BR112016026060B1

BR112016026060B1 - Conjunto de fornecimento de energia e método associado

Info

Publication number: BR112016026060B1
Application number: BR112016026060-0A
Authority: BR
Inventors: Truls NORMANN
Original assignee: Aker Solutions As
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2022-08-02
Also published as: AU2015256736A1; US10581360B2; NO343903B1; NO20161804A1; AU2015256736B2; WO2015170991A1; BR112016026060A2; GB2540506B; GB2540506A; US10199975B2; US20170063270A1; US20190123674A1

Abstract

CONJUNTO DE FORNECIMENTO DE ENERGIA E MÉTODO ASSOCIADO. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20) fornecendo energia elétrica a um motor (11) em uma segunda localização (90) a partir de uma primeira localização (80), compreendendo um acionamento de velocidade variável (13) (VSD) e um transformador elevador (15) conectado ao mesmo. Em uma localização submarina, o conjunto compreende um primeiro transformador abaixador (17) com entrada (17a) e saída (17b) e um fornecimento de energia ininterrupto (25), tendo uma entrada (25a). Um cabo de afastamento (19) fornece energia do transformador elevador (15) para o motor (11). O cabo (19) se conecta ao primeiro transformador abaixador (17). A velocidade do motor elétrico (11) é proporcional à frequência de saída do VSD (13). A entrada de recebimento de energia (25a) do fornecimento de energia ininterrupto (25) se conecta à saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17), assim, recebendo energia elétrica com frequência igual à frequência de saída do VSD (13).

Description

[001] A presente invenção refere-se a um conjunto de fornecimento de energia e a um método relacionado. Em particular, o conjunto de acordo com a invenção é adaptado para proporcionar energia elétrica a um grande consumidor elétrico, bem como um fornecimento ininterrupto de energia submarina (UPS).

[002] ANTECEDENTES

[003] Para grandes consumidores elétricos submarinos, tipicamente, motores elétricos para compressão de hidrocarbonetos ou bombas de hidrocarbonetos, é conhecido ter um sistema de controle elétrico submarino para monitorar sua função e vários parâmetros associados. Adicionalmente, outros sistemas auxiliares submarinos de baixa tensão / baixa potência podem estar presentes.

[004] Para alguns sistemas conhecidos, tais como sistemas com VSDs (acionamentos de velocidade variável) de lado superior e cabos longos com transmissão de alta tensão via cabos submarinos para compressores/ bombas submarinas, esse fornecimento de energia de controle é dotado de um UPS (fornecimento ininterrupto de energia) de lado superior, que se conecta ao sistema de controle submarino. Contudo, com afastamentos longos, tipicamente, acima de 50 - 60 km, o efeito Ferranti no cabo de fornecimento de energia de controle resulta em desafios de estabilidade para a CPDU (unidade de distribuição de energia de controle) submarina e o UPS de lado superior, devido ao fluxo de potência reativa de capacitância no cabo longo. Desse modo, para afastamentos longos, é apropriado usar uma unidade submarina em lugar de um UPS de lado superior e assegurar que a tensão de entrada e a frequência de UPS submarina estão dentro de uma faixas aceitável. Por exemplo, pode-se usar uma ou duas unidades de UPS submarina por trem de compressor (cada trem inclui, tipicamente, um compressor e uma bomba). Há, também, casos onde pode haver apenas compressores ou apenas bombas no solo submarino, onde o mesmo tipo de fornecimento de energia de sistema de controle se aplica.

[005] A figura 1 ilustra uma instalação de acordo com a técnica anterior, em que dois UPS dispostos abaixo da superfície do mar são dotados de energia por meio de um umbilical dedicado. Isto será descrito em detalhes mais abaixo.

[006] Normalmente, pelo menos duas unidades de UPS são usadas abaixo da superfície do mar para fornecimento de controle redundante, o que é necessário para operação do sistema de controle em caso de energia de controle ser perdida ou o sistema de regulação submarino estar desarmado. Nesse caso de perda de energia, é crucial ter unidades de UPS que podem fornecer energia suficiente para o modo de desligamento e suspensão seguro do sistema de controle submarino. Para suprir as unidades de UPS submarinas com energia, a solução óbvia é dispor uma linha de fornecimento de energia dedicada no UPS submarino, em um umbilical separado ou como uma parte integrada do umbilical/ cabos de energia, suprindo os motores submarinos para os compressores e/ou bombas. Contudo, para afastamentos longos, que poderiam aumentar dramaticamente o custo devido a mais cabos e elementos no(s) umbilical(ais). A solução mais relevante, quando combinando energia de controle e potência do motor no mesmo umbilical de energia seria dispor mais três condutores no umbilical que distribui energia para o motor. Tipicamente, se usaria um umbilical por trem de compressor. Há, porém, um problema pelo fato de que o número de sistemas de fornecimento (múltiplos de 3 cabos (condutores/ fases) por um sistema de fornecimento de energia trifásico) por umbilical é limitado, devido ao risco de diafonia e ao número de camadas no umbilical, antes que fique grande demais em diâmetro ou o custo fique muito alto.

[007] Para os casos com fornecimento de energia de trem de compressor, o umbilical, normalmente, tem o fornecimento de energia de motor de compressor no centro e os cabos de suprimento para motor de bomba são torcidos na camada em torno da porção central (cf. a figura 2a). A torção é usada para desacoplar, eletromagneticamente os sistemas/ camadas trifásicos, Isso elimina tensões induzidas e pulsações de torque potenciais. Isso é para ter certeza de que não há diafonia dos condutores de fornecimento de energia de compressor para os condutores de fornecimento de energia de bomba (a mesma lógica se aplica, se houver apenas bombas ou apenas compressor no solo oceânico). Contudo, tendo mais três condutores para o UPS submarino). Contudo, ter mais três condutores para o fornecimento de energia de UPS submarino no mesmo umbilical envolverá desafios técnicos ou desvantagens. Esses condutores poderiam ser dispostos em uma terceira camada externa (cf. a figura 2c), o que, porém, resultaria em diâmetro externo excessivo do umbilical. Alternativamente, poderiam ser dispostos na segunda e, desse modo, na mesma camada que os condutores de fornecimento de energia de bomba (cf. a figura 2b). Contudo, quando os condutores estão na mesma camada, haverá diafonia. Há, então, um risco de que o fornecimento de energia de bomba (em geral, o sistema trifásico na mesma camada umbilical que o fornecimento de energia de controle) dará diafonia indesejada no fornecimento de energia de sistema de controle e vice-versa, por exemplo, durante um curto- circuito.

