Система передачи электроэнергии под водой для обеспечения работы высокооборотного двигателя

Система передачи электроэнергии под водой для обеспечения работы высокооборотного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к подводному оборудованию, в частности, к подводному оборудованию для добычи нефти. Точнее, изобретение относится к системам, оборудованию и способам, применяемым для добычи нефти или приведения в действие соответствующего подводного оборудования. Изобретение более всего относится к оборудованию, требующему передачи переменного тока большой мощности под водой на большие расстояния посредством подводного кабеля, проходящего на эти расстояния; примерами такого оборудования являются электродвигатели для насосов и компрессоров, которые обычно нуждаются в регулировке скорости вращения путем регулировки электрической частоты.

Изобретение вплотную подходит к решению проблем, вызванных емкостным эффектом и скин-эффектом, тем самым обеспечивая возможность использования больших длин удаления, чем было возможно ранее.

Уровень техники

В последние десятилетия мировое потребление энергии росло экспоненциально, и предел растущему спросу на энергию пока не виден. До недавнего времени ископаемые виды топлива добывались преимущественно на сухопутных месторождениях; однако ограниченность запасов нефти побудила приложить серьезные усилия к поиску и разработке морских месторождений газа и нефти. Современным уровнем техники в области разработки морских месторождений является использование стационарных или плавучих обитаемых платформ и связывание подводного добывающего оборудования, присоединенного к подводной скважине, с этими платформами. В некоторых случаях добываемое сырье направляется непосредственно на находящееся на суше принимающее оборудование без прохождения через платформу. Для поддержания достаточно большого объема сырья, поступающего из месторождения на платформу или непосредственно на берег, могут повышать давление внутри продуктивного пласта с помощью насоса, или могут изолировать некоторый объем сырья с последующим его выкачиванием или повышением давления с целью «выдавливания». Кроме того, насосы до настоящего времени устанавливались на морское дно для прямого закачивания морской воды внутрь продуктивного пласта с целью поддержания давления для увеличенного объема добычи нефти.

Имеется несколько преимуществ подводного расположения насосов и компрессорных станций перед их расположением на платформах:

- безопасность для людей, поскольку нет необходимости в их работе и проживании на платформе, а также в их транспортировке вертолетами на платформу и с платформы;

- отсутствие риска возгорания и взрыва;

- отсутствие риска разрыва труб, используемых в процессе разработки месторождения, проходящих от морского дна к платформе и от платформы к морскому дну;

- защищенность от диверсий;

- снижение капитальных расходов и эксплуатационных расходов, т.е. снижение расходов на добычу нефти и газа;

- увеличенный объем добычи в результате того, что всасывающее действие компрессоров и насосов приложено ближе к устьям скважин;

- оборудование имеет стабильные, т.е. почти постоянные, условия окружающей среды: низкая и почти постоянная температура; малая скорость течения морской воды вокруг оборудования и отсутствие волн - в то время как температура на платформах может варьироваться, например, от -20°C до +30°C; а высокоскоростной ураганный ветер может сочетаться с чрезвычайно высокими волнами;

- холодная морская вода может использоваться для охлаждения электродвигателей и другого электрического и электронного оборудования, а также технологических текучих сред;

- предотвращение обезображивания пейзажа;

- значительно меньшая масса подводной установки и, следовательно, использование меньшего количества материалов и энергии для ее сооружения;

- меньшие выбросы диоксида углерода (газа, влияющего на климат) во время сооружения подводной установки ввиду указанного меньшего количества материалов;

- меньшие выбросы диоксида углерода во время работы ввиду отсутствия вертолетной транспортировки и отсутствия рабочих операций на платформе;

- меньшие выбросы диоксида углерода, чем при наличии платформы, благодаря тому, что для обеспечения работы компрессоров и насосов используются электродвигатели, а электроэнергия подается с берега или с платформы;

- меньшее потребление энергии и меньший выброс газа, влияющего на климат, на единицу массы нефти и газа.

