用於將電力供應到海上設施的系統、方法和組件的製作方法
2023-07-18 12:56:21
用於將電力供應到海上設施的系統、方法和組件的製作方法
【專利摘要】本發明涉及使用波浪能來驅動與海上設施關聯的一個或多個空氣渦輪機的方法和系統，其中這樣的渦輪機可以生成電力以便用於海上設施和/或附近的設施和設備。海上設施可以是海上平臺或浮船。渦輪機可以容納在設施的結構部件或從設施懸掛的管狀部件中。渦輪機也可以容納在連接到設施的結構部件的管狀部件內。
【專利說明】用於將電力供應到海上設施的系統、方法和組件
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2011年3月11日提交的美國臨時專利申請第61/451，649號和2011年11月3日提交的美國臨時專利申請第61/555，325號的權益和優先權。
【技術領域】
[0003]本發明總體上涉及使用可再生能量為海上油氣設施提供電力，並且具體地涉及使用低水頭水-空氣渦輪機從波浪引起的空氣壓力產生所述電力。
【背景技術】
[0004]海上油氣平臺具有巨大的電力需求。固定和浮式海上設施上的電負荷典型地由化石燃料驅動發電設備(例如，柴油發電機)供應。小於大約50kW的較小負荷常常由小型可再生能量發電機、例如太陽能面板或微型風力渦輪機供應。具有這樣的功率要求的設施的例子是具有延伸到海底的腿部的固定平臺、典型地用線固定到海底的浮式平臺以及浮式生產儲卸(FPSO)船。
[0005]考慮到前述情況，用於從可再生能源產生/生成較大(例如，大於50kW)電力負載方法和系統將是很有益的，特別地其中這樣的方法/系統佔用很小的空間和/或以不挑戰在這樣的海上平臺上長期存在的空間限制的方式被使用/定位。
【發明內容】
[0006]本發明涉及使用波浪能來驅動與海上烴設施關聯的一個或多個空氣渦輪機的方法、系統和組件，其中這樣的渦輪機可以生成電力以便用於海上設施和/或附近的勘探和生產(E&P)設施和設備。
[0007]在一些實施例中，本發明涉及用於利用或以另外方式捕獲波浪能以便用於海上油和/或氣平臺的一種或多種方法，所述方法包括以下步驟:(I)將振蕩水柱包含到海上油和/或氣平臺中，其中由波浪能驅動的水從結合到平臺的結構中的入口 /出口進入和離開，並且其中水的向內/向外流動升高和降低振蕩水柱中的水平面，由此實現位於所述柱中的水之上的空氣的壓力變化；(2)使用在振蕩水柱之上的空氣的壓力變化來驅動與發電裝置(例如，旋轉式交流發電機)聯接的水-空氣渦輪機(例如，韋爾斯(Wells)型渦輪機)從而生成電力；以及(3)使用(例如，經由電力輸出纜線)電力為海上油/氣平臺上或附近的裝置提供電力。
[0008]在一些其它實施例中，本發明涉及用於利用或以另外方式捕獲波浪能以便用於海上油和/或氣平臺的一種或多種系統，所述系統包括以下部件:(I)具有支撐結構的海上油和/或氣平臺，其中所述支撐結構包括具有在水平面處的共同入口 /出口的柱狀體積；(2)在支撐結構的柱狀體積內的振蕩水柱，振蕩水柱具有振蕩(上升/下降)水平面，所述柱中的水平面由進出共同入口 /出口的波浪引起的水流升高和降低；(3)在水平面之上的空氣的可變體積；(4)容納在水平面之上的支撐結構的柱狀體積和空氣的可變體積中的水-空氣渦輪機(例如，韋爾斯型渦輪機)，其中渦輪機響應在水平面之上的空氣體積的變化旋轉；
(5)由渦輪機經由軸驅動的旋轉式交流發電機(或其它類似裝置);(6)位於渦輪機之上的進氣/排氣口 ；以及(7)在一個端部連接到旋轉式交流發電機並且在另一端部連接到一個或多個電氣裝置的電力輸出纜線。
[0009]前述內容相當寬泛地概述本發明的特徵以便可以更好地理解接下來的本發明的詳細描述。將在下文中描述形成本發明的權利要求的主題的本發明的附加特徵和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]為了更完整地理解本發明及其優點，現在參考結合附圖進行的以下描述，其中:
