BRPI0716780B1

BRPI0716780B1 - Método e sistema de partida e operação de uma carga submarina eletricamente acionada

Info

Publication number: BRPI0716780B1
Application number: BRPI0716780-6A
Authority: BR
Inventors: Ole-Johan Bjerknes; Trygve Lund
Original assignee: Aker Solutions As
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2023-05-16
Also published as: JP5656404B2; NO326634B1; EP2070185A4; WO2008033033A2; CA2663268C; AU2007295187B2; US20100019717A1; AU2007295187A1; US8269449B2; CA2663268A1; US8872467B2; BRPI0716780A2; JP2010503791A; US20120313372A1; NO20064084L; WO2008033033A3; EP2070185B1; RU2009113662A; EP2070185A2; RU2435966C2

Abstract

MÉTODO E SISTEMA DE PARTIDA E OPERAÇÃO DE UMA CARGA ELETRICAMENTE ACIONADA A presente invenção refere-se a um método e sistema de partida e operação de uma carga eletricamente acionada, por exemplo, um compressor (1) ou bomba, por meio de uma fonte de alimentação de um acionador mecânico, por exemplo, uma turbina ou motor de combustão, pelo qual a carga é mecanicamente conectada a uma primeira máquina elétrica, e o dito acionador mecânico é mecanicamente conectado a uma segunda máquina elétrica. O método compreende as etapas de: 1) interconectar eletricamente a primeira máquina elétrica à segunda máquina elétrica em uma condição parada ou quando a primeira e ou a segunda máquina se encontram a baixa velocidade; 2) em uma fase de aceleração, acelerar a primeira máquina elétrica por meio da aceleração da segunda máquina elétrica com o acionador mecânico; e 3) quando a primeira máquina elétrica atinge uma velocidade de rotação predefinida, sincronizar a mesma com uma rede elétrica local e conectar a mesma à rede.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se, em geral, a grandes mecanismos de acionamento elétrico, de velocidade fixa, especialmente da faixa de 10 MW ou acima. Em aplicações submarinas, a presente invenção pode ser aplicável a todos os tamanhos de mecanismos de acionamento (também equipamentos com menor consumo de energia, por exemplo, tendo um sistema de alimentação de energia fraco). A presente invenção é especialmente adequada para mecanismos de acionamento de compressores a gás ou mecanismos de acionamento de bombas grandes e extragrandes, mas pode também ser utilizada para o funcionamento de outros tipos de equipamentos de alta potência em diferentes aplicações. A mesma é muito adequada para operar equipamentos para o processamento do gás natural, por exemplo, para a produção de gás natural liquefeito em fábricas de gás LNG, onde compressores para a liquefação de gás natural em uma fábrica de processamento de gás são acionados por um sistema de acionamento elétrico.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[002] Os projetos relacionados ao petróleo e ao gás frequentemente incluem grandes mecanismos de acionamento de bomba e/ou compressor projetados adequadamente para uma construção econômica, uma partida e funcionamento em diversas condições. Um exemplo pertinente seria um projeto de fábricas de gás LNG.

[003] O gás natural liquefeito ou GNL é um produto advindo do resfriamento do gás natural a uma temperatura na qual o gás natural se torna líquido. O gás natural pode ser transportado em grandes volumes em estado líquido de uma forma econômica, especialmente nas situações em que dutos não se encontram disponíveis ou são caros ou demorados demais para instalação. Normalmente, os navios-tanque de gás LNG transportam grandes volumes de gás natural por via marítima a partir de um local de produção para um local de consumo ou para um local de armazenamento intermediário.

[004] A Publicação do Pedido de Patente Internacional N° WO 97/33131 descreve uma instalação de produção de gás natural liquefeito, na qual as principais etapas de arrefecimento são interligadas mecanicamente e são dispostas de modo a serem acionadas por uma única turbina a gás comum, com um motor auxiliar sendo disposto para a fase de partida da turbina a gás. As desvantagens de se interligar mecanicamente as peças de acionamento e acionada da instalação são, entre outras, um longo trem de máquinas rotativas sobre um eixo comum, o que toma grande espaço e requer um eixo cuidadosamente equilibrado, e que as máquinas de acionamento e acionada devem estar situadas mutuamente próximas.

[005] Atualmente, a produção de gás LNG é muitas vezes baseada em turbinas de gás ou vapor de modo a suprir energia para o mecanismo de acionamento dos processadores de refrigeração utilizados para liquefazer o gás natural. Como um exemplo, a Publicação do Pedido de Patente Internacional N° WO 2005/047789 A2 descreve um sistema de acionamento para a produção de gás LNG no qual um compressor de refrigeração é acionado por uma turbina a gás acoplada juntamente a um motor de partida elétrica em um eixo de acionamento comum entre a turbina e o compressor.

[006] Os mecanismos de acionamento de compressor baseados em uma turbina a gás, como um acionador mecânico localizado relativamente perto do compressor, apresentam os riscos relacionados a um dispositivo de queima de gás que normalmente opera a uma temperatura bem alta, disposto bem perto de um compressor de refrigeração em uma fábrica de gás LNG. Além disso, a turbina a gás normalmente produz uma quantidade de gases de escape que devem ser tratados de forma alguma de modo a limitar os riscos em uma fábrica de processamento de gás natural. Qualquer um que considere a construção ou o funcionamento de fábricas de gás LNG em terra, no mar ou em qualquer outra parte vai entender que queimadores de gás locais e emissões de gases de escape quentes com relação às áreas de risco não vêm a ser uma solução ideal, e uma solução de substituição que pudesse também melhorar a regularidade da produção seria provavelmente mais atraente. A opção alternativa óbvia vem a ser os mecanismos de acionamento elétrico controlados à frequência que também devem ser usados em várias combinações com os mecanismos de acionamento de turbina. A fábrica operada pela empresa Statoil em Hammerfest na Noruega é um exemplo de uma fábrica de gás LNG controlada à frequência.

