NO336972B1 - Kraftforsyningssystem - Google Patents

Abstract

Et kraftsystem leverer elektrisk kraft til en elektrisk lastkrets innbefattende et trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringssystem 1 som er koblet til en elektrisk last 4, 2, 21. Det trefase genererings- og overføringssystemet er koblet til nevnte undervannslokalisert elektriske last 4, 2, 21 via en trefase-til-tofase transformator 2, nevnte elektriske last er koblet til sekundærsiden av nevnte trefase-til-tofase transformator 2 for å danne en balansert elektrisk last på det trefase elektriske kraftgenererings- og kraftoverføringssystemet 1. Kraftsystemet kan videre bli koblet til en endelast 30 for å levere kraft til komponenter eller utstyr koblet til eller drevet av endelasten 30.

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Denne oppfinnelsen vedrører generelt installasjoner for olje- og gassutvinning og transport, for eksempel på land og/eller ved undervannsinstallasjoner. I mer detalj vedrører oppfinnelsen et kraftforsyningssystem som skal anvendes sammen med undervannsinstallasjoner, og til et kraftforsyningssystem for oppvarming av strømningsrør, muligens ved undervannslokaliseringer.

Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen en kombinert elektrisk kraftforsyning og oppvarmingssystem for strømningsør/rørledning for et arrangement for brønnstrømningsrør ordnet i kobling med en undervannsinstallasjon. Oppvarmingen av strømningsrøret/rørledningen tillater oppvarming av strømningsrøret for å unngå eller fjerne tilstoppingseffekter i strømningsrøret som oppstår fra oppbygging av is eller hydrattil stopping i strømningsrøret.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

I et antall år har arbeid blitt rettet mot å finne framgangsmåter for å unngå effektene av tilstopping i rørledninger eller strømningsrør på grunn av opphoping av kondensert fluidmateriale på innsiden av rørledningen ved å holde temperaturen til strømningsrørene over kritiske temperaturverdier ved hjelp av elektrisk oppvarming. En framgangsmåte for oppvarming av strømningsrør har blitt kvalifisert og brukes på flere felt i Nordsjøen [1]. En slik framgangsmåte krever levering av betydelig kraft for at oppvarmingsprosessen skal kunne operere. Teknisk er det derfor et problem med å levere elektrisk energi ved økende lengder av strømningsrør under vann på en slik måte som gir effektiv bruk av den tilgjengelige elektriske kraften fra et systemsynspunkt.

Det eksisterer flere muligheter for å bruke elektrisk energi for oppvarming av strømningsrør, av hvilke noen er referert til som direkte elektrisk oppvarming (direct electrical heating) (DEH), og noen er referert til som skin-effect tracing systemer (STS). Direkte elektrisk oppvarming av strømningsrør (DEH) er en alternativ framgangsmåte for oppvarming av strømningsrøret som har blitt undersøkt nylig, f. eks. ved SINTEF Energiforskning. En slik framgangsmåte for oppvarming er basert på å påføre en elektrisk strøm på en metallisk leder i strømningsrøret, slik som gjennom stålrøret i seg selv. I et slikt system vil stålrøret i strømningsrøret være en del av en elektrisk krets. Elektrisk strøm er levert av et elektrisk kraftgenererings- og overføringssystem som leverer strømmen til stålrøret ved å bruke et kabelbasert distribusjonsnettverk.

WO2004/083595A2 beskriver et elektrisk kraftsystem i form av et motstandsnettverk som kan brukes for å varme opp en navlestrengskabel. US5713415A beskriver lavfluks lekkasjekabler og kabelterminasjoner for et veksel strømselektrisk varmesystem for et væskereservoar.

Et elektrisk kraftgenererings- og overføringssystem for å levere tilstrekkelig elektrisk kraft for å elektrisk varme opp et strømningsrør med en lengde i området på flere kilometer trenger nødvendigvis kostbare kabler og høyeffekt, høyspenningskomponenter. Typisk, kraft i området 1-10 MW vil kreves ved en typisk spenning på 5 - 50 kV for slike lange strømningsrør, avhengig av den påkrevde W/m (Watt per meter).

Generelt er trefasesystemer brukt til å levere nivåene av elektrisk kraft krevd i slike applikasjoner. Strømningsrørkretsen er konvensjonelt koblet til et konvensjonelt trefase kraftforsyningssystem ved å bruke et system med en eller flere transformatorer og høyeffekts elektriske kabler og en symmetrikontroll/justeringsnettverk, symmetrikontroll/justeringsnettverket er nødvendig for å forsikret at lasten som sett fra trefase kraftforsyningen er symmetrisk eller nesten symmetrisk i alle modus av operasjon for å unngå ubalanser som forstyrrer operasjonen av utstyret, eller komponenter som blir levert til trefase forsyningsnettverket.

I området for olje- og gassutvinning er det i dag aktivitet rettet mot å utvikle kosteffektive undervannsløsninger. I dette området er det viktig at systemer er enkle å installere og bruke, lavt vedlikehold. Og, selvfølgelig, er det et primært økonomisk mål å bruke tekniske løsninger som gir et optimalt kostfordelaktig forhold.

Fra et systemsynspunkt er det også veldig ofte et krav fra et kraftgenererings- og overføringssystem å gjøre så mye kraft som mulig tilgjengelig til elektriske anordninger ordnet i enden av et strømningsrør, typiske som en del av et undervanns brønnhode. Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et forbedret, alternativt system for oppvarming av strømningsrør som er enklere å installere og mindre kostbart enn nåværende løsninger, og som kan forventes å kreve mindre vedlikehold og justering under normal drift.

Det er et ytterligere formål for denne oppfinnelsen å tilveiebringe et alternativt kraftforsyningssystem for undervannsinstallasjoner, for eksempel undervannsinstallasjoner inkludert en funksjon for oppvarming av strømningsrør.

