向海底高速电机提供稳定海底电力输送的系统

摘要

本发明提供了可在海底步进长度大于40km运行的海底增压系统，所述系统只需要在一干燥甲板或岸上区域进行控制，其特征在于，所述系统包括：至少一个海底电力步进电缆，所述步进电缆设置在干燥的岸上区域或甲板到一个或多个海底负载之间，所述海底负载例如可以为远端的海底泵或海底压缩机或其它负载，所述步进电缆连接在近端的至少一个电力源上，所述步进电缆被做成一尺寸以一频率进行运行，该频率不同于连接的海底负载的运行频率，从而用于处理Ferranti效应和电损耗问题；以及至少一无源电频率变换器，起作用地连接在海底步进电缆远端和海底负载之间，所述变换器设置在一压力容器中，以用于将海底步进电缆的运行频率转换为连接的负载的运行频率。

说明书

技术领域

本发明涉及海底技术，具体地，涉及用于石油生产的海底技术。更具体地， 本发明涉及用于石油生产或相关海底设备操作的系统、设备以及方法。本发明 最相关地可用于需要通过长海底步进电缆进行海底长距离高压交流电传送的装 置，例如，用于泵和压缩机的、通过控制电频率来控制转速的电机。

本发明可解决由费冉倜（Ferranti）效应和集肤（skin）效应所带来的问题， 因此，相对于现有技术，可获得更长的海底步进长度。

背景技术和现有技术

在过去的几十年，全球能源消耗成指数增加，且还在不断增加。而矿物燃 料的开采的重点在陆地，有限的数量使得人们将开始努力去探明和开采海上油 气田。目前，用于海上油田的现有技术主要使用固定或漂浮平台，并将海底油 井与海底生产模板一起与这些平台搭接在一起。在另外一些情况下，油气生产 直接被连接到岸上的接收设备，没有平台。为了保证从海底附属设备到中心平 台或直接到岸边有足够的高生产率，可以通过使用多相泵或分离泵送和压缩来 实现增压。泵也被安装在海床上，以直接将海水注入到储层中，从而为高石油 生产提供压力支持。

·相对于固定在平台上，将泵和压缩机固定在海底具有以下优势：

·工作人员更安全，工作人员不需要工作、生活在平台上，也不需要通过 直升机运送到平台或离开平台；

·不会发生火灾或爆炸的危险；

·从平台到海床、从海床到平台的采油立管不会发生爆裂；

·不会受到人为破坏；

·节约了人力和物力，即降低了油气的生产成本；

·由于压缩机和泵的吸气作用更接近井口，可增加油气产量；

·装置的外部环境更稳定，即，围绕装置周围的温度几乎是恒定低温，海 水流速也几乎是恒定的，没有波浪，而在平台上其温度的变化范围例如从-20℃ 到+30℃，而风速可能达到飓风夹带极端波浪；

·低温的海水可用于冷却电机以及其它电子、电力装置和处理液；

·不会存在可视的污染；

·可明显地减少重量，从而减少海底设备构造的材料和能源需求；

·更少的二氧化碳，即由于更少的材料，从而可减少用于构造的气体排放；

·由于无需直升机以及平台的运行，因此，运转过程中二氧化碳排放更少；

·相对于平台，由于用于运行机压缩机和泵的电力电机以及陆地或平台的 电力供应的减少，减少了二氧化碳；

·每单位油气重复产生更少的能量消耗以及气体排放。

到2010年为止海底压缩机的缺点在于，还没有在海底被安装和运行过，即 该技术尚未被证实。尽管如此，这只是时间问题，由于海底压缩机具有这么多 优势，相信第一台海底压缩机站将会在2015年甚至更早成为可能。

海底增压是一种新近的技术。而需要一明显海底步进长度的海底增压则是 一种非常新近的技术，该技术使用了现代化设备，以针对这些尚未解决的或在 别处不相关的问题。

专利公开文献WO2009/015670中描述了本技术相关的现有技术，其中， 使用了第一转换器以及第二转换器，该转换器设置在海底步进电缆的近端、水 上或岸上。第二转换器设置在海底步进电缆的远端、海底远端。变速传动装置 VSD，可预设在步进电缆的任意一端。用于电机的海底变速传动（VSD）也被 称为变频传动（VFD）和频率转换器，或仅被称为转换器。这些装置展现了现 有技术。然而在WO2009/015670或其它公开文献中都没有提到Ferranti效应， 也没有对与海底VSD相关的问题进行讨论和描述。

到目前为止，只有少数海底泵且没有海底压缩机在运行。尽管如此，海底 压缩机站正在被研发，在未来几年有望第一次安装和运行。目前，所有的海底 泵以及压缩机都由异步电机传动。安装的泵的步进距离从平台或离岸不超过 30km，到目前为止，其深度不超过1800m。众所周知地，目前石油工业领域正 在主导许多研究和项目，以实现步进距离在40到150km范围内、在水下深度 达3000m甚至更深处实现压缩机的安装。

现实的电机功率大约为用于小型泵的200KW到用于压缩机的15MW，在 将来更大功率的电机将会出现。

目前安装的海底电机可通过来自电源场所的AC（交流电）电缆提供电源， 即，平台或岸上区域的AC电缆提供。在存在多个电机的情形下，每个电机有 其独立的电缆以及位于近端的频率转换器（变速传动VSD，有时也可以称为可 变速传动ASD或变频传动VFD），以用于控制位于电缆远端的每个电机的转 速，如图1和表2所示。

在该专利申请中，近端指的是靠近电源的电力传送端。在海底应用中，该 端位于平台上或岸上区域。对应地，远端指的是靠近电力负载的电力传送线的 另一端，通常地电力负载指的是电机负载。远端并不严格限于电力传送线的高 压端。该术语可以被扩展为母线或低压终端，以作为远端站的一部分，例如， 海底变压器低压侧的共同海底母线。

