CN101896396B - 远程动力产生组件 - Google Patents

Abstract

一种与海洋烃类开采和运输工作相关的远程动力供应系统包括产生系统动力的膨胀涡轮。所述远程动力供应系统还具有支撑所述膨胀涡轮的支撑结构。冷却段由所述支撑结构支撑并与所述膨胀涡轮流体连通，用于接收来自所述膨胀涡轮的蒸汽并将其冷凝成液体。下导管和锅炉段与所述冷却段流体连通以接收由蒸汽冷凝成的液体。点火组件朝向下导管和锅炉段的下端部定位。点火组件点燃燃料和空气混合物并且使从冷却段由下导管和锅炉段接收的液体沸腾成蒸汽。回流通道将蒸汽从下导管和锅炉段输送至膨胀涡轮进口。

Description

远程动力产生组件

技术领域

本发明通常涉及给海洋设备提供动力，尤其涉及与之相关的设备、组件和方法，用于给与含烃类储层相关的海洋设备提供动力、控制和通信。

背景技术

海洋工业迫切需要可独立配置、高可靠性、高可用性和低维护的动力源。该动力源可用于给地下和地面泵送、压缩需求，其它相关的流体控制设备，以及其它动力消耗装置提供动力。另外，在动力需求量已经超过安装容量的海洋设备处通常需要附加的动力容量。

许多先前发现的海洋烃类储层含有可开采烃类，但是可开采量不足以经济地证明专用主体或独立开采设备的配置是正确的。在不能证明独立开发正确的情况下，储层流体有时通过管线输送到相邻的设备以共用基础设施或者输送至岸上以降低成本和提高储层开发经济性。

在许多这样的情况中，与相邻设备或海岸的距离、或者拉索(tieback)距离构成对开采的主要限制因素，这是因为不足的天然储层压力不足以支持自由的流动开采。这种拉索距离可以超过五十(50)或一百(100)英里。另外，与特定储层相关的水深也会构成对开采的主要限制因素。典型地，使用位于储层位置或者位于沿着流体流动管路或管线的中间位置的泵送、压缩和加热站提高储层开采。

尽管企业已经研究了长距离输送烃类和从更深的水深处提升开采的方法，但是若干个问题始终妨碍远程储层开采的可靠性和可行性。这种问题可以通过使用海底和地面泵、压缩机、加热、产出流体调质和处理、或其组合得到改善，但是在这些极远、极深或又远又深位置处却产生了巨大动力需求的问题。

就目前的技术水平而言，出现了一种特别困难的情况，当隔离的和/或极深的海洋烃类储层可以利用局部压力增加和/或流体调质通过主设备开采生产时，输送所需动力在技术和经济上不可行。

提供这种动力的一种方法是通过使用蒸汽或其它充满流体的相变循环系统，例如兰金(Rankin)循环。然而，通常来讲，由于有效相变循环系统的典型系统空间、重量、成本、以及初始化和操作复杂性的原因，在海洋环境中还不会选择这种方法。利用传统的工业或航空派生燃气轮机和/或往复式发动机驱动装置可以更好地满足海洋对空间、重量、成本和复杂性的选择标准。

传统兰金循环的高低侧之间的压差是总循环效率中的关键因素。通常，压差越大，燃料效率越高。然而，在正常系统中，获得高压差显著增加了系统的空间、重量、复杂性和成本。

典型的发电系统产生固定频率(50或60Hz)的交流电。在要求从动设备(例如，泵或压缩机)补偿性能需求的变化时，变速操作通常是希望的选择。就电动机作为驱动装置来说，通常选择电子变速电动机控制器。典型地，这些电子变速控制器的体积大、价格高、并且对其安装环境具有高敏感性。

电子变速控制器的输出是拟正弦电流，而不是由发电设备直接产生的纯正弦电流。通过电力线输送拟正弦电流引起随传输距离增大的谐波反馈，系统不稳定性和效率低下。用于大负荷分配(尤其是变速电动机中使用的变频能量)的可用技术严重限制了最大技术或经济传输距离和/或水深。

远程和/或无人管理的动力产生方法(包括″浮筒″支撑系统)已经利用适度可靠、维修密集的柴油机驱动发动机进行了推广应用。尽管这种系统是实用的，但是不断的操作员干预和维修操作使其难以在基本无人管理的远程海洋环境下保持希望的系统可用性。燃料供给保障和质量是传统柴油发动机所遇到的典型问题。

燃气轮机技术也已经考虑到以″浮筒″为基础的或远程的动力产生。然而，燃气轮机具有与柴油机驱动系统类似的难题，涉及可用性、燃料质量和维修人员频繁修理。

发明内容

一种与海洋烃类开采和运输工作相关的远程动力供应系统包括产生系统动力的膨胀涡轮。一支撑结构支撑膨胀涡轮。冷却段由所述支撑结构支撑并与所述膨胀涡轮流体连通以接收来自所述膨胀涡轮的蒸汽。冷却段将从所述膨胀涡轮排出的蒸汽冷凝成液体。液体下导管和锅炉段与所述冷却段流体连通以接收由蒸汽冷凝成的液体。点火组件朝向下导管和锅炉段的下端部定位。点火组件点燃燃料和空气混合物并且使从冷却段经由下导管和锅炉段接收的液体沸腾成蒸汽。与所述膨胀涡轮的进口流体连通的回流通道将来自所述下导管和锅炉段的蒸汽输送至所述膨胀涡轮的进口。

