УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ УПРАВЛЯЕМОГО СРЕДСТВА УСТАНОВКИ
DEVICE TO OPERATE CONTROLLED INSTALLATION FACILITY

Настоящее изобретение относится к устройству для эксплуатации управляемого средства установки, которое раскрывается в преамбуле п.1 прилагаемой формулы изобретения.
В этой заявке установку следует понимать в целом либо как подводную установку либо как наземную установку. Такие установки могут быть электромеханического, электрического или электронного или электрооптического типа.
Одно такое известное устройство, в частности, описывается в Патенте Норвегии 312376, где для управления клапанами в подводной установке используется двигатель, который получает мощность возбуждения от внешнего источника питания или локально от батареи. Другим решением является возможность запасания энергии под водой в исполнительном механизме или близко к нему. Клапаны этого вида эксплуатируются с нечастыми интервалами и это обеспечивает возможность зарядки такого источника энергии в течение долгого времени с помощью слабого тока. Раскрывается, что батарея и подключенный к ней блок управления могут быть частью модуля, который съемно подключается к соответствующему двигателю, посредством этого позволяя доставлять модуль на поверхность для обслуживания. В качестве альтернативы двигатель также может включаться в такой модуль, который легко может подниматься на поверхность.
В качестве примеров другой известной технологии может быть сделана отсылка на Патент США 5497672 и Заявку на патент Норвегии 1994260, а также на статью "Subsea electric valve actuation" под авторством Sigbjørn Sangesland и др., Underwater Technology Conference, Bergen, 14-16 марта 1994. В последнем упомянутом документе описываются различные методики в связи с управлением и эксплуатацией подводных клапанов. Предлагается, в частности, разрешить использовать электрический двигатель подключенным к батарее, которая может преодолевать всплески в энергетических потребностях или использоваться для закрытия клапана в чрезвычайной ситуации. Обычное энергоснабжение происходит от поверхности к установке, причем батарея рассматривается только в качестве экстренного или резервного снабжения.
В иных обстоятельствах известно, что в работе электронного или электрического оборудования, такого как двигатели, часто используются заряжаемые батареи в качестве резервного источника энергии в случае, например, когда штатное энергоснабжение выйдет из строя, в особенности в местоположениях, расположенных в местах, до которых трудно добраться, например в подводных установках, на вершинах гор, в областях без постоянного транспортного сообщения, в пустынных областях, которые не без труда доступны с помощью вертолета, в подземных областях или т.п. или в местах, которые требуют времени и соответственно значительных затрат, чтобы до них добраться.
В связи с работой установок в подводных условиях или наземных, непроходимых областях важно, чтобы замена и обслуживание оборудования с электронным или электрическим приводом, которое эксплуатирует такие установки, были сведены к минимуму, в частности, из-за того, что это оборудование тяжело или трудно достать.
Поэтому одной из общих целей изобретения было предоставление улучшенного технического решения для энергоснабжения такого оборудования, которое должно работать в труднодоступных установках, где внимание главным образом направлено на длительное время работы без обслуживания, способность к большому количеству разрядов и зарядок без значительного снижения производительности или выходной мощности, высокая эксплуатационная надёжность и низкая чувствительность к температуре в отношении производительности или выходной мощности.
В применениях, где дорого или трудно выполнять обслуживание или замену, например батарей, цена модуля не является важной. Даже если масса модуля должна в некоторых случаях рассматриваться как недостаток, в целом аспект массы не важен. Вопреки условию очень трудной доступности и очень дорогим процессам в связи с заменой срок службы и надежность являются факторами, которые будут иметь существенно большую важность, чем цена и малый физический размер.
Поэтому настоящее изобретение относится к предоставлению устройства, которое обладает хорошими свойствами энергоснабжения с возможностями мониторинга и быстрой и неоднократной зарядки без значительного снижения выходной мощности или производительности.
