CN204678759U - 一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统 - Google Patents

Abstract

目前沿海缆登陆段附近敷设冷却水管存在的主要问题为敷设冷却水管需另建独立水源，并要实时监测冷却水水位水量，冷却水管运行维护困难，对冷却水泵电源及设备要求高。本实用新型提供了一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，它包括设置在海中低潮位段的防淤锚固井和设置在陆上用于冷却海缆的海水蓄水井，所述的防淤锚固井和海水蓄水井通过冷却水管相连，海缆通过防淤锚固井后，置于冷却水管中并到达海水蓄水井。本实用新型解决了海底电缆登陆段由于海水与陆地的分离而造成海缆登陆段运行环境变化、载流量降低的难题。

Description

一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统

技术领域

本实用新型涉及用于提高海底电缆登陆段载流量的技术，尤其是一种利用潮汐能自动提供冷却海水给海底电缆登陆段循环降温的系统。

背景技术

海底电缆(简称海缆)的登陆段由于海洋与陆地的分界，使得海缆运行环境改变，是海缆载流量限制的瓶颈。以往电力工程常用沿海缆登陆段附近敷设冷却水管、采用特殊回填土置换原有土壤、剥除海缆登陆段铠装等方式来提高海底电缆登陆段载流量。

沿海缆登陆段附近敷设冷却水管即采用在海缆登陆段周围或附近埋设冷却水管的方法，以帮助降低登陆段埋设处的环境温度，来提高登陆段的载流量。该方法存在的主要问题为：由于海缆登陆段往往较偏僻，敷设冷却水管需另建独立水源，并要实时监测冷却水水位水量，冷却水管运行维护困难，对冷却水泵电源及设备要求高。

采用特殊回填土置换原有土壤，即将登陆段处土壤置换为用水泥和砂以1:24比例混合配制的材料，使得该段土壤热阻系数降低，但由于回填土由人工混合配制，材料成本较高。实际使用时仅用于电缆周围局部区域，对载流量提高效果仅限于理论分析，所以单纯的置换回填土方案难以满足对海缆传输电流的要求。

为了使海底电缆能承受各种机械应力的作用并抵抗外力损坏，一般采用钢丝铠装结构。由于钢丝铠装会产生很大的磁损耗，故可在登陆段把钢丝铠装剥去，以提高载流量。但是铠装剥除后海缆防护能力有所下降，倘若登陆段的环境复杂，将对海缆运维造成一定的影响，且如果采用两端终端有效接地的方法，登陆段的环流损耗将随着金属护层截面积减小(因铠装已去除)而增大，故载流量增加有限，此时若采用在登陆段抱箍装备处接地，又对接地装置安装有较高的要求，实施复杂。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其借助潮汐自然周期形成的规律，利用潮汐能实现海缆登陆段冷却用水的自动置换与循环，使海缆登陆段在一个自然半日潮周期内，在系统设置的冷却水管内，通过控制海水流速，达到海缆降温目的，以提高海缆登陆段载流量。

为此，本实用新型采用以下的技术方案：一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，它包括设置在海中低潮位段的防淤锚固井和设置在陆上用于冷却海缆的海水蓄水井，所述的防淤锚固井和海水蓄水井通过冷却水管相连，海缆通过防淤锚固井后，置于冷却水管中并到达海水蓄水井。

在一个自然半日潮周期内，利用潮差将海水引入海水蓄水井中，退潮时通过计算海缆降温所需海水的流速流量，利用防淤锚固井内设置的单向阀，控制海水流速对海缆进行降温，海水蓄水井内的海水借助涨落潮实现自动置换与循环。

所述的冷却水管具有通过海缆与承载海缆降温用水的作用。

进一步，所述防淤锚固井的底部设置锚固桩，考虑自然排流需要，锚固井底部高程低于海水蓄水井底部的高程，使海水蓄水井中的海水利用落差通流；防淤锚固井靠大海侧设置出水口，出水口内有防淤盖板和所述的单向阀，涨潮时防淤盖板盖住出水口，防止出水口淤积；退潮时单向阀流出冷却用后的海水。锚固井兼顾锚固电缆作用，故底部设置锚固桩。