Недостатком подводных компрессоров по состоянию на 2010 год является то, что ни один из них не был установлен и не эксплуатировался под водой, т.е. технология не была проверена на пригодность. Однако это лишь вопрос времени, и первая подводная компрессорная станция, возможно, будет приведена в действие в 2015 году или раньше, и стимулом для этого послужит настоящий документ.

Подводное повышение давления - это новая технология. Подводное повышение давления при большом расстоянии удаления оборудования, повышающего давление, от источника электроэнергии - это очень новая технология, использующая современное оборудование и имеющая проблемы, которые не решены или неактуальны в других технологиях.

Состояние уровня техники определено в документе WO 2009/015670, предлагающем использовать первый преобразователь напряжения на ближнем конце подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля, который (конец кабеля) находится на верхней поверхности платформы или на суше, и второй преобразователь напряжения на дальнем (т.е. подводном удаленном) конце этого кабеля. Также предлагается использовать частотный регулятор скорости вращения на любом конце этого кабеля. Подводные частотные регуляторы скорости вращения для электродвигателей также называются устройствами изменения электрической частоты, преобразователями электрической частоты, или просто преобразователями, и они представляют состояние технологий уровня техники. Ни в публикации WO 2009/015670, ни в других документах не упоминается емкостный эффект, а также не обсуждаются и не называются проблемы, связанные с частотными регуляторами скорости вращения.

В настоящее время в работе находится лишь небольшое количество подводных насосов и ни одного подводного компрессора. Подводные компрессорные станции, однако, разрабатываются, и ожидается, что первая будет установлена и введена в эксплуатацию в течение нескольких ближайших лет. В настоящее время все подводные насосы и компрессоры приводятся в действие асинхронными электродвигателями. Расстояние удаления установленного насоса от платформы или суши не превышает 30 км, если глубина не превышает 1800 м. Известно, что в области нефтяной промышленности проводятся серьезные исследования и разрабатываются серьезные проекты, целью которых является обеспечение установки компрессоров на расстоянии удаления из диапазона от 40 км до 150 км при глубине воды до 3000 м и более.

Реалистичная мощность электродвигателя составляет от приблизительно 200 кВт для малых насосов до 15 МВт для компрессоров, а в будущем возможно появление еще более крупных электродвигателей. Подводные электродвигатели, которые установлены в настоящее время, снабжаются электроэнергией через кабели, передающие электроэнергию переменного тока и проходящие от места, где расположен источник электроэнергии, т.е. от платформы или суши; в случае наличия нескольких электродвигателей каждый из них имеет собственный кабель и собственный преобразователь электрической частоты (частотный регулятор скорости вращения, иногда называемый устройством регулировки скорости вращения или устройством регулировки электрической частоты), который расположен на ближнем конце этого кабеля и управляет скоростью вращения относящегося к нему электродвигателя, расположенного на дальнем конце кабеля -см. фигуру 1 и Таблицу 2.

В контексте настоящего документа термин «ближний конец» означает конец линии электропередачи, находящийся вблизи источника электроэнергии. В области подводного оборудования это верхняя поверхность платформы или суша. Соответственно, термин «дальний конец» относится к другому концу линии электропередачи, находящемуся вблизи нагрузки, которая обычно представляет собой электродвигатель. Термин «дальний конец» не обязательно ограничен высоковольтным концом линии электропередачи, а может быть распространен на шины или разъемы более низкого напряжения, которые являются частью оборудования дальнего конца, например, на общую подводную шину на стороне низкого напряжения подводного трансформатора.

Компрессоры и насосы нередко работают на максимальных скоростях вращения 4000-14000 об/мин и 2000-5000 об/мин, соответственно. Таким образом, приводной электродвигатель должен иметь номинальную скорость вращения порядка 2000-14000 об/мин, если между ним и насосом либо компрессором не используется редуктор. Эта механическая скорость вращения соответствует диапазону электрической частоты приблизительно от 30 Гц до 230 Гц для двухполюсного электродвигателя. Электродвигатели с большим количеством пар полюсов имеют меньшую максимальную механическую скорость вращения при таких же электрических частотах.