[007] A Publicação da Patente U.S. N° 5.689.141 descreve um sistema de acionamento de compressor para uma fábrica de liquefação de gás natural tendo uma partida assistida por um conversor de frequência por meio da aceleração da turbina a gás para ignição e velocidade de êmbolo. Durante o funcionamento normal em uma velocidade fixa, o motor elétrico funciona como um gerador de modo a converter energia mecânica excedente gerada por uma turbina a gás em energia elétrica e alimentar esta energia elétrica para a principal fonte de energia da fábrica. Neste caso, a turbina a gás e o compressor são montados sobre um eixo comum.

[008] Um conversor de frequência é uma peça de equipamento muito grande. Para transferir as taxas de força da ordem de 50 MW, o conversor de frequência pode encher um prédio de quatro ou cinco andares com uma base de cerca de 1000 m2. Apesar da dimensão e custos destes conversores de frequência, os mesmos são muitas vezes considerados um equipamento necessário para a transferência de energia elétrica entre um equipamento de acionamento e acionado quando a taxa de força é da ordem de 10 MW ou mais.

[009] A Publicação da Patente U.S. N° 6.640.586 B1 descreve um sistema de processo de liquefação de gás natural que emprega acionadores mecânicos e motores elétricos como os acionadores do compressor. Várias combinações de compressores e motores elétricos são descritas, utilizados para diversos tipos de refrigerantes. Esta publicação inclui uma breve descrição de vários inconvenientes do uso das turbinas a gás convencionais em fábricas de gás LNG e apresenta várias formas de se combinar compressores e motores elétricos para o acionamento dos compressores em uma fábrica de gás LNG. Os motores elétricos são nessas soluções muitas vezes usados para partida por meio de vários métodos, eventualmente, para ajudar as turbinas de gás durante uma operação normal e a coluna acionada mecânica algumas vezes também inclui turbinas a vapor.

[0010] Em vista da técnica anterior acima descrita e das falhas apontadas na técnica anterior mais próxima, é desejável prover soluções novas e inventivas que possam superar uma ou mais dos inconvenientes acima citados, e simultaneamente obter uma ótima funcionalidade em um sistema acionador de compressor para uma fábrica de gás LNG ou outros fins.

OBJETO DA INVENÇÃO

[0011] É um objetivo geral da presente invenção prover um sistema de acionamento de carga, por exemplo, para um compressor ou bomba, onde a necessidade de um equipamento conversor oneroso e de grande frequência é bastante reduzida. Isto irá reduzir o custo, o peso e o volume do sistema em geral, ao mesmo tempo, reduzindo a complexidade de funcionamento e de construção da fábrica.

[0012] Um segundo objetivo da invenção é prover um sistema de acionamento de carga geral, por exemplo, um compressor ou bomba, que pode ser utilizado para uma fábrica de processamento, especialmente uma fábrica de liquefação de gás natural, e reduzir o custo de unidades de espera e de peças sobressalentes para fins de reposição.

[0013] É ainda um objetivo adicional da presente invenção prover uma nova disposição de compressor ou bomba de acionamento, especialmente para uma fábrica de processamento de petróleo e/ou gás natural na qual não é prático se acoplar uma turbina de gás ou vapor para o eixo mecânico do compressor ou bomba, a fim de acionar a mesma, por exemplo, em espaços fechados onde apenas uma disposição de mecanismo de acionamento elétrica é preferível.

[0014] É ainda um outro objetivo adicional da presente invenção prover uma nova disposição de mecanismo de acionamento adequada para aplicações nas quais a mesma pode ligar longas distâncias que muitas vezes impede o uso de métodos de partida suave ou de partida direta em linha conforme típico em operações de acionamento de velocidade fixa. Exemplos típicos seriam os locais de acionamento remoto que poderiam ser bastante inacessíveis, especialmente quando localizados submarinos.

[0015] É um outro objetivo adicional da presente invenção prover uma disposição nova de acionamento adequada para um gerador flexível para a atribuição do motor, a fim de permitir uma partida e a operação de diferentes combinações de motores e geradores totalmente independentes uns dos outros e convivendo em sistemas de energia elétrica. É também um objeto prover a operação de sistemas de energia coexistentes parcialmente independentes uns dos outros, ou seja, em um modo de ilha, com uma frequência de sistema selecionável muito livremente dentro de cada sistema de energia operado no modo de ilha. Para estes, a utilização de vários princípios de conversão de energia elétrica pode permitir o intercâmbio de energia elétrica a fim de aumentar a margem de geração de energia dentro de cada sistema de energia operado em um modo de ilha.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0016] Em um primeiro aspecto da invenção, é provido um método de partida e operação de uma carga eletricamente acionada, por exemplo, um compressor (1) ou bomba, por meio de uma fonte de alimentação de um acionador mecânico, por exemplo, uma turbina ou motor de combustão, por meio do qual a carga é mecanicamente ligada a uma primeira máquina elétrica, e o dito acionador mecânico é mecanicamente ligado a uma segunda máquina elétrica, o método caracterizando-se pelo fato de: 1) eletricamente interligar a primeira máquina elétrica à segunda máquina elétrica parada ou quando a primeira e ou a segunda máquina têm baixa velocidade; 2) em uma fase de aceleração, acelerar a primeira máquina elétrica através da aceleração da segunda máquina elétrica com o acionador mecânico, e 3) quando a primeira máquina elétrica alcança uma velocidade rotacional predefinida, sincronizar a mesma a uma rede elétrica local e ligar a mesma a essa rede.

