MXPA97009480A - Generador termoelectrico - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un generador eléctrico de tipo que comprende módulos térmoeléctricos y un fluido exterior (3) que presenta una temperatura diferente de aquella del fluido interior. Se caracteriza en que los módulos termoeléctricos (8) estan colocados de manera tal que sus superficies de intercambio térmico se encuentran aproximadamente perpendiculares a la dirección del flujo (F) del fluido interior. Los módulos termoeléctricos (8) están colocados sobre cada una de las dos caras de un collarín (6) aplicada radialmente mediante apretado sobre el conducto (2). Comprende cuando menos una brida anular (10) que encierra yaisla eléctricamente fluido exterior, cuando menos un collarín y módulos termoeléctricos que se encuentran colocados sobre este collarín. Se aplica a la alimentación eléctrica de los equipos de un cabezal de pozo de perforación petrolero.

Description

GENERADOR TERMOELÉCTRICO DESCRIPCIÓN La presente invención se relaciona con un generador eléctrico, del tipo que comprende módulos termoeléctricos de semiconductor, que utiliza el efecto Seebeck , y particularmente un generador eléctrico submarino para equipar cabezales de pozos de perforación. Para la alimentación eléctrica de los equipos (válvulas, instrumentación, etc..) de pozos de perforación petroleros, se conocen esos tipos de generadores eléctricos que utilizan el efecto termoeléctrico provocado por la diferencia de temperatura entre los productos extraídos, a saber aceites, que presentan una temperatura relativamente elevada (superior a 40°C) , que se evacúan de una canalización de perforación o tubo, y el medio submarino que rodea esta canalización a una temperatura muy inferior, del orden de algunos grados. Se disponen capas de termoelementos concéntricamente en manguitos, a lo largo del tubo y se unen eléctricamente en serie o en paralelo para producir una alimentación eléctrica. Las superficies de inter-cambio térmico de esos módulos, son tangenciales en relación con la sección circular de la canalización. Esta disposición limita el número de módulos que pueden disponerse en unidad de longitud de canalización. De esa manera, no se puede disponer mucho más que de ocho módulos, sobre los tubos de dimensión normal, por ejemplo de un diámetro de 150 mm. De esto resulta que la potencia eléctrica proporcionada por un generador de este tipo, se reduce notablemente. Otro inconveniente de este montaje, reside en el hecho que no garantiza la sujeción en presión de los módulos termoeléctricos cuando el generador se sumerge a gran profundidad, hasta 2000 metros en ciertos lugares. Finalmente, los intercambios térmicos al interior de la canalización, no se optimizan. La presente invención remedia esos inconvenientes, proponiendo un generador termoeléctrico que puede proporcionar una potencia eléctrica aumentada y que puede sumergirse a grandes profundidades, por ejemplo hasta 2000 metros, particularmente sobre ciertos pozos de perforación petrolera. Por lo tanto la invención tiene por objeto un generador eléctrico del tipo que comprende módulos termoeléctricos fijados y aislados eléctricamente entre las dos paredes de un conducto que separa un fluido interior en movimiento y un fluido exterior que presenta una temperatura diferente de aquella del fluido interior, caracterizado en que los módulos termoeléctricos están colocados de manera tal que sus superficies de intercambio térmico se encuentran perpendiculares aproximadamente a la dirección del flujo del fluido interior. Según una característica ventajosa, los módulos termoeléctricos están colocados sobre cada una de las dos caras de un collarín aplicado radialmente mediante apretado sobre el conducto. En un modo de realización, el generador según la invención, se caracteriza en que comprende cuando menos una brida de fijación anular que aprieta y aisla eléctricamente del fluido exterior, cuando menos un collarín y los módulos termoeléctricos que están colocados sobre ese collarín. De preferencia, el generador comprende un apilado estanco de collarines y de bridas de fijación que los aprieta, dispuestos a lo largo del conducto. Otras ventajas de un generador eléctrico según la presente invención, se pondrán de manifiesto de la descripción a continuación de un modo no limitativo de realización, refiriéndose a los dibujos anexos en los cuales: La figura 1 es un corte longitudinal de un generador; La figura 2 es un corte según AA de la figura 1; La figura 3 muestra un corte detallado de realización según AA de la figura 2; La figura 4 esquematiza el montaje eléctrico asociado al generador. La figura 1 muestra el generador termoeléctrico que presenta la forma general de un manguito 1 alrededor de una canalización o conducto 2, que corresponde a un cabezal de pozo, no representado, sumergido en el agua del mar 3. El conducto 2 contiene el producto 4, en este caso aceite, que se extrajo mediante perforación y que circula por ejemplo en el sentido de la flecha F. El manguito se compone de un tubo central 2, por ejemplo de acero, sobre el cual están fijados radialmente los collarines 6, por ejemplo de cobre. Los collarines se mantienen sobre el tubo central por medio de un sistema conocido de tornillo de esquinas 7 colocado a lo largo del conducto. Sobre cada cara del collarín 6, se disponen los módulos termoeléctricos 6. Por ejemplo 13 sobre cada cara, están repartidos regularmente, cerca de la parte periférica del collarín 6. Estos están cableados en serie y están conectados al cable 5.

