BR112021010067A2

BR112021010067A2 - Transmissão de energia em longa distância submersa

Info

Publication number: BR112021010067A2
Application number: BR112021010067-9A
Authority: BR
Inventors: Ernst Kristen Helgøy Kloster
Original assignee: Subsea 7 Norway As
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-08-24
Also published as: GB201820600D0; CA3121882A1; EP3899257B1; WO2020127339A1; US20220025739A1; AU2019409710A1; MX2021007223A; EP3899257A1; GB2579850A; GB2579850B

Abstract

TRANSMISSÃO DE ENERGIA EM LONGA DISTÂNCIA SUBMERSA. A presente invenção refere-se a um sistema submarino de transmissão de energia em longa distância compreende uma estação de bombeamento acionada eletricamente para produzir um fluxo de fluido de trabalho pressurizado e uma estação de geração de eletricidade tendo um gerador elétrico acoplado a uma máquina acionada por fluido. Um duto de fornecimento se estende ao longo do fundo do mar entre a estação de bombeamento e a estação de geração, esse duto sendo arranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de bombeamento para acionar a máquina. Energia elétrica é fornecida para a estação de bombeamento de uma fonte de energia elétrica, tal como uma rede elétrica nacional, e é fornecida do gerador para um consumidor de energia elétrica muito distante da fonte de energia, tal como uma instalação submarina de petróleo e gás.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TRANS- MISSÃO DE ENERGIA EM LONGA DISTÂNCIA SUBMERSA".

[001] A presente invenção refere-se aos desafios de transferir ou transmitir energia em uma longa distância submersa.

[002] A invenção, por exemplo, pode ser aplicada ao fornecimento de energia de uma fonte de energia elétrica onshore para um consumi- dor de energia elétrica distante offshore, tal como uma instalação sub- marina para a produção de petróleo e gás. De modo oposto, a invenção também pode ser aplicada para transportar energia de uma fonte de energia elétrica distante offshore, tal como uma instalação para gerar energia renovável, para uma rede de energia elétrica onshore.

[003] A invenção também pode ser usada para transferir energia entre localizações offshore que são muito distantes umas das outras. Um exemplo é de uma plataforma offshore para uma unidade de pro- cessamento submarina remota que recebe energia da plataforma para processar hidrocarbonetos que então fluem para a plataforma.

[004] Existe uma necessidade crescente para usar, para gerar e para transmitir energia elétrica offshore e em particular em localizações submarinas. Essa necessidade tem sido impulsionada pelo desenvolvi- mento em geração de energia de renovável offshore e por uma exigên- cia crescente para equipamento submarino acionado eletricamente de alta potência, particularmente na indústria submarina de petróleo e gás. Um exemplo de tal equipamento é uma unidade de potência hidráulica ou HPU que é exigida para acionar válvulas ou bombas acionadas hi- draulicamente operáveis remotamente instaladas no fundo do mar.

[005] Antes disto, válvulas ou bombas submarinas normalmente têm sido usadas perto de plataformas offshore de produção de petróleo e gás que fornecem uma fonte de energia próxima de modo conveni- ente. Entretanto, com a tendência para explorar campos submarinos marginais de petróleo e gás, incluindo campos remotos ou inacessíveis,

existe uma necessidade de minimizar o custo de produzir hidrocarbone- tos a partir de tais campos. Uma abordagem para isto é transferir pelo menos algumas funções de produção e armazenamento de parte supe- rior de modo convencional para uma localização submarina, deslocando consequentemente pelo menos algumas etapas de processamento de hidrocarboneto da parte superior para o fundo do mar.

[006] Deslocar etapas de processamento da parte superior para uma localização submarina envolve colocar equipamento acionado ele- tricamente não somente submerso, mas também perto de onde o poço submarino pode estar. Como um poço submarino pode estar a muitos quilômetros de distância de uma fonte de energia elétrica conveniente, tal como uma plataforma ou uma linha costeira povoada, segue-se que existe uma necessidade de fornecer energia elétrica em tensão alta e/ou corrente alta em uma longa distância de modo inconveniente submersa.

[007] Várias propostas têm sido feitas para transferência de longa distância de energia elétrica. Por exemplo, a WO 2013/077744 descreve a transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC) submersa. Entretanto, cabos elétricos que são adequados para uso submerso são extremamente caros. Tais cabos também precisam ser fabricados em um único comprimento, o que envolve um risco crescente de defeitos prejudiciais que surgem em longas distâncias.

[008] A WO 2017/044268 descreve iniciar uma onda de superfície guiada através de uma interface de mar/ar a fim de transferir energia de uma localização offshore. Perdas de potência limitam a distância má- xima de transmissão que é alcançável por esse método.

[009] Em contraste com esta prática, um aspecto da invenção con- siste em um sistema submarino de transmissão de energia em longa distância. O sistema compreende: uma estação de bombeamento acio- nada eletricamente arranjada para produzir um fluxo de fluido de traba-

lho pressurizado; uma estação de geração de eletricidade tendo um ge- rador elétrico acoplado a uma máquina acionada por fluido, a estação de geração estando situada submersa; e um duto de fornecimento se estendendo ao longo do fundo do mar entre a estação de bombeamento e a estação de geração, esse duto sendo arranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de bombeamento para acionar a máquina. O sistema também compreende uma instalação submarina conectada à estação de geração para ser alimentada eletricamente por meio de energia transportada ao longo do duto de fornecimento pelo fluxo de fluido de trabalho. A estação de bombeamento pode ficar situ- ada submersa e pode ficar separada da estação de geração por uma distância de 100 km ou mais.

