NO336604B1 - System og fremgangsmåte for operasjon av undervannslaster med elektrisk kraft forsynt gjennom en undervanns HVDC utleggskabel - Google Patents

Description

SYSTEM, FREMGANGSMÅTE OG ANVENDELSE FOR OPERASJON AV UNDERVANSLASTER MED ELEKTRISK KRAFT FORSYNT GJENNOM EN UNDERVANNS HVDC UTLEGGSKABE L

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder utstyr som blir plassert under vann, og langt vekk fra steder på land eller topside, spesielt utstyr for trykkøkning av petroluemsfluid, som krever høye effektnivåer med vekselstrøm eller høye effektnivåer med likestrøm, men også forskjellige typer av annet utstyr.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere teknikk

Operasjon av elektriske laster under vann er utfordrende. Inntrengning av vann må forhindres, og man må ofte kunne håndtere svært høye trykk. I tillegg til de forventede elektriske effektene, så som store tap og den svært høye kapasitansen i eller i nærheten av det nokså elektrolytiske sjøvannet, må man også Ferranti-effekten og de elektriske resonanseffektene, transienter og høyere harmoniske knyttet til strømelektronikk, være under kntroll.

Problemene blir forsterket ved høyere effektnivåer, og av denne grunn vil det være store utfordringer med operasjon av utstyr under vann som krever høye nivåer av elektrisk effekt, så som utstyr for trykkøkning, slik som undervanns kompressorer, undervanns flerfase pumper og undervanns pumper. Problemene blir større med økende undervanns utleggslengde på kabelen, økende spenning, høyere frekvens og høyere kapasitans.

Så langt har undervanns utleggslengder på omtrent 40 km vært mulig med et effektnivå på omtrent 20 MW, overføringsfrekvens på 100 - 200 Hz og et spenningsnivå på omtrent 100 kV, og som er mulig for å kunne operere undervanns kompressorer uten at det oppstår for omfattende ohmsk tap eller elektrisk ustabilitet. Imidlertid vil patentsøknader NO 20111233 og PCT/EP2011/065797, som begge har blitt skrevet i søkerens navn, tilveiebringe teknologi som vil kunne virke ved undervanns utleggslengder på opp til omtrent 150 - 200 km for laster med høy effekt under vann, så som kompressorer og flerfase pumper. Dette oppnås med en forholdsvis lav overføringsfrekvens, omtrent 50 - 60 Hz og lavere, og en økning av den reelle driftsfrekvensen tett opp til undervannsutstyret. Den teknologien som er gitt i NO 20111233 og PCT/EP2011/065797 innebærer at en installasjon av elektronisk regulering for strøm undervann, en undervanns-VSD, som er stor, dyr og i praksis upålitelig, blir erstattet med annen teknologi. Avhengig av driftsparameterne og lasten, vil den maksimalt oppnåelige utleggslengden undervann være på omtrent 150 km.

Som omtalt i NO 20111233 og foreskrevet i WO 2009/015670 (Siemens), vil én mulighet kunne være å anvende en VSD («variable speed drive») - variabel hastighets driver (også kalt variabel frekvens driver, VFD, og andre uttrykk) på kabelens borteste ende, men dette er komplekst, dyrt, og er overraskende nok også upålitelig. Grunnen til at det er manglende pålitelighet i en undervanns - VSD, til tross for at alle enkeltkomponentene i denne er av topp kvalitet, antas å være den store kompleksiteten og antall komponenter, som fører til at en svært liten risiko for feil i hver enkelt komponent, samlet forsterker seg opp til å bli en betydelig risiko forfeil.

Ingen av de eksisterende løsningene nevnt ovenfor har blitt anslått til å kunne være i stand til å levere en høy effekt med opp til mange MW med vekselstrømseffekt, så som 150 MW, med avstander på mer enn omtrent 150 km uten at de ovennevnte effektene gir en forringelse av strømtilførselen. Flere effekter og faktorer begrenser lengden, så som størrelse på transformatorer og den laveste egnede spenningen og frekvensen. Større dimensjoner på utstyret vil kunne gi større problemer, for eksempel vil en økning av lederens tverrsnittsareal kunne gi øket kapasitans og Ferranti-effekt, som vil ødelegge isolasjonen og gjøre systemet ustabilt.

