Итак, какие факторы должен учитывать инженер по силовой электронике при проектировании источников питания в таких сложных условиях?

Универсальная базовая рама для подводных применений с возможностью соединения с дистанционно управляемыми подводными аппаратами (Источник: PRBX/Shutterstock/Vismar UK)

Подводная электрическая архитектура:
Как правило, установки на морском дне получают электроэнергию с берега или платформы по высоковольтным кабелям большой протяженности к плавучим или подводным трансформаторным подстанциям. Здесь напряжение локально понижается до переменного или постоянного тока в диапазоне от 300 до 900 В переменного тока или от 400 до 1500 В постоянного тока для питания местного оборудования и, в конечном итоге, до более низких напряжений постоянного тока для конечного применения. Это представляется стандартным подходом, как и для электрических сетей и электронного оборудования в наземных промышленных приложениях. Однако, когда конечное оборудование расположено на морском дне и связано с нефтью, газом или другим чувствительным оборудованием, требования к качеству и безопасности значительно выше.

Подводная электрическая сеть включает в себя такие компоненты, как выключатели, понижающие трансформаторы, системы распределения электроэнергии, а также оборудование для мониторинга и управления, обслуживающее различное оборудование, включая насосы, компрессоры, системы впрыска воды и контроллеры безопасности. Для повышения эффективности и безопасности электрические компоненты могут быть установлены на общей базовой раме на морском дне (рис. 1) и соединены между собой с помощью специализированных разъемов, способных выдерживать низкое напряжение для передачи сигналов и высокое напряжение для источников питания, а также гидростатическое давление и подводные соединения. Кроме того, для обеспечения безопасности и бесперебойной работы локальная сеть резервируется источниками бесперебойного питания (ИБП), которые также могут располагаться на морском дне.
Все компоненты сети являются извлекаемыми и спроектированы и изготовлены как для нормальной, так и для аварийной работы. Однако, поскольку они часто развертываются на глубинах ниже пределов возможностей человека, может потребоваться вмешательство дистанционно управляемых подводных аппаратов (ROV), и они были спроектированы соответствующим образом.

 Источник питания, предназначенный для размещения внутри баллона под давлением (Изображение предоставлено: PRBX/VB120-5)

Что же такого особенного в подводных источниках энергии?

Подводные источники питания подразделяются на две основные категории:
• Контейнерные автономные блоки питания (SC-PSU).
SC-PSU рассчитаны на работу при очень высоком давлении. Они оснащены глубоководными разъемами и съемными шасси, предназначенными для работы с дистанционно управляемыми подводными аппаратами (ROV). Разработка SC-PSU требует обширного опыта в проектировании глубоководного оборудования, и зачастую их проектируют и производят те же компании, которые поставляют подводные трансформаторы и подстанции.

• Интегрированный блок питания (E-PSU) Блоки питания
E-PSU интегрированы в конечное оборудование, работающее под давлением, и не подвергаются воздействию высокого давления или контакту с жидкостным элементом. Блоки питания E-PSU больше похожи на промышленные источники питания, но обладают чрезвычайно высокой надежностью и функциями, специально разработанными для требований операторов подводных работ.

Интегрированный блок питания (E-PSU) вкратце.
Разработчики силовой электроники, работающие над подводными источниками питания, часто описывают свою работу так: «Разработка высоконадежного источника питания с исключительной надежностью и интеллектуальными функциями для одной из самых суровых сред на Земле, где отказ недопустим». Это хорошее описание проблем, с которыми сталкиваются разработчики при создании решений для электропитания, которые будут работать в глубоководных районах, куда люди чаще всего могут попасть только с помощью дистанционно управляемых подводных аппаратов (ROV).
Как упоминалось во введении, диапазон подводных применений широк, и в зависимости от конкретного сегмента, для которого предназначен источник питания, применяются различные стандарты и передовые методы. Однако для всех них существует общий подход: проведение анализа рисков для надлежащей оценки технологии и эксплуатационной безопасности.
В сотрудничестве с производителем оборудования расчет электрической нагрузки является одной из первых задач, которые необходимо рассмотреть при проектировании системы электропитания. Инженеры должны оценить электрическую нагрузку, необходимую для всех подводных элементов, которые будут потреблять электроэнергию, чтобы выбрать подходящий источник питания. Каждая локальная нагрузка может быть классифицирована по нескольким различным категориям, например, жизненно важная, необходимая и второстепенная:
• Жизненно важная: Представит ли потеря электропитания угрозу безопасности персонала или вызовет серьезные повреждения оборудования платформы/судна/морского дна?
• Важная: Приведет ли потеря электропитания к ухудшению или прекращению добычи нефти/газа или, в случае трансконтинентального кабеля, к потере связи?
• Второстепенная: Не повлияет ли потеря на безопасность или добычу?
В зависимости от конечного оборудования и уровня риска могут быть рассмотрены различные технологии, такие как резервное электропитание, автоматическая балансировка нагрузки или аварийный источник питания, переключающийся на ИБП. Во всех случаях источники питания должны иметь возможность взаимодействовать с центральной системой мониторинга, где высокий уровень эксплуатационной безопасности достигается за счет последних разработок в области цифрового управления и прогнозных алгоритмов.
Поскольку некоторые части подводного нефтегазового оборудования переходят от полностью гидравлического к гибридному режиму работы — например, моторизованные клапаны с электронным мониторингом и управлением — источники питания должны быть интегрированы в цилиндр под давлением. Кроме того, при проектировании источников питания для передающих кабелей, таких как ретрансляторы сигналов, пространство имеет решающее значение, и разработчики источников питания должны учитывать доступный объем, чтобы придать источнику питания форму, соответствующую конечному применению (рис. 02).
Из-за компактности и высокого уровня интеграции еще одним важным аспектом при проектировании источника питания для подводных операций является электромагнитная совместимость в рамках интегрированной системы. В процессе окончательного проектирования оборудования проводится обширное тестирование на совместимость, и это иногда может потребовать использования другой топологии, например, многофазной с активным фазовым сдвигом, для снижения электромагнитных помех.
В подводных приложениях срок службы и надежность имеют первостепенное значение. Источники питания должны проектироваться с высоким запасом прочности и минимальной возможной электрической и тепловой нагрузкой на каждый компонент (рис. 03). Выбор компонентов является важной частью проектирования, которая может повлиять на выбор топологии и методов конструирования. Примером может служить выбор предпочтительных коммутирующих транзисторов с материнской платой, разработанной для обеспечения кондуктивного охлаждения.