通常情况下，压缩机以及泵分别运行在最大转速4000到14000rpm以及 2000到5000rpm。这样，当使用现代高速电机，且在电机和泵或压缩机之间不 存在变速箱时，传动电机必须具有2000到14000rpm的额定转速。该机械转速 与用于提供传动的大约为30到230Hz电频率范围相对应，该电频率可用于例 如一个两极电机。具有多极对的电机对于相同电频率以降低最大整机转速。

图1示出了目前为止用于将电力传送到安装的泵的解决方案，其中，在一 些情形下VSD和海底电机之间可不存在变压器，该方案可以被称为第一方案。 该方案中每个电机具有一传送电缆，缺点在于对于较长步进距离成本会增加， 比如说当长达50km以上时，则会带来高电缆成本。

该方案的严重阻碍在于在一定海底步进长度，从近端电源到远端电机的电 力传送不可行，这是因为由于Ferranti效应传送系统将出现电力不稳定，这在 后续将进行描述。本发明将解决该不稳定的问题。

图2示出了一方案，该方案可用于将电力传送到长步进处的多个负载，该 方案可被称为第二方案。该方案使用共同的传送电缆，并具有一海底电力配送 系统，该系统中每个电机具有一海底VSD（变速传动）。该方案可以显著地减 少用于传送的电缆的成本，也可以通过将传送电缆中的电流频率限制在例如 50-10Hz内以防止电力的不稳定，而对于这样的频率集肤效应也是可以接受的， 然后，通过VSD增加频率以适应连接在VSD上的电机的转速。尽管如此，该 第二方案也存在缺点。这些昂贵的VSD并未被证明可用于海底，另外，由于这 些VSD由许多电气、电子元件组成，其中的元件包括一控制系统，因此，这些 VSD容易收到影响，从而导致电力传送以及海底配电系统的失效率增加。

在后续将对现有第一方案（如图1所示）固有的电力问题进行描述，其中 长电缆的远端存在一电机。如图3所示的第三方案，在共同长传送电缆的远端 存在多个电机，在近端设置有一共同的VSD。

对于从电源到负载的长步进距离，大约50km及以上，海底电缆的影响是 巨大的，以至于用于一限定负载例如一单个电机的这样一个系统至今还未建成。 从电源到负载的线路电感和电阻包括一巨大的电压降，众所周知地，该电压降 可自放大，从而导致远端的电压为零。步进距离越长，传送电压就必须越高， 以减少沿着传送线的电压降。尽管如此，具有高电容的电缆以及长距离AC（交 流电）电缆将显示出明显的所谓Ferranti效应。该Ferranti效应是一种熟知的现 象，即：线路或电缆的电容充电电流随着线路长度随着电压水平的增加而增加。 在100km的步进长度，电缆中的充电电流可以比负载电流还高，从而难以证明 该低效的传送系统是有效的。更严重的后果是空载电压高于近端电源电压的 50%，从而破坏远端变压器以及连接件。骤然的负载降时远端电压将跳至该高 水平电压。另外，将会出现一短暂的例如总电压50%到100%的最高峰，如下 面表1所示，其中，使用宽斜体字符标识的值高于绝缘材料的电压等级界限。

目前具有步进距离为大约30km的系统并不存在该问题，这是因为海底的 步进长度和电力负载的结合仍然是可行的。

表1不同系统中由于Ferranti效应导致的负载行程中的电压上升

Ferranti效应以及集肤效应-一些应考虑的事项：

Ferranti效应是在长传送线路中相对近端电压发生的远端电压上升的现象， 当线路充电，但只有非常轻的负载或负载未连接时会发生。

该效应是由于流经（由于充电电流产生的）线路电感的电压降引起的，该 线路电感与发送端电压同相。因此，电容和电感都是产生该现象的原因。线路 越长、施加的电压越高，该Ferranti效应将会更显著。电压上升与线路长度的 平方成正比。

由于高电容，因此，与空中悬浮的线路相比，即使在较短的线路长度中， 在水面下和海底下的电缆中的该Ferranti效应更明显。

对于给定系统可使用提出的公式来确定Ferranti效应：

V_f=v_n(1+ω×C×L×l²)

其中：

V_f=远端电压；

v_n=近端电压；

ω=2×3.14×f

f=频率；

L=线路电容；

l=线路长度；

l²=线路长度的平方。

在文献中还可以找到其他用于表示Ferranti效应的公式，但在任何情况下 都认为该效应随着传送频率、电缆电容、电缆长度以及电压的增加而增加。

从以上公式可以得出，长传送线的Ferranti效应可通过适当地减少电频率 来补偿。这也是第二方案使用海底VSD的原因，传送频率可以例如为通用50Hz 的欧洲频率。

使用低传输频率的另一有益效果在于可明显地减少传输线路/电缆的电集 肤效应，即更好地利用电缆的截面区域。在具体实施中，由于集肤效应以及对 应的高传送线电阻，长距离传送线上（比如说100km甚至更远）的高频率电力 的传输（比如说100Hz甚至更高）将可能被禁止。

这样，对于给定频率传输下，不得不评估Ferranti效应以及集肤效应在不 同情况下是否可被接受。因此，存在这样一种需求，以提供有益于解决前述问 题的海底电力传输系统。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行描述，其中：

图1-3为现有技术实施例；以及

图4-8为本发明实施例。

发明内容

本发明提供了一种海底增压系统，可用于海底步进长度40km以上运行， 只需要在干燥的平台甲板或岸上区域进行控制即可。该系统的特征在于，该系 统包括：

至少一根海底电力步进电缆，所述步进电缆设置在干燥的岸上区域或甲板 到一个或多个海底负载之间，所述海底负载例如可以为远端的海底泵或海底压 缩机或其它负载，所述步进电缆连接在近端的至少一个用于提供电力源上，所 述步进电缆被做成一尺寸以一频率进行运行，该频率不同于连接的海底负载的 运行频率，以处理Ferranti效应和电损耗问题；以及

