CN103959588A - 交流电力的极长步出传输系统 - Google Patents

Abstract

一种用于通过交流海底横跨电缆供电的电力海底负载或负载，尤其是高电力海底负载的操作的系统。该系统的特征在于其包含被分成至少两段串联连接的海底电缆段的交流海底步出电缆或者交流海底横跨电缆，每段具有适合稳定操作的长度，段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，该电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中。

Description

交流电力的极长步出传输系统

发明领域

本发明涉及位于远离岸上位置或地面位置的海底的设备，尤其涉及用于需要高的交流电力电平的流体增压的设备，但也涉及其他各种类型的设备。

发明背景和现有技术

海底的电负载的操作是具有挑战性的。必须防止进水并且通常必须应对非常高的压力。除了预期的电气效应比如在或者接近完全电解的海水中的高损耗以及非常高的电容外，费朗蒂效应以及电子共振效应、与电力电子相关的瞬变和脉动也必须加以控制。

当增加电力电平时问题被扩大，因此海底设备的操作需要高电力电平，例如海底增压设备如海底压缩机、海底多相泵和海底泵，是最具有挑战性的。问题随着海底步出(step-out)电缆长度的增加、电压的增加、频率的增加以及电容的增加而增加。

目前约40千米的海底步出长度适合约20兆瓦的电力电平、100-200赫兹的传输频率和约100千伏的电压电平，适合没有太高欧姆损耗或电气不稳定性的海底压缩机的操作。然而第20111233号和第PCT/EP2011/065797号专利申请都以申请人的名义，为海底高电力负载如压缩机和多相泵提供可以在长达约150-200千米的海底步出长度奏效的技术。这是通过较低的传输频率(约50-60赫兹)和逐步增加实际操作频率以接近海底设备来实现的。第20111233号和第PCT/EP2011/065797号的技术涉及海底电力电子控制安装、海底VSD，其是庞大的、昂贵的并且实际上不可靠的，其被其他技术所取代。根据操作参数和负载，最大可实现海底步出长度大约是150千米。

如在第20111233号中所讨论的以及在第WO2009/015670(Siemens)号中所规定的，一种选择是在电缆远端使用海底VSD-变速驱动器(也被称为可变频率驱动器、VFD，以及其他术语)，但这是复杂的、昂贵的，并且令人惊讶的是它也是不可靠的。尽管其每个组件是高质量的，海底VSD缺乏可靠性的原因被认为是复杂性大以及组件数量大，导致许多组件上的每个组件的非常小的失败风险被扩大到较大的失败风险。

估计上文提及的现有解决方案中没有一个能够在距离大于约150千米处传送高电力，即高达许多兆瓦的交流电力，例如150兆瓦，且没有上文所提及的恶化供电的效应。若干效应和因素限制了长度，例如变压器的尺寸和最小可行的电压及频率。增加设备的尺寸可能扩大问题，例如增加导体横截面面积可能增加其电容以及增加费朗蒂效应，破坏绝缘并且致使系统不稳定。

一些现有的海底石油领域，以及许多尚未发现的海底石油领域，位于离岸上或者陆台150千米以上之处。存在对于更长的海底步出长度的需求，该海底步出长度在此背景中意指大于150千米的可能长度，例如600千米，并且本发明的目的是满足所述需求。

发明概述

本发明提供一种用于通过交流海底横跨电缆供电的电力海底负载或负载，尤其是高电力海底负载的操作的系统。该系统的特征在于其包含被分成至少两段串联连接的海底电缆段的交流海底步出电缆或者交流海底横跨电缆，每段具有适合稳定操作的长度，段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，该电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中。

