DE102015101076A1

DE102015101076A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur aktiven Kühlung von Stromkabeln

Info

Publication number: DE102015101076A1
Application number: DE102015101076.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit Vorrichtungen zur aktiven Kühlung von Stromkabeln, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mit dem Verfahren eine direkte aktive Außenkühlung der Kabel mittels flüssiger, wasserbasierter Kühlmedien in Doppelrohrwärmetauschern erfolgt, in denen dazu jeweils mindestens ein Kabel verlegt ist und die Zirkulation des primären Kühlmediums mittels mindestens einer Pumpe und mittels erfindungsgemäßer Wärmetauscheranbaubauteile und Vorrichtungen erfolgt, die die Aus- und Einspeisung, Trennung und Mischung des Kühlmediums außerhalb und innerhalb der Doppelrohrwärmetauscher sicherstellen und mittels mindestens einem sekundären Kühlmedium die erfindungsgemäße Rückkühlung des primären Kühlmediums erfolgt und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Grundlage temperaturmesstechnischer Überwachungsvorrichtungen und Signalgebung einerseits die temperaturgeführte Leistungsanpassung des erfindungsgemäßen Kühlprozesses durchgeführt wird, entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit und an die Flexibilität der Kühlleistung auf volatilen Verlustwärmeanfall in den Doppelrohrwärmetauschern durch die Stromübertragung, als auch andererseits die Stromübertragungsleistung an die Leistungsfähigkeit des Kühlprozesses angepasst werden kann.

Description

Verfahren mit Vorrichtungen zur aktiven Kühlung von Stromkabeln, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren eine direkte aktive Außenkühlung der Kabel mittels flüssiger, wasserbasierter Kühlmedien in Doppelrohrwärmetauschern erfolgt, in denen dazu jeweils mindestens ein Kabel verlegt ist und die Zirkulation des primären Kühlmediums mittels mindestens einer Pumpe und mittels erfindungsgemäßer Wärmetauscheranbaubauteile und Vorrichtungen erfolgt, die die Aus- und Einspeisung, Trennung und Mischung des Kühlmediums außerhalb und innerhalb der Doppelrohrwärmetauscher sicherstellen und mittels mindestens einem sekundären Kühlmedium die erfindungsgemäße Rückkühlung des primären Kühlmediums erfolgt und dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage temperaturmesstechnischer Überwachungsvorrichtungen und Signalgebung einerseits die temperaturgeführte Leistungsanpassung des erfindungsgemäßen Kühlprozesses durchgeführt wird, entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit und an die Flexibilität der Kühlleistung auf volatilen Verlustwärmeanfall in den Doppelrohrwärmetauschern durch die Stromübertragung, als auch andererseits die Stromübertragungsleistung an die Leistungsfähigkeit des Kühlprozesses angepasst werden kann.
Technologisch und aus physikalischen Gründen besteht in der Regel der Wunsch, möglichst verlustarm Strom zu transportieren. Bei der Hoch- und Höchstspannungs-Stromübertragung, mit oder ohne Kabelschutzrohr unterirdisch verlegter Stromkabel, sorgt allein der ohmsche Widerstand bei der Stromübertragung für eine Erwärmung der Kabel mit einer hohen spezifischen Wärmemenge, die passiv durch Wärmeleitung oder aktiv, an ein Kühlmedium gebunden, abgeführt werden muss, ohne Gefahr zu laufen, dass Schäden durch Überwärmung entstehen.
Bei passiv gekühlten Kabelsystemen, wie z. B. bei mit oder ohne Kabelschutzrohr erdverlegten Kabeln gemäß dem Stand der Technik, erfolgt die Wärmeübertragung der Verlustwärme senkrecht zur Stromübertragungsrichtung vom Kabel über Bettungsmaterialien, z. B. so genanntem Kabelzement, ggf. über die Rohrwandung des Kabelschutzrohres und weitere Schichten des verwendeten Verfüllmaterials bis an die oberhalb der Kabeltrasse befindliche Erdoberfläche bzw. Atmosphäre.
Bei bekannten aktiv gekühlten Kabelsystemen, wie z. B. bei mit oder ohne Kabelschutzrohr unterirdisch verlegten Spezialkabeln mit supraleitendem Leitermaterial, werden tiefkalte Kühlmedien verwendet und regeneriert, wie z. B. flüssiger Stickstoff, der innerhalb des Spezialkabels geführt werden muss, um die Supraleitung aufrechtzuerhalten.
Generell nachteilig kennzeichnet den bisherigen Stand der Technik passiv gekühlter Stromübertragung, dass die Kühlleistung nicht lastabhängig steuerbar und eine Abwärmenutzung nicht möglich ist.
Die beschriebenen Nachteile und Schwächen des Standes der Technik werden durch das erfindungsgemäße Kühlverfahren weitgehend vermieden, z. B. der Einsatz tiefkalter Kühlmedien, und zusätzliche Vorteile durch die erfindungsgemäße, vorzugsweise mit Wasser betriebe aktive Kühlung erreicht, wie z. B. eine steuerbare, bedarfsgerechte Verlustwärmeabführ der Stromübertragung und eine Erhöhung der Kabelbelastbarkeitsgrenzen, z. B. auch von Standardkabeln vom Typ Erdkabel.
