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CN110168677A - 海底装备的压力补偿器 - Google Patents

海底装备的压力补偿器 Download PDF

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CN110168677A CN201780080788.3A CN201780080788A CN110168677A CN 110168677 A CN110168677 A CN 110168677A CN 201780080788 A CN201780080788 A CN 201780080788A CN 110168677 A CN110168677 A CN 110168677A
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Abstract

海底装备(2)的压力补偿器(1)，其中，海底装备(2)包括包含绝缘流体(4)或其他流体的罐(3)。压力补偿器(1)与罐(3)流体连通。压力补偿器(1)被配置成通过执行扩张和收缩运动来补偿绝缘流体(4)或其他流体的体积变化。海底装备(2)包括用于加热绝缘流体(4)或其他流体的装置(5)以减小绝缘流体(4)或其他流体的体积变化。

Description

海底装备的压力补偿器
技术领域
本发明涉及海底装备的压力补偿器，并且具体地涉及通过执行扩张和收缩运动来补偿绝缘流体或其他流体的体积变化的海底装备的压力补偿器。
背景技术
海底装备是包括在水下使用的若干设备的组件。所述组件可以安装在例如海的底部地面上。作为所述海底装备的示例，可以提及在水下使用的电力变压器。通常，这些电力变压器包括填充有绝缘流体和/或冷却流体的罐会遭遇由于深水深度而导致的高压。其他的海底流体填充的对象的示例为海底马达、海底开关设备、海底变频器、整流器和液压存储罐。
海底装备用在例如其中在海床上进行生产流体的收集、分离、增压和运输的现代石油和天然气生产中。这些过程需要大量的电力，所述电力必须以实现最小电力损耗的合适的电压和电流从远程位置传递至海底装备。
在海底装备的操作期间，绝缘流体和/或冷却流体的温度和体积改变，由此需要进行流体的压力补偿。这涉及与该装备的罐流体连通的压力补偿器的使用。压力补偿器在流体的温度和体积增加时接收多余的流体，并且在流体冷却下来时将流体返还回至容器。压力补偿器在其执行扩张和收缩运动时还可以具有可变的体积以补偿绝缘流体的体积变化。这种类型的压力补偿器的示例为波纹管补偿器。
由于高的流体静压下的大的绝缘流体体积变化而导致的大的压力补偿器运动使压力补偿器的机械循环寿命减少。因此，当水深度深(1……3km)——具有100……300bar压力——时，仅使用压力补偿器的全部补偿容量中的小部分以改善压力补偿器的循环寿命。这进而将产生使用大量的压力补偿器的需要，从而导致大型海底装备和其他相关海底部件的昂贵价格。
发明内容
本发明的目的是提供解决上述问题的海底装备的压力补偿器。本发明的目的通过其特征在于独立权利要求中所述的内容的海底装备的压力补偿器实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中被公开。
本发明基于提供一种海底装备的压力补偿器的构思。该海底装备包括包含绝缘流体或其他流体的罐。压力补偿器与罐流体连通。压力补偿器被配置成通过执行扩张和收缩运动来补偿绝缘流体或其他流体的体积变化。海底装备包括用于加热绝缘流体或其他流体的装置以减小绝缘流体或其他流体的体积变化。
本发明的海底装备的压力补偿器的优点在于它提供较长的压力补偿器寿命和更好的可靠性。
附图说明
以下将参照附图借助于优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了海底装备的压力补偿器；
图2示出了波纹管补偿器；
图3示出了气缸补偿器；
图4示出了海底装备的压力补偿器；
图5示出了海底装备的压力补偿器；
图6示出了热泵。
具体实施方式
图1示出了海底装备2的压力补偿器1。海底装备2包括包含绝缘流体4或其他流体的罐3。压力补偿器1与罐3流体连通，并且压力补偿器1被配置成通过执行扩张和收缩运动来补偿绝缘流体4或其他流体的体积变化。海底装备1包括用于加热绝缘流体4或其他流体的装置5以减小绝缘流体4或其他流体的体积变化。
压力补偿器与罐3之间的流体连通可以通过图1中所示的连接管10来提供。当流体的温度和体积增加时，压力补偿器从罐3接收多余的绝缘流体4，并且当流体4的温度和体积减少时，压力补偿器将绝缘流体4返还回至罐3。
