CN103797676A - 用于稳定的水下电力传输以运行水下高速电机或其它水下负载的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水下引出电缆远端与水下负载之间的有效连接的装置，所述水下负载诸如泵、压缩机及控制系统，其特征在于，所述装置为旋转频率步进装置，更具体地，所述装置为旋转增速或减速装置，并且所述装置包括：有效连接的电机和发电机，使得所述电机驱动所述发电机；至少一个充注气体和/或液体的容器，所述电机和所述发电机这二者中的至少一者被布置在所述容器中；并且引出长度长至足以在对于水下泵和压缩机电机可行的频率和功率等级处导致由费兰梯效应引起的问题，并且其中，所述装置通过引出电缆在足够低的频率下接收输入电功率以具有稳定传输，并且有效地连接到所述水下电机上的所述装置为所连接的电机的工作输送可行的输出电频率、电流强度和电压。用于碳氢化合物流体或其它水下流体的增压的系统包括所述装置。

Description

用于稳定的水下电力传输以运行水下高速电机或其它水下负载的装置

技术领域

本发明涉及用于水下采油的装置，尤其涉及位于远离干燥的水上部分或陆上位置处的装置。更具体地，本发明涉及用于将电力传输到水下负载的装置，所述水下负载可位于远离水上平台或海岸处并且需要大电力传输。所述负载通常为用于泵和压缩机的电机，所述电机需要通过控制电频率来控制转动速度。

本发明设法解决由费兰梯效应和趋肤效应引起的问题，从而实现比先前可用的长度更长的水下引出长度。

背景技术

在过去十年间，全球能量消耗以指数增长并且增长的需求不会停止。然而，矿物燃料的开采以前集中于陆上油田，有限数量的石油使得开始致力于发现和开采海上油气田。目前，用于从海上油田的生产的现有技术利用固定式或漂浮式的载人平台、水下采油模架油井钻台和水下油井到所述平台的管段。在一些情况下，产物直接由管路发送到陆上收油设施而不需要平台。为了保持从水下辅助设备到中心平台或直接到海岸的产量足够高，可通过使用多相泵或通过随着泵送和压缩的分离来提供增压。泵被安装在海床处以将海水直接注入到储层中，以便对加强石油开采进行压力支持。

泵和压缩机站在水下位置与布置在平台上相比具有下述数个优点：

人员不用在平台上工作并生活并且不用由直升机运输，因而比较安全；

没有火灾和爆炸的风险；

从海床向上到平台和从平台到海床的采油立管没有井喷的风险；

抗损坏的安全性；

节省资金费用和操作费用（即，减少了石油和天然气的开采成本）

因为更靠近井口的压缩机和泵的吸力效应而增加了产量；

设备具有稳定的环境条件，（即，几乎恒定的冷却温度和几乎恒定的绕设备的低流动性的海水流速并且没有波浪，而平台处的温度可在例如-20℃到+30℃之间变化并且飓风强度的风速能够与非常大的波浪结合）。

冰冷的海水能够用于电机、其它电气和电子设备以及工艺流体的冷却；

没有视觉污染；

重量相当小，并且因此用于建造水下设施的材料和能量的数量更少；

较少的二氧化碳（即，由于较少的材料数量而导致用于制造的环境气体排放较少）；

由于消除了直升机运输和平台操作，使得在操作期间的二氧化碳排放较少；

由于用于运行压缩机和泵的电机以及从海岸或平台供应电力，因此与平台相比，二氧化碳排放较少；

每重量单位的石油和天然气的能量消耗和环境气体排放较少；

直到2010年，水下压缩机的缺点是：没有在水下进行安装和操作（即，技术上没有验证）。然而，这只是时间的问题，并且由于对应用的强烈积极性，第一台水下压缩机站将很可能在2015年或更早被运行。

水下增压是近来的技术。要求大的水下引出长度的水下增压是非常新的技术，其使用现代化设备并且面对不曾遇见或其它不相干的问题。

现有技术的当前水平在专利公开WO 2009/015670中限定，WO2009/015670指示了在水下引出电缆的近端、水上部分或陆上端部中的第一转换器装置的使用以及在水下引出电缆的远端、水下远端中的第二转换器装置的使用。变速驱动装置VSD在引出电缆的任一端部中指示。用于电机的水下变速驱动装置（VSD）还被称为变频驱动装置（VFD）或频率可调驱动装置（AFD）或变频器或仅是转换器并且所述水下变速驱动装置代表现有技术水平。WO2009/015670或其它出版物不涉及所提到的费兰梯效应，也不涉及所讨论或所指示的有关水下VSD的任何问题。

迄今为止，在运行中，仅有一些水下泵并且没有水下压缩机。然而，正在开发水下压缩机站并且首先被预期在几年之内安装和运行。目前，水下泵和压缩机都由异步电机驱动。所安装的泵到平台或海岸的引出距离不大于大约30km，并且迄今为止，深度不低于1800m。周知的是，石油工业在针对引出距离为40-150km并且水深直到3000m或更深的压缩机的安装进行重要的研究和计划。

实际的电机功率从大约200kW（用于小泵）直到15MW（用于压缩机），并且在将来甚至能够预见更大的电机。目前安装的水下电机通过来自电源处（即，平台或海岸处）的交流（alternating current，AC）电缆来供应电力，并且在数个电机的情况下，每个电机具有其自己的电缆，并且在电缆的近端处具有变频器（变速驱动装置，VSD）以便控制电缆的远端处的每个单独的电机的速度（参考图1和表2）。