Bekannt ist ein Verfahren zur Verlegung von Kabeln oder anderen linienförmigen Nutzlasten gemäß Veröffentlichung Nr. DE 10 2013 102 631.A1 in einem Leerrohr und einem Kabeltransportrohr. Derart verlegte Rohre können auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Kühlung von Stromkabeln in einem Doppelrohrwärmetauschersystem, welches erfindungsgemäß vorzugsweise im Gegenstromverfahren betrieben werden kann, genutzt werden, wenn die erfindungsgemäßen Bedingungen und Anforderungen, wie sie im Anspruch 1 beschrieben sind, erfüllt werden. Gleichwohl kann eine intermittierende Betriebsweise des erfindungsgemäßen Verfahren in einem Doppelrohrwärmetauschersystem kühltechnisch sinnvoll sein und in der Stillstandzeit eine passive Kühlung der darin verlegten Stromkabel genutzt werden, mit der die Verlustwärme aus der Stromübertragung zeitweilig alleine durch Wärmeleitung über das Kühlmedium K1, die Rohrwandungen des Innenrohres und Mantelrohres und das den Doppelrohrwärmetauscher umgebende Bettungsmaterial und Erdreich erfolgt.
Bei bekannten Technologien zur aktiven Kühlung von Kabeln werden, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren, keine Doppelrohrwärmetauscher eingesetzt und keine flüssigen, wasserbasierten Kühlmedien verwendet, die mittels Pumpen vorzugsweise im Gegenstromverfahren zirkulierend geführt werden können, um eine direkte aktive Außenkühlung innen verlegter Standardkabel, z. B. vom Typ Erdkabel, zu realisieren, bei der die Kühlleistung eines solchen erfindungsgemäßen aktiven Kühlsystems über eine Pumpensteuerung bzw. Steuerung des Kühlaggregates lastabhängig und bedarfsgerecht, insbesondere unter Beachtung der Redundanzanforderungen oder n-1-Anforderungen, angepasst werden kann.
Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschers, der mittels spezieller ebenso erfindungsgemäßer Einbauteile vorzugsweise im Gegenstromverfahren betrieben werden kann, bewirkt eine über die Wärmetauscherlänge wirksame Kühlung einer innenliegenden linearen, gleichförmigen Wärmequelle, wie z. B. die eines Höchstspannungskabels, welches mit einem Einrohrwärmetauscher mit darin verlegtem Stromkabel qualitativ gleichwertig nicht möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren können, im Gegensatz zur nicht steuerbaren, inhomogenen Wärmeübertragung über das Erdreich, Standardmodelle der Wärmeübertragung genutzt werden und mit einer geringen Anzahl von indirekten oder direkten Temperaturmessungen des Kühlmediums im Kühlsystem, z. B. mit Thermofühlern, das Monitoring und die Überwachung der Kühlcharakteristik vereinfacht und damit die thermische Kabelbelastung und die Sicherheit der Stromübertragung überwacht werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Trassenbreiten von Kabeltrassenabschnitten, die mit dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren betrieben werden, durch die mögliche enge räumliche Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Doppelrohrwärmetauscher-Systeme gemäß 4 und 5, mit mehreren Stromkabeln und Stromübertragungssystemen, in den Doppelrohrwärmetauschern, beispielsweise getrennt nach Phasen oder Polen verlegt, gegenüber passiv gekühlten Erdkabelsystemen erheblich verringert werden kann, die aus wärmetechnischen Gründen zum Schutz vor Überwärmung nur in einer, horizontalen Verlegeebene angeordnet werden können.
Bekannte Verfahren der passiven Kühlung sehen gemäß Stand der Technik auch eine Nutzung der Abwärme bei der Übertragung von Strom nicht vor. Im Gegensatz dazu erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren zur aktive Kühlung von Stromkabeln gemäß 1 bis 5 in den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen optional auch die Abwärmenutzung durch Ausspeisung und/oder Übertragung der an das Kühlmedium gebundenen Verlustwärme, wie in 2 dargestellt. Da auch das den Doppelrohrwärmetauscher umgebende Bettungsmaterial und das Erdreich im Stromübertragungsbetrieb Verlustwärme speichert, kann auch die so gespeicherte Erdwärme über das erfindungsgemäße Kühlsystem rückgewonnen und zusätzlich genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Anschlüsse für Kühlmedien bzw. die Aus- und Einspeisung des Kühlmediums, sowohl aus den und in die Mantelrohre als auch aus den und in die Innenrohre(n) der Doppelrohrwärmetauscher über spezielle erfindungsgemäße Vorrichtungen und Rohrformteile, als mehrfunktionale Endverschlüsse und Ausbaustücke in 3 beispielhaft ausgestaltet dargestellt, vorteilhafterweise innerhalb der Muffenschächte realisiert werden, in denen auch die Stromkabel miteinander mit speziellen Kabelmuffen verbunden werden. Erfindungsgemäße Endverschlüsse erlauben insbesondere, dass der jeweilige Doppelrohrwärmetauscher im vorteilhaften Gegenstromverfahren betrieben werden kann.
Vorteilhafterweise werden erfindungsgemäß ausgestattete Muffenschächte, in denen die Rohrleitungen des Rückkühlsystems an die Doppelrohrwärmetauscher angeschlossen werden, als trockene Muffenschächte ausgeführt und erfindungsgemäß zusätzlich zwangsbelüftet (siehe Ausführungsbeispiel gemäß 2).