Фигура 1 иллюстрирует единственное техническое решение, используемое в настоящее время для передачи электроэнергии к установленным под водой насосам; в некоторых случаях между частотным регулятором (3) скорости вращения и подводным электродвигателем (М) трансформатор (6) не используется; это техническое решение в настоящем документе называется первым техническим решением. Это техническое решение с одним подводным передающим электроэнергию проходящим на некоторое расстояние кабелем на каждый электродвигатель имеет недостаток, заключающийся в том, что оно становится дорогостоящим при больших расстояниях удаления, например, более 50 км, ввиду высокой стоимости кабеля.

Серьезным техническим препятствием для использования этого технического решения является то, что при определенных расстояниях удаления под водой передача электроэнергии от источника электроэнергии, находящегося на ближнем конце, к удаленному электродвигателю, находящемуся на дальнем конце, невыполнима, поскольку система электропередачи становится электрически нестабильной и не пригодной для эксплуатации из-за емкостного эффекта, который будет описан ниже. Настоящим изобретением решается эта проблема нестабильности.

Фигура 2 иллюстрирует техническое решение, которое было предложено для передачи электроэнергии к нескольким нагрузкам, расположенным на большом расстоянии удаления (второе техническое решение). Это техническое решение с одним общим подводным передающим электроэнергию проходящим на некоторое расстояние кабелем и подводной системой распределения электроэнергии, включающей по одному частотному регулятору (14) скорости вращения на каждый электродвигатель (М), значительно уменьшает расходы на кабель, а также устраняет проблему электрической нестабильности путем ограничения электрической частоты в этом кабеле, например, диапазоном 50-10 Гц; при этих частотах скин-эффект тоже является приемлемым. Частота затем повышается частотным регулятором (14) скорости вращения для обеспечения необходимой скорости вращения электродвигателя, присоединенного к этому регулятору. Однако второе техническое решение имеет и недостатки: высокая стоимость частотных регуляторов скорости вращения, которые, кроме того, не проверены на пригодность для подводного использования; поскольку такие частотные регуляторы скорости вращения состоят из большого количества электрических и электронных компонентов, включая управляющую систему, они увеличивают вероятность выхода из строя системы передачи и подводного распределения электроэнергии.

Далее будут описаны проблемы первого технического решения (фигура 1), в котором на дальнем конце подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля расположен один электродвигатель, и третьего технического решения (фигура 3), в котором на дальнем конце общего подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля расположены несколько электродвигателей, а на ближнем конце этого кабеля расположен общий частотный регулятор (3) скорости вращения.

При большом расстоянии удаления между нагрузкой и источником электроэнергии (порядка 50 км и более) влияние подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля настолько велико, что в настоящее время пока не создана система электропередачи для таких расстояний удаления при ограниченной нагрузке, такой как один электродвигатель. Индуктивность и сопротивление этого кабеля вызывают большое падение напряжения на участке между источником электроэнергии и нагрузкой. Известно, что такое падение напряжения является самоувеличивающимся и может приводить к нулевому напряжению на дальнем конце. Чем больше расстояние удаления, тем больше должно быть напряжение передачи, с тем чтобы уменьшить падение напряжения вдоль кабеля. Однако кабель обладает большой электрической емкостью, и в длинном кабеле, несущем переменный ток, возникает так называемый емкостный эффект. Емкостный эффект - это известное явление, заключающееся в том, что емкостный зарядный ток в линии или кабеле увеличивается при увеличении длины этой линии или этого кабеля и при увеличении напряжения. При расстоянии удаления 100 км емкостный зарядный ток в кабеле может быть больше, чем ток, на который рассчитана нагрузка, из-за чего такая неэффективная система электропередачи вряд ли может быть применена. Кроме того, более важным обстоятельством является то, что напряжение при отсутствии нагрузки приблизительно на 50% больше, чем напряжение источника электроэнергии, находящегося на ближнем конце; такое высокое напряжение разрушит кабель, а также трансформатор и соединения, находящиеся на дальнем конце. При быстром сбросе нагрузки напряжение на дальнем конце скачкообразно увеличивается на указанную величину. Кроме того, возникает максимальное переходное напряжение, составляющее, например, 50% напряжения источника электроэнергии, в результате чего суммарный скачок напряжения составляет порядка 100%, см. Таблицу 1, приведенную ниже, где значения, записанные толстым наклонным шрифтом, - это случаи, иллюстрирующие описанное выше увеличение напряжения.