在本专利说明书的上下文中，近端指的是电力传输的靠近电源的端部。在水下应用中，所述近端是水上平台位置或陆上位置。相应地，远端指的是传输线路的靠近电力负载（通常为电机负载）的另一端部。所述远端不一定限制于传输线的高压端。所述术语能够被拓展至较低电压的总线或端子，所述总线或端子是远端站（例如，水下变压器的低电压侧上的公用的水下总线）的一部分。

压缩机和泵通常分别在4000-14000rpm之间和2000-5000rpm之间的最大速度下运行。因此，当使用电机和泵或压缩机之间没有变速箱的现代化高速电机时，驱动电机必须具有2000-14000rpm的额定转速。这一机械速度与例如两极电机的大约30-230Hz的进给驱动的电频率范围相对应。具有多个极对的电机需要考虑相同的电频率下的较低的最大机械速度。

图1示出了迄今为止用于将电力传输到所安装的泵上的唯一的解决方案，在一些情况下不需要VSD和水下电机之间的变压器，并且该解决方案被称为第 一解决方案。这种每个电机具有一根传输电缆的解决方案具有以下缺点：由于高的电缆成本，因而引出的长度较长（超过50km）很昂贵。

妨碍所述解决方案的重要的技术障碍是：在一定的水下引出长度处，从近端电源到远端遥远的电机的电力的传输不可行，因为传输系统将由于费兰梯效应而变得电力不稳定并且不能操作（稍后将描述）。新方法将解决这种不稳定的问题。

图2示出了被提出用于在较长的引出长度下将电力传输到数个负载上的解决方案，该解决方案为解决方案二。这种解决方案具有一根公用的传输电缆和水下配电系统，每个电机具有一个水下VSD（变速驱动装置），这将显著减少用于传输的电缆成本并且还通过将传输电缆中的电流频率限制到50-10Hz来防止电力不稳定的问题，并且对于所述频率而言趋肤效应是可以接受的。所述频率于是通过VSD被增大以适合连接到VSD上的电机的速度。然而，第二解决方案同样具有缺点。所述缺点是昂贵的VSD没有被证实可用于水下用途，并且因为所述VSD由包含在控制系统中的许多电气和电子组件组成，所以所述VSD易于增大电力传输和水下配电系统的故障率。

在下文中将描述现有的第一解决方案（图1）（一个电机在长距离电缆的远端）以及图3中示出的第三解决方案（数个电机在公用的长距离传输装置的远端并且公用VSD在其近端）的固有的电气问题。

对于从电源到负载的长的引出距离（大约50km及以上），水下电缆的影响如此强烈以致不能针对极限负载（例如，单电机）建立系统。线路电感和电阻影响从电源到负载的大的电压降。已知的是，所述电压降是自放大的并且能够导致在远端处为零电压。引出距离越长，输电电压必须越高，以便减少沿传输线路的电压降。然而，具有高电容的电缆以及长的AC（交流）电缆将表现出明显的所谓费兰梯效应。费兰梯效应是周知的现象，其中，线路或电缆的电容充电电流随着线路长度和电压水平的增加而增加。在100km的引出长度处，电缆中的充电电流可高于负载电流，这使得很难调整这种无效的传输系统。更关键的结果是：突发的空载电压将会比近端供应高50%。这种高压将破坏电缆和远端的变压器以及连接件。在突加负载降低的情况下，远端电压将跳转到较高的水平。另外，将会有例如50%的瞬时峰值（总体100%）（下文的表1所示），在表1中，用粗斜体字母标记的值超出了绝缘的电压等级极限。

现今的具有大约30km的引出距离的系统不具有这一问题，因为水下引出长度和电负载的组合是可行的。

表1在不同系统中由于费兰梯效应而在过载跳闸时的电压升高

费兰梯效应和趋肤效应的一些考虑因素：

费兰梯效应是指长的传输线路的远端处的电压相对于近端处的电压发生升高，当线路充电但存在很轻的负载或负载被断开时，发生费兰梯效应。该效应归因于线路电感之间的与发送端的电压同相的电压降（归因于充电电流）。因此，电容和电感都是产生所述现象的原因。线路越长并且施加的电压越高，费兰梯效应将越显著。相对的电压升高与线路长度的平方成比例。

由于高电容，与空中悬置传输线路相比，费兰梯效应在地下电缆和水下电缆中更加显著（即使在短长度的电缆中）。

针对给定系统来确定费兰梯效应的公式被提出：

v_f=v_n(1+ω×C×L×l²)

其中：

v_f=远端电压

v_n=近端电压

ω=2×3.14×f

f=频率

C=线路电容

L=线路电感

l=线路长度

l²=线路长度的平方

在文献中还能够发现费兰梯效应的其它的表达式，但是在任何情况下，应认为，效应随着传输频率、电缆电容、电缆的长度和电压的增加而增强。

从以上公式可以推断出，长线路的费兰梯效应能够通过适当地减少电频率来补偿。这是具有水下VSD的第二解决方案的原因。传输频率能够为例如50Hz的标准欧洲频率。

低的传输频率的另一好处是大大减少了传输电缆的电趋肤效应（即，更好地利用了电缆的横截面区域）。在实际中，高频电（100Hz或更高）的长距离传输（100km或更长）将由于趋肤效应和电缆的相应高的电阻而被抑制。