术语段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，意指用于每段串联连接的新电缆段的电力是通过发电机产生的，但是如上文和下文所讨论的电问题事实上没有从一段步出电缆段转移到下一段步出电缆段。朝向岸上端部或地面端部的步出电缆段、近端或者较近的步出电缆段连接到电动机并且驱动电动机-发电机组的电动机。进一步远离近端岸上或地面的步出电缆段、远端或者进一步超出步出电缆段连接到发电机并且接收通过所述段之间的电动机-发电机组产生的电力。近端和远端电缆段没有电连接，意味着费朗蒂效应导致的电压峰值、共振和其他瞬变或电问题没有从一段电缆段转移到下一段电缆段。事实上在串联连接的段之间没有电耦合，它们可以说是电隔离或者电绝缘的。电动机-发电机组没有必要在电动机和发电机之间包含任何电绝缘材料，因为电动机和发电机之间的耦合是机械的、液压的和/或磁性的。电动机-发电机组提供电感给系统，这是对于稳定的重要特征。海底步出电缆或海底横跨电缆可以分成两段、三段、四段或更多段串联连接的步出电缆段。术语海底步出电缆(subseastepoutcable)意指传送电力至海底负载，如海底压缩机及海底泵的海底电缆。术语海底横跨电缆(subseacrossingcable)意指其中近端和远端都位于地面或岸上的电缆，但是该电缆具有长的海底距离，此海底距离可能超过到现在为止被认为适合交流供电的最大距离，正如上文所说明的。海底横跨电缆可用于横跨海洋或峡湾延伸。术语每段具有适合稳定操作的长度，意指在本发明的背景中在主要操作条件或设计条件下的稳定操作。电动机-发电机组最好是转动式，尤其因为其良好效率，但是也可以是另一种类型，例如线性式电动机-发电机组。海底电力步出电缆或海底横跨电缆必须分成多段长度以便每段可以稳定地操作，例如对于典型的海底增压设备，每段最大100、150、200或250千米，这依赖于本文所讨论的或提及的电力电平和频率以及其他因素。用于连接电网的横跨电缆比用于海底负载的横跨电缆电压及电力高得多，并且稳定操作的最大长度可以低至约10千米，但是更典型的为20、50或100千米。最大段长度还依赖于应用所需的冗余度，例如通过拥有两段或更多段并联电缆分割电力电平用于针对更长段开发的关键应用。电动机-发电机组的至少一个壳体将电动机及发电机与周围的水隔离，如果被填充气体，所述壳体最好是至少额定至周围压力的压力壳体并且如果被填充液体，它最好是低压额定的压力壳体，其被称作外壳并且压力补偿至周围海水压力。如果该液体是油，则它还可以提供电绝缘、轴承的润滑以及电动机和发电机的冷却。

优选电动机-发电机组包含公共轴。在此背景下，术语“公共轴”也包括任何耦合轴或装配轴，其包含通过刚性耦合、弹性耦合或其他耦合连接或耦合的部分或部件，以便电动机和发电机的各个轴以相同的速度转动。具有公共轴的电动机-发电机组可方便地布置在一个压力壳体中，具有较少的轴承和连接。电动机发电机频率比可以是1:1或者通过相应地选择极数逐步增加或逐步降低频率。所述至少一个压力壳体可以包含压力补偿器。电动机-发电机组可包含机械齿轮，但由于高摩擦、低可靠性以及增加的实用性系统要求，这是不可取的。电动机-发电机组可包含连接电动机和发电机的液压耦合或齿轮。原则上，可以使用连接电动机和发电机而没有将电异常从一段电缆段转移到下一段电缆段的任何装置。电动机-发电机组可以布置在公共的压力壳体中或布置在单独的压力壳体中。为得到关于转动电动机-发电机组的更详细的信息，参考第20111233号，以及第20111233号的内容在此以引用方式并入。根据第20111233号，电动机-发电机组只在海底步出电缆远端使用，根据本发明，它被用在串联连接的海底步出电缆段之间以延长用于海底交流负载的最大海底步出电缆长度。

优选电动机和发电机中的每个包含多于2个极，例如4、6、8、12或24个极，以降低转动速度从而降低摩擦损耗。该摩擦也可以通过增加转子和定子之间的间隙来降低。然而，对每种特定情况和每个电动机-发电机组，将会有适合的极数和适合的间隙，其依赖于很多因素例如尺寸、功率因数、电缆段的长度、电力电平以及其他因素。这是一个找到每种情况的最佳解决方案的优化问题。

在优选实施方案中，本发明的系统中的电动机-发电机组包含高压电动机如Motorformer(ABB)、以及/或高压发电机如Powerformer(Alstom)，两者都隐含着能有30-150千伏的电压范围和40-200兆瓦的功率范围。这可进一步地消除变压器并且降低电损耗。在高压电动机和发电机中，高压电缆如用于电力传输的高压电缆被用于代替传统的定子线棒或定子线圈，以允许高电力、尤其是高压电力直接穿过绕组。然而，必须进行较大的开发工作以使高压电动机和发电机适于海用。

在实施方案中，系统包含具有非接触式磁轴承的电动机-发电机组。磁轴承将降低由于摩擦导致的损耗、也因为可以使用填充气体的压力壳体。这在申请人的第20110396号专利申请中被更详细地描述，引用该申请，并且将所述公布的内容在此通过引用方式并入。

