Figura 1: Bază standard pentru aplicații subacvatice cu sisteme de conectare la vehicule ROV. (Sursă imagine: PRBX/Shutterstock/Vismar UK)
În urma știrilor și a dezbaterilor politice, suntem cu toții conștienți că un număr semnificativ de locații aflate în largul mării din întreaga lume găzduiesc câmpuri de petrol și gaze. Dar gama și amploarea aplicațiilor submarine sunt mult mai mari decât cele referitoare la petrol și gaze. De la cablurile de comunicații intercontinentale, care asigură buna funcționare a internetului în întreaga lume, până la stațiile de detectare a cutremurelor de mare adâncime, există echipamente instalate pe fundul mării la adâncimi de până la 4 000 de metri (13 000 de picioare) și la presiuni de până la 400 bar (5 816 psi), care necesită surse de alimentare sigure și fiabile. Așadar, în astfel de aplicații extrem de solicitante, ce factori trebuie să ia în considerare inginerul specializat în electronica de putere atunci când proiectează soluții de alimentare?
Arhitectura unei surse de alimentare subacvatice
Cel mai des, instalațiile de pe fundul mării sunt alimentate de la țărm sau de la o platformă, prin cabluri de transmisie de înaltă tensiune pe distanțe lungi, până la stații de transformare plutitoare sau scufundate. Aici, tensiunea este redusă local la valori de curent alternativ sau continuu cuprinse între 300 și 900VAC sau 400 și 1500VDC pentru a alimenta echipamentele locale și, în cele din urmă, la tensiuni de curent continuu mai mici pentru aplicația finală. Aceasta pare a fi o abordare standard, la fel ca pentru rețelele electrice și echipamentele electronice din aplicațiile industriale de pe pământ. Cu toate acestea, atunci când echipamentul final este amplasat pe fundul mării și are de-a face cu petrol, gaze sau echipamente sensibile, nivelul de calitate și cerințele de siguranță sunt semnificativ mai ridicate.
Rețeaua electrică submarină conține componente precum comutatoare, transformatoare coborâtoare, distribuție de energie și aparate de monitorizare și control care deservesc mai multe echipamente precum pompe, compresoare, sisteme de injecție a apei și controlere de siguranță. Pentru eficiență și siguranță, componentele de alimentare pot fi instalate într-o structură de bază solidă pe fundul mării (figura 1) și interconectate prin conectori specifici aplicației, capabili să suporte tensiuni reduse pentru utilizarea semnalelor și tensiuni înalte pentru sursele de alimentare și să reziste presiunii hidrostatice și conexiunilor sub apă. De asemenea, din motive de siguranță și pentru a garanta funcționarea neîntreruptă, rețeaua locală este susținută de surse de alimentare neîntreruptibile (UPS), care ar putea fi amplasate și pe fundul mării.
Toate componentele rețelei sunt recuperabile (pot fi accesate, scoase sau înlocuite, dacă este necesar), fiind proiectate și construite astfel încât să poată funcționa în condiții normale sau în cazul unor situații neprevăzute. Totuși, având în vedere că acestea sunt frecvent instalate la adâncimi la care oamenii nu pot lucra, acestea ar putea avea nevoie de intervenția unui vehicul operat de la distanță (ROV – Remotely Operated Vehicle) fiind proiectate ținând cont de aceste cerințe.
Care sunt particularitățile surselor de alimentare subacvatice?
Sursele de alimentare submarine sunt clasificate în două categorii majore:
- Surse autonome de alimentare cu energie electrică (SC-PSU)
Sursele SC-PSU au fost create pentru a suporta presiuni foarte mari. Acestea dispun de conectori pentru ape adânci și sunt prevăzute cu un șasiu detașabil care poate fi operat sau mutat cu ajutorul unui vehicul ROV. Unitățile SC-PSU necesită niveluri foarte ridicate de expertiză în proiectarea echipamentelor pentru ape adânci, acestea fiind proiectate și fabricate, de cele mai multe ori, de aceleași companii care furnizează transformatoare și substații subacvatice. - Surse de alimentare încorporate (E-PSU)
Unitățile E-PSU sunt integrate în echipamentul presurizat final fără a fi expuse la presiune ridicată sau în contact cu elementul lichid. Sursele E-PSU se apropie mai mult de sursele de alimentare industriale, dar au o fiabilitate extrem de ridicată și funcționalități dedicate în raport cu cerințele operatorilor subacvatici.