[0011]圖1是根據本發明的一個或多個實施例的海上設施的示意性環境圖；
[0012]圖2是具有定位在根據本發明的一個或多個實施例的圖1的設施的支撐結構內的空氣渦輪機的發電組件和系統的示意圖；以及
[0013]圖3是圖2的發電組件和系統的替代實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0014]如前面的部分中所述，本發明涉及使用波浪能來驅動包含到海上設施中或以另外方式與海上設施關聯的一個或多個空氣渦輪機的過程、方法、組件和系統，其中這樣的渦輪機可以生成電力以便在海上設施上或附近使用。
[0015]參考圖1，海上設施11顯示為它的操作區域在海13的表面之上。設施11示出為固定平臺，但是不旨在限制本公開的範圍，原因是其它類型的設施已被論述並且被預料。典型地，多個立管15從設施11延伸到定位在海底19上的水下井口 17。立管15和井口 17示出為生產立管和井口，但是本領域的技術人員將容易領會本公開的範圍也包括與鑽井操作關聯的立管和水下組件。在圖1所示的實施例中，多個腿部或支撐件21在設施11和海底19之間延伸以提供設施11的穩定性。在設施11的替代實施例中，支撐件21可以是錨固或系泊線。圖1中所示的實施例的支撐件21優選地至少具有帶中空內部的一部分。
[0016]參考圖2，顯示發電組件和系統200的至少一個實施例。在圖2所示的實施例中，組件和系統200包括支撐結構201、圖1中的支撐結構21。支撐結構201的中空內部限定柱狀體積，該柱狀體積具有在海或水平面213處的共同開口 211。在圖2所示的實施例中，開口通過結構211的側壁形成。當水平面隨著波浪上升和下降時，水通過開口 211進入和離開支撐結構201的柱狀體積，由此允許柱狀體積內的水線振蕩。這樣的振蕩水平面限定支撐結構211內的振蕩水柱203，具有在水平面之上的空氣的可變體積。
[0017]渦輪機205容納在水平面之上的支撐結構201的柱狀體積和空氣的可變體積中。渦輪機205可以是單級渦輪機或多級渦輪機。渦輪機205響應由於與振蕩水柱203關聯的增加和減小體積引起的氣壓的變化而旋轉。旋轉式交流發電機209 (或其它類似裝置)由渦輪機205的軸機械地驅動以響應渦輪機205的旋轉生成電力。電力輸出纜線215連接到旋轉式交流發電機，使得一個或多個電氣裝置與交流發電機209電連通。另一開口 207在渦輪機205之上通過支撐結構201形成以允許空氣流入和流出柱狀體積。
[0018]參考圖3，顯示發電組件和系統300的至少一個附加實施例。在圖3所示的實施例中，組件和系統300包括從設施11 (圖1)懸掛的管狀部件302。圖3將管狀部件302示出為鄰近支撐結構301僅僅是為了示出管狀部件不同於設施11的支撐結構301。取決於系統的實施例管狀部件可以是從平臺懸掛或在FPSO的側上的空立管或套管。在圖3的圖示中，管狀部件302具有限定柱狀體積的中空內部，所述柱狀體積具有在海或水平面313處的共同開口 311。在圖3所示的實施例中，開口 311形成於管狀部件302的下端部處，但是它也可以類似於圖2的開口 211通過側壁。當水平面隨著波浪上升和下降時，水通過開口 311進入和離開管狀部件302的柱狀體積，由此允許柱狀體積內的水線振蕩。這樣的振蕩水平面限定管狀部件302內的振蕩水柱303，具有在水平面之上的空氣的可變體積。
[0019]渦輪機305容納在水平面之上的管狀部件302的柱狀體積和空氣的可變體積中。渦輪機305可以是單級渦輪機或多級渦輪機。渦輪機305響應由於與振蕩水柱303關聯的增加和減小體積引起的氣壓的變化旋轉。旋轉式交流發電機309 (或其它類似裝置)由渦輪機305的軸機械地驅動以響應渦輪機305的旋轉生成電力。電力輸出纜線315連接到旋轉式交流發電機，使得一個或多個電氣裝置與交流發電機309電連接。另一開口 307在渦輪機305之上通過管狀部件302形成以允許空氣流入和流出柱狀體積。
[0020]2.方法