至少一无源电频率变换器，运转地连接在海底步进电缆远端和海底负载之 间，所述变换器设置在一压力容器中，以用于将海底步进电缆的运行频率转换 为连接的负载的运行频率。

早期没有海底增压系统考虑到Ferranti效应。由于Ferranti效应，步进电缆 的绝缘层可能会被远端不能控制的高压破坏，因此，早期带有海底VSD的系统 不能用于许多应用中。特征术语“无源电频率变换器”指的是，相对于海底VSD， 该变换器在其运行时间或其它的增压系统使用时变换器不能在现场被调整，该 变换器为一无源伺服装置，即无源频率步进设备或无源频率降低设备。海底 VSD非常复杂、庞大和昂贵，通常地大约为12m高，3m的直径，重约20吨。 该无源变换器相对于海底VSD则更小、更简单，通常地大约为8m长，2-3m 的直径，重约50吨。该变换器的可靠性估计是海底VSD的几倍。这是因为海 底VSD过于复杂，即使所有组件都是顶级质量，但是其庞大数量的组件以及复 杂性也会降低其可靠性。相对于使用海底VSD的现有技术，本发明系统的成本 可以显著地降低。术语“其它负载”包括向控制系统供电电源，其它负载不一定 要与增压相关。

无源电频率变换器的输入和输出电频率可以不同，由于变换器是无源的， 因此，输入、输出电频率比例为一固定比例。步进电缆的输入频率、运行频率 位于0-150Hz的范围内，例如，2-80或4-50Hz或5-40Hz，而输出频率位于0～ 350Hz的范围，例如，30-300Hz，50-250Hz或50-200Hz。该海底频率变换器 可设置在一个或多个外壳中，以作为一个或多个组件。尽管如此，变换器的所 有组件必须能够抵抗海底恶劣的环境，而不发生失效。在本发明中，相对于现 有的例如海底固态变速传动，海底变换器的长期成本、可靠性以及相关的系统 可以明显地得到改善。

步进电缆的运行频率必须考虑到Ferranti效应以及电损耗。绝缘层是一个 关键因素，最优选地，导体以及绝缘层的尺寸以及运行频率的选择也是，这样 在电缆的远端，Ferranti效应增加的电压和电损耗差不多。因此，由于Ferranti 效应引起的远端的过电压可以被避免，从而可简化电缆的设计。本申请提供的 指导（通过与好的工程实践）足够用于合适的步进电缆设计，包括运行频率的 选择。该方案可以在各个情形中找到。之后可以设计出无源电频率变换器，以 将步进电缆的运行频率转换为海底负载的运行频率，即海底压缩机或泵，或更 多具体的海底压缩机或泵的电机。

本发明还提供了一无源电频率变换器，以起作用地连接在海底步进电缆远 端和用于海底增压的海底负载之间，其特征在于，所述变换器设置在一压力容 器中，用于将海底步进电缆的频率转换为可用于连接的负载的运行频率。所述 变换器可增加电力的频率（例如，增加范围为1.1到5倍）或降低电力的频率 （例如，降低范围为0到0.9倍）。优选地，所述变换器包括一电机以及具有 共同轴的发电机，所述发电机的极数为所述电机的多倍，优选地，所述变换器 封装在一个耐压壳中，在所述耐压壳中设置有一压力补偿器。对于高电力，一 般情况下，一压头被提供以用于连接三相输入中的每一相以及一三相输出。可 选地，具体对于相对的低电力，用于所有三相输入和输出的一共同压头可以被 使用，或更优选地，所述变换器包括机械传动、流体动力的或液压传动、机械 流体动力传动、磁力传动、静态（固态）无源频率提升设备或整流器中的一个。

可选地，本发明还提供了一海底增压系统，该系统可运行在海底步进长度 高于40km的范围，其特征在于，所述系统包括：

至少一根海底电力步进电缆，所述步进电缆设置在干燥的岸上区域或甲板 到一个或多个海底负载之间，所述海底负载例如可以为远端的海底泵或海底压 缩机或其它负载，所述步进电缆连接在近端的至少一个电力源上，所述电力源 用于以恒定频率提供电力并被所述步进电缆连接，所述步进电缆被做成一尺寸 并以所述恒定频率或更低频率进行运行，在所述更低频率情形中，朝向所述步 进电缆近端连接有一降频设备，以处理Ferranti效应和电损耗；以及

至少一有源电频率变换器，所述变换器起作用地连接在海底步进电缆远端 和海底负载之间，所述变换器设置在一压力容器中，以用于将海底步进电缆的 运行频率转换为连接的负载的运行频率。

一可选系统，该可选系统可用于连接到一恒定频率电力源，所述电力源可 以为频率为50Hz的电力源，在该情形下，变换器的频率调整发生在步进电缆 的远端，但优选地，该调整由甲板或岸上区域的控制室进行控制，因此，该变 换器可被称为有源电频率变换器。这是为了区别于现有技术中描述的位于海底 步进电缆任一一端的有源控制设备。当对于步进长度、步进电缆导线以及绝缘 尺寸和类型来说，恒定频率过高时，一降频设备被连接，以用于降低步进电缆 运行频率。该可选系统的所述有源电频率变换器包括一可控的机械传动、一流 体动力的或液压传动、一机械流体动力传动、一可调整磁力传动，或一单一的 用于多个海底负载的通用海底变速传动中的一个，包括的这一个起作用地连接 在海底步进电缆远端和海底负载之间，以通过调整传动比控制连接的负载的转 速。