[0010] O sistema pode compreender ainda uma fonte de energia elétrica remota que é conectada à estação de bombeamento por um cabo. Por exemplo, a fonte de energia elétrica pode ficar em uma loca- lização acima da superfície.

[0011] O sistema pode ser arranjado como um laço fechado ou como um laço aberto. Se o sistema for arranjado como um laço fechado o sistema compreende ainda um duto de retorno se estendendo ao longo do fundo do mar entre a estação de geração e a estação de bom- beamento. O duto de retorno é arranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de geração para a estação de bombea- mento para repressurização. Em um sistema de laço fechado, o fluido de trabalho, por exemplo, pode ser água doce ou monoetilenoglicol (MEG).

[0012] Alternativamente, se o sistema for arranjado como um laço aberto o fluido de trabalho é água de mar, a estação de bombeamento compreende uma entrada de água de mar em comunicação de fluido com uma extremidade do duto de fornecimento e a estação de geração compreende uma saída de água de mar em comunicação de fluido com uma extremidade oposta do duto de fornecimento para expelir água de mar para o mar circundante após usar a água de mar para acionar a máquina.

[0013] Em ambas as configurações de laço fechado e de laço aberto, o sistema pode compreender ainda uma linha de fluxo de pro- dução que se estende ao longo do duto de fornecimento e que está em comunicação de fluido com uma fonte submarina de fluido de produção de hidrocarboneto. De modo conveniente, a linha de fluxo de produção pode ser disposta no interior do duto de fornecimento e se estender ao longo do mesmo. Um aquecedor pode agir sobre o fluido de trabalho no duto de fornecimento. O fluido de produção adequadamente flui na linha de fluxo de produção em contrafluxo para o fluido de trabalho fluindo no duto de fornecimento.

[0014] O duto de fornecimento pode compreender um conduto para turbina hidráulica que tem uma parte aceleradora afunilando na direção da estação de geração.

[0015] A estação de geração, por exemplo, pode compreender pelo menos uma montagem de turbogerador que tem: um alojamento oco arranjado para manter um espaço cheio de gás dentro do alojamento; pelo menos uma entrada de fluido de trabalho se estendendo através do alojamento para efetuar comunicação de fluido entre o duto de for- necimento e o espaço cheio de gás; e uma turbina Pelton suportada dentro do alojamento para girar no espaço cheio de gás em reação ao fluxo do fluido de trabalho entrando no espaço cheio de gás por meio da ou de cada entrada de fluido de trabalho.

[0016] O gerador pode ser suportado de modo conveniente pelo alojamento da montagem de turbogerador. O alojamento pode compre- ender ainda uma câmara para receber o fluido de trabalho após o fluido de trabalho ter colidido na turbina. O alojamento pode ser transposto por pelo menos uma saída de fluido de trabalho que está em comunicação de fluido com a estação de bombeamento ou com a água do mar cir- cundante.

[0017] O conceito inventivo abrange um método correspondente de transmitir energia em uma longa distância submersa. O método com- preende: fornecer energia elétrica de uma fonte de energia elétrica para uma estação de bombeamento acionada eletricamente; usar a energia elétrica na estação de bombeamento para produzir um fluxo de fluido de trabalho pressurizado; transportar o fluxo de fluido de trabalho ao longo do fundo do mar da estação de bombeamento para uma máquina situada submersa distante da estação de bombeamento; usar o fluido de trabalho para acionar a máquina; gerar energia elétrica em um gera- dor acionado pela máquina; e fornecer a energia elétrica do gerador para um consumidor de energia elétrica situado submerso.

[0018] O método pode compreender retornar o fluxo de fluido de trabalho ao longo do fundo do mar da máquina para a estação de bom- beamento, pressurizar novamente o fluxo e recircular o fluxo de volta ao longo do fundo do mar para a máquina em um laço fechado. Alternati- vamente, o método compreende puxar água de mar para dentro da es- tação de bombeamento do mar circundante para constituir o fluxo de fluido de trabalho e expelir a água de mar para o mar circundante após usar a água de mar para acionar a máquina.

[0019] Um fluxo de fluido de produção de hidrocarboneto pode ser transportado paralelo ao fluxo de fluido de trabalho entre a estação de bombeamento e a máquina. Por exemplo, o fluxo de fluido de produção pode ser circundado com o fluxo de fluido de trabalho. Onde o fluxo de fluido de trabalho é aquecido, é vantajoso para o fluxo de fluido de pro- dução ser oposto em direção ao fluxo de fluido de trabalho.

[0020] A invenção adota uma abordagem alternativa para transmis- são de energia que elimina a necessidade de um cabo elétrico subma-

rino longo e de isolamento ou conexão de sistemas elétricos associa- dos. A invenção em vez disto conta com a pressão e fluxo de um fluido de trabalho, o qual pode ser água ou outro líquido.