Det er enda et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et effektivt system for å levere elektrisk oppvarmingskraft langs strømningsrør under vann koblet til undervannsinstallasjoner, og til å levere elektrisk kraft til en elektrisk last tilkoblet i en fjerntliggende ende av et langt strømningsrør.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

For å møte formålene over er det i et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebrakt et system for å tilveiebringe elektrisk kraft til en elektrisk lastkrets, innbefattende en trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringsdel som er koblet til en elektrisk last. Oppfinnelsen er karakteristisk ved at trefase genererings- og overføringsdelen er koblet til en elektrisk last via en trefase-til-tofase transformator, og den elektriske lasten er koblet til sekundærsiden av nevnte trefase-til-tofase transformator for å danne en hovedsakelig balansert elektrisk last på nevnte trefase genererings- og overføringsdel. Dette kraftforsyningssystemet er et relativt enkelt kraftsystem egnet for å levere høy kraft til en elektrisk last samtidig som den demonstrerer gode lastegenskaper til et trefase leveringssystem. Mer spesifikt er de ovennevnte formål oppnådd slik det fremgår av patentkravene.

I en foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen er trefase kraftgenererings- og overføringsdelen koblet til en oppvarmingskrets for strømningsrør/rørledning som danner den balanserte elektriske lasten så vel som til en endelast lokalisert i den fjerntliggende enden av nevnte system som sett fra den kraftgenererende delen. Å kombinere disse to kraftforsyningskravene i ett system hjelper til med å forenkle det totale kraftforsyningssystemet i arrangementer for olje- og gassutvinning som anvender lange strømningsrør/rørledninger til lokaliseringer som er fjerntliggende og ofte vanskelige å nå. Som en ytterligere fordel er det forventet at oppvarmingskretsen for strømingsrøret/rørledningen (elektrisk last) kan bli brukt til å trekke ut reaksjonskraft som utvikles langs et slikt distribuert kraftsystem, derved å hjelpe til med å optimalisere den tilgjengelige virkelige kraften ved lokaliseringen til endelasten.

I en videre foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen er trefase-til-tofase transformatoren en del av en undervannsinstallasjon. Oppfinnelsen er spesielt nyttig i undervannsinstallasjoner siden oppvarming av rørledning ofte er ønskelig for å redusere eller unngå tilstoppingseffekter, og oppfinnelsen tilbyr også en alternativ enkel løsning for å tilveiebringe elektrisk kraft til en elektrisk endelast, for eksempel komponenter i en installasjon ved enden av rørledningen.

I enda en foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen er trefase-til-tofase transformatoren en del av en offshore topside eller en installasjon på land. I noen applikasjoner kan det være nyttig å lokalisere transformatoren i en lokalisering topside eller på land, for å gjøre det enklere å erstatte eller skalere opp eller ned transformatoren som blir brukt.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen innbefatter den elektriske lasten en krets for oppvarming av strømningsrør for å muliggjøre elektrisk oppvarming av strømningsrøret, dermed redusere eller forebygge tilstoppingen av strømningsrøret ved opphoping av kondensert fluidmateriale, som for eksempel hydrater. Kraftsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er spesielt nyttig for oppvarming av strømningsrør, siden nærliggende like lange seksjoner av strømningsrøret enkelt kan danne to komponenter av den elektriske

lasten som har lik eller nesten lik elektrisk impedans.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av det første aspektet av kraftsystemet i henhold til oppfinnelsen innbefatter endelasten et undervannsopplegg for kraftdistribusjon for et undervannsopplegg for brønnhode. Endelasten kan være et undervannsopplegg for kraftdistribusjon, hvorved mesteparten av kraftforsyningskravene for en undervannsinstallasjon kan møtes med den foreliggende oppfinnelsen. Derfor kan ytterligere kraftforsyningsrør ikke være nødvendig for undervannsinstallasjonen, og på denne måten forenkle de totale kravene til kraftforsyningssystemet.

I et andre aspekt av den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt et elektrisk kraftsystem for å tilveiebringe elektrisk kraft til en krets for oppvarming av strømningsrør der et trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringssystem er koblet til kretsen for oppvarming av strømningsrør. Kraftsystemet er karakteristisk i det at trefase genererings- og overføringssystemet er koblet til kretsen for oppvarming av strømningsrør via en trefase-til-tofase transformator, og den nevnte kretsen for oppvarming av strømningsrør er koblet til den sekundære siden av nevnte trefase-til-tofase transformator for å danne en balansert elektrisk last på trefasesystemet.

I en foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinnelsen er nevnte trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringssystem også koblet til en enedelast, for å tilveiebringe elektrisk kraft til denne endelasten, hvorved både problemet med oppvarming av strømningsrør og problemet med å levere kraft til en installasjon ved enden av et strømningsrør er løst med den kombinerte løsningen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

I enda en foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinnelsen innbefatter den elektriske oppvarmingskretsen en del av strømningsrøret for olje/gasstransport. Typisk er strømningsrøret laget ved å bruke elektrisk ledende materialer, for eksempel metaller eller kombinasjoner av metaller, hvorved en del av strømningsrøret i seg selv kan være velegnet som et elektrisk oppvarmingselement og/eller et elektrisk ledende element til en krets for oppvarming av strømningsrør. I tillegg kan et allerede installert strømningrør/rørledning være velegnet for å legge til en oppvarmingskrets, forutsatt at strømningsrøret/rørledningen allerede er laget, minst delvis, av elektrisk ledende elementer.

I fortsatt en foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinnelsen inkluderer oppvarmingskretsen en separat leder montert ekstern til delen for olje/gasstransport i strømningsrøret. Eksterne ledere kan være egnet for bruk på tidligere installerte strømningsrør/rørledninger der en oppvarmingskrets ikke var inkludert ved planleggingsstadiet for installeringen.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinneslen innbefatter den balanserte elektriske lasten to separate lastelementer med lik eller nesten lik impedans. Normalt kan seksjoner av strømningsrør/rørledninger med nesten lik lengde være forventet å tilveiebringe seksjoner med hovedsakelig lik eller nesten de samme impedanskarakteristikkene.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinnelsen danner endelasten en lokal kraftforsyning i eller via et opplegg for kraftdistribusjon under vann. Derfor kan endelasten være et mangfold av komponenter eller enheter koblet til opplegget, og der avslutning av kraftforsyningssystemet (endelast) effektivt danner en kraftforsyning, for eksempel for en undervannsinstallasjon.