Важным возражением в использовании традиционных заряжаемых батарей является то, что эффективная ёмкость батареи находится под влиянием, в частности, низкой температуры окружающей среды, количества зарядок и разрядов, которым подвергается батарея, и что значительные требования возлагаются на оборудование для эффективной зарядки батареи. Вследствие дорогих специальных кабелей и разъемов передачи энергии значительную экономию можно получить с помощью уменьшения поперечного сечения кабеля до минимального, когда требуется энергоснабжение на значительном расстоянии, то есть как можно меньшей величины тока, так как это дает более тонкие и соответственно менее дорогие кабели. Традиционным решением является использование относительно высокого напряжения, но это обладает другими недостатками, например большим риском короткого замыкания, необходимостью больших трансформаторов и доступом к соответствующему напряжению.
К тому же традиционные батареи известны как имеющие ограниченный срок службы и что, например, измеренное напряжение не обязательно является выражением оставшегося запаса энергии батареи. Традиционные заряжаемые батареи, какими они известны в момент, когда публиковались упомянутые документы, соответственно имели недостатки в особенности в отношении времени работы и надежности, и операции по сбору батарей для замены или восстановления традиционно были трудоемкими и непропорционально дорогими.
В связи с работой установок на морском дне важно, чтобы замена и обслуживание оборудования с электрическим приводом, которое эксплуатируется такие установки, были ограничены до минимума, в частности, из-за того, что оборудование тяжело достать, часто долгого выхода в море и больших океанских глубин. Естественно, то же самое применяется также к замене и обслуживанию оборудования, которое располагается в наземных местоположениях, которые таковы, что доступ является затруднительным и поэтому дорогим.
Согласно первой особенности настоящего изобретения, устройство в особенности относится к энергоснабжению исполнительных механизмов, например двигателей, в подводных условиях, например работа или аварийная работа управляемых клапанов в фонтанных арматурах или клапанов в связи с подводными трубопроводами. Однако устройство также полезно для энергоснабжения других типов подводного оборудования, которое не применяет исполнительных механизмов. Таким оборудованием может быть, например, измерительное оборудование на морском дне, например сейсмическая аппаратура или контрольная аппаратура, которая периодически или непрерывно отслеживает рабочий уровень шума в подводной установке.
Поэтому одной из общих целей изобретения было предоставление улучшенного технического решения для энергоснабжения такого оборудования, которое должно работать в подводных установках, где внимание главным образом направлено на длительное время работы без обслуживания, способность к большому количеству разрядов и зарядок без значительного снижения производительности или выходной мощности, высокая эксплуатационная надёжность, простые возможности мониторинга и низкая чувствительность к температуре в отношении выходной мощности или производительности.
Согласно второй особенности настоящего изобретения, устройство главным образом имеет отношение к обеспечению энергоснабжения для исполнительных механизмов, например двигателей, в труднодоступных наземных расположениях, как например работа или аварийная работа управляемых устройств. Такие устройства могут быть, например, клапанами на водопроводах, нефтепроводах или газопроводах, расположенных в наземных пустынных областях, требующими регулировки антеннами, или вообще для возможного контролируемого останова и защиты оборудования, когда имеется опасность аварии из-за рабочих отказов или погодных условий.
Однако устройство также полезно для энергоснабжения других типов оборудования, которое не применяет исполнительных механизмов. Таким оборудованием могло бы быть, например, измерительное оборудование или сигнальное оборудование на вершинах гор, оборудование предупреждения или оборудование, которое периодически или непрерывно отслеживает рабочий уровень шума в трубопроводе либо на морском дне либо снаружи в удаленно расположенной установке. Такое оборудование не обязательно является настолько энергоемким.
С помощью настоящего изобретения обнаружено, что так называемые высокоэнергетические батареи конденсаторов могут хорошо подходить для энергоснабжения того вида, который требуется оборудованию для работы в подводных установках и наземных установках.
В последние годы разработано несколько типов таких батарей конденсаторов, которые обладают некоторым количеством преимуществ над заряжаемыми батареями, такими как меньший вес, больший срок службы, возможность более надёжного и точного мониторинга состояния заряда, более простая конструкция, более легкая зарядка (нет необходимости в начале и остановке процесса зарядки), более высокая надежность, значительно большее количество возможных и зарядок и разрядов, чем у обычной заряжаемой батареи, и более простая электроника (менее чувствительная к неисправностям/рабочим поломкам) для контроля системы, в которую включается такая батарея конденсаторов в качестве источника питания.