[0021] Modalidades da invenção fornecem um sistema para trans- ferir energia elétrica em uma longa distância. O sistema compreende: uma bomba acionada eletricamente; pelo menos um conduto para transportar um fluido pressurizado por meio da bomba; e pelo menos uma montagem de turbina na outra extremidade do pelo menos um con- duto; em que a turbina da montagem de turbina é girada pelo fluido pressurizado e desse modo produz eletricidade. O comprimento do con- duto, por exemplo, pode ser maior que 100 km. Este e outros compo- nentes do sistema preferivelmente ficam localizados submersos subs- tancialmente de forma total. Por exemplo, a bomba acionada eletrica- mente pode ficar localizada no fundo do mar enquanto que o seu forne- cimento de energia pode vir de acima da superfície.

[0022] Em algumas modalidades, o sistema de fluido é um sistema de laço fechado compreendendo um caminho de fluido de fornecimento de pressão mais alta da bomba para a turbina e um caminho de fluido de retorno de pressão mais baixa da turbina para a bomba. Por exem- plo, o conduto pode compreender uma tubulação de tubo dentro de tubo, em que um tubo interno contém fluido pressurizado fluindo para a turbina e um espaço anular ou outro espaço em volta do tubo interno contém fluido de retorno fluindo de volta para a bomba, ou vice-versa.

[0023] Em um sistema de laço fechado, o fluido preferivelmente é água doce ou água tratada com aditivos para combater corrosão e cres- cimento microbial. Entretanto, o fluido pode ser outro líquido tal como MEG.

[0024] Em outras modalidades, o sistema de fluido é um sistema de laço aberto no qual a bomba acionada eletricamente puxa para dentro e pressuriza água do mar acima da pressão hidrostática prevalecente e a turbina expele a água do mar de volta para o mar. Nesse caso, o con- duto pode ser uma única tubulação de água, preferivelmente com um diâmetro interno que é maior que 20 pés (6,1 metros).

[0025] Um conduto para uso na invenção, por exemplo, pode ser um conduto de tubo de composto termoplástico, tubo de aço, tubo re- vestido de polímero ou de qualquer combinação de tais tubos. O con- duto pode conter pelo menos uma linha de fluxo para transportar um fluido de produção de hidrocarboneto. O conduto pode conter pelo me- nos um elemento de aquecimento tal como um cabo de aquecimento elétrico.

[0026] Assim, a invenção fornece uma alternativa para cabos sub- marinos de energia de longa distância, usando tubos ou estruturas de tubos dentro de tubos para transportar água de alta pressão para uma localização offshore e ali gerar energia remotamente usando uma tur- bina submarina. Água de retorno, opcionalmente, pode ser bombeada para trás por meio de sucção de uma bomba perto da costa.

[0027] Vantajosamente, a invenção evita ter que converter de HVAC para HVDC e de volta para HVAC para transporte submarino de energia em longas distâncias. Normalmente uma solução como esta exi- giria instalações de parte superior.

[0028] Em resumo, um sistema submarino de transmissão de ener- gia em longa distância da invenção compreende uma estação de bom- beamento acionada eletricamente para produzir um fluxo de fluido de trabalho pressurizado e uma estação de geração de eletricidade que tem um gerador elétrico acoplado a uma máquina acionada por fluido. Um duto de fornecimento se estende ao longo do fundo do mar entre a estação de bombeamento e a estação de geração, esse duto sendo ar- ranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de bom- beamento para acionar a máquina. Energia elétrica é fornecida para a estação de bombeamento por uma fonte de energia elétrica, tal como uma rede elétrica nacional, e é fornecida do gerador para um consumi- dor de energia elétrica muito distante da fonte de energia, tal como uma instalação submarina de petróleo e gás.

[0029] A fim de que a invenção possa ser entendida mais facil- mente, será feita agora referência, a título de exemplo, para os dese- nhos anexos, nos quais: A figura 1 é uma vista lateral esquemática de um primeiro sistema de transmissão de energia da invenção; A figura 2 é uma vista lateral esquemática de um segundo sistema de transmissão de energia da invenção; A figura 3 é uma vista lateral seccional esquemática de uma ligação de transmissão de energia para uso nos arranjos das figuras 1 e 2; A figura 4 é uma vista lateral seccional esquemática de uma variante da ligação de transmissão de energia mostrada na figura 3; A figura 5 é uma vista lateral seccional esquemática de uma variante adicional da ligação de transmissão de energia mostrada na figura 4; A figura 6 é uma vista seccional transversal através de um conduto da ligação de transmissão de energia na linha VI-VI da figura 5; e A figura 7 é uma vista seccional transversal de uma variante do conduto mostrado na figura 6.

[0030] Referindo-se primeiramente à figura 1 dos desenhos, um pri- meiro sistema de transmissão de energia 10 da invenção transmite energia de uma fonte de energia elétrica 12 para um consumidor de energia elétrica que pode ser exemplificado por meio de uma instalação submarina de petróleo e gás 14 no fundo de mar 16. A fonte 12 pode ser uma estação de geração ou um nó de uma rede elétrica.