Det er velkjent at undervanns strømoverføring over lange avstander vil kunne løses med likestrøm, ettersom de problemene som er knyttet til ustabilitet forårsaket av Ferranti-effekten, resonans osv., ikke finnes i likestrømsoverføringer. I likestrømsoverføringer vil de ohmske tapene kunne kompenseres for ved en øket spenning og større tverrsnittsareal for lederen siden, for tilfelle av likestrømsoverføring, blir hele tverrsnittsarealet benyttet siden det ikke finnes noen skinneffekt slik som det er ved vekselstrømsoverføring, og økning av spenning reduserer strømstyrken. For tiden vil imidlertid ikke lange utleggslengder for likestrøm undervann være et mulig alternativ siden det ikke finnes utstyr til å kunne anvende den høyspente likestrømseffekten for laster av forskjellig type undervanns, enten det er vekselstrøms kompressorer eller -pumper som klassifiserer for et effektnivå på mange MW, eller andre undervannslaster med store effektnivåer. Fortiden kan ikke høyspent likestrøm med høye effekter ikke benyttes direkte i likestrømsmotorer ved det spenningsnivået som er påkrevet for utleggsoverføring til høyeffekts undervannlaster. Fortiden finnes det ikke undervanns kraftelektronisk utstyr som er pålitelig og i stand til å transformere høyspent likestrøm (HVDC) ned til anvendbare strømkarakteristikker for vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC). Innføring av kraftelektroniske komponenter i fast form har redusert kostnadene og gitt dramatisk forbedring av pålitelighet for kraftelektroniske systemer, og det er en akseptert sannhet blant fagfolk på området at ytterligere forbedringer, også for undervannssystemer, vil være basert på forbedringer av kraftelektroniske komponenter og systemer med halvledere i fast form. Relatert teknologi fines i patentpublikasjonene US 2009/0308656 A1, EP 1316672 A1 og WO 97/45919. Ingen av publikasjonene foreskriver et motor-generatorsett i enden av en HVDC utleggskabel, med mulighet for å koble til et utall av laster, også AC-laster.

Faktisk har søkeren og andre signifikante utviklere av undervannsteknologi arbeidet i over 20 år med å utvikle en teknologi som kan brukes til en lang høyspent likestrømsoverføring, spesielt for utvikling av en HVDC («High Voltage Direct Current») transformator for anvendelse under vann. Selv om det synes å være oppnåelig, vil størrelsen og kompleksiteten ved utformingen, basert på kraftelektronikk, være en begrensende faktor. Mer spesifikt, det arrangementet med kraftelektronikk for et stort fjerntliggende undervannsfelt, med krav om kompresjon og muligens pumping, vil kunne bli på størrelse av en fotballbane og kostnaden vil kunne komme på et nivå hvor det kan stilles spørsmål om undervanns feltutvikling vil kunne være forsvarlig ut fra et økonomisk synspunkt. Men mest kritisk, påliteligheten vil bli for lav for den løsningen som skal kunne la seg gjøre, på grunn av den omfattende kompleksiteten og størrelsen som gir en høyere upålitelighet opp til nivåer som ikke kan aksepteres. Etter mer enn 20 år med omfattende forskning og utvikling, og etter å ha investert millioner i utvikling, er det fortsatt ingen løsning for HVDC undervanns utlegg som kan brukes.

Flerfoldige eksisterende petroleumsfelt, og mange av de som fortsatt ikke har blitt funnet, befinner seg mer enn 40 km fra land eller fra plattformer, og noen befinner seg mer enn 150 km fra land eller fra plattformer. Det vil være et behov for enda lengre utleggslengder under vann, som i denne konteksten betyr mulige lengder på mer enn 40 km, fortrinnsvis mer enn 150 km, så som 600 km, og formålet med oppfinnelsen vil være å møte nevnte behov.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen tilveiebringer et system for operasjon av undervannslaster med elektrisk kraft forsynt gjennom en undervanns utleggskabel, inkludert undervanns laster med høy elektrisk effekt, idet systemet omfatter en høyspent likestrøms (HVDC) utleggskabel for overføring under vann, idet kabelen er koblet til en HVDC - kilde i en nær ende og i en fjern ende under vann til minst en undervanns last omfattende en HVDC - motor, særpreget ved at HVDC-motoren er del av et undervanns motor - generator sett.