Bei besonders langen Teilabschnitten, von Muffenschacht zu Muffenschacht gemessen, können erfindungsgemäß bei Bedarf die Mantelrohre der Doppelrohrwärmetauscher mit zusätzlichen Aus- und Einspeiseanschlüssen versehen werden, über die eine Zwischenkühlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden kann.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Kühlung von Stromkabeln ist es unerheblich, in welchem Bereich der Stromübertragungstrasse oder in welchem Betriebspunkt (Typ B, B1, B2, C, D, oder E) Umwälzpumpensysteme und Kühlaggregatesysteme und andere rohrleitungstechnischen Einrichtungen installiert werden, sodass die Funktions- und Fließschemata (siehe 1 und 2) mit beispielhaften Anordnungen ausschließlich der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. In der Ausgestaltung gemäß 2 und einem Ausführungsfall angepasst, können z. B. Umwälzpumpensysteme und Kühlaggregatesysteme in ein und denselben Kabeltrassenbetriebspunkt gelegt werden. Insbesondere müssen die geodätischen Verhältnisse im jeweiligen Trassenverlauf bei der Betriebspunktgestaltung berücksichtigt werden, die z. B. einen Einfluss darauf haben, welche Betriebspunkte sich als Hochpunktbauwerke (Hochpunktmuffenschacht) und welche als Tiefpunktbauwerke (Tiefpunktmuffenschacht) herausstellen. Dies hat insbesondere einen Einfluss auf die Lage der Kühlwasserumwälzpumpen.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Fließbild der aktiv gekühlten Stromübertragung mit der beispielhaften schematischen Funktionsdarstellung zweier Betriebspunkte einer Trasse, in der nur eine Linie eines erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschersystems vereinfacht dargestellt ist, welches für die Kühlung jeweils eines Kabelabschnitts zwischen zwei Muffenschächten bzw. Betriebspunkten vorgesehen ist. Im Doppelrohrwärmetauscher erfolgt die direkte Außenkühlung des im Innenrohr verlegten Kabels, indem der Doppelrohrwärmetauscher vorzugsweise im Gegenstromverfahren betrieben wird. Die dazu möglichen diversen Rohrleitungsführungen und Fließwege zur Aus- und Rückspeisung des Kühlmediums innerhalb der Betriebspunkte sind ebenfalls beispielhaft zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wesentliche Aggregate sind Kühlwasserumwälzpumpen, Mehrwegearmaturen und Kühlaggregate. Kennzeichnend hier und beispielhaft ist, dass die Kühlwasserumwälzpumpen und das Kühlaggregat in unterschiedlichen Betriebspunkten bzw. Schachtbauwerken angeordnet sind und der Eintritt des Kühlmediums K1 nach der Druckerhöhung in den Kühlwasserumwälzpumpen (3) in den Doppelrohrwärmetauscher (2) in das Innenrohr (2b) erfolgt. Der reguläre Fließweg des primären Kühlmediums K1 folgt in 1 ausgehend von der Kühlwasserumwälzpumpe (3), über die Leitung (11) und den rechten erfindungsgemäßen Endverschluss (3), in das Innenrohr (2b) des Doppelrohrwärmetauschers (2), nach der Passage durch das Innenrohr (2b) erfolgt der Austritt aus dem linken Endverschluss (3) in die Leitung (13) zur Mehrwegarmatur (5), die vorzugsweise ein Vierwegemischer ist, aus der ein temperaturabhängiger, zu kühlender Teilvolumenstrom in die Leitung (14a) und der Restvolumenstrom in der Leitung (16) weiterfließt. Der im Vierwegemischer separierte zu kühlende Teilvolumenstrom fließt weiter durch die Leitung (14b) zum Kühlaggregat (4) und erfährt dort die Rückkühlung, indem Wärme an ein sekundäres Kühlmedium K2 abgegeben wird. Nach Durchlauf durch das Kühlaggregat (4) wird der abgekühlte Teilvolumenstrom über die Leitungen (15a) und (15b) zum Vierwegemischer (5) geleitet und dort mit dem Restvolumenstrom vermischt. Das Gesamtvolumen mit rückgekühlter Mischtemperatur gelangt über Leitung (16), das Absperr- und Drosselventil (18) und den linken Endverschluss (3) in das Mantelrohr (2a) des Doppelrohrwärmetauschers (2), nach der Passage durch das Mantelrohr (2b) erfolgt der Austritt aus dem rechten Endverschluss (3) in die Leitung (17a) und zurück zur Kühlwasserumwälzpumpe (3), von der aus der Zirkulationsprozess erneut beginnt. In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfällt die Teilstrombildung über einen Vierwegemischer (5) wenn der gesamte Volumenstrom über das Kühlaggregat (4) zur Rückkühlung geführt werden soll und die Leistungsregelung über das Kühlaggregat und/oder über die Kühlwasserumwälzpumpen (3) erfolgen soll. In einer anderen Form der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens fördern Kühlwasserumwälzpumpen (3) ungeregelt einen konstanten Volumenstrom über den Doppelrohrwärmetauscher und über ein beispielsweise ebenfalls ungeregeltes Kühlaggregat (4), welches ggf. regelungstechnisch zur Anpassung der Stromübertragungsleistung führt, in Abhängigkeit von der sich einstellenden Kühlwassertemperatur im Doppelrohrwärmetauscher. In der wohl einfachsten Form der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle der Verfügbarkeit eines geeigneten, vorzugsweise nahe der Stromtrasse liegendes Wasserreservoir, dies können stehende oder fließende Gewässer oder Wasserstraßen sein, die aktive Kühlung als Durchlaufkühlung ggf. auch ohne den Einsatz von Kühlaggregaten betrieben, wobei auch eine Kühlung von Stromkabeln nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Doppelrohrwärmetauschern möglich ist, wenn diese direkt in einem stehenden oder in einem fließenden Gewässer oder in einer Wasserstraßen verlegt sind.
