УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2013 года по МПК H02J3/26 

Настоящее изобретение относится к электрическому нагреву систем трубопроводов. Более конкретно, изобретение относится к системе питания для подачи электрической мощности к трубопроводу.

Образование гидратов является хорошо известной проблемой в системах подводной добычи нефти и газа. Имеется ряд решений этой проблемы. Традиционно используются химикаты. В последнее время используется более эффективный способ непосредственного электрического нагрева (DEH) для нагрева трубопровода посредством пропускания высокого электрического тока через собственно трубопровод. В любой форме электрического нагрева трубопровода обычно требуется источник электрической мощности, выдающий по меньшей мере несколько сотен киловатт. Часто требуется прикладывать мощность в запрограммированной последовательности для достижения выбранных рабочих условий. Преобразование мощности из трехфазной в однофазную часто необходимо, особенно в применениях подводных трубопроводов, где мощность берется из существующей трехфазной электрической сети. Требуется эффективная универсальная система электропитания, которая может удовлетворить эти потребности.

Целью настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного устройства электропитания для применений непосредственного электрического нагрева.

Вышеуказанная цель достигается устройством электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода, содержащим

трехфазный трансформатор, приспособленный для поддержки однофазной нагрузки, подсоединенной между первой и второй фазами трансформатора, причем упомянутый трансформатор содержит по меньшей мере один переключатель ответвлений на стороне высокого напряжения трансформатора;

блок симметрирования, содержащий первое конденсаторное средство, подсоединенное между первой фазой и третьей фазой трансформатора, и индукторное средство, подсоединенное между второй фазой и третьей фазой упомянутого трансформатора; и

блок компенсации, содержащий второе конденсаторное средство, подсоединенное между первой фазой и второй фазой трансформатора,

при этом первый переключатель ответвлений, первое конденсаторное средство, второе конденсаторное средство и индукторное средство приспособлены для варьирования под нагрузкой.

Однофазные кабели используются для нагрева трубопровода. Кабели соединены с трехфазным источником питания. Однофазная нагрузка преобразуется в трехфазную нагрузку для трехфазного трансформатора с помощью блока симметрирования, содержащего первое конденсаторное средство и индукторное средство. В дополнение, блок компенсации, содержащий второе конденсаторное средство, используется для компенсации низкого коэффициента мощности нагрузки. Если нагрузка не скомпенсирована и не симметризирована, разбаланс нагрузки был бы очень высоким и привел бы к высокому току обратной последовательности. Это создало бы проблемы для надежной работы трансформатора и генераторов. Нагрузка нагрева для DEH может быть выбрана в диапазоне от минимальной до максимальной нагрузки посредством изменения напряжения, прикладываемого к трехфазному трансформатору. Путем изменения уровня напряжения уровень мощности нагрева может изменяться. Это выполняется с использованием переключателя ответвлений под нагрузкой, подсоединенного на стороне высокого напряжении трансформатора, в то время как трансформатор и вся DEH система полностью находятся под напряжением. Это решение позволяет изменять значения емкости и индуктивности соответствующего емкостного и индуктивного средства под нагрузкой, в то время как на систему подано питание. Это позволяет осуществить оптимизацию под нагрузкой в реальном времени, где коэффициент мощности для трансформатора будет очень близок к единице, и ток обратной последовательности будет очень близок к нулю.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения модули в пределах упомянутой структуры дополнительно содержат блок управления, приспособленный, чтобы автоматически управлять уровнями напряжения упомянутого первого переключателя ответвлений, емкостью упомянутого первого конденсаторного средства и упомянутого второго конденсаторного средства и индуктивностью упомянутого индукторного средства. Это позволяет автоматически управлять трансформатором, конденсаторным средством и индукторным средством, когда система трубопровода полностью находится под напряжением. Это также служит для автоматического управления системой, которая может быть временно отключена от питания. Блок управления может представлять собой программируемый логический контроллер (PLC), управляемый на месте эксплуатации или из удаленного местоположения.

В альтернативном варианте осуществления трехфазный трансформатор дополнительно содержит по меньшей мере один второй переключатель ответвлений. Второй переключатель ответвлений может действовать как переключатель ответвлений в нерабочем состоянии (не под нагрузкой), и посредством использования ответвлений операционный профиль будет расширен за пределы обычно предлагаемого диапазона, позволяя переключаться на другие позиции напряжения.

