ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ УСТРОЙСТВО ВВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-VOLTAGE DEVICE OF HIGH-PRESSURE INPUT

Настоящее изобретение относится к высоковольтному устройству ввода высокого давления в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к высоковольтному узлу ввода высокого давления для применения в устройстве ввода, определенного в ограничительной части пунктов 27 и 30 формулы изобретения.
Для стабильной подачи, а также для увеличения подачи углеводородной технологической среды такой, как газ (конденсатный газ) или жидкость из эксплуатационной скважины, к расположенному под водой участку или на поверхность, обычно ниже по потоку от участка грубой очистки жидкости устанавливают компрессор или насос. Для компрессора или насоса требуется приводной электродвигатель с высокой номинальной мощностью, обычно работающий в диапазоне токов 500-2000 А и напряжений 6.6-12 кВ переменного тока. Кроме того, при перемещении углеводородных флюидов на большие расстояния на земной поверхности для обеспечения стабильности потока вне зависимости от сложности ландшафта обычно требуется установка на равных интервалах вспомогательных компрессоров или насосов.
Важным является обеспечение охлаждения приводного электродвигателя, для чего в качестве хладагента используют технологическую среду, получаемую из эксплуатационной скважины. В свою очередь это означает, что силовые кабели, идущие к электродвигателю, а также к устройству ввода, подвергаются воздействию влажной текучей среды, имеющей высокие температуры, обычно лежащие в диапазоне 70-200°С, и высокое давление в диапазоне 100-400 бар, в особенности при их установке под водой.
Текучая среда, которая применяется для охлаждения электродвигателя, является как влажной, поскольку она может содержать воду, так и загрязненной, поскольку обычно она содержит электропроводящие частицы и большое число прочих различных загрязнений, что может привести к возникновению электродугового разряда, утечкам тока и падению напряжения. В наихудшем случае такой режим эксплуатации может привести к возгоранию добываемого газа и взрыву с катастрофическими последствиями.
Кроме того, например, при добыче конденсатного газа может произойти резкое падение давления, в результате чего такие устройства, как уплотнительные кольца и электроизоляторы, под действием высокого давления могут просто разорваться, что может привести к опасности возникновения неустранимого повреждения компрессорной или насосной подводной установки.
Потребность в оптимальной откачке жидкости из эксплуатационной скважины и, следовательно, необходимость повышения в ней давления для вытеснения жидкости из резервуара, с одной стороны, и тяжелые и опасные условия, в которых приходится функционировать подводному компрессорному/насосному узлу с учетом возможности возникновения сбоев в работе, которые могут быть не обнаружены вовремя для принятия мер по их устранению, с другой стороны, на протяжении многих лет являлись проблемой для специалистов в данной области техники, для которой не было предложено приемлемого решения, способного устранить хорошо известные эксплуатационные проблемы.
В связи с этим основным аспектом настоящего изобретения является разработка технического решения, которое устранило бы недостатки известных решений или, по меньшей мере, снизило бы эксплуатационные риски до абсолютного минимума, обеспечив тем самым стабильность функционирования, большую долговечность компрессора или насоса и его электродвигателя и повысило бы соотношение цена-качество.
Согласно изобретению высоковольтное устройство ввода высокого давления выполнено с возможностью крепления в вертикальном положении к функциональному блоку, к которому подводится электропитание или от которого передается электропитание, при этом устройство ввода содержит:
- узел ввода для подачи электропитания и/или электрических сигналов;
- воронкообразный корпус с корпусной камерой, причем узел ввода расположен на верхнем торце камеры;
- сетку, расположенную внутри камеры, поперечно относительно продольной оси камеры, при этом узел ввода расположен над сеткой;
- фильтр, расположенный в камере ниже сетки, но выше входного отверстия корпуса функционального блока;
- измерительный блок, проходящий от узла ввода внутрь камеры по направлению к сетке.
Согласно варианту осуществления изобретения конфигурация высоковольтного устройства ввода высокого давления обеспечивает его крепление в вертикальном положении к компрессору или насосу для перекачки конденсатного газа на основе углеводородных флюидов и/или жидкости или к входу/выходу трансформатора.
Согласно другим вариантам осуществления устройства ввода сетка имеет среднюю область, непроницаемую для текучей среды такой, как жидкость или газ. Электрические кабели подходят к устройству ввода и крепятся к входным штырям узла ввода, которые входят в камеру и подсоединены в ней к электрическим кабелям подачи мощности к электродвигателю компрессора или насоса. Электрические силовые кабели от узла ввода проходят в камеру через сетку и фильтр, заходят в корпус электродвигателя и подключены к клеммам электродвигателя компрессора или насоса.
В одном из вариантов осуществления изобретения электрические кабели идут от наземной установки к устройству ввода и крепятся к штырям узла ввода, штыри заходят в камеру, где подключаются к электрическим кабелям для подачи электроэнергии к электродвигателю компрессора или насоса, а кабели внутри камеры проходят от узла ввода через сетку и фильтр в корпус электродвигателя и подсоединяются к электрическим клеммам электродвигателя компрессора или насоса.
Допустимо, чтобы фильтр состоял из гранул, шайб или шариков, выполненных из керамики, хотя возможно использование и других материалов.
Согласно другому варианту осуществления устройства ввода измерительный блок выполнен с возможностью взаимодействия со средством обработки сигналов, измерительный блок снабжен средством контроля параметров среды внутри корпуса, указанное средство представляет собой, по меньшей мере, одно из следующих: датчик давления, датчик температуры, датчик уровня жидкости, например, для контроля уровня жидкость-газ, и датчик для определения типа или типов текучей среды внутри камеры. Допустимо, но не обязательно, чтобы измерительный блок содержал все четыре типа датчиков. Хотя датчики могут быть размещены на узле ввода на отдельных опорах, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, все используемые датчики размещаются на общем несущем устройстве, которое располагается внутри камеры в зазоре между узлом ввода и сеткой.
Измерительный блок проходит по направлению к верхней поверхности сетки, однако, находится на некотором расстоянии от нее.