当然必须根据实际情况来评估费兰梯效应和趋肤效应的影响是否能被给定频率下的传输所接受。存在提供对于上文提到的问题有益的水下电力传输系统的需求。

发明内容

本发明提供了一种用于水下引出电缆远端与水下负载之间的有效连接的装置，所述水下负载诸如泵、压缩机及控制系统，其特征在于，所述装置为旋转频率步进装置，更具体地，所述装置为旋转增速或减速装置，并且所述装置包括：

有效连接的电机和发电机，使得所述电机驱动所述发电机，

至少一个充注气体和/或液体的容器，所述电机和所述发电机这二者中的至少一者被布置在所述容器中，并且

引出长度长至足以在对于水下泵和压缩机电机可行的频率和功率等级处导致由费兰梯效应引起的问题，并且其中，所述装置经由引出电缆接收频率足够低的输入电能以便具有稳定地传输，并且有效地连接到所述水下电机上的装置为所连接的电机的工作输送可行的输出电频率、电流量和电压。

优选地，所述装置为被动式频率升高装置或频率降低装置，所述被动式频率升高装置或频率降低装置不具有用于在水下现场进行主动控制或调节的组件，并且所述被动式频率升高装置或频率降低装置包括：具有所布置的电机的旋转轴；发电机，所述发电机布置在电机轴上或布置在有效连接到所述电机轴上的另外的轴上；压力容器，所述电机、所述发电机和所述轴被布置在所述压力容器中；充注压力容器的气体和/或液体；至少一个电子穿入部和压力补偿器（如果所述容器充注有液体，所述液体对周围海水压力进行压力补偿）。频率降低可以一直降到0Hz，频率升高可以升到所连接的负载的工作频率。

更优选地，所述装置为水下旋转频率升高装置（Subsea Rotating FrequencyStep-up Device，SRFSD），所述SRFSD包括电机，所述电机连接到水下引出电缆的远端处的水下位置的发电机上，所述水下引出电缆在近端处被连接到至少一个位于陆上或水上部分的干燥的位置处的电源上，并且引出长度长至足以在对于水下泵和压缩机电机可行的频率和功率等级处导致由费兰梯效应引起的问题，并且其中，所述装置经由引出电缆接收频率足够低的输入电能以便具有稳定地传输，并且有效地连接到所述水下电机上的所述装置为所连接的电机的工作输送可行的输出电频率、电流强度和电压，并且所述装置被安装在充注有液体或气体的压力容器或壳体中。

最优选地，所述装置包括具有公用轴的电机和发电机，所述发电机的极数是所述电机的极数的倍数。替代性地，所述装置包括以下装置中的一个：机械传动装置、流体动力或液压传动装置、机械流体动力学传动装置或磁力传动装置。

前不久，水下增压系统已经考虑到了费兰梯效应。因为引出电缆的绝缘性可以被远端处的无法控制的高压（由于费兰梯效应）所破坏，所以具有水下VSD的较早的系统对许多应用场合而言没有用。一些实施例的相关特征“被动式电频率升高或降低（或步进）装置”意味着：所述装置不应当并且不可以在工作期间或在所述系统的使用寿命期间的任何时刻在现场进行调节，与水下VSD相反，所述装置是被动式从动单元（即，被动式频率升高装置或无源频率降低装置）。水下VSD非常复杂、巨大并且昂贵，通常其高度大约为12m、直径为3m并且重量大约为200吨。与之相反，所述被动式装置将小得多也简单得多，通常其长度大约为6m且直径为2-3m以及重量大约为50吨。预计该装置的可靠性比水下VSD好数倍。这是因为水下VSD非常复杂，并且即使所有的元件都采用高质量元件，元件的大数量和复杂性导致了实际可靠性被减小。与具有水下VSD的现有技术的系统相比，该装置或本发明的系统的成本将被大大减少。术语“其它负载”包括到控制系统的功率和与增压并非必然有关的其它负载。

所述引出电缆的工作频率必须将费兰梯效应和电损耗考虑在内。绝缘体是关键元件。更优选地，导体和绝缘体的尺寸以及工作频率的选择使得在电缆的远端处（该处在工作期间具有最大的费兰梯效应）的电压的增大量正好和电损耗一样多，因此，避免了由于费兰梯效应所导致的远端处的过压并且电缆的设计被简化。本文件所提供的指导与良好的工程实践的结合足以用于正确的引出电缆设计（包括工作频率的选择）。所述解决方案考虑到了各种情况。于是本发明的装置被设计为：将升高电缆的工作频率转换为水下负载的工作频率，所述水下负载例如为水下压缩机或泵，或更具体地，所述水下负载为水下压缩机或泵的电机。

进一步的实施例和特征在从属权利要求中限定。在本文件中所描述或示出的特征能够以任何有效的组合被包含在本发明的装置中，并且每个组合都是本发明的实施例。组合的动机是基于所描述的或所示出的，或所述组合在彻底研究本文件之后对于本领域技术人员来说是显而易见的。

所述装置的输入电频率和输出电频率将不同。所述差异在于被动式装置的固定比率。输入频率（引出电缆的工作频率）将在0.1-150Hz的范围内（例如，2-60或4-50Hz或5-40Hz），而输出频率将会在0.1-350Hz的范围内（例如，30-300Hz、50-250Hz或50-200Hz）。输出频率还可以是0（即，通过在电机-发电机组中使用直流发电机的直流）。所述水下装置可以作为一个或数个元件被布置在一个或数个壳体中，然而，所述水下装置的所有部件必须承受恶劣的水下环境而不出现故障。通过本发明，长期成本和所述装置的可靠性以及有关的系统在当前通过水下稳固变速驱动装置而实现的基础之上被显著地改进。