2 zeigt ein Fließbild der aktiv gekühlten Stromübertragung mit der beispielhaften schematischen Funktionsdarstellung zweier Betriebspunkte einer Trasse, in der zwei Linien eines erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschersystems vereinfacht dargestellt ist, welches für die Kühlung zweier Kabelabschnitte zwischen zwei Muffenschächten bzw. Betriebspunkten vorgesehen ist. Wie zu 1 beschrieben erfolgt im Doppelrohrwärmetauscher die direkte Außenkühlung des im Innenrohr verlegten Kabels, indem der Doppelrohrwärmetauscher vorzugsweise im Gegenstromverfahren betrieben wird. Die dazu möglichen diversen Rohrleitungsführungen und Fließwege zur Aus- und Rückspeisung des Kühlmediums innerhalb der Betriebspunkte sind ebenfalls beispielhaft, zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wesentliche Aggregate, sind Kühlwasserumwälzpumpen, Mehrwegearmaturen und Kühlaggregate. Kennzeichnend hier und beispielhaft für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Kühlwasserumwälzpumpen und die Kühlaggregate im selben Betriebspunkt bzw. Schachtbauwerk angeordnet sind und der Ersteintritt des rückgekühlten Kühlmediums K1 nach der Druckerhöhung in den Kühlwasserumwälzpumpen (3) in den Doppelrohrwärmetauscher (2) in das Mantelrohr (2a) erfolgt. Der reguläre Fließweg des primären Kühlmediums K1 folgt in 2, ausgehend von der Kühlwasserumwälzpumpe (3), über die Leitungen (11a) und (11b) und den linken erfindungsgemäßen Endverschluss (3), in das Mantelrohr (2a) des Doppelrohrwärmetauschers (2), nach der Passage durch das Mantelrohr (2a) erfolgt der Austritt aus dem rechten Endverschluss (3) in die Kurzschlussverbindungsleitung (12) zwischen Mantelrohr (2a) und Innenrohr (2b) des Doppelrohrwärmetauschers (2) und der Wiedereintritt in den rechten Endverschluss (3) in das Innenrohr (2b), nach der Passage durch das Innenrohr (2b) erfolgt der Austritt aus dem linken Endverschluss (3) in die Leitungen (13a) und (13b) zur Mehrwegarmatur (5), die vorzugsweise ein Vierwegemischer ist, aus der ein temperaturabhängiger, zu kühlender Teilvolumenstrom in der Leitung (14a) und der Restvolumenstrom in der Leitung (16) weiterfließt. Der im Vierwegemischer separierte zu kühlende Teilvolumenstrom fließt weiter durch die Leitung (14b) zum Kühlaggregat (4) und erfährt dort die Rückkühlung, indem Wärme an ein sekundäres Kühlmedium K2 abgegeben wird. Nach Durchlauf durch das Kühlaggregat (4) wird der abgekühlte Teilvolumenstrom über die Leitungen (15a) und (15b) zum Vierwegemischer (5) geleitet und dort mit dem Restvolumenstrom vermischt. Das Gesamtvolumen mit rückgekühlter Mischtemperatur gelangt über Leitung (16) zurück zur Kühlwasserumwälzpumpe (3), von der aus der Zirkulationsprozess erneut beginnt. Ein Ausdehnungsgefäß oder Wasserspeicher (7) dient optional der Vorhaltung von Kühlmedien K1 zum Ausgleich der Temperatur- und Volumenatmung, falls eine permanente Netzeinspeisung nicht möglich oder nicht wünschenswert ist. Kühlwasserauslassventile (24) werden als Druckhaltevorrichtungen und als Überdruckentlastungsventil eingesetzt, wenn das Kühlsystem im Bereich des Hochpunktbetriebspunktes (B1) im Überdruck betrieben werden muss und ein ungewolltes Abfließen von Kühlwasser K1 in den Überlauf (25) verhindert werden soll. Einer weitere, hier nicht dargestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das die Doppelrohrwärmetauscher (2) kühltechnisch im Gegenstrom oder Gleichstrom betrieben werden, jedoch derart, dass das jeweilige Innenrohr (2b) und das jeweilige Mantelrohr (2a) eines Doppelrohrwärmetauschers (2) in hydraulisch getrennten oder trennbaren Kühlwasserkreisläufen betrieben werden kann und dazu entsprechend getrennte oder trennbare Kühlwasserumwälzpumpensysteme vorgesehen werden, mit Ein- und Ausspeisesystemen und mit Zirkulationssystemen, welche rohrleitungstechnisch alle Rohrleitungsverbindungen und Armaturen aufweisen, die diese Betriebsweise erlauben. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise zwei Doppelrohrwärmetauscher durch zusätzliche Kurzschluss-Rohrleitungsverbindungen und Absperrarmaturen, so miteinander verbunden werden, dass der Volumenstrom des Kühlmediums im Gleichstrom durch den ersten Doppelrohrwärmetauscher, also gleichgerichtet sowohl im Innenrohr als auch im Mantelrohr fließt, und in mindestens einem zweiten Doppelrohrwärmetauscher der Volumenstrom zurückfließt. Die für diese oben genannten weiteren beispielhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anderen oder zusätzlichen Leitungsführungen sind in den schematischen Prinzip- und Funktionsdarstellungen 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, da diese für das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens unerheblich sind.