В одном из вариантов применения компрессор или насос, а также устройство ввода располагаются внутри ствола скважины.
Для обеспечения, например, понижения напряжения под водой система, использующая данное изобретение, может включать в себя электрические кабели, которые идут от установки на поверхности моря вниз к узлу ввода и крепятся к штырям узла ввода, штыри заходят в камеру, где подсоединяются к электрическим кабелям подачи мощности к первичной обмотке трансформатора, а кабели внутри камеры проходят к узлу ввода через сетку и фильтр и заходят в корпус трансформатора, где подсоединяются к электрическим клеммам первичной обмотки трансформатора. Электрические кабели от вторичной обмотки трансформатора подходят к прикладному блоку вне трансформатора через другой узел ввода на трансформаторе. Для обеспечения требуемого охлаждения трансформатора он может включать в себя охлаждающую текучую среду и насос охлаждающей текучей среды, подсоединенный к первичной обмотке трансформатора. По меньшей мере, воронкообразный корпус выполняют из титанового материала или титанового сплава.
Сетка устройства ввода имеет среднюю область, которая является непроницаемой для жидкости или газа. Кроме того, измеритель проходит к сетке, но располагается на некотором расстоянии от верхней поверхности сетки.
Также узел ввода устройства ввода содержит:
- клемму ввода кабеля и клемму вывода кабеля, проводящий штырь, проходящий между клеммами и выполненный с возможностью подключения с обоих концов к вводимому кабелю и к выводимому кабелю соответственно при помощи точной контактной посадки;
- керамическую втулку, окружающую клеммы и прилегающую к ней часть проводящего штыря и кабеля;
- изолятор, который окружает, по меньшей мере, значительный участок проводящего штыря, причем указанный изолятор содержит:
- корпус защитного колпачка с силиконовым маслом или гелем, окружающий вводную клемму;
- керамический отклоняющий элемент;
- изолятор-барьер давления из стекла, керамики или стеклокерамического материала;
- втулку крепления устройства ввода, контактирующую с корпусом защитного колпачка;
- уплотнительный элемент кабеля, установленный на втулке крепления ввода и проходящий к входной стороне узла ввода, уплотнительный элемент кабеля выполнен с образованием внутреннего зазора, примыкающего к входной стороне корпуса защитного колпачка, причем указанный внутренний зазор заполнен силиконовым маслом или гелем;
- металлический корпус, находящийся в контакте с втулкой крепления ввода, указанным корпусом защитного колпачка и барьером давления, причем металлический корпус окружает, по меньшей мере, часть указанного керамического отклоняющего элемента и указанного изолятора-барьера давления.
Указанный металлический корпус выполнен из титанового материала или сплава, и, по меньшей мере, на части металлического корпуса с внутренней стороны нанесен стеклянный, керамический или стеклокерамический материал, указанный материал контактирует, по меньшей мере, с частью керамического отклоняющего элемента и указанный металлический корпус имеет часть в виде воронки со стороны выходной клеммы узла ввода.
В альтернативном, сильно упрощенном варианте осуществления узел ввода устройства ввода содержит:
- по меньшей мере, одну клемму ввода кабеля и, по меньшей мере, одну клемму вывода кабеля, проводящий штырь, расположенный между клеммами с возможностью входить в контакт с обоих концов с входным кабелем и выходным кабелем соответственно при помощи точной контактной посадки;
- изолятор, который окружает, по меньшей мере, значительный участок проводящего штыря, причем указанный изолятор содержит изолятор-барьер давления из стекла, керамики или стеклокерамического материала, установленный в пластине или втулке узла ввода, выполненной с возможностью крепления к воронкообразному корпусу.
Защитный колпачок с расположенным в нем силиконовым маслом или гелем охватывает, по меньшей мере, одну из клемм и прилегающую часть проводящего штыря и кабеля. Кроме того, корпус защитного колпачка окружает защитный колпачок, а указанный корпус защитного колпачка и указанный защитный колпачок расположены внутри защитного корпуса, заполненного силиконовым маслом или гелем.
Указанная пластина или втулка узла ввода может быть изготовлена из титанового материала или титанового сплава.
Таким образом, признаки устройства ввода согласно настоящему изобретению определены в независимом пункте 1 и соответствующих подпунктах 2-26 формулы изобретения.
Кроме того, изобретение также относится к высоковольтному вводу высокого давления для узла ввода устройства ввода. Указанный ввод содержит:
- клемму ввода кабеля и клемму вывода кабеля, проводящий штырь, проходящий между клеммами и выполненный с возможностью входить в контакт с обоих концов с входным кабелем и к выходным кабелем соответственно при помощи точной контактной посадки;
- керамическую втулку, окружающую клеммы и прилегающую к ней часть проводящего штыря и кабеля;
- изолятор, который окружает, по меньшей мере, значительный участок проводящего штыря, причем указанный изолятор содержит:
- корпус защитного колпачка с силиконовым маслом или гелем, окружающий входную клемму;
- керамический отклоняющий элемент;
- изолятор-барьер давления из стекла, керамики или стеклокерамического материала;
- втулку крепления ввода, контактирующую с корпусом защитного колпачка;
- уплотнительный элемент кабеля, установленный на втулке крепления ввода и проходящий по направлению к входной стороне узла ввода, уплотнительный элемент кабеля образует внутренний зазор, примыкающей к входной стороне корпуса защитного колпачка, причем указанный внутренний зазор заполнен силиконовым маслом или гелем;
- металлический корпус, находящийся в контакте с втулкой крепления ввода, указанным корпусом защитного колпачка и барьером давления, причем металлический корпус окружает, по меньшей мере, часть указанного керамического отклоняющего элемента и указанного изолятора-барьера давления.
Указанный металлический корпус выполнен из титанового материала или сплава, и, по меньшей мере, на части металлического корпуса с внутренней стороны нанесен стеклянный, керамический или стеклокерамический материал, указанный материал контактирует, по меньшей мере, с частью керамического отклоняющего элемента и указанный металлический корпус имеет часть в виде воронки со стороны выходной клеммы указанного ввода.