对海底装备2的罐3内的绝缘流体4或其他流体的加热减小了流体4的温度变化。例如，其他流体可以是冷却流体。绝缘流体4或其他流体的温度变化的减小致使罐3中的绝缘流体4或其他流体的体积变化的减小。体积变化的减小减少了压力补偿器1的机械运动的次数。此外，还减小了机械运动的程度。这意味着减少了压力补偿器1的大幅度循环。在存在海水6的流体静压的情况下，这减少了压力补偿器1部件上的机械应力和应变。此外，减小了由于重复应力而导致的压力补偿器1的运动部件的疲劳失效的风险。
罐3中的绝缘流体4或其他流体的体积变化的减小使得海底压力补偿器1的补偿能力能够得到更好的利用。随着压力补偿器1的大幅度循环的次数减少，可以在高的流体静压下允许较大的压力补偿器的轴向运动，从而致使需要较少的压力补偿器1、较长的压力补偿器循环寿命和海底装备2的更具竞争力的价格。
海底装备2的压力补偿器1系统的尺寸优选地被制作成允许绝缘流体4或其他流体的最大体积变化(full volume variation)。这防止在罐3中的绝缘流体4或其他流体的加热和/或冷却存在暂时失效的情况下损坏海底装备2。最大变化意味着绝缘流体4或其他流体在利用由发热电设备7产生的全热负荷达到的温度下的体积与在周围水6的温度下的体积之间的体积差异。
海底装备2的压力补偿器1可以在海底环境中使用，例如存在于海床上。海底装备2的压力补偿器1还适合于其中水深为1000……3000m深并且通常压力(prevailingpressure)为100……300bar的深水。海洋中的水温在1000m的深度下通常为5℃至6℃以及在3000m的深度下通常为0℃至3℃。
执行扩张和收缩运动的压力补偿器1的示例为波纹管补偿器8和气缸补偿器9。
波纹管补偿器8具有一个或更多个可折叠和/或柔性侧壁14以实现波纹管补偿器8的体积变化。例如，顶壁13或底壁11可以被布置成沿竖直方向y移动以补偿绝缘流体4或冷却流体的体积变化。
图2示出了波纹管补偿器8。补偿器与罐3流体连通。波纹管补偿器与罐3之间的流体连通通过连接管10来提供。连接管10可以通过补偿器8的底壁11进入波纹管补偿器8。波纹管12的底部可以相对于罐3固定地布置。因此允许补偿器8扩张和收缩使得其顶壁13可以沿竖直方向y移动，并且取决于补偿器8内的流体体积，可以拉直和折叠其可折叠侧壁14。
用于补偿绝缘流体4的体积变化的波纹管12的扩张和收缩运动还可以通过底壁11来提供。然后波纹管补偿器8具有相对于罐3刚性布置的顶壁13。
在图2中，波纹管补偿器8被安装至罐3的侧壁，但是波纹管补偿器8可以被布置至例如罐的顶部。
压力补偿器1中的波纹管12部件的扩张和收缩运动提供导致波纹管12部件的材料的疲劳的重复应力。当通过控制体积变化来减少循环时，疲劳风险减小。
图3示出了气缸补偿器9。气缸补偿器9具有可移动活塞15，可移动活塞15被布置成补偿绝缘流体4的体积变化并且将绝缘流体4与外部海水6分离。例如，气缸补偿器9是容置活塞15的竖直布置的气缸，活塞15可以由于绝缘流体4或另一流体例如冷却流体的体积变化而沿竖直方向y移动。在活塞15下方布置用于绝缘流体4的流体空间16并且在活塞15上方是海水空间17。活塞15被密封使得防止绝缘流体4和海水6的混合。
在所示的图1中，示出了一个压力补偿器1，但是压力补偿器的数目自然不限于一个，而是可以为大于一的任何数目。
在实施方式中，海底装备包括发热电设备7。在图1中，发热电设备7是海底变压器并且绝缘流体4是变压器油。例如，变压器油是矿物油或硅油。其他发热电设备7的示例为马达、开关装置、变频器、整流器和液压存储罐。
在另一实施方式中，发热电设备7中的部分或整个设备可以位于罐3内。如图4中所示，变压器中的有效部件即变压器绕组和变压器芯可以位于罐3内。图4还示出了到变压器的变压器输入连接18和负载19。附图中相同的附图标记指代附图中相应的部件。
此外，例如，发热电设备7可以包括可以位于罐3内的电力开关和/或变速驱动器。
在又一实施方式中，用于加热的装置5可以被配置成当发热电设备7处于非操作状态时向绝缘流体4或其他流体提供加热。对绝热流体4或其他流体的加热防止在发热电设备7未向罐3中的绝缘流体4或其他流体提供加热时绝缘流体4或其他流体冷却至接近于周围水6的温度。当温度降低保持较小时，由于绝缘流体4或其他流体的体积减小而导致的压力补偿器1的收缩运动也保持较小。
保持绝缘流体4或其他流体温度高于周围水6的另一优点是它将发热电设备7中的位于罐3内的部件也保持在较高的温度。例如，通过将变压器绕组的热点区域保持得更干燥，变压器的寿命增加。
在又一实施方式中，用于加热的装置5可以被配置成在发热电设备7的启动期间逐渐关闭对绝缘流体4或其他流体的加热。
在又一实施方式中，海底装备2可以包括用于冷却绝缘流体4或其他流体的装置20以减小绝缘流体4或其他流体的体积变化。图5示出了包括用于加热的装置5和用于冷却的装置20的海底装备的压力补偿器。