В другом альтернативном варианте осуществления индуктивность индукторного средства приспособлена для изменения под нагрузкой с использованием третьего переключателя ответвлений. Индуктивность индукторного средства необходимо изменять, чтобы уравновешивать нагрузку, то есть трансформировать однофазную нагрузку в трехфазную нагрузку. Переключатель ответвлений способствует изменению индуктивности, когда система трубопровода полностью получает питание.

В другом альтернативном варианте осуществления автоматическое управление емкостью упомянутого первого конденсаторного средства дополнительно содержит этап переключения по меньшей мере одного первого дополнительного конденсатора с помощью соответствующего вакуумного контактора. Также автоматическое управление емкостью упомянутого второго конденсаторного средства дополнительно содержит этап переключения по меньшей мере одного второго дополнительного конденсатора с помощью соответствующего вакуумного контактора. Это обеспечивает изменение под нагрузкой значения емкости в соответствии с измеренными параметрами нагрузки и требованием по мощности для DEH системы.

В другом альтернативном варианте осуществления трансформатор, первое конденсаторное средство, второе конденсаторное средство, индукторное средство, первый дополнительный конденсатор, второй дополнительный конденсатор и вакуумный контактор являются соответствующими компонентами сухого типа. Использование упомянутых компонентов понижает потенциальные риски по отношению к пожару, тем самым обеспечивая большую безопасность.

Настоящее изобретение дополнительно описывается ниже со ссылками на проиллюстрированные варианты осуществления, показанные на чертежах, на которых представлено следующее:

фиг.1 - схема устройства источника электропитания для системы трубопровода,

фиг.2 - устройство источника электропитания с блоком управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.3 - трансформатор с переключателем ответвлений, установленным на стороне высокого напряжения (HV), и ответвлениями не под нагрузкой на стороне низкого напряжения (LV) согласно варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.4 - структура системы уравновешивания нагрузки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Изобретение нацелено на обеспечение решения, которое позволяет осуществлять полностью автоматизированную работу.

Это решение предусматривает полностью автоматическую настройку конденсаторного и индукторного средств под нагрузкой. Напряжение трансформатора изменяется с использованием комбинации переключателя ответвлений под нагрузкой и ответвлений не под нагрузкой. Это обеспечивает возможность непрерывной работы под нагрузкой и требует редкой остановки DEH системы.

Фиг.1 показывает схему устройства 100 источника электропитания для системы трубопровода. Мощность может сниматься из существующей трехфазной сети 1 питания. Устройство источника электропитания содержит трехфазный трансформатор 2, приспособленный для поддержки однофазной нагрузки 4, подсоединенной межу первой фазой 6 и второй фазой 8 трансформатора 2. Трансформатор содержит сторону 12 высокого напряжения и сторону 3 низкого напряжения, причем первый переключатель 10 ответвлений соединен со стороной 12 высокого напряжения трансформатора 2. Устройство содержит блок 14 симметрирования, содержащий первое конденсаторное средство 16, подсоединенное между первой фазой 6 и третьей фазой 18 трансформатора, и индукторное средство 20, подсоединенное между второй фазой 8 и третьей фазой 18 упомянутого трансформатора 2. Однофазная нагрузка трансформируется в трехфазную нагрузку для трехфазного трансформатора с использованием этого блока. Блок 22 компенсации также введен в устройство и содержит второе конденсаторное средство 24, подсоединенное между первой фазой 6 и второй фазой 8 трансформатора 2. Этот блок компенсирует низкий коэффициент мощности для нагрузки. На основе этого требования емкостное и индуктивное значения, ассоциированные с блоками симметрирования и компенсации, могут варьироваться. Первый переключатель 10 ответвлений, первое конденсаторное средство 16, второе конденсаторное средство 4 и индукторное средство 20 приспособлены для варьирования под нагрузкой. Переключатели ответвлений под нагрузкой обеспечивают возможность изменения напряжения, в то время как DEH система остается под напряжением (под нагрузкой). Это обеспечивает возможность оптимизации под нагрузкой в реальном времени, где коэффициент мощности для трансформатора очень близок к единице, а трехфазная нагрузка на трансформаторе очень хорошо сбалансирована, то есть приводит к очень низкому току обратной последовательности.