本发明还提供了一种用于碳氢化合物流体或其它水下流体的增压的系统，所述系统包括：

水下引出电缆，所述水下引出电缆被连接到近端处的交流电源上，所述水下引出电缆的长度过长以致不能在对于水下增压设备可行的频率和功率等级下稳定地工作，

用于泵或压缩机的水下电机，所述泵或压缩机被有效地连接到所述水下引出电缆的远端，

其特征在于，所述系统进一步包括：布置在所述水下引出电缆和水下泵或压缩机之间的旋转电机-发电机频率升高装置。

优选地，所述系统的装置不具有用于在水下现场进行主动控制或调节的组件，并且所述装置包括：

布置在电机轴上的发电机，

容器，所述电机、所述发电机和所述轴被布置在所述容器中，

充注所述容器的液体，

压力补偿器，以及

至少一个电子穿入部。

另外，本发明提供了本发明的水下旋转步进装置的用途，所述水下旋转步进装置用于将水下引出电缆的电源特性转换为可用于所连接的水下设备的工作的电压特性、还提供了一种具有至少一个布置在水下引出电缆的远端的本发明的水下步进装置的系统以及一种通过仅控制调节水上部分或陆上位置处的系统项目（例如，通过水上VSD）来操作所述系统的方法。所述装置、所述系统、所述方法或本发明的用途中的任一个可包括在本文中所描述或示出的任何特征或步骤的任何有效组合，每个有效组合都为本发明的实施例。

附图说明

本发明将通过附图来说明，在附图中：

图1-3示出了现有技术的实施例，以及

图4-7示出了本发明的实施例。

具体实施方式

本发明的具有频率升高装置以驱动交流电机的实施例

本发明的实施例中的第四解决方案在图4和图5中示出。所述实施例的主要特征引入了水下频率升高或降低装置，在所示实施例中，频率升高装置（frequency step-up device，FSD）位于水下并且在传输电缆的远端处并且到驱动压缩机和泵的电机的距离较短。短距离在上下文中意味着足够靠近以将欧姆电阻压降和发电机/FSD和电机之间的功率损耗保持为可接受的，并且短距离还意味着短至足以避免由费兰梯效应和不稳定性引起的问题。需要重点指出的是，因为具有根据需要调节速度的局部控制系统，水下FSD不直接控制频率来适应电机的运行速度。根据稳态的开采速度、起停以及斜线升速和降速的速度变化由位于近端的水面之上（在平台的水上部分或陆上）的VSD来完成或由远离水下FSD的其它装置来完成。所述FSD仅是VSD的从动设备并且其用途仅仅是将由VSD给定的传输频率升高多倍。

通过使用轴被连接到水下发电机上的水下电机并且使这两个机器以相同的速度运行可以容易地获得所述升高（即，水下旋转FSD（RFSD））。能够使用使电机和发电机产生相同速度的任何类型的连接方式（例如，柔性连接、刚性连接、电机和发电机使用公用轴、液压连接、流体连接）。优选地，电机应该具有2极以将传输频率保持的尽可能地低，而发电机的极数将根据对传输频率的升高的需要来选择，所述传输频率足够低而不会得到上述的由费兰梯效应、不稳定性和高电阻（归因于伴随着趋肤效应的相应的不可接受的电压降）引起的问题，即，传输频率在“无错频率范围”内。

通过具有2极电机和4极发电机，升高比率将是2:1，6极发电机将得到3:1的比率并且8极发电机将得到4:1的比率等等（比率取决于发电机的极数）。这意味着，如果来自陆上VSD的频率在50的范围内，那么来自水下RFSD装置的水下频率将在100Hz（对应于2极电机的转速6000rpm）的范围内。如果使用8极发电机那么相应的升高频率将在200的范围内并且对应于2极电机的速度12000rpm，。这些示例清晰地表明，本发明能够通过电机和旋转的水下RFSD的发电机的极数的正确组合来供应用于实际的电机速度的任何需要的频率并且使所述频率处于无错传输频率。

通常，升高比率可以表示为：

fs-u=n×ft，其中

ft：传输频率，赫兹（Hz）

fs-u：升高频率=到电机的输入频率，Hz

n：取决于发电机的极数与电机相比的倍数2、3、4等等

无错传输频率范围必须根据实际情况来计算。对于多达150km的引出距离而言，多达75Hz的传输频率可以在无错范围内，如果引出比率是2:1（2极电机和4极发电机），那么这将得到2极压缩机的电机速度为2×75×60=9000rpm。如果75Hz被发现太高而不能实现无错，那么能够应用3:1的引出比率（2极电机和6极发电机），这对于给出的示例将传输频率最大程度地减少至50Hz。所述传输频率在油田或气田的整个开采周期之上将不会保持不变，并且因为井口处的压力的减小，所述传输频率不得不随着时间被调节升高。对于给出的情况，来自近端的传输功率可以在开采开始时为33.3Hz并且在开采结束时为50Hz，所述频率分别对应于远端处的2极压缩机的电机的6000和9000rpm之间的速度。