根据本发明，本发明还提供了用于操作海底增压系统的方法，其特征在于， 所述方法包括：

通过仅调整连接到一海底步进电缆的近端甲板或岸上区域的设备的参数， 调整连接的负载的转速。与现有技术系统相比，本发明所有的海底设备都是无 源的“伺服”设备，调整只需要在干燥的甲板或岸上区域在步进电缆近端被请求 并成为可能。

在本发明的可选方法中，可使用本发明的可选系统，只有有源调整发生在 海底电缆远端。

本发明还提供一种海底增压的方法，该方法使用了本发明的海底增压系统， 所述海底增压系统通过海底步进长度大于40km处的海底泵和压缩机的运行实 现增压，其特征在于，所述方法包括：

设置及定制至少一根海底电力步进电缆，所述步进电缆设置在干燥的岸上 区域或甲板到一个或多个海底负载之间，所述步进电缆连接在近端的至少一个 电力源上，所述步进电缆被做成一尺寸以一频率进行运行，该频率不同于连接 的海底负载的运行频率，以处理Ferranti效应和电损耗问题；

在至少一无源电频率变换器中将步进电缆频率转换为连接的负载的运行频 率，所述至少一无源电频率变换器起作用地连接在海底步进电缆远端和海底负 载之间；以及

运行所述海底增压系统。

进一步地，本发明提供了海底增压系统的使用，该使用可用于对海底步进 电缆远端的海底增压泵或压缩机进行操作，海底步进长度超过40km，所述海底 增压不需要海底控制装置。

最后，本发明提供了一种本发明无源电频率变换器的使用，所述使用用于 起作用地连接在一海底步进电缆远端和用于增压的海底负载之间。

具有频率提升功能以运行AC电机的本发明实施例

在本发明的实施例中，如图4和图5所示的第四方案，本发明实施例的主 要特征在于引入了海底频率提升设备（FSD），该FSD位于传输电缆的远端、 距离电机的一短距离处，该电机运行有压缩机和泵。在本申请上下文中短距离 意味着足够地近，以保持可接受的欧姆电阻电压降以及发电机和电机之间的功 率损耗，同样也意味着足够在地短，以避免产生Ferranti效应以及不稳定。重 要的是，应注意海底FSD并不是通过本地控制系统根据需要来调整转速以直接 控制频率来适合电机的运转转速。根据恒稳态生产需要，转动启停、升降的变 化可以由远离海底FSD的近端海面上的VSD来实现。FSD为VSD的简化伺服 器，他们的目的仅在于将由VSD给定的传输频率提高几倍。

该提高在早期中是通过海底电机来实现的，其中，海底电机轴连接在一海 底发电机上，两者具有相同的转速，即：海底转动FSD（SRFSD）。任何类型 的连接（例如，柔软的、刚性的、电机和发电机使用共同轴、液压的、流体的 连接）都可以被使用，以获得电机和发电机相同的转速。优选地，电机具有2 极，以保持传输频率尽可能地低，而发电机的极数则可以根据传输频率进行频 率提升的需要进行选择。该传输频率比较低，从而不会产生前述由Ferranti效 应导致的问题、不稳定以及由于集肤效应导致的高电阻，该集肤效应会产生对 应的不可接受的电压降，该传输频率范围即为“无问题频率范围”。

通过2极电机以及4极发电机，则频率提升比为2∶1，通过2极电机以及 6极发电机，则频率提升比为3∶1，通过2极电机以及8极发电机，则频率提 升比为4∶1，因此，频率提升比决定于发电机的磁极数目。这意味着当来自海 上的VSD的频率位于50Hz范围内时，来自海底RFSD设备的海底频率则位于 100Hz的范围内，对应于来自2极电机的转速6000rpm。当使用8极发电机， 对应的上升后的频率为200，4极电机的转速为12000rpm。这些示例清楚地表 明了，本发明通过转动型海底型RFSD的电机和发电机的结合，可以为具体的 电机转速提供任何需要的频率，以达到无问题传输频率。

通常地，频率提升比可以表示为：

Fs-u=n×ft，其中，

ft：传输频率，Hz

fs-u：频率提升后的频率=输入到电机的频率，Hz

n：倍数2、3、4等，倍数决定于发电机与电机极数的比值。

无问题频率范围必须根据不同情形进行计算。对于步进距离达到比如 150km时，高达比如为75Hz的传输频率则位于无问题范围，该范围假定一2 极压缩机，当频率提升比为2∶1（2极电机以及4极发电机）时，电机转速为 2x75*60=9000rpm。当作为无问题范围的75Hz被发现较高时，则可以使用3∶ 1的频率提升比（2极电机以及6极发电机），对于给定的示例，该频率提升比 可减少传输频率到50Hz的最大值。该传输频率在整个石油或天然气田的生产 周期不会保持恒定。对于给定的情形，生产开始时近端的传输功率可能为 33.3Hz，而生产结束时传输功率可能为50Hz，这与远端2极压缩机电机6000 到9000rpm之间一转速相对应。

通过选择正确的频率提升比，其中频率提升比的选择可通过选择电机和发 电机的磁极数目来实现，可以无问题地传输AC功率到海底电机，传输的距离 （步进距离）可以从近端到300km或更远的远端。

使用2极电机有益于保持传输频率尽可能地低。当由于其它原因（例如， 转距或功率）发现使用其它更高极数的电机时，仍然可以通过选择发电机的磁 极数目获得期望的频率提升，例如，4极电机和12极发电机可获得3∶1的频 率提升比。

使用低频率和4极电机的优势在于：电机和发电机的转速慢，这样可以减 少电机中的摩擦损耗。这方便了在共同耐压壳中填充油的电机和发电机。

作为示例地，当传输频率为25Hz，4极电机被使用时，转速仅为750rpm， 这只会产生较低的摩擦损耗。为了从发电机中获得150Hz的频率，则需要24 极发电机。通过将传输频率从18变换到28Hz，发电机的频率将在6480到10080 的范围内变化，这非常适合于压缩机电机。