I fortsatt en ytterligere foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til et andre aspekt av oppfinneslen er den lokale kraftforsyningen koblet til hvilken som helst eller flere anordninger fra en gruppe av standard elektriske undervannsanordninger, nevnte gruppe av anordninger inkluderer undervanns kontrollsystemer, elektriske kompressorer, elektriske pumper, vannpumper, frekvensomformere, AC-motordrivere, etc. Listen er ikke tiltenkt å være uttømmende, men å illustrere et antall typiske enheter som kan bli forsynt med drivkraft i kraftsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

I en fortsatt foretrukket utførelsesform av kraftsystemet i henhold til det andre aspektet av oppfinnelsen er oppvarmingskretsene innrettet til å trekke reaksjonskraft fra trefase kraftforsyningen for å optimalisere den tilgjengelige elektriske kraften ved endelasten. Derfor er den distribuerte lastingen av kretsen for oppvarming av strømningsrøret/rørledningen velegnet til å brenne av reaksjonskraft, hvis oppbygging ofte er et problem langs forlengede distribuerte kraftsystemene. Derved kan de totale kraftkarakteristikkene til systemet, spesielt tilgjengelig reell kraft for endelasten, bli optimalisert ved å kontrollere mengden kraft trukket av oppvarmingskretsene.

For å forklare i mer detalj hvordan formålene nevnt over og andre fordeler med oppfinnelsen er oppnådd inkluderer den etterfølgende detaljerte beskrivelsen referanser til de vedlagte figurene, i hvilke

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Figur 1 illustrerer skjematisk hovedkomponentene i et system for oppvarming av

strømningsrør i henhold til oppfinnelsen.

Figur 2 viser et mer detaljert diagram av en første utførelsesform av et system for

oppvarming av strømningsrør i henhold til oppfinnelsen.

Figur 3 viser et mer detaljert diagram av en andre utførelsesform av et system for

oppvarming av strømningsrør i henhold til oppfinnelsen.

Figur 4A - C illustrerer i diagramform en spenningsvektor og fasediagram for spenningen levert til strømningsrøret i et system som vist i Figur 3. Den totale spenningen mellom elektriske endekoblinger i strømningsrøret er illustrert. Figur 5 A - C illustrerer tre alternative måter å utnytte en trefase-til-tofase transformator i et system for oppvarming av rørledning i henhold til oppfinnelsen hvori tofasetransformatorens viklinger er koblet i serie for å tilveiebringe en spenningssum C som er påført bare i endepunktene til strømningsrøret som skal varmes opp. Figur 6A - B illustrerer et eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen der to tre til to fasetransformatorer er brukt. Figur 6A illustrerer en transformatorkobling som tilveiebringer to output, og Figur 6B viser to separate rørledningselementer for brønnstrøm, koblet til transformatoroutput i Figur 6A. Figur 7A - B illustrerer en annen utførelsesform av oppfinnelsen der to tre til tofasetransformatorer er koblet sammen i en transformatorkobling i Figur 7A, og Figur 7B viser hvordan transformatoroutput kan bli koblet til to etterfølgende seksjoner av en rørledning for brønnstrømning. Figur 8 illustrerer en elektrisk last koblet til en undervanns brønnhodeende i en elektrisk kraftforsyning for brønnstrøm i strømningsrør, strømningsrøret er koblet til et olje- og gassprosesseringsanlegg i motsatt ende.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Disse oppfinnerne innså at det er mulig å løse problemet med elektrisk oppvarming av strømningsrør på en måte som gir et system som er enklere og lettere å vedlikeholde sammenliknet med kjente tidligere løsninger, på grunn av det faktum at den nye løsningen ikke krever et separat nettverk for symmetrikontroll eller justering. I denne beskrivelsen er betegnelsen strømningsrør ment til å innbefatte flere typer strømningsrør slik som feks. en rørledning, hovedledning, en umbilical, eller alternativt en kombinasjon av disse eller ekvivalente strømningsrør eller strømningsrørelementer.

Disse oppfinnerne innså også at det er mulig å løse problemet med elektrisk oppvarming av strømningsrør og problemet med å levere elektrisk kraft til en fjerntliggende strømningsrørinstallasjon under vann på en ny og effektiv måte med en kombinasjonsløsning som beskrives i oppfinnelsen som beskrevet heri. På grunn av bruken av en spesiell transformatorkopling krever den nye løsningen ikke et separat nettverk for symmetrikontroll eller justering. I denne beskrivelsen er betegnelsen strømningsrør ment å inkludere flere typer strømningsrør slik som feks. en rørledning, en hovedledning, en umbilical, eller alternativt en kombinasjon av disse eller ekvivalente strømningsrør eller strømningsrørelementer.

Dette er oppnådd ved å kombinere et tofase dedikert lastgrensesnitt med trefase kraftgenerering og generell distribusjon for oppvarming av strømningsrør. Bruk av tre-til-tofase kraftkonvertering er svært sjelden brukt i dag, med unntak av servomotorapplikasjoner [2]. En lærebok sier " Scott koblingen er en spesiell type T-kobling brukt til å omdanne trefasekraft til tofasekraft for drift av elektriske ovner og motorer" [3]. Som et eksempel bruker de fleste japanske AC-elektrifiserte tog i dag et trefase-til-tofase transformeringssystem for å levere kraft til de elektriske motorene [4].