[0017] Com este método, é possível partir e conduzir a primeira máquina elétrica sem ficar dependente de um conversor de frequência acoplado entre o gerador e o motor por todo o tempo.

[0018] Em um segundo aspecto da presente invenção, é provido um método de partida e operação de uma carga eletricamente acionada, por exemplo, um compressor (1) ou bomba, cuja carga é acionada por uma primeira máquina elétrica por meio do suprimento de força de um acionador mecânico, como, por exemplo, uma turbina ou motor de combustão, ou um conversor de frequência, que recebe energia a partir de uma rede elétrica externa, ou de uma fonte local, tal como um acionador mecânico, o método caracterizando-se pelo fato de: 1) em uma fase de aceleração, acelerar a primeira máquina elétrica como um motor para a dita carga, a partir de uma velocidade zero, ou próxima de zero ou a baixa velocidade, ao: a) acelerar uma segunda máquina elétrica conectada ao dito acionador mecânico, a segunda máquina elétrica sendo eletricamente interligada à dita primeira máquina elétrica e atuando como um gerador; ou b) suprir força à primeira máquina elétrica a partir do dito conversor de frequência; 2) sincronizar a primeira máquina elétrica a uma rede elétrica local e, em seguida; 3) após a fase de aceleração, operar a primeira máquina elétrica, suprindo a mesma com a energia da rede elétrica local, cuja rede é alimentada com a energia de: a) uma rede elétrica externa; ou b) pelo menos um acionador mecânico ligado a pelo menos uma segunda máquina elétrica, tornando, assim, o conversor de frequência disponível para outras tarefas.

[0019] De preferência, o conversor de frequência, quando utilizado, é desligado quando ou depois de a segunda máquina elétrica é/for ligada. Assim, o conversor de frequência fica livre para ser utilizado para partir uma outra combinação de gerador/motor ou para outros fins.

[0020] Em uma modalidade preferível do método, de acordo com o primeiro ou o segundo aspecto da presente invenção, a aceleração da dita segunda máquina elétrica é provida ao se partir uma turbina a vapor a uma velocidade zero ou próxima de zero. A turbina a vapor é mecanicamente acoplada ao dito segundo motor elétrico. Sendo assim, a utilização de um conversor de frequência para uma partida é desnecessária.

[0021] Em uma modalidade ainda preferível do método, de acordo com o primeiro ou o segundo aspecto da presente invenção, a aceleração da segunda máquina elétrica é provida por meio da aceleração de uma turbina a gás que parte de sua velocidade mínima de funcionamento até a velocidade nominal, enquanto se encontra mecanicamente acoplada ao segundo motor elétrico. Isto também elimina a necessidade de um conversor de frequência para a partida.

[0022] Em uma modalidade especialmente preferível do segundo aspecto da presente invenção, o conversor de frequência é usado, após a fase de aceleração, para poder adaptar a força da rede elétrica externa às características da rede elétrica local, ou adaptar a força da rede elétrica local às características da rede elétrica externa, deste modo tornando possível importar e/ou exportar energia do sistema de força local.

[0023] Em um terceiro aspecto da presente invenção, é provido um sistema de partida e funcionamento para a partida e funcionamento de pelo menos uma carga mecânica, cuja carga é conectada a e acionada por pelo menos uma primeira máquina elétrica, o sistema sendo caracterizado pelo fato de que a força para a primeira máquina elétrica é provida com um acionador mecânico mecanicamente conectado a uma segunda máquina elétrica que funciona como um gerador, cuja segunda máquina elétrica é adaptada para ser exclusivamente conectada à dita primeira máquina elétrica ou a uma pluralidade de máquinas elétricas, por meio do que o sistema é adaptado para acelerar a dita primeira máquina elétrica por meio do fornecimento controlado de energia a partir da segunda máquina elétrica para a primeira máquina elétrica.

[0024] Em uma modalidade preferida do terceiro aspecto da presente invenção, a dita carga é disposta de modo a funcionar a uma velocidade fixa ou síncrona com relação ao gerador durante um funcionamento normal. Por conseguinte, a necessidade de um conversor de frequência conectado entre o gerador e a carga é removida.

[0025] No quarto aspecto da presente invenção, é provido um sistema de partida e funcionamento para a partida e funcionamento de pelo menos uma carga mecânica, como, por exemplo, um compressor ou bomba, cuja carga é conectada a e acionada por pelo menos uma primeira máquina elétrica, o sistema sendo caracterizado pelo fato de compreender: - um acionador mecânico ligado a uma segunda máquina elétrica, cuja segunda máquina elétrica é adaptada para ser unicamente ligada eletricamente a uma ou mais primeiras máquinas elétricas, funcionando, assim, como um gerador durante uma fase de aceleração ou uma fase operacional seguinte; - um conversor de frequência, como um VFD (acionador de frequência variável), adaptado para ser exclusivamente ligado a uma ou mais primeiras máquinas elétricas, acelerando, assim, a dita primeira máquina elétrica em uma fase de aceleração ou operando a primeira máquina elétrica em uma fase operacional, por meio da qual: - o conversor de frequência é adaptado para ser provido com a energia de uma rede elétrica externa ou de uma rede elétrica local.