因此，传输频率变化区域的选择以及后续必要的频率提升比将基于足够低 的频率，以得到一稳定的传输以用于给定进步距离，并通过适合数目的磁极以 及电机和发电机的转距保证较低的Ferranti效应以及集肤效应。另外，充满油 的电机和发电机被优选时，转速必须被保持一限定转速下，以避免太高的摩擦 损耗，通常地，转速优选为750到1500rpm，即以25Hz的传输频率，用于为4 极电机获得750Hz的频率，为2极电机获得1500rpm的转速。

下面给出了一示例性表格，该表格描述了使用2极的海底压缩机传动（电 机）的转速，该传动使用了一电机-压缩机组，该组带有4极电机以及12极发 电机。

该表描述了高达50Hz的传输频率范围，该范围覆盖了压缩机的大多数实 际转速范围。

类似的表格如下所示，该表格用于描述2极压缩机传动，用于电机-压缩机 组的6极电机和24极发电机。

在该情形中，40Hz的传输频率就够了。

上述表格清楚地表明了传输频率可以被保持在较低水平，以避免由Ferranti 效应和集肤效应所带来的问题。

压缩机组的选择也是一个因素，从而可以自由地选择传输频率和频率提升 比，即一个压缩机组可以在合理的限制范围内被选择，以适合从一优化传输系 统得到的f_s-u。

原则上海底RFSD非常简单，不需要控制系统，这是因为频率提升后的频 率会被自动地获得，以作为SRFSD的发电机磁极和电机磁极比。

海底转动型频率提升设备的另一优点在于：输出电流和电压具有几乎完美 的正弦波形，该波形对电机非常有益，即，不需要电过滤器来实现平滑，以得 到该波形。

海底RFSD还向传输系统提供电感。这是由于电缆具有一较大的电容，因 此，SRFSD可以减少对近端电相补偿的需求。

在SRFSD中存在一些功率损耗，比如说5%，但是海底VSD也会有损耗， 尽管如此，可能会更低些。

当然，SRFSD的选择必须使得发电机输出电力为一给定频率，从而满足连 接的电机的要求。作为示例地，如果2极压缩机电机在10000rpm时会产生 10MW，此时，发电机的功率输出必须额外地加上一点，以补偿167Hz频率时 的损耗。SRSFD的电机必须对应地产生10MW的轴功率加上一些额外的功率， 以补偿损耗。

不利用电机-发电机的电机和发电机的不同磁极数目，则可以使用另外一种 方法，该方法在中间包括一固定增速传动，例如3∶1的增速传动。作为示例地， 当传输频率为50Hz时，4极电机将具有1500的转速，发电机的转速为4500rpm， 其输出频率为150Hz，从而为2极压缩机传动产生9000rpm的转速。根据需要， 固定增速和发电机磁极数目的结合也可以用来保持磁极数目的减少。作为示例 地，当比率为2∶1的增速传动插入到4极电机和8极发电机之间时，50Hz的电 机转速为1500rpm，而发电机的转速为3000rpm，其输出频率为200Hz，传动 的转速为112000rpm。通过在近端设置VSD，在50Hz范围内调整传输频率， 传动的转速可以被调整到合适的值。

在一些情形下，可以保持一固定的传输频率，从而从发电机得到固定的频 率，并得到连接的电机的固定转速，电机可为例如压缩机、多相或单相泵电机。 当电机运行一压缩机时，作为示例地，压缩机转速可被保持在一恒定值 9000rpm，一适合的流通能力以及压缩机的压力比，该压力比随着时间会发生 变化，并可以通过重新组合以及一些再流通进行调整。这将产生总系统最简单 的和最低的CAPEX，但由于压缩机上周期性再流通，会带来一些高功率损耗。 相对于可变频率，压缩机更频繁的重新组合也可能是必须的。一个优化的电力 传输和压缩系统必须基于一种情形到另一情形的计算，以确定优化的系统设计。

海底RFSD的设计

填充油的耐压壳

可选方案1

电机和发电机可通过合适数量的带有密封件的法兰组装在一共同的耐压壳 中。进一步地，在具体实施中，可通过以下方式实现：

电机-发电机具有一适合数量的轴承；

电机-发电机的转速足够低，以保持可接受的摩擦损耗，共同耐压壳中填充 了适合的液体，例如，油，从而润滑轴承，也可以冷却电机和发电机，优选地， 选择的油应电绝缘。

作为油的替代，该壳也可以填充水，或填充水和防冻液的混合物，例如， MEG，这些替代物需要对电机和发电机绕组完全电绝缘。

通过不完全充满液体，包括一定压力的气体体积，壳中的压力可以自由地 被选择。

一个优选的方案是在壳中填充液体，并在外界海水和耐压壳的内部液体之 间保持一压力平衡。这样，耐压壳的厚度最薄，同时也可以减少负载和对法兰 和密封件的要求。当通过穿过耐压壳的热流来对电机-发电机进行直接冷却时， 以及太低于海面时，可通过设置一外部冷却回路，以与外部海水进行热交换。

优选地，用于冷却回路的泵可以连接在电机-发电机轴上或可以为带有电机 的一独立泵。

当用于在液体中运行的磁轴承可用时，使用液体进行润滑轴承可以为一个 选择。关于该情形的详细描述，可以参考下面对充气壳的描述。

充气壳

耐压壳可以充入惰性气体，例如，干燥的氮气或干燥的空气。这种方式的 优点在于，相对于充油方式摩擦损耗更小，电机-发电机的转速可以更高。具体 的实施方式可以如下所述：