В альтернативном варианте осуществления изобретения ввод для узла ввода содержит:
- клемму ввода кабеля и клемму вывода кабеля, проводящий штырь, расположенный между клеммами с возможностью входить в контакт с обоих концов с входным кабелем и выходным кабелем соответственно при помощи точной контактной посадки;
- изолятор, который окружает, по меньшей мере, значительный участок проводящего штыря, причем указанный изолятор содержит изолятор-барьер давления из стекла, керамики или стеклокерамического материала, установленный в пластине или втулке проводящего устройства.
Согласно еще одному признаку указанного ввода защитный колпачок с расположенным в нем силиконовым маслом или гелем охватывает, по меньшей мере, входную клемму.
Кроме того, ввод может дополнительно иметь керамическую втулку, окружающую, по меньшей мере, клемму и прилегающую к ней часть проводящего штыря или кабеля.
Кроме того, ввод может иметь корпус защитного колпачка, охватывающий защитный колпачок, а в другом варианте осуществления изобретения указанный корпус защитного колпачка и указанный защитный колпачок расположены внутри защитного корпуса, заполненного силиконовым маслом или гелем.
Эти признаки ввода вытекают из пунктов 27-29 и 30-34 прилагаемой формулы изобретения.
Дальнейшее описание изобретения проводится со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны не ограничивающие варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - упрощенная схема подводной среды функционирования устройства ввода согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - вертикальное сечение устройства ввода изобретения вдоль линии II-II, показанной на фигуре 3.
Фиг.3 - пространственный вид сверху устройства ввода изобретения.
Фиг.4 - типовое устройство ввода согласно изобретению.
Фиг.5 - упрощенная схема палубной среды функционирования устройства ввода согласно настоящему изобретению.
Фиг.6 - упрощенная схема наземной среды функционирования устройства ввода согласно настоящему изобретению, относящаяся к созданию дополнительного давления в трубопроводе.
Фиг.7 - упрощенная схема наземной среды функционирования устройства ввода согласно настоящему изобретению, относящаяся к созданию дополнительного давления в трубопроводе, в частности для потока конденсатного газа.
Фиг.8 - упрощенная схема способа работы устройства ввода согласно настоящему изобретению при использовании в подводном трансформаторе и/или регуляторе частоты.
Фиг.9 - упрощенная схема способа работы устройства ввода согласно настоящему изобретению при использовании совместно со скважинным насосом или компрессором, подходящих для работы с углеводородной жидкостью фонтанной установки.
Фиг.10 - вертикальное сечение модифицированного устройства ввода согласно изобретению, являющегося модификацией устройства ввода, показанного на фигуре 2.
Подробное описание изобретения
На фигуре 1 показан не ограничивающий пример типичных условий эксплуатации проводящего агрегата 1, к которому с поверхности 3′ моря 3 проходят силовые кабели 2 и сигнальные кабели 2′, силовые кабели 2 запитаны от генератора 15′ на морской установке, например морской платформе 15 (для упрощения показанной не в масштабе относительно компрессорного агрегата 4, 5, 6 на морском дне 8). Сигнальные кабели 2′ идут к установке 15″ обработки сигналов на установке 15. Питание от силовых кабелей 2 передается через узел 1′ агрегата 1, и далее силовые кабели 2″ идут от узла Г через внутреннюю часть 1′ агрегата вниз к соединительным клеммам 4′ внутри корпуса 4″ электродвигателя 4, конфигурация которого обеспечивает привод установленного выше по потоку компрессора или насоса 5 влажного флюида и ниже по потоку компрессора или насоса 6 влажной текучей среды.
Компрессор или насос 5 захватывает флюид, например, газ 7′ из коллектора 7 под морским дном 8, и флюид проходит через сепаратор 9, который освобождает флюид от конденсата, например газового конденсата 10, и пропускает флюид, например газ 11, который все еще может быть охарактеризован как несколько влажный флюид, через трубопровод 12 в первый компрессор или насос 5. Из компрессора 5 сжатый или нагнетаемый флюид проходит через охлаждающие каналы 4′″ в электродвигателе 4, а затем движется дальше через второй компрессор или насос 6 и оттуда в виде флюида 13 под давлением, например, газа обратно в коллектор 7′, например, через двухлинейный распределитель 14 и трубопровод 14′. Как только давление в коллекторе достигнет достаточной величины, на распределитель 14 может быть подана команда с установки 15 на перенаправление выходного потока от компрессора 6 в сторону поверхности через трубопровод 14″. При определенных условиях давление в коллекторе может быть достаточно высоким для того, чтобы было достаточно прямого трубопровода, направленного вниз в коллектор.
Как указано во вступительной части, электродвигатель 4 представляет собой электродвигатель большой мощности, и поэтому необходимо, чтобы проводящий агрегат был способен выдерживать соответствующие большие токи и напряжения, а также высокие значения температуры и давления, и, кроме того, был способен выдавать предупреждение при опасности возникновения неизбежных аварийных ситуаций при работе, требующих немедленного выключения компрессорного или насосного агрегата 4, 5, 6.
Как показано на фигуре 1, важно, чтобы проводящий агрегат 1 располагался вертикально после прикрепления к корпусу электродвигателя 4″ компрессорного агрегата 4, 5, 6 для подводного конденсатного газа.
Далее приводится краткое описание вариантов осуществления изобретения, показанных на фигуре 1, со ссылками на фигуры 5 и 6 для иллюстрации того, как настоящее изобретение может быть использовано не только для расположенных на поверхности эксплуатационных скважин для добычи углеводородных флюидов.