在所述系统中，冷却段可以是冷凝器。冷凝器可以浸没在海平面以下。在所述系统中，下导管和锅炉段可以从所述冷却段内部朝向海底延伸。在所述系统中，膨胀涡轮可以驱动发电机。发电机可以给位于海底的设备提供电力。提供给海底设备的电力可以为交流电，并且可以大体上没有与在长距离上输送的电力相关的谐波。位于海底的设备可以选自电动潜水泵、海底压缩机、海底泵、螺杆泵、与沿着海底延伸的流体流动管线相关并用于加热在流体流动管线中输送的流体的加热器、及其组合。

膨胀涡轮可以是多个膨胀涡轮，发电机可以是多个分别与膨胀涡轮之一相关的变速发电机，其中，所述膨胀涡轮中的至少两个以不同的速度运转。

在所述系统中，燃料可以由位于所述支撑结构下面的海底装置供应。在所述系统中，下导管和锅炉段还可以具有轴向贯穿延伸的燃料和空气喷射管。

在所述系统中，支撑结构可以位于远离采油平台的预定距离处。在所述系统中，支撑结构可以拴系到海底或由其支撑。在所述系统中，支撑结构可以是浮动结构(例如，系泊的浮筒或锚固的船舶)，或者固定到海底的装置(例如，固定的或用千斤顶支起的平台)。

在所述系统中，回流通道可以为环形并且可以围绕下导管和锅炉段的锅炉部定位。在所述系统中，冷却段可以通过强制或自然热传递方法将热量直接输送给海洋。在所述系统中，冷却段可以为闭环。在所述系统中，冷却段可以将热量输送给空气，或者输送给空气和海洋的组合。

在所述系统中，下导管和锅炉段中的下导管部可以是输送来自冷却段的液体的单个管道，或者多个管道。在所述系统中，下导管和锅炉段中的锅炉部可以与下导管部同心或偏心。

在所述系统中，支撑结构可以位于远离主设备的预定距离处。

本发明的另一方面是用于海底系统的远程动力产生组件，其具有用于产生提供给海底装置的动力的膨胀涡轮。与膨胀涡轮流体连通的冷凝器位于海平面以下以接收从膨胀涡轮排出的蒸汽并将蒸汽冷凝成液体。下导管和锅炉组件具有限定外部环形空间的管状内部管道和外部管道。外部环形空间与冷凝器流体连通以接收来自冷凝器的液体。内部管道在外部管道的封闭下端的上方终止，使得内部管道的内部与外部环形空间流体连通。内部管道的内部与膨胀涡轮进口流体连通。管状锅炉组件穿过所述内部管道同心地延伸，从而限定位于内部管道内的内部环形空间。锅炉组件通过内部管道输送空气和燃料。点火装置朝向锅炉组件的下端部定位以点燃燃料和空气，从而使从外部环形空间而由内部环形空间接收的液体沸腾成输送至膨胀涡轮的蒸汽。

在远程动力产生组件中，膨胀涡轮可以在海平面上方安装到拴系到海底的漂浮支撑结构上。冷凝器段可以完全淹没在海平面以下。在远程动力产生组件中，冷凝器段可以由支撑结构支撑。

在远程动力产生组件中，膨胀涡轮可以驱动适合于给海底设备提供电力的发电机。在远程动力产生组件中，发电机可以产生交流电或直流电。在远程动力产生组件中，发电机可以产生交流电，其大体上没有与在长距离上输送的电力相关的谐波。

在远程动力产生组件中，膨胀涡轮可以是多个膨胀涡轮，发电机可以是多个分别与膨胀涡轮之一相关的变速发电机，其中，所述膨胀涡轮中的至少两个以不同的速度运转。

远程动力产生组件还可以包括过热器，其定位成在内部环形空间和膨胀涡轮进口之间流体连通以便给蒸汽增加附加热量。远程动力产生组件还可以包括给锅炉组件提供空气的增压涡轮和压缩机组件。增压涡轮可以由从内部环形空间进给的蒸汽驱动。

在远程动力产生组件中，锅炉组件可以具有外壳和两个内部管道。两个内部管道用于在燃料和空气接近点火装置混合之前分别输送燃料和空气。

在远程动力产生组件中，由空气和燃料燃烧产生的废气可以在外壳和内部管道之间输送。在远程动力产生组件中，输送燃料的内部管道穿过输送空气的内部管道同心地延伸。

在远程动力产生组件中，还可以包括传统的变频电气设备以将来自单频涡轮驱动发电机的变频电力提供给动力用户。

本发明的另一方面包括用于给远离海岸和开采设备定位的海洋设备提供动力的方法。所述方法包括使液体沿着位于外部管道和内部管道之间的外部环形空间输送至形成于所述内部管道内的内部环形空间的步骤。利用位于所述内部管道中的锅炉组件使所述内部环形空间中的液体沸腾。将沸腾液体产生的蒸汽从所述内部管道输送至膨胀涡轮进口以便产生动力。膨胀涡轮典型地位于海平面附近。将来自膨胀涡轮出口的蒸汽输送至大体上位于海平面以下的冷却段。蒸汽在冷却段内冷却以形成注入外部环形空间中的液体。