液体润滑轴承（例如油、水或水/MEG），并带有通过外部热交换或仅在壳 中的热交换的循环回路；

最小有一个泵，以用于润滑，该泵可以通过电机-发电机轴传动或由一独立 的电泵传动；

如果需要可以包括一冷却回路，通过最小一个风扇来使气体在密闭空间中 循环，或根据需要通过外部热交换器来实现。

作为液体润滑轴承的一可选方式，可以使用一磁轴承。用于气体的冷却系 统必须被订制以用于冷却磁轴承。

必须包括一用于磁轴承的控制系统，该系统可设置在电机-发电机壳的附近 或壳中或平台上或岸上区域。当控制系统位于电机-发电机外部的一个舱中，穿 过该舱壁的压头以及用于在控制系统和磁轴承之间提供电力和信号的电线是必 需的。如果控制系统也位于舱中，该舱可以设计为独立可回收的或不可回收的 舱。

壳中的压力可以被选择为1巴（bar）范围以及等于外部水压的范围甚至更 高。低压的好处在于低摩擦和损耗。高压的好处在于气体的热容量会随着压力 的增加而增加，可产生较好的冷却效果。高压的另一优点在于还可以减少对壁 厚的要求以及法兰和密封件负载的要求。当压力选择为接近等于外部海水压力 时，则对壳压力和法兰和密封件的要求类似于充液的压力平衡容器。

海底转动的VSD

前述描述了电机-发电机组中电机和发电机之间可通过液压或流体连接。该 连接具有产生“软启动”的优点，即发电机不是立即加载在电机上，而是随着时 间的推移慢慢地加载，这样高即时电流峰值可以被避免，使用该连接可以进一 步使得该连接可以被调整，这样，相对于恒定的电机转速，发电机的转速可以 被调整。这样，电机-发电机组可以被用作一海底变速传动，即海底转动变速传 动（RVSD），海面上的VSD可以被省略。

作为液体连接的替代，可以使用一机械传动来提高或降低发电机的转速以 及其输出频率。

当一些类型（液体或机械）的一可变的连接被使用时，可变连接的控制系 统可以设置在位于SRVSD外的独立舱中，或者优选地，该控制系统可以设置 海面上，以及优选地，连接到或集成在用于海底增压站、压缩机站或海底处理 中心或其它具有海底可变转速电机的系统的总控制系统。

重要的是，应记住当该SRVSD被使用时，甲板上的VSD会变得多余，带 有海面上VSD以及SRVSD并不是本发明的实际方案。

海底静态频率提升设备

可选地，一RFSD可以被使用作一海底静态VSD（SVSD），当该设备被 修改以适合传输频率的提升设备时，该设备可以以一简化的方式进行制造，以 具备可接受的高健壮性、可靠性以及可用性。一个最明显的简化是：用于设置 提升比的控制系统计算机可以位于海面上，并连接或集成在用于海面VSD的控 制系统，该海面VSD的控制系统真正控制着电机的转速。海底静态频率提升设 备（SFSD）的唯一功能在于以一设置的提升比n∶1提升传输频率。由于本地不 需要快速对海底SFSD进行回应，因此，可以将其设置在近端。

明显地，海面上的控制系统更易于维护和维修，这样位于海底的控制系统 将明显地增加海底SFSD的可用性。

相对于海底RFSD，使用海底SFSD的一优点在于，如果需要时，可以在 某一时间点对提升比进行重新设置，例如将提升比从2∶1增加到3∶1。

用于海底SFSD的、输入到控制系统的信号为传输频率，控制系统的输出 为一提升后电频率，通过一设置的提升比可以提升海底SFSD的输出的电频率， 以适合电机的实际转速。

在该情形中，其通用公式也是：

f_s-u=n×f_t，其中

n：倍数，该倍数不一定为一整数，可以设置为任何期望的数值，例如，2.3， 这不同于RFSD，在RFSD中，发电机磁极数目与电机磁极数目的比值n为一 整数。

可选地，SFSD可以设置一频率比为可编程地通过某一增加值来提升频率， 例如将100Hz加到50Hz的传输频率上，或按照更通用的公式：f_s-u=f_t+△f_a，其 中

f_t:传输频率，Hz

f_s-u：提升后频率=输入到电机的频率，Hz

f_a：增加的频率，Hz

具体方案的一些组件可以包括：

海底SFSD的组件可以组装到一个充有合适液体的压力容器中，例如，液 体可以为绝缘油，绝缘油还可用于冷却电的和电子的组件。

内部的油可以与外部的海水保持压力平衡，压力可以被保持在一巴到外部 压力之间的水平，这可以由组件耐压性来确定。

控制系统可以设置在耐压壳的内部，但更有益地，可以设置在一外部舱中 （可参考前述详细描述的填充油的壳）。

控制系统可以设置在海面上（甲板或岸上）。可选地，对于填充液体的容 器的替代，可以使用填充惰性、干燥气体的容器，例如，干燥氮气。壳内部的 压力可以被选择，从一巴到与外部水压相等甚至更高。高压的优点在于随着压 力的增加气体的热容量也会增加，从而产生更好的冷却效果。高压的另一优点 在于可以减少对壁厚度的要求，以及降低法兰和密封件上负载的要求。当压力 选择接近等于外部水压时，对压力容器和法兰以及密封件的要求类似于填充液 体的压力平衡容器。容器内部组件（即电的、电子的组件或其它组件）的耐压 性决定了压力的限制。