进一步，所述的防淤锚固井包括井体和位于井体底部的海缆锚固夹，井体的顶部设有一冷却海水进水口，井体内形成一冷却海水池和一位于冷却海水进水口正下方的沉淀池，所述的沉淀池与冷却海水池在井体的上部相通，沉淀池的底部设有一与外界相通的排砂口，所述的海缆锚固夹位于冷却海水池的池底；

位于海缆入口侧的井体上设有一与外界相通的浮筒进水口和与浮筒进水口相通的浮筒升降腔，该浮筒升降腔内置一可升降的浮筒；

一可上下摆动的排砂挡板的内端部轴接在沉淀池的内侧壁上，排砂挡板的外端部通过排砂口置于井体外且与浮筒配合使用，实现排砂口的关闭或开启。

防淤锚固井使用时，海水对浮筒的浮力推动排砂挡板向上转动，直至排砂挡板的中部抵触在排砂口的顶壁上，此时排砂口处于被关闭状态(即涨潮时)；当沉淀池内的海水、泥砂重力及排砂挡板自重大于浮筒的浮力时(即退潮时，此时随着海水的下降，浮筒的浮力减小)，排砂挡板向下转动，排砂挡板的中部与排砂口的顶壁脱离，排砂口处于被打开状态，泥砂从排砂口处排出。

本实用新型的防淤锚固井通常设置于海缆登陆段脱离海水段附近，在最低低潮位时保证海缆入口位于潮位下；在最低高潮位时，锚固井的冷却海水进水口位于潮位下。

进一步，所述井体的顶部设有一回流导板，该回流导板的底端位于沉淀池内，且回流导板的底端与沉淀池内侧壁的顶端之间形成一用于将沉淀后的海水进入冷却海水池内的流入口。回流导板将通过进水口流入的冷却海水进行导流，使海水形成回流，在重力的作用下，海水中的泥砂物沉淀在排砂挡板上，沉淀后的海水通过回流导板进入冷却海水池中。

进一步，位于海缆入口侧的井体上连接一与冷却海水池相通的排水管，该排水管上装有一单向阀，排水管的管口设有一防淤盖板。涨潮时防淤盖板盖住排水管口，防止泥砂淤积在排水管口；退潮时冷却海水通过单向阀单向流出，冷却海水聚集在管内，达到一定的压力时，防淤盖板被打开，排出冷却海水。

进一步，位于海缆出口侧的井体上连接所述的冷却水管，冷却水管与冷却海水池相通，所述的冷却水管用于套在海缆登陆段上，给海缆登陆段降温。

进一步，所述的海水蓄水井设置在接头区附近，原则上以其与接头区距离最短为佳；海水蓄水井下部的一侧与冷却水管连接，上部与接头区连接，海缆通过海水蓄水井到达接头区。

进一步，所述海水蓄水井的正上方设有一雨水蓄水池，雨水蓄水池通过定位在其上的毛细降温垫与海缆相连，海缆经毛细降温垫包裹通过雨水蓄水池，雨水通过毛细降温垫，利用毛细吸附的方式均匀地吸附在毛细降温垫上，然后通过蒸发对流降温方式对海缆散热；所述雨水蓄水池的顶部还开有一电缆陆上接入口。

本实用新型的有益效果体现在：解决了海底电缆登陆段由于海水与陆地的分离而造成海缆登陆段运行环境变化、载流量降低的难题；采用本实用新型后，海缆最高载流量的瓶颈被打开，实现了海缆登陆段与海水中电缆载流量相同的目标。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型防淤锚固井进水的结构示意图。

图4为本实用新型防淤锚固井排泥砂时的结构示意图。

图5为图3的左视图。

图6为图5的俯视图。

图7为本实用新型防淤锚固井排水管处的结构示意图。

图8为本实用新型防淤锚固井防撞警示装置的结构示意图。

图9为本实用新型海水蓄水井和雨水蓄水池的结构示意图。

图中，1-防淤锚固井，2-冷却水管，3-海水蓄水井，4-雨水蓄水池，5-毛细降温垫，6-海缆段，7-电缆陆上接入口，11-井体，12-海缆锚固夹，13-冷却海水进水口，14-冷却海水池，15-沉淀池，16-排砂口，17-浮筒进水口，18-浮筒升降腔，19-浮筒，20-排砂挡板，21-回流导板，22-流入口，23-排水管，24-单向阀，25-防淤盖板，27-滤网，28-爬梯，29-人孔，30-禁令牌支架，31-LED禁令牌，32-太阳能充电板，33-金属栅格，34-海缆锚固座，35-海缆登陆段，36-海缆入口。

