Устройство для стабильной подводной передачи электропитания для приведения в действие высокоскоростных двигателей или иных подводных нагрузок

Устройство для стабильной подводной передачи электропитания для приведения в действие высокоскоростных двигателей или иных подводных нагрузок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оборудованию для подводной добычи нефти, в частности к оборудованию, расположенному далеко от сухих площадок верхнего строения платформы или далеко от берега. Конкретнее, изобретение относится к оборудованию для передачи электропитания к подводным нагрузкам, которые могут быть расположены далеко от надводных частей платформ или от берега и требуют передачи большой мощности. Упомянутые нагрузки - это, в типовом случае, двигатели насосов и компрессоров, которые требуют управления скоростью вращения посредством управления частотой электрического тока.

Настоящее изобретение решает проблемы, вызванные эффектом Ферранти и скин-эффектом, открывая тем самым возможность достижения под водой более дальних расстояний, чем были достижимы ранее.

Предпосылки создания изобретения и уровень техники

В последние десятилетия мировое потребление энергии увеличивалось экспоненциально, и конца росту этого спроса не видно. Раньше добыча ископаемого топлива происходила в основном на материковых месторождениях, но ограниченное количество нефти побудило приложить серьезные усилия к поиску и разработке морских месторождений нефти и газа. Сегодня уровень техники добычи на морских месторождениях характеризуется применением стационарных или плавучих обитаемых платформ и подсоединением подводных опорных плит и подводных скважин к этим платформам. В некоторых случаях добытый продукт транспортируется без использования платформ прямо в береговое приемное отделение. Для поддержания достаточно высоких объемов подачи продукта от подводных скважин-спутников к центральной платформе или прямо на берег может быть предусмотрено повышение давления путем использования многофазного насоса или путем сепарации с последующими перекачкой и сжатием. Насосы устанавливаются также на морском дне для прямой закачки морской воды в пласт с целью подъема давления и увеличения добычи нефти.

По сравнению с размещением на платформах у подводного размещения насосных и компрессорных станций имеется следующий ряд преимуществ:

- безопасность для персонала, которому не нужно работать и жить на платформе и который не нужно доставлять и увозить на вертолета;.

- нет опасности пожара и взрыва;

- нет опасности утечек из вертикальных труб от морского дна до платформы и от платформы до морского дна; защита от саботажа;

- экономия как капитальных, так и эксплуатационных затрат, т.е. снижение стоимости добычи нефти и газа;

- увеличение добычи, так как эффект всасывания компрессоров и насосов возникает ближе к устью скважин;

- оборудование работает в стабильных окружающих условиях, т.е. при почти постоянной низкой температуре, почти постоянной низкой скорости течения морской воды вокруг оборудования и в отсутствие волн, в то время как температура на платформах может меняться от, например, - 20°C до +30°C, а скорость ветра может достигать ураганной силы и сочетаться с чрезвычайно высокими волнами;

- холодная морская вода может быть использована для охлаждения двигателей и другого электрического и электронного оборудования и технологических текучих сред;

- нет видимого загрязнения;

- значительно меньший вес и соответственно меньше материалоемкость и энергоемкость изготовления подводной установки;

- меньший выброс двуокиси углерода, т.е. неэкологичного газа, при изготовлении оборудования вследствие меньшей его материалоемкости;

- меньший выброс двуокиси углерода в процессе эксплуатации вследствие устранения вертолетной транспортировки и эксплуатации платформы;

- меньший выброс двуокиси углерода в сравнении с платформой вследствие использования электрических двигателей для привода компрессоров и насосов и подачи электроэнергии с берега или с платформы;

- меньше потребление энергии и выброс неэкологичного газа на единицу веса добытых нефти и газа.

Недостаток подводных компрессоров на 2010 г. заключается в том, что ни один из них не был установлен и не эксплуатировался под водой, т.е. эта технология не испытана.

Однако это - лишь вопрос времени, и первая подводная компрессорная станция будет, вероятно, запущена в эксплуатацию в 2015 г. или раньше, так как мотивация для их внедрения высока.

Подводное повышение давления - это новая технология. А подводное повышение давления на значительном удалении под водой - это самая новая технология, использующая современное оборудование и сталкивающаяся с проблемами, которые еще нигде не встречались или не создавали препятствий.