На фигуре 5 показан другой не ограничивающий пример типичных условий эксплуатации проводящего агрегата 51, где силовые кабели 52 и сигнальные кабели 52′ идут от установки 53. Силовые кабели 52 запитаны от генератора 53′ наземной установки, например платформы 15 (для упрощения показанной не в масштабе относительно компрессорного или насосного агрегата 54, 55, 56). Сигнальные кабели 52′ идут к установке 53″ обработки сигналов на установке 53. Питание от силовых кабелей 52 передается через проводящий узел 51′ агрегата 51, и далее силовые кабели 52″ идут от проводящего узла 51′ через внутреннюю часть 51″ агрегата вниз к соединительным клеммам 54′ внутри корпуса 54″ электродвигателя 54, конфигурация которого обеспечивает привод установленного выше по потоку компрессора или насоса 55 нефтяного флюида и установленного ниже по потоку компрессора или насоса 56 флюида среды.
Компрессор захватывает флюид 57′ из коллектора 57 ниже уровня земли, и флюид проходит через сепаратор 58, который освобождает флюид от конденсата 58′ и пропускает флюид 58″, который все еще может быть охарактеризован как несколько влажный флюид, через трубопровод 58′″ в первый компрессор или насос 55. Из компрессора или насоса 55 сжатый флюид проходит через охлаждающие каналы 54′″ в электродвигателе 54, а затем движется дальше через второй компрессор или насос 56 и оттуда в виде сжатого флюида 59′ возвращается обратно в резервуар 57′, например, через двухлинейный распределитель 59 и трубопровод 59′. Как только давление в коллекторе увеличится до достаточной величины, с установки 53 на распределитель 59 может быть дистанционно подана команда на перенаправление выходного потока от компрессора или насоса 56 в сторону установки 53 через распределитель 59 и трубопровод 14′′′. При определенных условиях давление в коллекторе может быть достаточно высоким для того, чтобы было достаточно прямого трубопровода, направленного вниз в резервуар.
Как указано во вступительной части, электродвигатель 54 должен представлять собой электродвигатель большой мощности, и поэтому необходимо, чтобы проводящий агрегат был способен выдерживать соответствующие большие токи и напряжения, а также высокие значения температуры и давления, и, кроме того, был способен выдавать предупреждение при опасности возникновения неизбежных аварийных ситуаций при работе, требующих немедленного выключения компрессорного или насосного агрегата 54-56.
Как показано на фигуре 1, важно, чтобы так же, как и в варианте осуществления изобретения, приведенном на фигуре 5, проводящий агрегат 51 располагался вертикально после прикрепления к корпусу электродвигателя 54″ компрессорного или насосного агрегата 54-56.
На фигуре 6 показан еще один не ограничивающий пример типичных условий эксплуатации проводящего агрегата 61, где силовые кабели 62 и сигнальные кабели 62′ идут от платформы или управляющей станции 63, силовые кабели 62 запитаны от генератора 63′ платформы или управляющей станции 63 (для упрощения показанной не в масштабе относительно компрессорного или насосного агрегата 64-66). Сигнальные кабели 62′ идут к установке 63″ обработки сигналов на установке или станции 63. Питание от силовых кабелей 62 передается через проводящий узел 61′ агрегата 61, и далее силовые кабели 62″ идут от проводящего узла 61′ через внутреннюю часть 61″ агрегата вниз к соединительным клеммам 64′ внутри корпуса 64″ электродвигателя 64, конфигурация которого обеспечивает привод компрессора или насоса 65 для нефтяного флюида, установленного выше по потоку, и компрессора или насоса 66 для нефтяного флюида, установленного ниже по потоку.
Компрессор 65 через трубопровод 67 засасывает флюид с заданным расходом, и для поддержания или увеличения данного расхода спереди по ходу от компрессора или насоса 66, в трубопроводе 68, флюид из трубопровода 67 поступает в первый компрессор или насос 65. Из компрессора 65 сжатый флюид проходит через охлаждающие каналы 64′″ в электродвигателе 64, а затем движется дальше через второй компрессор или насос 66 и оттуда в виде сжатого флюида поступает в расположенный спереди по ходу трубопровод с сохраненным или увеличенным гидравлическим давлением и, следовательно, улучшенным расходом. Как указано во вступительной части, электродвигатель 64 должен представлять собой электродвигатель большой мощности, и поэтому необходимо, чтобы устройство ввода было способно выдерживать соответствующие большие токи и напряжения, а также высокие значения температуры и давления, и, кроме того, было способно выдавать предупреждение при опасности возникновения неизбежных аварийных ситуаций при работе, требующих немедленного выключения компрессорного или насосного агрегата 64-66.
На фигуре 7 показана модификация варианта осуществления изобретения, приведенного на фигуре 6, являющаяся еще одним не ограничивающим примером типичных условий эксплуатации устройства ввода 72, работающего совместно с компрессорным агрегатом 71 и силовыми кабелями 73, идущими от питающих линий 74. У компрессора имеется трубопровод 75 для подачи углеводородного флюида в компрессорный агрегат 71 и трубопровод 76 для выхода флюида из агрегата. Углеводородный флюид может представлять собой конденсатный газ. Подобные компрессорные агрегаты особенно полезны при перемещении текучей среды на основе углеводорода на большие расстояния, например, из Сибири в Европу для обеспечения повышения давления с целью компенсации потерь давления, вызванных утечками или просто большими расстояниями.
6
На фигуре 8 показано применение настоящего изобретения для подачи, например, электропитания к подводному компрессору или насосу, условно обозначенному цифрой 80. Электропитание может, например, иметь номинальное напряжение 6 кВ переменного тока, в то время как электроэнергия, передаваемая от расположенного на поверхности участка, например плавучей платформы 89, может иметь номинальное напряжение 12 кВ переменного тока. Понятно, что при необходимости передачи электропитания к компрессору или насосу, расположенному под водой, для безопасной передачи электропитания к подобному компрессору или насосу может быть использовано устройство ввода, описанное со ссылками на фигуры 1-7. В варианте осуществления изобретения, приведенном на фигуре 8, показан трансформатор 81 с первичной обмоткой 82 и вторичной обмоткой 84 и дополнительным отбором 83 мощности от трансформатора для привода циркуляционного насоса 85, предназначенного для охлаждения трансформатора маслом или газом. В качестве охлаждающего газа может использоваться SF. Питание к первичной обмотке 82 подается от расположенного на поверхности участка 89 по силовым кабелям 88 через устройство 86 ввода. Питание от вторичной обмотки подается к компрессору или насосу 80 через устройство ввода 87 и силовые кабели 87′. Также возможно наличие сигнальных кабелей, связанных с соответствующими кабелями 87′ и 88. Хотя трансформатор 81 для простоты показан однофазным, для специалиста в данной области техники понятно, что в реальности трансформатор будет трансформатором для преобразования трехфазного тока в трехфазный ток.