具体实施方式

一.本实用新型以三芯海缆登陆段潮汐自循环降温为实施方案，理论计算过程为：

1.电缆的型号规格及参数

HYJQF41+OFC-64/110 3×630+48B1，海缆外径0.218m。

90℃导体交流电阻：R＝0.0000365Ω/m

金属套损耗系数：  λ1＝0.327

铠装层损耗系数：  λ2＝0.476

海水热容系数：  б＝4.2×10⁶J/m³.k

海水导热系数：  0.6W/m.k

最热月海水温度：  27.8℃

聚乙烯导热系数：  0.45W/m.k

冷却水管直径：  0.6m，长度160米。

2.确定单位时间海缆的发热量(Q1)

按集肤效应系数和邻近效应系数计算

Q＝I²R(1+k_f+k_l)   (1)

Q---发热量，kj/h

k_f---集肤系数

k_l---邻近系数

根据计算得到的直流电阻，查表得集肤系数为

k_f＝0.17，k_l＝0.01

则总发热量见表1

表1理论总发热量计算

3.传热计算

3.1海缆绝缘层热阻确定

根据实测，当海缆暴露在空气中时，绝缘层外表面温度为60℃，铜芯温度为90℃，温差30℃，而海缆每米发热功率为0.046kw，因此根据热阻公式

式中

R_绝缘层---为海缆绝缘层热阻，m.℃/w

Q_m---为海缆每米发热功率，w/m

则得到

R_绝缘层＝0.657m.℃/w

3.2管内受迫对流换热计算公式

水流通过水管时，水流和海缆绝缘层外壁进行对流换热，带走热量，该对流换热量为：

$\stackrel{\·}{Q}=\mathrm{F\α}(t_b-t_f)---\left(3\right)$

式中

F---为对流换热面积，m²

α---为对流换热系数，w/m2.℃

t_b---绝缘层外表温度，℃

t_f---换热流体温度,℃

对流换热系数按下式计算

Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.4，其中Re＝10⁴-1.2×10⁵   (4)

或 ${\mathrm{Nu}}_f=0.116({\mathrm{Re}}_f^{2/3}-125){\mathrm{Pr}}_f^{1/3}[1+{\left(\frac{d}{l}\right)}^{2/3}]{\left(\frac{{\mathrm{\η}}_f}{{\mathrm{\η}}_w}\right)}^{0.14}---\left(5\right)$

实验验证范围为：2300<Re_f<6000

或

Nu＝5，其中Re<2300   (6)

Nu---努谢尔数，Nu＝αl/λ，其中λ(w/m.℃)为导热系数，l为特征尺寸，此处为当量管径。

Re---雷诺数

Pr---普朗特数，对空气为1，对水为5～6。

3.3水管内对流换热计算

在最低潮位以下时，海缆敷设在水管中，水管中的水流带走电缆发热量。其计算结果见下表。海水进口温度设为27.8℃，水管直径为0.6m。在控制电缆铜芯最大使用温度60℃左右时，水箱体积计算值为：

表2水管内对流换热计算推荐计算值(载流量630A，铜芯61℃)

以上计算方案考虑按载流量为630A的正常输送容量考虑，在此水箱设计基础上结合海缆海底敷设条件820A的载流量考虑，则水箱体积计算结果为：

表3水管内对流换热计算推荐计算值(载流量820A，铜芯90℃)

3.5水管流量影响因素分析

水质量流量越大越好，但会造成蓄水体积的增加，在管径为0.6m，最长退潮时间12h条件下分析，结果见下表。

表4水质量流量的影响

流量kg/s	铜芯温度	水箱体积m3
			0.074	90	3.19
0.3	72.1	12.96
			0.5	69.7	21.6
0.8	68.4	34.56
			1.0	68.0	43.2
1.5	61.5	64.8
			1.7	60.9	73.5