3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einer Ausgestaltung des Verfahrens im Wesentlichen aus einem inneren Rohrformteil besteht, welches über das Stromkabelende geführt, hydraulisch dicht an das Innenrohr des Doppelrohrwärmetauschers angeschlossen wird, und einem äußeren Rohrformteil, welches hydraulisch dicht an das Mantelrohr des Doppelrohrwärmetauschers als Endverschluss angeschlossen wird. Der mehrfunktionale Endverschluss fungiert als Ausbaustück und Anschluss für Kühlmedien, der insbesondere die Aus- und Einspeisung des Kühlmediums K1 derart ermöglicht, dass dieses im Doppelrohrwärmetauscher (2) im Gegenstrom gefördert werden kann. Das heißt, dass die Fließrichtung im Ringraum zwischen Mantelrohr (2a) und Innenrohr (2b) der Fließrichtung innerhalb des Innenrohres (2b) desselben Doppelrohrwärmetauschers (2) entgegengerichtet ist. Dazu wird ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem bestehend aus den zwei Dichtungen (2f) verwendet. Andererseits kann bei Bedarf nach Wiederausbau des mehrfunktionaler Endverschlusses die Demontage des Innenrohres (2b) des Doppelrohrwärmetauschers einschließlich des darin verlegten Stromkabels über den Muffenschacht realisiert werden. Das innere Rohrformteil (2c) ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses mantelseitig mindestens eine Einlass-/Auslassöffnung für das Kühlmedium K1 aufweist und Kopfseitig im Bereich des Stromkabelaustritts dichtend mit der Außenisolierung des Stromkabels verbunden wird. Das innere Rohrformteil (2c) fungiert also als Austrittselement und Kabeldurchführung für das Stromkabel. Eine Ringraumdichtung (2e) im Dichtungsspaltraum zwischen innerem Rohrformteil (2c) und dem Stromkabel (1) wirkt spaltdichtend, gegen den hydraulischen Druck des Kühlmediums, nachdem das innere Rohrformteil (2c) zur Montage über das noch freie Stromkabelende geführt und hydraulisch dicht an das Innenrohr (2b) des Doppelrohrwärmetauschers (2) angeschlossen worden ist, vorzugsweise in der Art einer Flansch- oder Muffenverbindung. Das äußere Rohrformteil (2d) des mehrfunktionalen Endverschlusses wird hydraulisch dicht über ein Dichtungssystem (2g) an das Mantelrohr (2a) des Doppelrohrwärmetauschers vorzugsweise innerhalb eines Muffenschachtes (10) angeschlossen. Das äußere Rohrformteil (2d) ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses in Anpassung an den Außendurchmesser des inneren Rohrformteils (2c) in seiner Form und den Abmessungen als Reduzierstück ausgeführt wird und in dem im Durchmesser reduzierten Teil mit zwei innenliegenden Dichtringen (2f) versehen ist, zwischen denen nach der Montage, bei der das äußere Rohrformteil (2d) spaltdichtend über das innere Rohrformteil (2c) geführt wird, der Ein-/Auslassbereich für das Kühlmedium des Innenrohres (2c) liegt. Der Endverschluss für einen erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauscher (2) ist mit einer beispielhaften Anordnung der Ein- und Ausspeisestutzen auf einer Seite am äußeren Rohrformteil (2d) dargestellt, die erfindungsgemäß aber auch beliebig versetzt zueinander am Umfang des Rohrformteils (2d) angeordnet sein können, um die jeweilig mögliche unterschiedlichen Anschlussposition der anzuschließenden Rohrleitungen, wie beispielsweise der Rohrleitungen (13) und (16) oder (12) und (17a) gemäß 1 entsprechen zu können.
4 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine aktiv gekühlte Stromübertragungstrasse A1, beispielhaft in der Anordnung der erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauscher (2) mit jeweils äußerem Mantelrohr (2a) und jeweils einem Innenrohr (2b) mit innen liegendem Stromkabel (1) und für zwei Bipolare HGÜ-Stromübertragungssysteme (Hochspannungsgleichstrom).
5 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine aktiv gekühlte Stromübertragungstrasse A2, beispielhaft in der Anordnung der Doppelrohrwärmetauscher (2) für zwei HDÜ-Stromübertragungssysteme (Hochspannungsdrehstrom).
Die in den Funktionsbeschreibungen erläuterten und in den Fließbildern 1 und 2 dargestellten Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung und die im Zusammenhang mit diesen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
Bezugszeichenliste

A: Stromkabeltrassenbereich mit aktiv gekühlten Stromkabeln in Doppelrohrwärmetauschern (Kühlmedium K1)
A1: Grabenprofil am Beispiel für 2 aktiv gekühlte HGÜ-Systeme
A2: Grabenprofil am Beispiel für 2 aktiv gekühlte Drehstromkabelsysteme
K1: Wasserbasiertes primäres Kühlmedium (primärer Kühlkreislauf) zur direkten aktiven Außenkühlung von Stromkabeln
K2: sekundäres Kühlmedium innerhalb des Kühlaggregates (sekundärer Kühlkreislauf) je nach Kühlprinzip und Herstellerangaben