[0026] Em uma modalidade preferida do terceiro ou quarto aspecto da presente invenção, o sistema compreende uma linha de força com pelo menos um sistema de barramento duplo a fim de permitir que a utilização paralela de outro equipamento elétrico independente das ações do gerador para a partida do motor que aciona o compressor.

[0027] Em ainda uma modalidade preferida do sistema, de acordo com a presente invenção, a segunda máquina elétrica é acionada por um dispositivo a turbina ou um motor a diesel, etc.

[0028] Em ainda uma modalidade preferida de um sistema de acordo com a presente invenção, a turbina compreende uma turbina a gás e/ou de uma turbina a vapor.

[0029] Em ainda outras modalidades preferíveis do sistema de acordo com a presente invenção, a primeira máquina elétrica compreende uma máquina elétrica síncrona e/ou um motor de indução elétrica.

[0030] Em outra modalidade preferível do quarto aspecto da presente invenção, o conversor de frequência é adaptado para poder adaptar a força da rede elétrica local às características da rede elétrica externa, possibilitando a exportação de energia do local para a rede elétrica externa.

[0031] Tendo já mencionado os aspectos mais importantes da invenção, a invenção será agora descrita em mais detalhes, com referência aos desenhos em apenso, nos quais:

[0032] A Figura 1 ilustra um estado da solução da técnica para o acionamento de um compressor de refrigerante para a liquefação de gás natural, típico dos conversores de frequência de acionamento dedicados.

[0033] A Figura 2 ilustra um circuito acionador de compressor de gás LNG, de acordo com um princípio de presente invenção para a realização dos métodos de acordo com a presente invenção.

[0034] A Figura 3 mostra um diagrama mais detalhado de uma primeira modalidade exemplar de um circuito acionador de compressor de gás LNG de acordo com a presente invenção.

[0035] A Figura 4 ilustra um diagrama mais detalhado de uma segunda modalidade exemplar de um circuito acionador de compressor de gás LNG de acordo com a presente invenção.

[0036] A Figura 5 ilustra um diagrama mais detalhado dos sistemas de força coexistentes que podem operar em diferentes frequências.

[0037] A Figura 1 é incluída no sentido de descrever uma técnica atual convencional de modo a oferecer uma introdução à presente invenção. A Figura 1 ilustra uma geração de força de ciclos combinada (geração de vapor e eletricidade em uma fábrica de cogeração), na qual um acionador elétrico de velocidade variável (VSD) controla a velocidade de um motor elétrico. Um compressor de refrigerante 1 é acionado pelo motor elétrico 2, que é mecanicamente acoplado ao eixo de acionamento 10 do compressor 1. A fim de controlar a velocidade do motor elétrico 2, é uma técnica conhecida inserir um mecanismo de acionamento de velocidade variável (também chamado de mecanismo de acionamento de velocidade ou de frequência variável - VSD ou VFD) 3 entre um gerador de força 4, 5 e o motor elétrico 2. O acionador VFD opera ao converter a entrada de um sinal de CA para CC, e em seguida, gerando uma saída de corrente CA a uma frequência diferente. A frequência do sinal elétrico de saída do acionador VFD controla a velocidade de um motor elétrico e o acionador VFD permite o controle da frequência infinita e, consequentemente, o controle da velocidade do motor. Graças ao acionador VSD/VFD, a turbina 7 e o gerador 5 podem operar a uma velocidade relativamente constante, enquanto o motor elétrico 2 e o compressor 1 podem variar em velocidade de acordo com as necessidades. Estes princípios são muitas vezes utilizados para uma ampla faixa de mecanismos de acionamento de compressores.

[0038] Para a liquefação de gás natural como parte de uma fábrica de produção de gás, serão necessárias várias dezenas de MW de energia elétrica para acionar um compressor de capacidade suficiente, e, assim, os componentes, por exemplo, o acionador VFD, serão unidades tipicamente volumosas, com um considerável custo econômico associado ao projeto, instalação e serviço.

[0039] A Figura 2 ilustra o modo como esse acionador de compressor de gás LNG, de acordo com a presente invenção, pode ter uma forma simplificada, desde que os compressores sejam partidos por meio de um método adequado, e no qual o compressor, em um funcionamento normal, é disposto de modo a ser acionado a uma velocidade sincronizada com a velocidade da turbina. Os métodos adequados para o funcionamento do sistema da Figura 2 serão explicados a seguir, e nos quais será dado especial destaque aos procedimentos de partida do compressor.

[0040] A Figura 2 ilustra como um compressor de refrigerante 1 é acionado por um motor elétrico 2. O motor elétrico 2 é alimentado eletricamente através de uma rede de transmissão de energia elétrica 40 pelo gerador de força 4 e/ou gerador de força 5. A energia é transferida diretamente, sem o uso de um mecanismo de acionamento de velocidade/frequência variável. Os geradores de força 4, 5 podem ser acionados por uma turbina a vapor 6 e uma turbina a gás 7, respectivamente.