Современные системы с расстояниями удаления порядка 30 км не имеют этой проблемы, поскольку в них возможно оптимальное сочетание расстояния удаления и электрической нагрузки.

Таблица 1.
Рост напряжения при сбросах нагрузки вследствие емкостного эффекта в разных системах
Мощность электродвигателя, находящегося на дальнем конце	Максимальные частота fmax передачи и скорость ωmax вращения электродвигателя	Расстояние удаления	Характеристики стандартного кабеля	Напряжение U источника электроэнергии, находящегося на ближнем конце	Напряжение U при полной нагрузке и без нагрузки	Максимальное переходное напряжение Up на дальнем конце после полного сброса нагрузки
Насос 2,5 МВт	60 Гц (3600 об/мин)	40 км	95 мм2	20 кВ	18,3 кВ	20,9 кВ
Первое техническое решение	30 (36) кВ	20,2 кВ
Компрессор 7,5 МВт	180 Гц (10800 об/мин)	40 км	150 мм2	32 кВ	29,2 кВ
Первое техническое решение	30 (36) кВ	34,8 кВ	41,0 кВ
Насос 2,5 МВт	60 Гц (3600 об/мин)	100 км	150 мм2	26 кВ	23,6 кВ	28,9 кВ
Первое техническое решение	30 (36) кВ	27,5 кВ
Компрессор 7,5 МВт	180 Гц (10800 об/мин)	100 км	150 мм2	28,5 кВ	28,8 кВ	68,4 кВ
Первое техническое решение	30 (36) кВ	52,7 нВ

Три компрессор а и три насоса	180 Гц Компрессор: 10800 об/мин	100 км	400 мм2 45(54) кВ	45,6 кВ	45,6 кВ нестабильное	155 кВ
Суммарная мощность 30 МВт	Насос: 5400 об/мин
Третье техническое решение

Примечания, касающиеся емкостного эффекта и скин-эффекта

Емкостный эффект - это увеличение напряжения на дальнем конце длинной линии электропередачи относительно напряжения на ее ближнем конце, которое происходит, когда линия находится под напряжением, но нагрузка очень мала или отключена. Этот эффект обусловлен тем, что падение напряжения на индуктивности этой линии (обусловленное емкостным током) находится в фазе с напряжениями ближнего конца. Таким образом, и емкость, и индуктивность ответственны за это явление. Емкостный эффект наиболее сильно проявляется в более длинных линиях электропередачи и при более высоких приложенных напряжениях. Относительное повышение напряжения пропорционально квадрату длины линии электропередачи.

Ввиду большой емкости емкостный эффект гораздо сильнее проявляется в подземных и подводных кабелях, даже имеющих малые длины, чем в подвешенных в воздухе кабелях.

Уравнение для определения емкостного эффекта для некоторой системы имеет следующий вид:

V_f=V_n(1+ω×C×L×I²),

где

V_f - напряжение на дальнем конце,

V_n - напряжение на ближнем конце,

ω=2×3,14×f,

f - электрическая частота,

С - емкость линии,

L - индуктивность линии,

I - длина линии,

I² - квадрат длины линии.

В различной литературе могут также быть найдены другие формулы для определения емкостного эффекта, но во всех случаях это явление усиливается с увеличением частоты передачи, емкости кабеля, длины кабеля и напряжения.

Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что емкостный эффект длинной линии электропередачи может быть скомпенсирован подходящим уменьшением электрической частоты. По этой причине во втором техническом решении имеется подводный частотный регулятор скорости вращения. Частота передачи может, например, быть равна 50 Гц (стандартная частота в Европе).