Tre-til-tofase konverteringer med et balansert trefasetrekk kan bli oppnådd ved å bruke en Scott-T kobling for grensesnittet for systemet for kraftmating. Scott-koblingen var presentert av Charles F. Scott i 1894. Han pekte ut at en kombinasjon med et trefasesystem for kraftoverføring og et tofasesystem for kraftdistribusjon kan gi et totalsystem som sikrer fordeler fra begge systemene [5].

Denne tre-til-tofase transformeringen krever en balansert last på tofasesiden for å overføre lastsymmetrien til trefasesiden. Tofaselastbalansen kan oppnås med to like lastelementer eller ved å sammenkoble de to fasespenningsvektorene, og deretter bruke vektorsummen til å lage et grensesnitt for en enkel faselast.

Disse oppfinnerne er klar over at Scott-T-koblingen fortsatt er i bruk i dag i noen

elektriske togsystem og noen elektrisk motordrevne ovner. Slike løsninger, detaljene av hvilke ikke er alle kjent for de foreliggende oppfinnerne, bør antageligvis vurderes som den nærmeste kjente teknikken relatert til den foreliggende oppfinnelsen. I disse kjente applikasjonene er to sett med lavspenningselementer i ovner en typisk balansert tofaselastkonfigurasjon og elektriske togsystemer er eksempler på en enkel faselastkonfigurasj on.

Til tross for faktum at tre-til-tofase kraftsystemer ikke har funnet særlig mange applikasjoner har disse oppfinnerne funnet at når man bruker en tre-til-to faseomformer med kraftforsyningskretsene tiltenkt å levere elektrisk kraft til undervannsinstallasjoner som beskrevet detaljert i denne beskrivelsen, og spesifikt til en eller flere oppvarmingselementer for strømningsrør, er et antall fordeler oppnådd. Transformatorer koblet for trefase-til-tofase kraftkonvertering kan gjøre det følsomt å bruke høy overføringsspenning fra et trefase kraftsystem, selv for å forsyne et distribusjonsnettverk som er ubalansert.

Formålene med oppfinnelsen er i prinsipp oppnådd, som illustrert i Figur 1, ved å koble en trefase kraftkilde 1 via en tre-til-tofase kraftkonverteringsenhet 2 til et kraftkonsumerende element lokalisert under vann 4, slik som feks. en elektrisk ledende del av et olje-/gassstrømningsrør. Typisk kan en distribusjonskabel 3 bli brukt til å distribuere tofasekraften til den elektriske lasten lokalisert under vann 4.

I Figur 2 er det vist en mer detaljert illustrasjon av en første foretrukket utførelsesform av et system for oppvarming av elektrisk strømningsrør i henhold til oppfinnelsen. I

Figur 2 er det illustrert hvordan en første leder 5A av en piggyback-kraftkabel 5A, 5B er koblet til en første leder 3 A av distribusjonskabel en 3. Den første lederseksjonen 5 A kjører til en første ende av strømningsrøret 4 som skal varmes opp, ved hvilken ende lederen 5A er elektrisk koblet til stålet i strømningsrøret 4. En andre leder 3B av distribusjonskabelen 3 er koblet til en andre leder 5B av piggyback-kraftkabel en 5 A, 5B. Denne andre lederen 5B kjører til en andre ende motsatt av nevnte første ende av strømningsrøret 4 som skal varmes opp. Ved denne motsatte enden er den andre lederen 5B også koblet til stålet av strømningsrøret.

I Figur 2 er det illustrert hvordan, i en utførelsesform av oppfinnelsen, tre-til-tofase konverteringsenheten kan være en Scott-T koblet transformator 2 [6]. Sekundærsiden av transformatoren 2B1, 2B2 er splittet i to seriekoblede viklinger, der en ende av hver vikling sammen danner to output UTI, UT2, mens en tredje valgfri output UT3 er tatt fra et punkt mellom de to sekundære viklingene. En av de to outputene ved sekundærsiden av den Scott-T-koblede transformatoren er koblet til en leder av distribusjonskabelen 3 som er koblet til en ende av strømningsrøret 4 som skal varmes opp, og den andre av de to outputene er koblet til lederen i distribusjonskabelen 3 som er koblet til den motsatte enden av strømningsrøret 4 som skal varmes opp. Alternativt, den tredje output kan være koblet til en tredje leder 3C av distribusjonskabelen 3. Ved strømningsrøret 3 kan den tredje lederen 3C bli koblet til stålet av strømningsrøret omtrent midtveis mellom koblingspunktet til den første lederen 3 A og den andre lederen 3B på strømningsrøret 4. Ved primærsiden av transformatoren 2 er en trefase kraftforsyning vist å bli koblet i et deltasystem, imidlertid på primærsiden kan en Y-eller Z-kobling også bli brukt. Siden den tredje lederen under normal operasjon i et DEH-system, avhengig av viklingskoblingen, kan bære bare en mindre strøm, kan denne tredje lederen ha et redusert tverrsnitt sammenliknet med de to andre lederne.

I figur 3 er det illustrert en andre utførelsesform av et system for oppvarming av strømningsrør i henhold til oppfinnelsen, der primærsiden av transformatoren 2 er deltakoblet på vanlig måte. Ved å bruke en splittet konstruksjon er hver av de tre sekundærviklingene i transformatoren delt i to, hvorved tilgang til et senterpunkt av hver vikling er tilveiebrakt. De tre sekundærviklingene er dermed effektivt splittet i seks separate viklinger. I Figur 3 er de seks sekundærviklingene koblet i en seriemåte. Senterpunktet for senterviklingen i seriekoblingene er tatt som en tredje output for transformatorens sekundære. De tre outputene av transformatoren er koblet til strømningsrøret på samme måte som i Figur 2.

Transformatorkapasiteten kan bli redusert dersom reaktive kondensatorer for kraftkompensasjon er koblet til transformatorens sekundære output, hver kondensator er koblet mellom den tredje output og de første og andre outputene, henholdsvis, dersom de alle er tilgjengelige. Undervannsinstallasjoner bør fortrinnsvis være uten kondensatorer installert under vann.

