NO332044B1 - System og metode for et offshore gasskraftverk - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen relaterer seg til systemer og metoder for integrert produksjon av elektrisk kraft fra et offshore gasskraftverk, med lokal gassproduksjon og reservoar - injisering av avgasser, og hvor strømmen transporteres via sjøkabel til konsument.

Bakgrunn

Hydrokarboner fra olje og gassproduksjon offshore blir transportert til land via tankskip eller rørledninger. Her blir den i prinsippet foredlet og/eller omdannet til annen energi og videresendt som råvare eller elektrisk kraft.

Oppdagelse og kommersiell utnyttelse av skifergassforekomster nær større konsumentregioner i USA, har medført i en dekobling av naturgasspriser mot oljepriser. I noen områder i USA prises naturgass til % av oljeprisen, målt i forhold til energiekvivalenter. Det er store skifergassforekomster i Sentral og Vest-Europa som venter på å bli utforsket. Marginale gassfunn i Nordsjøen, forekomster av gassfelt langt fra eksisterende infrastruktur eller en generell dekobling av naturgasspriser (for nye forekomster), er alle elementer som gjør at offshore gasskraftverk, med påfølgende transport av elektrisk kraft (energi), vil være en mest favorabel utnyttelse av offshore naturgass forekomster.

Miljøhensyn vil nærmest kreve at slike anlegg injiserer forbrenningsgassen tilbake til gass - reservoarene.

Man kan også tenke seg kombinerte olje og gassforekomster hvor oljefraksjonen utvinnes separat og gassen, med injisering av forbrenningsavgasser tilbake til reservoarene, blir brukt til lokal offshore elektrisitetsproduksjon for eksport. Reinjisering av avgasser fra gasskraftverket, vil kunne opprettholde trykket i reservoaret og på den måten gi økt oljeproduksjon og heve den totale lønnsomheten til feltet.

Med naturgass menes i denne sammenhengen en gassblanding hvor hoveddelen består av metangass med mindre fraksjoner av hovedsakelig NGL. Våtgass eller "Natural Gas Liquids"

(NGL) eller kondensat er tyngre hydrokarboner enn metangass, som forefinnes enten i flytende og/eller i gassform. NGL kalles også for naturlig bensin. En annen definisjon på NGL er en petroleumsvæske med API tetthet over 45. Råolje er ikke-raffinert petroleum, som kan fraksjoneres i forskjellige komponenter ("raffinerte produkter") i destilleringsprosesser. Råolje er en petroleumsvæske med API tetthet under 45.

NGL separeres normalt fra naturgassen, som så blir transportert som "tørrgass" eller metangass.

I dette dokumentet er begrepene "gass", "hydrokarbon" og "tofase" synonyme termer, og representerer kombinasjoner av metangass, NGL og råolje.

Prior art

US pat. nr. 6820689 (Sarada, 2004) beskriver en apparatur for å generere tilnærmet forurensingsfri elektrisk energi fra hydrokarboner. Arrangementet anvender reinjisering av avgasser til bakken. Systemet er tenkt anvendt i fjerntliggende og isolerte lokasjoner for lokalt konsum av elkraften som produseres. Teknikken beskriver ingen anvendelser på eller i vann (offshore) eller noe styrings, kontroll eller intelligens på systemisk nivå.

US pat. nr. 7013645 (Brewington, 2006) beskriver en apparatur for å konvertere termisk energi fra offshore olje og gass til elektrisk kraft.

US pat. nr. 7119460 (Poldervaart, 2006) fremstiller et system bestående av en flytende elektrisk kraft-genererende enhet som benytter naturgass ("Liquidfied Natural Gas - LNG). Systemet består videre av en enhet som prosesserer og håndterer gass fra en LNG tanker.

US patentsøknad 2010/0071606 (Torkilsen, 2010) eller PCT/NO2006/000345, beskriver en betongplattform med en eller flere moduler for å lagre olje, gass, vann etc, hvor minst ett dekk er for oljeproduserende utstyr og minst ett for å produsere elektrisk kraft fra motorer drevet av egenprodusert drivstoff. Avgassen er tenkt reinjisert.