Cada módulo termoeléctrico es un ensamblado plano de termo-pares en serie a base de semiconductores, de manera conocida. Las caras 8a y 8b que permiten el intercambio térmico, están dispuestas por lo tanto perpendicularmente al sentido del flujo F del líquido que circula en el conducto 2. Los módulos termoeléctricos, conocidos por si mismos, se seleccionan teniendo en cuenta sus dimensiones (longitud, anchura, espesor), del número de pares por módulo y esencialmente en relación con la superficie sobre el espesor del termo-elemento constitutivo (tipo N o P) que forman un medio par. Se da la preferencia a un espesor pequeño que conduce a una resistencia interna pequeña. Por ejemplo, se utilizan termo-elementos que tienen la forma de pequeñas placas rectangulares de 60 mm por 30 mm por ejemplo y que presentan 254 termo-pares con telurio de bismuto, que permiten un funcionamiento hasta una temperatura de 300°C, con una relación superficie sobre espesor, de 0.079 cm. Un aislante eléctrico rodea cada collarín, y los módulos termoeléctricos se encuentran separados por el aislante térmico y eléctrico 9 para concentrar el flujo a través de los módulos. Dos collarines 6 adyacentes están recubiertos exteriormente por una brida anular 10, por ejemplo de cupro-aluminio. Dos bridas sucesivas en forma de "U" que presentan rebordes superiores exteriores, 10a y 10b, están apretadas una sobre la otra por los tornillos 11. Las bridas 12 de extremo presentan un perfil particular: la junta 13 tiene un diámetro exterior de dimensión tal que el esfuerzo ejercido sobre cada uno de los módulos termoeléctricos 8 por medio de una brida 10 cuando este último está sometido a una presión externa, por ejemplo aquella que proviene de la sumersión submarina, sea independiente del valor de esta presión. De esa manera, el generador según la invención está adaptado a un funcionamiento a gran profundidad submarina. El conjunto forma entonces un apilado dispuesto a lo largo del conducto 2. A fin de mantener longitudinalmente este apilado, se preven barras de compresión 14, por ejemplo 4 de las mismas (ver figura 2), que vienen a apoyarse por medios de cierre conocidos, en las cuatro esquinas de las piezas de extremo 15a, 15b. De esa manera, estas aseguran la estanquidad del apilado. Una de las piezas de cierre de extremos, por ejemplo superior 15a en la figura 1, está solidarizada mediante soldadura u otro medio, sobre la pared externa del conducto 2, mientras que la otra pieza de extremo, por ejemplo 15b, está solamente bloqueada sobre la pared externa del conducto 2, por ejemplo por un sistema de tornillo de esquinas, para que el conjunto de barras de compresión, permanezca axial. Sin embargo, esta pieza 15b permanece libre longitudinalmente, de manera a evitar la deformación de las barras de compresión. Finalmente, el generador eléctrico constituido por el manguito o el apilado que se describen en lo que precede, está fijado al tubo o conducto 2 por el sistema de brida 16, es decir un empalme desmontable situado del lado de la pieza de extremo 15b no solidarizada al conducto 2. El circuito de alimentación de los equipos de un cabezal de pozo de perforación, se completa con las disposiciones siguientes: Refiriéndose a la figura 4, el generador termoeléctrico 1 está unido eléctricamente, por medio de dos contactores 20 y 21, a una batería 22, por ejemplo de plomo con electrólito gelificado; el hidrógeno que se desprende, se elimina ya sea por catálisis, ya sea se evacúa directamente en el agua del mar. Esa batería está alojada en una caja estanca o en equipresión, a las terminales de la cual se dispone un captor de corriente 23, para alimentar la red 24. El circuito comprende un regulador 25 y un pequeño cofre de tratamiento 26 para el mando de los contactores. En funcionamiento normal, es decir cuando la ~'S potencia solicitada es del orden de 100 watts , el contactor 20 está cerrado y el contactor 21 está abierto. El generador termoeléctrico 1 proporciona a la entrada del regulador 25 que mantiene la batería 22 en folating, una tensión constante, por ejemplo del orden de 17.6 V. i0 De esa manera la red se encuentra alimentada bajo tensión constante, lo que limita el consumo de energía y asegura una gran autonomía, hasta 5 años, sin mantenimiento. Una potencia mucho más importante solicitada momentáneamente, 1000 watts por ejemplo, implica la 35 puesta en obra del regulador y de la batería. En caso de pérdida de potencia del generador termoeléctrico, por ejemplo por supresión de la circulación del aceite caliente en el conducto 2, el contactor 20 está abierto y el contactor 21 está también abierto: solamente 0 la batería permanece en operación. Al volver a arrancar la fuente caliente, la batería puede recargarse por medio del regulador o por medio del generador termoeléctrico según su nivel de descarga, mandando juiciosamente los contactores 20 y 21 por tratamiento de los datos que 5 toman en cuenta el valor de la tensión de salida por medio de un pequeño cofre de tratamiento 26.