通过选择电机和发电机的极数而选择正确的升高比率，这将很可能可以无错地将交流功率传输到水下电机（该水下电机从近端到远端的距离（升高距离）为300km或更多）。

使用2极电机有益于将传输频率保持得尽可能地低。如果发现支持使用具有更多数量的极数的电机的其它原因（例如，扭矩和功率），那么仍可以通过相应地选择发电机的极数来得到想要的升高，例如，4极电机和12极发电机将得到3:1的升高比率。

使用低频率和4极电机的优点是：电机和发电机的速度将较低并且电机中的相应的摩擦损耗将因此会较低。这开创了注油电机和布置在公用压力壳体中的发电机的使用。

举例而言，如果传输频率是25Hz并且使用4极电机，转速将仅为750rpm，这将使得摩擦损耗较低。为了从发电机取得150Hz的频率，电机必须是24极。通过使传输频率在18-28Hz之间变化，发电机的频率将在108-168Hz的范围内变化并且得到6480-10080的电机速度（2极），这能够适合于压缩机电机。

因此，传输频率的变化区域的选择以及必然随之发生的升高比率将基于足够低的频率以便对于给定的引出距离具有稳定的传输，并且与电机和发电机的数量适合的极数和扭矩结合而将费兰梯效应和趋肤效应保持到很低的程度。此外，如果优选注油电机和发电机，那么速度必须被保持低于某些限制以避免太高的摩擦损耗；通常750-1500rpm的速度是有利的，即，25Hz的传输以获得4极电机的750Hz和2极电机的1500rpm。

下文给出了作为示例的表，该表显示出使用具有4极电机和12极发电机的电机-发电机组所产生的具有2极的水下压缩机驱动装置（电机）的速度：

该表展示的高达50Hz的传输频率范围将覆盖用于压缩机的实际速度范围。

对于具有2极的压缩机驱动装置、6极电机和24极发电机的电机-发电机组给出如下的类似的表：

在这种情况下，高达40Hz的传输频率将是足够的。

上面的表格清晰地展示了传输频率可以被保持得很低以避免由费兰梯效应和趋肤效应引起的问题。

压缩机机组的选择也是一个有助于自由选择传输频率和频率升高比率的因素，即，可以在适当的限度内选择机组以适应最佳传输系统产生的f_s-u。

水下RFSD在原理上很简单，并且因为升高频率将作为发电机的极数与RFSD的电机的极数的比值的结果而自动地获得，所以不需要控制系统。

水下旋转增速装置的另一优点是：输出电流和电压将具有对电机有益的几乎完美的正弦波形，即，不需要用于平滑的电滤波器来获得所述几乎完美的正弦波形。

水下RFSD（SRFSD）还将电感供应给传输系统，这是因为电缆具有过剩的电容，并且SRFSD因此减少了对近端电相位补偿的需求。

在SRFSD中将会有一些功率损耗（5%），但是水下VSD也将具有损耗（然而可能更低）。

SRFSD的选择当然必须使给定频率下的发电机的输出功率对应于所连接的电机的需求。举例而言，如果2极的压缩机电机在10000rpm下产生10MW，那么发电机的功率输出必须相应的额外加大一些以弥补167Hz的频率下的损耗。SRFSD的电机必须相应地产生比10MW额外多一些的轴功率以弥补损耗。

除了使电机-发电机组的电机和发电机具有不同的极数以外，另一种方式可以包括在电机和发电机之间的固定增速传动装置（例如3:1的增速）。举例而言，如果传输频率为50Hz，4极电机将具有1500的速度并且发电机速度将为4500rpm并且具有150Hz的输出频率，所述输出频率使2极压缩机驱动装置得到了9000rpm的速度。固定增速与发电机极数的组合还能够被用于保持减少极数的数量（如果有利的话）。例如，如果2:1的增速传动装置被插入到4极电机和8极发电机之间，那么处于50Hz下的电机的速度将是1500rpm、发电机的速度为3000rpm并且发电机的频率输出为200Hz并且驱动装置的速度为112000rpm。通过在近端处具有VSD，能够通过在高达50Hz的范围内调节传输频率而将驱动装置的速度调节至适合的值。

在一些情况下可以保持固定的传输频率和发电机的固定频率，进而保持所连接的电机（例如，压缩机、多相或单相的泵用电机）的固定速度。如果电机驱动压缩机，那么压缩机速度可以例如被保持在9000rpm不变，并且随时间变化的适合的流量和压缩机的压力比可以通过再捆绑和一些再循环而被调节。这将得到整体系统的最简单和最低的资本支出（CAPEX），但是由于压缩机上的再循环的周期而导致稍微高的功率损耗。与可变频率相比，压缩机的更频繁的再捆绑也是必要的。最佳的电力传输和压缩系统必须依实际情况基于计算来建立最佳的系统设计。

水下RFSD的设计

注油压力壳体

电机和发电机被装配在公用压力壳体中，所述压力壳体具有适当数量的具有密封件的法兰。此外，对于实际设计存在数个选择，所述选择如下：

电机-发电机具有适当数量的轴承。

电机-发电机的转速足够低以将摩擦损耗保持在可接受的范围，并且用合适液体（例如，油）充注公用压力壳体，所述液体润滑轴承并且还冷却电机和发电机，并且优选地，所选择的油的性能应该使得所选择的油充当电绝缘子。