I denne konteksten er HVDC en likestrøms spenning på over 2 kV, og høye effekter på undervanns laster er i denne konteksten belastninger på minst 1 MW maksimumseffekt. Kilden vil vanligvis være en topside- eller en landkilde. Imidlertid kan kilden også være en undervannskilde. HVDC - motoren koplet til den borteste enden kan være klassifisert for en lavere spenning enn HVDC - kilden siden tap vil forekomme og oppstart vil kunne arrangeres til alltid å være myk, for eksempel styrt fra den nærliggende enden av en justerbar motstand. Fortrinnsvis vil HVDC utleggskabelen og HVDC undervannsmotoren i oppfinnelsens system bli klassifisert til å operere ved en maksimums spenning på 2 - 250 kV, så som 50, 100, 150, 200, 400, 600, 800 eller 1600 km eller mer. Tidligere teknikks vekselstrømsforsyning er begrenset til omtrent 40 km undervanns utleggslengde ved en driftsfrekvens som for laster med høy effekt, så som undervanns kompressorer og pumper. Følgelig er den foreliggende oppfinnelsen særlig relevant for undervanns utleggslengder på over 40 km, for hvilken det er ingen offentlig kjente løsninger uten en undervanns VSD, og enda mer relevant for undervanns utleggslengder på over 150 km, hvor det kan stilles spørsmål ved løsninger basert på undervanns VSD.

HVDC - motoren vil fortrinnsvis være en del av et motor - generator sett koplet til en ytterligere last, så som en vekselstrøms undervanns kompressor- eller pumpemotor.

I en foretrukket utførelsesform er HVDC - motoren en del av et motor-generator sett som omfatter en felles aksling, for eksempel en vekselstrøms generator som produserer strøm med 6,6 kV eller 11 kV med en frekvens på 150 Hz. Den produserte spenningen fra generatoren er den spenningen som er påkrevet av de elektriske lastene (vekselstrøms motorer, UPS, reguleringssystemer) som generatoren forsyner. Alternativt er HVDC - motoren en del av et motor - generator sett med likestrøm.

Fortrinnsvis omfatter HVDC - motoren statorviklinger med isolerte høyspenningskabler istedenfor de tradisjonelle statorstavene. Dette tillater økning av spenningen for HVDC- nivå til mer enn 2 kV, så som 10 kV, mer foretrukket 15 kV, enda mer foretrukket mer enn 20 kV, så som 120. HVAC - motorer er for tiden tilgengelig med isolerte viklinger for effektnivåer på opp til minst 150 kV, det vil si Motorformer fra ABB. Selv om det er utfordrende, er det ingen tekniske begrensinger for å modifisere likestrøms motorer til HVDC - motorer ved å anvende isolerte viklinger som et generelt konsept, og spesielt ved å anvende XLPE - isolerte HVDC - kabelviklinger på statoren.

Lasten anordnes fortrinnsvis i et gassfylt trykkhus eller et trykk - kompensert oljefylt hus. Laster med aktive magnetiske lagre i et gassfylt trykkhus tilveiebringer høy virkningsgrad, og representerer en foretrukket utførelsesform.

I en foretrukket utførelsesform omfatter systemet en regulering ved en nærliggende ende ved topside eller på land. Denne vil kunne ha mange utførelsesformer, hvorav den enkleste vil være en variabel - motstands anordning som er nyttig for regulering av hastigheten på de koblede lastene ved den nærliggende enden fra topside eller fra land.

I tillegg eller alternativt omfatter oppfinnelsen en lokal reguleringsanordning ved hver undervanns last. Den kombinerte høyspente DC motor og en vekselstrøms- eller likestrøms generator på samme aksling er en slik lokal reguleringsanordning, som innenfor konteksten av denne oppfinnelsen kalles en «likestrømstransformator». Hastigheten på en likestrømsmotor kan reguleres med kjente fremgangsmåter (ref. NO 2011 1235), og fordi generatorhastigheten vil variere deretter, og derved kan en undervanns likestrøms transformator ha funksjon tilsvarende den for en undervanns VSD. Dersom én likestrøms transformator anordnes for hver kompressormotor, kan hastigheten på hver kompressor varieres individuelt. En likestrøms transformator med likestrøms generator kan brukes til å transformere spenningsnivået på likestrømmen til et lavere nivå som vil være bedre egnet for en ytterligere likestrøms belastning, hvor det tilveiebringes høyere strømstyrke, og tilsvarende for en vekselstrøms last dersom generatoren er en vekselstrøms generator.

