NO310997B1 - Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon med fjern effekttilforsel - Google Patents

Abstract

En transformator (7) har sine primærviklinger(13) koblet i serie med en pumpemotor og sine sekundærviklinger (14) koblet for i kaskade å lever effekt til en likeretter (15) og en spenningsbegrenser (16, 24) som regulerer spenningen levert til hjelpeutstyr ved å. avlede overskytende strøm levert av nevnte sekundærviklinger.

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder et effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon med fjern effekttilførsel.

Ved arbeid med undersjøiske oljebrønner er det funnet at det er ønskelig å utstyre hver brønn med en pumpestasjon. Denne stasjon må være en undersjøisk stasjon. Det er da ønskelig å forsyne den med effekt fra et fjernt sted, eventuelt fra land. Dette fordrer at pumpestasjonen tilføres effekt ved hjelp av en kraftkabel fra en effektforsyningsgenerator. Siden pumpens motor er en induksjonsmotor får den tilført effekt direkte fra en effektforsyningsgenerator som via et kabelsystem i hovedsak bestående av en kraftkabel med tre ledere, leverer trefaset vekselstrøm med variabel frekvens til motoren. Som et talleksempel kan motoren og pumpeenheten forbruke inntil 2500 kW, dvs. 3500 kVA, eller omtrent 300 A ved 6,6 kV, om man vil, ved en frekvens på 100 Hz. Ikke desto mindre forutsees allerede anvendelser ved 6000 kW.

En spenningshevende transformator og en spenningssenkende transformator kan settes inn ved kabelens respektive ender for å redusere tap.

Ved siden av motoren og pumpeenheten finnes i pumpestasjonen forskjellige hjelpe-utstyrsenheter, innbefattet elektronikkort som arbeider på likestrøm ved lav effekt, og ventiler, vifter eller pumper som arbeider på vekselstrøm ved mellomeffekt. Dette gjør det nødvendig å tilføre sådant hjelpeutstyr effekt og å utveksle styre- og informasjons-signaler. Den vanlig løsning går da ut på enten å tilføye en kabel for dette formål inntil kraftkabelen eller å innlemme tilleggsledere i kraftkabelen.

Dokumentene FR 2 699 016, FR 2 506 969 og FR 2 230 141 beskriver bl.a. at på forskjellige tekniske områder er det mulig å unngå å bruke elektriske tilleggsledere for å tilføre effekt til hjelpeutstyr som er forbundet med en belastning som tilføres vekselstrøm. Den løsning som er foreslått i disse dokumenter er å forsyne hjelpeutstyret med effekt ved hjelp av en strømtransformator som har sin primærvikling i serie med belastningen. Dokumentet FR 2 699 016 foreslår særlig at det anordnes en sådan strømtransformator for hver fase. Alle tre nevnte dokumenter angir at strømmen i sekundærviklingen må likerettes og reguleres for å oppnå tilfredsstillende forsyning av likestrømseffekt til hjelpeutstyret. Særlig foreslår dokumentene FR 2 699 016 og FR 2 230 141 at det i kaskade anordnes en likeretter og en spenningsbegrenser som avleder overskytende strøm levert av sekundærviklingen.

I tilfellet av en pumpestasjon med fjern effekttilførsel kan imidlertid mengden av overskytende strøm bli meget stor og de konvensjonelle begrensende midler, slik som nettopp dem beskrevet i dokumentet FR 2 230 141, fører til at betraktelige mengder effekt blir sløst bort. Ifølge dokumentet FR 2 699 016 blir strømtransformatorenes utgangsspen-ning begrenset før likeretting ved hjelp av styringstyristorer anordnet mellom fasene. Denne mendge av regulerende strømvendere er kostbar og komplisert.

Foreliggende oppfinnelse gir en løsning på disse problemer.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således et effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon med fjern effekttilførsel, som har som særtrekk at det omfatter en transformator som har en primærvikling pr. fase koblet i serie med en pumpemotor og en sekundærvikling pr. fase som i kaskade mater en likeretter og en spenningsbegrenser som er egnet for å avlede overskytende strøm levert av nevnte sekundærvikling og hvor en kondensator er koblet i parallell med likestrømsutgangen for likeretteren, samt utstyr for å sammenligne ladningsspenningen for kondensatoren med en referansespenning og for på binær måte å styre en strømvender som funksjon av resultatet av sammenligningen, idet strømvenderen bare kan innta to tilstander, nemlig en første tilstand hvor den avleder overskytende likestrøm levert av likeretteren og en andre tilstand hvor den er åpen, mens kondensatoren opprettholder spenningen på likestrømsutgangen når strømvenderen avleder nevnte overskytende likestrøm.

I henhold til oppfinnelsen kan hjelpeutstyret være likestrømsutstyr som er koblet til likeretterens utgang i parallell med spenningsbegrenseren. På denne måte regulerer spenningsbegrenseren likespenningen som tilføres likestrømshjelpeutstyret. En avkoblingsdiode kan da være anordnet mellom strømvenderen og kondensatoren i den hensikt å ta vare på ladningen i kondensatoren.

Alternativt kan hjelpeutstyret være vekselstrømsutstyr som (pr. fase) er forbundet med sekundærviklingen i parallell med likeretteren. Spenningsbegrenserkretsen regulerer da amplituden av denne spenning mens mulig overskytende strøm forsvinner i den resistive (ohmske) belastning.

I en variant av oppfinnelsen er det foran spenningsbegrenseren anordnet en vender som gjør det mulig å kortslutte likeretterens utgang, idet en avkoblingsdiode er anordnet mellom denne vender og spenningsbegrenseren.

I nok en annen variant omfatter systemet i det minste to transformatorer hvis primærviklinger er koblet i serie for å gi effekt til henholdsvis hjelpeutstyr av likestrømstype (DC) og hjelpeutstyr av vekselstrømstype (AC).

Videre kan systemet i henhold til oppfinnelsen omfatte en effektforsyningsgenerator som omfatter utstyr for i hvilestilling å levere effekt og derved opprettholde en minste effekt-forsyningsstrøm når pumpestasjonen er stanset. Dette gjør det mulig å opprettholde en hvilestrøm som er utilstrekkelig til å drive motoren og pumpeenheten, men som tjener til å holde hjelpeutstyret med effekt. Denne strøm kan også tjene til å opprettholde temperaturen i pumpemotoren ved hjelp av den effekt som da leveres til denne.

Denne effektforsyningsgenerator kan også omfatte utstyr for å øke effektforsyningens hvilestrøm og derved levere en kraftig strøm midlertidig i adskilte tidsperioder mens pumpestasjonen er i hvilestilling. Denne økte strøm gir da overskytende energi til pumpen, men bare i korte perioder, slik at pumpen tar hånd om den og hever sin temperatur, som derved forblir innenfor gitte grenser. Effektforsyningsfrekvensen er da slik at motoren og pumpeenheten forblir stillestående. Den økte strøm tjener til å oppnå den spenning som fordres for å gi effekt til hjelpeutstyr av vekselstrømstype.

De forskjellige formål og særtrekk ved oppfinnelsen fremgår klarere av den etterfølgende beskrivelse av en utførelsesform av oppfinnelsen gitt som et ikke-begrensende eksempel og med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er et blokkskjema over et effektforsynings- og styresystem for en pumpestasjon med fjern effekttilførsel, som utnytter systemet i henhold til oppfinnelsen for å

tilføre effekt til hjelpeutstyr,

fig. 2 er et mer detaljert skjema av en utførelse av systemet i henhold til oppfinnelsen for å tilføre effekt til hjelpeutstyr og utført for å mate likestrøm til hjelpeutstyret,

og

fig. 3 er et mer detaljert skjema av en utførelse av systemet i henhold til oppfinnelsen for å tilføre effekt til hjelpeutstyr og utført for å mate vekselstrøm til hjelpeutstyret.

Fig. 1 viser i hovedsak undervannsdelen 1 av et effektforsynings- og styresystem for en pumpestasjon 2 forbundet med en kabel 3 som har en trefaset kraftledning 4 og en optisk fiber 5. Før effektforsyningsledningen 3 når frem til en motor- og pumpeenhet 6 har den en innskutt strømtransformator som trekker ut strøm fra ledningen for å gi effekt til en effektforsyningsenhet 8 for hjelpeutstyr og som det er vist utførelsesformer av i fig. 2 og 3, idet denne effektforsyningsenhet gir effekt til hjelpeutstyr 9 koblet til motor- og pumpeenheten 6. Valgfritt kan flere transformatorer 7 kobles i serie i kraftledningen, idet hver av dem er forbundet med hver sin effektforsyningsenhet 8 for å gi effekt til forskjellige hjelpeutstyrtsenheter, slik som forklart nedenfor.

På land avgir effektforsyningsgeneratoren 10 for pumpestasjonen effekt til ledningen 3 ved en strømstyrke og frekvens som er egnet for å bringe motor- og pumpeenheten 6 til å løpe ved ønsket hastighet. For å oppnå dette styres den ved hjelp av en styre- og overvåkningsenhet 11 som selv mottar driftinstruksjoner 12. Enheten 11 kommuniserer med hjelpeutstyret 9 ved hjelp av den optiske fiber 5. Særlig mottar den informasjon om driftsbetingelsene for motor- og pumpeenheten 6, for derved å gjøre det mulig å drive motor- og pumpeenheten under sløyfestyring.

Fordelen ved et sådant system for å gi effekt til og styre pumpestasjonen er at det omfatter bare en undervannskraftkabel som har tre ledere og en (eller flere) optiske fibre, og som er forholdsvis billig, særlig fordi sådanne kabler er tilgjengelige på markedet for andre anvendelser.

Bruken av en strømtransformator satt inn i serie med kraftledningen legger til en

belastning i serie, men som forklart nedenfor er belastningen begrenset og når spenningen levert til motor- og pumpeenheten styres ved hjelp av en styresløyfe tas den automat-isk med i betraktningen. Man straffes således ikke med hensyn til tap av effekt levert til motor- og pumpeenheten.

En første utførelsesform av oppfinnelsen er detaljert beskrevet med henvisning til fig. 2 som viser et system for å tilføre effekt til hjelpeutstyr, idet systemet omfatter strømtrans-formatoren 7 og effektforsyningsenheten 8 for hjelpeutstyr vist i fig. 1, og som er egnet for å mate likestrøm til hjelpeutstyret.

Før den når frem til motor- og pumpeenheten 6 (fig. 1) passerer den trefasede kraftledning gjennom en strømtransformator 7 via en primærvikling 13 (én for hver fase) i transformatoren. En sekundærvikling 14 (én for hver fase) i strømtransformatoren mater så en brolikeretter 15 koblet til en spenningsbegrenser 16 via en totrådsledning, og som i sin tur mater en likestrømsutgang som det likestrømsdrevne hjelpeutstyr er tilkoblet, dvs. utstyr som effektforsynes med en likespenning av en bestemt verdi og som samlet forbruker en mengde likestrøm som effektforsyningssystemet er i stand til å levere.

Mellom brolikeretteren 15 og begrenseren 16 er det anordnet en krets 17 som vern mot overspenning og som i hovedsak omfatter en styrt likeretter 18 som styres ved hjelp av en zenerdiode 19 og mater en kortslutningskrets. Utgangsspenningen fra brolikeretteren blir således begrenset ved utløsning av denne vernekrets i tilfellet av en unormal overspenning som f.eks. kan være forårsaket av en feil i motor- og pumpeenheten. Så snart den styrte likeretter 18 er bragt til å lede, faller spenningen levert til spenningsbegrenseren, til null. For å gjenopprette tilførselen av spenning til spenningsbegrenseren er det deretter nødvendig å avbryte strømmen matet til kabelen for å få den styrte likeretter til å slå seg av.