[0031] Neste exemplo, a fonte 12 está em terra firme (18), mas em vez disto ela pode ficar abaixo da superfície 20, por exemplo, como parte de uma instalação de energia renovável offshore. De modo oposto o consumidor de energia elétrica em vez disto pode ficar acima da su- perfície 20, por exemplo, em uma comunidade em uma ilha que fica separada da terra firme por uma extensão de mar.

[0032] A instalação submarina 14 fica muito distante da fonte 12, na ordem de várias dezenas de quilômetros de distância e potencialmente substancialmente a mais de 100 km de distância, por exemplo, a 150 km a 300 km de distância.

[0033] De acordo com a invenção, o arranjo de transmissão de energia 10 compreende uma ligação submarina de transmissão de energia 22 que, neste exemplo, está situada no fundo de mar 16. A li- gação 22 transporta energia ao longo da maior parte, e potencialmente em quase o total, da distância entre a fonte 12 e a instalação submarina

14. Em uma extremidade, perto da fonte 12, a ligação 22 converte ener- gia elétrica proveniente da fonte 12 em energia cinética e energia po- tencial ao criar um fluxo de fluido de trabalho com pressão de trabalho elevada. O fluido flui ao longo da ligação para acionar uma máquina na outra extremidade da ligação, perto da instalação submarina. A máquina aciona um gerador para converter a energia transportada pelo fluido de volta para energia elétrica para prover de energia a instalação subma- rina 14.

[0034] Assim, na sua extremidade mais perto da fonte 12, a ligação 22 compreende uma estação de bombeamento acionada eletricamente

24. De modo oposto, na sua extremidade mais perto da instalação sub- marina 14, a ligação 22 compreende uma estação de geração 26 que neste exemplo compreende uma montagem de turbogerador. Pelo me- nos um conduto de fluido 28 se estende ao longo do fundo de mar 16 entre a estação de bombeamento 24 e a estação de geração 26.

[0035] A estação de bombeamento 24 pode compreender uma ou mais bombas de qualquer tipo adequado, tais como uma bomba de des- locamento positivo, uma bomba centrífuga ou qualquer combinação de duas ou mais bombas.

[0036] A bomba ou cada bomba da estação de bombeamento 24 é acionada por um motor elétrico integral que é alimentado por meio de um cabo de energia elétrica convencional 30 se estendendo da fonte 12 para a estação de bombeamento 24. Para reduzir seu custo e para ma- ximizar sua confiabilidade, o cabo 30 deve ser tão pequeno quanto pos- sível e consequentemente somente tão longo quanto necessário para conectar a estação de bombeamento 24 no fundo de mar 16 à fonte 12 em terra firme (18). Como um exemplo não limitativo, o cabo 30 pode ter de 5 km a 15 km de comprimento.

[0037] Um segundo conector muito menor 32 conecta a estação de geração 26 a um sistema de distribuição de energia da instalação sub- marina 14.

[0038] A figura 2 dos desenhos mostra um segundo sistema de transmissão de energia 34 da invenção. Este corresponde amplamente ao primeiro sistema de transmissão de energia 10 mostrado na figura 1 e por esta razão números idênticos são usados para recursos idênticos. A principal diferença entre estas variantes é que a figura 2 representa a fonte 12 como uma plataforma offshore ou costeira que tem uma esta- ção de geração a bordo para produzir energia elétrica. O cabo umbilical 30 que conecta essa fonte 12 à estação de bombeamento 24 vantajo- samente pode ser menor que o cabo 30 mostrado na figura 1, potenci- almente não sendo muito maior em comprimento que a profundidade da água entre a superfície 20 e o fundo de mar 16 nessa localização.

[0039] Deslocando agora para as figuras 3, 4 e 5, estes desenhos mostram variantes da ligação 22 que estão identificadas como 22A, 22B e 22C respectivamente. Especificamente, as figuras 3, 4 e 5 mostram detalhes adicionais da estação de geração 26 e de variantes do conduto de fluido 28 que se estende entre a estação de bombeamento 24 e a estação de geração 26. A estação de geração 26 é amplamente comum para todas estas modalidades e assim será descrita primeiro. As vari- antes do conduto de fluido 28 mostradas nas figuras 3, 4 e 5, identifica- das por 28A, 28B e 28C respectivamente, serão descritas posterior- mente.

[0040] A montagem de turbogerador da estação de geração 26 compreende um envoltório ou alojamento abaulado oco, rígido, resis- tente à pressão e autoportante 36. O alojamento 36 é simétrico rotativa- mente em volta de um eixo geométrico central substancialmente vertical 38 e assim é circular em vista plana.

[0041] O alojamento 36 contém um duto coletor ou de anel de uma maneira geral toroidal 40 para receber o fluido de trabalho de alta pres- são 42 do conduto de fluido 28. O duto de anel 40 circunda o eixo geo- métrico central 38. O alojamento 36 também encerra, e o duto de anel 40 também circunda, uma turbina Pelton 44 que é suportada para girar em volta do eixo geométrico central 38. Uma turbina 44 como esta é caracterizada por um conjunto de pás voltadas circunferencialmente que são distribuídas angularmente em volta do eixo geométrico central

38.