Еще одной выгодой низкой частоты передачи является значительное уменьшение скин-эффекта в подводном передающем электроэнергию проходящем на некоторое расстояние кабеле, т.е. лучшее использование площади поперечного сечения этого кабеля. На практике передача электроэнергии высокой частоты, например, 100 Гц и более, на большие расстояния, например, 100 км и более, невозможна из-за скин-эффекта и соответствующего большого сопротивления кабеля.

Влияние емкостного эффекта и скин-эффекта, разумеется, необходимо рассчитывать индивидуально в каждом случае, чтобы определять, являются ли они приемлемыми для передачи электроэнергии на данной частоте.

Имеется необходимость в создании подводных систем электропередачи, которые являются более совершенными с точки зрения описанных выше проблем.

Раскрытие изобретения

Изобретением предлагается подводная система повышения давления для работы под водой на расстояниях удаления более 40 км под управлением с сухого места на верхней поверхности надводного объекта или на суше. Эта система характеризуется тем, что содержит по меньшей мере один подводный передающий электроэнергию протяженный кабель, проходящий от ближнего конца, расположенного в сухом месте на суше или на верхней поверхности надводного объекта, к дальнему концу, расположенному возле одной или более подводной нагрузки, такой как подводные насосы, подводные компрессоры или другие нагрузки, причем к ближнему концу присоединен по меньшей мере один источник электроэнергии, а указанный кабель имеет размеры для работы на частоте, отличной от рабочей частоты присоединенных подводных нагрузок, с тем чтобы контролировать емкостный эффект и электрические потери; и по меньшей мере один пассивный преобразователь электрической частоты, функционально включенный между дальним концом указанного кабеля и указанными подводными нагрузками, причем этот преобразователь расположен в емкости высокого давления и преобразует рабочую частоту указанного кабеля в частоту, подходящую для приведения в действие присоединенных подводных нагрузок.

Ни в одной более ранней подводной повышающей давление системе не принимался во внимание емкостный эффект. Более ранняя версия системы с подводным частотным регулятором скорости вращения может, следовательно, быть не пригодной для многих областей применения, поскольку изоляция проходящего на некоторое расстояние кабеля может быть повреждена высоким напряжением на дальнем конце, которое не поддается управлению и обусловлено емкостным эффектом.

Признак «пассивный преобразователь электрической частоты» означает, что этот преобразователь не должен и не может настраиваться на месте во время работы или в любое время в течение срока службы системы; этот преобразователь представляет собой пассивный рабочий узел, а именно пассивное повышающее частоту устройство или пассивное понижающее частоту устройство, в отличие от подводного частотного регулятора скорости вращения. Подводный частотный регулятор скорости вращения является очень сложным, крупным и дорогостоящим: он обычно имеет высоту 12 метров, диаметр 3 метра и массу приблизительно 200 тонн. Пассивный преобразователь электрической частоты, наоборот, гораздо меньше и проще: он обычно имеет длину приблизительно 6 метров, диаметр 2-3 метра и массу приблизительно 50 тонн. Надежность пассивного преобразователя электрической частоты оценивается в несколько раз выше, чем надежность подводного частотного регулятора скорости вращения. Это обусловлено тем, что подводный частотный регулятор скорости вращения очень сложен, и даже несмотря на то, что все его компоненты являются высококачественными, большое количество этих компонентов и их сложность снижают практическую надежность. Стоимость предлагаемой системы значительно ниже по сравнению со стоимостью систем уровня техники, имеющих подводные частотные регуляторы скорости вращения. Термин «другие нагрузки» включает в себя управляющие системы и другие нагрузки, не обязательно относящиеся к повышению давления.