Фиг.2 иллюстрирует устройство 200 источника электропитания с блоком 202 управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство источника электропитания показано как содержащее блок 202 управления, приспособленный для автоматического управления упомянутым переключателем 10 ответвлений, первым конденсаторным средством 16, вторым конденсаторным средством 24 и индукторным средством 20. Здесь блок 202 управления представляет собой программируемый логический контроллер (PLC), управляемый на месте эксплуатации или из удаленного местоположения и выполняющий автоматическое управление. Устройство источника электропитания также содержит по меньшей мере один первый блок 204 измерения для измерения параметров однофазной нагрузки и по меньшей мере один второй блок 206 измерения для измерения параметров трехфазной нагрузки. Измеряемые параметры нагрузки могут представлять собой коэффициент мощности кабеля, напряжение, ток и т.д. Устройство источника электропитания мог бы дополнительно управляться из удаленного местоположения с использованием панели 208 дистанционного управления.

На фиг.3 показано устройство 300 трансформатора с переключателем 302 ответвлений, установленным на стороне 12 высокого напряжения (HV), и множеством отводов не под нагрузкой на стороне 3 низкого напряжения (LV) согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Переключатели ответвлений под нагрузкой и ответвления не под нагрузкой позволяют изменять напряжение и мощность для непосредственного электрического нагрева (DEH), в то время как трансформатор и вся DEH система остается под напряжением. Трансформатор, показанный здесь, содержит переключатель 302 ответвлений под нагрузкой с девятью уровнями напряжения или позициями. На чертеже также показаны два фиксированных положения ответвлений, предусмотренные при 77% и 60% от нормального напряжения, помимо нормального фиксированного положения ответвления при 100% нормального напряжения на стороне низкого напряжения. Нормальное фиксированное положение 304 ответвлений показано при 100% нормального напряжения с первым фиксированным положением 306 ответвления при 70% от нормального напряжения и с вторым фиксированным положением 308 ответвления при 60% от нормального напряжения. Соответственно, это устройство позволяет получить 3*9=27 различных положений напряжения или уровней в полном требуемом диапазоне мощности. Для трансформаторов большего размера может быть выбран переключатель ответвлений под нагрузкой с большим количеством позиций, например, до 36 ответвлений под нагрузкой, чтобы переключать без прерывания нагрузку. Аналогичным образом можно изменять число ответвлений фиксированных позиций.

Фиг.4 показывает схемное устройство 400 системы уравновешивания нагрузки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано, емкостные значения первого конденсаторного средства 410 и второго конденсаторного средства 420 управляются посредством переключения дополнительных меньших конденсаторных блоков. Дополнительные конденсаторы подключаются к схеме с использованием вакуумных контакторов. Первые дополнительные конденсаторы 412, 414, 416 подключаются к схеме согласно требованию рядом с первым конденсаторным средством 410 с использованием соответствующего вакуумного контактора 413, 415, 417. То же самое справедливо для второго конденсаторного средства 420. Вторые дополнительные конденсаторы 422, 424, 426, 428, 430 подключаются к схеме согласно требованию рядом с вторым конденсаторным средством 420 с использованием соответствующего вакуумного контактора 423, 425, 427, 429, 431. Как показано, индуктивность индукторного средства 406 контролируется переключением ответвлений с использованием переключателя 408 ответвлений под нагрузкой. Трансформатор, первое конденсаторное средство, второе конденсаторное средство, индукторное средство, первый дополнительный конденсатор, второй дополнительный конденсатор и вакуумный контактор являются компонентами сухого типа. Использование упомянутых компонентов снижает потенциальные риски в отношении пожара, тем самым обеспечивая более высокую безопасность.

Резюмируя, настоящее изобретение относится к устройству электропитания для подачи электрической мощности на трубопровод. Устройство 100 электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода содержит, в основном, трехфазный трансформатор 2, блок 14 симметрирования и блок 22 компенсации. Трехфазный трансформатор 2 приспособлен для поддержки однофазной нагрузки 4, подсоединенной между первой фазой 6 и второй фазой 8 трансформатора 2. Трансформатор 2 содержит по меньшей мере один первый переключатель 10 ответвлений на стороне 12 высокого напряжения трансформатора 2. Блок 14 симметрирования содержит первое конденсаторное средство 16, подсоединенное между первой фазой 6 и третьей фазой 18 трансформатора, и индукторное средство 20, подсоединенное между второй фазой 8 и третьей фазой 18 упомянутого трансформатора 2. Блок 22 компенсации содержит втрое конденсаторное средство 24, подсоединенное между первой фазой 6 и второй фазой 8 трансформатора 2. Первый переключатель 10 ответвлений, первое конденсаторное средство 16, второе конденсаторное средство 24 и индукторное средство 20 приспособлены для варьирования под нагрузкой.