I en foretrukket utførelsesform omfatter systemet ved oppfinnelsen en enkelt eller to eller flere vesentlig parallelle HVDC undervanns utleggskabler, hvor hvert motor generator sett vil være koblet til en eller et antall laster, der lastene er dimensjonert slik at ved den maksimale arbeidsbelastningen for lastene vil den borteste endens kabelspenning være lik det maksimale spenningsnivået som tillates for lastene, mens den nærliggende kabelendens spenninger vil være lik den borteste kabelendens spenning pluss de ohmske tap i de respektive kablene, og i den nærliggende enden omfatter de respektive kablene et middel for spenningsregulering, så som en justerbar motstand eller andre kjente anordninger. Derved kan det benyttes likestrømslaster med en lavere spenningsklasse enn en undervanns HVDC utleggskabel. Med utgangspunkt fra 0 eller en lav spenning, kan den nærliggende endens kildespenning justeres opp til en høyere spenning enn det som vil være tillatt for laster når HVDC - motorlastene opereres ved full eller høy hastighet. Dersom en eller flere laster ikke er i drift, kan spenningen justeres ned ved den nærliggende kabelenden for ikke å overskride den maksimalt tillatte likestrømsspenningen ved den borteste enden av utleggskabelen. Den ovenfor nevnte fremgangsmåten for drift representerer én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen.

Fortrinnsvis omfatter systemet en eller flere av følgende laster: en undervanns kompressor, en undervanns flerfasepumpe, en undervanns pumpe, et undervanns reguleringssystem, et undervanns varmesystem, en undervanns ventilaktuator, en undervanns prosesseringsfasilitet, en undervanns avbruddsfri strømforsyning, en undervanns likestrøms transformator og en undervanns omformer.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å arrangere et system for drifte av undervanns laster med høy elektrisk effekt, særpreget ved å anordne en undervanns elektrisk HVDC - utleggskabel for undervannsoverføring av strøm, å koble til en HVDC-motor som del av et undervanns motor - generator sett i en fjerntliggende ende av HVDC-utleggskabelen, og å koble til en undervanns last med høy elektrisk effekt til nevnte motor-generatorsett. Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis å operere HVDC - utleggskabelen og HVDC - undervannsmotoren i oppfinnelsens system, opp til en maksimum spenning på 2 - 250 kV, så som 20-150 kV, ved en effekt på 40 MW eller høyere, ved undervanns utleggsavstand som kan ha lengde på over 40 km, så som 50, 100, 150, 200, 400, 600, 800 eller 1600 km. HVDC - motoren er en del av et motor - generator sett koplet til en ytterligere last så som en vekselstrøms kompressor- eller pumpemotor.

Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av et system ifølge oppfinnelsen, for å operere undervanns laster med høy elektrisk effekt ved undervanns utleggslengder som kan være lengre enn 40 km.

Figurer

Oppfinnelsen illustreres med to figurer, nemlig

Figur 1, som illustrerer et system som ikke er ifølge oppfinnelsen, og

Figur 2, som illustrerer et annet system ifølge oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

Med henvisning til Figur 1, som illustrerer en utførelsesform av et system 4 som ikke er ifølge oppfinnelsen, mer spesifikt en HVDC - kilde 1 på overflaten, en undervanns HVDC - utleggskabel 2 på 50 kV, ved et effektnivå på 40 MW eller høyere, hvor undervannskabelens utleggslengde vil være på mer enn 150 km. Kabelen kobles direkte til fire undervannslaster 3 ved kabelens borteste ende. Systemet 4 i den illustrerte utførelsesformen omfatter HVDC - kilden 1, undervanns HVDC - utleggskabelen 2 og lastene 3, som alle innbefatter HVDC - motorer koplet til utleggskabelen. Lastene er likestrøms høyspente kompressormotorer, som hver for seg håret effektnivå på 10 MW. Spenningen vil være på 6,6 kV, alle motorer kan reguleres som en gruppe fra den nærliggende enden med en variabel motstand eller andre kjente måter, så som en elektronisk hastighetsregulator.