Традиционно конденсаторы не оценены в качестве технологически конкурентных в сравнении с традиционными батареями. Величина энергии на единицу веса и единицу объема была намного меньшей. Несмотря на это конденсаторы получили намного лучшие свойства, чем батареи в отношении частой зарядки и разряда, управления ими и срока службы конденсатора. По этим причинам конденсаторы, однако, сыграли другую роль в областях применения приложение и были применены в основном в выпрямителях и схемах управления. Такие стандартные электролитические конденсаторы имеют нормальный срок службы в диапазоне 40000-60000 часов.
(www.maxwell.com)
В конце 90-х началось исследование по разработке нового типа конденсатора, которое, в свою очередь, сосредоточило внимание на использовании конденсаторов для накопления энергии. Конденсаторам этого типа было дано название "суперконденсатор". Эта технология была доступной для приобретения на рынке примерно в 2002 году и использовалась в первых пробных установках для снабжения энергией вилочных автопогрузчиков, небольших транспортных средств и некоторых более крупных транспортных средств, включая специальные автобусы. Соответственно энергоснабжение было ограничено оборудованием, которое работало в легко управляемых условиях и при нормальном давлении, то есть при давлении в 1 атмосферу. По приблизительной оценке суперконденсаторы этого вида обладают почти в 10 раз большей плотностью накопления энергии, чем традиционные электролитические конденсаторы. Типичными производителями таких батарей конденсаторов являются EPCOS и MAXWELL .
Полагают, что дальнейшая разработка высокоемких батарей конденсаторов этого типа сможет предоставить модули с даже большей энергоёмкостью, чем возможна с сегодняшней технологией.
К сожалению, эти новые батареи конденсаторов все еще не конкурентоспособны в промышленных или коммерческих изделиях, в частности, из-за их высокой цены и их все еще больших размеров для больших энергетических потребностей, и соответственно большей опасности, если использовать их неправильно, например опасность взрыва и большие токи короткого замыкания. Это, возможно, имеет некоторую связь с тем фактом, что рассматриваемые изделия, как правило, являются наземными транспортными средствами, как например специально оборудованными автобусами. В связи с изделиями этого типа важно, чтобы участок энергоснабжения был легко доступным. Традиционно когда используется энергоснабжение в виде заряжаемых батарей, например для наземных транспортных средств, очевидно, что замена батареи должна выполняться очень просто. Обычно заряжаемая батарея обладает постепенно худшей производительностью со временем, и, как правило, замена выполняется в обычном порядке после некоторого количества рабочих часов. В качестве альтернативы обращают внимание на другие параметры, например содержание кислоты, ток зарядки и риск короткого замыкания. В любом случае замена происходит задолго до того как возникнет критическая ситуация.
В подводных применениях цена модуля едва ли будет важной, и даже если масса модуля по отношению к энергоёмкости могла бы рассматриваться в качестве недостатка, то масса модуля, как правило, будет компенсирована техническими преимуществами этого типа источника питания. Вопреки условию очень трудной доступности и очень дорогим процессам в связи с заменой срок службы и надежность являются факторами, которые имеют большую важность, чем цена и малый физический размер.
Такое решение, включающее использование высокоемких батарей конденсаторов для энергоснабжения неизбежно повлечет за собой использование соответствующей электроники для управления зарядкой и разрядом и для мониторинга запаса энергии в высокоемкой батарее конденсаторов. Такая электроника будет значительно проще и надёжнее, чем электронная система, которая должна обеспечивать зарядку, разряд и мониторинг традиционной заряжаемой батареи, в особенности когда целью является выполнение тех же конечных действий.