Проектные соображения для различных стандартов.
Большинство разработчиков источников питания привыкли к общим стандартам для промышленного, медицинского, транспортного или оборонного применения, но когда дело доходит до таких специфических областей, как подводная нефтегазовая промышленность, им необходимо учитывать специфические стандарты, например, стандарты Американского института нефти (API). Как показано на рисунке 4, стандарт охватывает ряд конкретных областей и источников питания для соответствия различным разделам Стандарта для систем управления подводной добычей и переработкой (API 17F). Этот стандарт включает в себя специальные испытания, а также протоколы связи.
Кроме того, что касается подводных соединителей, мы приводим два типа из ISO-13628. Они устанавливают общие требования и глобальные рекомендации для разработки комплексных подводных систем добычи, от этапа проектирования до вывода из эксплуатации и ликвидации. Этот стандарт применяется не только к соединителям и часто используется в качестве дополнения к API.

Примеры стандартов AMI и ISO, применимых к подводным нефтегазовым работам (Источник изображения: PRBX)

Устойчивая энергетика для подводных применений.
Большинство подводных применений получают энергию с берега по длинным силовым кабелям или с платформы по высоковольтным передающим кабелям, часто длиной от 10 до 100 км. Однако для ряда применений требуются удаленные решения в области энергоснабжения. Как правило, судно или плавучая платформа с традиционными генераторами могут быть размещены над нефтяным месторождением, но с учетом экологических требований и принципов устойчивого развития это не является оптимальным вариантом. Поэтому сообщество инженеров, работающих в области подводных технологий, начало изучать альтернативные варианты.
Среди множества проектов по всему миру возобновляемая энергия для подводного электроснабжения (RSP) является одним из наиболее интересных и перспективных. Он отвечает на вопрос: как можно объединить экологически чистые технологии для обеспечения надежного и непрерывного низкоуглеродного электроснабжения и связи для подводного оборудования, предлагая экономически эффективную альтернативу подводным кабелям в будущем? Шотландская компания Mocean Energy, пионер в области океанической энергетики (разработавшая Blue X, 20-метровый, 38-тонный, 10-киловаттный преобразователь волновой энергии (рис. 5)), и группа партнеров, специализирующихся на подводном хранении и управлении энергией, разработали бизнес-план, объединяющий волновую энергию, солнечную энергию и системы хранения энергии для питания подводного оборудования для нефтегазовых проектов (рис. 6). Это хороший пример того, как волновая энергия в сочетании с солнечными и аккумуляторными технологиями может предложить надежную и экономически эффективную альтернативу дорогостоящим подводным кабелям.

Волновой преобразователь энергии Blue X компании Mocean Energy (изображение предоставлено: PRBX / любезно предоставлено Mocean Energy - Колин Келди - EMEC)

В заключение:
подводная силовая электроника часто считается нишевым сектором, но для разработчика решений в области подводного электропитания это фантастическая возможность исследовать захватывающий спектр применений, требующих передовых технологий, исключительной надежности и подлинных инноваций. Это, в сочетании с такими новыми идеями, как возобновляемая энергия для подводного электропитания (RSP), делает нашу работу невероятно захватывающей и мотивирующей, расширяя границы возможностей наших источников питания для еще более глубоких исследований.

Волновой преобразователь энергии обеспечивает возобновляемую энергию для целого ряда подводных применений (Изображение предоставлено: PRBX / любезно предоставлено Mocean Energy)

-------------- КОНЕЦ -------------

Автор: Патрик Ле Февр, PRBX, директор по маркетингу и коммуникациям

Источники:
POWERBOX (PRBX):
https://www.prbx.com/

Mocean Energy:
https://www.mocean.energy/

Американский нефтяной институт (API)
https://www.api.org/

Международная организация по стандартизации
https://www.iso.org/home.html