КОМПЕНСАТОР ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01F27/14 G12B15/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к компенсатору давления, предназначенному для компенсации изменения объема изолирующей среды или другой жидкости в подводной установке, содержащий первую камеру сильфона, включающую первую часть сильфона, причем первая камера сильфона сообщается с жидкой изолирующей средой или другой жидкостью камеры подводной установки, при этом стенки первой камеры сильфона выполнены с возможностью отделения изолирующей среды от окружающей среды.

[0002] Подводные установки представляют собой агрегаты, используемые под водой. Указанные агрегаты могут быть размещены, например, на морском дне. Примером указанных агрегатов могут служить силовые трансформаторы, используемые под водой. Обычно такие силовые трансформаторы используют изолирующую среду, т.е. трансформаторы в качестве изолятора используют жидкость, например, трансформаторное масло, залитое в трансформаторную цистерну. Примерами других объектов, размещенных под водой и заполненных жидкостью, могут служить подводные двигатели, подводные распределительные устройства, подводные преобразователи, подводные выпрямители и цистерны для хранения жидкости.

[0003] Вышеописанные подводные установки применяются, например, при современной добыче нефти и газа, когда сбор, отделение, подъем и транспортировка добытых жидкостей производится на морском дне. Эти процессы требуют больших затрат энергии, которую необходимо передать от удаленного источника на подводные установки с приемлемыми напряжениями и токами при минимальных потерях энергии. Когда энергия поступает на подводную установку, то ее необходимо преобразовать в более приемлемые напряжения и токи для дальнейшего использования под водой, как например, для запитывания насосов и компрессоров.

[0004] Требования большой мощности приводят к необходимости использования больших трансформаторов, размещаемых в защищенной среде внутри большого резервуара, например, цистерны. Трансформаторная цистерна должна быть заполнена изолирующей средой, которая обеспечивает оптимальные рабочие условия для работы трансформатора в течение многих лет. Предпочтительной изолирующей средой является трансформаторное масло, которое рассеивает тепло и предотвращает короткое замыкание и искрение. В новых крупных подводных трансформаторах габариты трансформаторной цистерны обычно составляет 10-30 кубических метров, в которых содержится порядка 10000-30000 литров трансформаторного масла. Вариации температуры воды, тепло, выделяемое трансформатором и свойства типичного трансформаторного масла приводят к изменению объема масла порядка нескольких сотен литров или более. По мере увеличения габаритов трансформаторной цистерны также соответственно растут проблемы и необходимость компенсации расширения.

[0005] Как указано выше подводные установки, например, подводные трансформаторы требуют применения компенсаторов давления для поддержания давления масла внутри трансформатора близким к давлению воды снаружи трансформатора для того, чтобы избежать применения тяжелых механических конструкций для обеспечения прочности. Также охлаждение упрощается при снижении толщины стенок. Гидростатическое давление воды увеличится приблизительно на 10 бар на каждые 100 м глубины водоема, а требуемая разность давлений масла внутри и наружной воды обычно менее 10 бара. Подводные трансформаторы, заполненные изолирующим маслом, подвергаются сжатию и расширению масла из-за изменения температуры окружающей среды, из-за изменения нагрузки, которое также вызывает изменение температуры масла, и из-за гидростатического давления морской воды. Вариации объема масла из-за изменения температуры вызываются свойством масла, обладающим не нулевым коэффициентом расширения, а вариации объема масла из-за изменения давления вызываются близким к нулю коэффициентом давление/объем масла.

[0006] С целью конструктивного подхода и из соображений надежности трансформаторные цистерны или другие вышеописанные резервуары обычно представляют собой жесткие конструкции постоянного объема, и когда размеры трансформатора или другого оборудования растут, то это означает, что давление внутри трансформатора или другого оборудования должно быть близким к давлению воды вокруг трансформатора или другого оборудования. Благодаря вышеприведенным фактам для указанных подводных трансформаторов или другого оборудования требуется один или несколько компенсаторов давления для поддержания давление масла внутри трансформатора близким к давлению воды снаружи трансформатора. Указанные компенсаторы давления представляют собой конструкции контейнеров переменного объема, заполненные маслом или другой жидкостью, снаружи трансформатора или другого оборудования. Указанные контейнеры переменного объема находятся также в поточной связи с объемом трансформаторного масла или объемом другой жидкости оборудования.