[008] Portanto, um objetivo da presente invenção é encontrar uma solução de fornecimento de energia elétrica para unidades de UPS submarinas dispostas remotamente, que evite esses problemas.

[009] As publicações WO2007055593 e WO2007055594 descrevem um conjunto de fornecimento de energia submarina em que energia elétrica de frequência constante é distribuída de uma fonte de energia principal de lado superior para uma localização submarina. Na localização submarina, energia é distribuída para consumidores de energia auxiliar (por exemplo, energia de controle) e acionamentos submarinos de velocidade variável que distribuem energia para motores elétricos. Nessa instalação, uma vasta quantidade de equipamento precisa ser instalada na localização submarina. Uma instalação similar é descrita em WO2007055587, onde um Sistema de UPS para uso submarino é discutido.

[010] Também nesta instalação, acionamentos de velocidade variável são instalados abaixo da superfície do mar para distribuição de energia de frequência variável para os grandes consumidores elétricos, a saber, os motores elétricos para bombas e compressores.

[011] O pedido de patente europeia EP1316672 descreve um sistema de fornecimento de energia onde energia é transmitida do lado superior para a localização submarina com cabo de CC de alta tensão.

[012] A INVENÇÃO

[013] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de fornecimento de energia submarina fornecendo energia elétrica para um motor elétrico em uma segunda localização de uma primeira localização. Na primeira localização, o conjunto compreende um acionamento de velocidade variável tendo uma saída de acionamento de velocidade variável e um transformador elevador conectado à saída do acionamento de velocidade variável. Na segunda localização, que é uma localização submarina, o conjunto compreende um primeiro transformador abaixador, tendo uma entrada e uma saída, bem como um fornecimento de energia ininterrupto, tendo uma entrada de recebimento de energia. O conjunto também compreende um cabo de afastamento que é adaptado para fornecer energia elétrica do transformador elevador para o motor elétrico. O cabo de afastamento é conectado ao primeiro transformador abaixador. A velocidade do motor elétrico é proporcional à frequência de saída do acionamento de velocidade variável. De acordo com a invenção, a entrada de recebimento de energia do fornecimento de energia ininterrupto conecta-se à saída do primeiro transformador abaixador, desse modo, recebendo energia elétrica com frequência igual à frequência de saída do acionamento de velocidade variável.

[014] Normalmente, também a frequência de saída pode ser proporcional com a tensão de saída de VSD e tensão de motor submarino. Ou, em outras palavras, a tensão de saída de VSD e a tensão de motor submarino podem ser proporcionais à saída de frequência.

[015] Desse modo, o fornecimento de energia ininterrupto recebe a mesma frequência variável que o motor elétrico. Isso, normalmente, implica em frequência variável de recebimento de partida do motor, de paralisação até a velocidade operacional nominal/ máxima (correspondendo à frequência nominal do motor elétrico). Isso significa que a frequência variável, que, de acordo com a invenção, é recebida pela unidade de UPS, varia em uma área entre a velocidade / frequência nominal do motor elétrico (frequência máxima - 100 %) e diminuindo até pelo menos 50 % da velocidade nominal. Vantajosamente, a frequência variável variará entre a frequência nominal e reduzindo até 5 % ou mesmo diminuindo até 2,5 % da frequência nominal. Para cima, a unidade de UPS, vantajosamente, pode ser adaptada para receber até 105 % ou mesmo 110 % da velocidade/ frequência nominal do motor elétrico. Em outras palavras, vantajosamente, a unidade de UPS é adaptada para receber energia elétrica com uma faixa de frequência entre 2,5 - 5 % a 105 % - 110 % da velocidade nominal / velocidade / frequência nominal.

[016] Assim, o UPS verá essa faixa de frequência de entrada típica, e não a aplicação de UPS convencional de, tipicamente, 50z ou 60 Hz +/-5 % e, tipicamente, 400 V, 440 V ou 690 V +/10 % ou +/-15 %. O modo convencional para unidades de UPS industriais e a técnica anterior é que a frequência de entrada e a tensão é suposta constante dentro de uma certa banda estreita e não uma e não uma ampla frequência, velocidade e faixa de tensão de operação associada, que é típica para partida e operação de grandes consumidores elétricos, tais como uma bomba submarina, ESP (bomba elétrica submersível) e motores de compressores.

[017] Em algumas modalidades, o motor elétrico pode constituir uma carga elétrica na região de 100 kW ou acima. Ele pode mesmo constituir uma carga elétrica de 5 MW ou mais. Por exemplo, quando o conjunto de fornecimento de energia de acordo com a invenção é usado para uma instalação de compressão submarina, mesmo motores elétricos maiores podem constituir a carga elétrica.

[018] Em uma modalidade da invenção, o conjunto de fornecimento de energia submarina é usado em associação com uma instalação de compressão de hidrocarbonetos submarina, incluindo motores elétricos instalados para acionar uma bomba de hidrocarbonetos submarina e um compressor de hidrocarbonetos submarino.

[019] Em uma modalidade do primeiro aspecto da invenção, o motor é conectado à saída do primeiro transformador abaixador.

[020] Um transformador abaixador auxiliar pode ser conectado entre a saída do primeiro transformador abaixador e o fornecimento de energia ininterrupto. Em uma modalidade alternativa, uma saída do primeiro transformador abaixador, que se conecta ao fornecimento de energia ininterrupto, é constituída por um enrolamento auxiliar do primeiro transformador abaixador.