Уровень техники определен в патентной публикации WO 2009/015670, предписывающей использование первого преобразователя на ближнем конце, на верхнем строении платформы или на береговом конце протяженного подводного кабеля и второго преобразователя на дальнем, подводном удаленном конце протяженного подводного кабеля. На обоих концах протяженного кабеля имеется привод с регулируемой скоростью (ПРС (VSD)). Подводные приводы с регулируемой скоростью (ПРС (VSD)) для электродвигателей называют также приводами с переменной частотой (VFD) или частотно-регулируемыми приводами (AFD), или частотными преобразователями, или просто преобразователями, и они представляют уровень техники. Ни в документе WO 2009/015670, ни в других публикациях не упоминается эффект Ферранти, а также не обсуждаются и не указываются какие-либо проблемы, связанные с подводными ПРС (VSD).

В настоящее время эксплуатируется лишь несколько подводных насосов, а подводные компрессоры не эксплуатируются. Однако подводные компрессорные станции разрабатываются, и ожидается, что первая из них должна быть установлена и введена в эксплуатацию в ближайшие годы. В настоящее время все подводные насосы и компрессоры приводятся в действие асинхронными двигателями. Удаление установленных насосов не превышает примерно 30 км от платформы или берега, и пока что достижимы глубины не более 1800 м. Известно, что в нефтяной отрасли выполняются серьезные исследования и проекты, имеющие целью установку компрессоров на удалении в диапазоне от 40 км до 150 км и на глубинах до 3000 м под уровнем моря и более.

Реально достижимая мощность двигателя составляет от приблизительно 200 кВт для малых насосов до 15 МВт для компрессоров, а в будущем могут предусматриваться даже и более мощные двигатели. Подводные двигатели, которые сегодня устанавливаются, запитываются через кабели переменного тока с места размещения источников питания, т.е. с платформы или берега, и в случае нескольких двигателей каждый двигатель имеет свой собственный кабель и частотный преобразователь (привод с регулируемой скоростью, ПРС (VSD)) на ближнем конце кабеля для управления скоростью каждого отдельного двигателя на дальнем конце кабеля, см. фиг. 1 и Таблицу 2.

В контексте данного патентного описания понятие «ближний конец» означает конец линии передачи электропитания около источника питания. В подводных применениях - это верхнее строение платформы или берег. Соответственно «дальний конец» - это другой конец линии передачи, вблизи нагрузок, в типовом случае - вблизи двигателя. «Дальний конец» не обязательно ограничен значением «высоковольтный конец» линии передачи. Значение этого термина может быть распространено на шины или концевые муфты пониженного напряжения, являющиеся частью станции на дальнем конце, например, распространено на общую подводную шину с низковольтной стороны подводного трансформатора.

Компрессоры и насосы часто эксплуатируются на максимальных скоростях в диапазоне от 4000 до 14000 об/мин и от 2000 до 5000 об/мин соответственно. Таким образом, электродвигатель привода должен иметь номинальную скорость порядка 2000-14000 об/мин, если использовать современные высокоскоростные двигатели без редуктора между двигателем и насосом или компрессором. Если взять для примера двухполюсный двигатель, такая механическая скорость соответствует диапазону электрических частот питания привода примерно от 30 до 230 Гц. Для двигателей с числом пар полюсов более двух допустима меньшая максимальная механическая скорость при тех же электрических частотах.

Фиг. 1 иллюстрирует единственное используемое на сегодняшний день решение для передачи электропитания к установленным насосам, в некоторых случаях - без трансформаторов между ПРС (VSD) и подводными двигателями; для ссылок обозначим его как «Первое решение». Это решение с одним кабелем передачи на двигатель имеет тот недостаток, что становится дорогим для большой протяженности, скажем, более 50 км, вследствие высокой стоимости кабеля.

Серьезным техническим препятствием для осуществления этого решения является тот факт, что при определенной подводной протяженности передача электропитания от источника питания на ближнем конце к удаленному двигателю на дальнем конце невозможна, так как передающая система становится электрически нестабильной и неработоспособной вследствие эффекта Ферранти, который будет описан ниже. Настоящее нововведение решает эту проблему нестабильности.