[0021]在一些實施例中，本發明涉及從波浪能產生電力以便用於海上設施的方法，所述方法包括以下步驟:(I)將振蕩水柱包含到海上設施中，其中由波浪能驅動的水從結合到設施的結構中的開口進入和離開，並且其中水的向內/向外流動升高和降低振蕩水柱中的水平面，由此實現位於所述柱中的水之上的空氣的壓力變化；(2)使用在振蕩水柱之上的空氣的壓力變化來驅動與發電裝置(例如，旋轉式交流發電機)聯接的渦輪機(例如，韋爾斯(Wells)型渦輪機)從而生成電力；以及(3)使用(例如，經由電力輸出纜線)電力為海上設施上的裝置提供電力。
[0022]振蕩水柱(OWCs)以及在利用波浪中使用OWCs在本領域中是已知的。這樣的OWCs的例子可以在Nishikawa的美國專利第4，719，754號和Sieber的美國專利第7，836，689號中找到。
[0023]在一些實施例中，本發明涉及從波浪能產生電力以便用於海上設施的方法，所述方法包括以下步驟:(1)使振蕩水柱與海上設施關聯，其中由波浪能驅動的水從結合到從設施懸掛的管狀部件中的開口進入和離開，並且其中水的向內/向外流動升高和降低振蕩水柱中的水平面，由此實現位於所述柱中的水之上的空氣的壓力變化；(2)使用在振蕩水柱之上的空氣的壓力變化來驅動與發電裝置(例如，旋轉式交流發電機)聯接的渦輪機(例如，韋爾斯(Wells)型渦輪機)從而生成電力；以及(3)使用(例如，經由電力輸出纜線)電力為海上設施上的裝置提供電力。
[0024]在另外的實施例中，本發明涉及從波浪能產生電力以便用於海上設施的方法，所述方法包括以下步驟:(1)使振蕩水柱與海上設施關聯，其中由波浪能驅動的水從結合到管狀部件中的開口進入和離開，並且其中水的向內/向外流動升高和降低振蕩水柱中的水平面，由此實現位於所述柱中的水之上的空氣的壓力變化；(2)使用在振蕩水柱之上的空氣的壓力變化來驅動與發電裝置(例如，旋轉式交流發電機)聯接的渦輪機(例如，韋爾斯(Wells)型渦輪機)從而生成電力；以及(3)使用(例如，經由電力輸出纜線)電力為海上設施上的裝置提供電力。管狀部件可以從設施或設施的結構支撐件懸掛。取決於設施的類型管狀部件可以從平臺懸掛或鄰近船定位。[0025]在一些實施例中，上述渦輪機可以是單級和/或多級渦輪機。在一些這樣的上述實施例中，這樣使用的渦輪機是單向渦輪機，其中這樣的渦輪機響應在水平面之上的空氣體積的變化旋轉，並且其中渦輪機在相同方向上旋轉而不管空氣的體積使增加還是減小。這樣的渦輪機的例子包括但不限於韋爾斯(Wells)渦輪機和薩沃鈕斯(Savonius)渦輪機。例如參見Wells的美國專利第4，383，413號。附加地或替代地，在一些或其它這樣的實施例中，可以作為這樣使用的任何單向渦輪機的代替或附加使用往復式渦輪機。
[0026]在一些實施例中，有許多電力輸出情形。這樣的情形包括但不限於(a)連接到蓄電池或直接連接到總線負載的發電機的渦輪機直接驅動，和(b)空氣壓縮機的渦輪機直接或電驅動以便儲存在蓄積器中，其中空氣將按需排出以驅動腿中(in-leg)渦輪機或獨立空氣渦輪機以便快速電力輸送到總線。可以預料在一些這樣的實施例中，來自蓄積器的壓縮空氣將用於通過提升進氣壓力和/或溫度增加平臺上的燃式渦輪機的效率。
[0027]在一些這樣的上述方法實施例中，該方法能夠生成超過50kW的電力負荷。在一些或其它這樣的實施例中，該方法能夠生成超過IOOkW的電力負荷。
[0028]3.系統
[0029]系統與經由如接下來的段落中所述的功能基礎結構實現上述的方法大體上一致。
[0030]如本文中先前所述，在一些實施例中本發明涉及從波浪能產生電力以便用於海上設施的系統。參考圖2，這樣的系統和組件(200)可以包括以下部件:具有支撐結構201的海上設施，其中所述支撐結構201包括具有在水平面213處的共同開口 211的柱狀體積；在支撐結構201的柱狀體積內的振蕩水柱203，振蕩水柱203具有振蕩水平面，所述柱中的水平面由進出共同開口 211的波浪引起的水流升高和降低；在水平面之上的空氣的可變體積；容納在水平面之上的支撐結構201的柱狀體積和空氣的可變體積中的渦輪機205，其中渦輪機205響應在水平面之上的空氣體積的變化旋轉；由渦輪機經由軸驅動的旋轉式交流發電機209 (或其它類似裝置);位於渦輪機之上的空氣開口 207 ;以及在一個端部連接到旋轉式交流發電機並且在另一端部連接到一個或多個電氣裝置的電力輸出纜線215。