[021] O fornecimento de energia ininterrupto e o motor elétrico são conectados funcionalmente a pelo menos dois condutores no cabo de afastamento. Normalmente, o cabo de afastamento terá pelo menos um fornecimento trifásico, compreendendo três condutores. Contudo, pode-se imaginar, também, uma solução tendo uma solução de duas fases, incluindo apenas dois condutores. Com o termo “funcionalmente conectados” se quer dizer que o UPS e o motor elétrico recebem energia dos mesmos condutores no cabo de afastamento, mas não são, necessariamente, conectados diretamente àqueles condutores. Por exemplo, podem ser conectados via um transformador abaixador, que proporciona isolamento galvânico entre os condutores e o lado de carga.

[022] O cabo de afastamento pode ser, tipicamente, um umbilical, compreendendo um primeiro conjunto de três condutores elétricos, em uma primeira camada, que é uma camada interna, e um segundo conjunto de três condutores elétricos, em uma segunda camada, que está fora da primeira camada. Um dos primeiro e segundo conjuntos, então, proporciona energia para o dito motor elétrico e o outro conjunto proporciona energia para um motor elétrico adicional.

[023] Em uma modalidade típica da invenção, a primeira localização pode ser uma localização de lado superior ou offshore, o motor pode constituir uma carga elétrica acima de 100 kW e o acionamento de velocidade variável na primeira localização pode ser disposto mais do que 5 km distante do motor.

[024] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de partida e funcionamento de um motor elétrico, que é conectado, mecanicamente, para acionar uma bomba ou compressor em uma segunda localização, que é uma localização submarina. Em uma primeira extremidade, um cabo de afastamento recebe energia elétrica de um acionamento de velocidade variável, em uma primeira localização, via um transformador elevador. O motor elétrico é conectado a uma segunda extremidade oposta do cabo de afastamento. Um fornecimento de energia ininterrupto, que tem uma bateria e um primeiro transformador abaixador, são dispostos na segunda localização. O fornecimento de energia ininterrupto é adaptado para ser conectado a uma saída do primeiro transformador abaixador via um interruptor de fornecimento de energia ininterrupto. De acordo com o segundo aspecto da invenção, o método compreende as etapas a seguir:

[025] a) fornecimento de energia elétrica a partir da saída do acionamento de velocidade variável para o fornecimento de energia ininterrupta, fechando o interruptor de fornecimento de energia ininterrupto, e carregando, assim, a bateria;

[026] c) após a etapa a), fornecimento de energia elétrica do mesmo acionamento de velocidade variável para o motor elétrico através do fechamento de um interruptor de motor e, simultaneamente, fornecendo energia elétrica para o fornecimento de energia ininterrupto do acionamento de velocidade variável.

[027] A unidade de fornecimento de energia ininterrupto usada no método do segundo aspecto da invenção também será adaptada para receber a faixa de frequência variável, conforme discutido acima com relação ao primeiro aspecto da invenção;

[028] Em uma modalidade do segundo aspecto da invenção, entre a etapa a) e a etapa c), o método compreende a etapa a seguir:

[029] b) redução da saída do acionamento de velocidade variável.

[030] Nesta modalidade, a etapa c) ainda compreende aumento da saída do acionamento de velocidade variável, desde que o interruptor de motor tenha sido fechado.

[031] A redução da saída do acionamento de velocidade variável (VSD) pode incluir a diminuição de sua saída para zero ou substancialmente zero (isto é, nenhuma tensão ou corrente em sua saída). Em outras modalidades a redução da saída pode incluir a redução da saída para uma saída que está, significativamente, acima de zero e adequada como uma frequência de partida e tensão de partida. Nesse caso, pode-se usar um disjuntor como o interruptor de motor, que é capaz de conectar uma carga a um fornecimento de tensão/energizado. Após o fechamento do interruptor de motor, a tensão e a frequência do VSD são aumentadas para acelerar o motor elétrico.

[032] A etapa a) do método de acordo com o segundo aspecto da invenção pode compreender ainda a redução da tensão distribuída do primeiro transformador abaixador para o fornecimento de energia ininterrupto por meio de um transformador abaixador de fornecimento de energia ininterrupto, que é disposto entre o primeiro transformador abaixador e o fornecimento de energia ininterrupto.

[033] Em outra modalidade, a etapa a) ainda compreende a redução da tensão distribuída do primeiro transformador abaixador para o fornecimento de energia ininterrupto por meio da distribuição de energia elétrica através de um enrolamento auxiliar do primeiro transformador abaixador.

[034] Em modalidades do método do segundo aspecto da invenção, que inclui a etapa b), a etapa

[035] b) pode compreender ainda a abertura do interruptor de fornecimento de energia ininterrupto e a etapa

[036] c) pode compreender ainda o fechamento do interruptor de fornecimento de energia ininterrupto, quando o motor elétrico alcançou uma velocidade predeterminada.

[037] Com essa modalidade do método de acordo com o segundo aspecto da invenção, evita-se a alimentado do UPS com frequências baixas demais. Isto é, a energia elétrica para o UPS pode ser conectada quando o motor elétrico e o VSD, respectivamente, alcançaram uma frequência (e, de preferência, tensão), que é suficientemente alta para ser adequada para alimentação do UPS.

[038] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de funcionamento e controle da velocidade de um motor elétrico disposto em uma segunda localização e proporcionado energia elétrica para um fornecimento de energia ininterrupto (OS) disposto na segunda localização. A segunda localização é uma localização submarina. Um acionamento de velocidade variável é disposto em uma primeira localização e é conectado, funcionalmente, ao motor elétrico. A velocidade do motor elétrico é controlada pelo controle da frequência de saída do acionamento de velocidade variável. Um cabo de afastamento transmite energia do acionamento de velocidade variável para o motor elétrico e, desse modo, se estende entre a primeira localização e a segunda localização. De acordo com o terceiro aspecto da invenção, o método compreende a transmissão de energia elétrica para o fornecimento de energia ininterrupto através de pelo menos dois condutores no cabo de afastamento, os quais são os mesmos condutores que aqueles que transmitem energia para o motor elétrico.