O privire de ansamblu asupra sursei de alimentare încorporate (E-PSU)
Proiectanții de sisteme electronice de putere care abordează domeniul surselor de alimentare subacvatice își descriu munca astfel: “Trebuie proiectat un sistem de alimentare extrem de robust, fiabil și inteligent destinat unuia dintre cele mai ostile medii de pe Pământ, unde eșecul nu este o opțiune”. Acesta este un bun rezumat al provocărilor cu care se confruntă proiectanții atunci când dezvoltă soluții de alimentare care vor fi exploatate în mările adânci unde, de cele mai multe ori, oamenii nu au acces decât cu ajutorul ROV-urilor.
După cum s-a menționat mai sus, gama de aplicații subacvatice este largă și, în funcție de segmentul căruia i se va adresa sursa de alimentare, se aplică diferite standarde și bune practici, însă pentru toate acestea există o abordare comună în ceea ce privește analiza riscurilor pentru a evalua corect tehnologia și siguranța operațională.
Calculul sarcinii electrice, făcut în colaborare cu producătorul echipamentului, este una dintre primele sarcini care trebuie luate în considerare în timpul proiectării sistemului de alimentare electrică. Inginerii trebuie să estimeze sarcina electrică necesară a tuturor elementelor subacvatice care vor consuma energie electrică, astfel încât să poată alege o sursă de alimentare adecvată. Fiecare sarcină locală poate fi clasificată în diverse categorii , de exemplu, sarcină vitală, esențială și neesențială:
- Sarcină vitală: Este posibil ca prin pierderea energiei electrice să se pună în pericol siguranța personalului sau să se producă daune grave la nivelul platformei/echipamentelor de pe fundul mării?
- Sarcină esențială: Ar exista riscul ca prin întreruperea alimentării cu energie electrică să se producă o degradare sau o pierdere a producției de petrol/gaze sau, în cazul cablurilor transcontinentale, a comunicațiilor?
- Sarcină neesențială: Este posibil ca lipsa alimentării cu energie electrică să nu producă niciun efect asupra siguranței sau producției?
Figura 2: Sursă de alimentare proiectată pentru a se potrivi într-un cilindru presurizat. (Sursă imagine: PRBX/VB120-5)
În funcție de echipamentul final și de nivelul de risc, pot fi luate în considerare diferite tehnologii, precum o soluție de alimentare redundantă, echilibrarea automată a sarcinii sau comutarea resurselor de alimentare de urgență la UPS. În toate cazurile, sursele de alimentare trebuie să poată comunica cu sistemul central de monitorizare, unde, utilizând cele mai noi tehnologii de control digital și algoritmi predictivi, se obțin niveluri ridicate de siguranță operațională.
Pe măsură ce anumite părți ale echipamentelor subacvatice de petrol și gaze migrează de la funcționarea complet hidraulică la cea hibridă – de exemplu, supapele motorizate care monitorizează și controlează electronic – este necesar ca sursele de alimentare să fie integrate într-un cilindru presurizat. De asemenea, atunci când se proiectează surse de alimentare pentru cabluri de transmisie, de exemplu, repetoare de semnal, deoarece spațiul este critic, proiectanții de surse de alimentare trebuie să ia în considerare volumul disponibil pentru a modela sursa de alimentare astfel încât să se încadreze în aplicația finală (figura 2).
Datorită compactității și nivelului ridicat de integrare, un alt aspect important, care trebuie luat în considerare la proiectarea unei surse de alimentare pentru operațiuni subacvatice, este compatibilitatea electromagnetică în interiorul sistemului încorporat. În timpul proiectării echipamentului final se efectuează teste extinse de interoperabilitate și, uneori, acest lucru ar putea necesita adoptarea unei topologii diferite, de exemplu, una multifazată, cu deplasare activă a fazei pentru a reduce interferențele EMI.
Figura 3: Sursă de alimentare proiectată cu o marjă mare de siguranță și fiabilitate. (Sursă imagine: PRBX/VB140-384)
În aplicațiile subacvatice, este de la sine înțeles că durata de viață și fiabilitatea sunt foarte importante. Sursele de alimentare trebuie să fie proiectate cu o marjă de siguranță ridicată și cu cel mai mic nivel posibil de stres – electric și termic – asupra fiecărei componente (figura 3). Selectarea componentelor este o parte importantă a proiectării care poate influența alegerea topologiei și a practicilor de fabricare. Un exemplu este cel al alegerii unor tranzistoare cu comutație care au integrată în construcția lor o placă de bază (realizată dintr-un material cu conductivitate termică ridicată) pentru a facilita răcirea prin conducție.