[0031]在一些這樣的上述實施例中，一個或多個渦輪機可以定位在海上油/氣平臺的一個或多個腿部中。在一些這樣的實施例中，腿部修改成具有外部增壓室，由此增加到達在腿部的內部和/或外部的渦輪機的體積。
[0032]如本文中先前所述，在一些實施例中，本發明涉及從波浪能產生電力以便用於海上設施的系統。參考圖3，這樣的系統和組件300可以包括以下部件:具有管狀部件302的海上設施，其中所述管狀部件302包括具有在水平面313處的共同開口 311的柱狀體積；在管狀部件302的柱狀體積內的振蕩水柱303，振蕩水柱303具有振蕩水平面，所述柱中的水平面由進出共同開口 311的波浪引起的水流升高和降低；在水平面之上的空氣的可變體積；容納在水平面之上的管狀部件302的柱狀體積和空氣的可變體積中的渦輪機205，其中渦輪機305響應在水平面之上的空氣體積的變化旋轉；由渦輪機經由軸驅動的旋轉式交流發電機309 (或其它類似裝置);位於渦輪機之上的空氣開口 307 ;以及在一個端部連接到旋轉式交流發電機並且在另一端部連接到一個或多個電氣裝置的電力輸出纜線315。
[0033]在一些這樣的上述系統實施例中，一個或多個渦輪機可以定位在與海上設施11關聯的一個或多個管狀部件302中。
[0034]在一些這樣的上述系統實施例中，一個或多個渦輪機可以定位在海上設施的甲板上。在一些這樣的實施例中，(平臺的)每個腿部或支撐結構在有或沒有腿部修改的情況下聯接到渦輪機以產生外部增壓室。在一些或其它這樣的實施例中，兩個或更多個腿部或支撐結構聯接到共同空氣歧管。
[0035]儘管現有的海上設施的類型和尺寸將可能對OWC/水-空氣渦輪機發電系統的尺寸和數量造成限制，但是可以預料未來這樣的設施將發展以將該技術更好地結合到用於海上設施的總體發電方案中。
[0036]上述的方法和系統容易地適合於各種情況。例如，如果使用多個這樣的渦輪機，則它們可以單獨地或串聯地使用。而且，結構和/或環境限制可以指導或以另外方式規定空氣如何被引入並且從系統排出(參見上文)。
[0037]5.總結
[0038]本發明涉及使用波浪能來驅動與海上設施關聯的一個或多個空氣渦輪機的方法和系統，其中這樣的渦輪機可以生成電力以便用於海上設施和/或附近的設施和設備。
[0039]本文中引用的所有專利和公開文本在不與本發明不一致的程度上通過引用被合併於此。將理解上述實施例的上述結構、功能和操作中的某些不一定實施本發明並且僅僅為了一個或多個示例性實施例的完整性而包括在說明書中。另外，將理解上述引用專利和出版物中所述的具體結構、功能和操作可以與本發明結合實施，但是它們對於它的實施來說不是必不可少的。所以應當理解本發明可以以不同於如具體所述的以另外方式實施而實際上不脫離如附帶的權利要求限定的本發明的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於從波浪能產生電力以便用於海上設施的方法，所述方法包括以下步驟: a)將與海上設施關聯的管狀部件定位成與水連通，所述管狀部件具有開口以便來自水的波浪進入和離開所述管狀部件，水的向內/向外流動升高和降低所述管狀部件中的水平面，由此限定所述管狀部件內的振蕩水柱並且由此實現位於柱中的水之上的空氣的壓力變化； b)使用在所述振蕩水柱之上的空氣的壓力變化來驅動與發電裝置聯接的渦輪機以便生成電力；以及 c)使用電力為所述海上設施上的裝置提供電力。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述管狀部件從所述海上設施懸掛。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