系统包含一个或多个下述负载：海底压缩机、海底多相泵、海底泵、控制系统、伴热系统、阀门致动器、处理设备、不间断电源、整流器、岸上或地面电网点或在电缆远端处的负载，以及其他负载。本发明的系统可以为每个提及的设备和系统提供不同数量的主电源或备用电源，简化了整个系统。例如，使用通过系统的发电机产生的电力操作沿着海底管道布置的伴热系统，可以消除用于水合物抑制的甲醇或乙二醇系统，对于远程海底领域开发，这将是非常有利的特征，其中利用来自沿着管道的发电机的电力，步出电缆和管道可以或多或少地并联配置。

本发明还提供一种布置用于通过交流海底横跨电缆供电的电力海底负载或其他负载，尤其是高电力海底负载的操作的系统的方法，该方法的特征在于将海底电力步出电缆或海底横跨电缆分成至少两段串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度，通过在段之间布置电动机-发电机组，以便电动机部分不电连接至发电机部分，并且在至少一个壳体中布置电动机-发电机组。

海底电力步出电缆或横跨电缆必须分成多段长度以便每段可以稳定地操作，例如每段最大10、20、50、100、150、200或250千米，这依赖于本文所讨论的或提及的电力电平和频率以及其他因素。

此外，本发明提供了海底可操作电动机-发电机组的用途，其用于将交流海底电力步出电缆或交流海底横跨电缆分成每段都能稳定操作的长度的海底电缆段。

本发明还提供用于交流的海底步出电缆或海底横跨电缆，该电缆的特征在于其被分成至少两段串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度，段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，并且该电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中。每段可以为例如最大10、20、50、100、150、200或250千米，这依赖于本文所讨论的或提及的电力电平和频率以及其他因素。

另外，本发明提供了用于通过海底横跨电缆供电的电力海底负载或负载，尤其是高电力海底负载的操作的系统；并为碳氢化合物或其他流体通过海底管道的输运提供了流动保障。

该系统的特征在于其包含：

海底步出电缆或海底横跨电缆，其为一段或被分成两段或更多段串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度；

电动机-发电机组，其为了连接电缆段而布置在电缆的远端，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，该电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中，或在电缆的远端的静态频率升压设备或可变速驱动器可选择地用于连接电缆段，以及

电热装置，其可操作地从所述海底电缆布置到管道以加热管道。

电热装置用于直接电热、伴热或其他电热，单独或上述几种组合，并且其从在海底步出电缆的端部的发电机耦合，并且可选择地被耦合到沿着海底电缆的更远的发电机，或从静态频率升压设备或可变速驱动器耦合，用于在通过管道的流体已关闭的情况下加热管道。

优选该负载包含海底泵或海底压缩机或两者，其为碳氢化合物流体通过海底管道的输运增加流体压力而布置，通过包含一段或若干段的海底步出电缆提供电力，但是在海底管道关闭的情况下，海底电缆被用于为海底管道的伴热提供电力以避免水合物的形成。

更具体地，海底步出电缆是以下项之一：

交流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的频率和电力电平操作的长度，电动机-发电机组布置在端部且在电缆段之间，在所述电缆远端的所述电动机-发电机组是频率升压设备或整流器，用于所述管道的电热的装置由来自所述发电机中的至少一个提供电力，

交流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的频率和电力电平操作的长度，静态频率升压设备或可变速驱动器被布置在所述电缆的远端并且可选择地用于连接电缆段，用于所述管道的电热的装置由来自所述升压设备或所述可变速驱动器中的至少一个提供电力，或

直流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的电压和电流电平操作的长度，逆变器被布置在所述电缆的远端并且可选择地用于连接电缆段，每个逆变器是以下项之一：电动机-发电机组或静态逆变器，用于所述管道的电热的装置由来自所述逆变器中的至少一个提供电力。

如本领域技术人员所周知的，即在关闭管道的情况下，内含物冷却并且可能形成水合物。但是在关闭的情况下，泵和压缩机是闲置的并且海底电缆可以直接地或通过整流器或其他找到的所需设备用于为管道的电热提供电力。用于直接电热和伴热的设备是市售的，以及用于布置在发电机之间的设备和用于电热的装置，如果需要的话，其是可商购的或其可以为该目的利用先前已知的技术及优秀海底工程师的才能被设计。