如果需要，海底SFSD的组件可以根据其各自对液体压力、流体压力以及 气压的耐压力以一优化的方式独立地设置，这些组件可以以下述方法设置在容 器中：

最健壮的组件可以安装在填充液体的容器中

液体耐压力低的组件可以安装在另一低压填充液的容器中

不能耐受液体的组件但可耐受高气压的组件可以安装在高压容器中

只能耐受低气压的组件安装在低气压容器中。

可以对不同的容器采取合适的冷却方式。

不同容器中的组件根据需要可以通过电线穿过容器壁中的压头进行连接。 海底可配对连接件也可以设置在容器间，以使得这些连接件可独立地安装和回 收。

应注意，以上采取分离的方式以在获得海底SFSD的组件在不同容器的优 化设置（需要考虑压头和连接件的数量），也可以应用到海底变速传动（VSD）。

一些注意事项

本发明的重要一点在于，虽然通常地VSD被用在近端，然而快速调整电机 负载的频率并不是重要的。随着时间一年又一年地过去，电机转速慢慢地被调 整，同时会产生蓄水池，油田压力会逐渐地减少，这样，就需要增加功率，即 电机转速。这就需要例如临时减少运行的电机，以连接一个或更多的电机。可 选地，对于电力传输系统的电流峰值或其它干扰，如果计算表明可行的话，不 用的电机可以直接连接到负载。根据已运行的电机的数量，有益地，在DOL（全 压启动）开始前，可临时减少频率。当启动一额外电机以及需要对所有电机同 步加速时，如果需要可以关闭电力。在压缩机站中，还有另一选择：如果要启 动已经停止的压缩机和泵，可以将所有泵和压缩机放入到一再流通中，然后启 动已停止装置，当其达到期望的转速时，将所有位于再流通线上的压缩机和泵 切换到生产模式。

上述描述的设备和方法，使得可以对Ferranti效应和集肤效应进行管理， 从而明显地扩大用于稳定海底高压电力传输的步进距离。

因此，最大实践步进距离可以得到较大的增加，而不需要引入使用频率的 本地海底控制的海底VSD。因此，图4和图5中提升设备都没有本地控制系统 来根据需要改变频率以及电机的转速。他们都没有直接控制频率的降低，以添 加已停止电机来进行运行。他们也没有直接控制频率的提升来获得电机实际转 速，以适合生产要求。

如果RFSD具有油润滑轴承，则不需要该轴承的任何控制系统。如果发现 有益的话，可以只设置监控仪器，例如，进行振动和温度监控。

如在“背景技术和现有技术”部分的描述，通常地，压缩机的转速例如位于 4000到14000rpm的范围，泵的转速例如位于2000到5000rpm的范围。根据本 发明（第四和第五方案）当压缩机站中的压缩机和泵电机通过一共同传输电缆 被提供相同频率时，通过使用用于泵的4极或更多极的电机以及用于压缩机的 2极电机，泵的转速可以被容易地调整到压缩机转速一半的期望转速。如果泵 被用于控制压缩机站内分离器的液体量，通过再循环以及配置流量控制阀可以 使得泵能够实现适合的可变的净正向流动。

因此，泵的转速可以以下可选方式进行控制：

为每个泵电机指定一海底FSD

为多个泵电机提供一共同FSD

将泵电机以与压缩机相同的频率进行运行，但可以是双倍磁极数量，以得 到压缩机一半的转速

将泵运行在传输频率

通常地，对于海底FSD的数量，不管是RSFS或SFSD，他们的数量可以 为每个电机一个，所有电机共用一个大的FSD，或位于这两种情况之间。例如， 每个大的压缩机电机一个FSD，而非常小的多个泵电机则共用一个装置，或如 前所述，不为泵电机提供FSD。

海面上VSD的可能组合、海底传动的数量以及3相传输线的数量

一个3相的传输线包括三根单独的电缆，这些电缆相互绝缘并缠绕在一起。 对于具有不只一个电机的长距离海底传输，例如压缩机，利用现有技术可以将 用于两个电机的电缆捆绑在一起，即六根一捆。这可以减少布置电缆的成本， 可以对被捆在一起的两电缆远端处的两电机进行单独的频率控制。每个电机有 一个提升设备，这种布置可以参考图7。在这种情形下，断路器必须设置在发 电机后面，在这里的电压对于断路器来说是可接受的，这是因为用于100kV巨 高压的海底断路器目前尚不可用。

另外一种方式是如图4所示的方案，只需要较少的投入，其中在电机M和 发电机G之间设置有液压软启动器，这样电机M1-M4可以被单个地启动，而 不会出现不可接受的启动电流。所有的电机将以相同的转速进行运行，这对于 等同的机器例如压缩机并不是问题。

复杂性更小的布置是除去软启动器的图4的方案。在这种情形下，需要同 时启动所有压缩机，这存在一定的不方便，但由于限定了每年启动的次数，因 此这也不能认为是一个问题。

表2描述了附图中出现的项的意义

表2附图标识

具体实施方式

请参考图4，图4示出了本发明的一具体实施例。节点1连接在一电力源 上，所述电力源可以为当地电网或例如当地的发电系统，VSD3为连接到电力 源的连接件，VSD输入变换器2通常连接在连接间和节点1中间，以将电源电 压例如13.8kV调整为额定VSD电压，例如，6kV。该变换器可以集成到VSD， 作为其一部分，该VSD可由一些供应商提供。正常情况下，需要一升压变换器 4，以将VSD3连接到高压传输线5，作为示例地，该传输线在海底应用中为一 电缆。作为示例地，通常地，该电缆被施加的电压大约为120kV。该电缆被放 置在海中以从近端8延伸到远端9，该电缆具有一可操作性长度，其中，当 Ferranti效应主导负载电流时，Ferranti效应才可以被观测到。这可以转换为长 度，通过长度来观测，该长度大约为20km到100km，或许更长，该长度可通 过海底负载的位置及属性来指示。在电缆的远端9，设置有一海底变换器6，以 用于将电压降至例如20kV以适用于断路器7、7’、7’’、7’’’，其中，断路器7、 7’、7’’、7’’’后分别接有变换器13、13’、13’’、13’’’，以用于将电压降至例如 6kV，以适用于海底RFSD的电机或SFSD的运行电压，该电压也可用于电机 M1、M2、M3以及M4。图中示出了四个海底电机，作为示例地，这些电机可 为二个压缩电机M1、M2以及两个泵电机M3、M4。