取代油的是，所述壳体可以充注水或水和防冻剂（例如，乙二醇（MEG））的混合物，这就需要电机和发电机线圈完全电绝缘。

通过使所述壳体不完全充满液体并且在一定压力下具有气体体积，所述壳体内部的压力可以自由地选择。

有利的解决方案是用液体充注所述壳体并且具有位于周围海水和压力壳体的内部液体之间的压力平衡装置。这将使得压力壳体的厚度最小并且还减少了负载和对法兰和密封件的要求。

如果通过穿过压力壳体并且通到海里的热流动而进行的电机-发电机的直接冷却太低，那么必须包括具有到周围海水的热交换的外部冷却回路。

有利地，用于冷却回路的泵可以被连接到电机-发电机轴上或所述泵可以是具有电机的单独的泵。

如果可以使用在液体中工作的磁轴承，这可以是液体润滑轴承的一个选项。关于这点的更多细节，可以参考下文针对充气壳体的描述。

充气壳体

可以用惰性气体来充注压力壳体，所述惰性气体为例如干燥的氮气或干燥的空气。充气壳体的优点是比注油壳体的摩擦损耗更低，这允许电机-发电机的较高的速度。附加地，实际解决方案可以包括以下：

液体润滑轴承（例如，油、水或水/MEG），所述液体润滑轴承具有穿过外部热交换器或仅在壳体内部的循环回路。

用于润滑剂的最小的一个泵，所述泵既可由电机-发电机轴驱动也可以是单独的电动泵。

如果必要的话，气体的冷却回路包括通过具有最小的一个风扇而使气体穿过外部热交换器流通或仅在壳体内部流通。

可以使用磁轴承来替代液体润滑轴承。于是，气体的冷却系统必须被定为合适的尺寸以冷却所述磁轴承。

必须包括用于磁轴承的控制系统，所述控制系统位于电机-发电机壳体的附近或所述壳体的内部。如果所述控制系统位于电机-发电机壳体外部的箱体中时，那么需要贯穿壳体壁的穿入部以及用于控制系统和磁轴承之间的电力和信号的电线。如果控制系统在箱体中，那么所述箱体可以被设计为可单独取回或不可取回。壳体内部的压力可以从1巴到等于或高于周围水压力的范围内选择。低压的优点是低摩擦和低损耗。高压的优点是气体的热容随着压力的增加而增加并且因此给予更好的冷却。高压的另一优点是还减少了对壁厚的要求并且降低了法兰和密封件上的负载。如果压力被选择为接近等于周围海水压力，那么使得对压力壳体以及法兰和密封件的要求将与充注液体的压力平衡容器类似。

水下旋转VSD

上文提到了电机-发电机组中的电机和发电机之间的液压联轴器或液力联轴器的使用。所述联轴器具有实现“软启动”的优点，即，发电机在电机上的负载不是即时的，而是在一段时间内斜升，以便避免较高的启动电流峰值。可以进一步拓展所述联轴器的使用以使所述联轴器可被调节，从而使得可以相对于恒定的电机速度来调节发电机的速度。按照这种方式，电机-发电机组可以被用作水下变速驱动装置（即，水下旋转变速驱动装置（RVSD）），并且可以省去水面以上的VSD。

可以使用用于升高和降低发电机的速度和其输出频率的机械传动装置来替代液压联轴器。

如果使用了某种可变联轴器（液体或机械），那么用于可变联轴器的控制系统可以位于水下RFSD外部的单独的箱体中，或者优选地，所述控制系统可以是位于水面之上并且优选地连接到或集成到整体控制系统上，所述整体控制系统用于水下升压站、压缩机站、水下加工设备或具有变速水下电机的其它系统。

一些考虑因素

本发明的一个要点是：通过在近端处使用VSD，能够快速调节电机负载的频率已经不重要。在储层被开采并且油田压力逐渐减少的同时，电机速度随着时间被缓慢调节，因此需要增加动力（即，电机速度）。这个事实考虑到例如临时使电机缓降以便再连接一个电机。替代性地，未使用的电机可以直接被连接到负载上（如果计算已经证实了这对于电力传输系统的电流峰值或其它干扰是可行的）。根据已经运行的电机的数量，在直接工作（direct on-line，DOL）启动之前临时地减小频率是有益的。如果必要的话，当启动附加的电机时，电力可以被切断，并且随后启动并增加所有电机的速度。在压缩站中，另一选择是在启动已经停止的压缩机或泵之前使所有的泵和压缩机处于再循环，然后启动停止的单元，并且当所述单元达到所需的速度时，使所有在线的压缩机和泵开始在工作模式下运行。

上文提到的装置和方法使得可应对费兰梯效应和趋肤效应并且因此显著地延长水下高压电力稳定传输的距离。

因此，最大的实际的引出距离可以增加很多，而不必引入具有频率水下控制的水下VSD。在图4和图5中，升高装置都不具有根据开采来改变频率和电机速度的局部控制系统，所述升高装置既不直接控制频率的缓降以便为已被停止的电机的添加操作，也不直接控制频率的缓升以获得电机的实际速度以适应开采。