Фиг. 2 иллюстрирует решение, которое было предложено для передачи электропитания к нескольким нагрузкам на большом удалении - «Второе решение». Это решение с одним общим передающим кабелем и подводной системой распределения энергии, включающей один подводный ПРС (VSD) (привод с регулируемой скоростью) на двигатель, значительно снижает стоимость кабеля для передачи, а также снимает проблему электрической нестабильности, ограничивая частоту тока в передающем кабеле до, скажем, 50-10 Гц, и скин-эффект на таких частотах также приемлем. Частота затем повышается в ПРС (VSD) для обеспечения соответствующей скорости двигателя, соединенного с ПРС (VSD). Однако Второе решение также имеет недостатки. К ним относятся высокая стоимость ПРС (VSD), которые не доказали свою пригодность для подводного использования, и увеличение вероятности сбоев передачи электроэнергии и подводной системы распределения в силу чувствительности таких ПРС (VSD), поскольку они, в частности - их системы управления, состоят из большого числа электрических и электронных компонентов.

Далее будут описаны электрические проблемы, свойственные существующему Первому решению (фиг. 1) с одним двигателем на дальнем конце длинного кабеля и Третьему решению, проиллюстрированному на фиг. 3, с несколькими двигателями на дальнем конце общей длинной линии передачи и общим ПРС (VSD) на ближнем конце.

При большом расстоянии от источника питания до нагрузки, составляющем порядка 50 км и более, влияние подводного кабеля так сильно, что подобной системы для столь ограниченной нагрузки, как одиночный двигатель, еще не построено. Индуктивность и сопротивление линии создают большое падение напряжения от источника питания до нагрузки. Известно, что такое падение напряжения является самоусиливающимся и может привести к нулевому напряжению на дальнем конце. Чем больше величина протяженности, тем выше должно быть напряжение передачи для снижения падения напряжения вдоль линии передачи. Однако кабель обладает большой емкостью, и в длинном кабеле переменного тока проявится значительный, так называемый, эффект Ферранти. Эффект Ферранти - это известное явление, при котором емкостной зарядный ток линии или кабеля возрастает с увеличением длины линии и уровня напряжения. При удалении в 100 км зарядный ток в кабеле может быть выше, чем ток нагрузки, что делает затруднительным оправдание такой неэффективной передающей системы. Но более критическое следствие состоит в том, что напряжение внезапно возникшего холостого хода будет примерно на 50% выше, чем напряжение питания на ближнем конце. Такое высокое напряжение выведет из строя кабель, трансформатор и соединения на дальнем конце. При внезапном сбросе нагрузки напряжение на дальнем конце подскочит до этого высокого уровня. Кроме того, возникнет переходный пик величиной, например, 50%, что даст около 100% в сумме, см. Таблицу 1 ниже, где полужирным курсивом выделены значения, превышающие электрическую прочность изоляции для данного класса напряжения.

Сегодняшние системы с удалениями порядка 30 км не сталкиваются с этой проблемой, так как такое сочетание подводного удаления и электрической нагрузки еще допустимо.

Таблица 1. Повышение напряжения при отключениях нагрузки вследствие эффекта Ферранти в разных системах.

Некоторые соображения по поводу эффекта Ферранти и скин-эффекта.

Эффект Ферранти заключается в подъеме напряжения, происходящем на дальнем конце длинной линии передачи, в сравнении с напряжением на ближнем конце; такой подъем имеет место, когда линия под нагрузкой, но нагрузка очень мала или отсоединена. Причина эффекта - падение напряжения вдоль линии, когда индуктивность (вследствие зарядного тока) оказывается в фазе с напряжениями передающего конца. Поэтому ответственны за это явление как емкость, так и индуктивность. Эффект Ферранти будет тем более выражен, чем длиннее линия и чем выше приложенное напряжение. Относительное повышение напряжения пропорционально квадрату длины линии.

Вследствие высокой емкости эффект Ферранти намного сильнее выражен в подземных и подводных кабелях даже небольшой длины в сравнении с воздушными подвесными линиями передач.

Предложено выражение для расчета эффекта Ферранти в данной системе:

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 – частота;

C - емкость линии;

L - индуктивность линии;

I - длина линии;

I² - квадрат длины линии.