[0007] Известно несколько технических решений подводных компенсаторов давления. Примерами известных технических решений являются публикации заявок РСТ WO 2007/055588 A1 и US 2004/0051615 A1. Все подводные компенсаторы давления известного уровня техники, например, вышеуказанные содержат только одну стенку или барьер между морской водой и маслом внутри. Это является серьезной проблемой подводных компенсаторов давления известного уровня техники. Это означает, что при прорыве одного барьера или стенки случится просачивание воды и масла, причем вода проникнет в трансформатор и вызовет пагубную электрическую аварию трансформатора и таким образом выведет из строя трансформатор. Другое оборудование будет также иметь серьезные последствия такие как, например, отказы электроснабжения при просачивании воды внутрь. Указанная проблема при просачивании относится в основном к коррозии, вызванной морской водой, т.е. компенсаторы давления известного уровня техники не стойки именно к коррозии от морской воды. Предрасположенность к коррозии может представлять риск отказа для металлических сильфонов компенсаторов давления из-за того, что стенка сильфона должна быть очень тонкой для того, чтобы обладать требуемой эластичностью. Это может являться ситуацией, при которой должна использоваться даже катодная защита.

[0008] Также известны технические решения, которые направлены на улучшение антикоррозионных свойств различных конструкций сильфонов. В качестве примеров указанных технических решений можно привести публикации JP 9176766, JP 2000046181, EP 0281685 и US 5893681. Однако эти известные технические решения не подходят для условий морского подводного применения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Целью настоящего изобретения является создание компенсатора давления, в котором устранены недостатки известного уровня техники. Это достигается настоящим изобретением. Настоящее изобретение отличается тем, что первая камера сильфона охвачена второй камерой сильфона, содержащей вторую часть сильфона, при этом вторая камера сильфона выполнена так, чтобы образовать замкнутое внутреннее пространство вокруг первой камеры сильфона; стенки второй части сильфона выполнены таким образом, чтобы разделить, по крайней мере, части сильфонов первой камеры сильфона от окружающей морской воды, при этом вторая часть сильфона заполнена промежуточной средой и вторая часть сильфона второй камеры сильфона выполнена из материала стойкого к окружающей морской воде.

[0010] Преимуществом данного изобретения является то, что проблемы, связанные с коррозией от морской воды эффективно устраняются. Настоящее изобретение также обладает простотой и поэтому его производственные и эксплуатационные расходы низки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Изобретение будет более подробно описано ниже со ссылками на приложенные чертежи, где

Фиг.1 - схематический вид основной конструкции и работы компенсатора давления, согласно настоящему изобретению,

Фиг.2-5 - различные варианты воплощения данного изобретения,

Фиг.6 - конструктивные детали одного варианта воплощения данного изобретения, и

Фиг.7 - общий вид подводного трансформатора, оборудованного компенсаторами давления, согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] На Фиг.1 схематически показана основная конструкция, согласно настоящему изобретению, а также принцип ее действия при размещении конструкции в море под водой. В примере, показанном на Фиг.1, подводная установка представляет собой подводный трансформатор. Позицией 1 обозначен в общем случае подводный трансформатор. Подводный трансформатор 1 содержит собственно блок трансформатора 2 и цистерну 3. Цистерна заполнена промежуточной средой, т.е. в этом случае трансформаторным маслом. Цистерна 3 образует изолирующую камеру вокруг блока трансформатора 2.

[0013] Для компенсации изменение объема изолирующей среды 4 используется компенсатор давления 5. Компенсатор давления 5 содержит первую камеру 6 сильфона. Первая камера 6 сильфона содержит первую часть 7 сильфона. Первая часть 7 сильфона выполнена из подходящего материала, например, из стали.

[0014] Первая камера 6 сильфона посредством системы труб или каналов 18 находится в соединении с изолирующей камерой, образованной цистерной 3, таким образом, чтобы указанная первая камера 6 сильфона могла компенсировать изменение объема изолирующей среды 4.

[0015] Агрегат, показанный на Фиг.1, полностью окружен морской водой, т.е. агрегат размещен на дне моря.

[0016] Вышеописанные конструкции широко известны в этой области техники и поэтому указанные проблемы здесь подробно не описаны.

[0017] Как указано ранее проблемы в известном уровне техники связаны с повреждениями части сильфона компенсатора давления от коррозии, т.е. морская вода вызывает проблему коррозии в первой части сильфона.