在所述方法中，在将由沸腾液体产生的蒸汽从内部管道输送至膨胀涡轮进口的步骤中，膨胀涡轮可以驱动发电机以产生电力并将电流输送至海底装置。

在所述方法中，在将蒸汽从膨胀涡轮出口输送至大体上位于海平面以下的冷却段的步骤中，冷却段可以是冷凝器，其将与蒸汽相关的热量传递给海洋。

在所述方法中，将由沸腾液体产生的蒸汽从内部管道输送至膨胀涡轮进口的步骤还可以包括在将蒸汽供给到膨胀涡轮之前使蒸汽过热。

在所述方法中，利用位于内部管道中的锅炉组件使内部环形空间中的液体沸腾的步骤还可以包括将燃料和空气通过随内部管道延伸的管状锅炉管道而输送至点燃燃料和空气的点火装置。

本发明的另一方面包括与烃类开采和运输工作相关的远程动力供应系统，其具有产生系统动力的膨胀涡轮。与处理部件形成整体的支撑结构支撑膨胀涡轮、辅助设备和检修设备(access facility)。支撑结构可以拴系到海底或由其支撑。远程动力供应系统还具有与膨胀涡轮流体连通的冷却段，用于使从涡轮排出的蒸汽冷凝成液体。液体下导管与冷却段流体连通。具有原料预热器、锅炉和过热器的锅炉段定位成加热由下导管接收的液体。燃烧空气、燃料供应和排放管道段(具有朝向其下端定位的点火组件)点燃燃料和空气混合物，将能量释放给锅炉并且使进入锅炉段的液体汽化到过热状态。

动力产生系统或组件的基本结构适用于各种海洋采油方案。作为独立漂浮系统，动力产生组件可以与″主设备″或开采设备分开布置。动力产生组件典型地包括长、窄、自漂浮的″铅笔状浮筒″。通过多点扩展式系泊系统、张力立管系统、有源(基于推力器)定位系统或其组合的现场特殊要求组合可以调整定位和防旋转需求。

作为配置在适度水深处的独立的、基于重力的结构，组件可以包括由管桩、和/或″泥包(mud mats)″的适当组合支撑的细长结构。系统的附加深度可以通过埋没在海底以下设置为支撑润滑系统的整体部分和/或作为插入预驱动支撑系统中的结构来提供。

动力产生系统还能够集成到″主设备″结构中。适合与动力产生组件集成的现有海工结构是浮筒式平台(SPARS)、张力腿平台、深吃水沉箱船(Deep Draft Caisson Vessels)和/或动态定位的开采系统。动力产生系统可以容易地配置为系泊系统(张力立管和/或链束)的一部分或者浮动结构本身的一部分。

根据动力产生要求，可以确定初级冷凝器容量，冷凝器段可以包括单个光滑同心腔室、表面积增大的同心腔室、具有光滑或增大表面积的多个分开的冷凝室，或其组合。冷凝器表面积还可以与确定初级冷凝器容量的动力产生条件相关。通过使用散热片、充液侧管、″折叠″或回旋状壳体结构、或者其组合可以提供增大的表面积。

典型地，利用海水作为用于膨胀涡轮排放蒸汽冷凝(例如可以是低压蒸汽)的散热介质。然而，在一些情况下，有利地是替换为提供部分或全部蒸汽冷凝作用的传统形式的热交换设备。冷却段或冷凝器段典型地利用通常可获得的热交换设备，包括开环和闭环冷凝液流，其最终将热量排到处理液流、海洋和/或空气中。

对于空气冷却的热交换来说，交换器类型可以包括自然、强制和诱导通风方法的任意组合以提供必要的散热。空气冷却热交换在一些情况下是有利的，包括但不限于，浅水位置，因为有必要保持：锅炉进给液体压头的竖直高度、具有可用于浸没式冷凝器布置的有限区域的位置或者气候条件证明空气冷却热交换合适的其他区域。

动力产生组件的系泊也可以与开采设备形成整体。例如，这些组件可以共用控制系统、通信、通用系统、定位、系泊、连通、燃料储存、燃料供给、化学储藏、化学分配和维修通道。

首先提出结构的主要材料：

与海洋环境中配置的所有系统一样，主要关注防腐和船底附生物。可以预料，通过受控的燃烧率、高过剩空气率、与海水接触表面的自然温差环流冷却、使用适当的耐温涂层、镀层和绝缘材料精确控制最大金属温度则允许使用碳钢材料作为结构材料。可选地，主燃烧区中的下部空气供给段可以由合金钢制造而成，如果希望的话，其具有提高的耐温性能。

抗腐蚀和船底附生物的材料，例如铜、镍在一些情况下经济有效，作为传统涂层的替代以提高热交换流量。这些材料可以配置成专用船底附生物抑制施加涂层、薄金属镀层、具有适当性质的基底金属、或其组合。

燃料供给(能源)考虑因素：

锅炉可以依靠在燃气轮机或柴油发动机中通常不太适用或不能使用的各种燃料源进行运转。这种燃料可以包括精炼、改性和/或未精炼的液态烃燃料，以及精炼、改性和/或未精炼的气态烃燃料。通常根据运输后勤、系统可靠性和可用性、燃料消耗要求供应这些燃料。地面维护设备可以影响浮动控制管缆、基于立管的控制管缆、空气输送工艺、用于拴系和/或机载储存的海洋输送工艺、及其组合的选择。本领域技术人员可以容易地认识到，能源可以是可燃物的可接受替换方案，例如源于化学反应的能量。这些可以包括但不限于燃料电池、催化反应、源于聚变和裂变核反应的能量、或其组合。