В литературе можно найти и другие формулы для расчета эффекта Ферранти, но в любом случае принимается, что эффект возрастает с частотой передачи, емкостью кабеля, длиной кабеля и напряжением.

Из вышеприведенного выражения можно заключить, что эффект Ферранти в длинной линии может быть компенсирован соответствующим понижением частоты. Это - основание для Второго решения с подводными ПРС (VSD). Частота передачи может, например, быть стандартной европейской частотой 50 Гц.

Другая выгода от низкой частоты передачи - сильное снижение скин-эффекта в передающем кабеле, т.е. лучшее использование площади поперечного сечения кабеля. На практике передача высокочастотного электрического сигнала, скажем, частотой 100 Гц или более на большие расстояния, скажем, на 100 км или более становится невозможной из-за скин-эффекта и соответствующего высокого сопротивления кабеля.

Влияние эффекта Ферранти и скин-эффекта должно, разумеется, рассчитываться в каждом конкретном случае, чтобы оценить, приемлемы они или нет для передачи на данной частоте. Существует спрос на поставку систем подводной передачи электроэнергии, которые выгодны с учетом вышеупомянутых проблем.

Чертежи

Настоящее изобретение иллюстрируется на чертежах, на которых

на фиг. 1-3 показаны варианты осуществления, известные из уровня техники, и

на фиг. 4-7 показаны варианты осуществления настоящего изобретения.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагается устройство для функционального соединения дальнего конца протяженного подводного кабеля и подводных нагрузок, таких как насосы, компрессоры и системы управления, отличающееся тем, что представляет собой вращающееся устройство шагового изменения частоты, конкретнее - вращающееся повышающее или понижающее устройство, и оно содержит:

двигатель и генератор, функционально соединенные так, что двигатель приводит в действие генератор,

по меньшей мере один сосуд, заполненный газом и/или жидкостью, в котором находится по меньшей мере одно из двигателя и генератора, и

протяженность кабеля является длинной, что означает - достаточно длинной, чтобы вызвать проблемы вследствие эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров, причем устройство через протяженный кабель получает на входе электропитание при достаточно низкой частоте, чтобы передача была стабильна, при этом устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей.

Устройство предпочтительно представляет собой пассивное устройство повышения частоты или понижения частоты, не включающее в себя средства активного подводного управления или регулирования на месте, и содержит: двигатель с вращающимся валом; генератор, установленный на валу двигателя или на другом валу, функционально соединенном с валом двигателя; сосуд высокого давления, в котором находятся двигатель, генератор и валы; газ и/или жидкость, наполняющие сосуд высокого давления; по меньшей мере один электрический пенетратор; и компенсатор давления, если сосуд наполнен жидкостью, чтобы уравнять давление с давлением окружающей морской воды. Понижение частоты может доходить до 0 Гц, повышение частоты может достигать рабочей частоты подключенных нагрузок.

Более предпочтительным является подводное вращающееся устройство повышения частоты, (ПВУПЧ (SRFSD)), содержащее электродвигатель, связанный с генератором для подводного размещения на дальнем конце протяженного подводного кабеля, соединенного по меньшей мере с одним источником питания на ближнем конце протяженного кабеля в сухом месте на берегу или верхнем строении платформы, при этом протяженность кабеля является длинной, что означает - достаточно длинной, чтобы вызвать проблемы вследствие эффекта Ферранти при частотах и уровнях мощности, подходящих для двигателей подводных насосов и компрессоров, причем устройство через протяженный кабель получает на входе электропитание при достаточно низкой частоте, чтобы передача была стабильна, причем устройство, функционально соединенное с подводным двигателем, выдает на выходе частоту электрического тока, силу тока и напряжение, подходящие для работы подключенных двигателей, при этом данное устройство установлено в сосуде или корпусе высокого давления, который наполнен жидкостью или газом.

Наиболее предпочтительно устройство содержит электрический двигатель и электрический генератор, имеющие общий вал, при этом число полюсов генератора кратно числу полюсов двигателя. Альтернативно, устройство содержит одну из передач: механическую передачу, гидродинамическую или гидравлическую передачу, механическую гидродинамическую передачу или магнитную передачу.