附图

本发明示出了两个图，即

图1示出了适用于本发明的系统中的电动机-发电机组，以及

图2示出了本发明的系统的实施方式。

详细描述

参考图1，其示出了外壳中的电动机-发电机组，该外壳的压力被补偿至周围的海水压力。更具体地，图1示出了本发明的系统中使用的电动机-发电机组2。电动机-发电机组2包含电动机部分3和发电机部分4，通过公共轴5连接在一起。示出了用于电力输入的穿透器6，并且示出了用于电力输出的穿透器7，穿透器是通过电动机-发电机组2的壳体9的电连接。本发明的壳体不能是压力壳体，在示出的实施方案中，它可以为具有相当薄的壁的外壳，因为其所示的实施方案被填充有油或其他液体，具有用于将压力补偿至周围压力的压力补偿器。更具体地，示出了压力平衡单元8，也被称为压力补偿器，以及示出了油冷却器10。然而填充气体的壳体必须是压力壳体。用于电力输入的穿透器6被连接到靠近地面或岸上的电动机及海底步出电缆。用于电力输出的穿透器7被连接到更远离地面或岸上(即更靠近海底负载)的发电机及海底步出电缆段。事实上在来自电动机-发电机组的电力输入和电力输出之间没有电连接或者电耦合，用于电力输入的穿透器6可以说是与用于电力输出的穿透器7电隔离或电绝缘。

电动机-发电机组在海底步出或海底横跨电缆中用作传输稳定器，如本发明所规定的，通常将在电动机和发电机中具有相等的极数，示出的电动机-发电机组含有6极电动机和6极发电机。其结果是，25赫兹的电力频率输入导致25赫兹的电力频率输出，即输入频率和输出频率相等。在此实施例中转动速度将仅为500转每分，这对于摩擦损耗是有利的。

参考图2，其示出了本发明的系统1。该系统包含被分成三段11s的海底步出电缆11，段通过电动机-发电机组2串联连接。示出的海底步出电缆具有在陆台或岸上的顶部近端11n。VSD、可变速驱动器12被布置在近端的电缆上以控制馈送到在近端处的电缆的电力频率并且VSD下游的变压器控制馈送到其中的电压。在所示的实施方案中，负载是压缩机。在其他实施方案中，海底步出电缆可以直接连接到电网15并且因此具有50或60赫兹的恒定的传输频率或者它可以连接至其他电源或连接至除VSD之外的其他装置以用于控制频率及电力电平，如柴油机组。在所示的实施方案中，海底步出电缆为600千米长，因为它包含三段200千米的串联连接的海底步出电缆段11s。在近端的电缆从表面接收150兆瓦的电力，该电力可以被传送到位于600千米远的两个海底压缩机负载13，通过电缆的操作传输频率例如为25赫兹。在所提及的电力电平处，最大稳定电缆段距离估计为约200千米。在更高的电力负载或更高频率之处，最大段距离减小。减小负载和频率，最大距离增加，然而，如上文所讨论的，许多因素是重要的，由于这个原因，归纳最大距离是不适当的，因为它应该在每种情况下加以考虑。在电缆段之间、以及电缆和其中一个负载之间的电动机-发电机组的两侧以及在表面VSD的两侧，布置变换器以将电力特征变换成适合电动机-发电机组、VSD和连接的负载的操作的参数。该负载是具有高速电动机的压缩机13，并且因此连接到该压缩机的电动机-发电机组是升压设备14。所述升压齿轮或者设备具有比电动机极数更大的发电机极数，极数比对应于频率或转速升压比。该实施例中，认为电缆段11s的长度、频率和电压与近端处的相同并且输入到远端处的变压器内。这最有可能是最好的解决方案，但必须注意的是，这三个参数如果被估计对于技术或经济原因有利，其可以选择不同的值。

示出的一些特征可以改变。电动机-发电机组的类型和设计可以自由改变，只要上文所述的电问题不会从一段电缆段转移到串联连接的下一段电缆段。高压电动机和高压发电机可以用作电动机-发电机组组件，消除了变压器或降低了变压器的额定值。本发明的系统可以包含在该文档中以任何可操作的组合描述的或示出的任何特征，每个这种组合都是本发明的实施方案。本发明的方法可以包含在该文档中以任何可操作的组合描述的或示出的任何特征或步骤，每个这种组合都是本发明的实施方案。本发明的海底步出电缆或海底横跨电缆可以包含在该文档中以任何可操作的组合描述的或示出的任何特征，每个这种组合都是本发明的实施方案。