Входная и выходная электрические частоты пассивного преобразователя электрической частоты являются разными. Их соотношение является постоянным, поскольку этот преобразователь является пассивным. Входная электрическая частота (т.е. рабочая частота подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля) находится в диапазоне 0-150 Гц, например, 2-60 Гц, 4-50 Гц или 5-40 Гц, в то время как выходная электрическая частота находится в диапазоне 0-350 Гц, например, 30-300 Гц, 50-250 Гц или 50-200 Гц. Подводный пассивный преобразователь электрической частоты может быть расположен в одном корпусе или нескольких корпусах (т.е. он может состоять из одного элемента или нескольких элементов); в любом случае, все его части должны выдерживать жесткие подводные условия и не выходить из строя. Используемые в настоящем изобретении подводный пассивный преобразователь электрической частоты и соответствующие системы превосходят по таким параметрам, как срок службы, стоимость и надежность, например, подводные твердотельные частотные регуляторы скорости вращения.

Рабочая частота подводного проходящего на некоторое расстояние передающего электроэнергию кабеля должна выбираться с учетом емкостного эффекта и электрических потерь. Изоляция является важным компонентом. Наиболее предпочтительны такие размеры проводников и изоляции и выбор рабочей частоты, что на дальнем конце этого кабеля емкостный эффект увеличивает напряжение ровно на величину падения напряжения (т.е. электрических потерь), в результате чего избыточное напряжение на дальнем конце предотвращено, а конструкция кабеля упрощена. Инструкции, представленные в настоящем документе, в сочетании с хорошей инженерно-технической практикой достаточны для надлежащей разработки этого кабеля, включая выбор рабочей частоты. Техническое решение должно выбираться индивидуально в каждом случае. Далее разрабатывается пассивный преобразователь электрической частоты для преобразования рабочей частоты подводного проходящего на некоторое расстояние передающего электроэнергию кабеля в рабочую частоту подводных нагрузок, т.е. подводных компрессоров или насосов, или, говоря еще точнее, электродвигателей подводных компрессоров или насосов.

Изобретением также предлагается пассивный преобразователь электрической частоты для функционального включения между дальним концом подводного передающего электроэнергию протяженного кабеля и подводными нагрузками для повышения давления, характеризующийся тем, что он расположен в емкости высокого давления и преобразует частоту указанного кабеля в частоту, подходящую для приведения в действие указанных подводных нагрузок. Пассивный преобразователь электрической частоты повышает частоту электрического тока (например, коэффициент 1,1-5,0) или понижает частоту электрического тока (например, коэффициент 0-0,9). Предпочтительно, пассивный преобразователь электрической частоты содержит электродвигатель и электрогенератор, имеющие общий вал, причем количество полюсов электрогенератора равно умноженному в некоторое количество раз количеству полюсов электродвигателя; и заключен в один корпус высокого давления, в котором имеется один компенсатор давления и по одному каналу для каждой фазы трехфазной входной линии и трехфазной выходной линии.

Альтернативно (в частности, для относительно малой мощности), может быть использован один общий канал для всех трех фаз входной линии и один общий канал для всех трех фаз выходной линии, или, более предпочтительно, один общий канал для фаз входного и выходного каналов. Альтернативно, пассивный преобразователь электрической частоты содержит одно из следующего: механическая передача, гидрогазодинамическая или гидравлическая передача, механогидрогазодинамическая передача, магнитная передача, статическое (твердотельное) повышающее частоту устройство или выпрямитель тока.

Изобретением также предлагается альтернативная подводная система повышения давления для работы под водой на расстояниях удаления более 40 км, характеризующаяся тем, что она содержит по меньшей мере один подводный передающий электроэнергию протяженный кабель, проходящий от ближнего конца, расположенного в сухом месте на суше или на верхней поверхности надводного объекта, к дальнему концу, расположенному возле одной или более подводной нагрузки, такой как подводные насосы, подводные компрессоры или другие нагрузки, причем к ближнему концу присоединен по меньшей мере один источник электроэнергии для подачи электроэнергии постоянной частоты, а указанный кабель имеет размеры для работы на этой частоте или на более низкой частоте, при работе на которой к ближнему концу кабеля подключено пассивное понижающее частоту устройство, с тем чтобы контролировать емкостный эффект и электрические потери; и по меньшей мере один активный преобразователь электрической частоты, функционально включенный между дальним концом указанного кабеля и указанными подводными нагрузками, причем этот преобразователь расположен в емкости высокого давления и преобразует рабочую частоту указанного кабеля в частоту, подходящую для приведения в действие присоединенных подводных нагрузок.