Раньше в системах подводного повышения давления не учитывали эффект Ферранти. Поэтому для многих применений прежняя модель системы с подводным ПРС (VSD) может оказаться бесполезна, так как изоляция протяженного кабеля может быть повреждена неуправляемым высоким напряжением на дальнем конце вследствие эффекта Ферранти. Признак «пассивное повышающее или понижающее частоту электрического тока (или шаговое) устройство» применительно к некоторым вариантам осуществления означает, что устройство не регулируется и не может регулироваться на месте в процессе работы или в любое время в течение срока службы системы, это устройство является пассивным ведомым узлом, а именно - пассивным устройством повышения частоты или пассивным устройством понижения частоты в отличие от подводных ПРС (VSD). Подводный ПРС (VSD) - это очень сложный, большой и дорогой узел, в типовом случае - примерно 12 м высотой, 3 м в диаметре и весом около 200 тонн. В отличие от него пассивное устройство намного меньше и проще: в типовом случае - примерно 6 м длиной, 2-3 м в диаметре и весом около 50 тонн. По оценкам надежность такого устройства в несколько раз выше, чем подводного ПРС (VSD). Причина этого в том, что подводный ПРС (VSD) очень сложен, и даже если все компоненты - высшего качества, большое число компонентов и сложность конструкции приводят на практике к снижению надежности. Стоимость устройства или системы согласно настоящему изобретению будет значительно снижена в сравнении с известными системами, содержащими подводный ПРС (VSD). Термин «другие нагрузки» включает питание для систем управления и другие нагрузки, не обязательно связанные с повышением давления.

Рабочая частота протяженного кабеля должна рассматриваться с учетом эффекта Ферранти и электрических потерь. Ключевым элементом является изоляция. Наиболее предпочтительно размеры проводников и изоляции и выбор рабочей частоты таковы, чтобы на дальнем конце кабеля максимально проявляющийся в процессе работы эффект Ферранти увеличивал напряжение как раз в меру электрических потерь, тогда предотвращается перенапряжение из-за эффекта Ферранти на дальнем конце и конструкция кабеля упрощается. Предполагается, что сведений, содержащихся в этом документе, в сочетании с инженерным опытом должно быть достаточно для надлежащего проектирования протяженного кабеля, включая выбор рабочей частоты: в каждом случае будет найдено свое решение. Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению выполнено с возможностью преобразования рабочей частоты протяженного кабеля в рабочую частоту подводных нагрузок, т.е. подводных компрессоров или насосов - или, конкретнее, двигателей подводных компрессоров или насосов.

Дальнейшие варианты осуществления и признаки раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки, раскрытые или проиллюстрированные в настоящем документе, могут быть включены в устройство согласно настоящему изобретению в любом функциональном сочетании, и каждое такое сочетание является вариантом осуществления настоящего изобретения. Таковыми являются сочетания, основанные на том, что здесь раскрыто или проиллюстрировано, или сочетания, которые будут очевидными для специалистов после внимательного изучения настоящего документа.

Входная и выходная электрические частоты устройства различны. Для пассивных устройств это различие определяется постоянным соотношением. Входная частота, т.е. рабочая частота протяженного кабеля, находится в диапазоне 0,1-150 Гц, например, 2-60 Гц, или 4-50 Гц, или 5-40 Гц, в то время как выходная частота находится в диапазоне 0,1-350 Гц, например 30-300 Гц, 50-250 Гц или 50-200 Гц. Выходная частота может также равняться 0, т.е. ток может быть постоянным при использовании генератора постоянного тока в двигатель-генераторном агрегате. Подводное устройство может размещаться в одном или нескольких корпусах, в виде одного или нескольких элементов, но все части устройства должны выдерживать без отказов жесткие условия подводной среды. Настоящее изобретение значительно повышает экономическую эффективность и надежность при длительной работе указанного устройства и связанных систем в сравнении с тем, что достижимо сегодня, например, при использовании подводных твердотельных приводов с регулируемой скоростью.