На фигуре 9 показано другое применение настоящего изобретения, когда оно используется, например, совместно с фонтанным устьевым оборудованием 91, применяемым в подводных трубопроводных системах, и, например, для использования со скважинным насосом или компрессором 93, принимающим углеводородный флюид через трубопровод 94 и подающим после повышения давления текучую среду на основе углеводородов к фонтанной арматуре через выпускной трубопровод 92. Хотя был указан узел фонтанной арматуры, может быть предусмотрено применение и других узлов распределения текучей среды. Для безопасной подачи электропитания и даже передачи сигналов по кабелям устройства ввода 94 и 96 снабжены связанными с ними соответствующими силовыми кабелями 95 и 97. В устройствах ввода могут быть предусмотрены сигнальные линии, которые могут быть включены во внутреннюю часть оплетки силовых кабелей. Хотя показаны два устройства ввода 94, 96 для соответствующих кабелей может потребоваться только один из них.
Как показано на фигурах 1 и 5, в контексте вариантов осуществления изобретения, приведенных на фигурах 6, 7-9, важно, чтобы устройство ввода 61; 72; 86; 87; 94; 96 располагалось вертикально после прикрепления к одному из следующих элементов: корпус 64″ электродвигателя агрегата 64-66, компрессорный агрегат 71, трансформатор 81 и компрессор или насос 93.
Далее приводится описание устройства ввода со ссылками на фигуры 2 и 3.
Как показано на фигурах 2 и 3, устройство содержит узел ввода 16 для подачи через него электропитания к электродвигателю 4 компрессора, причем узел 16 в конкретном не ограничивающем варианте осуществления имеет в сумме шесть элементов ввода 17-22 для подачи электропитания и элемент ввода 23, подсоединенный к измерительному блоку 24. Каждый элемент ввода 17-22 имеет опору и держатель кабеля, обозначенные 17′ и 22′, прикрепленные к керамической опорной пластине 17″; 20, соответственно. Измерительный блок 24 связан со средством 15″; 53″; 63″ обработки сигналов, расположенным на установке 15; 53; 63. Подробное описание работы измерительного блока приводится ниже.
Кроме того, устройство ввода имеет воронкообразный корпус 25 с корпусной камерой 25′, причем узел ввода 16 располагается у верхнего торца камеры 25′.
Сетка 26 расположена внутри камеры поперечно относительно продольной оси 27 камеры, при этом узел ввода 16 располагается над сеткой 26. Сетка предпочтительно имеет средний участок 26′, который является непроницаемым для жидкости или газа, т.е. на котором нет отверстий. Назначение данного среднего участка - улучшение параметров потока внутри камеры 25′ и отклонение идущего снизу потока от датчика 24.
Фильтр 28 расположен в камере 25′ под сеткой, над входным отверстием в корпус 4″; 54″; 64″ электродвигателя 4; 54; 64 компрессора или насоса. Фильтр 28 может быть образован массой керамических гранул, шайб, трубок или шариков, хотя также допускается использование других материалов и форм, обеспечивающих по существу эквивалентное функционирование фильтра.
Как указано выше, устройство ввода также содержит измерительный блок 24, который идет от узла ввода 16 в камеру 25′ к сетке 26, оставаясь от нее на некотором расстоянии, что хорошо видно на фигуре 2. Измерительный блок 24 выполнен с возможностью взаимодействия с указанным средством 15″ обработки сигналов, снаружи устройства ввода через один или более сигнальный кабель 2′. Измерительный блок может иметь средство для контроля параметров среды 29 внутри корпуса 25, при этом указанное средство может представлять собой одно из следующих устройств: датчик давления 24′, датчик температуры 24″, датчик 24′′′ уровня жидкого газа и датчик 24″″ для определения типа или типов жидкости внутри камеры. Допустимо, но не обязательно, чтобы измерительный блок содержал все четыре типа датчиков. Хотя датчики могут располагаться на узле ввода на индивидуальных опорах (не показаны), предпочтительным вариантом осуществления изобретения является тот, в котором все используемые датчики располагаются на общем несущем устройстве 30, которое проходит внутрь камеры 25′ в зазор между узлом ввода 16 и сеткой 26.
Таким образом, узел ввода 16 с элементами ввода 17-23, расположенные над камерой 25′, как показано на фигурах 1, 5 или 6, герметично закрывают камеру 25′. В варианте осуществления изобретения, показанном на фигуре 1, элементы ввода узла 16 охлаждаются непосредственно морской водой 3. Электродвигатель, а также компрессоры или насосы, как и корпус 25 и, следовательно, внутренний объем 25′ корпуса безусловно в некоторой степени охлаждаются окружающей морской водой. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фигурах 5 и 6, для обеспечения достаточного охлаждения может потребоваться использование специальных охлаждающие узлов (не показаны), расположенных вокруг элементов ввода и компрессорных или насосных агрегатов. В регионах, в которых температура воздуха является очень низкой на протяжении большей части года или на протяжении существенных периодов года, круглогодичное искусственное охлаждение при помощи охлаждающих узлов не является необходимым. При доступности воды из рядом расположенных колодцев или рек данная вода по мере надобности может использоваться для дополнительного искусственного охлаждения.
В конструкции предусмотрены уплотнительные кольца 45 и стопорные кольца 46. Цифрами 47 и 48 обозначена изоляция кабеля на входном кабеле 2; 52; 62 и выходном кабеле 2″; 52″; 62″.