[039] Desse modo, o fornecimento de energia para o motor é usado para fornecimento ao UPS. Isto é, o UPS recebe energia dos mesmos condutores que distribuem energia para o motor. Como com o primeiro e segundo aspectos da invenção, o UPS é adaptado para receber energia elétrica tendo a dita faixa de frequência variável do VSD, que foi discutida acima.

[040] EXEMPLOS DETALHADOS DE MODALIDADES

[041] Embora os aspectos gerais da presente invenção tenham sido descritos acima, mais alguns detalhes e exemplos não limitativos de modalidades são dados abaixo com referência aos desenhos, em que:

[042] A figura. 1 é uma ilustração esquemática de uma solução da técnica anterior ou de uma solução óbvia para os afastamentos longos que envolvem os efeitos adversos discutidos acima;

[043] A figura. 2a é uma vista em corte transversal de um umbilical que tem um primeiro conjunto de condutores que fornecem energia para um primeiro motor e um segundo conjunto de condutores em uma segunda camada de fornecimento de energia para um segundo motor;

[044] A figura 2b é uma vista em corte transversal inicial de um umbilical semelhante àquele na figura 2a, em que um conjunto adicional de condutores foi adicionado na segunda camada;

[045] A figura 2c é uma vista em corte transversal inicial de um umbilical semelhante àquele na figura. 2a, onde uma terceira camada de um terceiro conjunto de condutores foi adicionada;

[046] A figura 3 é uma ilustração esquemática de um conjunto de fornecimento de energia submarina de acordo com a presente invenção;

[047] A figura 4 é uma ilustração esquemática representando uma modalidade alternativa da invenção;

[048] A figura 5 é uma ilustração esquemática de outra modalidade da presente invenção;

[049] A figura 6 é uma ilustração esquemática de uma modalidade da presente invenção, em uma situação antes da aceleração de um motor de bomba submarino;

[050] A figura 7 é uma ilustração esquemática similar à da figura 5, em uma situação onde o motor de bomba está em uma fase de aceleração;

[051] A figura 8 é uma ilustração esquemática de outra modalidade de acordo com a invenção;

[052] A figura 9 é uma ilustração esquemática do mesmo tipo que a ilustração da figura 1, porém, representando uma modalidade possível da presente invenção;

[053] A figura 10 é uma ilustração esquemática similar à da figura 9, representando ainda outra modalidade;

[054] A figura 11 é uma ilustração esquemática similar à da figura 9, representando ainda outra modalidade;

[055] A figura 12 é uma ilustração esquemática de uma modalidade similar à modalidade mostrada na figura 8, porém com uma pluralidade de ininterruptos e outros tipos de fornecimentos de energia; e

[056] A figura 13 é uma ilustração esquemática de uma modalidade similar à modalidade mostrada na figura 5, porém, com uma pluralidade de fornecimentos de energia ininterruptos e outros fornecimentos de energia.

[057] A figura 1 ilustra um conjunto de fornecimento de energia de acordo com a técnica anterior. Nesse conjunto, acionamentos de velocidade variável (VSD) 113 são dispostos em uma localização de lado superior 180 e cada um se conecta a um transformador elevador dedicado 115. A localização de lado superior 180, tipicamente, pode estar em uma instalação de superfície. Os transformadores elevadores 115 se conectam, cada um deles, a um cabo de afastamento dedicado, aqui, na forma de um umbilical 119 de um tipo comum. O umbilical 119 se estende da localização de lado superior 180 até uma localização submarina remota 190. Portanto, o umbilical 119 pode ter diversas dezenas de quilômetros. A linha tracejada horizontal ilustra a partição entre a localização de lado superior Onshore e a localização submarina. Na localização submarina, os umbilicais 119 se conectam aos transformadores abaixadores 117. Os transformadores abaixadores 117 se conectam aos motores 111, que são conectados, mecanicamente, às cargas mecânicas (não mostradas), como um compressor ou uma bomba.

[058] No lado esquerdo da figura 1, dois motores recebem energia de um umbilical comum 119, conforme indicado com o círculo tracejado. Esse umbilical 119 tem dois conjuntos de condutores, cada conjunto incluindo três condutores (fornecimento de energia trifásico). Um corte transversal desse umbilical é mostrado na figura 2a.

[059] Na porção mediana da figura 1, um umbilical 119, tendo apenas um conjunto de condutores, isto é, um trifásico, fornece energia para um motor 111, via um transformador abaixador 117.

[060] A fim de proporcionar fornecimento de energia de controle, duas fontes de energia de controle 114 são dispostas na localização de lado superior 180. As fontes de energia de controle 114 se conectam, cada uma delas, a um transformador elevador de energia de controle dedicado 116, as quais também são dispostas no lado superior. Um umbilical de energia de controle comum 120 se estende entre os transformadores elevadores de energia de controle 116 e os transformadores abaixadores de energia de controle 118, dispostos na localização submarina. Cargas de energia de controle 112 são conectadas aos transformadores abaixadores de energia de controle 118.

[061] Uma característica importante desse conjunto de acordo com a técnica anterior é que, nos umbilicais 119, que proporcionam energia para os grandes consumidores, isto é, os motores 111, a energia distribuída tem uma frequência variável. A frequência é a mesma que a frequência de saída dos VSDs 113, que varia de acordo com a velocidade do motor 111. Em contraste, a energia nos umbilicais de energia de controle 120 tem uma frequência fixa. A frequência é, tipicamente, 50 ou 60 Hz. Portanto, a carga de energia de controle 112 é adaptada para receber essa frequência fixa e predeterminada.

[062] Em uma modalidade alternativa do conjunto da técnica anterior, as fontes de energia de controle 114 poderiam ser substituídas por UPS’s (fornecimento de energia ininterrupto). Em outro conjunto da técnica anterior, a(s) carga(s) de energia de controle 112 pode(m) ser uma unidade de distribuição de energia de controle (CPDU).

[063] Como será apreciado pela pessoa habilitada na técnica, um número desnecessário de cabos de afastamento (umbilicais) pode afetar dramaticamente o custo. Esse fato se aplica, em particular, para afastamentos longos, onde a distância entre a primeira localização, como a localização de lado superior 180 e uma segunda localização, visto que a localização submarina 190 na figura 1 é grande.