B: Muffenschachtbereich (allgemein) innerhalb der Stromkabeltrasse A
B1: Hochpunktmuffenschacht (Hochpunktbauwerk) innerhalb der Stromkabeltrasse A
B2: Tiefpunktmuffenschacht (Tiefpunktbauwerk) innerhalb der Stromkabeltrasse A
C: Betriebspunkt und Standort für Kühlwasserrückkühlung innerhalb der Stromkabeltrasse A
D: Betriebspunkt und Standort für Kühlwasserumwälzung innerhalb der Stromkabeltrasse A Stromtrasse
E: optionaler Betriebspunkt und Standort für Kühlwasserrückkühlung innerhalb der Stromkabeltrasse A
F: optionaler Betriebspunkt und Standort für Kühlwasserumwälzung innerhalb der Stromkabeltrasse A
SPS: speicherprogrammierbare Steuerung, Steuergerät (6)
TC-W: Temparaturmessstelle für Wassertemperatur und Messdatenübertragung zur SPS (6)
TC-L: Temparaturmessstelle für Lufttemperatur und Messdatenübertragung zur SPS (6)
1: Stromkabel
2: Doppelrohrwärmetauscher, Doppelrohrwärmetauschersystem, Doppelrohrwärmetauschergruppe
2a: Mantelrohr des Doppelrohrwärmetauschers (2), (vorzugsweise als Leerrohr unterirdisch verlegt)
2b: Innenrohr des Doppelrohrwärmetauschers (2), (vorzugsweise als Kabeltransportrohr im Mantelrohr (2a) verlegt)
2c: inneres Rohrformteil des mehrfunktionalen Endverschlusses und Ausbaustücks gemäß 3, welches über das Stromkabelende geführt, hydraulisch dicht an das Innenrohr des Doppelrohrwärmetauschers angeschlossen wird
2d: äußeres Rohrformteil des mehrfunktionale Endverschlusses und Ausbaustück gemäß 3, welches hydraulisch dicht an das Mantelrohr des Doppelrohrwärmetauschers angeschlossen wird
2e: Ringraumdichtung im Dichtungsspaltraum zwischen innerem Rohrformteil des mehrfunktionalen Endverschlusses und Ausbaustücks gemäß 3 und dem Stromkabel (1)
2f: Ringdichtung im Dichtungsspaltraum zwischen dem durchmesserreduzierten Teil des äußeren Rohrformteils (2d) und dem inneren Rohrformteil (2c) des mehrfunktionalen Endverschlusses und Ausbaustücks gemäß 3
2g: Ringdichtung im Dichtungsspaltraum zwischen dem äußeren Rohrformteil (2d) des mehrfunktionalen Endverschlusses und Ausbaustücks gemäß 3 und dem Mantelrohr (2a) des Doppelrohrwärmetausches (2)
3: Kühwasserumwälzpumpe, Kühwasserumwälzpumpengruppe inkl. Reservepumpe (je nach Anordnung gemeinsamer oder getrennter Betriebspunkt von C und D möglich, siehe. 1 und 2 mit druckseitigem Anschluss an das Mantelrohr oder Innenrohr des Doppelrohrwärmetauschers (2))
4: Kühlaggregat, Kühlaggregategruppe, ggf. inkl. sekundärem Kühlkreislauf mit Kühlmedium K2, Kühlmediumförderpumpe, Ventilator, Kompressor, u. a., je nach Kühlprinzip und Fabrikat in praxi einer konkreten Ausführung
5: Mehrwegearmatur, Vierwegemischer
6: Steuerungsanlage, Steuergerät, SPS
6a: Signal- und Datenübertragungsleitungen, insbesondere von den Temperaturmessstellen zum Steuergerät (6) und Leitungen für die Steuersignalübertragung an Pumpen, Mehrwegearmaturen, Kühlaggregate, Ventilatoren, usw., die in die Steuerung der aktiven Kühlung der Stromübertragung einbezogen sind
7: Ausdehnungsgefäß, Wasserspeicher (optional)
8: Umwälzpumpe, Umwälzpumpengruppe für Kühlwassertransit zwischen primärem Kühlkreislauf K1 und Wärmetauscher (9)
9: Wärmetauscher Kühlwasser K1/Abwärmenutzungskreislauf
10: Muffenschacht, Schachtbauwerk, Hochpunktmuffenschacht
11: Wärmetauscherspeiseleitung (Eintritt) an das Spezialanbauteil (siehe 3) (Innenrohranschluss des Doppelrohrwärmetauschers gemäß 1)
11a: Wärmetauscherspeiseleitung (Sammelleitung)
11b: Wärmetauscherspeiseleitung (Eintritt) an das Spezialanbauteil (siehe 3) (Mantelrohranschluss des Doppelrohrwärmetauschers gemäß 2)
11c: Wärmetauscherspeiseleitung (Verbindungsleitung, Bypass)
12: Kurzschlussverbindungsleitung zwischen Mantelrohr (2a) und Innenrohr (2b) des Doppelrohrwärmetauschers (2), Anordnung gemäß 2
13: Wärmetauscheraustrittleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1) zum Vierwegemischer (4), Austritt aus dem Spezialanbauteil (siehe 3) (Innenrohranschluss des Doppelrohrwärmetauschers gemäß 1)
13a: Wärmetauscheraustrittleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1) zur Sammelleitung (13b), Austritt aus dem Spezialanbauteil (siehe 3) (Innenrohranschluss des Doppelrohrwärmetauschers gemäß 2)
13b: Kühlwassersammelleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1) zum Vierwegemischer (5)
14a: Kühlwasserleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1 Teilstrom) vom Vierwegemischer (5) zur Sammelleitung (14b)
14b: Kühlwassersammelleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1) zum Kühlaggregat (4)
14c: Verbindungsleitung, Bypass (aufgeheiztes Kühlwasser K1)
15a: Kühlwasserverteilerleitung (rückgekühltes Kühlwasser K1) vom Kühlaggregat (4)