Довольно важно, чтобы устройство ввода монтировалось таким образом, чтобы продольная ось 27 узла 16 и воронкообразного корпуса 25 располагалась по существу отвесно, предпочтительно по возможности была вертикальна. В связи с этим следует принимать меры для правильного размещения на морском дне 8 компрессорного или насосного агрегата 4, 5, 6, чтобы обеспечить возможность подобного вертикального расположения. Кроме того, для наземной установки, такой как схематически показанная на фигурах 5 и 6, данное вертикальное расположение является обязательным требованием. Этот аспект является важным для того, чтобы вначале в камеру не попала текучая среда. Флюид, например конденсатный газ, который прокачивается и наталкивается на кабели внутри корпуса электродвигателя, из-за высокого давления будет сталкиваться с кабелями с внутренней стороны или со стороны высокого давления камеры 25′. При этом данный участок является тупиковым участком камеры с высоким давлением, на этом участке циркуляция текучей среды на основе углеводородов, например, конденсатного газа отсутствует или незначительна.
Фильтр 28, например, из керамических гранул работает как фильтр, задерживающий любые электропроводящие частицы, переносимые текучей средой, например, конденсатным газом, и также работает как пламегаситель в случае взрыва в электродвигателе.
Для избежания декомпрессионного взрыва органических материалов, обычно подвергаемых воздействию высоких давлений, таких как, например, материалы уплотнительных колец, шайб или электрической изоляции, следует по возможности избегать применения органических материалов. Так, предпочтительно ограничить использование органических материалов лишь материалами изоляции кабелей. Все остальные материалы элементов ввода, работающих при высоких напряжениях, и с самого узла ввода выполнены из одного или большего числа соответствующих стеклянных материалов, керамических материалов и стеклокерамических материалов. Кроме того, для изоляции могут применяться силиконовые материалы.
Поскольку соединение между элементом ввода, например элементом ввода 17, и кабелем, например кабелем 2″; 52″; 62″, является "открытой" конструкцией, т.е. обеспечивается только при помощи керамических отклоняющих устройств и большого расстояния для утечки электрического тока по поверхности, важно не допустить вхождения текучей среды в виде жидкости в контакт с какой-либо электропроводящей частью этого участка устройства ввода.
В не ограничивающем варианте, показанном на фигуре 1, при заполнении электродвигателя 4 и его корпуса 4″ из-за функциональной неисправности жидкостью такой, как морская вода и/или газовый конденсат, на уровне морского дна и запуске электродвигателя, преобладающее давление будет вытеснять жидкость в верхнюю часть электродвигателя. Следовательно, текучая среда в виде газа внутри камеры будет сжиматься из-за подъема уровня жидкости в камере 25′. Объем камеры 25′ предпочтительно примерно в десять раз больше объема, необходимого для поддержания элементов ввода 17-22 в сухом состоянии. Таким образом, давление 29 внутри камеры 25′ может возрасти в 10 раз, прежде чем уровень жидкости достигнет состояния равновесия со сжатым газом, находящимся внутри камеры.
Однако при повышении уровня жидкости до потенциально критического значения срабатывают датчики 24′″ и 24″″, что приводит к выдаче аварийного сигнала, вызывающего приостановку работы до момента достижения более нормальных параметров давления.
Датчики 24′, 24′′′ и 24″″ могут быть датчиками емкостного типа, хотя также возможно предусмотреть использование датчиков, измеряющих давление, уровень жидкости и свойства жидкости. Датчик 24″ температуры может быть датчиком стандартного типа.
Важно, чтобы измерительный блок определял возникновение избыточных температур, при которых может произойти тепловой пробой, или повышение уровня жидкости внутри камеры 25′ выше критического эксплуатационного значения.
Следует отметить, что элементы ввода могут иметь конфигурацию, в общем показанную на фигуре 2, или конфигурацию, более подробно показанную на фигуре 4.
С учетом того, что компрессорный или насосный агрегат с узлом ввода в некоторых вариантах применения может помещаться на морское дно на существенной глубине, например, на глубине 250 м, считается, что давление на этой глубине составляет 25 бар.
Как показано на фигуре 1, электродвигатель 4 компрессорного или насосного агрегата 4, 5, 6 может испытываться на давление, например 440 бар, хотя эксплуатационное давление обычно не превышает, например, 220 бар. Важно отметить, что текучая среда, например, газ, подаваемый из компрессора или насоса 5, циркулирует вокруг обмоток электродвигателя 4 при выпускном давлении компрессора 5. Аналогичные уровни давления могут применяться для вариантов осуществления изобретения, показанных на фигурах 5 и 6, хотя эксплуатационные давления могут быть ниже.
Перед спуском компрессорного агрегата на морское дно предпочтительно заполнить электродвигатель газом, имеющим давление, превышающее внешнее давление на морском дне, например, в данном варианте давление 30 бар, которое также является исходным давлением в камере 25′.
Цифрами 30 и 29 на фигуре 4 обозначены и определены части элемента ввода, которые подвергаются воздействию окружающей морской среды 3 и которые подвергаются воздействию среды внутри корпуса 25 соответственно. Таким образом, позиция 30 в контексте фигур 5 и 6 может относиться к окружающему воздуху или хладагенту.
В возможной модификации с такой текучей средой, как конденсатный газ внутри камеры, могут быть предусмотрены нагревательные элементы для осушения газа или конденсации конденсатного газа внутри камеры или удаления конденсатного газа из камеры.