可见，在630A的载流量要求下，水质量流量为0.0074kg/s即可将铜芯温度控制在90℃左右，在水量为1.7kg/s时，可将水量控制在60℃左右，在此范围内，加大水箱体积对改变铜芯温度的效果变化不大，所以推荐水箱体积要求大于73.5m³。

二.技术方案实施步骤

本实用新型采用的技术方案为：在海中低潮位段设置取水口海拔为1.5m的防淤锚固井，于陆上设置底面标高-1.0m的海水蓄水井，防淤锚固井和海水蓄水井通过冷却水管相连。海缆通过防淤锚固井后，置于冷却水管中并到达海水蓄水井。防淤锚固井的底部设置锚固桩，锚固井底部高程低于海水蓄水井底部的高程，使海水蓄水井中的海水利用落差通流。

如图3-8所示的防淤型海缆锚固井，井体11的顶部设有冷却海水进水口13，该冷却海水进水口13处设有金属栅格33。井体11内形成冷却海水池14和位于冷却海水进水口正下方的沉淀池15，冷却海水池14的内侧壁上装有爬梯28，位于爬梯正上方的井体顶面开有人孔29。所述的沉淀池15与冷却海水池14在井体11的上部相通，沉淀池15的底部设有与外界相通的排砂口16，冷却海水池14的池底设有海缆锚固夹12和用于放置海缆锚固夹12的海缆锚固座34。位于海缆入口侧的井体上设有与外界相通的浮筒进水口17和与浮筒进水口相通的浮筒升降腔18，该浮筒升降腔18内置可升降的浮筒19。冷却海水进水口13与浮筒进水口17的高度差为2-4米。可上下摆动的排砂挡板20的内端部轴接在沉淀池15的内侧壁上，排砂挡板20的外端部通过排砂口16置于井体外且与浮筒19配合使用，实现排砂口16的关闭或开启。

井体11的顶部设有回流导板21，该回流导板21的底端位于沉淀池15内，且回流导板21的底端与沉淀池15内侧壁的顶端之间形成用于将沉淀后的海水进入冷却海水池内的流入口22。位于海缆入口侧的井体上连接与冷却海水池14相通的排水管23，该排水管23上装有单向阀24，排水管23的管口设有防淤盖板25。位于海缆出口侧的井体上接有与冷却海水池14相通的冷却水管2，冷却水管2的内端面上装有滤网27。冷却水管用于套在海缆登陆段35上，给海缆登陆段降温。井体11的顶部设有防撞警示装置。所述的防撞警示装置由禁令牌支架30和安装在禁令牌支架上的LED禁令牌31和太阳能充电板32组成，太阳能充电板32给LED禁令牌31供电，禁令牌支架和井体上均涂刷红白相间的警示漆。海缆登陆段35由海缆入口36接入海缆锚固井，并固定在海缆锚固夹12上，海缆锚固夹12安装在锚固架底座34上。

涨潮时，海水从浮筒进水口进入，浮筒随着海水的浮力升起，顶住排砂挡板，此时排砂挡板被浮筒挤压遮挡住排砂口，排砂口处于封闭状态。退潮时，随着海水的下降，浮筒所受浮力减少，当浮力小于沉淀池中海水、泥砂重力及排砂挡板自身重量时，排砂口打开，泥砂顺着排砂挡板排出沉淀池。在一个涨潮周期内完成排砂过程。

所述海水蓄水井3的正上方设有雨水蓄水池4，雨水蓄水池4通过定位在其上的毛细降温垫5与海缆相连，海缆经毛细降温垫5包裹通过雨水蓄水池4，雨水通过毛细降温垫5，利用毛细吸附的方式均匀地吸附在毛细降温垫5上，然后通过蒸发对流降温方式对海缆散热；在海水与毛细降温垫分离的海缆段6，利用高度差及毛细降温垫渗出的雨水形成重力降膜，呈均匀水膜状自上而下的流动，对海缆表面进行降温；所述雨水蓄水池4的顶部还开有电缆陆上接入口7。