[0042] O duto de anel 40 suporta, e está em comunicação de fluido com, um conjunto dos bicos 46 voltados para dentro a partir do duto de anel 40 e que são espaçados angularmente uns dos outros em volta do eixo geométrico central 38. Os bicos 46 são deslocados angularmente a partir de alinhamento radial em relação ao eixo geométrico central 38, todos na mesma direção circunferencial. Assim, os bicos 46 têm orien- tação tangencial para direcionar jatos de fluido de alta pressão a partir do duto de anel 40 para dentro das pás da turbina 44 com substancial momento circunferencial ou tangencial. As pás invertem o fluxo dos ja- tos para maximizar a mudança de momento e consequentemente a força de reação aplicada à turbina 44.

[0043] O alojamento 36 é coroado por, e suporta o peso de, um ge- rador 48 tal como um alternador. O gerador 48 fecha um topo aberto do alojamento 36 e é acoplado à turbina 44 por um eixo de acionamento 50 que também gira no eixo geométrico central 38.

[0044] Um transformador também pode ser montado de modo con- veniente em cima do alojamento 36, por exemplo, em cima do gerador 48, mas foi omitido nestas vistas simplificadas. Por exemplo, o transfor- mador em vez disto pode ser posicionado em outro lugar e conectado ao gerador 48 por meio de cabos ou outros condutores.

[0045] Nas modalidades mostradas nas figuras 3, 4 e 5, o fluido de trabalho 42 é um líquido tal como água. Assim, o alojamento 36 se es- tende de forma descendente abaixo da turbina 44 para definir uma câ- mara aberta 52 que serve como um receptáculo de drenagem para um fluido líquido de trabalho 42 que cai da turbina 44 por gravidade após colidir nas pás da turbina 44. Neste aspecto, uma turbina do tipo Pelton trabalha de forma mais eficiente quando ela gira em um gás. Assim, vantajosamente, a superfície do fluido líquido de trabalho 42 na câmara 52 é mantida abaixo da turbina 44 por um bolsão 54 de ar ou de outro gás em pressão elevada que é capturado em volta da turbina 44 na parte superior abaulada do alojamento 36.

[0046] O duto de anel 40 está em comunicação de fluido com um ou mais dutos de fornecimento 56 do conduto de fluido 28, por meio do que o duto de anel 40 recebe um fluxo de fluido de trabalho de alta pres- são 42 que é expelido, em uso, por uma saída 58 da estação de bom- beamento 24.

[0047] Nos exemplos mostrados nas figuras 3, 4 e 5, o duto ou cada duto de fornecimento 56 tem um conduto para turbina hidráulica 60 que entra no alojamento 36 da estação de geração 26. O conduto para tur- bina hidráulica 60 compreende um venturi de tronco de cone ou parte aceleradora que afunila em uma direção a jusante para acelerar o fluxo de líquido que entra no duto de anel 40.

[0048] Ao entrar no duto de anel 40, o fluxo de entrada acelerado pelo conduto para turbina hidráulica 60 é defletido para seguir o duto de anel 40 em uma direção circunferencial correspondendo àquela dos ja- tos projetados pelos bicos 46. Em consequência, um fluxo de líquido de alta pressão e alta velocidade colide contra as pás da turbina 44 e assim aciona a turbina 44 de modo eficiente.

[0049] A ligação 22A da modalidade mostrada na figura 3 difere das ligações 22B, 22C das modalidades mostradas nas figuras 4 e 5 em que a figura 3 mostra um sistema de laço fechado enquanto que as figuras 4 e 5 mostram sistemas de laços abertos. Assim, o fluido de trabalho 42 na figura 3 é recirculado no sistema em vez de ser expelido para o mar e assim pode ser água doce tratada com aditivos de rotina, ou outro líquido tal como MEG. O alojamento 36 da estação de geração 26, por- tanto, é fechado a fim de encerrar totalmente o fluido de trabalho 42, exceto em uma saída 62 no alojamento 36 no nível da câmara 52 por meio da qual o fluido de trabalho 42 é retornado para a estação de bom- beamento 24.

[0050] Especificamente, o conduto 28A mostrado na figura 3 com- preende os dutos paralelos de fornecimento e de retorno 56, 64 que conjuntamente se estendem entre a estação de bombeamento 24 e a estação de geração 26. Tal como notado acima, o duto de fornecimento 56 efetua comunicação de fluido entre a saída 58 da estação de bom- beamento 24 e o duto de anel 40 da estação de geração 26. De modo oposto, o duto de retorno 64 efetua comunicação de fluido entre a saída 62 no alojamento 36 da estação de geração 26 e uma entrada de sucção 66 da estação de bombeamento 24. O fluido de trabalho 42 fluindo ao longo do duto de retorno 64 que entra pela entrada de sucção 66 da estação de bombeamento 24 é pressurizado novamente pela estação de bombeamento 24 e recirculado através da saída 58 para dentro do duto de fornecimento 56, tal como mostrado na figura 3.