En la medida en que la potencia nominal solicitada sobre la red no se consume en continuo, el generador termoeléctrico produce el complemento de energía para cargar la batería de acumuladores que puede proporcionar la potencia solicitada. De esa manera, el funcionamiento y el comportamiento que se describen son los siguientes: el fluido caliente está constituido por aceite que circula en un tubo, de un diámetro de 150 mm, a una temperatura de 60°C aproximadamente, a un caudal de 500 m3 aproximadamente diarios. El fluido exterior frío es agua de mar a 4°C, que circula a una velocidad máxima de 1 m/s. Se disponen 26 módulos termoeléctricos sobre cada collarín (13 sobre cada cara), y se apilan 26 niveles de collarines en un manguito que presenta una longitud de 1.7 m. De esa manera, se obtiene una potencia de 170 watts , sean 100 wa tts por unidad de longitud de manguito.

Debido al hecho de la protección catódica y de la selección del material (cupro-aluminio) que constituye los collarines, el riesgo de corrosión disminuye. La incrustación de sarro externa puede evitarse por medio de un revestimiento de pintura. El enmugrecimiento interno puede suprimirse por los medios conocidos 17, colocados sobre la pared interna en donde circula el fluido interior, es decir aceite, para perturbar a la vez la velocidad del flujo y aumentar los intercambios térmicos entre el fluido interior y esa pared interna. El generador según la invención, presenta una gran compacidad, lo que permite alojarlo fácilmente sobre un cabezal de perforación petrolero.

Claims (12)

1. R E I V I N D I C A C I O N E S 1.- Generador eléctrico del tipo que comprende módulos termoeléctricos fijados y aislados eléctricamente entre las dos paredes de un conducto que separa un fluido interior en movimiento y un fluido exterior que presenta una temperatura diferente de aquella del fluido interior, caracterizado en que los módulos termoeléctricos están colocados de manera tal que sus superficies de inter-cambio térmico se encuentran aproximadamente perpendiculares a la dirección del flujo del fluido interior.
2. 2.- Generador según la reivindicación 1, caracterizado en que los módulos termoeléctricos están colocados sobre cada una de las dos caras de un collarín aplicado radialmente mediante apretado sobre el conducto.
3. 3.- Generador según la reivindicación 2, caracterizado en que comprende cuando menos un una brida de fijación anular que aprieta y aisla eléctricamente fluido exterior, cuando menos un collarín y los módulos termoeléctricos que están colocados sobre ese collarín.
4. 4.- Generador según la reivindicación 3, caracterizado en que comprende un apilado estanco de collarines y de bridas de fijación que los aprieta, dispuestos a lo largo del conducto.
5. 5.- Generador según la reivindicación 4, caracterizado en que el espacio que se define entre el apilado estanco y los módulos termoeléctricos, se llena con un producto aislante térmicamente y eléctricamente.
6. 6.- Generador según la reivindicación 4, caracterizado en que las bridas anulares del apilado estanco, están dimensionadas de tal manera que el esfuerzo ejercido sobre los módulos termoeléctricos por medio de bridas dispuestas a lo largo del apilado y sometidas a una presión externa, sea independiente del valor de esta presión.
7. 7.- Generador según la reivindicación 4, caracterizado en que comprende dos barras de compresión dispuestas axialmente en la periferia de los collarines y sobre las cuales vienen a apoyarse dos piezas de extremo de cierre del apilado.
8. 8.- Generador según la reivindicación 7, caracterizado en que una de las piezas de cierre, está solidarizada con el conducto; la otra está cuando menos bloqueada en rotación en relación con el conducto, de tal manera que las barras de compresión permanecen axiales.
9. 9.- Generador según la reivindicación 8, caracterizado en que comprende un empalme desmontable situado del lado de la pieza de cierre no solidarizada al conducto.
10. 10.- Generador según la reivindicación 1, caracterizado en que el conducto comprende medios de aumento de intercambios térmicos entre el fluido interior y la pared interna del conducto.
11. 11.- Aplicación del generador según cualquiera de las reivindicaciones que preceden, a la alimentación eléctrica de los equipos de un cabezal de perforación.
12. 12.- Generador eléctrico submarino según cualquiera de las reivindicaciones que preceden, caracterizado en que está acoplado en paralelo a una batería que resiste a la presión submarina, mediante un circuito que comprende sobre todo dos contactores, un regulador y un pequeño cofre de tratamiento.