在实施方式中，用于冷却的装置20被配置成当发热电设备7处于操作状态时提供冷却。当温度增加保持较小时，由于绝缘流体4或其他流体的体积增加而导致的压力补偿器1的扩张运动也保持较小。
例如，可以通过自然对流或强制对流来提供冷却。
用于冷却的装置可以是图6中所示的热泵21。与周围水6传热接触的热泵的部件22a操作为冷凝器，并且与绝缘流体4或其他流体传热接触的热泵的部件22b操作为蒸发器。因此热泵将热量从罐3中的绝缘流体4或其他流体传递至周围水6。
与周围水6传热接触的热泵中的部件22a可以是罐3外的外部单元热交换器。与周围水6传热接触的热泵中的部件22a还可以被集成至罐3的外壁23。图6中示出了集成的示例，其中罐的外壁23形成冷凝器壳体的一部分。周围水6自由地流动经过罐3的外壁23并且当热量通过罐的外壁23散发至周围水6时冷却在热泵21中循环的工作流体。形成冷凝器的热泵的部件22a利用盖子24与绝缘流体4分离，所述盖子24防止从冷凝器到绝缘流体4的热传递。集成的另一示例为其中可以将冷凝器壳体的外表面附接——例如利用热脂连接——至罐3的外壁23。
通过提供冷却来控制绝缘流体4或其他流体温度增加的优点在于它将发热电设备7的位于罐3内的部件也保持在较低的温度下。例如，通过将变压器绕组的温度上升保持在限度内，变压器的寿命增加。向变压器提供冷却的另一优点是它增加了主要受绕组温度的限制的变压器的负载能力。向变压器提供冷却的又一优点是在低容量海底变压器中获得较高的功率密度的可能性。
在另一实施方式中，海底装备包括温度传感器25和温度控制器26，温度传感器25用于测量绝缘流体4或其他流体的温度，温度控制器26包括温度范围。温度传感器25和温度控制器26仅在图5中示出。温度传感器25和温度控制器26可以被安装在附图中所示的海底装备的任何压力补偿器中。
在又一实施方式中，温度控制器26的温度范围是预设范围或者温度范围可以通过数据传输由远程控制来调整。
在又一实施方式中，当发热电设备7处于操作状态时，用于加热的装置5被配置成在测量的温度低于设置的温度范围的情况下提供加热，并且用于冷却的装置20被配置成在测量的温度超过设置的温度范围的情况下提供冷却。
由发热电设备7产生的对绝热流体4或其他流体的热负荷取决于该设备的负载19。因此，当发热电设备7处于操作状态时，加热或冷却罐中的绝缘流体4或其他流体的需要改变。
控制绝缘流体4或其他流体温度保持在设置的温度范围内的优点在于绝缘流体4或其他流体的体积变化保持在由温度变化范围限定的体积范围内。
在又一实施方式中，用于加热的装置5和用于冷却的装置20是以提供加热或提供冷却的方向工作的可逆式热泵。
图6中所示的热泵21也可以呈现可逆式热泵。在加热模式下，与周围水6传热接触的热泵的部件22a操作为蒸发器并且与绝缘流体4或其他流体传热接触的热泵中的部件22b操作为冷凝器。因此，热泵21将热量从周围水6传递至罐中的绝缘流体4或其他流体。
在冷却模式下，与周围水6传热接触的热泵的部件22a操作为冷凝器并且与绝缘流体4或其他流体传热接触的热泵的部件22b操作为蒸发器。因此，热泵21将热量从罐3中的绝缘流体4或其他流体传递至周围水6。
在实施方式中，用于加热的装置5包括电阻加热器、感应加热器或者具有内部温度控制的发热线缆或者热泵21。
当热泵仅用于加热绝缘流体4或另一流体时，与周围水6传热接触的热泵的部件22a操作为蒸发器，并且与绝缘流体4或其他流体传热接触的热泵的部件22b操作为冷凝器。因此，热泵将热量从周围水6传递至罐3中的绝缘流体或其他流体。
加热或冷却绝缘流体4或其他流体所需的功率可以通过若干方法例如通过单独的加热变压器或反应器获得。
所发明的海底装备的压力补偿器提供较长的压力补偿器寿命和更好的可靠性，这是深水海底变压器操作的关键因素。所发明的海底装备的压力补偿器在具有导致绝缘流体大的体积变化的高发热的海底装备中是有利的。
所发明的海底装备的压力补偿器可以应用于包括罐中的绝缘流体或其他流体的不同类型的海底装备。这种海底组件的示例为海底马达、海底开关装置、海底变频器、整流器和液压存储罐。
对于本领域的技术人员来说将明显的是，随着技术进步，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，但是可以在权利要求书的范围内改变。
部件列表：1压力补偿器；2海底装备；3罐；4绝缘流体；5用于加热的装置；6水；7发热设备；8波纹管补偿器；9气缸补偿器；10连接管；11底壁；12波纹管；13顶壁；14侧壁；15活塞；16流体空间；17海水空间；18输入连接；19负载；20用于冷却的装置；21热泵；22a至22b热泵的部件；23罐的外壁；24盖子；25温度传感器；26温度控制器；y竖直方向。