При использовании энергоснабжения оборудования на значительных океанических глубинах, где имеется высокое внешнее давление, существует риск сплющивания батареи конденсаторов из-за высокого внешнего давления. Поэтому в некоторых вариантах осуществления батарей конденсаторов может быть полезным поместить их в герметичный контейнер, который имеет внутреннее нормальное давление, в идеале давление в 1 атм или близко к нему, чтобы предотвратить сплющивание батареи конденсаторов или неблагоприятное воздействие высокого внешнего давления до такой степени, что ее свойства или производительность значительно изменяются.
Если батареи конденсаторов должны использоваться на значительных высотах с риском вздутия и соответственно структурного изменения, может быть аналогичным образом обоснованным использовать батареи конденсаторов, которые помещены непосредственно в герметичные условия с номинальным давлением, так как колебания давления или большое отклонение от номинального давления могут обладать неблагополучным влиянием на рабочие параметры. Номинальное давление здесь представляется равным, например, примерно 1 атм.
Такие локальные модули энергообеспечения в виде высокоемких батарей конденсаторов будут подходящими для использования в приложениях безопасности или так называемых резервных системах, так как в некоторых случаях они допускают замену, например, традиционно используемых решений с блоками батарей в подводных установках или наземных установках, которые во многих случаях могут быть невыгодно большими и тяжелыми. Такие батареи конденсаторов также обладают стабильными рабочими характеристиками в диапазоне температур от -40°C до +65°C.
Отличительные признаки патентоспособного устройства и использование высокоемкой батареи конденсаторов излагаются в прилагаемой формуле изобретения и в описании, которое сейчас последует со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематическая иллюстрация батареи конденсаторов обычной емкости с взаимодействующей электроникой согласно изобретению.
Фиг.2 показывает небольшую модификацию устройства, проиллюстрированного на фиг.1.
Фиг.3 показывает дополнительную модификацию устройства, проиллюстрированного на фиг.1 и 2.
Фиг.4 показывает разновидность варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.3.
Фиг.5 показывает разновидность варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.4.
Фиг.6 в качестве примера показывает обычное использование устройства в подводных условиях.
Фиг.7 в качестве примера показывает обычное использование устройства в наземных условиях.
Фиг.8 и 9 в качестве примера показывают управление мощности оборудования, которое применяет устройство.
Фиг.1-5 показывают высокоемкую батарею(и) 1 конденсаторов, которая/которые подключена к электронному блоку 2 управления, предназначенному для мониторинга батареи конденсаторов и управления ее зарядкой, а также блок 3 управления, который управляет энергообеспечением исполнительного механизма 5, например, двигателя с приводом 5'. Кроме того, энергообеспечение может предоставляться другому оборудованию 5'', кроме исполнительного механизма. Разъем 4, например, индуктивного типа или другого подходящего типа, и предпочтительно воздухонепроницаемый и герметичный может обеспечивать соединение с внешним источником питания, который используется для зарядки батареи 1 конденсаторов через пенетратор 4' и блок 2 управления. Для предотвращения повреждения батареи конденсаторов, например как следствие сжатия или сплющивания из-за внешнего высокого давления на морском дне или вздутия/растрескивание из-за низкого давления на значительных высотах на поверхности и соответственно возможного изменения в номинальной выходной мощности батареи конденсаторов, она может быть заключена в герметичный запаянный контейнер 6. Контейнер предпочтительно имеет внутреннее давление, которое существенно меньше давления окружающей среды при использовании в подводной установке, или существенно большее давление, чем давление окружающей среды в наземных установках на больших высотах. Преимущественно внутреннее давление может быть 1 атм.
В дальнейшем "герметичный корпус" или "контейнер" используется для обозначения корпуса или контейнера, чье внутреннее давление равно или близко к номинальному давлению, например равно или близко к 1 атм. Выражение "запаянный корпус, который подключен к компенсатору давления", или термин "корпус с компенсированным давлением" нужно понимать как означающее что корпус имеет внутреннее давление, которое приблизительно равно давлению, которое окружает корпус.