所述的冷却用海水在冷却水管内利用对流换热方式对海缆散热，控制冷却水管直径，用水流量将海缆铜芯温度控制在60℃左右时，计算12小时内通过冷却水管的水量体积，得出海水蓄水井保守容积；用水流量将海缆铜芯温度控制在90℃左右时，计算12小时内通过冷却水管的水量体积，得出海水蓄水井最小容积。

海水涨潮时，通过锚固井的入水口进入井内，通过冷却水管到达海水蓄水井。在此过程中，由于压力差及水头损失，海水在潮平阶段通过冷却水管的时间具有一定的延续性，在合适的流速下提供冷却用海水给予海缆降温。涨潮结束后，海水蓄水井里的海水与最高位潮水持平，海水蓄水井的蓄水量需考虑年最底潮位的影响。退潮时，位于锚固井的单向阀打开，通过计算水流水量将海水从单向阀内流出，在一个自然周期内基本排完海水蓄水井中的海水，提供海缆降温。

通过以上方案，建立登陆段海缆的良性运行环境，减少由于采用水泵引水带来的能源损耗和管理复杂，消除海缆运行的瓶颈，提高海缆线路载流量。

Claims (8)

1.一种利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，它包括设置在海中低潮位段的防淤锚固井(1)和设置在陆上用于冷却海缆的海水蓄水井(3)，所述的防淤锚固井(1)和海水蓄水井(3)通过冷却水管(2)相连，海缆通过防淤锚固井(1)后，置于冷却水管(2)中并到达海水蓄水井(3)。

2.根据权利要求1所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，所述防淤锚固井(1)的底部设置锚固桩，防淤锚固井底部高程低于海水蓄水井底部的高程，使海水蓄水井(3)中的海水利用落差通流；防淤锚固井(1)靠大海侧设置出水口，出水口内有防淤盖板(25)和单向阀(24)。

3.根据权利要求2所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，所述的防淤锚固井(1)包括井体(11)和位于井体底部的海缆锚固夹(12)，所述井体(11)的顶部设有一冷却海水进水口(13)，井体(11)内形成一冷却海水池(14)和一位于冷却海水进水口正下方的沉淀池(15)，所述的沉淀池(15)与冷却海水池(14)在井体(11)的上部相通，沉淀池(15)的底部设有一与外界相通的排砂口(16)，所述的海缆锚固夹(12)位于冷却海水池(14)的池底；

位于海缆入口侧的井体上设有一与外界相通的浮筒进水口(17)和与浮筒进水口相通的浮筒升降腔(18)，该浮筒升降腔(18)内置一可升降的浮筒(19)；

一可上下摆动的排砂挡板(20)的内端部轴接在沉淀池(15)的内侧壁上，排砂挡板(20)的外端部通过排砂口(16)置于井体外且与浮筒(19)配合使用，实现排砂口(16)的关闭或开启。

4.根据权利要求3所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，所述井体(11)的顶部设有一回流导板(21)，该回流导板(21)的底端位于沉淀池(15)内，且回流导板(21)的底端与沉淀池(15)内侧壁的顶端之间形成一用于将沉淀后的海水进入冷却海水池内的流入口(22)。

5.根据权利要求3所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，位于海缆入口侧的井体上连接一与冷却海水池(14)相通的排水管(23)，该排水管(23)上装有所述的单向阀(24)，排水管(23)的管口设有所述的防淤盖板(25)。

6.根据权利要求3所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，位于海缆出口侧的井体上连接所述的冷却水管(2)，冷却水管(2)与冷却海水池(14)相通。

7.根据权利要求1或2所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，所述的海水蓄水井设置在接头区附近，海水蓄水井下部的一侧与冷却水管连接，上部与接头区连接，海缆通过海水蓄水井到达接头区。

8.根据权利要求7所述的利用潮汐能给海底电缆登陆段循环降温的系统，其特征在于，所述海水蓄水井(3)的正上方设有一雨水蓄水池(4)，雨水蓄水池(4)通过定位在其上的毛细降温垫(5)与海缆相连，海缆经毛细降温垫(5)包裹通过雨水蓄水池(4)；所述雨水蓄水池(4)的顶部还开有一电缆陆上接入口(7)。