Claims (18)

1.一种海底装备(2)的压力补偿器(1)，其中，所述海底装备(2)包括包含绝缘流体(4)或其他流体的罐(3)，所述压力补偿器(1)与所述罐(3)流体连通，所述压力补偿器(1)被配置成通过执行扩张和收缩运动来补偿所述绝缘流体(4)或所述其他流体的体积变化，其特征在于，所述海底装备(2)包括用于加热所述绝缘流体(4)或所述其他流体的装置(5)以减小所述绝缘流体(4)或所述其他流体的体积变化。
2.根据权利要求1所述的压力补偿器，其特征在于，所述海底装备(2)包括发热电设备(7)。
3.根据权利要求2所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于加热的装置(5)被配置成当所述发热电设备(7)处于非操作状态时向所述绝缘流体(4)或所述其他流体提供加热。
4.根据权利要求3所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于加热的装置(5)被配置成在所述发热电设备(7)的启动期间逐渐关闭对所述绝缘流体(4)或所述其他流体的加热。
5.根据权利要求1所述的压力补偿器，其特征在于，所述海底装备(2)包括用于冷却所述绝缘流体(4)或所述其他流体的装置(20)以减小所述绝缘流体(4)或所述其他流体的体积变化。
6.根据权利要求2和5所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于冷却的装置(20)被配置成当所述发热电设备(7)处于操作状态时提供冷却。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，所述海底装备(2)包括温度传感器(25)和温度控制器(26)，所述温度传感器(25)用于测量所述绝缘流体(4)或所述其他流体的温度，所述温度控制器(26)包括温度范围。
8.根据权利要求7所述的压力补偿器，其特征在于，所述温度控制器(26)的所述温度范围是预设范围或者所述温度范围能够通过数据传输由远程控制来调整。
9.根据权利要求2、5和7所述的压力补偿器，其特征在于，当所述发热电设备(7)处于操作状态时，所述用于加热的装置(5)被配置成在测量的温度低于所述温度范围的情况下提供加热，并且所述用于冷却的装置(20)被配置成在测量的温度超过所述温度范围的情况下提供冷却。
10.根据权利要求9所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于加热的装置(5)和所述用于冷却的装置(20)包括以提供加热或提供冷却的方向工作的可逆式热泵(21)。
11.根据权利要求5至6中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于冷却的装置(20)包括热泵。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于加热的装置(5)包括电阻加热器或感应加热器或热泵(21)。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，所述用于加热的装置(5)包括具有内部温度控制的发热线缆。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，所述发热电设备(7)包括海底变压器。
15.根据权利要求14所述的压力补偿器，其特征在于，所述绝缘流体(4)是变压器油。
16.根据权利要求14所述的压力补偿器，其特征在于，变压器绕组和变压器芯位于所述罐(3)内。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的压力补偿器，其特征在于，电力开关和/或变速驱动器位于所述罐(3)内。
18.一种根据权利要求1至17中任一项所述的海底装备的压力补偿器在海底环境中的用途。
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