如果RFSD具有油润滑轴承，那么不需要任何单元控制系统，并且可能的仪器被限制于检测例如振动和温度（如果发现有益的话）。

如在“本发明的背景技术”的部分中所提到的，压缩机的速度可以在例如4000到14000rpm之间变动并且泵的速度可以在例如2000到5000rpm之间变动。当根据本发明（第四解决方案和第五解决方案）的压缩机站中的压缩机和泵电机通过公用传输电缆供应相同的频率时，泵的速度可以通过使用用于泵的4极或更多极的电机和用于压缩机的2极电机来被容易地调节至所需的速度，即压缩机速度的一半。如果泵被用于控制压缩机站中的分离器的液位，那么用于所述泵的适当变化的向前的净流量可以通过再循环来配置并且配备有流量控制阀。

泵的速度因此可以按照以下可选的方式被控制：

用于每个泵电机的专用的水下FSD；

用于数个泵电机的一个公用的FSD；

使泵电机与压缩机以相同的频率运行，但是其具有双倍的极数从而导致转速为一半；

使泵在传输频率下运行，同时压缩机电力频率被升高。

通常，对于水下FSD的数量，它们的数量可以从每个电机一个到用于所有电机的一个大的公用的单元，或介乎两者之间（例如，每个大的压缩机有一个FSD并且对于相当小的泵电机有一个公用单元），或（如上所述）没有用于泵电机的FSD。

位于水面之上的VSD的一些建议组合、水下驱动装置的数量以及3相传输线的数量

3相传输线由绝缘并集束在一起的三根单独的电缆组成。对于具有多于一个电机（例如，2个压缩机）的长距离水下传输而言，现有技术可将用于两个电机的传输线集束到一起（例如，6根电缆成一束）。这将降低铺设线路的成本并且具有允许对在集束到一起的两根线路的远端处的两个电机进行单独频率控制的优点。每个电机具有一个升高装置。该布置在图7中示出。在这种情况下，电机采用高压类型并且传输电压可以为例如100kV，并且不需要水下变压器。在这种情况下，因为目前没有用于超高电压（例如，100kV）的水下断路器，所以断路器不得不位于发电机的之后，该处的电压在可接受的范围内。

使得投资较低的另一种方式是图4中示出的解决方案，并且在电机M和发电机G之间具有液压软启动器，使得电机M1---M4可以在不产生不可接受的启动电流的情况下被单独启动。所有的电机将以相同的速度运行，这对于相同的机器（例如，压缩机）而言不是问题。

简化布置是在图4中的没有软启动器的布置。在这种情况下，将必须同时启动所有压缩机，虽然这有些不方便，但是因为每年的启动的次数是有限的，所以并不认为这是一个问题。

附图中的条目的含义在表2中说明。

表2附图标签

详细说明

参考图4，图4示出了本发明的特定实施例。节点1被连接到用于供电的电源上；所述电源为本地电网或例如为本地发电系统。VSD3是到电源的连接件。VSD输入变压器2常常被连接在之间以便将用于平台的供应电压（例如，13.8kV）调节到额定VSD电压（例如，6kV）。所述变压器可以是VSD的集成部分（如一些供应商提供的）。通常，需要用升压器4将VSD3连接到高压传输线路5上，所述高压传输线路5在所述示例中为由电缆组成的水下应用。通常施加到电缆上的电压可以例如为大约120kV。电缆铺设在海中以便从近端8延伸到水下远端9；电缆具有任何可实施的长度，在该长度从费兰梯效应开始被观察出的长度直到费兰梯效应强有力地控制负载电流的长度。这可以被转化成大约20km-100km的长度并且可能超过于由水下负载的位置和性能所指定的。水下变压器6被布置在电缆的远端9处，水下变压器6将电压降低至适合于断路器7、7′、7′′、7′′′的例如20kV，接着，由变压器13、13′、13′′、13′′′将电压降低至适合于水下RFSD的电机的6kV或SFSD的工作电压，该电压也是适合于电机M1、M2、M3、M4的电压。示出了4个水下电机，所述4个水下电机例如可以是两个压缩机电机M1、M2和两个泵电机M3、M4。

降压器原则上是可选的，因为降压器6（参考图4和图5）可以直接将电压降低为适合水下FSD（如图5所示）。包括13、13′、13′′和13′′′是考虑到远端配电系统的优化。

通过选择电机M和发电机G的极数，图4和图5中的水下RFSD以所需的升高比率来升高传输频率。

应强调的是，图4和图5的电力传输系统的关键组件是电源1、变速驱动装置（VSD）3、传输电缆5和电机-发电机组M-G。其它组件（即，升压器和降压器2、4、6和14、13′、13′′、13′′′以及断路器15、7、7′、7′′、7′′′）根据实际情况的需要来引入。

举例而言，如果电机-发电机组的电机M是在定子中具有绝缘电缆的类型，那么所述电机可以在比具有传统线圈的电机更高的电压下运行。因此，降压器4、6和13将变得不必要。附加地，如果电机M1-M4由升高装置固定加速，那么可以省略所述VSD3。

具有绝缘定子电缆的高压水下电机的另一优点是：所述电机所需的经过电机壳体的穿入部的电流（安培）比处于6kV的范围的传统电压下的电机少。这将允许电机具有比现有阶段更高的动力，在现有阶段中，由于电流（安培）负荷的限制，最大即为大约12MW的功率。

长的水下电缆和水下VSD的成本很高，并且图2中的水下VSD对系统可靠性具有负面影响并且很昂贵。因此，与图1中的解决方案相比，一根公用传输电缆意味着显著地节省了投资。