降压变换器原则上是可选地，这是因为降压变换器6（如图4和图5所示） 可以直接进行降压以适用于图5所示的海底FSD。包括变换器13、13’、13’’、 13’’’只是远端配电系统的一个优化方案。

图4和图5中的海底RFSD可通过选择电机M和发电机G的极数，以一 期望的提升比将传输频率提高。

没有附图示出使用海底SFSD的情况，但可以容易地想到，可通过简单地 使用SFSD替换图4和5中的RFSD。

应注意，图4和图5中的电力传输系统的关键组件是电力源1、变速传动 （VSD）3，传输电缆5以及电机-发电机组M-G。其它组件，即升压和降压变 换器2、4、6和14、13’、13’’、13’’’以及断路器15、7、7’、7’’、7’’’，可根据 需要进行添加。

作为示例地，当电机-发电机级中的电机M的定子中具有绝缘电缆，则相 对具有传统线圈的电机，该电机M可运行在更高电压下。因此，降压变换器4、 6以及13不是必须的。另外，如果电机M1-M4从升压设备开始以一固定转速 运行，则VSD3可以被省略。

使用绝缘定子电缆的高压海底电机的另一优点在于，相对于常用电压范围 为6kV的电机，这些电机需要更小的电流（安培）流经穿过电机壳的压头，这 将允许使用比现阶段更高功率的电机，现阶段由于电流（安培）容量限制，大 约12MW已是最大值。

长海底电缆和海底VSD的成本非常高，图2中的海底VSD对系统稳定性 存在负面影响，且比较昂贵。因此，相对于图1所示方案，共用传输电缆可以 节约大笔投资。

应注意，虽然共用传输电缆有利于成本节约，但是对于每个海底FSD具有 一传输电缆技术上来说是不成问题的。这对于中间步进长度来说，比如35到 75km，可以是一优化的方案，即，一直到该距离电缆成本不会变得被禁止。每 根传输电缆一个VSD，即一个海底电机一个VSD，可以对每个电机进行单独地 转速控制。

作为本发明海底升压设备的简单描述，将高频高压电力（例如100Hz）长 海底长压距离（比如说超过40km）提供给用于海底泵和压缩机的高速运转的电 机，这是比较困难的，甚至是不可能的。这是因为Ferranti效应以及集肤效应， Ferranti效应会在传输线中产生过电压以及不稳定性，集肤效应会产生高欧姆电 阻，从而导致高电压以及功率损耗。

海底变速传动可以作为解决该问题的一种方案，其中传输频率可以低于该 海底变速传动，尽管如此，这些海底变速传动非常庞大，装配有大量灵敏、脆 弱的电的、电子的组件以及控制系统，这将进一步使得这些海底变速传动更加 昂贵，具有更高的失效率。

本发明提供了一种解决方案，该方案通过在海面上（在平台或岸上区域） 配置具有控制系统的VSD以及配置简单海底频率提升设备来实现，该频率提升 设备为转动型或静态型设备，该设备靠近海底电机。这些设备不会直接控制流 到电机的电流，只是用于提高传输频率，根据电机的需要，通过一合适的频率 提升比来获得可变的传输频率。在转动型海底频率提升设备的情形中，频率提 升比可通过设备的发电机和电机的磁极数目比值来确定。作为示例地，当发电 机为4极、电机为2极时，该比率为2。

转动型海底频率提升设备会给传输系统引入电感，因此可与电缆的大电容 进行抵消，从而近端补偿系统可以被减少。

当静态型设备被使用时，相对于海底变速传动这些静态型设备可以被简化， 这是因为频率提升比可以被固定。除了别的之外，频率提升控制系统可以设置 在海面上，可以连接在海面上的VSD上，也可以集成到VSD中。

带有海底AC/DC整流以运行DC电机的本发明

本发明的另一实施例可以在海面上进行频率控制，以用于对长步进距离处 的海底电机转速进行控制。该实施例在海底靠近电机的位置将传输的AC整流 为DC。在本申请上下文中，靠近意味着足够地近以保持可接受的欧姆电阻电 压降，从而降低整流器和电机之间的电损耗。参考图6，图6示出了从海面上 VSD到海底整流器的一传输系统，该整流器可向海底电机提供DC。

整流器可以为转动型，当整流器为转动型时，静态整流器（16、16’、16’’、 16’’）可以用转动型整流器代替，在具体实施中，转动型整流器可以为一电机- 发电机组，其中的发电机可以为一DC发电机，该DC发电机可与一海底DC 负载连接，例如电机，如图4到8所示。但是在该情形下，发电机为直流（DC） 发电机，且连接的电机为一DC电机。耐压壳中的转动型整流器的设置可以与 先前海底RFSD设计描述的电机-发电机组设置一样。

后续将更详细地描述带有固态二极管的静态型整流器的使用。

电机的转速可通过为DC电机确定的方法来控制，即并励、串激或复励电 机的控制。

DC电机的转速与供电电压直接成比例。因此，调整其转速的一适合的可 选方法是调整来自DC发电机的电压。

可选地，一共用整流器可被用于几个电机。单个电机的转速控制可通过并 励、串激或复励电机的控制方式实现。

压力容器中整流器的具体设置可以参考先前描述的海底静态频率提升设 备，从而进行类似的设置。

本发明的系统、方法、频率变换器以及使用中任何一个都可以包括本申请 文件描述或示出的特征或步骤，在任何可操作结合中，每个可操作的结合都为 本发明的实施例。