[064] As figuras 2a, 2b e 2c mostram vistas seccionais transversais de três umbilicais alternativos. O corte transversal da figura 2a ilustra um umbilical típico, tendo um primeiro conjunto de três condutores elétricos em uma primeira ou camada interna. Esses condutores, tipicamente, distribuem energia elétrica trifásica para um motor de compressor submarino. Em uma segunda camada, um segundo conjunto de três condutores elétricos é disposto, o qual, por exemplo, proporciona energia elétrica para um motor de bomba submarina. Portanto, um motor de compressor e um motor de bomba são alimentados com energia elétrica através do mesmo umbilical. A fim de evitar diafonia entre os dois conjuntos de condutores, eles são dispostos em camadas diferentes dentro do umbilical e são torcidos com passo diferente. Esses dois motores podem ser conectados a duas bombas idênticas ou diferentemente dimensionadas/projetadas ou a dois compressores idênticos ou diferentemente dimensionados/projetados. Os motores de compressores/bombas submarinos podem ser operados em diferentes frequências/tensões/correntes dos VSDs de lado superior, que distribuem a energia elétrica para o umbilical.

[065] Uma modalidade alternativa do umbilical mostrado na figura 2a é usar um conjunto de condutores, por exemplo, o conjunto trifásico interno, para fornecimento de energia a um motor e usando o outro conjunto para fornecimento de energia a um suprimento de energia de controle submarina, tal como um fornecimento ininterrupto de energia submarina. Nessa solução, pode-se transportar energia para um grande consumidor elétrico (motor), bem como energia de controle com o mesmo umbilical (cabo de afastamento).

[066] Como discutido acima, a disposição de um terceiro conjunto de condutores na segunda camada, junto com o segundo conjunto, resultará em diafonia e é particularmente desvantajoso para grandes distâncias. Um exemplo dessa solução desvantajosa é mostrado com o corte transversal umbilical da figura 2b.

[067] Uma alternativa para o exemplo mostrado na figura 2b é mostrada na figura 2c. Nessa modalidade, o terceiro conjunto de condutores é disposto em uma terceira camada (com passo de torção diferente daquele das outras duas camadas). Isso aumenta dramaticamente o diâmetro externo do umbilical. Apesar de reduzir os problemas relacionados com a diafonia entre os conjuntos de condutores, o custo, o peso e o espaço necessário para o manuseamento desse umbilical são aumentados grandemente. Isso, naturalmente, se aplica especialmente a umbilicais longos. Como aparecerá da discussão abaixo, a presente invenção proporciona uma maneira de evitar o uso de um umbilical do tipo mostrado na figura 2b ou na figura 2c, mesmo quando da distribuição de energia para um fornecimento ininterrupto de energia remotamente e localizado abaixo da superfície do mar. Além disso, se apenas um motor submarino for usado, em uma modalidade de acordo com a invenção, é possível usar apenas um conjunto de cabos trifásicos (ambos, tríades ou três cabos de núcleo único) sem a necessidade de um conjunto extra de condutores (ou camadas no umbilical) para energia de controle. Deve ser notado, como será apreciado pela pessoa habilitada na técnica, que, para algumas modalidades, um conjunto de dois condutores pode ser usado em lugar de três condutores, isto é, usando duas fases, em vez de três fases.

[068] A figura 3 ilustra uma modalidade típica de um conjunto de fornecimento de energia 10, de acordo com a invenção. Em uma localização remota 90, a qual é uma localização submarina, é disposto um grande consumidor elétrico sob a forma de um motor elétrico de bomba submarina 11. O motor elétrico de bomba submarina 11 está adaptado para acionar uma bomba submarina (não mostrada) instalada em associação com uma tubulação de hidrocarbonetos (não mostrada).

[069] O motor elétrico 11 é alimentado com energia de uma primeira localização 80, que é uma localização de lado superior, por exemplo, em uma localização onshore ou uma instalação de superfície offshore. Na localização de lado superior 80 está disposto um VSD de lado superior 13 (acionamento de velocidade variável). Um transformador elevador 15 é conectado à saída do VSD 13, também na localização de lado superior 80.

[070] A primeira localização poderia, em outras modalidades, ser uma localização submarina, como é a segunda localização.

[071] Na localização submarina remota 90, há disposto um primeiro transformador abaixador 17, cuja entrada 17a recebe energia elétrica do transformador elevador 15 através de um cabo de afastamento longo na forma de um umbilical 19. O umbilical 19 pode ter várias dezenas de quilômetros, por exemplo, mais de 40 quilômetros ou mesmo mais de 100 quilômetros. Assim, o umbilical 19 é uma parte do conjunto de fornecimento de energia submarina 10 que se estende entre a localização de lado superior 80 até a localização submarina remota 90. Note-se, no entanto, que o cabo de afastamento 19 pode ser significativamente mais curto em outras modalidades de acordo com a presente invenção.

[072] Além disso, deve ser notado que, em outras modalidades similares, o primeiro transformador abaixador 17 poderia ser omitido. Essa modalidade será mais relevante em um caso onde a distância de afastamento não é longa demais, porém, é tão longa que uma redução do número de cabos de afastamento entre a primeira localização 80 (por exemplo, localização de lado superior e a segunda localização 90 (por exemplo, localização submarina) é vantajosa.

[073] O motor elétrico 11 se conecta a uma saída 17b do primeiro transformador abaixador 17 através de um interruptor de motor 21. Nesta modalidade, o interruptor de motor 21 está na forma de um disjuntor, que pode conectar e desconectar, bem como proteger contra curtos-circuitos. Desse modo, quando o interruptor de motor 21 é fechado, o motor de bomba submarina 11 pode ser alimentado com energia elétrica via o umbilical 19. Em outras modalidades, o interruptor de motor 21 pode ser um desconector, que não é capaz de desconectar ou conectar, quando tensão é aplicada. Também pode ser um desconector de carga, que pode desconectar e conectar, quando tensão é aplicada, mas não proteger contra curtos-circuitos. O pessoal habilitado escolherá o tipo de interruptor de motor 21, que é o mais apropriado. Por um lado, ela pode querer ter um interruptor simples e barato. Por outro lado, um interruptor mais avançado será mais versátil.

