CN102102534B - 水下发电 - Google Patents
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Abstract
用于向水下井装置提供辅助电力的方法，所述装置经由脐带电缆链接到水面位置以补充在装置从脐带电缆接收的任何电力，该方法包括下列步骤：在装置提供发电部件；以及提供电力输出线路用于将发电部件生成的电力传送给所述装置。
Description
技术领域
本发明涉及在水下装置(underwater installation)提供电力的方法、用于向水下井(well)装置提供辅助电力的方法、水下井装置和包括这种装置的设施，该装置经由脐带电缆(umbilical cable)链接到水面(surface)位置以便补充在装置处从脐带电缆接收的任何电力。
背景技术
水下装置、例如海底碳氢化合物(hydrocarbon)抽取井和具有多个这类井的井区通常经由脐带电缆中的绝缘铜芯提供有来自水面或基于陆地的源的电力。通常，这类脐带电缆(umbilical)还携带在井实现某些控制功能性的液压动力线路(line)以及用于维护井的化学流(flow)线路。
随着脐带电缆老化，铜芯周围的绝缘可例如通过海水(water)进入或化学降解而降级。铜芯本身也可能降级。这种降级可导致铜芯传送电力能力的减小，使得井无法充分运转。当前，对这个问题的唯一解决方案是更换脐带电缆，这是非常昂贵的。
另外，情况常常是，过去铺设的井区达到基础设施设计使用寿命的期限，但仍然可以能够生产碳氢化合物。因此，操作人员可能需要升级基础设施以便延长井区使用寿命。与原始铺设相比，升级的基础设施通常例如由于对监测老化设备的更多传感器、一般增加的电子器件以及因变化引起对所生产流体的更多测量等的需要而具有更高功耗。
原始脐带电缆已经设计成满足原始功率要求，并且因此对于升级的设备可能是不够的。操作人员则面临如上所述费用很高的更换脐带电缆或者商业上不合要求的限制海底所设置设备的量的选择。
从US 2006/0006656、US 2005/0179263、WO 2009/122174、GB1595529、US 4112687、WO 97/23708、US 2006/016606、XP 002532127(OTC 15366，2003年5月5日，第1-8页)、US 4781029和US 3568140中已知具有水下发电形式的系统。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。具体来说，本发明提供对更换脐带电缆的极端解决方案的更低成本备选方案，并且允许无限制地进行升级。这个目的通过在装置提供辅助发电部件以补充在装置从脐带电缆接收的电力来实现。在具体实施例中，辅助发电部件包括化学流电池。
使用本发明，可增加由脐带电缆所运送的电压和电流中任一个或两者，以便满足井树(well tree)设备的需求。
根据本发明的第一方面，提供用于向水下井装置提供辅助电力的方法，该装置经由脐带电缆链接到水面位置以补充在装置从脐带电缆接收的任何电力，该方法包括下列步骤：
在装置提供发电部件；以及
提供电力输出线路用于将发电部件生成的电力传送给装置。
根据本发明的第二方面，提供在水下装置提供电力的方法，包括下列步骤：
在装置提供化学流电池；
提供化学供应通道用于向流电池供应操作(operating)化学品以供发电；以及
提供电力输出线路用于将流电池生成的电力传送给装置。
根据本发明的第三方面，提供用于向水下井装置提供辅助电力的方法，该装置经由脐带电缆链接到水面位置以补充在装置从脐带电缆接收的任何电力，该方法包括下列步骤：
在装置提供化学流电池；
提供化学供应通道用于向流电池供应操作化学品以供发电，化学供应通道包括脐带电缆中容纳(house)的流线(flowline)；以及
提供电力输出线路用于将流电池生成的电力传送给装置。
根据本发明的第四方面，提供包括化学流电池的水下井装置。
根据本发明的第五方面，提供包括根据第四方面的水下井装置、水面位置以及链接水面位置和装置的脐带电缆的设施，脐带电缆设置用于向装置供应电力并且从水面位置向流电池提供操作化学品。
附图说明
将参照附图来描述本发明，附图中：
图1示意示出具有增加供应给井的电流和/或电压的布置的本发明第一实施例；
图2a示意示出配置成增加供应给井的电流的图1中设备的一部分的放大图；
图2b示意示出配置成增加供应给井的电压的图1中设备的一部分的放大图；以及
图3示意示出具有用于直接向井设备提供电力的布置的本发明另一实施例。
具体实施方式
图1示意示出本发明的第一实施例，其配置在其中经由脐带电缆1从水面位置向海底井装置供应的电流和/或电压例如由于脐带电缆1的铜芯降级或者已更新井设备提高的要求而被限制到低于井区要求的情况下使用。
示出携带三条不同线路的脐带电缆1：一般向装置运送AC电流的电力线2以及两个化学流线路3和4。通常将存在各种其它线路，例如液压控制线路、其它电气和化学线路，为了清晰起见而未示出。在有利实施例中，化学流线路3和4中的任一个或两者可包括备用线路、如脐带电缆中未用的液压流体线路，即，最初预计在水面与装置之间运送液压流体的线路。这种布置帮助将本发明改型到现有系统。还可使用其它备用线路，例如备用化学供应线路。