[0018] В соответствии с основной идеей настоящего изобретения первая камера 6 сильфона заключена во вторую камеру 8 сильфона, содержащую вторую часть 9 сильфона. Вторая камера 8 сильфона выполнена с возможностью образования замкнутого промежуточного пространства вокруг первой камеры сильфона. Стенки второй камеры сильфона выполнены так, чтобы они могли отделить, по крайней мере, первую часть 7 сильфона первой камеры 6 сильфона от окружающей морской воды. Вторая камера 8 сильфона заполнена промежуточной средой 10. Вторая часть 9 сильфона второй камеры 8 сильфона предпочтительно выполнена из материала стойкого к окружающей морской воде.

[0019] Другими словами элемент компенсатора давления, подверженный расширению и сжатию, содержит два барьера или стенки между камерой, содержащей трансформатор, и морской водой.

[0020] Внутренний барьер, т.е. первая часть 7 сильфона выполнена из металлического гофрированного материала, а второй барьер, т.е. вторая часть 9 сильфона выполнена из резины или резино подобного материала. Указанный резино подобный материал может представлять собой, например, подходящий пластический материал или материал из смеси резины и пластика. Пространство между первой частью 7 сильфона и второй частью 9 сильфона, т.е. вторая камера 8 сильфона, заполнена тем же самым трансформаторным маслом или маслом, которое может смешиваться с трансформаторным маслом 4 в первой камере 6 сильфона и в цистерне 3. Однако взаимного обмена масла через первую часть 7 сильфона не происходит.

[0021] Вторая часть 9 сильфона из резино подобного материала защищает от коррозии первую часть 7 сильфона из металлического материала. В этой связи важно понять, что первая часть 7 сильфона благодаря необходимой упругости обычно должна иметь тонкую стенку, и поэтому вопросы коррозионной стойкости весьма важны для обеспечения работы устройства. Типичная толщина стенки первой части 7 сильфона составляет величину порядка 1 мм. Для обеспечения большей гибкости и надежности первая часть 7 сильфона может быть также выполнена с одним или более металлическими слоями.

[0022] Небольшие изменения объема замкнутого промежуточного пространства между первой и второй частями сильфона, т.е. второй камеры 8 сильфона, также должны быть компенсированы. Это осуществляется, например, путем придания второй части 9 сильфона возможности расширяться в радиальном направлении из-за изменений давления или путем использования дополнительного малого компенсатора давления 11, соединенного с промежуточным пространством, т.е. со второй камерой 8 сильфона. Указанный возможный дополнительный малый компенсатор может иметь конструкцию с одним барьером без потери свойства двойного барьера компенсатора давления в целом.

[0023] Материал из резины, используемый во второй части 9 сильфона может быть, например, резиной марки Nitrile, которая обладает стойкостью к морской воде, а после соответствующей обработки приобретает стойкость также к трансформаторному маслу.

[0024] Вторая часть 9 сильфона может быть выполнена целиком из указанной резины или резино подобного материала. Однако вполне возможно добавить упрочняющий материал или несколько упрочняющих материалов к материалу части сильфона, например, внутри стенки сильфона как показано позицией 12 на Фиг.1.

[0025] Однако, в этой связи важно понимать, что вполне возможно вместо сильфона из резино подобного материала использовать вторую часть 9 сильфона из стали. Используемая сталь может, например, - - быть выбрана таким образом, чтобы она была максимально стойкой к морской воде. Указанная вторая часть 9 сильфона из стали также эффективно защищает первую часть 7 сильфона от коррозии, вызываемой морской водой до того, как вторая часть сильфона прокорродирует насквозь. Однако, компенсатор давления можно заменить до сквозной коррозии первого сильфона.

[0026] Другие стенки компенсатора давления, которые не меняют свою форму и размеры, например, торцевые стенки 13 части сильфона цилиндрической формы могут быть выполнены из одного слоя достаточно толстого металлического материала, такого как, например, пластина из нержавеющей стали. Указанные стенки могут быть, например, двухслойными из материала резина/метал.