[074] Um interruptor de UPS 23 é conectado à saída 17b do primeiro transformador abaixador 17 na mesma posição em que está o interruptor de motor 21. O interruptor de UPS 23 conecta uma entrada 25a de um UPS submarino 25 à saída 17b do primeiro transformador abaixador 17 via um transformador abaixador auxiliar 27. Nesta modalidade, o transformador abaixador auxiliar 27 pode ser chamado um transformador abaixador de UPS. Desse modo, o UPS submarino 25 pode ser alimentado com energia elétrica da mesma fonte (o primeiro transformador abaixador 17) da qual o motor de bomba submarina 11 é alimentado. Devido ao transformador abaixador auxiliar 27, essa energia elétrica para o UPS submarino 25 terá uma tensão menor do que a que é alimentada para o motor de bomba submarina 11, mas terá a mesma frequência (que pode ser uma frequência variável). Como com o interruptor de motor 21, o tipo apropriado de interruptor de UPS 23 pode ser escolhido pela pessoa habilitada.

[075] Devido ao interruptor de motor 21 e ao interruptor de UPS 23, o operador é capaz de escolher entre alimentação de energia elétrica apenas ao motor de bomba submarina 11, apenas ao UPS submarino 25, ou a ambos, simultaneamente, ou a nenhum.

[076] No seguinte, o UPS submarino 25 será descrito. O UPS submarino 25 é representado, esquematicamente, com o retângulo tendo linha interrompida. Em um lado de entrada do UPS submarino 25, há disposto um retificador de UPS 29. Um DC-link 31 conecta o retificador de UPS 29 a um inversor de UPS 33 no lado de saída do UPS submarino 25. Uma saída de UPS 37, tipicamente, conecta-se ao equipamento de monitoramento, tal como sensores de temperatura e de pressão e equipamento de controle, tal como válvulas atuadas eletricamente, módulos de controle de mancal magnético, aquecimento local de linha de fluxo/ bobina, etc.

[077] O DC-link 31 compreende uma disposição de capacitor 35 que suaviza a tensão retificada do retificador de UPS 29.

[078] Também conectado ao DC-link 31, nesta modalidade, estão um conversor buck-boost 39 e uma bateria 41. Quando o interruptor de UPS 23 é conectado, a bateria 41 pode ser carregada. Quando o interruptor de UPS 23 é desconectado, a bateria 41 pode fornecer energia elétrica para a saída de UPS 37.

[079] Na modalidade representada na figura 3, o umbilical 19 poderia, tipicamente, ser do tipo mostrado no corte transversal da figura 2a, porém, sem a camada externa (conjunto externo de condutores). Isto é, o usuário poderia ter apenas um conjunto de três condutores para fornecimento de energia ao motor 11 e ao UPS submarino 25.

[080] A figura 4 ilustra uma modalidade um pouco diferente da modalidade mostrada na figura 3. A modalidade da figura 4 não inclui o transformador abaixador auxiliar 27, o qual, na modalidade da figura 3, foi disposto entre o UPS submarino 25 e o primeiro transformador abaixador 17. Além disso, não há transformador abaixador entre o umbilical 19 e o motor 11. Desse modo, a tensão proporcionada ao motor 11 corresponde à tensão no umbilical 19.

[081] A figura 5 ilustra uma modalidade similar à modalidade descrita com referência à figura 3. Contudo, nesta modalidade dois UPS’s 25 são conectados ao primeiro transformador abaixador 17 para redundância, através dos respectivos transformadores abaixadores de UPS 27 e interruptores de UPS 23.

[082] A figura 6 e a figura ilustram a mesma modalidade que aquela mostrada na figura 3. A figura 6 ilustra uma situação onde o motor de bomba 11, bem como o UPS submarino 25 não foram usados por algum tempo. Portanto, a bateria 41 no UPS submarino 25 pode reter uma quantidade insuficiente de energia para controlar o motor de bomba 11 e equipamento de controle associado. Desse modo, antes de acelerar o motor de bomba 11, a bateria 41 precisa ser carregada.

[083] Se houver energia insuficiente na bateria 41 para fechar o interruptor de UPS 23, o operador pode ter que carregar a bateria 41 por outros meios. Por exemplo, ele pode conectar um umbilical de carregamento de bateria à bateria 41 com uma conexão wet-mate. Ou ele pode usar um veículo remotamente operado (ROV) para conexão ao UPS 25 e à bateria 41, para carregar a bateria para o umbilical 19, através do fechamento do interruptor de UPS 23.

[084] Se houver, por outro lado, energia suficiente na bateria 41 para fechar o interruptor de UPS 23, o operador fecha o interruptor de UPS 23 e, então, inicia o VSD de lado superior 13. A bateria 41 é, então, carregada até que o UPS submarino 25 esteja pronto para operação.

[085] Quando a bateria 41 tiver sido carregada, o operador para o VSD de lado superior 13 e fecha o interruptor de motor 21, conforme ilustrado na figura 7. Então, pela partida do VSD de lado superior 13, o operador acelera o motor de bomba 11 para a velocidade operacional desejada. Nessa situação, o UPS submarino 25 e o motor de bomba 11 são dotados de energia através do umbilical 19.

[086] Na técnica anterior, é comum fornecer para um UPS energia elétrica tendo frequência constante. Com o conjunto de fornecimento de energia submarina de acordo com a presente invenção, o UPS submarino 25 precisa, porém, tolerar a frequência variável, bem como tensão de entrada variável. A frequência distribuída para o motor de bomba 11 do VSD de lado superior 13 é a mesma frequência que é distribuída para o UPS submarino 25. Portanto, para um UPS submarino 25 usado com as soluções aqui descritas, a capacitância da disposição de capacitor 35, na maioria dos casos, precisará ser aumentada a fim de tolerar as baixas frequências que podem ser alimentada para o motor de bomba 11.