GB 2425550 (Kresnyak og Bunio, 2006) beskriver en metode for termisk utvinning av tung råolje og bitumen (asfalt) fra undergrunnsformasjoner. Metoden anvender et drivstoff, hvor drivstoffet blir antent og avgassen blir injisert i formasjonen for å drive ut den tunge råoljen og bitumen.

WO 2007018844 (Zornes, 2007) beskriver en metode for å injisere en sky av gasser i hydrokarbon - førende formasjoner. Hovedkomponenten i gassblandingen er nøytral mens en mindre fraksjon er reaktiv. Den reaktive gasskomponenten reagerer med hydrokarboner og driver dem ut av formasjonene.

Produksjon av elektrisk kraft for lokalt konsum på offshore plattformer, som innsatsfaktor for å drive utvinning av olje og gass for skips- eller rørtransport til land, skjer i dag ofte ved bruk av gassturbiner, uten noe form for injeksjon av avgasser.

Oppfinnelsen

Herværende oppfinnelse er bl. a. eksemplifisert ved hjelp av figurene 1,2 og 3.

Figur 1 viser produksjons- og/eller reinjeksjonsbrønner og riserstruktur for hydrokarboner og avgasser eller eksos fra forbrenningsprosesser i offshore gasskraftverk. Riserne kan være rigid og/eller fleksible. Produksjons- og reinjeksjonsbrønner kan være en og samme brønn eller de kan være separate. Det samme gjør seg gjeldende mht reservoarer, man kan reinjisere avgasser i produksjonsreservoarer og/eller i separate strukturer.

Eksosen som blir tilbakeført til reservoaret eller reservoarene kan være filtrert for faste partikler, men ikke nødvendigvis.

Kraftverket består fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, av moduler. Kraftverket er enten plassert på en fast installasjon eller det er flytende på pontonger ("halvt nedsenkbar"), som kan være ankret opp eller spent fast ved hjelp av spenningswire ("tension legs"). Kraftverket vil normalt, men ikke nødvendigvis, være modulstrukturert i eller på en plattform, bestående av ett eller flere dekk. Plattformen vil være sammensatt av kombinasjoner av metaller, hovedsakelig stål, og syntetiske materialer som eksempelvis komposittmaterialer, plast, glassfiber og dets like.

En kompositt er et materiale bestående av minst to kjemisk forskjellige elementer. En kompositt bestående av en eller flere kontinuerlige eller diskontinuerlige fibre (armering) innbakt i en fase (plast) kalles matrise. Fibre kan være kombinasjoner av glassfiber, karbonfiber, aramidfiber, GFRP eller GRP ("Glass Fibre Reinforced Plastic"), CFRP ("Carbon Fibre Reinforced Plastic) og laminat (flere enkeltlag med fiber sammenbundet i en matirse). Figur 2 viser et mobilt kraftverk, som et fartøy eller skip. Riserstruktur(er) (fleksible og/eller rigide) og produksjons- og reinjeksjonsbrønner vil normalt bli stående på feltet hvis det mobile kraftverket kobles fra. Figur 3 viser et system bestående av ett eller flere grid eller oppkoblingspunkter på land eller sentrale sjøkabler (1), forbindelseskabler til grid (2), likerettere (3), turbiner og generatorer (4), lokalt bufferlager for primært (metan)gass, men kan også være tofase (5), separasjonsenhet som skiller eller kan skille vann, sand, eventuelt også NGL og/eller petroleum (råolje) fra gass fra produksjonsbrønner, vann/sand (7) kan frigjøres til det marine miljøet eller bli reinjisert til reservoar. Hydrokarboner blir produsert fra brønner (8), tilknyttet ett eller flere separate hydrokarbonreservoarer.

Turbinene (4) vil normalt være gassturbiner, men kombinasjoner av fyrkjeler (dampturbiner) og gassturbiner for dampproduksjon, for åpne eller ekspansjonstype generator - systemer ("flash"), eller to-syklus "(binary cycle") generatorsystemer, kan også benyttes.

Foretrukket løsning vil være gassturbiner som driver generatorer direkte. Generatorer vil (normalt) produsere vekselstrøm. Normalt vil man eksportere eller overføre likestrøm fra denne type anlegg. Likerettere ("converters") vil derfor være påkrevet, men ikke nødvendigvis.

