УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ В НЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ И ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЕ
DEVICE FOR PLACEMENT ELECTRICAL COMPONENTS IN IT AND ITS MANUFACTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к размещению электрических компонентов, в частности к выполненному с компенсацией давления подводному устройству для размещения в нем электрических компонентов. Представленные здесь варианты осуществления также относятся к изготовлению такого устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В нефтяной и газовой промышленности непрерывно ведется поиск более рассредоточенных, глубже залегающих и менее мощных месторождений под водой, а также на шельфе. Это привело к явно выраженной заинтересованности в развитии подводной технологии, которая может дать возможность экономичной глубоководной разведки на нефть и газ, а также и их добычи. В настоящее время мощные электронные средства привода нагрузок типа крупногабаритных компрессоров и насосов находятся под атмосферными давлениями либо на берегу, либо на платформе с соединениями посредством длинных кабелей. На протяжении прошедших нескольких лет широко обсуждалась идея компенсации давления для подводной технологии. В системе с компенсацией давления электрические компоненты (например, блок преобразования энергии) и связанные с ними электронные схемы будут находиться под давлением, близким к или равным внешнему давлению (которое является высоким, например - 300 бар на глубине 3000 метров) в сосуде с компенсацией давления, наполненном диэлектрическим жидким веществом. Такого же типа системы с компенсацией давления применяются также для подводного монтажа статических электроиндукционных устройств, таких как подводные трансформаторы.
Разработка такой системы с компенсацией давления порождает особые проблемы, касающиеся конструкции электрических компонентов и охлаждения всей системы в целом. Одним из критических компонентов такой системы является само жидкое вещество. Это происходит потому, что поведение жидкости при пробое диэлектрика и ее тепловые свойства при высоких давлениях и низких температурах будут определять надежность блока преобразования энергии и габариты закрытого корпуса с компенсацией давления. В литературе упоминается, что диэлектрические свойства изолирующей жидкости обычно повышаются в условиях высоких давлений, см., например, M. Koch et al., ʺThe breakdown voltage of insulation oil under the influence of humidity, acidity, particles and pressureʺ, International Conference of APTADM («Напряжение пробоя изоляционного масла под влиянием влажности, кислотности, крупных частиц и давления», Международная конференция по достижениям в технологии, испытаниях и применении диэлектрических материалов), 2007, или R. Badent et al., ʺThe effect of hydrostatic pressure on streamer inception и propagation in insulating oilʺ, Conference Record of the IEEE International Symposium on Electrical Insulation («Влияние гидростатического давления на начало и распространение косы», протоколы заседаний Международного симпозиума по электрической изоляции, проведенного под эгидой Института инженеров по электротехнике и электронике, США), 1994. Однако с тепловыми свойствами изолирующей жидкости при высоких давлениях приходится разбираться, принимая надлежащие решения уже в процессе проектирования системы с компенсацией давления.
Хорошо известно, что вязкость жидкости увеличивается при низких температурах. Это показано на графике согласно фиг.1, иллюстрирующем изменение кинематической вязкости трех диэлектрических масел (натурального сложноэфирного, синтетического сложноэфирного и минерального трансформаторного масла) в зависимости от температуры. Кроме того, сообщают также, что вязкость значительно увеличивается при высоких давлениях, см., например, D. L. Hogenboom et al., ʺViscosity of several liquid hydrocarbons as a function of temperature, pressure and free volumeʺ, The Journal of Chemical Physics («Вязкость нескольких жидких углеводородов как функция температуры, давления и свободного объема», Журнал химической физики), том 46, № 7, стр. 2586-2598, 1967. В результате холодопроизводительность жидкости при высоких давлениях и низких температурах вызывает опасения.
Зачастую, чтобы достичь высокой надежности, необходимы решения по охлаждению, основанные на естественной конвекции. В таком случае, высокая вязкость хладагента снижает скорости течения и тем самым - холодопроизводительность. С другой стороны, если выбирают принудительное охлаждение от насоса, высокая вязкость хладагента увеличивает энергию, потребляемую на перекачку. Еще одним критическим свойством материала жидкости является ее теплопроводность. Для системы охлаждения за счет естественной конвекции, предусматривающей охлаждение морской водой и предназначенной для работы под высоким давлением, низкий коэффициент теплопередачи масла, как правило, вносит наибольший вклад в термическое сопротивление в системе. Следовательно, высокая теплопроводность является значительным преимуществом для хладагента.
Документ EP 2717401 A1 относится к подводной электроэнергетической системе, содержащей первое и второе подводные электрические устройства, и к способу обеспечения подводной электроэнергетической системы.
Документ US 2002/139962 A1 относится к диэлектрическим текучим средам, предназначенным для использования в трансформаторах. В частности, он относится к диэлектрическим трансформаторным текучим средам на изопарафиновой основе.
В представленном корпорацией Petro-Canada документе ʺLuminol Product из Petro-Canade for Subsea Oil Gas Applicationʺ («Продукт люминол от Petro-Canada для подводных нефтегазовых приложений») очень кратко описан ