Ведется подводная реконструкция для плавучей морской ветровой электростанции

Плавучая ветровая электростанция на море, использующая коллекторы MECON Изображение предоставлено Baker Hughes

Высоковольтный мокрый соединитель на 66 кВ, который в настоящее время проходит техническую квалификацию в Baker Hughes, весит около одной тонны и содержит более 40 литров диэлектрического масла, защищающего медный кабель диаметром до 1200 квадратных миллиметров.

Соединитель предназначен для установки на морском дне на конце динамического кабеля, идущего от плавучих ветряных турбин, и соединения его с коллекторным концентратором, который в конечном итоге передает мегаватты вырабатываемой им энергии на подводную подстанцию, а затем на берег.

Многое может пойти не так.

Отказ кабеля является дорогостоящей проблемой для стационарных ветровых установок на море, хотя, как и в нефтегазовой отрасли, он подразумевает использование статических кабелей. Ожидается, что динамические отказы кабеля станут еще более распространенными, когда индустрия плавучих ветровых установок наберет обороты.

Компания Baker Hughes использовала свой опыт в нефтегазовой отрасли для модернизации и увеличения диапазона мощности своего высоковольтного соединителя переменного тока Marine Electrical Connectors (MECON) wet mate, чтобы снизить влияние отказа кабеля. Трехфазные соединители wet mate компании объединяют три соединения в одном корпусе, оптимизируя чистоту изоляционной жидкости и минимизируя потенциальные пути утечки по сравнению с однофазными соединителями, используемыми другими в отрасли. Они требуют трех соединений для каждого кабеля и, следовательно, создают три потенциальных пути утечки.

«Если посмотреть на другие технологии, то внутри соединительной рамы, которая выглядит как один соединитель, есть три отдельных соединения. Преимущество нашей системы в том, что все три отдельных фазовых соединения на самом деле находятся в одном механическом соединителе», — говорит Майк Бирч, менеджер по продукции Offshore Power Systems в Baker Hughes .

В нашей звездной конфигурации мы никогда не размещаем более одного элемента на одной линии, поэтому все поле можно стандартизировать до одного размера, обычно 95 или 150 квадратных миллиметров.
Изображение предоставлено Baker Hughes

Соединители можно промывать с помощью ROV, что означает, что их можно устанавливать с помощью ROV, который сначала промывает интерфейс разъем-коллектор морской водой, чтобы очистить его от мусора. Затем следует промывка пресной водой, затем этанолом, после чего впрыскивается диэлектрическое масло. Масло инициирует и изолирует электрическое соединение.

Baker Hughes расширяет свои соединители wet mate с оригинальной версии 12 кВ, впервые использованной в нефтегазовой отрасли в 1999 году, до 36 кВ и теперь 66 кВ для плавучих ветровых установок. Компании помогают крупные энергетические компании, потенциально заинтересованные в еще не развернутых соединителях. Их вклад был бесценным, говорит Бирч, поскольку существующие стандарты IEC охватывают только соединители до 36 кВ, а отрасли нужна матрица квалификации, которая будет широко принята.

Соединители подключаются к подводному коллекторному концентратору. Здесь Baker Hughes стремилась к простоте, по крайней мере, для первого поколения оборудования, поэтому коллекторный концентратор по сути представляет собой заполненный маслом корпус с мокрыми соединителями по периметру. «В нашем коллекторе MECON нет движущихся частей, внутри коробки нет ничего умного, он просто собирает энергию через несколько входов и экспортирует ее через один выход».

MECON Wet Connect с технологией внутреннего разъединителя
Изображение предоставлено Baker Hughes Поскольку на коллекторе нет определенного переключающего устройства, мокрое соединение Baker Hughes обеспечивает эту функциональность через внутренний разъединитель, который управляется через ROV и предназначен для изоляции кабеля с помощью переключателя в разъеме после отключения массива. Переход к использованию переключателей в концентраторе коллектора, чтобы задачу можно было выполнять удаленно и под электрической нагрузкой, может прийти со временем, но на данный момент Бирч считает, что простота и снижение затрат — это то, что нужно отрасли.

Простота конструкции скрывает ее важность, поскольку при подключении нескольких турбин напрямую к концентратору коллектора проблемы, связанные с каскадным подключением кабелей, устраняются. В настоящее время используется для фиксированных морских ветровых электростанций, если кабель выходит из строя в любой точке каскадного подключения, мощность всей цепи может быть потеряна, но концентратор коллектора обеспечивает конфигурацию звезды, в которой каждая турбина подключается к концентратору коллектора независимо от других турбин.

«Если посмотреть на звездную конфигурацию, то она, очевидно, имеет преимущества с точки зрения доступности, поскольку вы можете изолировать отдельную турбину или группу турбин в зависимости от конфигурации. Вторая часть этого заключается в том, что у вас нет нескольких турбин последовательно, вы можете уменьшить размер кабелей и стандартизировать один размер».

В последовательной цепи диаметр кабеля может начинаться с 95 квадратных миллиметров меди, затем увеличиваться до 300, а затем, скажем, до 1000, поскольку мощность от каждой турбины агрегируется по всей решетке.

«Для нашей конфигурации «звезда» у нас никогда не бывает больше одного кабеля на одной линии, поэтому все поле можно стандартизировать до одного размера, обычно 95 или 150 квадратных миллиметров. Существует огромная разница в стоимости между 1000 квадратных миллиметров и 95 квадратных миллиметров. Это преимущество CAPEX, но есть также и перспектива OPEX. Это означает, что вам нужно иметь на складе только один размер кабеля».

Высоковольтная ветроэнергетика переменного тока для объектов.
Изображение предоставлено Baker Hughes

По словам Бирча, такого рода стандартизация имеет решающее значение для жизнеспособности растущего рынка плавучих ветряных электростанций. «В отличие от нефтегазовой отрасли, у нас не может быть индивидуальных систем в плавучих ветряных электростанциях — маржа слишком низкая для возобновляемых источников энергии. Нам нужны структурированные строительные блоки — соединители, коллекторные концентраторы, турбины — это единственный способ получить экономию масштаба, которая может снизить нормированную стоимость энергии». Ожидается, что квалификация продукта для новых соединителей будет завершена в следующем году, как раз к резкому росту рынка плавучих ветряных электростанций, который Бирч ожидает с 2027 года. «Будущее многообещающее, по прогнозам, к 2050 году будет установлено около 270 ГВт мощности плавучих ветряных электростанций. При средней мощности 15 МВт на турбину для достижения этого потребуется ежегодно развертывать более 700 плавучих ветряных электростанций в течение следующих 25 лет».

Birch предвидит ряд возможных конфигураций, которые будут использоваться. Подводная конструкция Baker Hughes может передавать энергию турбины в береговую сеть или дополнительно на морские установки или платформы power-to-x. Ее также можно использовать для приливных массивов, возможность, которую Birch считает подходящей для некоторых приложений, таких как обеспечение электроэнергией островов. Для транспортировки энергии на большие расстояния на берег система также может включать реакторы средней точки, которые восстанавливают целостность передачи через экспортный кабель, так что текущий предел около 100-150 километров от подстанции до берега может быть расширен.

В будущем ожидается больше разработок соединителей. «Сегодня мы смотрим на 66 кВ, но на подходе турбины мощностью 20 МВт, которым потребуется 132 кВ. Некоторые из этих месторождений просто не будут экономически жизнеспособными без этих очень больших турбин».