Avgasser vil bli reinjisert i reservoarer (9) med hjelp av kompressorer (9), men ikke nødvendigvis. Eksos (avgasser) fra turbiner og/eller fyrkjeler vil kunne bli filtrert for faste partikler via filtersystemer (ikke vist).

Injeksjon og reinjeksjon er synonyme begreper og refererer seg til tilbakeføring av eksos eller avgasser (synonyme begreper) fra gassforbrenning i turbiner eller fyrkjeler til reservoarer. Produksjon av gass og reinjeksjon av eksos/forbrenningsgass kan finne sted i samme reservoar eller i separate strukturer. Et kontroll og styringssystem (10) vil kunne registrere last eller etterspørsel på nettene og levere elektrisk kraft tilsvarende. Kontroll og styringssystem (10) vil ved hjelp av sensorer (ikke vist) overvåke turbiner og generatorer (4), bufferlager (5), separasjonsenheter (6), (7), avgasser/kompressorer (9) og status til og i produksjons/reinjeksjonsbrønner (8). Systemet vil automatisk kunne styre produksjon av gass og/eller elkraftproduksjon i forhold til etterspørsel. Deler av den produserte elektriske kraften vil bli brukt til å drifte kraftverket. Styringssystemene (10) vil kunne overstyres helt eller delvis manuelt.

Alle angitte elementer i figur 3, nummerert 1-10, kan være representert av selvstendige moduler for rask sammenstilling, utskiftning og/eller transport.

Bufferlager (5) kan være en mobil enhet og/eller være et fartøy.

I et mest favorabelt system forefinnes det et system eller metode for elektrisk kraftproduksjon på en eller flere installasjoner på vann (offshore), bestående av ett eller flere kontrollsystemer, en eller flere sjøkabeler, en eller flere turbinenheter drevet av gass, en eller flere generatorer, en eller flere enheter for separasjon av sand og/eller vann fra gass, en eller flere produksjons-og/eller reinjeksjonsbønner på havbunnen hvor avgasser fra minst ene turbinenhet blir reinjisert.

Totalsystemet kan helt eller delvis plasseres på havbunnen (subsea).

Begrepet gass vil kunne være kombinasjoner av naturgass, metangass, NGL og ikke-raffinert petroleum.

Denne minst ene installasjon vil kunne består av kombinasjoner av moduler som er fast montert på understell, være flytende, være delvis flytende og/eller være spent fast i spenningskabler, være oppankret, mobilt og/eller kunne representere et eller flere fartøy. Metoden eller systemet hvis minst ene turbinenhet er kombinasjoner av gassturbin og/eller fyrkjele (dampturbin). Denne minst ene turbinenheten vil kunne bli drevet av kombinasjoner av naturgass, metangass, NGL og ikke-raffinert petroleum. Det er også en mulighet for at mindre mengder sand og/eller vann inngår i begrepet "gass". Separasjons enhet (6) vil da kunne være koblet ut.

Metoden eller systemet vil kunne være representert av komponenter, systemer eller delsystemer hvor disse hovedsakelig består av kombinasjoner av metaller, kompositter, matriser, fibre, plast, epoxy, kevlar, syntetiske materialer og dets like. Bruk av betong, tre, glass vil kunne bli forestått hvor det fremstår som naturlig eller fordelaktig, men dette vil ikke bli valgt i større omfang for bærende konstruksjoner.

Feltet, metoden eller systemet kan være representert av en eller flere globale enheter eller produksjonsenheter hvor den elektriske kraftproduksjon blir drevet av gass og det også kan produseres ikke-raffinert petroleum eller råolje fra minst ene reservoar. Dette betyr at det kan produseres olje og gass fra ett eller flere reservoarer som inngår i feltet, og hvor gassen blir brukt til elektrisitetsproduksjon for eksport, og oljen kan bli transportert via bøyelasting eller rørledning bort fra feltet.

Det kan oppstå situasjoner hvor man over kortere eller lengre perioder vil forestå elektrisk produksjon uten at avgassen reinjisert i minst ene reservoar. Normalt vil dette være hvis det er tekniske problemer i noen delsystemer og/eller at elektrisitetsproduksjon er helt påkrevet og normale miljøkrav blir satt til side.