燃烧空气考虑因素：

如上所述，空气供应系统可以适合于希望的系统可用性、所需的动力产生率、希望的系统工作压力、以及自然、强制或诱导通风燃烧。用于诱导和强制通风选择的驱动装置可以包括传统的电动机、根据需要以连续或间歇使用工作方式配置的涡轮驱动装置。对于电动机驱动的燃烧空气选择来说，动力可以通过浮动控制管缆系统、立管式控制管缆系统或其组合在内部供应。

点火组件考虑因素：

可以使用多个点火源确保可靠的锅炉组件启动和运作。这种点火源包括但不限于电子火花塞、加热线圈、火焰锋发生器(与火舌点火系统类似)、催化点火、燃烧装置、及其组合。可以根据如点火和工作温度以及动力产生率的因素选择这类组件。

流体考虑因素：

因为动力产生组件是闭环系统，内部加热和冷却流体的损失需要有限的补偿要求。可以确定进给流体(典型地，水)要求以满足适当的可靠性、可用性及采油修理间隔标准。可以通过浮动控制管缆、基于立管的控制管缆、用于拴系和/或机载储存的空气输送工艺和/或海洋输送工艺、及其组合供应这类进给流体。还可以包括传统的热、化学、反渗透和/或渗透膜制水和净化系统作为动力产生组件的一部分，用于帮助将进给流体重新供应到系统中。

动力产生选择：

由于例如蒸汽轮机的膨胀涡轮不局限于单速运转，可以通过控制涡轮/发电机工作速度产生纯正弦波动力以直接产生希望的系统频率。对于每个从动设备(需要独立的电动机速度和/或更远的输送距离)来说可以使用多个并联膨胀涡轮/发电机设置。这消除了对精密、昂贵电子变速电动机控制器的地面或地下配置的需要。

在从动设备可以直接联接到产生旋转力的膨胀涡轮上的情况下，可以控制涡轮以直接产生希望的速度变化。

电力可以通过机载和/或远程分配中心(例如，控制模块)在单个电压/频率水平下产生和分配给单个或多个用户。电力可以在定制的电压和/或固定频率或可变频率下产生并分配给单个或多个用户。因此，消除了对昂贵和精密电子变速电动机控制器的需要。这种电力的性能优于由电子变速电动机控制器提供的拟正弦波动力。动力产生选择可以包括具有多个动力产生涡轮和发电机以提供希望水平的系统可用性。

与兰金循环系统相比的优点：

封闭循环、自然循环(温差循环)锅炉系统可以显著减少兰金循环动力产生系统的空间、重量、复杂性和成本。

尽管自然循环(温差循环)热交换系统是常见的，海洋配置的独特水深可以允许大型竖直建筑，从而获得简单有效的适度压力或高压锅炉系统，而无需增压机和主给水泵送系统。取消这些用于压力给水的旋转设备系统部件大大简化了生产系统，消除了其维修需要，并且消除了其与可靠性和可用性相关的难题。

锅炉可以依靠在例如燃气轮机或柴油发动机的其它动力产生装置中不太适用或不能使用的各种燃料源进行运转。假定产出流体本身易燃并且在许多情况下适合用作锅炉燃料，使用产出流体作为燃料的动力产生系统(由少量高可靠性、可用性的旋转设备组成)能够在不与主设备直接接触的情况下配置动力系统。因此，使有助于制造长距离开采拉索成为可能。

附图说明

图1是一对根据本发明的动力产生设备的环境视图，所述动力产生设备给与开采平台建立通信的海底结构提供动力，所述开采平台与动力产生设备隔开设置。

图2是定位在海底井口的远程油田上方的图1所示动力产生设备的环境视图。

图3A和3B是图1和2所示动力产生设备的上部和下部的示意图。

图4是与图3A和3B所示动力产生设备相关的冷凝器的顶部平面图。

图5是图3A和3B所示动力产生设备的上部的可选实施例的示意图，还显示了位于内部的流体流动路径。

图6是图3A和3B所示动力产生设备的下部的可选实施例的示意图。

图7是具有可选冷凝器的图3A和3B所示动力产生设备的上部的示意图。

图8是与图7所示动力产生设备相关的冷凝器的顶部平面图。

图9是具有另一可选冷凝器的图3A和3B所示动力产生设备的上部的示意图。

图10是与图9所示动力产生设备相关的冷凝器的顶部平面图。

具体实施方式

参考图1，开采设备11显示为浮在位于多个井口装置17上方的海面13上，所述井口装置位于海底15。尽管开采设备11在图1中显示为浮动平台，但是本领域技术人员可以容易地认识到，除了浮动平台，开采设备11可以可选地为浮式生产储存和卸载(FPFO)船舶，基于重力的结构或者其它合理研发出的开采设备。

开采立管19在开采设备11和海底15上的井口装置17之间延伸，用于将烃类从井口装置17输送至开采设备11，以及在开采设备11和井口装置17之间进行通信和提供动力。在图1所示实施例中，具有从海底15向上延伸到开采设备11的多根立管19。一根立管19从位于海底15的管汇基盘(PLET)21向上延伸，所述管汇基盘与从远程油田25输送烃类的管线23流体连通。