[0027] Компенсатор давления, согласно данному изобретению, может быть также снабжен направляющими стержнями 14 для направления движения первой и второй частей сильфона при их сжатии и/или расширения по определенным траекториям. Указанные движения сжатия и расширения частей сильфона показаны стрелками на Фиг.1. Количество указанных направляющих стержней может быть выбрано произвольно в соответствии с конкретными условиями. Вполне возможно выполнение компенсатора давления, например, без указанных направляющих стержней. На Фиг.2 показан вариант воплощения настоящего изобретения с четырьмя направляющими стержнями 14, а на Фиг.2 показан другой вариант воплощения настоящего изобретения с двумя направляющими стержнями 14. В вариантах воплощения, показанных на Фиг.1-3, направляющие стержни 14 расположены по окружности снаружи частей сильфона. Указанное расположение не является единственно возможным, и указанные направляющие стержни 14 могут быть также размещены внутри частей сильфона. Указанные варианты воплощения показаны на Фиг.4 и 5, где используется один направляющий стержень, причем указанный направляющий стержень 14 размещен по центру частей сильфона. Торцевые пластины 13 также выполнены различным образом в вариантах воплощения, показанных на Фиг,4 и 5, по сравнению с вариантами воплощения, показанных на Фиг.1-3. В вариантах воплощения, показанных на Фиг.4 и 5, первая часть 7 сильфона и вторая часть 9 сильфона обе с одной сторонывыполнены со своей собственной торцевой пластиной, а с другой стороны имеют одну общую торцевую пластину.

[0028] Направляющие стержни 14 компенсатора давления выполнены с подвижным соединением с направляющими втулками 15, расположенными вокруг направляющих стержней для передачи движения на подвижные части компенсатора давления. Материал для направляющих втулок 15 выбирают так, чтобы втулки не заклинивали, а при движении поверхность направляющих стержней оставалась чистой от морских загрязнений и другого соответствующего мусора, который может вызвать заедание. Для направляющих втулок 15 может быть использован подходящий материал, например, различных материалов из пластика. В качестве примера подходящего материала можно назвать нейлон. На Фиг.6 показан пример воплощения указанной направляющей втулки 15, например, в вариантах воплощения, показанных на Фиг.2 и 3. Указанные направляющие втулки могут быть выполнены как сменные детали.

[0029] Направляющие втулки 15 направляющих стержней могут быть, однако, выполнены таким образом, что при их заклинивании втулки разрушаются от действия сил сжатия и расширения, и указанное разрушение высвобождает стержень от заклинивания. После этого более широкая металлическая часть втулки будет обеспечивать движение. Нейлон также является подходящим материалом для разрушения.

[0030] Направляющие стержни и соответствующие втулки могут также быть также выполнены для использования в качестве индикаторов состояния компенсатора давления при показании положения втулки, т.е. направляющий стержень может использоваться в качестве индикатора перемещений частей сильфона. Положение втулки может контролироваться соответствующей камерой телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА), если стержни расположены на внешней поверхности внешнего расширяющегося и сжимающегося барьера.

[0031] Количество компенсаторов давления, соединенных параллельно с подводной установкой, например, подводным трансформатором или каким-либо другим возможным объектом, требующим компенсации, выбирают в зависимости от общего объема масла, которое необходимо компенсировать.

[0032] Компенсатор давления, согласно настоящему изобретению, может также включать электрические средства защиты от коррозии или возможные средства защиты от коррозии другого типа. Указанные средства защиты от коррозии могут размещаться внутри компенсатора давления для защиты первой части сильфона, выполненной из металла. Указанные средства антикоррозионной защиты схематически показаны позицией 16 на Фиг.1.

[0033] Компенсатор давления, согласно настоящему изобретению, может также включать средства контроля для контролирования количества морской воды, со временем поступившей в промежуточное пространство, т.е. во вторую камеру 8 сильфона. Указанные средства контроля показаны позицией 17 на Фиг.1.

[0034] Как указано выше количество компенсаторов давления, используемых на подводных установках, может меняться в соответствии с текущими потребностями. Типичным компенсируемым объемом для компенсатора давления, который будет использоваться в ближайшем будущем с большими подводными трансформаторами, будет сотни литров, например, 200 литров, при этом типичное количество компенсаторов, требуемых для одного большого подводного трансформатора, составляет от 2 до 6 компенсаторов. В качестве примера на Фиг.7 показан подводный трансформатор с четырьмя компенсаторами давления.

