DE102012016670B4

DE102012016670B4 - Vorrichtung (genannt J-Tube) zum Schutz von Energieübertragungsseekabeln vor äußeren mechanischen Einflüssen an Offshore Plattformen

Info

Publication number: DE102012016670B4
Application number: DE201210016670
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zaitz
Original assignee: Strabag Ow Evs GmbH
Current assignee: Strabag Ow Evs GmbH
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: DE102012016670A1

Abstract

Vorrichtung zum Schutz von Energieübertragungsseekabeln vor äußeren mechanischen Einflüssen an Offshore Plattformen, wobei die Vorrichtung in Teilen unterhalb der Wasserkante und bis zum oberen Ende der Vorrichtung das Energieübertragungsseekabel mit einem flüssigen Medium umgibt, das mit Hilfe von natürlicher Konvektion in einem geschlossenen Kreislauf durch das Seekabel erhitzt und durch das Meerwasser als sekundärem Kühlmedium wieder abgekühlt wird mit dem Ziel, die Fähigkeit des Seekabels, elektrische Leistung zu übertragen, durch gezielte Abwärmeabfuhr zu verbessern, wobei sich ein thermischer Isolator in konstruktiver Form eines Rohrs innerhalb der Vorrichtung befindet, der einen natürlichen Konvektionskreislauf ermöglicht, wobei die Vorrichtung zusätzlich mit Radiatorenelementen versehen wird, um die Rückkühlung zu verbessern, wobei das Rohr innerhalb der Vorrichtung, welches als thermischer Isolator dient, hohl ausgeführt und mit einem thermisch isolierenden Medium gefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Energieübertragungsseekabeln vor äußeren mechanischen Einflüssen an Offshore Plattformen, wobei die Abwärmeabfuhr verbessert wird.
Es ist bekannt, dass Energieübertragungsseekabel eine maximale absolute Leitertemperatur im Betrieb nicht überschreiten dürfen. Diese setzt sich aus der Summe von Umgebungs- und Leiterübertemperatur zusammen und ergibt im Fall von XLPE Energieübertragungsseekabeln einen Wert von 20°C (Umgebungstemperatur) + 70 K (Leiterübertemperatur) = 90°C (absolute Leitertemperatur) (siehe z. B. ABB Produktbroschüre: XLPE Submarine Cable Systems; Attachment to XLPE Land Cable Systems – User's Guide, Rev 5).
Ersichtlich ist demnach, dass eine Umgebungstemperatur des Energieübertragungsseekabels, die über 20°C hinausgeht, dazu führt, dass die Leiterübertemperatur abgesenkt werden muss, um innerhalb der erlaubten absoluten Leitertemperatur von 90°C zu bleiben und einen irreparablen Schaden zu vermeiden. Als Konsequenz daraus erwächst, dass die durch das Energieübertragungsseekabel transportierte Leistung reduziert werden muss, da diese im direkten kausalen Zusammenhang mit der Leiterübertemperatur steht.
Offshore Plattformen auf denen elektrische energietechnische Gewerke angeordnet sind, befinden sich oberhalb der Wasserlinie und insofern müssen Energieübertragungsseekabel innerhalb einer J-Tube einen Bereich überbrücken, in dem dieses nicht von Wasser, sondern von Luft umgeben ist. Diese bietet folgende thermische Eigenschaften gegenüber Wasser (siehe z. B. Taschenbuch der Physik: Formeln, Tabellen, Übersichten/hrsg. Von Horst Stöcker. – 2., völlig überarb. Und erw. Aufl.-Thun; Frankfurt am Main: Deutsch, 1994 ISBN: 3-8171-1358-7):

Medium Cp [J·g^–1·K^–1] λ [W·m^–1·K^–1]

Wasser 4,187 0,60

Luft 1,005 0,02454
Ein Vergleich der thermischen Kennwerte zeigt die deutlich schlechteren thermischen Eigenschaften der Luft als Medium zur Wärmeabfuhr im Vergleich zu Wasser. Hinzu kommt, dass Vorrichtungen, wie zum Beispiel Rohrleitungen und sogenannte J-Tubes, die das Energieübertragungsseekabel vor äußeren mechanischen Einflüssen schützen, Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein können und sich dadurch im Inneren zusätzlich erhitzen. Gemäß anerkanntem Stand der Technik wird diesem Problem in der Form begegnet, dass Luftschlitze in diese Vorrichtungen eingebracht werden, um eine Luftzirkulation mittels Kamineffekt zuzulassen. Der anerkannte Stand der Technik kennt zudem gemäß US Patentnummer US 6 225 553 B1 einen FLUID CARLE BELAD RESTRICTOR, der einen geschlossenen Kühlflüssigkeitskreislauf entlang des Energieübertagungsseekabels ermöglicht. Inhalt der Erfindung ist jedoch nicht, wie eine Rückkühlung der Kühlflüssigkeit sichergestellt wird, um die Bildung eines sogenannten Hot Spots zwischen Wasserlinie und Bauwerk zu verhindern, der die Dimensionierung des Energieübertragungsseekabels bestimmt (siehe CIGRE: Guidelines for the Design and Construction of AC Offshore Substations for Wind Power Plants, Working Group B3.26, Copyright 2011, ISBN: 978-2-85873-174-9).
Rückkühlungsmöglichkeiten von elektrischen Maschinen in Form von Radiatorenelementen sowie die Nutzung des Rückkühlungspotentials des Meerwassers für die Kühlung elektrischer Maschinen, die auf einem Bauwerk oberhalb der Wasserlinie angeordnet sind, sind hingegen Inhalt der folgenden Patente:

• DE 11 08 775 A – Unterflurstationen fuer elektrische Grossgeraete wie z. B. Transformatoren, Motoren und Generatoren
• DE 697 27 484 T2 – LEISTUNGSANLAGE ZUR UNTERWASSERBENUTZUNG
• DE 10 2004 063 508 B4 – Elektrisches Bauteil mit Kühlkreislauf für den Unterwasserbetrieb
• DE 10 2009 017 468 A1 – Kühlsystem für ein elektrisches Umspannwerk insbesondere für eine Windkraftanlage
• DE 20 2011 107 026 U1 – Elektrische Maschine mit einer Kühlung durch einen flächigen Temperierungskörper und ein Wärmetauschfluid

Eine Lösung des Hotspot-Problems und der damit verbundenen Verringerung der Energieübertragungskapazität eines Energieübertragungsseekabels, welches durch mechanische äußere Einflüsse durch eine Vorrichtung geschützt wird, ist jedoch durch keines der genannten Erfindungen ersichtlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, die zum einen die Energieübertragungsseekabel vor mechanischen Einflüssen schützt und zum anderen eine effektive Kühlung der Kabel gewährleistet. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Diese besagen im Detail, dass das Energieübertragungsseekabel im kritischen Bereich komplett mit einem Kühlmedium mit besseren thermischen Eigenschaften als Luft umgeben wird, wie zum Beispiel Wasser oder spezielle pflanzliche Öle. Zum anderen wird durch die innere konstruktive Ausführung der J-Tube eine natürliche Konvektion des eingesetzten Kühlmediums erzeugt. Charakteristische Merkmale dieser sind sowohl der hermetische Abschluss der J-Tube deutlich unterhalb der Wasserkante, um eine Rückkühlung des primären Kühlmediums durch das sekundäre Kühlmedium (umgebendes Meerwassser) zu gewährleisten und der hermetische Abschluss der J-Tube am oberen Ende, um ein geschlossenes System zu erzeugen, das einen Konvektionsvorgang ermöglicht, als auch der Einsatz eines thermischen Isolationsrohres, das eine Trennung zwischen dem sich erwärmenden und aufsteigenden Kühlmedium direkt am Energieübertragungsseekabel und dem sich abkühlenden und absinkenden Kühlmedium am Innendurchmesser der J-Tube darstellt.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass im thermisch am höchsten belasteten Bereich des Energieübertragungsseekabels (Hot Spot) eine gezielte Wärmeabfuhr gewährleistet und dadurch eine erhöhte Stromtragfähigkeit des Energieübertragungsseekabels erreicht wird.
Zudem wird eine erhöhte Effizienz der Rückkühlung des primären durch das sekundäre Kühlmedium erreicht, indem die J-Tube nach außen hin durch Radiatoren ergänzt wird, die eine zusätzliche Fläche zur Wärmeabstrahlung zur Verfügung stellen.
Zudem wird durch eine bessere thermische Isolation zwischen aufheizendem und abkühlendem Primärkühlmedium eine effizientere Wärmeabfuhr des Energieübertragungsseekabels erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen 1, 2 und 3 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt einen Schnitt durch eine J-Tube. Klar erkennbar ist die Umwälzung des Kühlmediums aufgrund der Wärmeabgabe des Energieübertragungsseekabels und die Rückkühlung über das die J-Tube umgebende Mehrwasser.
2 zeigt einen Schnitt durch eine J-Tube. Hier sind Radiatorenelemente zu erkennen, die unterhalb der Wasserunterkante angebracht sind, um eine effizientere Rückkühlung zu gewährleisten. Diese sind am Umfang der J-Tube verteilt und, wie in der Ansicht von oben erkennbar ist, in der jeweils benötigten Anzahl angeordnet.
3 zeigt ein hohl ausgeführtes Isolationsrohr, das mit einem speziellen Isolationsmaterial befüllt wird oder in dem ein Vakuum herrscht, um die natürliche Konvektion des Kühlmediums innerhalb der J-Tube zu optimieren.