远程油田25通常位于远距离以外，深水中或其组合，使得给远程油田25提供动力和通信的传统手段是困难的，保障管线23内的流动是困难的。在图1所示实施例中，多个井口装置27位于远程油田25内。在如图1所示的典型布置方案中，井口装置(wellhead)27与位于海底15上的海底集油管汇29流体连通。海底集油管汇29从每个井口装置27收集烃类，以便通过管线23输送至开采设备11。在优选实施例中，海底泵21邻近海底集油管汇29定位并且接收来自海底集油管汇29的烃类，以便通过管线23将烃类泵送至开采设备11。

控制模块33优选地位于远程油田25内的海底15上，用于控制和调节海底集油管汇29和海底泵31。在优选实施例中，控制模块33还可以调节和控制远程油田25内的海底井口装置27的操作。控制管缆35优选地从海底控制模块33延伸到远程动力产生设备37，该远程动力产生设备通过系缆39固定到海底15上。在优选实施例中，远程动力产生设备37利用其漂浮在海面13之上的一部分固定。在典型的布置方案中，海底控制模块33还监视海底井口装置27的操作并且通过通信装置与开采设备11的操作建立通信。这种通信装置可以从远程动力产生设备37通过无线电信号或者通过从远程动力产生设备伸出的光纤与开采设备11进行通信。

在优选实施例中，控制管缆35通常将电力从位于远程动力产生设备37上的发电机38传送给控制模块33，以便在海底井口装置27、海底集油管汇29和海底泵31之间进行分配。这种电力驱动海底泵31以便通过管线23将烃类在长距离上输送给开采设备11。控制线41在控制模块33和海底井口装置27、集油汇管29和泵31之间延伸，以便将电信号和电力通过位于远程油田25内的海底装置进行输送。同样位于远程动力产生设备37上的膨胀涡轮40驱动发电机38，以便产生通过控制管缆35输送给控制模块33的电力，所述控制模块给海底井口装置27、集油汇管29和海底泵31分配动力。

到目前为止，在图1中已经公开了这样的实施例，其中，远程动力产生设备37将电力输送给位于海底15上的泵31，以便将烃类通过管线23泵送至位于长距离以外的开采设备11。在另一实施例中，还可以利用远程动力产生设备37′通过控制管缆35′给海底泵31′提供动力，以便起到增压机的作用，以便将来自开采设备11的烃类通过从海底泵31′伸出的附加管线43泵送至岸上。本领域技术人员可以容易地认识到，通过控制管缆19、PLET 21′和管线23′输送的烃类在遇到流体保障问题之前只能输送某一预定距离。将远程动力产生设备37′定位在开采设备11和海岸之间有助于保证在不产生这种流动保障问题的情况下通过管线23′和43进行连续流动。

如图1所示，远程动力设备37′包括与在先所述远程动力产生设备37基本上相同的部件。远程动力产生设备37′还包括驱动发电机38′的膨胀涡轮40′，所述发电机产生电力以与位于海底15的海底泵31和/或压缩机31′连通。本领域技术人员可以容易地认识到，多个远程动力产生设备37′可以间隔地布置在开采设备11和海岸之间以提供多个增压泵站，从而确保通过管线23′和43的适当流量。类似地，附加的远程动力产生设备37可以位于开采设备11和远程油田25之间，从而在远程油田25和开采设备11之间距离需要额外增压的情况下提供经由管线23的增压泵送，以便提供流过管线23的正常流动保证。

现在参考图2，在另一实施例中，远程动力产生设备37″位于远程油田25″上方，其中，烃类输送至海岸而非开采设备11。这种布置方案允许在不进行经济可行的开采设备11的配置之前进行储层勘探，因为由于动力和流动保证问题的原因，这种远程油田25″对于正常的烃类输送来说过于遥远。

如图2所示，多个井口装置45通过流体流动管线49将烃类输送给共用的海底集油管汇29″中。海底集油管汇29″从远程油田25″内的多个海底井口装置45收集烃类，以便将烃类由此处进行更容易地输送。在优选实施例中，流体流动管线49将烃类从海底集油管汇29″输送至邻近海底集油管汇29″定位的海底分离器51。海底分离器51典型地为传统的海底分离器，其将烃类的气态元素与从流体流动管线49流入海底分离器51的烃类的液态元素分离。本领域技术人员可以认识到，根据操作要求，去液体装置(deliquidizer)可以代替海底分离器51或与其一起工作。

从海底分离器51排出的气态元素输送至海底压缩机53，同时液态元素输送至海底泵31″以便通过管线55、57输送至海岸。本领域技术人员可以容易地认识到，海底压缩机33和海底泵31″对其相应的液体和气体起作用，从而增大烃类液体和气体的压力以便通过流体流动管线或管线55、57输送至海岸。

与上述实施例一样，控制模块33″将电力输送至位于远程油田25″内的海底装置。控制模块33″给海底集油管汇29″、海底分离器51以及海底压缩机53和海底泵31″提供电力。这种连通典型地通过控制线41″完成。控制模块33″优选地接收电力并且将海底装置的监控信号通过控制管缆35″传送给远程动力产生设备37″，所述远程动力产生设备同样具有发电机38″和膨胀涡轮发电机40″。