15b: Kühlwasserleitung (aufgeheiztes Kühlwasser K1 Teilstrom) zum Vierwegemischer (5)
15c: Verbindungsleitung, Bypass (rückgekühltes Kühlwasser K1)
16: Wärmetauscherspeiseleitung (Eintritt rückgekühltes Kühlwasser K1 in das Spezialeinbauteil (siehe 3) zum Mantelrohr (2a))
17a: Wärmetauscheraustrittleitung aus Mantelrohr (2b) (teilaufgeheiztes Kühlwasser K1) Austritt aus dem Spezialanbauteil (siehe 3) (Mantelrohranschluss des Doppelrohrwärmetauschers gemäß 1) und saugseitiger Anschluss an die Kühwasserumwälzpumpe (3)
17b: Verbindungsleitung, Bypass (teilaufgeheiztes Kühlwasser K1) saugseitiger Anschluss an die Kühwasserumwälzpumpe (3) in der Anordnung gemäß 1
18: Absperr- und Drosselventil
20: Muffenschacht, Schachtbauwerk, Tiefpunktmuffenschacht
21: Einspeisung Leitungswasser zur ”Volumen- und Temperaturatmung” in das Doppelrohrwärmetauschersystem, Einspeisung der Durchlaufkühlung/Notkühlung
22: Leitungswasser Einlassventil
23: Kühlwasser Überlaufleitung
24: Kühlwasserauslassventil
25: Ablauf der ”Volumen- und Temperaturatmung” aus dem Doppelrohrwärmetauschersystem, Ablauf Durchlaufkühlung/Notkühlung
30: Abwärmenutzungssystem, Wärmetauscherstation
31: Ausspeisung des Kühlmediums K1 zur Wärmetauscherstation des Abwärmenutzungssystem
32: Kühlwassertransitleitungen zur Ausspeisung von Verlustwärme vom Muffenschacht der Stromtrasse zum Abwärmenutzungssystem und zurück
33: Rückspeisung des Kühlmediums K1 von der Wärmetauscherstation des Abwärmenutzungssystem zum Muffenschacht der Stromtrasse
34: Vorlauf Heizwasser vom Wärmetauscher (9) zum Verbrauer
35: Rücklauf Heizwasser vom Verbraucher zum Wärmetauscher (9)
41: Zwangsbe- und entlüftungssystem für Betriebspunkte, insbesondere der Muffenschächte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013102631 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur aktiven Kühlung von Stromkabeln, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren eine direkte aktive Außenkühlung der Kabel mittels flüssiger, wasserbasierter primärer Kühlmedien in Doppelrohrwärmetauschern erfolgt, in denen dazu jeweils mindestens ein Kabel verlegt ist und dazu die Zirkulation des primären Kühlmediums mittels mindestens einer Pumpe erfolgt und mittels mindestens einem sekundären Kühlmedium die Rückkühlung des primären Kühlmediums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Doppelrohrwärmetauschern und Wärmetauscheranbaubauteilen und Vorrichtungen die Aus- und Einspeisung, Trennung und Mischung des Kühlmediums außerhalb und innerhalb der Doppelrohrwärmetauscher erfolgt, und dadurch gekennzeichnet, dass mit temperaturmesstechnischen Überwachungs- und Signalgebungsvorrichtungen einerseits die temperaturgeführte Leistungsanpassung des Kühlprozesses, entsprechend dem durch die volatile Stromübertragungsleistung in den Stromkabeln bedingten veränderlichen Verlustwärmeanfall in den Doppelrohrwärmetauschern, als auch andererseits die temperaturgeführte Leistungsanpassung der Stromübertragung an die Leistungsfähigkeit des Kühlprozesses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelrohrwärmetauscher kühltechnisch im bevorzugten Gegenstromverfahren oder im Gleichstrom betrieben werden können und dazu das entsprechende Ein- und Ausspeisesystem und das Zirkulationssystem rohrleitungstechnisch alle Rohrverbindungen und Armaturen aufweist, die diese Betriebsweise erlauben.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Muffenschächten endenden Doppelrohrwärmetauscher mit speziellen Anbauteilen und Vorrichtungen versehen sind.
Anbauteile und Vorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese als mehrfunktionale Endverschlüsse und Ausbaustücke fungieren und die Anschlüsse für Kühlmedien sowie die Aus- und Einspeisung des Kühlmediums sowie das Gegenstromprinzip innerhalb desselben Doppelrohrwärmetauschers ermöglichen und bei Bedarf nach Wiederausbau solch eines Endverschlusses die Demontage des Innenrohres des Doppelrohrwärmetauschers einschließlich des darin verlegten Stromkabels über den Muffenschacht realisiert werden kann.
Anbauteile und Vorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einer Ausgestaltung des Verfahrens im Wesentlichen aus einem inneren Rohrformteil besteht, welches über das Stromkabelende geführt, hydraulisch dicht an das Innenrohr des Doppelrohrwärmetauschers angeschlossen wird und einem äußeren Rohrformteil, welches hydraulisch dicht an das Mantelrohr des Doppelrohrwärmetauschers angeschlossen wird.
Inneres Rohrformteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mantelseitig mindestens eine Einlass-/Auslassöffnung für das Kühlmedium aufweist und kopfseitig im Bereich des Stromkabelaustritts dichtend mit der Außenisolierung des Stromkabels verbunden wird.