[0051] Voltando a seguir para as ligações 22B, 22C mostradas nas figuras 4 e 5, estes sistemas de laços abertos têm diversos recursos em comum com a ligação 22A mostrada na figura 3. Consequentemente, números idênticos são usados para recursos idênticos. A principal dife- rença entre as figuras 4 e 5 e a figura 3 é que não existe mais um duto de retorno 64, e consequentemente não existe mais uma saída 62 no alojamento 36 da estação de geração 26. Em vez disso, o alojamento 36 tem uma saída de descarga 68 no nível da câmara 52, por meio da qual um fluido de trabalho 42 na forma de água de mar é expelido para o mar circundante após passar pela turbina 44. O fluido de trabalho de água de mar 42 é puxado para dentro de sistema através de uma en- trada de sucção 70 da estação de bombeamento 24 que agora abre diretamente para o mar circundante. O fluido de trabalho de água de mar 42 é pressurizado pela estação de bombeamento 24 e então flui por meio do duto de fornecimento 56 da saída 58 da estação de bom- beamento 24 para o duto de anel 40 da estação de geração 26.

[0052] A ligação 22C mostrada na figura 5 tem todos os recursos da ligação 22B da figura 4 e mais alguns recursos adicionais. De modo mais notável, o duto de fornecimento 56, o qual é também mostrado em seção transversal na figura 6, é alargado para acomodar uma linha de fluxo de produção 72. Uma parte maior da linha de fluxo de produção 72 se estende ao longo do interior do duto de fornecimento 56 em para- lelo à direção de fluxo do fluido de trabalho de água de mar 42. Neste exemplo, essa parte da linha de fluxo de produção 72 se estende cen- tralmente ao longo do duto de fornecimento 56. Assim, neste caso, o duto de fornecimento 56 é um componente anular que circunda a linha de fluxo de produção 72, a qual, portanto, fica submersa no fluido de trabalho de água de mar 42 que flui dentro do duto de fornecimento 56.

[0053] Tal como a figura 5 mostra, a direção de fluxo do fluido de produção de hidrocarboneto ao longo da linha de fluxo de produção 72 tipicamente é oposta à direção de fluxo do fluido de trabalho de água de mar 42 ao longo do duto de fornecimento 56. Este contrafluxo surge porque o fluido de produção flui da instalação submarina 14 mostrada nas figuras 1 e 2 para a terra firme 18 ou para a plataforma que aloja a fonte 12 de energia elétrica.

[0054] A figura 5 também mostra um aquecedor 74 no duto de for- necimento 56 a montante da linha de fluxo de produção 72. O aquecedor 74 aquece o fluxo do fluido de trabalho de água de mar 42 saindo da estação de bombeamento 24 para o propósito de garantia de fluxo na linha de fluxo de produção 72. O calor adicionado vantajosamente reduz o gradiente térmico entre o fluido de trabalho de água de mar 42 e o fluido de produção mais quente na linha de fluxo de produção 72. O contrafluxo mencionado acima entre o fluido de produção e o fluido de trabalho 42 também é vantajoso ao usar um fluido de trabalho aquecido

42. Nesse caso, a temperatura do fluido de trabalho 42 estará em seu valor mais alto na extremidade a montante do duto de fornecimento 56 coincidindo com a extremidade a jusante da linha de fluxo de produção 72, onde o fluido de produção tenderá a ter perdido mais de seu calor.

[0055] A vista seccional transversal do conduto 28C na figura 6 mostra a linha de fluxo de produção 72 suspensa no eixo geométrico longitudinal central 76 do duto de fornecimento 56 pelos elementos es- paçadores 78 que se estendem radialmente de forma externa a partir da linha de fluxo de produção 72 para a superfície interna do duto de fornecimento 56.

[0056] Neste exemplo, o duto de fornecimento é definido externa- mente por um tubo transportador 80 que compreende uma luva ou tubo externo de polímero 82, por exemplo, de PVC, um tubo interno de aço 84 e uma camada de concreto 86 em um espaço anular entre os tubos externo e interno 82, 84. A camada de concreto 86 adiciona peso para estabilizar o duto de fornecimento 56 no fundo de mar 16 e também contribui com algum isolamento térmico para reter calor no fluido de tra- balho de água de mar 42 que flui dentro do duto de fornecimento 56.

[0057] A título de exemplo, o tubo externo 82 pode ter um diâmetro interno de 60 polegadas (1,52 m), o tubo interno 84 pode ter um diâme- tro interno de 54 polegadas (1,37 m) e a linha de fluxo de produção 72 pode ter um diâmetro interno de 16 polegadas (40,6 cm).

[0058] Dentre variações dentro do conceito inventivo, uma linha de fluxo de produção tal como essa mostrada no conduto de fluido 28C do sistema de laço aberto das figuras 5 e 6 pode ser integrada com o con- duto de fluido 28A de um sistema de laço fechado tal como aquele mos- trado na figura 3.