Эта альтернативная система предназначена для присоединения к источнику электроэнергии постоянной частоты, такому как источник электроэнергии с частотой 50 Гц, и в этом случае регулировки происходят на дальнем конце этого подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние кабеля, но, предпочтительно, управление этими регулировками осуществляется с поста управления, расположенного на верхней поверхности платформы или на суше, поэтому использован термин «активный преобразователь электрической частоты». Это является отличием от уровня техники, в котором предусматривается наличие устройств активного управления обоих концах указанного кабеля. Если указанная постоянная частота слишком высока для данного расстояния удаления, для размеров и типа проводников кабеля и для размеров и типа изоляции кабеля, то к ближнему концу этого кабеля присоединяется понижающее частоту устройство для понижения имеющейся частоты до рабочей частоты этого кабеля. Активный преобразователь электрической частоты предлагаемой альтернативной системы содержит по меньшей мере одно из следующих устройств: управляемая механическая передача, регулируемая гидрогазодинамическая или гидравлическая передача, регулируемая механогидрогазодинамическая передача, регулируемая магнитная передача, один общий подводный частотный регулятор скорости вращения для нескольких подводных нагрузок - причем это устройство функционально присоединено между дальним концом указанного подводного передающего электроэнергию проходящего на указанное расстояние удаления кабеля и подводными нагрузками для управления скоростью присоединенных нагрузок путем регулировки передаточного отношения.

Изобретением также предлагается способ управления работой подводной системы повышения давления согласно изобретению, характеризующийся тем, что в нем регулируют скорость присоединенных нагрузок только посредством регулировки рабочих параметров оборудования, присоединенного к ближнему концу, расположенному на верхней поверхности надводного объекта или на суше, подводного передающего электроэнергию протяженного кабеля. Все подводное оборудование представляет собой пассивные рабочие узлы, регулировки требуются и возможны лишь на сухой верхней поверхности платформы или на суше у ближнего конца указанного кабеля, в отличие от систем уровня техники.

В альтернативном способе согласно изобретению, который применяется с описанной выше альтернативной системой согласно изобретению, единственная активная регулировка выполняется на дальнем конце протяженного кабеля.

Изобретением также предлагается способ подводного повышения давления с использованием подводной системы согласно изобретению, для повышения давления путем приведения в действие подводных насосов и компрессоров на расстояниях удаления более 40 км и под управлением с сухого места на верхней поверхности надводного объекта или на суше, в котором обеспечивают по меньшей мере один передающий электроэнергию подводный протяженный кабель, проходящий от ближнего конца, расположенного в сухом месте на суше или на верхней поверхности надводного объекта, к дальнему концу, расположенному возле одной или более подводной нагрузки, такой как насосы или компрессоры, причем к ближнему концу присоединяют по меньшей мере один источник электроэнергии, а размер указанного кабеля выбирают из условия работы кабеля на частоте, отличной от рабочей частоты присоединенных подводных нагрузок, с тем чтобы контролировать емкостный эффект и электрические потери; преобразуют частоту указанного кабеля в по меньшей мере одном пассивном преобразователе электрической частоты, функционально включенном между дальним концом кабеля и подводными нагрузками, в частоту, подходящую для приведения в действие присоединенных нагрузок; и приводят в действие систему.

Кроме того, изобретением предлагается применение подводной системы согласно изобретению для приведения в действие подводных повышающих давление насосов или компрессоров на дальнем конце подводного передающего электроэнергию протяженного кабеля, проходящего на расстояние удаления, которое может превышать 40 км, причем повышение давления не требует подводных средств управления.