应提到的是，即使一根公用的传输电缆出于成本原因考虑是有益的，但在技术上每个水下FSD都具有一根传输电缆是没有问题的。这可以是对于中间引出长度（35-75km）的最佳解决方案（即，所达到的距离不会使电缆成本过高）。使每个传输电缆具有一个VSD（即，每个水下电机具有一个VSD），这实现对每个电机进行单独的速度控制。

本发明的水下升高装置的扼要说明

在长的水下升高距离（大于40km）上传输高频率（高于100Hz）的高压高功率电以便为用于水下泵和压缩机的处于高速工作的电机供电是有问题的或甚至不可能的。这归因于费兰梯效应以及趋肤效应，费兰梯效应可以产生传输系统中的过压和不稳定性，趋肤效应产生高的欧姆电阻并且因此产生高压和功率损耗。

到其的传输频率可以很低（例如50Hz）的水下变速驱动装置展示了对该问题的解决方案。然而，所述水下变速驱动装置很大并且配备有大量的敏感的、脆弱的电气元件和电子元件以及控制系统，这附加地使得所述水下变速驱动装置很昂贵并且还被认为具有高的故障率。

本发明具有位于水面之上（在平台上或陆上）的VSD及其控制系统并且具有一个或多个简单的旋转水下频率升高装置，并以此来提供对该问题的解决方案。优选地，这些装置不直接控制通到电机的电流的频率，这些装置的唯一功能是升高传输频率，所述传输频率是可变的并且可根据电机的需求按照适当的比率来设定。在具有旋转水下频率升高装置的情况下，所产生的升高比率由所述装置的发电机和电机的极数的比值来决定。举例而言，如果发电机为4极并且电机为2极，那么所述比率将为2。

如上所述，SRFSD的优选的功能是仅升高传输频率，并且输出频率的变化由位于近端的水面之上的VSD确定。除此之外，近端处可没有VSD或类似的控制装置。在这种情况下，所述SRFSD发电机的输出频率可以为固定的或通过在SRFSD的电机和发电机之间引入某些可调节的联轴器或传动装置（例如，机械传动装置、流体动力或液压传动装置、机械流体动力学传动装置或磁力传动装置）来在一定限制范围内变化。

旋转水下升高装置将电感添加到传输系统，进而通过抵消电缆的大量电容而得益，进而可以简化近端补偿系统。

Claims (15)

1.用于水下引出电缆远端与水下负载之间的有效连接的装置，所述水下负载诸如泵、压缩机及控制系统，

其特征在于，所述装置为旋转频率步进装置，更具体地，所述装置为旋转增速或减速装置，并且所述装置包括：

有效连接的电机和发电机，使得所述电机驱动所述发电机，

至少一个充注气体和/或液体的容器，所述电机和所述发电机这二者中的至少一者被布置在所述容器中，并且

引出长度长至足以在对于水下泵和压缩机电机可行的频率和功率等级处导致由费兰梯效应引起的问题，并且其中，所述装置经由引出电缆接收频率足够低的输入电能以便具有稳定地传输，并且有效地连接到所述水下电机上的所述装置为所连接的电机的工作输送可行的输出电频率、电流强度和电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置不具有用于在水下现场进行主动控制或调节的组件，并且所述装置包括：

布置在电机轴上的发电机，

容器，所述电机、所述发电机和所述轴被布置在所述容器中，

充注所述容器的液体，

压力补偿器，以及

至少一个电子穿入部。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括具有公用轴的电机和发电机，所述发电机的极数是所述电机的极数的倍数，并且所述电机和所述发电机的极数被选择为：使得实现所期望的频率升高。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，被动式电频率步进装置包括以下装置中的一个：机械传动装置、流体动力或液压传动装置、机械流体动力学传动装置或磁力传动装置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连接件或联轴器或轴包括液压或液力联轴器。

6.根据权利要求5或1所述的装置，其特征在于，所述联轴器是软启动器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，VSD在近端处被连接，以便调节低频传输频率并且进而调高或调低所述发电机的输出频率从而使所连接的一个或多个电机达到所期望的速度。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，来自近端处的电源的传输频率是固定的。

9.根据权利要求1所述的装置，壳体用液体充注，优选地，所述液体为油或水和防冻剂的混合物，并且所述装置具有位于周围的海水和所述壳体的内部液体之间的压力平衡装置。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的并且具有两个或多个SRFSD的装置，其特征在于，所述SRFSD的电机被连接到成束的传输线路上。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述水下RFSD的电机为在定子中具有绝缘电缆的高压类型电机。

12.根据前述权利要求中用气体充注所述壳体的权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述壳体内部的压力可以在从1巴到等于或高于周围海水压力的范围中选择。

13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述发电机为直流发电机。

14.用于碳氢化合物流体或其它水下流体的增压的系统，所述系统包括：

水下引出电缆，所述水下引出电缆被连接到近端处的交流电源上，所述水下引出电缆的长度过长以致不能在对于水下增压设备可行的频率和功率等级下稳定地工作，

用于泵或压缩机的水下电机，所述泵或压缩机被有效地连接到所述水下引出电缆的远端，

其特征在于，所述系统进一步包括：布置在所述水下引出电缆和水下泵或压缩机之间的旋转电机-发电机频率升高装置。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述装置不具有用于在水下现场进行主动控制或调节的组件，并且所述装置包括：

布置在电机轴上的发电机，

容器，所述电机、所述发电机和所述轴被布置在所述容器中，

充注所述容器的液体，

压力补偿器，以及

至少一个电子穿入部。

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