[0035] Описанные выше варианты воплощения не ограничивают настоящее изобретение, а приведены только для разъяснения основной идеи изобретения. Вполне ясно, что детали могут свободно изменяться в объеме формулы изобретения. Настоящее изобретение описано на примере подводных трансформаторов. Однако данное изобретение не ограничено только подводными трансформаторами, а может быть использовано во всех подводных установках, которые используют изолирующую среду и требуют компенсации указанной изолирующей среды, и т.п. Изолирующей средой может быть не обязательно трансформаторное масло, но может быть любой другой средой или жидкостью, используемой в соответствии с назначением.

Изобретение относится к электротехнике, к компенсаторам давления, предназначенным для компенсации изменения объема изолирующей среды или другой жидкости в подводной установке. Технический результат состоит в повышении надежности за счет уменьшения просачивания воды. Компенсатор давления содержит первую камеру (6) сильфона, включающую первую часть (7) сильфона. Первая камера сильфона сообщается с изолирующей средой или жидкостью камеры подводной установки, стенки первой камеры (6) сильфона выполнены с возможностью отделения изолирующей среды от окружающей среды. Первая камера (7) сильфона окружена второй камерой (8) сильфона, содержащей вторую часть (9) сильфона. Вторая камера (8) сильфона выполнена таким образом, что образует замкнутое промежуточное пространство вокруг первой камеры (6) сильфона. Стенки второй камеры сильфона выполнены с возможностью отделения, по крайней мере, частей (7) сильфона первой камеры (6) сильфона от окружающей морской воды. Вторая камера (8) сильфона заполнена промежуточной средой (10). 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компенсатор давления, предназначенный для компенсации изменения объема изолирующей среды или другой жидкости в подводной установке (1), содержащий первую камеру (6) сильфона, включающую первую часть (7) сильфона, причем первая камера сильфона сообщается с изолирующей средой или жидкостью камеры подводной установки, стенки первой камеры (6) сильфона выполнены с возможностью отделения изолирующей среды от окружающей среды, отличающийся тем, что первая камера (7) сильфона окружена второй камерой (8) сильфона, содержащей вторую часть (9) сильфона, при этом вторая камера (8) сильфона выполнена таким образом, что отделяет, по крайней мере, первую часть (7) сильфона первой камеры (6) сильфона от окружающей морской воды, а вторая камера (8) сильфона остается заполненной промежуточной средой (10).

2. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что вторая часть (9) сильфона второй камеры (8) сильфона выполнена из материала, стойкого к морской воде.

3. Компенсатор давления по п.2, отличающийся тем, что вторая часть (9) сильфона выполнена из пластического материала или резины или смеси двух указанных материалов.

4. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что вторая часть (9) сильфона выполнена из стального материала.

5. Компенсатор давления по п.4, отличающийся тем, что вторая часть (9) сильфона второй камеры (8) сильфона выполнена с возможностью компенсации изменения объема промежуточной среды (10).

6. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что в замкнутом промежуточном пространстве размещен дополнительный компенсатор давления (11), выполненный с возможностью компенсации изменения объема промежуточной среды (10).

7. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что промежуточная среда (10) является той же средой, что и изолирующая среда (4) подводной установки (1), или средой, смешанной с изолирующей средой (4) подводной установки (1).

8. Компенсатор давления по п.3, отличающийся тем, что вторая часть (9) сильфона содержит упрочняющий материал или материалы (12).

9. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что первая часть (7) и вторая часть (9) сильфона выполнены трубчатыми, причем, по крайней мере, один направляющий стержень (14) выполнен так, чтобы первая и вторая части (7, 9) сильфона перемещались по заданному направлению.

10. Компенсатор давления по п.9, отличающийся тем, что направляющие стержни (14) содержат направляющие втулки (15), имеющие сменные части, которые выполнены с возможностью разрушения под действием сил сжатия или расширения, созданных частями сильфонов при перемещении, когда указанные силы превысят заранее заданный уровень, после чего оставшиеся целые части втулок обеспечивают действие направляющих.

11. Компенсатор давления по п.9, отличающийся тем, что направляющие стержни (14) выполнены с возможностью служить индикаторами перемещения частей сильфонов.

12. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что промежуточное пространство снабжено измерительными элементами (17), которые контролируют конечное количество морской воды в промежуточном пространстве.

13. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что компенсатор давления содержит антикоррозионные средства (16).

14. Компенсатор давления по п.1, отличающийся тем, что подводная установка (1) является подводным трансформатором.

15. Компенсатор давления по п.14, отличающийся тем, что изолирующей средой (4) является трансформаторное масло.