На фиг.1 и 2 показано, что батарея 1 конденсаторов с окружающим герметичным контейнером 6 вместе с блоками 2, 3 управления монтируется внутри запаянного корпуса 6', который оборудуется компенсатором 6'' давления. В этом случае энергоснабжение исполнительного механизма 5 с необязательным приводом 5' и/или другим оборудованием 5'' выходит из корпуса 6' через пенетраторы 7, 7'. Как показано на фиг.2, исполнительный механизм 5 с приводом 5' может, при желании, располагаться в запаянном корпусе 8, который может снабжаться компенсатором 8' давления, чтобы внутреннее давление в корпусе 8 было равно внешнему давлению. Для необязательного дополнительного оборудования 5'', при желании, может предоставляться корпус 9 с компенсатором 9' давления или в корпусе может предварительно обеспечиваться внутреннее давление, равное примерно 1 атм, то есть компенсатор 9' давления не включается.
На фиг.3 показано, что батарея конденсаторов монтируется внутри герметичного корпуса 6, чье внутреннее давление близко или равно номинальному давлению, то есть 1 атм. Такой корпус непременно будет иметь толстые стенки, чтобы иметь возможность противостоять высоким давлениям на значительных океанических глубинах или низким давлениям на больших высотах. На этой фиг. блоки 2, 3 управления показаны в другом корпусе 10 вместе с исполнительным механизмом 5 и необязательным приводом 5'. У корпуса 10 есть компенсатор 10' давления, который гарантирует, что давление внутри корпуса 10 то же, что и внешнее давление. Энергоснабжение предоставляется через соединение 4 и ассоциированный пенетратор 4'. Энергоснабжение и управление между блоком 2 и батареей 1 конденсаторов происходит через соединения 11, 11' и 12 и через ассоциированные пенетраторы 11'', 11''' и 12', 12''.
Вариант осуществления, показанный на фиг.4, отличается от показанного на фиг.3 в том, что блок 2 управления размещается в том же герметичном корпусе 6, который окружает батарею 1 конденсаторов. Когда используется это решение, то есть с внутренним давлением в корпусе, близким к нормальном давлению примерно в 1 атм, отсутствуют специальные требования к устойчивым к давлению компонентам в блоке 1 управления. Блок 3 управления, который снабжает исполнительный механизм 5 энергией, а также оборудование 5'' целесообразно размещаются в корпусе 13, у которого есть ассоциированный компенсатор 13' давления. Энергоснабжение от блока 2 к блоку 3 происходит через передачу 14 с ассоциированными пенетраторами 14', 14''. Приводной вал 5''' от исполнительного механизма 5 выходит из корпуса через герметичную втулку 15. Аналогичным образом оборудование 5'' будет получать энергоснабжение от блока 3 через кабель 16 и ассоциированный пенетратор 16'. Оборудование 5'' может, при желании, быть с компенсированным давлением, как показано на фиг.2, или размещаться в корпусе, чье внутреннее давление находится в номинальном давлении около 1 атм.
Показанное на фиг.4 решение в особенности подходит для случаев, когда желательно иметь, например, исполнительный механизм 5 с ассоциированным блоком 3 управления в том же блоке или корпусе 13, что может означать, что узел энергоснабжения, состоящий из батареи 1 конденсаторов, блока 2 управления и внешнего источника 4 питания, может, при желании, иметь несколько выводов для снабжения энергией нескольких исполнительных механизмов, обеспеченных блоком управления. В этом случае, как и в показанных на фиг.1-3 случаях, использованные в блоке 3 управления компоненты должны быть устойчивыми к давлению в той же степени, в какой должны бы быть компоненты в блоке 2 управления для решения, показанного на фиг.1-3.
Фиг.5 показывает, что и батарея 1 конденсаторов и два блока 2, 3 управления находятся в том же герметичном контейнере или корпусе 6 с нагнетенным давлением почти до номинального в 1 атм. Это означает, что использованные в блоках 2, 3 управления компоненты в этом случае не должны быть устойчивыми к давлению. Здесь электрическая энергия подается к оборудованию 5'' через кабель 17 с ассоциированным пенетратором 17'. Кроме того, исполнительный механизм 5 снабжается энергией через кабель 18 и ассоциированные пенетраторы 18', 18'' внутри запаянного корпуса 19, который окружает исполнительный механизм 5 с необязательным ассоциированным приводом 5', и где имеется компенсатор 19' давления. Вал 5''' исполнительного механизма выходит из корпуса 19 через герметичную втулку 20.