Как указано выше, для обеспечения безопасного функционирования устройства важно, чтобы каждый высоковольтный элемент ввода 17-22 в узле ввода 16 был способен выдерживать возникающие при эксплуатации электрические нагрузки, а также условия по температуре и давлению. Типовой, но не ограничивающий вариант осуществления изобретения высоковольтного элемента ввода показан на фигуре 4. Элемент ввода содержит клемму 31 ввода кабеля и клемму 32 вывода кабеля, проводящий штырь 33, выполненный с обеих сторон и проходящий между клеммами 31 и 32, приспособленный для подключения с указанных концов к входному кабелю 2 и выходному кабелю 2″ соответственно при помощи точной контактной посадки. Керамическая втулка 34, 35 окружает соответствующие клеммы 31, 32 и примыкающие к ним части проводящего штыря 33 и кабеля 2; 2″. Изолятор выполнен таким образом, что он окружает, по меньшей мере, существенный участок проводящего штыря 33. Изолятор может содержать корпус 36 защитного колпачка с силиконовым маслом или гелем 37, окружающий входную клемму 31; керамическое отклоняющее устройство 38 и изолятор-барьер 39 давления из стекла, керамики или стеклокерамического материала. Кроме того, корпус 36 защитного колпачка находится в контакте с втулкой 40 крепления элемента ввода. Устройство 41 уплотнения кабеля установлено на втулке 40 и идет к стороне элемента ввода, с которой в него входит кабель. Устройство 41 уплотнения кабеля обеспечивает внутренний зазор 42′, примыкающий к входной стороне корпуса 36 защитного колпачка, причем указанный внутренний зазор заполнен силиконовым маслом или гелем 42′. Металлический корпус 43 находится в контакте с втулкой 40 крепления элемента ввода, указанным корпусом 36 защитного колпачка и барьером 39 давления, металлический корпус 43 окружает, по меньшей мере, часть указанного керамического отклоняющего устройства 38 и указанного изолятора-барьера 39 давления.
Металлический корпус может быть изготовлен из титанового материала, например, титановой группы 5. Однако вместо него могут применяться титановые сплавы или другие подходящие материалы с эксплуатационными характеристиками аналогичными характеристикам титана при работе в преобладающих условиях эксплуатации. Кроме того, для получения максимального расстояния для утечки электрического тока по поверхности, по меньшей мере, часть металлического корпуса с внутренней стороны покрывают стеклянным, керамическим или стеклокерамическим материалом 44, причем указанный материал контактирует, по меньшей мере, с частью керамического отклоняющего устройства 38, и металлический корпус 38 имеет участок 43′ воронкообразной формы со стороны выходной клеммы 32 элемента ввода.
Модифицированный вариант осуществления устройства ввода, показанный на фигуре 10, работает на тех же принципах, что и вариант, приведенный на фигуре 2. Однако в этом модифицированном варианте предлагается более простая в некоторых аспектах конструкция, в частности, с точки зрения изготовления устройства ввода. Он имеет такую же или аналогичную область применения, что и показанный на фигуре 2. Такое модифицированное устройство ввода или узел 100 применяется так же, как и устройство ввода, показанное и описанное выше со ссылками на фигуры 1 и 5-9, и имеет такое же общее описание, не требующее повторения.
Как показано на фигурах 1 и 5-9, важно, чтобы модифицированное устройство ввода 100 располагалось вертикально после подсоединения, например, к корпусу 64″ электродвигателя агрегата 64-66, компрессорного агрегата 71, трансформатора 81 и компрессора или насоса 93 соответственно.
Далее приводится описание устройства ввода со ссылками на фигуру 10.
Как показано на фигуре 10, устройство содержит воронкообразный корпус 101. Пластина или втулка 102 элемента ввода герметично прикреплена к верхней горловине корпуса 101, например, при помощи болтового или сварного соединения.
Высоковольтные штыри 103 ввода, рассчитанные на высокие токи, а также ввод 104 кабеля проходят через пластину или втулку 102 элемента ввода. Ввод 104 обеспечивает подключение к измерительному блоку 105, который имеет тот же тип, что и блок 24, описанный со ссылками на фигуру 2. Штыри 103 и ввод 104 герметично прикреплены к пластине или втулке 102 элемента ввода при помощи стеклянного материала, керамического материала или стеклокерамического материала 106. По сравнению с вариантом осуществления изобретения, показанным на фигуре 2, который имеет более сложную конструкцию крепления проводящих штырей, крепление штырей 103 и ввода 104 непосредственно к пластине или втулке 102 элемента ввода позволяет получить существенно упрощенное, экономически эффективное и в то же время надежное устройство ввода. Измерительный блок 105 расположен в камере 107, а сетка 108 отделяет камеру 107 от секции 110 с фильтром и также служит опорой для кабелей 109. Конфигурация кабелей 109 обеспечивает передачу электропитания, например, для электродвигателя компрессора или насоса или другого оборудования, а также к трансформатору и от трансформатора. Ввод 104 может содержать металлическую трубку, например, из титана или титанового сплава или нержавеющей стали, через которую проходят сигнальные проводники, например, заделанные в изоляционный материал такой, как стеклянный, керамический или стеклокерамический материал.
В нижней части секции 110 с фильтром расположена перфорированная пластина 111, которая может быть выполнена из керамического материала, и через которую могут проходить кабели 109. Отверстия в сетке 108, а также в пластине 111 являются достаточно малыми для того, чтобы не допустить прохождения материала фильтра через сетку 108 и/или пластину 11. В приведенном на фигуре 10 примере показаны только два кабеля 109, подсоединенные к кабелям 112 через штыри 103. Однако следует понимать, что возможно применение больше, чем двух кабелей 109, двух кабелей 112 и соединительных штырей 103. Так, таких конструкционных элементов может быть, например, три, четыре, пять или шесть, а в некоторых случаях даже больше.
Далее приводится краткое описание прочих подробностей функционирования измерительного блока.
Следует отметить, что пластина или втулка 102, к которой крепятся штыри 103 и ввод 104, расположена на верхнем конце камеры 107.
Сетка 108 расположена внутри камеры 107 поперечно относительно продольной оси камеры. Сетка может в средней части быть непроницаемой для жидкости или газа, например, не иметь отверстий. Средняя часть предназначена для улучшения характеристик потока внутри камеры 107 и отклонения идущего снизу потока от датчика 105.