远程动力产生设备37、37′、37″全部显示为具有上部冷却段或冷凝器段59和下部下导管/锅炉段61。在优选实施例中，下导管/锅炉段61远离海面13朝向海底15延伸。优选地，冷凝器段59的大部分位于海面13以下。当冷凝器段59以这样的方式定位时，海洋有助于和冷凝器段59进行热传递。下面将对远程动力产生设备37、37′、37″进行更详细的描述。

参考图3A和3B，远程动力产生设备37大致地显示为具有从膨胀涡轮40伸出的涡轮排放管线63，用于将从膨胀涡轮40排出的膨胀涡轮排放蒸汽输送至冷凝器65。冷凝器65优选地为图1和2所示冷却段或冷凝器段59的一部分。冷凝器65接收来自膨胀涡轮40的膨胀涡轮排放蒸汽并且在其内部将膨胀涡轮排放蒸汽冷凝成液态。在优选实施例中，来自膨胀涡轮排放蒸汽的热量通过冷凝器65的外壁传递给海洋，其中，冷凝器65基本上淹没在海洋中。在可选实施例中，冷却段59和冷凝器65可以将热量传递给空气，或者属于闭环系统的一部分而非将传递给空气的热量倾泻到海洋中。冷凝器液体排放管线67从冷凝器65伸出以便将来自冷凝器65的液体输送至下导管/锅炉段61。

下导管/锅炉段61优选地包括下导管69和锅炉组件71。下导管69包括外壳73，其还限定了下导管/锅炉段61的外表面。外壳73优选地为管状结构，例如在冷凝器段59内部朝向海底15同轴地向下延伸的管件或管道。冷凝器液体排放管线67优选地与外壳73内部流体连通，使得液体从冷凝器65通过冷凝器液体排放管线67输送至下导管69中。下导管69优选地还包括内壳75，其位于外壳73内。内壳75的外表面和外壳73的内表面限定了外部流动通道或外部环形空间77，其将来自冷凝器排放管线67的液体输送至下导管69的下部。

本领域技术人员可以容易地认识到，来自冷凝器液体排放管线67的液体内仍然可能包含气态元素。在内壳和外壳67之间具有通向外部环形空间77的内部隔层79，重质液体在外部环形空间77内向下流动，而气态元素在内部隔层79的径向内侧向上流动。气态、蒸汽元素在内部隔层79的内部向上流动到外壳73的封闭上端部，并且被强制沿着内部隔层79的径向外侧向下流动。当沿着内部隔层79向下流动时，允许所有残余热量通过外壳73传递以将残余的蒸汽元素冷却为液态，使得这种液体可以冷凝并与从冷凝器液体排放管线67进入下导管69的液体混合。

在优选实施例中，内壳75朝向下导管69的下端部终止，使得外部环形空间77与内壳75的内表面流体连通。在外部环形空间77流动的液体在其收集到位于下导管69下端的封闭端81上方时允许流入内壳75中。本领域技术人员可以容易地认识到，外部环形空间77和内壳75中的液面随着内壳75和外部环形空间77内的液体上方的压力而变。这种液面差可以定义为系统液头。典型地，内壳75内的压力使外部环形空间77内的液面高于内壳75内的液面，使得液头由外部环形空间77内的液面位于内壳75内的液体管线上方的高度限定。

锅炉组件71优选地位于下导管69内。锅炉组件71优选地包括同心地定位在内壳75内的锅炉外部管道或锅炉外壳83。在优选实施例中，锅炉外壳83也在外壳75内轴向延伸。在优选实施例中，锅炉外壳83为具有封闭下端84的管状结构，以便密封锅炉组件71，防止其与下导管69流体连通。内部燃料管道或管线87优选地在锅炉外壳83内延伸以将来自远程动力产生设备37上部的空气和燃料供应给锅炉组件71的下端部。在优选实施例中，内部燃料管线87终止在锅炉外壳83的封闭下端84的上方。

内部燃料管线87的外表面和锅炉外壳83的内表面限定了排放通道或排放环形空间89，其将来自锅炉组件81废气输送至大气中。点火组件91(图6)优选地朝向内部燃料管线87的下端部定位，以便使输送给锅炉组件71的下端部的空气中的燃料燃烧。来自点燃的燃料和空气的热量使内壳75内的液体沸腾，从而使蒸汽在下导管69内沿着内壳75的内表面和锅炉外壳83的外表面向上流动。内壳75的内表面优选地与膨胀涡轮40流体连通，使得由热量(由锅炉组件71产生)产生的蒸汽供应到膨胀涡轮40中以便驱动涡轮40。

由点火组件91点燃空气和燃料产生的废气在排放通道89内部输送至远程动力产生设备37的上端部以排放至大气中。本领域技术人员可以容易地认识到，废气在排放至大气中之前利用过滤器净化或处理。在优选实施例中，供应给远程动力产生设备37的燃料优选地为来自管线23的烃类，从而允许锅炉组件71以位于远程动力产生设备37远程位置的容易获得的燃料源为动力来运转。然而，在希望时可以使用其它燃料源。

在优选实施例中，排放蒸汽管线93与内壳75流体连通以接收来自此处的蒸汽，并且将来自内壳75的蒸汽输送至位于远程动力产生设备37上的过热器95。过热器95优选地为围绕排放通道89周向定位的管状结构，使得与废气相关的热量流入过热器95。附加的燃料还可以通过进口燃料管线97供应到排放通道89中，从而将附加热量供应给容纳在过热器95中的蒸汽，以便提高供入膨胀涡轮40的蒸汽的温度和压力。在进口燃料管线97内可以包括附加的点火组件99，以便点燃注入排放通道89中的燃料。