Sjøkabel for elektrisk kraftoverførsel kan brukes til signaloverføring/kommunikasjon. Oppfinnelsen innbefatter flere separate kraftverk koblet sammen parallelt og/eller i serie, innbefattende ett eller flere separate reservoarer for produksjon av gass og/eller reinjisering av forbrenningsgasser (eksos eller avgass).

Den herværende oppfinnelse er ikke begrenset til de beskrevne system eller algoritmer, i betydningen at alle generiske variasjoner til systemet eller anordningene, slik at forskjellige arrangementene av forskjellige komponenter, forskjellige størrelse og geometrisk utforming på komponenter, uavhengig og automatisk kontroll og styring av komponenter til (total) systemet, kontinuerlig eller delvis forbindelse til eventuelle kontrollenheter, plassering av eventuelle sensorer eller målere, innebygget eller delvis eller totalt integrerte systemer eller løsninger, er alle åpenbare varianter som kan bli utledet av en kyndig fagmann, forutsatt at denne beskrivelse av den fremførte oppfinnelse er tilgjengelig.

Som en følge av dette, alle anordninger eller systemer som er funksjonelt ekvivalente vil være inkludert av omfanget til denne oppfinnelse, og alle modifikasjoner til oppfinnelsen, vil ligge innenfor de fremførte kravene. Basert på ovennevnte, alle utsagn skal tolkes illustrativt og ikke i begrensende sammenheng. Det er videre forutsatt at alle krav skal tolkes slik at de dekker alle generiske og spesifikke karaktertrekk ved oppfinnelsen som er beskrevet, og at alle aspekter relatert til oppfinnelsen, uten hensyntagen til spesifikk bruk av språk, skal være inkludert. På denne bakgrunn, skal alle de fremførte referanser være inkludert som en del av denne oppfinnelse sin basis, metodikk, operasjonsmåte, apparatur og systemer.

Claims (10)

1. System for elektrisk kraftproduksjon på minst en installasjon på vann (offshore), bestående av minst en gassdrevet turbinenhet (4), minst en generator (4), minst en enhet (6) for separasjon av minst en av sand og vann fra gass, og minst en brønn (8) hvorigjennom avgasser fra den minst ene turbinenheten (4) reinjiseres til minst ett separat reservoar, hvilken brønn er for minst ett av produksjon og reinjeksjon, hvilket system erkarakterisert ved- minst ett kontroll- og styringssystem (10) for overvåkning av last og etterspørsel på eksternt kraftnett, overvåkning av turbiner og generatorer samt overvåkning av separasjonsenheter, avgasser/kompressor og brønnstatus, samt regulering av de samme parametere for levering av kraft i henhold til etterspørsel og for styring av gassproduksjon tilsvarende, - minst en sjøkabel, og - minst en riserstruktur for føring av hydrokarboner opp til installasjonen og avgasser ned fra installasjonen for reinjeksjon, idet den minst ene brønnen (8) er en brønn på havbunnen.

2. System ifølge krav 1, karakterisert vedat - kontroll- og styringssystemet (10) har tilknyttet sensorer for overvåkning av de nevnte parametrene.

3. System ifølge krav 1, karakterisert vedat - den minst ene sjøkabelen også er innrettet for signaloverføring.

4. System ifølge krav 1, karakterisert vedat - den produserte elektriske kraften også er drivkraft for produksjon av ikke-raffinert petroleum fra det minst ene reservoaret.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved- en fyrkjele (dampturbin) anordnet i kombinasjon med minst en av de gassdrevne turbinenhetene (4).

6. System ifølge krav 1, karakterisert vedat - alle systemets komponenter består av sammensatte moduler.

7. System ifølge krav 1, karakterisert ved- det er innrettet for avstengning av reinjisering i en avgrenset periode.

8. System ifølge krav 1, karakterisert vedat - installasjonen inngår i en kraftnett-sammenkopling av minst to slike installasjoner.

9. System ifølge krav 8, karakterisert vedat - sammenkoplingen er av serietype.

10. System ifølge krav 8, karakterisert vedat - sammenkoplingen er av parallelltype.