В изобретении также предлагается подводная система для повышения давления углеводородной текучей среды или другой текучей среды, содержащая:

подводный протяженный кабель, соединенный на ближнем конце с источником переменного тока, при этом протяженность подводного кабеля слишком длинная для стабильной работы при частоте и уровне мощности, подходящих для оборудования подводного повышения давления, и

подводные двигатели для насосов или компрессоров, функционально соединенные с дальним концом подводного протяженного кабеля,

отличающаяся тем, что данная система дополнительно содержит: вращающееся двигатель-генераторное устройство повышения частоты, расположенное между подводным протяженным кабелем и подводными насосами или компрессорами.

Предпочтительно данное устройство в системе не имеет средств для активного подводного управления или регулирования на месте и содержит:

генератор, расположенный на валу двигателя,

сосуд, в котором расположены двигатель, генератор и вал,

жидкость, наполняющую сосуд,

компенсатор давления, и

по меньшей мере один электрический пенетратор.

Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает применение устройства подводного вращающегося шагового преобразователя согласно изобретению для преобразования параметров электропитания подводного протяженного кабеля в параметры электропитания, подходящие для работы подключенного подводного оборудования; систему с по меньшей мере одним подводным шаговым устройством согласно настоящему изобретению, расположенным на дальнем конце подводного протяженного кабеля, и способ эксплуатации указанной системы посредством регулировочных настроек только узлов системы, расположенных на сухом верхнем строении платформы или на берегу, например, ПРС (VSD) на верхнем строении платформы. Любой из объектов изобретения: устройство, система, способ или применение согласно настоящему изобретению - может содержать любые раскрытые или проиллюстрированные в настоящем документе признаки или шаги в любом функциональном сочетании, причем каждое такое функциональное сочетание является вариантом осуществления настоящего изобретения.

Описание примера осуществления изобретения с повышением частоты для приведения в действие двигателей переменного тока

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения, представляющий Четвертое решение, показан на фиг. 4 и 5. Главный признак этого варианта осуществления - это введение подводного устройства повышения или понижения частоты; в проиллюстрированном варианте осуществления - устройства повышения частоты, УПЧ (FSD), расположенного под водой на дальнем конце передающего кабеля и на коротком расстоянии от двигателей, которые приводят в действие компрессоры и насосы. «Короткое расстояние» означает в данном контексте: достаточно близко для того, чтобы сохранять приемлемым падение напряжения на активном сопротивлении и тем самым потери энергии на участке от генератора/УПЧ (FSD) до двигателей, а также означает достаточно короткое для того, чтобы избежать проблем, вызванных эффектом Ферранти и нестабильностью. Важно отметить, что подводные УПЧ (FSD) непрямо управляют частотой для соответствия рабочей скорости двигателей, имея местную систему управления, регулирующую скорость соответственно потребностям. Изменение скорости соответственно потребностям установившегося производственного процесса, пуска и останова, а также линейное снижение и повышение скорости производится расположенным на ближнем конце надводным (на верхнем строении платформы или на берегу) ПРС (VSD) или другими средствами, удаленными от подводных УПЧ (FSD). УПЧ (FSD), являясь просто ведомыми узлами ПРС (VSD), предназначены только для повышения частоты передачи, заданной ПРС (VSD), с некоторым коэффициентом умножения.

Такое повышение легче всего получается, когда вал подводного электродвигателя соединен с подводным электрическим генератором, и обе машины работают с одной и той же скоростью, т.е. с помощью подводного вращающегося УПЧ, (ВУПЧ (RFSD)). Может быть использован любой тип соединения (например, шарнирное, жесткое, общим валом двигателя и генератора, гидравлическое, гидродинамической муфтой), обеспечивающего одну и ту же скорость двигателя и генератора. Двигатель предпочтительно должен иметь 2 полюса для того, чтобы поддерживать частоту передачи как можно более низкой, в то время как число полюсов генератора выбирается соответственно потребности повышения частоты от частоты передачи; последняя достаточно низка, чтобы не создавать вышеуказанных проблем, вызванных эффектом Ферранти, нестабильностью и высоким сопротивлением из-за скин-эффекта - с соответствующим неприемлемым падением напряжения, т.е. лежит в пределах «беспроблемного частотного диапазона».