本领域技术人员可以容易地认识到，点火组件91、99可以为各种不同的组件。例如，点火组件91、99可以是加热线圈、火花塞或催化元件。用于每种用途的点火组件的类型是设计偏好的问题。

膨胀涡轮进口管线101将来自过热器95的高温蒸气输送给膨胀涡轮40。高压高温蒸汽导致膨胀涡轮40使驱动轴103旋转，所述驱动轴继而驱动与之相关的从动旋转设备105。本领域技术人员可以容易地认识到，从动旋转设备105从各种类型的旋转设备中选择。例如，从动旋转设备可以是发电机38。

参考图4和5，冷凝器65具有若干个实施例。一个实施例(例如，图4和5所示)具有多个围绕下导管69周向隔开的小室，其均为单个冷凝器65。每个冷凝器65优选地接收来自涡轮排放管线63的蒸汽以在多个冷凝器65中的每一个内冷凝。本领域技术人员可以容易地认识到，具有以这种方式定位的多个冷凝器65允许将来自蒸汽(从膨胀涡轮40排出)的热量更高效地传递给海洋。

图7和8显示了冷凝器65的可选实施例，所述冷凝器具有围绕下导管69′的一个大冷凝器65′。本领域技术人员可以容易地认识到，冷凝器65′具有大表面面积，其同样将来自膨胀涡轮40′的热量高效地传递给海洋，以便将蒸汽更高效地冷凝为液态。

在冷凝器65的另一实施例中，图9和10显示了包围下导管69″的上端部的大冷凝器65″，与图7和8中的冷凝器65′类似。然而，如图10所示，冷凝器65″具有如图所示的外表面，其增大了冷凝器65″的总有效表面积以便将来自冷凝器65″内的热量更高效地传递给海洋。

参考图5和6，更详细地显示了下部下导管/锅炉段61的内部，还显示了在远程动力产生设备37上具有燃料调质组件107的可选实施例。燃料调质组件107优选地包括用于驱动压缩机111的膨胀涡轮109，所述压缩机压缩注入锅炉组件71中的燃料。在优选实施例中，蒸汽进给管线113从内壳75伸出以将蒸汽供应给膨胀涡轮109，同时排放管线115从膨胀涡轮109的排气装置延伸到涡轮排放管线63以注入冷凝器65。来自蒸汽进给管线113的过量蒸汽通过过量供给管线117输送至过热器95，其连同通过排放蒸汽管线93进入过热器95的其余蒸汽一起被重新加热。

燃料进口管线119将来自燃料源的烃类供应给压缩机111，以便增大注入锅炉组件71中的燃料压力。燃料排放管线121将来自压缩机111的高压燃料输送至内部燃料管线87。燃料管线排放旁路123还将高压燃料供应给进口燃料管线97，以便给过热器95提供热量。

在图5和6所示实施例中，空气进口管线125通过空气进口管道或管线127将空气输送至下部组件71的下端部，在刚到达点火组件91之前不会使空气和燃料混合。空气进口管线127优选地与内部燃料管线87同心地延伸以刚好位于点火组件91上方，使得空气和燃料在点火组件91刚要点火之前混合。

在工作中，由锅炉组件71的内壳75中液体沸腾产生的蒸汽提供动力以驱动膨胀涡轮40，其继而驱动例如发电机38的从动旋转设备105。来自膨胀涡轮40的排放蒸汽通过涡轮排放管线63排出并且在远程动力产生设备37的冷凝器段59内冷凝。冷凝器65、65′、65″将来自废气的热量进行传递，使得它变成液体以输送到下部下导管/锅炉段61中。冷凝器液体排放管线67将来自冷凝器段59的液体输送至外壳73和内壳75内的外部流动通道77内。在液体内夹带的任何残余蒸汽允许通过围绕内部隔层79进行循环而冷却，其中，冷却的蒸汽转变成液体并加入已经沿外部流动通道77朝向下导管69的下端部输送的其他液体中。当液体积聚在封闭端81处和上方时，并且开始在内壳75内向上流动时，由于内壳75和外部流动通道77内的压力差的作用，在外部流动通道77内产生液头。

燃料通过内部燃料管线87供应给位于内壳75内的锅炉组件71的下端部，以便使积聚在内壳75内的液体加热沸腾。由沸腾产生的蒸汽在与膨胀涡轮40连通的内壳75内输送。如果希望的话，排放蒸汽管线93可以将由锅炉组件71产生的蒸汽直接输送到膨胀涡轮40的进口，或者通过用于再次加热蒸汽的过热器95间接输送至膨胀涡轮40。如果使用过热器95的话，通过进口燃料管线97供应燃料，以便在将蒸汽供应至膨胀涡轮40之前再次加热过热器95中的蒸汽。

由内部燃料管线87中的燃料燃烧产生的废气通过沿着内部燃料管线87的外表面延伸的排放通道89输送。本领域技术人员可以容易地认识到，允许热量从排放通道89传递至内壳75并覆盖内壳75的全部长度。在利用过热器95将蒸汽过度加热时，可以利用通过进口燃料管线97注入排放通道89中的附加燃料而由点火组件99进一步点燃未被点火组件91点燃的任何残余烃类。