Claims (14)

1.一种用于电力海底负载或通过交流海底横跨电缆供电的负载尤其是高电力海底负载的操作的系统，其特征在于，所述系统包含被分成至少两段串联连接的海底电缆段的交流海底步出电缆或者交流海底横跨电缆，每段具有适合稳定操作的长度，所述段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，所述电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电动机-发电机组包含公共轴。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中电动机和发电机中的每个包含多于2个极，例如4、6、8、12、24或更多个极。

4.根据权利要求1-3中的任何一项所述的系统，其中所述电动机-发电机组包含磁轴承。

5.根据权利要求1-4中的任何一项所述的系统，其中所述负载包含以下项中的一个或多个：海底压缩机、海底多相泵、海底泵、控制系统、伴热系统、阀门致动器、处理设备、不间断电源、整流器、岸上或地面电网点或在所述电缆的远端处的负载。

6.根据权利要求1-5中的任何一项所述的系统，其中所述系统包含多于两段串联连接的海底步出电缆段，例如三段或四段，每段具有用于在所述段的操作电力电平和操作频率处稳定供电的最大长度内的长度。

7.一种布置用于电力海底负载或通过交流海底横跨电缆供电的其他负载尤其是高电力海底负载的操作的系统的方法，其特征在于：将海底电力步出电缆或海底横跨电缆分成至少两段串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度，通过在所述段之间布置电动机-发电机组，以便电动机部分不电连接至发电机部分，并且将所述电动机-发电机组布置在至少一个壳体中。

8.海底可操作电动机-发电机组的用途，其用于将交流海底电力步出电缆或交流海底横跨电缆分成每段都能稳定操作的长度的段。

9.一种用于交流的海底步出或海底横跨电缆，其特征在于，其被分成至少两段串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度，所述段之间的连接部包含电动机-发电机组，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，并且所述电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中。

10.根据权利要求9所述的海底电缆，其中所述电动机-发电机组包含磁轴承。

11.一种用于电力海底负载或通过海底横跨电缆供电的负载尤其是高电力海底负载的操作的系统，且所述系统为碳氢化合物或其他流体通过海底管道的输运提供了流动保障，其特征在于，所述系统包含：

海底步出电缆或海底横跨电缆，其为一段或被分成两段或两段以上的串联连接的海底电缆段，每段具有适合稳定操作的长度；

电动机-发电机组，其为了连接电缆段而被布置且在所述电缆的远端，其中电动机部分没有电连接至发电机部分，所述电动机-发电机组被布置在至少一个壳体中，或在所述电缆的远端的静态频率升压设备或可变速驱动器且可选择地用于连接电缆段，以及

电热装置，其可操作地从所述海底电缆布置到所述管道以加热所述管道。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述电热装置用于单独或组合地进行直接电热、伴热或其他电热，并且所述电热装置从在所述海底步出电缆的端部的所述发电机耦合，并且可选择地耦合到沿着所述海底电缆的更远的发电机，或从静态频率升压设备或可变速驱动器耦合，用于在通过所述管道的流体已关闭的情况下加热所述管道。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述负载包含海底泵或海底压缩机或两者，其布置为增加流体压力以供碳氢化合物流体通过所述海底管道进行输运，并由包含一段或若干段的所述海底步出电缆提供电力，但是在所述海底管道关闭的情况下，所述海底电缆被用于为对所述海底管道进行电热提供电力，以避免水合物的形成。

14.根据权利要求11、12或13所述的系统，其中所述海底步出电缆是以下项之一：

交流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的频率和电力电平操作的长度，电动机-发电机组布置在端部且在电缆段之间，在所述电缆的远端的所述电动机-发电机组是频率升压设备或整流器，用于所述管道的电热的装置由来自发电机中的至少一个提供电力，

交流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的频率和电力电平操作的长度，静态频率升压设备或可变速驱动器被布置在所述电缆的远端并且可选择地用于连接电缆段，用于所述管道的电热的装置由来自所述升压设备或所述可变速驱动器中的至少一个提供电力，或

直流海底步出电缆，包含一段或多段，每段具有适合可操作地连接的负载以在所述电缆中操作的电压和电流电平操作的长度，逆变器被布置在所述电缆的远端并且可选择地用于连接电缆段，每个逆变器是以下项之一：电动机-发电机组或静态逆变器，且用于所述管道的电热的装置由来自所述逆变器中的至少一个提供电力。