4.根據權利要求1所述的方法，其中: 所述海上設施是海上油平臺；以及 所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
5.根據權利要求1所述的方法，其中: 所述海上設施是海上油平臺；並且 所述管狀部件從所述平臺懸掛。
6.根據權利要求1所述的方法，其中: 所述海上設施是海上油平臺；並且 所述管狀部件連接到所述平臺的結構支撐件。
7.根據權利要求1所述的方法，其中: 所述海上設施是浮船；並且 所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
8.一種用於從波浪能產生電力以便用於海上設施的系統，所述系統包括: 海上設施，所述海上設施具有鄰近水平面定位的管狀部件，所述管狀部件具有柱狀體積，所述柱狀體積具有在海平面處的開口 ； 在所述管狀部件的所述柱狀體積內的振蕩水柱，所述振蕩水柱具有振蕩水平面，所述柱中的水平面由於進出共同開口的由波浪引起的水流而升高和降低； 在所述水平面之上的空氣的可變體積； 容納在所述水平面之上的管狀部件的所述柱狀體積和空氣的可變體積中的渦輪機，所述渦輪機響應在所述水平面之上的空氣體積的變化旋轉； 由所述渦輪機驅動的旋轉式交流發電機； 位於所述渦輪機之上的空氣開口 ；以及 連接到所述旋轉式交流發電機的電力纜線，所述電力纜線將電力輸送到與所述海上設施關聯的一個或多個電氣裝置。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述管狀部件從所述海上設施懸掛。
10.根據權利要求8所述的系統，其中所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
11.根據權利要求8所述的系統，其中:所述海上設施是海上油平臺；並且 所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
12.根據權利要求8所述的系統，其中: 所述海上設施是海上油平臺；並且 所述管狀部件從所述平臺懸掛。
13.根據權利要求8所述的系統，其中: 所述海上設施是海上油平臺；並且 所述管狀部件連接到所述平臺的結構支撐件。
14.根據權利要求8所述的系統，其中: 所述海上設施是浮船；並且 所述管狀部件形成於所述海上設施的結構支撐件中。
15.根據權利要求8所述的系統，其中多個渦輪機容納在所述水平面之上的管狀部件的所述柱狀體積和空氣的可變體積中。
16.根據權利要求8所述的系統，其中設有多個管狀部件，每個管狀部件具有容納在其中的柱狀體積和渦輪機。
17.根據權利要求8所述的系統，其中: 設有多個管狀部件，每個管狀部件具有柱狀體積；並且 設有容納在所述水平面之上的各個所述柱狀體積內的多個渦輪機。
18.根據權利要求8所述的系統，其中所述管狀部件還包括形成於所述渦輪機之上的空氣開口。
19.一種用於從波浪能產生電力以便用於海上設施的系統，所述系統包括: a)具有支撐結構的海上設施，所述支撐結構具有柱狀體積，所述柱狀體積具有在水平面處的第一開口； b)在所述支撐結構的所述柱狀體積內的振蕩水柱，所述振蕩水柱具有振蕩水平面，所述水平面由於進出所述第一開口的波浪引起的水流而升高和降低； c)在所述水平面之上的空氣的可變體積，所述可變體積響應所述水平面的振蕩變化； d)容納在所述水平面之上的所述支撐結構的所述柱狀體積和空氣的可變體積中的渦輪機，所述渦輪機響應所述可變體積的變化旋轉； e)由所述渦輪機驅動的旋轉式交流發電機； f)位於所述渦輪機之上的空氣開口；以及 g)電力輸出纜線，所述電力輸出纜線連接到所述旋轉式交流發電機以將電力提供給與所述海上設施關聯的一個或多個電氣裝置。
【文檔編號】F03B17/06GK103492708SQ201280019853
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月8日 優先權日:2011年3月11日
【發明者】W·桑頓, J·泰克曼 申請人:雪佛龍美國公司