Фильтр 110 расположен в камере 107 под сеткой 108, над входным отверстием в корпус компрессора, электродвигателя насоса, трансформатора или другого рабочего модуля. Фильтр 110 может быть сформирован из массы керамических гранул, шайб, трубок или шариков, хотя также возможно применение других материалов и элементов других форм, при условии, что они обеспечивают по существу эквивалентные эксплуатационные характеристики.
Как указано выше, устройство ввода также содержит измерительный блок 105 и прикрепленный к нему ввод 104. Измерительный блок 105 идет внутрь камеры 107 от участка расположения пластины или втулки 102 элемента ввода к сетке 108. Измерительный блок 105 расположен на некотором расстоянии от сетки 108, а в некоторых случаях может находиться рядом с сеткой или слегка касаться ее. Конфигурация измерительного блока 105 обеспечивает его взаимодействие с указанным средством обработки сигналов таким, как описанное выше средство 15″, расположенное снаружи устройства, через один или большее число сигнальных кабелей 113. Измерительный блок 105 имеет соответствующее средство контроля свойств среды внутри корпуса 101, указанное средство 105′ может представлять собой одно из следующих: датчик давления, датчик температуры, датчик уровня жидкого газа и датчик контроля типа или типов жидкости внутри камеры. Допустимо, но не обязательно, чтобы измерительный блок содержал все четыре типа датчиков. Хотя датчики могут располагаться на узле ввода на индивидуальных опорах (не показаны), предпочтительным вариантом осуществления изобретения является тот, в котором все используемые датчики расположены на общем несущем устройстве 105′, которое проходит внутрь камеры 107, в зазор между пластиной или втулкой 102 проводящего устройства и сеткой 108.
Узел ввода со штырями 103 и вводом 104 устанавливается сверху камеры 107, герметично закрывая, таким образом, камеру 107. Охлаждение устройства ввода зависит от окружающей среды, в которой он функционирует. Описание этого вопроса приведено выше и не будет повторяться.
Уплотнительные кольца 114 могут потребоваться, а могут и не потребоваться, в зависимости от способа крепления пластины или втулки 102 к воронке 101. Изоляция кабелей 112 обозначена позицией 115, причем изоляция выполнена в виде защитных колпачков. Защитные колпачки заполнены соответствующим силиконовым маслом или гелем. Колпачки расположены внутри корпуса 116 защитных колпачков. Выполнен защитный внешний корпус или кожух 117, заполненный силиконовой текучей средой такой, как силиконовое масло или гель 118.
Нижний торец воронки 101 снабжен соответствующим крепежным фланцем 101′ для крепления, например, к корпусу электродвигателя, корпусу насоса, корпусу трансформатора или корпусу другого функционального устройства. Фланец 101′ имеет углубление для размещения уплотнительного кольца или другого уплотнительного средства.
Как было упомянуто выше, довольно важно, чтобы устройство ввода было установлено таким образом, чтобы его продольная ось располагалась по существу отвесно, предпочтительно по возможности вертикально. Поэтому следует принять меры для того, чтобы, например, компрессорный или насосный агрегат, к которому крепится устройство, был размещен таким образом, чтобы обеспечить подобную вертикальную установку. Этот аспект является важным в том смысле, что вначале никакая текучая среда не будет попадать в камеру. Текучая среда, например конденсатный газ, который протекает и сталкивается с кабелями внутри корпуса электродвигателя, из-за высокого давления будет сталкиваться с кабелями с внутренней стороны или со стороны с высокого давления камеры 107. При этом данный участок камеры является «тупиковым» участком с высоким давлением, на котором циркуляция текучей среды на основе углеводородов, например, конденсатного газа отсутствует или незначительна.
Фильтр 110, например, из керамических гранул работает как фильтр, задерживающий любые электропроводящие частицы, переносимые текучей средой, например, конденсатным газом, и также работает как пламегаситель в случае взрыва, например, в электродвигателе.
Как было изложено выше, для избежания декомпрессионного взрыва органических материалов, обычно подвергаемых воздействию высоких давлений, таких как, например, материалы уплотнительных колец, шайб или электрической изоляции, следует по возможности избегать применения органических материалов. В настоящем модифицированном варианте устройства ввода эффективно снижена опасность возникновения подобных ситуаций, поскольку применение органических материалов сведено к абсолютному минимуму, т.е. использование органических материалов ограничено изоляцией кабелей. Все остальные материалы деталей элементов ввода, работающих при высоких напряжениях, и самого узла ввода выполнены из одного или большего числа подходящих стеклянных материалов, керамических материалов и стеклокерамических материалов. Кроме того, для изоляции могут применяться силиконовые материалы.
Поскольку соединение между элементом ввода, например штырем 103, и кабелем, например кабелем 109, является "открытой" конструкцией, важно не допустить вхождения текучей среды в виде жидкости в контакт с каким-либо проводящим элементом в этой части устройства ввода. Участок контакта между штырем 103 и кабелем 109 может быть окружен керамической втулкой 119.
Аспекты функционирования, окружающая среда, а также свойства и особенности устройства ввода, как он описан со ссылками на фигуры 1 и 5-9, одинаково подходят для модифицированного устройства ввода, показанного на фигуре 10, в связи с чем повторное объяснение его функционирования не приводится. Так, описание функционирования и свойств, приведенное, например, для измерительного блока 24, совпадает с описанием для измерительного блока 105.
Следует заметить, что конструкция, описанная со ссылками на фигуру 4, отсутствует в варианте осуществления изобретения, приведенном на фигуре 10, что делает конструкцию, показанную на фигуре 10, более упрощенной версией устройства ввода.
Как указано выше, воронкообразный корпус 101 выполнен из соответствующего титанового материала или сплава, или стали. Соответствующий титановый материал может представлять собой, например, титан из группы 5. Что касается стали, то предпочтительным является использование нержавеющей стали. Однако вместо этих материалов могут использоваться и другие подходящие материалы, обладающие при работе в преобладающих условиях работы эксплуатационными свойствами аналогичными свойствам титана. Такие же материалы также могут применяться для пластины 102 и корпуса или кожуха 117, а также для других металлических элементов, используемых в устройстве ввода.