[0041] A Figura 3 ilustra em mais detalhes uma modalidade exemplar de como o princípio da presente invenção, conforme ilustrado na Figura 2, pode ser realizado em um sistema mais complexo. Como na Figura 2, o compressor de refrigerante 1A, 1B é acionado por um motor elétrico 2A, 2B, o motor elétrico sendo mecanicamente acoplado ao eixo de transmissão 10A, 10B do compressor. O motor elétrico pode, por exemplo, ser conectado através de uma aparelho de distribuição padrão ou disposição de quadro de distribuição composto de duas chaves de seção e um interruptor de circuito de força (típico nas montagens de aparelho de distribuição isoladas a gás) 50A, 50B para uma rede de transmissão de energia elétrica 40, que, no exemplo, consiste de dois barramentos 40a, 40b. A força ao motor elétrico 2A, 2B é, no exemplo da Figura 3, suprida por um gerador de força 4 acionado por uma turbina a vapor 6. O gerador de força 4 é acoplado à rede de transmissão elétrica 40 através de uma segunda disposição de chave 50B, que pode ser similar à disposição de chave 50A.

[0042] Preferencialmente, a rede de transmissão elétrica 40 compreende uma rede do tipo barramento duplo de modo a permitir uma utilização paralela de outro equipamento elétrico independente das ações do gerador de força 4 para a partida do motor 2A, 2B, que aciona o compressor 1A, 1B. Isto significa que os geradores 4, 5a, 5b podem ser conectados aos motores 2a, 2b, através de ambos os barramentos 40a, 40b.

[0043] A rede 40 pode ser conectada à outra rede através das ligações de barramento 60.

[0044] Além da turbina a vapor 6 e do gerador 4, o sistema também compreende as turbinas a gás 7A, 7B e os geradores associados 5A, 5B. Os mesmos podem ainda ser usados para acionar os motores 2A, 2B, ou, juntamente com a turbina a vapor 6, suprirem força aos motores 2A, 2B.

[0045] Na Figura 4, é apresentada uma segunda modalidade exemplar detalhada de um conceito de mecanismo de acionamento de gás LNG, de acordo com a presente invenção. O sistema da Figura 4 é, em princípio, similar ao sistema da Figura 3. No entanto, é incluído um dispositivo conversor de frequência 80. Este poderia ser adaptado de modo a executar um acionamento de compressor baseado em um conversor de frequência tradicional. Neste caso, o dispositivo conversor de frequência 80, que é de uma interface de ligação CC, conecta uma primeira rede elétrica 40B à qual um gerador 4A e um gerador 4B, mecanicamente acoplados a uma turbina a gás 6A e a uma turbina a gás 6B, é conectada, a uma segunda rede elétrica 40A à qual um motor 2B e um gerador 5A estão conectados. O motor 2B é mecanicamente acoplado a um compressor 1B e o gerador 5A é mecanicamente acoplado a uma turbina a vapor 7A.

[0046] Através do conversor de frequência 80, a força a uma frequência variável pode ser suprida ao motor elétrico 2B na partida, por exemplo, a partir do compressor de gás 6A ou do gerador 4A. Uma vez partido, o motor 2B pode se desenvolver a uma frequência fixa, de por exemplo 60 Hz, do suprimento de força do gerador 4a.

[0047] Depois desta sequência de partida, uma disposição de ultrapassagem síncrona, incluindo um barramento 60 ou 70, pode substituir o dispositivo conversor de frequência 80, ou seja, o dispositivo conversor de frequência 80 é desligado, enquanto uma disposição de ultrapassagem síncrona 60 ou 70 conecta a primeira e a segunda redes elétricas 40A, 40B. Sendo assim, será possível isolar o motor elétrico 2B em uma rede elétrica local com níveis fixos de frequência e tensão, uma vez tenha sido partido. O dispositivo conversor de frequência 80 fica agora livre para ser utilizado na partida de um outro motor elétrico.

[0048] Como um exemplo, a reutilização de um conversor de frequência grande em um conceito de velocidade síncrona deve usar o mesmo como uma terminação em uma ligação de luz de corrente de alta tensão HVDC, por exemplo, conforme fabricada pela empresa ABB, ou em uma ligação HVDC-Plus, por exemplo, conforme fabricada pela empresa Siemens AG, ou como uma disposição de sistema similar normalmente dedicada para mecanismos de acionamento locais ou, em alternativa, para várias interligações de sistema utilizadas para ligar diferenças regionais ou se conectar a algum outro lugar distante onde exista um mercado para energia elétrica.

[0049] A ligação de corrente HVDC pode, por exemplo, ser incluída na filosofia de economia/redundância de geração de força quando há possibilidades de exportação e importação de energia elétrica na extremidade remota, ou seja, a redução de custos é possível através da redução do número de mecanismos de acionamento de turbina a gás. O suprimento de força de partida pode ser de uma ligação local ou remota além de ou em vez de gerado pelo gerador mostrado.

[0050] Tendo agora descrito algumas modalidades do mecanismo de acionamento de compressor de gás LNG, de acordo com a presente invenção, alguns procedimentos para a partida do motor elétrico 2 serão explicados em mais detalhes.