Begrenseren 16 omfatter en likeretter 20 som lader en kondensator 21. Den spenning som kondensatoren lades til er en regulert spenning som gir en kontinuerlig regulert likestrømseffektforsyning, dvs. at den avgis til en spenningskomparator 22 som også mottar en referansespenning E for å finne forskjellen mellom dem. Via en hysterese-krets 23 styrer forskjellen mellom disse to spenninger en strømvender 24. Når like-strømsspenningen overskrider referansespenningen E med en verdi bestemt av hysteresekretsen 23, avleder venderen 24 strømmen levert av likeretteren til en kortslutning. Dioden 20 slutter å lede. Kondensatoren 21 begynner å gi effekt til hjelpeutstyret, men lades ut og likespenningen avtar. Når den når en nedre terskel i hysteresekretsen 23 åpner venderen 24 seg igjen og kondensatoren lades på ny, osv.

Så lenge kraftledningen tilfører tilstrekkelig strøm, dvs. selv når motor- og pumpeenheten er i hvilestilling, slik som nevnt nedenfor, arbeider følgelig spenningsbegrenseren 16 og begrenser den spenning som leveres til likestrømsutgangen. Den spenning som sees gjennom likeretteren 15 og transformatoren 7 er således den spenning som belaster effektkretsen og som må frembringes av generatoren 10. Den er meget liten, dvs. noen få volt, og dette forblir tilfellet uansett driftsbetingelsene for motor- og pumpeenheten.

Nærmere bestemt er generatoren anordnet for under pumping å opprettholde en minste effektforsyningsstrøm ved pumpestasjonen, på f.eks. 30 A når spenningen er omtrent 60 V. Under sådanne forhold er spenningen på utgangsklemmene for likeretterbroen f.eks. 50 V, idet begrenserkretsen leverer omtrent 200 W, ved en spenning som svinger omkring spenningen E innenfor hysteresegrensene for kretsen 23. Vernekretsen er da ikke i virksom.

Under pumping har den regulerte likestrømseffektforsyning betingelsene beskrevet ovenfor. Strømvenderen 24 må da lede all strøm levert av likeretteren 15, med fradrag for den strøm som forbrukes av hjelpeutstyret, dog under kortslutningsforhold, slik at den effekt som sløses bort blir minimal. Når begrenseren 16, og særlig venderen 24, løper risikoen av å bli overbelastet, griper vernekretsen 17 inn, idet dens tyristor 18 er i stand til å tåle mye kraftigere strømmer.

En fordel ved denne krets er således at den kan arbeide med strømmmer på kabelen som varierer over et stort område fordi effektforsyningens likespenning er begrenset ved hjelp av en kortslutning, dvs. uten å sløse energi.

Det henvises nå til fig. 3 som viser en annen utførelse av oppfinnelsen som denne gang er egnet for å forsyne hjelpeutstyr med vekselstrøm.

I dette eksempel er strukturen hovedsakelig den samme som for enheten vist i fig. 2 og alle komponenter som er funksjonelt identiske har de samme henvisningstall som i fig. 2. Det kan således sees at transformatoren 7, brolikeretteren 15, beskyttelsesmodulen 17 og spenningsbegrenseren 16 kan gjenfinnes uendret, bortsett fra at dioden 20 ikke er tilstede i spenningsbegrenseren 16 og en resistiv belastning 27 er satt inn i serie med strømvenderen 24. Det er dessuten anordnet en valgfri modul 28 som omfatter en seriell diode 25 og en avbrytervender 26 som når den direkte forbindelse mellom modulene 16 og 17 brytes, mottar et styresignal Cd slik at utgangslikestrøm fra likeretteren 15 avledes til en kortslutning.

Vekselstrømshjelpeutstyret som skal tilføres effekt er forbundet med vekselstrøms-utgangen, som utgjøres av den trefasede utgang for viklingen 14.

Når de er passende dimensjonert arbeider transformatoren 7, likeretteren 15, vernekretsen 17 og begrenseren 16 slik som beskrevet med henvisning til fig. 2, slik det vil forstås av fagfolk på området, med unntak av forklaringen gitt nedenfor.

Når ladningen på kondensatoren 21 ikke når referansespenningen E arbeider følgelig ikke spenningsbegrenseren, og vekselspenningen blir den levert av viklingen 14. Når ladningen på kondensatoren 21 overskrider referansespenningen E ved hysterese-terskelen for kretsen 23 blir strømvenderen 24 ledende, men den avledede strøm tilføres nå den resistive belastning 27. Virkningen av dette er at spenningen slutter å øke over kondensatorens klemmer ved utgangen av likeretteren og ved utgangen for viklingen 14. Dette regulerer den trefasede vekselspenning levert på vekselstrømsutgangen. Det vil forstås at under sådanne forhold er dioden 20 vist i fig. 2 ikke nødvendig.

Sammenlignet med utførelsen vist i fig. 2 kan det lett sees at mens utførelsen i fig. 3 gir de samme virkninger med hensyn til å begrense det serielle spenningsfall på kraftledningen og regulere spenningen levert til hjelpeutstyret, fører den nå til effekttap via strømvenderen 24 og den tilhørende resistive belastning 27.

Av følgende grunner er dette ikke en ulempe. Vedkommende hjelpeutstyr, vifter eller pumpen for en oljetrykkakkumulator (for smøring av motor- og pumpeenheten) behøver ikke arbeide kontinuerlig når effektforsyningssystemet er i hvilestilling med motor- og pumpeenheten stanset. Intermitterende drift er tilstrekkelig.

For å tilfredsstille dette behov er det således anordnet slik at generatoren 10 periodisk (f.eks. i fem minutter hvert tiende minutt) leverer en strøm på 130 A i stedet for 30 A, idet frekvensen er og forblir forholdsvis høy, således at motor- og pumpeenheten forblir stanset. Temperaturen stiger, men varigheten av perioden og intermittensforholdet er slik at den forblir akseptabel.

Referansespenningen E velges slik at regulering finner sted noe under nevnte strøm-verdi ved den spenning som er resultatet av en strøm av f.eks. 120 A, således at ved et gitt omsetterforhold blir trefasespenningen ved utgangen for sekundærviklingen 14, dvs. ved vekselstrømsutgangen, omtrent 400 V.

På denne måte blir strømmen som skal avledes av spenningsbegrenseren, og særlig av strømvenderen 24, i perioder hvor den når sin største verdi (de tidligere nevnte 300 A), mye mindre enn den som behøver å bli avledet av spenningsbegrenseren 16 i fig. 2. Den effekt som sløses bort via venderen 24 og den resistive belastning 27 blir således begrenset, hvilket gjør denne løsning økonomisk mulig.

Det gjenstår å betrakte det tilfelle hvor den valgfrie modul 28 er anordnet. Den består hovedsakelig av en avbrytervender 26 som under virkningen fra et styresignals Cd (som f.eks. kan tilføres av et av de likestrømsdrevne hjelpeutstyr) kortslutter likestrømsutgang-en for likeretteren 15. Vekselstrømmen levert til vekselstrømsutgangen blir da praktisk talt lik null. Vekselstrømshjelpeutstyret blir ikke lenger forsynt med effekt. Slik som dioden 20 (i fig. 2), beskytter dioden 25 kondensatoren 21 og i dette tilfelle tjener den nærmere bestemt til å unngå at den blir kortsluttet. Så snart styresignalet Cd er fjernet, slår avbrytervenderen seg av igjen og den trefasede vekselspenning gjenopprettes ved sin tidligere verdi på vekselstrømsutgangen. Således blir denne tilleggsmodul installert når det er nødvendig å være istand til å stanse driften av vekselstrømshjelpeutstyr i en periode hvor det tilføres effekt som gjør det istand til å arbeide.