Наконец, изобретением предлагается применение пассивного преобразователя электрической частоты согласно изобретению, предназначенного для функционального включения между дальним концом подводного передающего электроэнергию протяженного кабеля и подводными нагрузками, для повышения давления.

Вариант осуществления изобретения с повышением частоты для обеспечения работы электродвигателей переменного тока

Вариант осуществления изобретения (четвертое техническое решение) показан на фигурах 4 и 5. Главным признаком этого варианта осуществления является наличие подводного устройства, повышающего частоту, расположенного под водой на дальнем конце подводного передающего электроэнергию проходящего на некоторое расстояние удаления кабеля и на малом расстоянии от электродвигателей, которые обеспечивают работу компрессоров и насосов. Под малым расстоянием в данном контексте подразумевается расстояние, достаточно малое для поддержания приемлемого активного сопротивления и, следовательно, приемлемых электрических потерь между электрогенератором (G) и электродвигателями; кроме того, под малым расстоянием в данном контексте подразумевается расстояние, достаточно малое для предотвращения проблем, вызванных емкостным эффектом и нестабильностью. Важно отметить, что эти подводные устройства, повышающие частоту, не осуществляют непосредственное управление частотой для регулировки рабочей скорости вращения электродвигателей, поскольку не содержат местную управляющую систему, которая регулирует скорость вращения в соответствии с потребностями. Изменение скорости вращения в соответствии с потребностями установившегося режима добычи, запуск и остановка, увеличение и уменьшение скорости вращения выполняются с помощью частотного регулятора (3) скорости вращения, который расположен на поверхности у ближнего конца указанного кабеля (на верхней поверхности платформы или на суше) на большом расстоянии от этих подводных устройств, повышающих частоту. Подводные устройства, повышающие частоту, представляют собой лишь пассивные рабочие узлы, задачей которых является лишь повышение с некоторым постоянным коэффициентом частоты передачи, определяемой частотным регулятором скорости вращения.

Повышение частоты легче всего получить путем использования подводного электродвигателя, вал которого присоединен к подводному электрогенератору, причем обе эти машины работают с одинаковой скоростью вращения, т.е. путем использования подводного ротационного устройства, повышающего частоту. Может быть использован любой тип соединения (упругая муфта, жесткая муфта, общий вал электродвигателя и электрогенератора, гидравлическая муфта, гидрогазодинамическая муфта), который обеспечивает одинаковую скорость вращения электродвигателя и электрогенератора. Электродвигатель, предпочтительно, имеет два полюса для поддержания как можно меньшей частоты передачи, в то время как количество полюсов электрогенератора выбрано в соответствии с необходимым повышением указанной частоты передачи; частота передачи должна быть достаточно мала для того, чтобы не возникали описанные выше проблемы, вызванные емкостным эффектом, нестабильностью и высоким сопротивлением, которое обусловлено скин-эффектом и вызывает неприемлемое падение напряжения; иными словами, частота передачи должна находиться в диапазоне, внутри которого не возникают проблемы.

Если электродвигатель подводного ротационного устройства, повышающего частоту, имеет 2 полюса, то 4 полюса в электрогенераторе обеспечивают коэффициент повышения частоты 2:1; 6 полюсов в электрогенераторе обеспечивают коэффициент повышения частоты 3:1; 8 полюсов в электрогенераторе обеспечивают коэффициент повышения частоты 4:1 и т.д. Это означает, что при использовании подводного ротационного устройства, повышающего частоту, с 2-полюсным электродвигателем и 4-полюсным электрогенератором, если частотный регулятор скорости вращения обеспечивает частоту 50 Гц, то повышенная частота составляет 100 Гц, что соответствует скорости вращения 2-полюсного электродвигателя (М1-М4) 6000 об/мин. При использовании подводного ротационного устройства с 2-полюсным электродвигателем и 8-полюсным электрогенератором повышенная частота составляет 200 Гц, а скорость вращения 2-полюсного электродвигателя (М1-М4) составляет 12000 об/мин. Эти примеры наглядно демонстрируют, что предлагаемое изобретение может, используя частоту передачи, не вызываю