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ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht den Nutzen aus der vorläufigen US-Anmeldung 61/697.727, eingereicht am 6. September 2012.
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HINTERGRUND
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Der verstärkte Einsatz von Unterwassersystemen, die große Mengen elektrischer Leistung benötigen, um die Funktionalität von Unterwassergeräten der verschiedensten Art zu unterstützen, erfordert die Integration von elektrischen Leitern mit großem Durchmesser in Unterwasserversorgungsleitungen. Diese Leiter dominieren unweigerlich die Konstruktions- und Herstellungsprozesse für die Versorgungsleitung, in der sie benötigt werden, und daher dominieren die Gesamtherstellungskosten dieser Funktionselemente unweigerlich die Wirtschaftlichkeit dieser Art von Versorgungsleitungen.
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Die elektrische Leistungsfähigkeit dieser Art von Versorgungsleitungen wird erheblich durch die Gesamtbetriebstemperatur der Versorgungsleitung beeinflusst, da dies Einfluss auf den Widerstand dieser Mittelspannungsleitungen hat, was wiederum die elektrischen Verluste in den Kabeln beeinflusst.
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Obwohl diese Versorgungsleitungen in der Regel viele Kilometer lang sind und die meisten davon in einer Unterwasserumgebung umgeben von Meerwasser betrieben werden, das für relativ niedrige Betriebstemperaturen des Kabels sorgt, ist ihre Konstruktion häufig durch ein sehr kurzes Stück begrenzt, das entweder in einem I-Rohr an der Seite einer schwimmenden Produktions- und Lagereinheit (FPSO-Schiff – floating production storage and offloading vessel) oder in einer großen dynamischen Biege- und Zugentlastungseinheit (BSR – bend strain reliever) angeordnet ist, die zum Schutz der Stromversorgungsleitung gegen ein Überbiegen an der mechanischen Verbindung mit der FPSO verwendet wird. In den Fällen, wo die Stromversorgungsleitung durch ein I-Rohr an der Seite der FPSO geführt wird, wird ihre Betriebstemperatur außerdem durch das Ausmaß der auf die Außenflächen des I-Rohres einwirkenden Sonnenbestrahlung und die allgemeine Umgebungstemperatur beeinflusst.
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Die Konstruktion von Mittelspannung-Stromversorgungskabeln wird häufig durch die Betriebstemperatur eines sehr kurzen Abschnitts der Gesamtlänge des Systems dominiert, was zur Verwendung größerer Leiter als ansonsten nötig oder zur Verwendung höherer Übertragungsspannungen und Unterwassertransformatoren führt. In der Vergangenheit haben die Leute größere und teurere Leiter und/oder einen teuren Transformator benutzt.
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Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen senken die Betriebstemperatur eines kurzen Stücks einer Versorgungsleitung, die in der Vergangenheit das Systemdesign dominiert hat, so dass ihre Betriebstemperatur nicht mehr länger ein so wichtiger Faktor in der Gesamtauslegung des Systems ist. Bei typischen Bauformen dürfen die maximalen Betriebstemperaturen 90°C nicht überschreiten. Eine Methode, mit der dies erreicht worden ist, besteht darin, die Querschnittsfläche der Leiter in der Versorgungsleitung zu vergrößern und dadurch ihren elektrischen Widerstand zu verringern. Dies erhöht die Projektkosten erheblich und führt in vielen Fällen zu weiteren Komplikationen in Zusammenhang mit der Notwendigkeit, Leiter bei der Montage der Versorgungsleitung spleißen zu müssen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die anliegenden Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung.
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1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit geschlossenem Kreislauf.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit offenem Kreislauf.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit offenem Kreislauf.
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6 zeigt einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Allgemein bezugnehmend auf 1 besteht ein Vorteil der Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung darin, dass Kühlkreise in einem oberen Teil der Versorgungsleitung 1 angeordnet werden können und die Verwendung kleinerer Stromversorgungsleitungen für die Versorgung mit der benötigten Leistung für das Unterwassersystem ermöglichen. In vielen Fällen ermöglicht dies elektrischen Unterwassersystemen den Verzicht auf die Verwendung teurer Unterwassertransformatoren und Hochspannungsstecker, was die Wirtschaftlichkeit des Projekts deutlich verbessert.
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Weiter bezugnehmend auf 1 umfasst die Versorgungsleitung 1 einen Außenmantel 2, der einen Innenhohlraum 3 definiert, eine oder mehr Leistungsadern 20, die in dem Innenhohlraum 3 angeordnet sind, und einen oder mehr aktive Umluftkühlkreise 10, die in dem Innenhohlraum 3 nahe einer oder mehrerer Leistungsadern 20 angeordnet sind. In typischen Ausführungsformen gibt es einen aktiven Umluftkühlkreis 10 für jede Leistungsader 20, wobei jeder aktive Umluftkühlkreis 10 typischerweise an einer Position in dem Innenhohlraum 3 möglichst nahe seiner jeweiligen Leistungsader 20 in einem Abstand angeordnet ist, der eine effiziente Ableitung der Wärmeenergie von der Leistungsader 20 ermöglicht, um zur Optimierung der Stromübertragungskapazität der Leistungsader 20 innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs beizutragen.
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Wie allgemein in 1 und 2 gezeigt, können die Leistungsadern 20 in verschiedener Weise angeordnet sein, wobei mindestens eine Leistungsader 20 mit einem oder mehr aktiven Umluftkühlkreisen 10 gepaart ist.
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Weiter bezugnehmend auf 3 und 4 kann der aktive Umluftkühlkreis 10 als ein System mit geschlossenem Kreislauf (3) oder als ein System mit offenem Kreislauf (4) konfiguriert sein.
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Der aktive Umluftkühlkreis 10 weist eine oder mehr Wärmeaustausch-Zulaufleitungen 11 und eine oder mehr Wärmeaustausch-Rücklaufleitungen 12 auf, die paarweise angeordnet sind, das heißt eine Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 in Fluidverbindung ist mit einer entsprechenden Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12 gepaart.
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In bestimmten Ausführungsformen verläuft die äußere Leitung 18 des aktiven Umluftkühlkreises um jedes Paar aus Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 und Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12. Typischerweise weist die äußere Leitung 18 des aktiven Umluftkühlkreises eine Kunststoffbeschichtung auf, die geeignet ist, eine bequeme Handhabung des Paares aus Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 und Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12 als eine Baugruppe zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen Kunststoff oder ein anderes geeignetes Material zum Schutz dieser Leitungen zu verwenden, das die Außenseiten der Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 und der Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12 gegenüber dem korrosiven Meerwasser abschirmt, da der korrosive Charakter des Meerwassers in der Regel durch die erhöhte Betriebstemperatur der Leistungsadern 20 verstärkt wird.
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In bestimmten Ausführungsformen weisen die Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 und die Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12 eine Kreislaufverbindung 13 (3) an einer vorbestimmten Länge der Versorgungsleitung 1 auf, wobei die Kreislaufverbindung 13 so dimensioniert ist, dass sie Fluid zwischen der Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 und der Wärmeaustausch-Rücklaufleitung 12 passieren lässt. Die vorbestimmte Länge befindet sich typischerweise an einer Position, die ausreichend weit von einem Bereich erhöhter Temperatur der Versorgungsleitung 1 entfernt ist, so dass eine zusätzliche Länge des aktiven Umluftkühlkreises 10 keinen weiteren betrieblichen Vorteil für den Wärmeaustausch ergibt.
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Der aktive Umluftkühlkreis 10 ist typischerweise zur Aufnahme von Kühlfluid 40 ausgelegt (5), bei dem es sich um Frischwasser, gefiltertes Meerwasser, ein Fluid, das bereits als eine bestehende hydraulische Funktion in der Versorgungsleitung 1 angeliefert wird, oder dergleichen oder eine Kombination davon handeln kann. Bei Ausführungsformen mit geschlossenem Kreislauf kann das Kühlfluid 40 in den aktiven Umluftkühlkreis 10 eingefüllt werden, der sodann verschlossen wird.