Disse oppfinnerne har innsett at direkte elektrisk oppvarming (DEH) av lange strømningsrør har en natur som er ganske kompatibel med tofase kraftsystemer, der fasevinkelen er nær 90°, eller fortrinnsvis mer. Dette åpner opp for en renessanse for Scott-T-koblingen og andre tre-til-tofase transformatorkoblinger med mer enn 90° fasevinkel, siden kraftgenerering og distribusjon siden det 20. århundret i praksis har vært totalt dominert av trefasesystemer.

Med en tre-til-tofase transformator i et system for oppvarming av strømningsrør i henhold til den foreliggende oppfinnelsen vil det være mulig å levere en høy transmisjonsspenning til et ubalansert distribusjonssystem fra en trefaseforsyning ved å direkte koble det ubalanserte systemet til trefaseforsyningen via feks. en Scott-T-transformatorkobling.

En slik tre-til-tofase transformatorkobling tilveiebringer et grensesnitt for tofase DEH-strømningsrør egnet for spenningsnivåkontroll under vann langs et strømningsrør. Uten kravet til et topside symmetriseringsnettverk er det påkrevde området redusert, vekt er redusert og utnyttelsen av området på offshore undervannsinstallasjoner er forbedret. Dersom et delt strømningsrør resulterer i en usymmetrisk last, da kan noe av den usymmetriske delen av strømmen flyte i den "nøytrale" fasen fra midtseksjonen av strømningsrøret.

Den direkte lastbalansering oppnådd ved å bruke tre-til-tofase transformatoren i henhold til denne oppfinnelsen forenkler den totale systemutformingen fordi den fungerer uten et LCR- symmetriseringsnettverk eller symmetri sering ved kraftelektronikk. Derfor er kvalifikasjon for undervannsinstallasjoner forventet å bli enklere oppnådd.

Tradisjonelt, trefase elektrisk kraftoverføring gjennom en relativt liten kabel til en egnet undervannslokalisering for elektrisk distribusjon til et direkte elektrisk oppvarmingssystem, en undervannspumpe, og/eller kompressordrivere kan redusere antallet kabler strukket langs strømningsrørbanen, og muliggjøre mer effektiv bruk av fartøy for kabel- og strømningsrørinstalleringer under vann.

Lokal kontroll av spenningsdistribusjon under vann via tre-til-tofase transformator er forventet å være kompatibel med det meste standardutstyret normalt installert på undervannsopplegg. Det normale redundansnivået og grensesnittet kan da bli vedlikeholdt for enkelfaseforbrukere med trefase kraftoverføring gjennom umilical(er) som bygger bro en lang avstand tilbake til installasjonen på land eller topside.

Prinsippet til systemet for oppvarming av strømningsrør i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er derfor særlig egnet for undervanns kraftdistribusjon over lange distanser. En hovdefordel versus eksisterende alternative løsninger er enkelheten til løsningen og elimineringen av behovet for et symmetriseringsnettverk for å balansere store enkelfaselaster i trefase kraftsystemet. Undervannsinstallasjoner av aktive invertere eller LCR- symmetriseringsnettverk kan bli funnet å kreve rejustering etter installering, som er et signifikant risikoelement sammenliknet med den enkle utformingen av en krafttransformator.

En annen undervannsapplikasjon av et elektrisk kraftsystem i henhold til oppfinnelsen som bruker en tre-til-tofase transformator i henhold til prinsnippet til den foreliggende oppfinnelsen er i kontrollspenningsdistribusjon i undervannsinstallasjoner, dvs. distribusjon av spenning til "Undervanns kontrollmoduler" fra en "Undervanns kontrolldistribusjonsenhet" etter en lang trefase overføring step-out.

Som et hjelpemiddel til å forstå denne oppfinnelsen illustrerer Figur 4A - C vektor- og fasediagram for den totale spenningen påført strømningsrøret 4, som en sum av spenningene fra de to fasespenningene output fra transformatoren i utførelsesformen av oppfinnelsen illustrert i Figur 3.

Figur 5 A viser et eksempel på hvordan en tre-til-tofase transformator 2 kan bli brukt på en tilsvarende måte som en Scalene Scott-kobling [4] i direkte oppvarmingskrets som genererer en sumspenning C som blir påført mellom endepunkter 4A, 4B av strømningsrøret 4 som skal varmes opp. Primærviklingene 2A1, 2A2, 2A3 er koblet til trefase forsyningslinjene LI, L2, L3 i en konvensjonell deltakobling, mens de sekundære viklingene 2B1, 2B2, 2B3, 2B4, 2B5, 2B6 er koblet i et seriearrangement som illustrert for å generere sumspenningen C. I dette tilfellet er midtpunktet M ikke utnyttet, som gjør output en tolederkabel 3 til rørledningen. En første leder 3A avsluttes i et første koblingspunkt 4A i en ende av rørledningsegmentet som skal varmes opp. En andre leder 3B er koblet til en piggyback-kabel 5 som går langs rørledningen til et andre koblingspunkt 4B en avstand borte fra det første koblingspunktet 4A langs rørledningen. En reaktanskompenserende kondensator C2 kan bli koblet mellom de to outputlinjene til den tre-til-tofase transformatoren.