При 2-полюсном двигателе и 4-полюсном генераторе коэффициент повышения будет 2:1, 6-полюсный генератор даст коэффициент 3:1, 8-полюсный генератор - 4:1 и т.д. в зависимости от числа полюсов генератора. Это означает, что если частота, выдаваемая надводным ПРС (VSD), составляет порядка 50 Гц, то подводная частота, выдаваемая подводным ВУПЧ (RFSD), будет порядка 100 Гц, соответственно скорости вращения 2-полюсного двигателя от 6000 об/мин. Если использовать 8-полюсный генератор, соответствующая повышенная частота будет порядка 200 Гц, а скорость 2-полюсного двигателя - 12000 об/мин. Эти примеры ясно показывают, что изобретение может обеспечить подачу любой требуемой частоты для реальных значений скоростей двигателей при правильном сочетании чисел полюсов двигателя и генератора подводных ВУПЧ (RFSD), причем на беспроблемной частоте передачи.

В общем случае коэффициент повышения может быть выражен так:

fs-u=n×ft, где

ft - частота передачи, Гц,

fs-u - повышенная частота = входная частота для двигателей, Гц,

n - множитель 2, 3, 4 и т.д. в зависимости от числа полюсов генератора в сравнении с двигателем.

Беспроблемный частотный диапазон должен рассчитываться в каждом конкретном случае. Для расстояний протяжением до, скажем, 150 км частота передачи до, скажем, 75 Гц может быть в пределах беспроблемного частотного диапазона, и она даст скорость 2-полюсного компрессорного двигателя, равную 2×75×60=9000 об/мин, если коэффициент повышения 2:1 (2-полюсный двигатель и 4-полюсный генератор). Если будет определено, что частота 75 Гц слишком высока для беспроблемной работы, то может быть применен коэффициент повышения 3:1 (2-полюсный двигатель и 6-полюсный генератор), который в данном примере снизит максимальную частоту передачи до 50 Гц. Частота передачи не остается постоянной в течение всего времени разработки нефтяного или газового месторождения, она должна повышаться со временем по мере падения давления в устьях скважин. В определенном случае частота передачи на ближнем конце может быть 33.3 Гц в начале и 50 Гц в конце разработки, что соответствует скоростям 2-полюсного компрессорного двигателя на дальнем конце в диапазоне от 6000 до 9000 об/мин.

При правильном выборе коэффициента повышения посредством выбора числа полюсов двигателя и генератора, вероятно, будет возможно беспроблемно подавать переменный ток на подводные двигатели на расстояние от ближнего конца до дальнего конца (протяженность) в 300 км и более.

Использование 2-полюсного двигателя предпочтительно для того, чтобы поддерживать частоту передачи как можно более низкой. Если требуется учесть другие параметры, например крутящий момент и мощность, должно быть предпочтительным использование двигателя с увеличенным числом полюсов; и в этом случае возможно получить желаемое повышение соответственным выбором числа полюсов генератора, так, например, 4-полюсный двигатель и 12-полюсный генератор дают коэффициент повышения 3:1.

Преимущество использования низкой частоты и 4-полюсного двигателя состоит в том, что скорость двигателя и генератора будет низкой, и такими же будут соответствующие потери на трение в двигателе. Это открывает возможность использования маслонаполненного двигателя и генератора, расположенных в общем прочном корпусе.

Если, например, частота передачи составляет 25 Гц и использован 4-полюсный двигатель, то скорость вращения будет только 750 об/мин, что обеспечит низкие потери на трение. Чтобы достичь частоты 150 Гц, генератор должен быть 24-полюсным. При изменении частоты передачи от 18 до 28 Гц выходная частота генератора будет меняться в диапазоне от 108 до 168 Гц и даст скорость двигателя (2-полюсного) от 6480 до 10080 об/мин, что может быть приемлемо для компрессорного двигателя.

Поэтому при выборе диапазона изменения частоты передачи и соответственно необходимого коэффициента повышения следует предусматривать достаточно низкую частоту, чтобы, ослабляя эффект Ферранти и скин-эффект, обеспечить стабильную для данного удаления передачу, в сочетании с соответствующим числом полюсов и крутящим моментом двигателя и генератора. Кроме того, если предпочтение отдается маслонаполненным двигателю и генератору, скорость должна быть ограничена некоторым пределом для того, чтобы избежать слишком высоких потерь на трение; в типовом случае может быть предпочтительна скорость от 750 до 1500 об/мин, т.е. передача 25 Гц, чтобы получить 750 Гц при 4-полюсном двигателе и 1500 об/мин при 2-полюсном двигателе.