Хотя изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, это описание не должно интерпретироваться в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативные варианты осуществления изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники со ссылкой на описание изобретения. Поэтому предполагается, что такие модификации могут быть реализованы без отклонения от сущности или объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к устройству электропитания для подачи электрической мощности к трубопроводу. Технический результат заключается в изменении значения емкости и индуктивности соответствующего емкостного и индуктивного средства под нагрузкой, и как следствие, в осуществлении оптимизации под нагрузкой в реальном времени. Для этого заявленное устройство (100) электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода содержит, в основном, трехфазный трансформатор (2), блок (14) симметрирования, блок (22) компенсации. Трехфазный трансформатор (2) приспособлен для поддержки однофазной нагрузки, подсоединенной между первой фазой (6) и второй фазой (8) трансформатора (2). Трансформатор (2) содержит по меньшей мере один первый переключатель (10) ответвлений на стороне (12) высокого напряжения трансформатора (2). Блок (14) симметрирования содержит первое конденсаторное средство (16), подсоединенное между первой фазой (6) и третьей фазой (18) трансформатора, и индукторное средство (20), подсоединенное между второй фазой (8) и третьей фазой (18) упомянутого трансформатора (2). Блок (22) компенсации содержит второе конденсаторное средство (24), подсоединенное между первой фазой (6) и второй фазой (8) трансформатора (2). Первый переключатель (10) ответвлений, первое конденсаторное средство (16), второе конденсаторное средство (24) и/или индукторное средство (20) приспособлены для варьирования под нагрузкой. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (100) электропитания для непосредственного электрического нагрева системы трубопровода, содержащее:
трехфазный трансформатор (2), приспособленный для поддержки одинофазной нагрузки (4), подсоединенной между первой фазой (6) и второй фазой (8) трансформатора (2), причем упомянутый трансформатор (2) содержит по меньшей мере один первый переключатель (10) ответвлений на стороне (12) высокого напряжения трансформатора (2);
блок (14) симметрирования, содержащий первое конденсаторное средство (16), подсоединенное между первой фазой (6) и третьей фазой (18) трансформатора, и индукторное средство (20), подсоединенное между второй фазой (8) и третьей фазой (18) упомянутого трансформатора (2); и блок (22) компенсации, содержащий второе конденсаторное средство (24), подсоединенное между первой фазой (6) и второй фазой (8) трансформатора (2),
при этом первый переключатель (10) ответвлений, первое конденсаторное средство (16), второе конденсаторное средство (24) и/или индукторное средство (20) приспособлены для варьирования под нагрузкой.

2. Устройство электропитания по п.1, дополнительно содержащее блок (202) управления, приспособленный, чтобы автоматически управлять уровнями напряжения упомянутого первого переключателя (10) ответвлений, емкостью упомянутого первого конденсаторного средства (16) и упомянутого второго конденсаторного средства (24) и индуктивностью упомянутого индукторного средства (20).

3. Устройство электропитания по п.1, в котором трехфазный трансформатор (2) дополнительно содержит по меньшей мере один второй переключатель (302, 304, 306) ответвлений.

4. Устройство электропитания по любому из пп.1-3, в котором индуктивность индукторного средства (20) приспособлена для изменения под нагрузкой с использованием третьего переключателя (21) ответвлений.

5. Устройство электропитания по п.1, в котором автоматическое управление емкостью упомянутого первого конденсаторного средства (16) дополнительно содержит этап переключения по меньшей мере одного первого дополнительного конденсатора (412, 414, 416) с помощью соответствующего вакуумного контактора (413, 415, 417).

6. Устройство электропитания по п.1 или 5, в котором автоматическое управление емкостью упомянутого второго конденсаторного средства (24) дополнительно содержит этап переключения по меньшей мере одного второго дополнительного конденсатора (422, 424, 426, 428, 430) с помощью соответствующего вакуумного контактора (423, 425, 427, 429, 431).

7. Устройство электропитания по п.1, в котором трансформатор (2), первое конденсаторное средство (16), второе конденсаторное средство (24), индукторное средство (20), первый дополнительный конденсатор (412, 414, 416), второй дополнительный конденсатор (422, 424, 426, 428, 430) и/или вакуумный контактор (413, 415, 417, 423, 425, 427, 429, 431) являются соответствующими компонентами сухого типа.