Заряжаемый источник 1 питания должен в начале предпочтительно иметь внутреннее давление, которое равно или близко к номинальному давлению приблизительно в 1 атм, чтобы достичь оптимальной работы.
Также понятно, что батарея 1 конденсаторов может состоять из соединения множества меньших батарей конденсаторов с помощью сложения значений ёмкостных сопротивлений.
Фиг.6 показывает как устройство может предположительно использоваться в связи с подводной установкой, где в связи, например, с трубопроводом 21 размещается управляемый клапан 22 со стержнем 22' клапана. Стержень клапана может быть сквозным, чтобы гидропривод 23 мог приводить в действие клапан при нормальных условиях, и что двигатель 5 посредством его привода 5' выполняется с возможностью приведения в действие клапана, только если гидропривод выходит из строя. Гидропривод может в условии отсутствия энергии обеспечивать энергоснабжение для зарядки батареи конденсаторов, используя внутренний генератор тока, или в котором фал 24 с поверхности 25 моря к исполнительному механизму 23 содержит низкоуровневый источник питания для этой цели. В качестве альтернативы или дополнения батарея конденсаторов может иметь внешнее энергоснабжение для зарядки посредством использования генератора 26; 27, который основывается на использовании потоков воды или волновых движений, и где энергоснабжения происходят по кабелю 26'; 27' к разъему 4. В качестве альтернативны энергоснабжение для зарядки батареи конденсаторов может предоставляться от панели 28 с солнечными элементами, прикрепленной к поплавку 29 с грузом 29', и где кабель 28' ведет вниз к разъему 4.
Фиг.7 показывает как устройство может предположительно использоваться в связи с установкой, где в связи, например, с трубопроводом 30 размещается управляемый клапан 31 со стержнем 31' клапана. Двигатель 5 посредством его привода 5' выполняется с возможностью приведения в действие клапана, если рабочие условия требуют, например, чтобы клапан был закрыт. В качестве альтернативны или дополнения батарея 1 конденсаторов может получать внешнее энергоснабжение для зарядки с помощью использования одного из генератора 32 энергии ветра; панели 33 солнечных батарей; или генератора 34 на мини-турбине, который может использовать потоки воды в прилегающих реках или ручьях, где имеется некоторый минимальный поток воды и где энергоснабжение происходит через кабель 32'; 33'; 34' к разъему 4.
Возможно, что такое оборудование могло бы управляться удаленно или устанавливать связь с помощью сигналов через спутниковую связь, сеть мобильной телефонии или т.п. Здесь показывается модуль 35 связи, который подключен к антенне 36 и подключен к блокам 2, 3 управления, а также подключен к соединению 37', например, с датчиком 37 шума, расположенном на клапане 31.
Фиг.8 показывает типовую кривую напряжения для батареи конденсаторов во время разряда, а фиг.9 показывает как могла бы использоваться остаточная энергия, потому что энергия, которая доставляется исполнительному механизму 5, пульсирует, и где энергия в каждом импульсе постоянно приблизительно одинаковая. Это означает, что когда выходное напряжение от батареи конденсаторов постепенно падает как следствие разряда, длительность импульса будет постепенно увеличиваться.
В данной ситуации, где, например, нужно открыть или закрыть клапан 22; 31, исполнительному механизму 5 обычно нужно работать только в течение ограниченного периода времени, например, меньше одной минуты. Если запасенная энергия составляет, например, 10 ватт-часов, это означает, что двигатель в идеале имеет в наличии около 600 ватт энергии в течение примерно 1 минуты. При заданных условиях такая величина энергии будет более чем достаточной до того как батарею конденсаторов нужно зарядить.