuell motorregulering for hver enkelte motor ved en kjent fremgangsmåte, for eksempel spenningsregulering for den individuelle motoren med en variabel motstand, reostater, eller elektronisk hastighetsregulering, ved kjente fremgangsmåter for parallelle, serielle eller sammensatte likestrøms motorer.

9 9 De høyspente likestrøms motorene kan være av kjent tradisjonell type, men modifisert med isolerte statorviklinger, så som statorer viklet med høyspent likestrøms kabel med XLPE - («Cross Linked Polyethylene» - kryssforbundet polyetylen) isolasjon, eventuelt kan motoren ha permanent magnetrotor. Figur 2 illustrerer en annen av et system 4 ifølge oppfinnelsen, med laster som fire likestrøms transformatorer. Med andre ord, for den illustrerte utførelsesformen, for hver last vil en HVDC motor drive en 6,6 kv vekselstrøms generator anordnet på den samme akslingen, vekselstrøms generatoren kobles til en vekselstrøms kompressor motor 6 på MW og 6,6 kv. Oppfinnelsen gjør det mulig å overføre elektrisk kraft over svært lange avstander. I prinsippet vil det ikke være noen teknisk begrensning på en stabil undervanns strømoverføringslengde. Imidlertid, i praksis vil en mulig begrensning kunne være en praktisk eller økonomisk kobber tverrsnittsareal for regulering av de ohmsk effekttapene. Med et system ifølge oppfinnelsen, vil kilden kunne være en HVDC kilde i nordlige deler av Norge og lastene kane være undervanns kompressorer og pumper anordnet undervanns på havbunnen ved Nordpolen, under det arktiske is dekselet, forsynt med en HVDC kabel koblet til kilden. Systemet ifølge oppfinnelsen vil kunne innbefatte et hvilket som helst særtrekk som er beskrevet eller illustrert i dette dokumentet, i en hvilken som helst operativ kombinasjon, hver operative kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. Fremgangsmåtene i oppfinnelsen vil kunne innbefatte et hvilket som helst særtrekk eller skritt som er beskrevet eller illustrert i dette dokumentet, i en hvilken som helst operativ kombinasjon, der hver operative kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen

10 P a t e n t k r a v 1. System for operasjon av undervannslaster med elektrisk kraft forsynt gjennom en undervanns utleggskabel, spesielt undervanns laster med høy elektrisk effekt, k a r a k t e r i s e r t v e d at systemet omfatter en høyspent likestrøms (HVDC) oppskritttingskabel for overføring under vann, kabelen vil være koblet til en HVDC kilde i en nærliggende ende og til en HVDC motor i en borteste ende under vann. 2. System i henhold til krav 1, hvor HVDC oppskritttingskabelen og HVDC undervannsmotoren vil være klassifisert for å operere ved en maksimal spenning på 2 0 kv og at undervanns utleggslengde kan være på over 40 km, så som 0, 0, 0, 0, 400, 600 eller 800 km. 3. System i henhold til krav 1 eller 2, hvor HVDC motoren er koblet til en undervanns kompressor eller pumpe, direkte på den samme akslingen eller ved en kopling eller girkopling som virker som en oppsteppingsanordning, eller HVDC motoren er en del av et motor generator sett koplet til en ytterligere last så som en undervanns vekselstrøms kompressor- eller pumpemotor. 4. System i henhold til krav 1 eller 2, hvor HVDC motoren vil være en del av et motor generator sett omfattende en felles aksling, for eksempel en vekselstrøms generator som produserer 6,6 kv eller 11 kv strøm med en frekvens på 0 Hz.. System i henhold til et hvilket som helst av krav 1 4, hvor HVDC motoren omfatter statorviklinger med isolerte høyspente kabler istedenfor de tradisjonelle statorstavene. 6. System i henhold til et hvilket som helst av krav 1, omfattende en høyspent regulering av nærliggende ende ved topside eller på land.

11 11 7. System i henhold til et hvilket som helst av krav 1 6, omfattende en lokal reguleringsanordning ved hver undervanns last, så som en høyspent likestrøms motor og en vekselstrøms generator eller likestrøms generator på den samme akslingen («DC transformator»). 8. System i henhold til et hvilket som helst av krav 1 7, omfattende en enkelt eller to eller flere i vesentlighet parallelle undervanns HVDC utleggskabler, hvor hver kabel er koplet til én eller et antall laster, kablene og lastene er dimensjonert slik at det ved den maksimale arbeidsbelastningen for lastene vil den borteste endens kabelspenning være lik det maksimalt tillatte spenningsnivået for lastene samtidig med at spenningene ved nærliggende ende er lik den borteste kabelendens spenning pluss de ohmske tap i de respektive kablene og i den nærliggende enden vil de respektive kablene omfatte et middel for spenningsregulering, så som en justerbar motstand eller andre kjente anordninger. 9. System i henhold til et hvilket som helst av krav 1 8, hvor lastene omfatter én eller flere av: en undervanns kompressor, en undervanns flerfasepumpe, et reguleringssystem, et varmesporingssystem, en ventilaktuator, en prosesseringsfasilitet, en avbruddsfri strømforsyning, en omformer, et nettverkspunkt på land eller ved topside eller en last ved den borteste enden av kabelen..fremgangsmåte for anordning av et system for operasjon av undervanns laster med høy elektrisk effekt, k a r a k t e r i s e r t v e d å anordne en undervanns elektrisk HVDC - oppskritttingskabel for undervannsoverføring av strøm, koble en til en HVDC kilde i en nærliggende ende og en undervanns HVDC motor i en borteste ende. 11.Fremgangsmåte i henhold til krav, omfattende trinnene av å operere HVDC -oppskritttingskabelen og HVDC undervannsmotoren ifølge oppfinnelsens system, ved en spenning på 0 kv, så som 0 kv,

12 12 ved 40 MW eller høyere effekt, ved en undervanns utleggslengde som kan være på mer enn 40 km. 12.Anvendelse av oppfinnelsen, for å operere undervanns laster med høyt effektnivå ved undervanns utleggslengde som kan være på mer enn 40 km.

13 Sammendrag Oppfinnelsen tilveiebringer et system for operasjon av undervannslaster med elektrisk kraft forsynt gjennom en lang undervanns utleggskabel, spesielt undervanns laster med høy elektrisk effekt, særpreget ved at systemet omfatter en høyspent likestrøms (HVDC) oppskritttingskabel for overføring under vann, kabelen er koblet til en HVDC kilde i en nærliggende ende og til en HVDC motor i en borteste ende under vann. Figur 1