Äußeres Rohrformteil nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass dieses in Anpassung an den Außendurchmesser des Inneren Rohrformteils in seiner Form und den Abmessungen als Reduzierstück ausgeführt wird und in dem im Durchmesser reduzierten Teil mit zwei innenliegenden Dichtringen versehen ist, zwischen denen nach der Montage, bei der das äußere Rohrformteil Spalt dichtend über das innere Rohrformteil geführt wird, der Ein-/Auslassbereich für das Kühlmedium des Innenrohres liegt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Doppelrohrwärmetauscher mindestens eine Kühlwasserumwälzpumpe so zugeordnet werden kann, dass auch bei Ausfall einer Pumpe Reservepumpkapazität für die Kühlwasserzirkulation und die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reservepumpkapazität für die Kühlwasserzirkulation in Form zuschaltbarer, variabler Pumpleistung einzelner Pumpen erreicht wird, um die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reservepumpkapazität für die Kühlwasserzirkulation durch Stand-by-Pumpen erreicht wird, um die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung sicherzustellen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren, Anzahl n Kühlwasserumwälzpumpen, mindestens eine der insgesamt installierten Pumpen als Stand-by-Pumpe rohleitungstechnisch und durch Armaturenbedienung so zugeordnet werden kann, dass die Kühlwasserzirkulation für die aktive Kühlung auch mit n-x betriebenen Pumpen sichergestellt werden kann, wobei gemäß den Redundanzanforderungen und Auslegungskriterien x die maximale Anzahl gleichzeitig ausgefallener Pumpen ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausspeisesystem und das Zirkulationssystem rohrleitungstechnisch alle Rohrverbindungen und Armaturen aufweist, die gemäß den Redundanzanforderungen und Auslegungskriterien das Umfahren defekter Kühlwasserumwälzpumpen durch die Bedienung entsprechender Armaturen ermöglicht.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausspeisesystem und das Zirkulationssystem rohrleitungstechnisch alle Rohrverbindungen und Mehrwegearmaturen aufweist, die die Teilstromeinspeisung und -rückspeisung des Kühlmediums in ein und aus mindestens einem Kühlaggregat sicherstellt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkühlung des primären Kühlmediums über mindestens ein Wärmetauschersystem oder Kühlaggregat sicherstellt wird, welches die Funktion hat, Verlustwärme aus der Stromübertragung, die an das Kühlmedium gebunden ist, welches in den Doppelrohrwärmetauschern zirkuliert, über ein sekundäres Kühlmedium und geeignetes Wärmeübertragungsprinzip in letzter Stufe an die Atmosphäre abzugeben.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmedium welches in den Doppelrohrwärmetauschern zirkuliert, normales Leitungs-, Brauch- oder Oberflächenwasser sein kann und dass im Falle der Verfügbarkeit eines geeigneten Wasserreservoirs die aktive Kühlung mittels Durchlaufkühlung erfolgt anstelle des Einsatzes von Kühlaggregaten,
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung von Stromkabeln mit Doppelrohrwärmetauschern erfolgt, in der Besonderheit der Randbedingung, dass diese direkt in einem stehenden oder in einem fließenden Gewässer oder in einer Wasserstraßen verlegt sind.
Wärmeübertragung und Rückkühlung des Kühlmediums nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmedium, welches in den Doppelrohrwärmetauschern zirkuliert, nicht mit etwaigen Kältemitteln des sekundären Kühlkreislaufs des Kühlaggregates kontaminiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auch bei Ausfall des Kühlaggregates oder Ausfall von Komponenten des Kühlaggregates Reservekühlkapazität gemäß den Redundanzanforderungen und Auslegungskriterien für die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung zur Verfügung steht, die auch darin besteht, grundsätzlich eine intermittierende Betriebsweise in einem mit einem Kühlmedium gefüllten Doppelrohrwärmetauschersystem kühltechnisch vorzusehen, um insbesondere in der Stillstandzeit und Unterbrechung der Zirkulation, die passive Kühlkapazität des Kühlsystems zu nutzen, um auch innerhalb dieser Zeit die Verlustwärme aus der Stromübertragung abzuführen, und dazu zeitweilig ausschließlich die Wärmekapazität des Kühlmittelvolumens und die Wärmeleitfähigkeit des Kühlsystems genutzt wird, sodass über das Kühlmedium K1, über die Rohrwandungen des Innenrohres und des Mantelrohres des Doppelrohrwärmetauschers die Wärmeübertragung an das den Doppelrohrwärmetauscher umgebende Bettungsmaterial und Erdreich übertragen und kühltechnisch wirksam wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Reservekühlkapazität in Form zuschaltbarer, variabler Kühlleisung einzelner Kühlaggregate erreicht wird, um die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Reservekühlkapazität durch Stand-by-Kühlaggregate oder deren Komponenten erreicht wird, um die Aufrechterhaltung der aktiven Kühlung sicherzustellen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung des erfindungsgemäßen Kühlsystems über Pumpensteuerungen, Steuerung der Mehrwegearmaturen und Steuerung des Kühlaggregates lastabhängig und bedarfsgerecht angepasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Ein-, Ausspeise- und Zirkulationssystem sowie die Ventilation und der Luftaustausch in den Schachtbauwerken temperaturgeführt erfolgt und dazu mittels Temperaturmesseinrichtungen die Temperaturmessdatenerfassung und -übertragung zum Steuergerät ermöglichen, von dem aus die Ansteuerung der Pumpen, Mehrwegearmaturen und Kühlaggregate in der vorgegebenen Steuerungscharakteristik und die Einbindung in ein übergeordnetes Monitoring der aktiven Kühlung sowie der Stromübertragung selbst erfolgen kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustwärme aus der Stromübertragung, die an das Kühlmedium gebunden ist, welches in den Doppelrohrwärmetauschern zirkuliert, durch ein geeignetes Wärmeübertragungsprinzip und durch den Anschluss von Wärmeverbrauchern genutzt wird und somit eine Entlastung des erfindungsgemäßen Kühlsystems erreicht wird, wobei der Vorrang für die Kühlung der Stromkabel schaltungs- und steuerungstechnisch sichergestellt wird und Bestandteil des Monitoring der aktiven Kühlung ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei besonders langen Stromkabelteilabschnitten, von Kabelmuffe zu Kabelmuffe gemessen, die Mantelrohre der Doppelrohrwärmetauscher mit zusätzlichen Aus- und Einspeiseanschlüssen versehen werden, über die eine Zwischenkühlung des hier durchgängigen Stromkabels erfolgen kann.