Dersom det bare er én likestrøms motor vil motorhastigheten praktisk kunne reguleres oppe og ned ved å variere likestrømsspenningen fra overflaten og ned. Dersom det er flere motorer, vil hastighetsnivået for alle motorer kunne varieres ved å variere overflatespenningen, og i tillegg kan hastigheten på hver motor reguleres med en lokal individuell motorregulering for hver enkelte motor ved en kjent fremgangsmåte, for eksempel spenningsregulering for den individuelle motoren med en variabel motstand, reostater, eller elektronisk hastighetsregulering, ved kjente fremgangsmåter for parallelle, serielle eller sammensatte likestrøms motorer.

De høyspente likestrøms motorene kan være av kjent tradisjonell type, men modifisert med isolerte statorviklinger, så som statorer viklet med høyspent likestrøms kabel med XLPE - («Cross Linked Polyethylene» - tverrbundet polyetylen) isolasjon, eventuelt kan motoren ha permanent magnetrotor.

Figur 2 illustrerer en annen av et system 4 ifølge oppfinnelsen, med laster 5 som fire likestrøms transformatorer. Med andre ord, for den illustrerte utførelsesformen, for hver last vil en HVDC - motor drive en 6,6 kV vekselstrøms generator anordnet på den samme akslingen, vekselstrøms generatoren kobles til en vekselstrøms kompressor motor 6 på 10 MW og 6,6 kV.

Oppfinnelsen gjør det mulig å overføre elektrisk kraft over svært lange avstander. I prinsippet vil det ikke være noen teknisk begrensning på en stabil undervanns strømoverføringslengde. Imidlertid, i praksis vil en mulig begrensning kunne være en praktisk eller økonomisk kobber tverrsnittsareal for regulering av de ohmsk effekttapene.

Med et system ifølge oppfinnelsen, vil kilden kunne være en HVDC - kilde i nordlige deler av Norge og lastene kane være undervanns kompressorer og pumper anordnet undervanns på havbunnen ved Nordpolen, under det arktiske is dekselet, forsynt med en HVDC - kabel koblet til kilden.

Claims (10)

1. System (4) for operasjon av undervannslaster med elektrisk kraft forsynt gjennom en undervanns utleggskabel, inkludert undervanns laster (5) med høy elektrisk effekt, idet systemet omfatter en høyspent likestrøms (HVDC) utleggskabel (2) for overføring under vann, idet kabelen er koblet til en HVDC - kilde (1) i en nær ende og i en fjern ende under vann til minst en undervanns last omfattende en HVDC - motor, karakterisert vedat HVDC-motoren er del av et undervanns motor - generator sett.

2. System (4) i henhold til krav 1, hvor HVDC - motoren er en del av et motor - generator sett koplet til en ytterligere last så som en undervanns vekselstrøms kompressor- eller pumpemotor.

3. System (4) i henhold til krav 1 eller 2, hvor motor - generator settet omfatter en felles aksling.

4. System (4) i henhold til et hvilket som helst av krav 1-3, hvor HVDC - motoren omfatter statorviklinger med isolerte høyspente kabler istedenfor de tradisjonelle statorstavene.

5. System (4) i henhold til et hvilket som helst av krav 1-4, omfattende en høyspent regulering av nærliggende ende ved overflaten eller på land.

6. System (4) i henhold til et hvilket som helst av krav 1-5, omfattende en lokal reguleringsanordning ved hver undervanns last.

7. System (4) i henhold til et hvilket som helst av krav 1-7, omfattende en enkelt eller to eller flere i vesentlighet parallelle undervanns HVDC - utleggskabler, hvor hvert motor generator sett vil være koblet til en eller et antall laster, og i den nærliggende enden omfatter de respektive kablene et middel for spenningsregulering.

8. System (4) i henhold til krav 2, hvor lastene tilkoblet motor generatorsettet omfatter én eller flere av: en undervanns kompressor, en undervanns flerfasepumpe, et reguleringssystem, et varmesystem, en ventilaktuator, en prosesseringsfasilitet, en avbruddsfri strømforsyning og en omformer.

9. Fremgangsmåte for anordning av et system ifølge krav 1 -8, for operasjon av undervanns laster med høy elektrisk effekt,karakterisert vedå anordne en undervanns elektrisk HVDC - utleggskabel for undervannsoverføring av strøm, å koble til en HVDC-motor som del av et undervanns motor - generator sett i en fjerntliggende ende av HVDC-utleggskabelen, og å koble til en undervanns last med høy elektrisk effekt til nevnte motor-generatorsett.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, omfattende å anordne statorviklinger med isolerte høyspente kabler istedenfor de tradisjonelle statorstavene.