Método de Partida N° 1

[0051] Partida de mecanismo de transmissão de compressor grande ou XL (extragrande) com frequência e tensão de sistema elétrico variáveis, especialmente utilizando um gerador acionado a turbina a vapor (com referência à Figura 3): 1. Um gerador acionado a turbina a vapor 4 é parado (uma turbina a vapor normalmente tem de ser aquecida antes de colocar qualquer carga significativa sobre a mesma) e concebido para dar a partida em um compressor 1A acionado a um específico motor elétrico 2A. De preferência, o gerador e o motor são conectados em um "modo de ilha", ou seja, estes dois dispositivos são ligados de modo a não sofrerem nenhuma interferência por parte e outros dispositivos, por exemplo, utilizando apenas um dos barramentos 40a, 40b de um sistema de barramento duplo, conforme mostrado na Figura 3. 2. O gerador 4 e o motor 2A são em seguida eletricamente conectados "parados" e seus respectivos sistemas de excitação são ativados por meio do suprimento de força a partir de uma outra fonte. 3. Em seguida, toda a linha, incluindo a turbina 6, o gerador 4, o motor 2A, e o compressor 1A, são simultaneamente de partida. Quando as engrenagens de ligação das turbinas a vapor 6 são postas em funcionamento durante a sequência de excitação do gerador 4 e do motor 2A, o compressor 1A tentará então seguir. 4. Em seguida, o fluxo de vapor é ligado e o gerador acionado a turbina a vapor 4 irá produzir uma saída elétrica similar a de um conversor de frequência, e toda a coluna eletricamente interligada 4, 2A, através da rede de transmissão elétrica 40 (conforme mostrado através do barramento 40a) partirá suavemente e acelerará as duas máquinas síncronas 4, 2A. 5. Quando as duas máquinas síncronas 2A, 4 operadas como o gerador 4 e o motor 2A, chegam à velocidade nominal, a coluna toda 2A, 4 pode ser sincronizada através da rede de transmissão elétrica 40 ao restante do sistema de energia elétrica (através das ligações de barramento 60, 65).

[0052] O método acima pode também ser usado para permitir uma partida semissimultânea de várias máquinas síncronas eletricamente interligadas, ou seja, de motores e geradores. O método é provavelmente bem adequado para a produção de gás LNG em campos de gás remotos e isolados ou em campos de petróleo e/ou gás menores, sem acesso a condutos. Uma turbina a gás gêmea ou de múltiplos eixos poderia substituir a turbina a vapor neste método de partida.

Método de Partida No 2

[0053] Partida de mecanismo de transmissão de compressor grande ou XL com frequência e tensão de sistema elétrico variáveis, utilizando um gerador acionado a turbina a gás (com referência à Figura 3): 1. Inicialmente, um gerador 5A acionado a turbina a gás 7A é desacelerado a tipicamente 60% ou a uma velocidade mínima, desexcitado e concebido para partir compressor 1A acionado a um motor elétrico 2A específico. 2. O gerador 5A e o motor 2A são em seguida eletricamente interligados em um modo "desexcitado" e os sistemas de excitação do gerador são, então, ativados para uma partida suave da máquina síncrona desexcitada, como um motor de indução, em tipicamente 60% de sua frequência operacional. Os enrolamentos de amortecimento sobre a máquina síncrona não devem ser sobrecarregados em um modo assíncrono ou em uma operação de máquina de indução, uma vez que o torque necessário para acelerar o compressor a uma velocidade de aproximadamente 60% é normalmente bastante limitado. 3. Quando o "motor de indução" se aproxima de uma velocidade síncrona, o mesmo é excitado e entra em um modo de operação síncrono, juntamente com o gerador atribuído. 4. Quando as máquinas síncronas operadas como gerador e motor atingem a velocidade nominal e, em seguida, toda a coluna pode ser sincronizada ao resto do sistema elétrico.

[0054] Este método de partida No 2 é considerada como um método bastante robusto de partida e espera-se também que o mesmo permita a partida simultânea de várias máquinas síncronas eletricamente interligadas, mesmo que sejam introduzidos blocos transformadores. Sendo assim, este método oferece flexibilidade de seleção de equipamentos.

Método de Partida No 3

[0055] Partida controlada a frequência com ultrapassagem síncrona à velocidade nominal (com referência à Figura 4): 1. Uma ultrapassagem síncrona 60, 70 para uma operação de velocidade síncrona é desconectada e um dispositivo conversor de frequência 80 é conectado entre um motor 2B e um ou mais geradores 4A, 4B. Os geradores 4A, 4B suprem energia para acelerar o motor 2B, possivelmente a partir de uma paralisação. 2. Quando o compressor 1B atinge uma velocidade nominal, o dispositivo conversor de frequência 80 é desconectado e a ultrapassagem síncrona 60, 70 é conectada de modo a livrar o conversor de frequência do serviço e permitir que o motor seja acionado pela rede elétrica local 40a, 40b. Quando isto acontece, as correntes CA-CC-CC-CA ou o dispositivo conversor de frequência 80 ficam livres para serem usadas para dar a partida em um outro motor, por exemplo, o motor 2A ou para outros fins.

[0056] Este método No 3 é adequado para os projetos nos quais é viável se usar um dispositivo conversor de frequência para mais de uma finalidade. Se o projeto for adequado para interface com outros sistemas de energia através de uma ligação de corrente de alta tensão HVDC, deve-se salientar que, com a disposição descrita, será possível dar a partida em um mecanismo de transmissão de compressor a uma velocidade fixa independente da outra extremidade remota da ligação CC (vide Figura 4). Por este método de partida, os motores e geradores podem ser partidos da maneira convencional, mas sem a necessidade de um conversor de frequência dedicado para cada motor. Por conseguinte, o número de conversores de frequência pode ser reduzida a apenas um.

[0057] Os três métodos descritos acima são, em especial, destinados a mecanismos de transmissão de compressor elétrico sem uma turbina a gás ou vapor sobre a coluna mecânica a fim de acionar os mesmos. No entanto, a operação de velocidade sincronizada não é adequada apenas para um compressor. Este princípio básico pode também ser aplicado ao acionamento de qualquer outro aparelho. Ao se substituir o compressor de refrigerante 1 nas figuras e descrição acima por um outro aparelho, como, por exemplo, um compressor a gás, uma bomba ou uma turbina a gás, que necessite de um grande motor de partida, um mecanismo de acionamento de velocidade fixa e seus métodos de partida associados são apresentados acima. Favor notar que um motor síncrono pode ser substituído por um motor de indução nos métodos de partida previamente mencionados quando a sua faixa de potência em questão é adequada.