脐带电缆1在海底端接(terminate)于脐带电缆端接部件(UTA)5，该部件可位于装置的各个位置，例如在单独维护井时位于井头部或者在维护井区时位于中心位置。
电力线2经由UTA 5和电气线路12以及下面将描述的变压器14向井树20提供电力。化学流线路3充当为化学流电池7供应操作化学品的化学供应通道，而在本实施例中，流线路4充当用于将用过的(spent)化学品从流电池7返回到水面的化学去除或返回通道。提供流线路6和8用于分别向流电池7运送操作化学品并从流电池7运送用过的化学品。这两种线路6和8连接在UTA 5与电池7之间。
在这个实施例中，由流电池所使用的用过的化学品经由线路8返回给UTA 5并且通过脐带电缆1中的备用管4返回到水面位置。用过的化学品可在水面位置被再充电，并且随后返回给流电池。
由流电池7所使用的操作化学品通常包括电解液中溶解的电活化粒种，其中电池7包括将化学能转换成电能的电化电池(未示出)。
在将操作化学品供应给流电池7时，流电池7生成DC输出，DC输出经由连接9传递给电子换流器(inverter)10。换流器10将DC输入转换成AC。AC输出使用经由信号线13得到的相位信息自动与脐带电缆AC供应调整相位。更详细来说，换流器内部控制电子器件经由线路13监测脐带电缆的AC供应，并且将换流器频率和输出相位调整到与脐带电缆AC供应的完全匹配。使输出电压最大，该电压可能与从流电池7可用的供应电压和电流相关。仅当实现这个方面时，换流器输出才切换到输出连接。来自换流器10的输出经由连接11连接到变压器14。
图2a以放大图(即，示出图1的圆圈区域的放大视图)示出变压器14连接。在所示实施例中，建立连接以便向井树20提供附加电流。在这里可看到，来自换流器10和脐带电缆1的输出实际上并行连接。变压器14的一组绕组与换流器10的输出串联，而另一组绕组跨接在脐带电缆1的输出。两组绕组实质平衡。这样，来自换流器10的输出电流补充来自脐带电缆1的电流，使得馈送到井树20的电流比这些单独输入电流中的任一个大。
图2b示出图2a的备选配置，其中建立连接以便向井树20提供附加电压。在这里可看到，来自换流器10和脐带电缆1的输出实际上串联连接，并且与脐带电缆供应同相。变压器14的一组绕组与换流器10的输出串联，而另一组绕组与脐带电缆1的输出串联。变压器14不平衡，使得与脐带电缆输出相比存在更多数量的绕组与换流器输出串联。使用这种配置，输出到井树6的电压16被提升到大于接收自脐带电缆的输出电压15。
如果井树20所需的电压和电流均比脐带电缆1输出的大，则可采用包括图2a和图2b的配置、即可采用两个换流器和变压器的配置。
图3示意示出具有直接向在井树20的设备提供DC电力的布置的本发明另一实施例。
所示布置大体上具有与图1组件相似的组件，而无需进一步描述。主要差别在于，来自流电池7的DC输出直接发送到井树20的组件(未示出)，即不需要换流器或变压器。当然，例如电阻网络的标准电气组件(未示出)可用于确保流电池所供应的电流和电压适合于有关井树组件。
另外，图3还示出一种布置，由此由流电池7使用的用过的化学品没有直接被返回到水面，而是馈送到并且存储在水下的储存箱(storage tank)17中。这个储存箱17可定期清空或者根据需要返回到水面。
上述实施例只是示范性的，并且在权利要求书的范围之内各种备选方案是可能的。
来自换流器10的AC输出与脐带电缆AC供应的自动相位调整可按照与以上所述不同的方式来实现。例如，代替使用专用监测线路13，由DC源供电的换流器10中内部控制电子器件可“查看”输出AC连接，并且相应地将换流器频率调整成与脐带电缆供应的匹配。当实现这个方面时，换流器输出则可切换到输出连接，使得AC换流器输出这时连接到脐带电缆的AC供应。内部控制电子器件这时调整换流器输出电压和相位，以使来自换流器的同相输出电流最大，同相输出电流取决于从DC源可用的供应电压和电流。
脐带电缆中用于操作或用过的化学品的线路可以是专用线路，或者备选地可以是备用线路(例如未使用化学品或液压流体线路)。
具体描述的实施例示出由流电池使用的用过的化学品借以返回到水面或者存储在水下的布置，但是，如果是环境可接受的则能够将它们排放到周围水体(water)。另一备选方案是沿本地注水井来处置用过的化学品。
水下系统可使用例如图2a、图2b和图3所示的电池结构的组合。这些可使用在路线之间进行电切换的一个单电池或者具有专用路线的单独电池或者它们的组合来设置。所述或每个电池可与其它发电源、如洋流驱动涡轮机结合使用。
电池和/或UTA可位于水下装置内的各种位置，例如位于井树、集合管(manifold)、专用模块等。
虽然上述实施例集中于老化脐带电缆不足以达到目标的实例，但是流电池的使用并不局限于这些情形，而是自然可用于水下装置以便例如在故障情况下提供备用或紧急电力。同样，电池可用于为无论是否位于井头部的各种不同水下组件供电。