I en pumpestasjon som omfatter både hjelpeutstyr for likestrøm og hjelpeutstyr for vekselstrøm blir en transformator 7, fortsatt i samsvar med oppfinnelsen, anordnet i forbindelse med en enhet for likestrømsutstyr, slik som vist i fig. 2, samt i serie med denne, en andre transformator 7 sammen med en enhet for vekselstrømsutstyr, slik som vist i fig. 3. Dersom det er nødvendig å anordne flere utganger for likestrømseffekt-forsyning anordnes flere kretser slik som den vist i fig. 2 sammen med deres transformatorer 7 koblet i serie. Det samme vil gjelde for flere vekselstrømsutganger.

Til sist skal det bemerkes at likestrømsutgangen for effektforsyningsenheten vist i fig. 3 også kan avgi likestrøm ved omtrent 500 V samtidig som vekselspenningen avgis, om ikke for annet enn på en enkel måte å overvåke at vekselspenningen er tilstede.

Naturligvis er beskrivelsen ovenfor gitt bare som et ikke-begrensende eksempel og særlig kan de numeriske verdier være forskjellig fra dem i den betraktede utførelse.

Claims (10)

1. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr (9) i en pumpestasjon (2) med fjern effekt-tilførsel, karakterisert ved at det omfatter en transformator (7) som har en primærvikling (13) pr. fase koblet i serie med en pumpemotor (6) og en sekundærvikling (14) pr. fase som i kaskade mater en likeretter (15) og en spenningsbegrenser (16) som er egnet for å avlede overskytende strøm levert av nevnte sekundærvikling og hvor en kondensator (21) er koblet i parallell med likestrømsutgangen for likeretteren (15), samt utstyr (22, 23) for å sammenligne ladningsspenningen for kondensatoren (21) med en referansespenning (E) og for på binær måte å styre en strømvender (24) som funksjon av resultatet av sammenligningen, idet strømvenderen (24) bare kan innta to tilstander, nemlig en første tilstand hvor den avleder overskytende likestrøm levert av likeretteren (15) og en andre tilstand hvor den er åpen, mens kondensatoren (21) opprettholder spenningen på likestrømsutgangen når strømvenderen avleder nevnte overskytende likestrøm.

2. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 1, og hvor hjelpeutstyret er likestrømsutstyr forbundet med utgangen for likeretteren (15) i parallell med spenningsbegrenseren (16).

3. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 2, og hvor en avkoblingsdiode (20) er anordnet mellom strømvenderen (24) og kondensatoren (21), for å bevare ladningen på kondensatoren (21).

4. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 1, og hvor hjelpeutstyret er vekselstrømutstyr som pr. fase er forbundet med sekundærviklingen (14) i parallell med likeretteren (15).

5. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 4, og hvor strømvenderen (24) avleder overskytende strøm levert av likeretteren (15) over en kortslutning.

6. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 5, og hvor strømvenderen (24) avleder overskytende strøm levert av likeretteren (15) til en resistiv belastning (27).

7. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 6, og hvor det foran strømvenderen (24) er anordnet en avbrytervendér (26) som gjør det mulig å kortslutte utgangen for likeretteren (15), idet en avkoblingsdiode (25) er anordnet mellom nevnte avbrytervendér (26) og spenningsbegrenseren (16).

8. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 1, og som omfatter i det minste to transformatorer (7) hvis primærviklinger er koblet i serie for å tilføre effekt til henholdsvis hjelpeutstyr av likestrømstype (DC) og hjelpeutstyr av vekselstrømstype (AC).

9. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 2 eller 3, og som omfatter en effektforsyningsgenerator som omfatter utstyr for i hvilestilling å levere effekt og derved opprettholde en minste effektforsyningsstrøm når pumpestasjonen er stanset.

10. Effektforsyningssystem for hjelpeutstyr i en pumpestasjon, som angitt i krav 9, og hvor nevnte generator omfatter utstyr for å øke effektforsyningens hvilestrøm og derved levere en kraftig strøm midlertidig i adskilte tidsperioder mens pumpestasjonen er i hvilestilling.