Ниже в качестве примера приведена таблица, в которой указана результирующая скорость подводного компрессорного привода (двигателя) с 2 полюсами при использовании двигатель-генераторного агрегата с 4-полюсным двигателем и 12-полюсным генератором:

Таблица показывает, что частоты передачи в диапазоне до 50 Гц составляют наиболее актуальный скоростной диапазон для компрессоров.

Аналогичная таблица приведена ниже для компрессорного привода с 2 полюсами, 6-полюсного двигателя для двигатель-генераторного агрегата и 24-полюсного генератора:

В этом случае достаточно частот передачи до 40 Гц.

Приведенные выше таблицы ясно показывают, что частота передачи может сохраняться низкой для того, чтобы избежать проблем, вызванных эффектом Ферранти и скин-эффектом.

Выбор компрессорного узла - это также фактор, расширяющий возможности выбора 10 частоты передачи и коэффициента повышения частоты, т.е. этот узел может быть в разумных пределах выбран для соответствия f_s-u, определяемой оптимальной передающей системой.

В принципе, подводное ВУПЧ (RFSD) - очень простое устройство, и системы управления для него не требуется, так как повышенная частота будет получаться автоматически и определяться соотношением числа полюсов генератора и числа полюсов двигателя ВУПЧ (RFSD).

Другое преимущество подводного вращающегося устройства повышения частоты состоит в том, что выходные ток и напряжение будут иметь практически идеально синусоидальную форму колебания, которая выгодна для двигателей, т.к. не требуется сглаживающего электрического фильтра для ее получения.

Кроме того, подводное ВУПЧ (ПВУПЧ (SRFSD)) повышает индуктивность передающей системы, которая из-за кабеля обладает избыточной емкостью, и поэтому ПВУПЧ (SRFSD) снижает потребность в фазовой компенсации на ближнем конце.

В ПВУПЧ (SRFSD) будут некоторые потери энергии, скажем, 5%, но в подводном ПРС (VSD) также будут потери, правда, возможно, меньшие.

Разумеется, должно быть выбрано такое ПВУПЧ (SRFSD), у которого выходная мощность генератора на данной частоте соответствует потребности подключенного двигателя (двигателей). Если, например, 2-полюсный компрессорный двигатель выдает 10 МВт при 10000 об/мин, то выходная мощность генератора должна быть соответствующей, плюс немного сверх того для покрытия потерь на частоте 167 Гц. Двигатель ПВУПЧ (SRFSD) должен соответственно выдавать мощность на валу 10 МВт, плюс немного сверх того для покрытия потерь.

Другим средством, кроме разного числа полюсов двигателя и генератора в двигатель-генераторном агрегате, может быть включение между двигателем и генератором постоянной повышающей передачи, например 3:1. Если частота передачи, например, составляет 50 Гц, а 4-полюсный двигатель имеет скорость 1500 об/мин, то скорость генератора будет 4500 об/мин с выходной частотой 150 Гц, что обеспечит 2-полюсному компрессорному приводу скорость 9000 об/мин. Сочетание постоянной повышающей передачи и числа полюсов генератора может также быть использовано для снижения числа полюсов, если это предпочтительно. Если, например, повышающая передача с передаточным числом 2:1 введена между 4-полюсным двигателем и 8-полюсным генератором, то скорость двигателя при 50 Гц составит 1500 об/мин, скорость генератора составит 3000 об/мин, его выходная частота - 200 Гц и скорость привода - 112000 об/мин. Имея ПРС (VSD) на ближнем конце, скорость привода можно регулировать на соответствующие значения подстройкой частоты передачи в диапазоне до 50 Гц.

В некоторых случаях можно сохранять постоянную частоту передачи и тем самым постоянную выходную частоту генератора, а следовательно, постоянную скорость подключенного двигателя, например двигателя компрессора, многофазного или однофазного двигателя насоса. Если двигатель приводит в действие компрессор, то скорость компрессора может сохраняться постоянной, например 9000 об/мин, а соответствующие производительность и коэффициент давления компрессора, которые будут меняться со временем, могут регулиров