在备选实施例中，现有化学注入线路可用作流电池的化学供应通道。在这种情况下，流电池的操作化学品例如可在水面位置与操作装置所需的其它化学品进行组合，使得这些化学品在同一条线路中一起供应给装置。这类其它化学品的示例是广泛用于维护井的单乙二醇(MEG)和甲醇。在这种情况下，组合的化学流体可流经流电池，并且然后注入由井所生产的生产流体(即油或气体)。这将沿标准生产流体返回线路被发送到水面，其中成分在水面适当分离。
上述实施例全部涉及流电池的使用。但是，可在水下装置采用备选发电部件，以便补充接收自脐带电缆的电力。这类发电部件包括：
-热电发电
由于地热加热，来自碳氢化合物井的生产流体通常处于比装置附近的水体更高的温度。这种升高的温度可用于得到电力。例如，这种发电(generation)可涉及Rankine循环过程。在这里，超临界二氧化碳(CO2)可用作工作流体，以海水作为散热器。二氧化碳可通过与生产流体(例如油或气体)管道壁接触来加热，并且经过本领域已知的膨胀-收缩循环。例如，适当的膨胀器包括螺管型膨胀器或径向流入涡轮机。备选地，可通过使用有机工作流体代替二氧化碳来采用有机Rankine循环过程。适当的流体包括例如R-134a、R-245fa、丙烷、丁烷和戊烷。在另一备选实施例中，可安装多个Rankine循环。这允许在主要系统出故障的情况下接通代替者，即因而提供备用系统。
备选地，固态热电发电机可用作发电部件，从而使用依靠固态温度差的已知Seebeck效应来发电。在这里，生产流体再次可用于提供部分固态材料的升高发热，同时海水可用作散热器。
-动力发电
作为替代或补充的电源可包括从位于装置的水轮机得到的能量。这些水轮机可用于以已知方式把来自水流流动的动能转换成电能，再次补充从脐带电缆所供应的电力。例如，电力还可从潮汐运动或表面波来获得。这些方法都遭遇潜在缺点，因为所产生的能量可受到波动。会产生更恒定能量供应的另一备选方案是将涡轮机定位在所生产的流体流中。
在另一实施例中，在装置所产生的电力例如可在本地通过使用燃料电池、蓄电池(battery)、电容器等来存储在装置。这样，可缓解与多变能量生成相关联的问题。另外，能量可存储到其被需要时，这在装置的能量需求可变的情况下特别有利。
还设想其它发电部件的使用。
Claims (13)
1. 一种用于向水下井装置提供辅助电力的方法，所述装置经由脐带电缆链接到水面位置以补充在所述装置从所述脐带电缆接收的任何电力，所述方法包括下列步骤：
在所述装置提供化学流电池；
提供化学供应通道用于向所述流电池供应操作化学品以供发电，所述化学供应通道包括容纳在所述脐带电缆中的流线；
经由所述化学供应通道将所述操作化学品供应给所述流电池；以及
提供电力输出线路用于将所述流电池生成的电力传送给所述装置;其中电力由所述操作化学品的化学反应生成。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述化学供应管道包括备用化学或液压流体流线。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述化学供应管道包括所述脐带电缆中用于将其它化学品传输给所述装置的化学注入线路，并且所述方法包括在所述水面位置将所述流电池操作化学品与所述其它化学品进行混合的步骤。
4. 如权利要求1所述的方法，包括：在远离所述装置的位置提供化学资源。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，在所述水面位置提供所述化学资源。
6. 如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：提供在发电之后从所述流电池去除用过的化学品的化学去除通道。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述化学去除管道包括将所述用过的化学品运送到水面位置的流线。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述流线位于所述脐带电缆中。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述装置用于生产生产流体，并且所述流线在使用时将所述生产流体传输到水面。
10. 如权利要求1所述的方法，包括下列步骤：将所述流电池的DC输出转换成AC，并且将这个电流与在所述装置从所述脐带电缆接收的电力进行相位调整。
11. 一种水下井装置，所述装置经由脐带电缆链接到水面位置，所述装置提供有补充在所述装置从所述脐带电缆接收的任何电力的部件，所述部件包括：
在所述装置的化学流电池；
用于向所述流电池供应操作化学品以供发电的化学供应通道，所述化学供应通道包括容纳在所述脐带电缆中的流线；
用于经由所述化学供应通道将所述操作化学品供应给所述流电池的部件；以及
用于将所述流电池生成的电力传送给所述装置的电力输出线路;其中电力由所述操作化学品的化学反应生成。
12. 如权利要求11所述的装置，其中，所述化学供应管道包括备用化学或液压流体流线。
13. 如权利要求11和12中任一项所述的装置，其中，所述脐带电缆连接到脐带电缆端接部件，所述脐带电缆端接部件通过化学流线路链接到所述流电池用于向其供应操作化学品。
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