[0059] Neste aspecto, a figura 7 mostra um conduto de fluido 28D no qual um feixe de tubos paralelos é encaixado dentro de um tubo transportador externo 80 tal como esse mostrado na figura 6, compre- endendo consequentemente um tubo externo de polímero 82, um tubo interno de aço 84 e uma camada de concreto 86 no espaço anular entre os tubos externo e interno 82, 84. De novo, a linha de fluxo de produção 72 é disposta centralmente neste exemplo, mas agora ela é enfeixada com, e circundada por, um conjunto dos tubos 88A, 88B para transportar fluido de trabalho 42 da estação de bombeamento 24 para a, e em um sistema de laço fechado opcional também de volta da, estação de gera- ção 26. Os tubos 88A, 88B podem ser suportados dentro do tubo trans- portador 72 por espaçadores transversais ou eles mesmos podem servir como espaçadores que suportam a linha de fluxo de produção 72. Os tubos 88A, 88B podem ser de um material de polímero tal como PVC; a linha de fluxo de produção 72 tipicamente é de aço, mas pode ser de um material composto de polímero.

[0060] Neste exemplo, os tubos 88A, 88B compreendem uma mis- tura igual dos tubos de fornecimento 88A para receber o fluido de traba- lho de alta pressão 42 da estação de bombeamento 24 e dos tubos de retorno 88B para retornar fluido de trabalho 42 de volta para a estação de bombeamento 24 em pressão mais baixa após o fluido de trabalho 42 fornecido pela estação de bombeamento 24 ter passado pela turbina

44.

[0061] Muitas outras variações são possíveis dentro do conceito in- ventivo. Por exemplo, qualquer um dos vários tubos de um conduto ou de uma linha de fluxo de produção pode ser de aço ou amplamente de polímeros ou de materiais compostos. Camadas ou componentes adici- onais podem ser adicionados aos tubos, tais como um revestimento in- terno ou um revestimento externo. Tais camadas ou componentes adi- cionais podem compreender polímero, metal ou materiais compostos. Também, tubos podem ser de construção de tubo dentro de tubo (PiP) de parede única ou de parede dupla.

[0062] Outros elementos alongados tais como tubos e cabos auxili- ares podem ser incluídos em um conduto, se estendendo em paralelo aos outros tubos do conduto para carregar fluidos, energia e sinais de dados entre as cabeças de reboque. Espaçadores transversais distribu- ídos longitudinalmente podem fixar os vários tubos e outros elementos alongados do feixe uns em relação aos outros.

[0063] Fundações, fixações ou âncoras tais como grampos ou pinos podem ser espaçados ao longo de um conduto para suportar o conduto, para fixar o conduto ao fundo do mar e para impedir o conduto de afun- dar excessivamente no fundo do mar.

[0064] Múltiplas estações de bombeamento e/ou unidades de aque- cimento podem ser distribuídas ao longo do comprimento do conduto, tais como estações repetidoras em uma linha de transmissão de dados, para manter a pressão e temperatura do fluido de trabalho.

[0065] O conduto é apropriado para ser rebocado para um local de instalação em múltiplas seções em que cada uma tem alguns quilôme- tros de comprimento. Neste aspecto, o comprimento máximo de cada seção pode ser restringido pela disponibilidade de terra em instalações de fabricação onshore tais como bases de carretéis ou pátios. Entre- tanto, um conduto pode ser feito tão longo quanto exigido ao fabricá-lo de múltiplas seções acopladas extremidade com extremidade.

[0066] Uma seção de conduto rebocável pode ser pré-fabricada, montada e testada onshore ou em água protegida antes de ser rebo- cada para offshore para instalação. Seções podem ser unidas submer- sas ou na superfície. De modo conveniente, múltiplas seções podem ser unidas perto da costa na superfície, rebocadas conjuntamente para um local de instalação como uma única unidade e instaladas no fundo do mar simultaneamente em uma operação.

[0067] Vários métodos de reboque podem ser usados para trans- portar seções de conduto para um local de instalação offshore. Em par- ticular, as seções podem ser rebocadas em várias profundidades na água. Seções podem ser rebocadas na superfície ou perto da superfí- cie, ou perto do fundo do mar para proteger as mesmas contra a influên- cia de dinâmica de água de superfície. Rebocar no meio da água pode ser preferido, por exemplo, usando o método de reboque de profundi- dade controlada ou CDTM tal como conhecido na técnica para instalar feixes de tubulações.

[0068] Empilhar componentes principais da montagem de turboge- rador ao longo do eixo geométrico vertical central simplifica instalação e manutenção, permitindo que a montagem como um todo, ou de qual- quer um de seus componentes principais, seja abaixada da superfície ou elevada para a mesma conjuntamente ou separadamente. Fixações submarinas liberáveis, operáveis por ROV podem ser fornecidas entre os componentes empilhados para este propósito de maneira que a mon- tagem possa ser montada ou desmontada submersa.

[0069] O duto ou cada duto de fornecimento pode ser provido com uma ou mais válvulas que são capazes de controlar ou bloquear fluxo de fluido. Por exemplo, válvulas unidirecionais podem permitir que a água entre no alojamento da montagem de turbogerador, mas blo- queiam a saída de gás do alojamento.