Figur 5B og Figur 5C illustrerer alternative konfigurasjoner for tre-til-tofase transformatoren som kan erstatte den i Figur 5 A. Derfor er det ikke bare en tre-til-tofase transformator som vil være anvendbar i denne oppfinnelsen, men flere konfigurasjoner kan bli betraktet. Figur 6A illustrerer hvordan en dobbel tre-til-tofase transformator 2 kan blir koblet til å tilveiebringe to spenningsoutputer, hver output er koblet til et rørledningssegment som skal varmes opp, som illustrert i mer detalj i Figur 6B. Figur 6B viser to separate rørledninger for brønnstrøm 4, den første rørledningen har en direkte elektrisk oppvarmingskrets 4, 4A, 4B, 5 som er forsynt med elektrisk kraft via et par ledere 3 Al, 3B1 som er koblet til en første output av tofasesiden av tre-tofase transformatoren 2 som vist i Figur 6A. Den andre rørledningen har en direkte oppvarmende elektrisk krets 4, 4A, 4B, 5 som er forsynt med elektrisk kraft via et par ledere 3 A2, 3B2 som er koblet til en andre output av tofasesiden av tre-tofase transformatoren 2 som illustrert i Figur 6A. Output av den doble tre-til-tofase transformatoren er i noen lærebøker klassifisert som et firefasesystem. Figur 7A og Figur 7B illustrerer hvordan en dobbel tre-til-tofase transformator 2-1, 2-2 kan være koblet via en kraftforsyningskabel 3 til to seksjoner av en enkel rørledning for brønnstrøm 4 ved å bruke tre kontaktpunkter 7A, 7B, 7C på rørledningen 4, et første kontaktpunkt 7A er koblet via nevnte kraftforsyningskabel 3 til en første output av den doble tre-til-tofase transformatoren, et andre kontaktpunkt 7B som er koblet via nevnte kraftforsyningskabel 3 til en andre output av den doble tre-til-tofase transformatoren 2-1, 2-2. Et tredje kontaktpunkt 7C er felles for oppvarmingskretsen til begge de to seksjonene av rørledningen 4, og er koblet til en felles output for tre-til-tofase transformatoren 2-1, 2-2. Typisk, de første og andre kontaktpunktene 7A, 7B vil være ved enden av en seksjon av rørledningen 4 og det tredje kontaktpunktet 7C vil være et sted mellom de to endekontaktpunktene 7A, 7B, fortrinnsvis omtrent midtveis mellom endekontaktpunktene 7A, 7B i tilfellet med en rørledning 4 med lansetter homogent tverrsnitt, som illustrert i Figur 7B.

En serie arrangementer med oppvarmingskretser langs et strømningsrør 4 er mulig, som illustrert i Figur 8. Tre oppvarmingsseksjoner 4i, 42 og 43er koblet separat til en av hver tre 3-til-2 transformatorer 2i, 22og 23, henholdsvis. Hver av de tre 3-til-2 transformatorene er koblet på parallell måte, muligens step-out via tre deltastjernetransformatorer 211, 2h og 2hfra en hovedtrefaseforsyning 30. I Figur 3 er bare tre oppvarmingskretser vist for tre etterfølgende seksjoner langs strømningsrøret. Et system for oppvarming av strømningsrør kan imidlertid i prinsipp innbefatte hvilket som helst antall oppvarmingsseksjoner. I Figur 8 er en første oppvarmingsseksjon 4i på en del av strømningsrøret som er på land, mens de andre oppvarmingsseksjonene 4i, 42 er ved undervannslokaliseringer.

I et annet aspekt av oppfinnelsen, illustrert av eksemplet i Figur 8, fungerer kraftforsyningssystemet til oppvarmingen av strømningsrøret også som et kraftsystem for å overføre elektrisk kraft til en undervannsendelast 30. Disse oppfinnerne har innsett at et kombinert system for oppvarming av strømningsrør 21, 2 og endelast 30 som beskrevet i denne redegjørelsen tilveiebringer en ytterligere fordelaktig kombinert effekt i det at oppvarming av strømningsrør kan bli brukt til å trekke ut noe reaksjonskraft langs kraftlinjen som strekker seg til en undervannsinstallasjon ved enden av rørledningen og dermed forbedre den tilgjengelige faktiske kraften ved undervannsinstallasjonen. Ved undervannsinstallasjonen, som for eksempel er et undervannsopplegg for brønnhode, er trefase kraftkabelen som går langs brønnstrømmens rørledning koblet til en lokal endelast 30 som innbefatter en undervannskraftforsyning som kan bli kablet opp for å levere kraft til et antall elektriske fjerntliggende undervannanordninger, slik som pre-kompressorer, kondensatorpumper, vannpumper, etc. De elektriske undervannsanordningene kan være plassert ved enden av rørledningen eller i prinsnippet hvor som helst nær enden av rørledningen og nær enden av trefase kraftkabelen. Den dominante elektriske lasten av den fjerntliggende undervannsendeinstallasjonen 30 innbefatter typisk frekvensomformere og/eller AC- motordrivere. På grunn av denne typiske dominante lasten bør den lokale kraftforsyningen være av en standard trefaseløsning, mens generering av lokal kontroll spenning og/eller ytterligere DEH på mindre forbindelser kan blir realisert via tre-tofase transformatorer koblet sammen med andre endeforbrukere via en sammenstilling av koblingsutstyr, for eksempel slik som har blitt foreslått for Ormen Lange-installasjonen [7], for typiske fjernende undervanns kraftdistribusjon til ulike elektriske drivere etc.

Det er et fordelaktig resultat at kretsen for oppvarming av rørledning kan trekke ut reaksjonskraft langs rørledningen mot den fjerntliggende endens undervannskraftforsyning og/eller installasjon 30, dermed maksimere reell kraft tilgjengelig ved den fjerntliggende undervanns kraftforsyningen og/eller installasjonen 30, spesielt kretsen for oppvarming av rørledning kan bli utstyrt med en kontrollerbar bryteranordning 51, nevnte bryteranordning 51 er en del av et kontrollsystem som inkluderer funksjonalitet for å skru disse oppvarmingskretsene på og av, eller for å variere kraften trukket av oppvarmingskretsene. Et slikt kontrollsystem innbefatter fortrinnsvis en kontrollenhet 50 assosiert med den elektriske kraftkilden 1, anordninger for overføring av kontrollsignaler for å sende og/eller motta kontrollsignaler eller overvåke signaler til lokale kontrollkretser assosiert med hver oppvarmingskrets 21-1, 21-2 og 21-3 og/eller med den fjerntliggende endens undervannskraftforsyning og/eller installasjonen 30. Som et eksempel kan anordningen for kontrollerbar bryting 51 være en kontrollerbar steg-for-steg-bryter som kan bli brukt til å kontrollerbart regulere mengden elektrisk kraft trukket av hver krets for oppvarming av rørledning. I dette tilfellet er en kontrollenhet koblet til hver steg-for-steg-bryter. Kontrollenheten kan være en sentral kontrollenhet lokalisert på land, eller den kan være en distribuert kontrollenhet distribuert mellom en eller flere kontroll- og/eller beregnende anordninger ordnet for samarbeid i en distribuert måte i kraftforsyningssystemet.