[0058] Em um exemplo, um mecanismo de acionamento de turbina a gás industrial de um único eixo, incluindo uma máquina elétrica adequada sobre a coluna, pode ser acelerado da velocidade zero a uma velocidade de êmbolo para a turbina a gás por meio dos mesmos princípios como os descritos para os aparelhos elétricos de velocidade fixa acima.

[0059] Com referência à Figura 5, será descrito um sistema similar ao, porém um pouco mais complexo que o sistema da Figura 4.

[0060] Neste sistema, existem quatro barramentos, 40a, 40b, 40c, 40d, aos quais uma pluralidade de geradores 4a-e, 5a-b e os motores 2a-f podem ser conectados. Os geradores e os motores podem ser conectados a, pelo menos, dois dentre os barramentos 40a-d, e os quatro barramentos 40a-d podem ser conectados a qualquer um dos demais barramentos 40a-d através das ligações de barramento 60a-b e 70a-b. Os barramentos podem também ser conectados a um sistema de fonte de alimentação local 90 a fim de suprir outros consumidores além dos motores 2a-f ou fazer uso do excedente de energia gerado no sistema de suprimento de energia local 90. Os barramentos 40a-d podem ainda ser ligados a um sistema de suprimento de força externa 100, pode ser um sistema de suprimento de força nacional ou regional, para a troca de energia de corrente CA.

[0061] Os barramentos 40a-d podem operar em frequências diferentes, quando não estão interligados, por exemplo, uma vez que os barramentos mostrados 40a e 40c podem operar a 56 Hz, e os barramentos 40b e 40d operam a 61 Hz. Neste caso, os barramentos que operam na mesma frequência podem ser interligados. Esta flexibilidade proporciona a possibilidade de se adaptar os compressores a diferentes taxas operacionais. Daí, a oferta de gás LNG, por exemplo, pode ser adaptada às exigências externas, sem ter de alterar a velocidade dos compressores.

[0062] Quando a força é suprida entre qualquer um dos barramentos 40a-d e o sistema local 90, é possível fazer esse suprimento através de uma ligação CC 91, de modo que a frequência do barramento 40a-d e o sistema local possa ser diferente.

[0063] É igualmente possível suprir energia para o conversor de frequência 80 para a partida de uma combinação de gerador/motor a partir do sistema/rede local 90, conforme mostrado pela ligação 92.

[0064] Um sistema com mais de quatro barramentos também é concebível.

[0065] Para todos os exemplos acima, o componente de acionamento (turbina) e o componente acionado (compressor) podem ser substituídos por outros tipos de componentes, por exemplo, um motor a diesel como o componente de acionamento e uma bomba como um componente acionado, sem se afastar dos princípios da presente invenção.

[0066] Sem repetir a descrição detalhada para todas as aplicações possíveis, a descrição acima será suficiente para que qualquer pessoa versada na técnica aplique a mesma técnica de acionamento de velocidade fixa e método a qualquer outro aparelho além de um compressor ou turbina a gás, desde que não haja nenhum aspecto inerente do aparelho que impeça tal disposição. A disposição e os métodos descritos acima podem ser igualmente usados com sucesso para acionar todos os tipos de equipamentos rotativos que podem ser montados sobre um eixo, e tipicamente acionados por acionadores tais como, por exemplo, máquinas elétricas e turbinas a gás.

[0067] Em uma situação na qual as turbinas ou geradores, respectivamente, produzem mais energia do que o necessário por parte da(s) primeira(s) máquina(s) elétrica(s), pode-se usar o conversor de frequência 80 a fim de produzir uma corrente CC adequada para exportação a outras redes/sistemas elétricos. Pode-se também usar o conversor de frequência 80 para a produção de energia adaptada para uma rede elétrica CA externa, como, por exemplo, o sistema 100.

[0068] Em suma, foi descrito como os mecanismos de acionamento de compressor são adequados para uma operação de velocidade fixa eletricamente acionada, com referências típicas a uma fábrica de gás LNG. Antecipa-se que haverá um significativo benefício de custo/peso/espaço ao se remover o equipamento de VSD dedicado de um acionador de compressor de liquefação elétrico ou da turbina a vapor e/ou gás dedicada a partir de um acionador de compressor mecânico.

[0069] Uma cadeia similar de argumentos poderá ser mais provavelmente usada em um típico acionador de compressor impulsor de condutos e em outros mecanismos de acionamento grandes adequados para uma operação de velocidade fixa, a fim de aumentar a regularidade e reduzir a manutenção, os custos de construção, etc.

[0070] Os três conceitos de velocidade síncrona descritos são compatíveis com o transiente definido e com os cenários de fábrica de gás LNG fora de serviço, incluindo a partida, e ainda, os conceitos de velocidade fixa são mais robustos versus as variações/imersões de tensão transientes que os mecanismos de acionamento controlados por conversor de frequência comparáveis.

[0071] Deve-se destacar que um desenho de sistema elétrico que permite a partida e a operação de mecanismos de acionamento de velocidade fixa grandes e ou remotos com base nos princípios delineados para a presente invenção oferece uma flexibilidade que pode permitir a operação de mecanismos de acionamento de velocidade fixa elétricos em um sistema de rede elétrica com uma frequência de sistema variável independente da distribuição de força de frequência fixa aos aparelhos necessários e das interligações opcionais com a rede elétrica local, regional ou nacional.