Considerații de proiectare pentru diverse standarde
Figura 4 : Exemple de standarde AMI și ISO adresate aplicațiilor subacvatice pentru petrol și gaze. (Sursă imagine: PRBX)
Majoritatea proiectanților de surse de alimentare sunt obișnuiți cu standardele comune aplicațiilor industriale, medicale, de transport sau de apărare, dar atunci când au de-a face cu domenii particulare, cum ar fi aplicațiile subacvatice pentru petrol și gaze, trebuie să ia în considerare standarde speciale, precum cel stabilit de American Petroleum Institute (API). După cum se poate observa în tabelul alăturat (figura 4), standardul acoperă o serie de domenii specifice, iar sursele de alimentare trebuie să respecte diferite secțiuni ale standardului API 17F (Standard for Subsea Production and Processing Control Systems). Acest standard include teste specifice, precum și protocoale de comunicație.
De asemenea, pentru conectorii utilizați în aplicații submersibile, sunt specificate două variante ale standardului ISO-13628. Acestea conțin cerințele și recomandările generale pentru dezvoltarea sistemelor de producție destinate aplicațiilor subacvatice, de la faza de proiectare până la scoaterea din uz. Standardul nu se referă exclusiv la conectori , acesta find utilizat, deseori, în completarea API.
O alimentare sustenabilă pentru aplicațiile subacvatice
Figura 5: Convertor de energie a valurilor (WEC) Mocean Energy Blue X. (Sursă imagine: PRBX / Cu acordul Mocean Energy – Colin Keldie – EMEC)
Majoritatea aplicațiilor subacvatice sunt alimentate de la țărm prin cabluri de alimentare pe distanțe lungi sau de la o platformă prin cabluri de transmisie de înaltă tensiune, adesea de 10-100 km, dar există și aplicații speciale care necesită soluții de alimentare la distanță. De obicei, o navă sau o platformă plutitoare cu generatoare de energie tradiționale poate fi amplasată deasupra câmpului, dar, dacă luăm în considerare mediul și sustenabilitatea, acest lucru nu este optim și, în consecință, comunitatea inginerilor de aplicații subacvatice a început să ia în considerare opțiuni alternative.
Printre numeroasele proiecte din întreaga lume, se numără și “Renewables for Subsea Power” (RSP), unul dintre cele mai interesante și promițătoare proiecte. Întrebarea la care încearcă să răspundă este următoarea: Cum pot fi combinate tehnologiile ecologice pentru a furniza echipamente subacvatice fiabile și eficiente în ceea ce privește consumul redus de putere și comunicațiile, oferind o alternativă rentabilă viitoare la cablurile ombilicale?
Figura 6: Convertorul de energie a valurilor furnizează energie regenerabilă pentru o gamă largă de aplicații subacvatice. (Sursă imagine: PRBX / Cu acordul Mocean Energy)
Răspunsul vine de la pionierii scoțieni în domeniul energiei oceanice, Mocean Energy, care au dezvoltat Blue X, o mașină de conversie a energiei valurilor de 20 m lungime, 38 t și 10 kW (figura 5), în colaborare cu un grup de parteneri specializați în stocarea și managementul energiei în domeniul maritim. Împreună, aceștia au dezvoltat un caz de afaceri care combină energia valurilor, energia solară și stocarea energiei pentru a alimenta echipamente subacvatice pentru proiecte petroliere și de gaze (figura 6). Procesul de testare și evaluare RSP a fost finalizat și este gata pentru implementarea comercială. Acesta este un exemplu foarte bun care demonstrează că energia valurilor combinată cu posibilitățile de alimentare cu energie solară și tehnologiile bateriilor pot oferi o alternativă fiabilă și rentabilă la cablurile ombilicale costisitoare pentru aplicații subacvatice.
Concluzie
Electronica de putere pentru aplicații subacvatice este considerată o industrie de nișă, dar pentru un proiectant de sisteme de putere care dezvoltă soluții de alimentare la mare adâncime este o oportunitate excelentă de a învăța despre o gamă foarte interesantă de aplicații care necesită tehnologie avansată, fiabilitate extremă și inovație adevărată. Acest lucru, combinat cu idei noi precum “Renewables for Subsea Power” (RSP), face ca munca noastră să fie foarte interesantă și motivantă, împingând limitele surselor de alimentare pentru explorări și mai profunde.
Referințe:
POWERBOX (PRBX): https://www.prbx.com
Mocean Energy: https://www.mocean.energy
The American Petroleum Institute (API): https://www.api.org
The International Standards Organization: https://www.iso.org/home.html
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