I en utførelsesform av oppfinnelsen kan bruk av tre-til-firefase transformatorer som erstatning for hvert par av transformatorer 21-1, 21-2 i Figur 8 forenkle undervannslayouten ved å redusere antallet transformatorer brukt for DEH langs rørledningen. I Figur 8 kan de to transformatorene 21-1, 21-2 for eksempel bli erstattet av en enkle tre-til-firefase transformator som utfører en tre-til-firefase kraftomforming med magnetisk kjernebalanse siden summen av alle firefasene er null.

På en måte lik den som er vist i Figur 7A og Figur 7B bør det også være mulig å bruke de to tofasesystemene som kan bli utledet fra et firefasesystem ved å bruke sett med firefaseviklinger av transformatoren koblet for å gi to separate Scalene Scott-koblede output fra hver av de to viklingssettene. Disse kan være ordnet tilsvarende som Scalene Scott-koblingene beskrevet for eksempel i ref. [4].

Det er derfor et antall undervannssystemer som kan ha fordeler av den foreliggende oppfinnelsen. En liste med noen typiske systemer er som følger: • Et enkelt strømningsrør med en DEH-installasjon kan bli forsynt med elektrisk kraft fra en kraftforsyning på en offshoreinstallasjon. • Et enkelt strømningsrør med en DEH-installasjon kan bli forsynt fra land og/eller fra en annen offshore installasjon via en undervanns trefase-til-tofase transformator lokalisert ved eller nærliggende til strømningsrørseksjonen som skal varmes opp. • Elektriske kabler kan koble flere undervannsinstallasjoner for DEH og andre undervannskontroll- eller operasjonelle formål. Et undervannsgrid av kabler kan ha en eller flere koblinger til fastlandsutstyr for tilsvarende formål. • Undervannsinstallasjoner, feks. pumper og kompressorer, kan blir forsynt fra land eller fra overflate offshoreinstallasjon(er). Et kraftdistribusjonsgrid kan bli koblet til et opplegg og fortsette til et neste opplegg. Kraftforsyningssystemet kan inkludere koblinger til flere opplegg. Dersom en serie med DEH-installasjoner er distribuert jevnt langs et svært lang strømningsrør, da kan de bli brukt til å trekke ut reaksjonskraft og dermed muliggjøre AC-kraft for å levere kraft langt over de kritiske kabellengdene for høyspennings AC-kraft som normalt begrenser kraftoverføring via AC-kabler. • Kraftforsyning av kontroll spenning til en fjerntliggende installasjon (typisk undervann) der å bruke trefase kraftoverføring og tofase lokal distribusjon til å forsyne en kraftforsyning med kontroll spennings til enkle faselaster gir en

forenklet konfigurasjon som også er forventet å gi en forhøyet ytelse og pålitelighet i slike systemer.

For å konkludere, den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et system for oppvarming av strømningsrør som gir en balansert last på trefase kraftforsyningen. Videre er behovet for et komplekst symmetriseringssystem for å møte kravene fra det lokale eller fastlandskraftgridet eliminert. Dette er spesielt viktig når kraft er levert fra et relativt lite kraftgrid med lokal generering, som for en offshore olje- og gassplattform.

Også bruken av en tre-til-tofase transformator gir den ytterligere fordelen at passende spenning eller kombinasjon av spenningsvektorer er tilveiebrakt, som muliggjør spenningskontroll for valgte deler av lasten, dvs. for DEH kan disse være ulike seksjoner av strømningsrøret.

Kraftkonsumenten lokalisert under vann (elektrisk last) 4 kan innbefatte en eller flere midlertidig eller permanent installerte komponenter. Kraftgenererings- og overføringsdelen 1 kan på den samme måten innbefatte en eller flere permanente eller midlertidige installerte komponenter. For eksempel, et overflatefartøy tilpasset for å håndtere kabler og annet utstyr for å levere elektrisk kraft kan bli brukt sammen med en stigerørkabel, for eksempel som beskrevet i internasjonal patentsøknad PCT/NO00/000177, som en kraftgenererings- og overføringsdel. Imidlertid, hvilket som helst annet kraftforsyningsutstyr utformet for å levere kraft til undervannsanordninger kjent for en fagmann på området kan i prinsippet bli brukt som kraftgenererings- og overføringsdelen 1 i denne oppfinnelsen.

Selv om denne beskrivelsen har referert til DEH-arrangementet som hvilken som helst fagmann på området vil forstå, ved å ha fordel fra denne beskrivelsen, at en undervanns elektrisk lastkrets 30 eller krets for oppvarming av strømningsrør kan ha et antall former og variasjoner uten å avvike fra omfanget av oppfinnelsen som definert i de vedlagte kravene.

REFERANSER:

[1] " Integrated Production Umbilical ( IPUJM) : Heated Flowline Technology for Satellite Tie- Back at Norne ", paper DOT 2002, av O. Heggdal og E. Ulland, Deep Offshore Technology Conference for Deep Water Oil Exploration and Drilling, November 13-15 2002, New Orleans, Louisiana,

USA.

[2] " ElectricalPower Technology", by Theodore Wildi, publisert av John Wiley & Sons, New York, 1981, side 236-7.

[3] The Electrical Engineering Handbook, Ed. Richard C. Dorf, Kapittel 1 Passive Components, Seksjon 1.3 Transformers, by M. Pecht, P. Lall, G. Ballou, C. Sankaran, ogN. Angelopoulos; Publisert: CRC Press LLC, 2000, Boca Raton.