Claims

1. Método de partida e operação de uma carga submarina eletricamente acionada (1A), por exemplo, um compressor (1) ou bomba, por meio da fonte de alimentação de um acionador mecânico (6), por exemplo, uma turbina ou motor de combustão, por meio do qual a carga submarina (1A) é mecanicamente conectada a uma primeira máquina elétrica (2A) em uma faixa de potência de 10 MW e acima, e o acionador mecânico (6) é mecanicamente conectado a uma segunda máquina elétrica (4), caracterizado por: i) eletricamente interconectar a primeira máquina elétrica (2A) à segunda máquina elétrica (4) parada, quando elas estão em modo desexcitado, por meio de que a conexão da segunda máquina elétrica (4) em seguida é dedicada à primeira máquina elétrica (2A); ii) excitar a primeira máquina elétrica (2A) e a segunda máquina elétrica (4); iii) em uma fase de aceleração, acelerar a primeira máquina elétrica (2A) através da aceleração da segunda máquina elétrica (4) com o acionador mecânico (6), e iv) quando a primeira máquina elétrica (2A) tiver alcançado uma velocidade rotacional predefinida, sincronizar a mesma com uma rede elétrica local e conectar a mesma a essa rede (60, 65).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rede elétrica local (60, 65) é alimentada a partir de uma rede elétrica externa.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rede elétrica local (60, 65) é alimentada por máquinas elétricas acionadas por pelo menos uma turbina, tal como uma turbina a gás ou uma turbina a vapor.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o acionador mecânico (6) compreende uma turbina a vapor, e que a fase de aceleração compreende a partida da turbina a vapor em uma velocidade zero ou próxima de zero.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de, na fase de aceleração, acelerar a primeira máquina elétrica (2, 2B) a partir de uma velocidade zero como um motor de indução por meio da energização controlada da segunda máquina elétrica (4) acionada por uma turbina a gás (7) operada a sua velocidade mínima.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5, caracterizado pelo fato de que a aceleração da segunda máquina elétrica (5) é provida pela aceleração de uma turbina a gás (7) funcionando a partir de sua velocidade mínima até sua velocidade nominal, enquanto é mecanicamente acoplada à segunda máquina elétrica (5).

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o método inclui a operação de um único ou uma pluralidade de mecanismos de acionamento elétricos de velocidade fixa em um sistema de energia segregado com um sistema de frequência variável a fim de se adaptar às variações de processo e às necessidades de controle de fluxo ou capacidade, independente das instalações de um sistema com frequência fixa.

8. Sistema de partida e operação para a partida e operação de pelo menos uma carga mecânica submarina (1A), cuja carga submarina é conectada à e acionada por pelo menos uma primeira máquina elétrica (2A) na faixa de 10 MW e acima, onde a energia para a primeira máquina elétrica (2A) é provida com um acionador mecânico (6) mecanicamente conectado a uma segunda máquina elétrica (4) que funciona como um gerador, por meio do que o sistema é adaptado para acelerar a(s) dita(s) primeira(s) máquina(s) elétrica (2A) por meio do fornecimento controlado da energia da segunda máquina elétrica (4) à primeira máquina elétrica (2A), onde o acionador mecânico (6) compreende uma turbina a gás conectada à segunda máquina elétrica (4), e o sistema é adaptado para acelerar a primeira máquina elétrica (2A) a partir de uma velocidade zero ou baixa velocidade por meio da energização controlada da segunda máquina elétrica (4) com a turbina a gás, caracterizado pelo fato de que a segunda máquina elétrica (4) é adaptada para ser exclusivamente conectada a dita primeira máquina elétrica (2A) ou uma pluralidade de primeiras máquinas elétricas, quando a primeira e segunda máquinas elétricas (2A, 4) estão paradas e em modo desexcitado, onde a primeira e segunda máquinas elétricas (2A, 4) são configuradas para serem excitadas após a conexão, e onde a primeira máquina elétrica (2A) é configurada para ser sincronizada com uma rede elétrica local e para ser conectada a mesma rede (60, 65), quando esta atingir uma velocidade de rotação pré- definida.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o acionador mecânico (6) compreende uma turbina a vapor, e que o sistema é adaptado para acelerar a primeira máquina elétrica (2A) ao dar a partida do acionador mecânico (6) e a segunda máquina elétrica (4) a partir de uma velocidade zero ou próxima a zero.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a aceleração da segunda máquina elétrica (5) é provida por meio da aceleração de uma turbina a gás (7) funcionando a partir de sua velocidade mínima até sua velocidade nominal, enquanto é mecanicamente acoplada à segunda máquina elétrica (5).

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende uma rede de transmissão de energia elétrica (40a, 40b) para a interconexão de primeira e segunda máquinas elétricas (2A, 4), cuja rede compreende pelo menos um barramento duplo ou, pelo menos, um sistema de disjuntor de circuito duplo de modo a permitir a utilização paralela de outro equipamento elétrico independente das ações da segunda máquina elétrica (4) para a partida da primeira máquina elétrica (2A).

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a rede de transmissão de energia (40a, 40b) compreende, pelo menos, dois barramentos adaptados para operar, pelo menos, duas frequências diferentes.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que a primeira máquina elétrica (2A) compreende uma ou mais máquinas síncronas elétricas e/ou máquinas de indução.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13, caracterizado pelo fato de que a segunda máquina elétrica (4) compreende uma máquina síncrona elétrica.