[0070] Uma turbina Pelton é preferida por causa de sua compaci- dade e eficiência. Entretanto, em princípio, a turbina pode ser uma tur- bina de tipo diferente tal como uma turbina Francis. Também pode ser possível substituir a turbina por uma máquina diferente para acionar o gerador, tal como um expansor de parafuso ou outra máquina de deslo- camento positivo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema submarino de transmissão de energia em longa distância, caracterizado pelo fato de que compreende: uma estação de bombeamento acionada eletricamente ar- ranjada para produzir um fluxo de fluido de trabalho pressurizado; uma estação de geração de eletricidade tendo um gerador elétrico acoplado a uma máquina acionada por fluido, a estação de ge- ração estando situada submersa; um duto de fornecimento se estendendo ao longo do fundo do mar entre a estação de bombeamento e a estação de geração, esse duto sendo arranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de bombeamento para acionar a máquina; e uma instalação submarina conectada à estação de geração para ser alimentada eletricamente por meio de energia transportada ao longo do duto de fornecimento pelo fluxo de fluido de trabalho; em que o sistema é arranjado como: um laço fechado, e compreende ainda um duto de retorno se estendendo ao longo do fundo do mar entre a estação de geração e a estação de bombeamento, esse duto sendo arranjado para transportar o fluxo de fluido de trabalho da estação de geração para a estação de bombeamento para repressurização; ou um laço aberto, em que o fluido de trabalho é água de mar, a estação de bombeamento compreende uma entrada de água de mar em comunicação de fluido com uma extremidade do duto de forneci- mento e a estação de geração compreende uma saída de água de mar em comunicação de fluido com uma extremidade oposta do duto de for- necimento para expelir água de mar para o mar circundante após usar a água de mar para acionar a máquina.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma fonte de energia elétrica remota que é conectada à estação de bombeamento por um cabo.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a fonte de energia elétrica fica em uma localização acima da superfície.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o fluido de trabalho é água doce ou monoetilenoglicol se o sistema for arranjado como um laço fe- chado.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma li- nha de fluxo de produção que se estende ao longo do duto de forneci- mento e está em comunicação de fluido com uma fonte submarina de fluido de produção de hidrocarboneto.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a linha de fluxo de produção é disposta dentro do duto de fornecimento.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracteri- zado pelo fato de que compreende ainda um aquecedor agindo no fluido de trabalho no duto de fornecimento.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o fluido de produção flui na linha de fluxo de produção em contrafluxo para o fluido de trabalho fluindo no duto de fornecimento.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o duto de fornecimento compreende um conduto para turbina hidráulica que tem uma parte ace- leradora afunilando na direção da estação de geração.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a estação de bombeamento fica situada submersa.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a estação de geração com- preende pelo menos uma montagem de turbogerador tendo: um alojamento oco que é arranjado para manter um espaço cheio de gás dentro do alojamento; pelo menos uma entrada de fluido de trabalho se estendendo através do alojamento para efetuar comunicação de fluido entre o duto de fornecimento e o espaço cheio de gás; e uma turbina Pelton suportada dentro do alojamento para gi- rar no espaço cheio de gás em reação ao fluxo do fluido de trabalho entrando no espaço cheio de gás por meio da ou de cada entrada de fluido de trabalho.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o gerador é suportado pelo alojamento.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 11 ou 12, carac- terizado pelo fato de que o alojamento compreende ainda uma câmara para receber o fluido de trabalho após o fluido de trabalho ter colidido na turbina.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma saída de fluido de trabalho se estendendo através do alojamento em comunicação de fluido com a estação de bombeamento.

15. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma saída de fluido de trabalho se estendendo através do alojamento em comunicação de fluido com água do mar circundante.

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a estação de bombeamento e a estação de geração ficam separadas por uma distância de pelo me- nos 100 km.

17. Método de transmitir energia em uma longa distância submersa, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer energia elétrica de uma fonte de energia elétrica para uma estação de bombeamento acionada eletricamente; usar a energia elétrica na estação de bombeamento para produzir um fluxo de fluido de trabalho pressurizado; transportar o fluxo de fluido de trabalho ao longo do fundo do mar da estação de bombeamento para uma máquina que fica situada submersa e fica distante da estação de bombeamento; usar o fluido de trabalho para acionar a máquina; gerar energia elétrica em um gerador acionado pela má- quina; e fornecer a energia elétrica do gerador para um consumidor de energia elétrica situado submerso; em que o método compreende ainda: retornar o fluxo de fluido de trabalho ao longo do fundo do mar da máquina para a estação de bombeamento, pressurizar nova- mente o fluxo e recircular o fluxo de volta ao longo do fundo do mar para a máquina em um laço fechado; ou puxar água de mar para dentro da estação de bombeamento do mar circundante para constituir o fluxo de fluido de trabalho e expelir a água de mar para o mar circundante após usar a água de mar para acionar a máquina.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a fonte de energia elétrica fica em uma localização acima da superfície.

19. Método de acordo com a reivindicação 17 ou 18, carac- terizado pelo fato de que a estação de bombeamento fica situada sub- mersa.

20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações

17 a 19, caracterizado pelo fato de que compreende transportar um fluxo de fluido de produção de hidrocarboneto paralelo ao fluxo de fluido de trabalho entre a estação de bombeamento e a máquina.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende circundar o fluxo de fluido de produção com o fluxo de fluido de trabalho.

22. Método de acordo com a reivindicação 20 ou 21, carac- terizado pelo fato de que compreende aquecer o fluxo de fluido de tra- balho.

23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 22, caracterizado pelo fato de que o fluxo de fluido de produção é oposto em direção ao fluxo de fluido de trabalho.