[4] Principle Theory of Single Phase Feeding Power Conditioner for AC traction, av Tetsuo Uzuka, Yoshifumi Mochinaga, Shin-ichi Hase;

http ://www.rtri. or.j p/infoce/wcrr97/C 13 5/C13 5 .html

[5] Charles F. Scott 1864- 1944; JEEE History Center, Legacies;

http://www.ieee.org/organizations/history_center/legacies/scott.html.

[6] Scott Transformer (Product Data from L/C Magnetics of Anaheim, CA, USA); www.lcmagnetics.com/scott.htm

[7] Subsea Feasibility Studies ( Ormen Lange inkludert), presentert ved LAS Chapter Meeeting (JEEE, Norway Section, Industry Applications Society Chapter), Stavanger Norge, April 19, 2005.

Claims (15)

1. System for oppvarming av strømningsrør for arrangementer av brønnstrømningsrør ordnet i sammenheng med en olje- og gassinstallasjon for å levere elektrisk kraft til en elektrisk lastkrets, innbefattende en trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringsdel (1) som er koblet til en elektrisk last (4) karakterisert ved at den trefase genererings- og overføringsdelen (1) er koblet til en elektrisk last (4) via en trefase-til-tofase transformator (2), og den elektriske lasten (4) er koblet til sekundærsiden av nevnte trefase-til-tofase transformator (2) for å danne en hovedsakelig balansert elektrisk last på nevnte trefase genererings- og overføringsdel (1), nevnte elektriske last (4) utgjør systemet for oppvarming av strømningsrør.

2. System i henhold til krav 1, hvori nevnte trefase kraftgenererings- og overføringsdel (1) er koblet til minst en elektrisk last (4), og den minst en elektrisk last (4) er koblet til en trefase endelast (30) lokalisert i den fjerntliggende enden av nevnte system (1) som sett fra kraftgenereringsdelen (1).

3. System i henhold til krav 1, hvori trefase-til-tofase transformatoren er del av en undervannsinstallasj on.

4. System i henhold til krav 1, hvori trefase-til-tofase transformatoren er del av en offshore topside eller en onshore installasjon.

5. System i henhold til krav 1, hvori den elektriske lasten (4) innbefatter en krets for oppvarming av strømningsrør (21-1, 2-1, 4-1) for å muliggjøre elektrisk oppvarming av strømningsrøret, dermed redusere eller forebygge tilstoppingen av strømningsrøret ved opphoping av kondensert fluidmateriale, som for eksempel hydrater.

6. System i henhold til krav 2, hvori endelasten (30) innbefatter et undervannsopplegg for trefase kraftdistribusjon for et undervannsopplegg for brønnhode.

7. Elektrisk kraftsystem for å tilveiebringe elektrisk kraft til en krets for oppvarming av strømningsrør (21-1, 21-2, 21-3, 2-1, 2-2, 2-3, 4-1, 4-2, 4-3), der et trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringssystem (1) er koblet til kretsen for oppvarming av strømningsrør (21-1, 21-2, 21-3, 2-1, 2-2, 2-3, 4-1, 4-2, 4-3), karakterisert ved at det trefase genererings- og overføringssystemet (1) er koblet til kretsen for oppvarming av strømningsrør (21-1, 21-2, 21-3, 2-1, 2-2, 2-3, 4-1, 4-2, 4-3), via en trefase-til-tofase transformator (2), og den nevnte kretsen for oppvarming av strømningsrør (21-1, 21-2, 21-3, 2-1, 2-2, 2-3, 4-1, 4-2, 4-3) er koblet til sekundærsiden av nevnte trefase-til-tofase transformator (2) for å danne en balansert elektrisk last på trefasesystemet.

8. Kraftsystem i henhold til krav 7, hvori nevnte trefase elektrisk kraftgenererings- og kraftoverføringssystem (1) er også koblet til en endelast (30) for også å levere elektrisk kraft til nevnte endelast (30).

9. Kraftsystem i henhold til krav 7, hvori den elektriske oppvarmingskretsen innbefatter en del av strømningsrøret for olje/gasstransport (4-1, 4-2,4-3).

10. Kraftsystem i henhold til krav 7, hvori oppvarmingskretsen inkluderer en separat leder montert eksternt til den olje/gasstransporterende delen av strømningsrøret (4-1, 4-2, 4-3).

11. Kraftsystem i henhold til hvilket som helst av kravene 7-10, hvori den balanserte elektriske lasten innbefatter to separate lastelementer med lik eller nesten lik impedans.

12. Kraftsystem i henhold til hvilket som helst av kravene 7-10, hvori endelasten (30) danner en lokal kraftforsyning i eller via et undervannsopplegg for kraftdistribusjon.

13. Kraftsystem i henhold til hvilket som helst av kravene 7-12, hvori den lokale kraftforsyningen er koblet til hvilket som helst eller flere anordninger fra en gruppe standard elektriske undervannsanordninger, nevnte gruppe av anordninger inkluderer elektriske kompressorer, elektriske pumper, vannpumper, frekvensomformere, AC-motordrivere etc.

14. System i henhold til hvilket som helst av kravene 7-13, hvori oppvarmingskretsene (4-1, 4-2, 4-3) er innrettet til å trekke reaksjonskraft fra trefase kraftforsyningen for å optimere den tilgjengelige elektriske kraften ved endelasten (30).

15. System i henhold til krav 1-14, hvori den trefase genererings- og overføringsdelen (1) er koblet til en elektrisk last (4) via et trefase-til-firefase transformatorarrangement (2), og den elektriske lasten (4) er koblet til sekundærsiden av nevnte trefase-til-firefase transformatorarrangement (2) der to tofasesystemer kan bli utledet fra firefasesystemet for å danne en hovedsakelig balansert elektrisk last på nevnte trefase genererings- og overføringsdel (1).