[087] Para evitar uma capacitância excessivamente grande da disposição de capacitância 35, poder-se-ia abrir o interruptor de UPS 23, enquanto o motor de bomba está funcionando em baixa velocidade / baixa frequência. O UPS submarino 25, então, operaria com energia de bateria, durante essa fase de aceleração. Uma vez que uma frequência suficientemente alta (e, portanto, velocidade da bomba) seja obtida, o interruptor de UPS 23 poderia ser fechado novamente, de modo que o UPS recebe energia do umbilical e, assim, pode fornecer energia de controle total, enquanto carregando as baterias.

[088] A figura 8 mostra uma modalidade alternativa de um conjunto de fornecimento de energia submarina de acordo com a invenção. Nesta modalidade, a tensão não é reduzida por meio do transformador abaixador auxiliar (transformador abaixador de USP) 27 mostrado na figura 3. Na verdade, o primeiro transformador abaixador 17 compreende um enrolamento auxiliar, na forma de um terceiro enrolamento 22, que distribui energia elétrica com tensão reduzida para o UPS submarino 25.

[089] A figura 9 representa, esquematicamente, uma modalidade de acordo com a invenção. Como com o exemplo da técnica anterior mostrado na figura 1, um umbilical 19 distribui energia para dois grandes consumidores na forma de motores elétricos 11. O contraste com o exemplo da técnica anterior da figura 1, é, porém, que o UPS submarino 25 é dotado de energia através do mesmo umbilical 19 que distribui energia para os motores 11. Assim, na modalidade de acordo com a invenção, o umbilical 120 do exemplo da técnica anterior da figura 1, que proporciona energia para as cargas de energia de controle submarina (112, na figura 1), é supérfluo.

[090] Como será apreciado pela pessoa habilitada na técnica, dentro do escopo da invenção, é também um umbilical 19 que proporciona energia apenas para um motor 11, assim, tendo apenas um conjunto de condutores (tipicamente, três fases), que também proporciona energia para um UPS submarino 25. Essa modalidade é mostrada, inter alia, na figura 3.

[091] Revertendo para a modalidade da figura 9, dois umbilicais 19 proporcionam energia para quatro motores 11. Além disso, cada umbilical proporciona energia para um respectivo UPS submarino 25. Para redundância, cada um dos dois UPS’s submarino 25 pode ser adaptado para proporcionar energia ininterrupta para controlar eletrônicos para todos os quatro motores 11, bem como equipamento associado.

[092] A figura 10 ilustra uma modalidade similar à da figura 9, porém, sem o transformador abaixador auxiliar 27. Na verdade, o primeiro transformador abaixador 17 é equipado com um terceiro enrolamento 22, tal como ilustrado na figura 8.

[093] A figura 11 mostra uma modalidade com apenas um umbilical 19, que é comum para dois motores elétricos 11 e dois UPS’s submarino 25.

[094] Pode-se, também, imaginar uma modalidade de acordo com a invenção similar à modalidade mostrada na figura 11, porem, incluindo apenas um motor 11 e um UPS 25. Essa modalidade corresponderia à porção direita ou esquerda da figura 11 (dividida ao longo de uma linha central vertical na figura 11). Alternativamente, uma modalidade poderia incluir os componentes dessa metade da figura 11, contudo, tendo dois UPS’s submarino 25 para redundância.

[095] A figura 12 é uma ilustração esquemática de uma modalidade similar à modalidade mostrada na figura 8, porém, com uma pluralidade de ininterruptas e outros tipos de fornecimentos de energia projetados para entrada de frequência variável e tensão variável. Nessa modalidade, três unidades de UPS submarino 25 são conectadas ao terceiro enrolamento 22 do primeiro transformador abaixador 17. Também pode ser mais de três, por exemplo, cinco ou dez unidades 25. Além disso, essa modalidade envolve também outro tipo de fornecimento de energia, tal como um fornecimento de energia local 125, sem bateria. O fornecimento de energia local 125 pode, por exemplo, proporcionar energia para atuadores elétricos, módulos de controle submarinos e outros consumidores de energia de controle. Comum para as unidades de UPS 25 e o fornecimento de energia local adicional 125, é que todos eles recebem energia elétrica, tendo a mesma frequência variável e a tensão variável como alimentadas para o motor elétrico 11.

[096] A figura 13 representa uma modalidade que é similar a uma mostrada na figura 5. Contudo, nesta modalidade, uma pluralidade de unidades de fornecimento ininterrupto de energia e outros fornecimentos de energia são dispostos, como na modalidade mostrada na figura 12. As unidades de UPS 25 e um UPS 225 menor são conectados ao transformador abaixador via transformadores abaixadores auxiliares 27. Como com as modalidades discutidas acima, todas as unidades de UPS 25 e o USP 225 menor recebem energia elétrica, tendo a mesma frequência que aquela que é alimentada ao motor elétrico 11. Nas modalidades mostradas na figura 12 e na figura 13, um número apropriado de unidades de UPS 25, fornecimentos de energia locais 125 e unidades de UPS menores 225 podem ser conectados ao primeiro transformador abaixador 17.

Claims

1. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20) fornecendo energia elétrica para um motor elétrico (11) em uma segunda localização (90) de uma primeira localização (80), compreendendo, na primeira localização (80): - um acionamento de velocidade variável (13) tendo uma saída de acionamento de velocidade variável; - um transformador elevador (15) conectado à saída do acionamento de velocidade variável e compreendendo, na segunda localização (90), que é uma localização submarina: - um primeiro transformador abaixador (17) tendo uma entrada (17a) e uma saída (17b); - um fornecimento ininterrupto de energia (25) tendo uma entrada de recebimento de energia (25a); em que - um cabo de afastamento (19) é adaptado para fornecer energia elétrica do transformador elevador (15) para o motor elétrico (11); - o cabo de afastamento (19) é conectado ao primeiro transformador abaixador (17); e - a velocidade do motor elétrico (11) é proporcional à frequência de saída do acionamento de velocidade variável (13); caracterizado por - a entrada de recebimento de energia (25a) do fornecimento ininterrupto de energia submarina (25) se conectar à saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17), assim recebendo energia elétrica com frequência igual à frequência de saída do acionamento de velocidade variável (13).

2. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fornecimento ininterrupto de energia (25) ser adaptado para receber a dita energia elétrica do acionamento de velocidade variável (13) com uma frequência entre 2,5 a 110 por cento da frequência ou velocidade máxima nominal, respectivamente, do motor elétrico (11).

3. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fornecimento ininterrupto de energia (25) ser adaptado para receber a dita energia elétrica do acionamento de velocidade variável (13) com uma frequência entre 5 a 105 por cento da frequência ou velocidade máxima nominal, respectivamente, do motor elétrico (11).

4. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por a velocidade do motor elétrico (11) ser proporcional à tensão de saída do acionamento de velocidade variável (13) e por a energia elétrica recebida pela entrada de recebimento de energia (25a) do fornecimento ininterrupto de energia (25) ter uma tensão que é proporcional à frequência e à velocidade do motor elétrico (11).

5. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por o motor (11) ser conectado à saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17).

6. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por um transformador abaixador auxiliar (27) ser conectado entre a saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17) e o fornecimento ininterrupto de energia (25).

7. Conjunto de fornecimento de energia submarina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por a saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17), que se conecta ao fornecimento ininterrupto de energia (25) ser constituída por um enrolamento auxiliar (22) do primeiro transformador abaixador (17).

8. Conjunto de fornecimento de energia submarina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado por o fornecimento ininterrupto de energia (25) e o motor elétrico (11) serem conectados, funcionalmente, aos mesmos pelo menos dois condutores no cabo de afastamento (19).

9. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado por o cabo de afastamento (19) ser um umbilical compreendendo um primeiro conjunto de três condutores elétricos em uma primeira camada, que é uma camada interna e um segundo conjunto de três condutores elétricos em uma segunda camada, que é externa à primeira camada, em que um do primeiro e segundo conjuntos proporciona energia para o dito motor elétrico (11) e o outro conjunto proporciona energia para um motor elétrico (11) adicional.

10. Conjunto de fornecimento de energia submarina (10, 20), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado por: - a primeira localização (80) ser uma localização no lado superior ou onshore; - o motor (11) constituir uma carga elétrica acima de 100 kW; e por - o acionamento de velocidade variável (13), na primeira localização (80), ser disposto mais de 5 km distante do motor (11).

11. Método de partida e funcionamento de um motor elétrico (11), que é conectado, mecanicamente, para acionar uma bomba ou compressor em uma segunda localização (90), a qual é uma localização submarina, em que uma primeira extremidade de um cabo de afastamento (19) recebe energia elétrica de um acionamento de velocidade variável (13) em uma primeira localização (80), via um transformador elevador (15) e em que o motor elétrico (11) é conectado a uma segunda extremidade oposta do cabo de afastamento (19) e em que um fornecimento ininterrupto de energia (25), tendo uma bateria (41) e um primeiro transformador abaixador (17) são dispostos na segunda localização (90), caracterizado por o fornecimento ininterrupto de energia (25) ser adaptado para ser conectado a uma saída (17b) do primeiro transformador abaixador (17) via um interruptor de fornecimento ininterrupto de energia submarina (23) e o método compreender as etapas a seguir: a) fornecimento de energia elétrica a partir da saída do acionamento de velocidade variável (13) para o fornecimento de energia ininterrupto (25), fechando o interruptor de fornecimento de energia ininterrupto (23), e carregando, assim, a bateria (41); c) após a etapa a), fornecimento de energia elétrica do mesmo acionamento de velocidade variável (13) para o motor elétrico (11) através do fechamento de um interruptor de motor (21) e, simultaneamente, fornecendo energia elétrica para o fornecimento de energia ininterrupto (25) do acionamento de velocidade variável (13).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por, entre a etapa a) e a etapa c), o método compreender a etapa a seguir: b) redução da saída do acionamento de velocidade variável (13); em que a etapa c) ainda compreende o aumento da saída do acionamento de velocidade variável (13), enquanto o interruptor de motor (21) é fechado.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado por a etapa a) compreender ainda a redução da tensão distribuída do primeiro transformador abaixador (17) para o fornecimento ininterrupto de energia (25) por meio de um transformador abaixador (27) de fornecimento ininterrupto de energia, disposto entre o primeiro transformador abaixador (17) e o fornecimento ininterrupto de energia (25).

14. Método, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado por a etapa a) compreender ainda a redução da tensão distribuída do primeiro transformador abaixador (17) para o fornecimento ininterrupto de energia (25) por meio de distribuição de energia elétrica através de um enrolamento auxiliar (22) do primeiro transformador abaixador (17).

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 14, caracterizado por a etapa: b) compreender ainda a abertura do interruptor de fornecimento ininterrupto de energia (23); e a etapa c) compreender ainda o fechamento do interruptor de fornecimento ininterrupto de energia (23), quando o motor elétrico (11) alcançou uma velocidade predeterminada.

16. Método de funcionamento e controle da velocidade de um motor elétrico (11) disposto em uma segunda localização (90) e proporcionando energia elétrica para um fornecimento ininterrupto de energia (25) disposto na segunda localização (90), que é uma localização submarina, em que um acionamento de velocidade variável (13) é disposto em uma primeira localização (80) e é conectado, funcionalmente, ao motor elétrico, em que a velocidade do motor elétrico (11) é controlada através do controle da frequência de saída do acionamento de velocidade variável (13) e em que um cabo de afastamento (19) transmite energia do acionamento de velocidade variável (13) para o motor elétrico (11), desse modo, estendendo-se entre a primeira localização (80) e a segunda localização (90), caracterizado por o método compreender: a) transmissão de energia elétrica para o fornecimento ininterrupto de energia (25) através de pelo menos dois condutores () no cabo de afastamento (19) que são os mesmos condutores que transmitem energia para o motor elétrico (11).