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In einigen Konfigurationen, etwa bei einem System mit offenem Kreislauf (4), weist der aktive Umluftkühlkreis 10 außerdem einen Einlass 15 auf, der zur Aufnahme eines geeigneten Kühlfluids dimensioniert und eingerichtet ist, wobei der Einlass 15 in Fluidverbindung mit der Wärmeaustausch-Zulaufleitung 11 steht. Der Einlass 15 ist typischerweise an einem oberen mechanischen Abschluss der Versorgungsleitung 1 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann der aktive Umluftkühlkreis 10 einen Einlass 15 und einen Auslass 16 (4), der zum Ablassen des Kühlfluids 40 (5) in ein Gewässer eingerichtet ist, an einer Position entlang einer Länge der Versorgungsleitung 1 aufweisen, über die hinaus keine zusätzliche Kühlung erforderlich ist. In dieser Konfiguration kann das Kühlfluid 40 ein umweltverträgliches Fluid umfassen.
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In bestimmten dieser Konfigurationen weisen die Leitungspaare Wärmeaustausch-Zulaufleitungen 11 auf.
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Zusätzlich bezugnehmend auf 5 kann in Konfigurationen mit dem Einlass 15 eine Quelle für Kühlfluid 42 vorgesehen sein und in Fluidverbindung mit dem Einlass 15 stehen. Bei diesen Konfigurationen kann die Quelle für Kühlfluid 42 außerdem ein spezielles Kühlmittelzufuhr- und -rücklaufsystem 43 umfassen, wobei das spezielle Kühlmittelzufuhr- und -rücklaufsystem 43 dazu eingerichtet ist, das Kühlfluid 40 bereitzustellen, die ein Kühlmittel enthält.
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Bezugnehmend auf 6, in einer weiteren alternativen Ausführungsform, umfasst die Versorgungsleitung 1 den Außenmantel 2, der den Innenhohlraum 3 definiert, eine oder mehr Leistungsadern 20 und einen oder mehr aktive Umluftkühlkreise 50, die in dem Innenhohlraum 3 nahe der Leistungsadern 20 angeordnet sind. In typischen Ausführungsformen dieser Alternative gibt es einen aktiven Umluftkühlkreis 50 für jede Leistungsader 20, wobei jeder aktive Umluftkühlkreis 50 typischerweise an einer Position in dem Innenhohlraum 3 möglichst nahe an seiner jeweiligen Leistungsader 20 in einem Abstand angeordnet ist, der eine effiziente Ableitung der Wärmeenergie von der Leistungsader 20 ermöglicht, um zur Optimierung der Stromübertragungskapazität der Leistungsader 20 innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs beizutragen.
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Der aktive Umluftkühlkreis 50 besteht aus einer ersten Fluidleitung 51 mit einem ersten Durchmesser 53 (in den Abbildungen nicht gezeigt) und einer zweiten Fluidleitung 52 in Fluidverbindung mit der ersten Fluidleitung 51, wobei die zweite Fluidleitung 52 einen zweiten Durchmesser 55 (in den Abbildungen nicht gezeigt) aufweist, der kleiner als der erste Durchmesser 53 ist. In diesen Ausführungsformen ist die zweite Fluidleitung 52 teilweise oder vollständig in der ersten Fluidleitung 51 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die erste Fluidleitung 51 oder definiert auf andere Weise eine Wärmeaustausch-Rücklaufleitung und die zweite Fluidleitung 52 umfasst oder definiert auf andere Weise eine Wärmeaustausch-Zulaufleitung.