当从动旋转设备105是发电机38时，发电机38给海底装置，如海底控制模块33、海底井口装置27、海底集油管汇29、海底泵31、海底压缩机53和海底分离器51提供电力。

描述为流过膨胀涡轮40、冷凝器段59和下导管/锅炉段61的液体优选地为水。然而，本领域技术人员可以容易地认识到，液体可以是各种其它类型的流体。远程动力产生设备37还可以具有位于其上的多个膨胀涡轮40，其继而可以分别驱动各种旋转设备105以及多个发电机38。具有多个膨胀涡轮40则允许以不同的速度驱动发电机38，从而能够以不同的频率提供动力，或者仅具有以相同频率工作的多台发电机38以通过并联工作的多台发电机38产生更多动力。

尽管已经显示了本发明的仅仅一部分形式，但对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于此，在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变。例如，远程动力产生设备37可以固定到浅海的海底15上，而非系泊的浮动结构。此外，尽管没有显示，但也可以想到的是，下导管/锅炉段61可以呈波浪形，而非仅仅向下延伸。本领域技术人员可以容易地认识到，这种波浪形可用于产生阶梯，以便在每个波状部增大蒸汽压力。此外，利用波浪形可以减轻这种下导管/锅炉段61所需的实际高度/长度(例如，向下延伸到水中的深度)，同时保持类似的有效长度，即，蒸气通过下导管/锅炉段61的总位移。

Claims (14)

1.一种与海洋烃类开采和运输工作相关的远程动力供应系统，包括：

产生系统动力的膨胀涡轮；

支撑所述膨胀涡轮的支撑结构；

由所述支撑结构支撑并与所述膨胀涡轮流体连通的冷却段，用于接收来自所述膨胀涡轮的蒸汽并将从所述膨胀涡轮排出的蒸汽冷凝成液体；

与所述冷却段流体连通的液体下导管和锅炉段，用于接收由所述蒸汽冷凝而成的所述液体；

朝向所述下导管和锅炉段的下端部定位的点火组件，该点火组件用于点燃燃料和空气混合物并且使由所述下导管和锅炉段从所述冷却段接收到的液体沸腾成为蒸汽；和

与所述膨胀涡轮的进口进行流体连通的回流通道，用于将来自所述下导管和锅炉段的蒸汽输送至所述膨胀涡轮的进口；

其中，所述燃料由位于所述支撑结构下面的海底装置供应。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述冷却段包括冷凝器，并且其中，所述冷凝器淹没在海平面以下。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述下导管和锅炉段从所述冷却段内部朝向海底延伸。

4.如权利要求1所述的系统，其中：所述膨胀涡轮驱动发电机以给位于海底的设备提供电力。

5.如权利要求4所述的系统，其中，位于海底的设备选自电动潜水泵、海底压缩机、海底泵、螺杆泵、与沿着海底延伸的流体流动管线相关并用于加热在流体流动管线中输送的流体的加热器、及其组合。

6.如权利要求4所述的系统，其中：所述电力基本上没有与在长距离上传输的电力相关的谐波；并且，

所述膨胀涡轮包括多个膨胀涡轮，所述发电机包括多个分别与膨胀涡轮之一相关的变速发电机，其中，所述膨胀涡轮中的至少两个以不同的速度运转。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述下导管和锅炉段还包括轴向贯穿该下导管和锅炉段延伸的燃料和空气喷射管。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述支撑结构位于远离采油平台的预定距离处。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述下导管和锅炉段包括限定外部环形空间的管状内部管道和管状外部管道，所述外部环形空间与所述冷却段流体连通以接收来自该冷却段的液体，所述内部管道终止在所述外部管道的封闭下端上方，使得所述内部管道的内部与所述外部环形空间流体连通，所述内部管道的内部与所述膨胀涡轮的进口流体连通，并且还包括在所述内部环形空间和膨胀涡轮进口之间流体连通的过热器以给蒸汽增加附加热量。

10.一种用于给远离海岸和开采设备定位的海洋设备提供动力的方法，包括：

(a)使液体沿着位于外部管道和内部管道之间的外部环形空间输送至形成于所述内部管道内的内部环形空间，该内部环形空间是通过管状锅炉组件穿过所述内部管道同心地延伸而在所述内部管道内形成的；

(b)利用位于所述内部管道中的所述管状锅炉组件使所述内部环形空间中的液体沸腾；

(c)将沸腾液体产生的蒸汽从所述内部管道输送至位于海平面上方的膨胀涡轮进口以便产生动力；

(d)将蒸汽从膨胀涡轮出口输送至大体上位于海平面以下的冷却段；和

(e)冷却所述冷却段内的蒸汽以形成注入所述外部环形空间中的液体。

11.如权利要求10所述的方法，其中，在步骤(c)中，所述膨胀涡轮驱动发电机以产生电力并将电流输送至海底装置。

12.如权利要求10所述的方法，其中，在步骤(d)中，所述冷却段包括将与蒸汽相关的热量传递给海洋的冷凝器。

13.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(c)还包括在将蒸汽供应给膨胀涡轮之前使蒸汽过热。

14.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(b)还包括将燃料和空气通过随内部管道延伸的管状锅炉管道输送至点燃所述燃料和空气的点火装置。

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