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Im Betrieb der bevorzugten Ausführungsformen, wie allgemein in 1 und 6 gezeigt, ist zur Erzielung der gewünschte Wärmeabfuhr von der Versorgungsleitung 1 die Versorgungsleitung 1 vorgesehen, die den Außenmantel 2, der den Innenhohlraum 3 definiert, und eine oder mehr Leistungsadern 20 umfasst. Die Versorgungsleitung 1 weist einen oder mehr aktive Umluftkühlkreise 10 oder 50 auf, wie vorstehend beschrieben, die als eine vorgefertigte Baugruppe hergestellt und in einer parallelen Anordnung durch einen Extrusionsprozess gezogen und zusammen gekapselt werden können, um ein einzelnes Element zu bilden. Die Kreislaufverbindung 13 ist in der erforderlichen Länge, wie nachstehend ausführlich beschrieben, in die Baugruppe eingearbeitet. Die fertigen aktiven Umluftkühlkreise 10 oder 50 können dann wie eine Baugruppe in den umfangreicheren Montageprozess für die Versorgungsleitung 1 eingeführt werden. In bestimmten Ausführungsformen können die aktiven Umluftkühlkreise 10 oder 50 in der Versorgungsleitung 1 zum Beispiel im Querschnitt durch einfache polymere Füllstoffe an dem Punkt in der Länge der Versorgungsleitung 1 ersetzt werden, wo keine aktiven Umluftkühlkreise 10 oder 50 mehr erforderlich sind.
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Die Länge der aktiven Umluftkühlkreise 10 oder 50 wird durch Bestimmen einer Länge der Versorgungsleitung 1 bestimmt, entlang der ein vorbestimmter Wärmeaustausch bewirkt werden soll, und eine gewünschte effiziente Ableitung der Wärmeenergie von der Leistungsader wird berechnet oder anderweitig bestimmt, die es ermöglicht, eine gewünschte Charakteristik der Stromübertragungskapazität der Leistungsader 20 innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs zu erzielen. Die gewünschte Charakteristik kann die Maximierung der Stromübertragungskapazität der Leistungsader innerhalb des vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs umfassen.
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Eine Länge des aktiven Umluftkühlkreises 10 oder 50 wird bestimmt, die ausreicht, um einen gewünschten Wärmeaustausch zu bewirken, um die gewünschte effiziente Ableitung der Wärmeenergie von der Leistungsader 50 entlang einer vorbestimmten Länge der Versorgungsleitung 1 zu erzielen. Diese Länge des aktiven Umluftkühlkreises 10 oder 50 kann bestimmt werden, indem eine Position ausreichend weit entfernt von einem Bereich erhöhter Temperatur der Versorgungsleitung 1 bestimmt wird, so dass eine zusätzliche Länge des aktiven Umluftkühlkreises 10 oder 50 keinen weiteren betrieblichen Vorteil für den Wärmeaustausch ergibt. Die gewünschte Länge des aktiven Umluftkühlkreises 10 oder 50 wird sodann in dem Innenhohlraum 3 nahe der Leistungsader 20 angeordnet, wo sich die aktiven Umluftkühlkreise 10 und 50 befinden, wie hierin beschrieben.
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Das Kühlfluid 40 wird in den aktiven Umluftkühlkreis 10 oder 50 eingefüllt, entweder vor der Herstellung, während der Herstellung oder in bestimmten Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, während des Betriebs, z. B. bei einem System mit offenem Kreislauf. Wie vorstehend erwähnt, kann das Kühlfluid Frischwasser, gefiltertes Meerwasser, ein Kühlmittel, ein Fluid, das bereits als eine bestehende hydraulische Funktion in der Versorgungsleitung 1 als das Fluid angeliefert wird, oder dergleichen oder eine Kombination davon umfassen. Wie vorstehend beschrieben, wird das Kühlfluid 40 über den Einlass 15 in den aktiven Umluftkühlkreis 10 oder 50 eingefüllt und, in bestimmten Konfigurationen, durch den Auslass 16 an einer Position entlang der Länge der Versorgungsleitung 1, über die hinaus keine zusätzliche Kühlung erforderlich ist, in ein Gewässer abgelassen, z. B. wenn das Kühlfluid 40 aus eine umweltverträgliches Fluid umfasst.
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Die vorstehende Offenlegung und Beschreibung der Erfindungen dienen der Veranschaulichung und Erklärung. Verschiedene Änderungen in Bezug auf Größe, Form und Materialien sowie die Details des exemplarischen Aufbaus und/oder eines exemplarischen Verfahrens können vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
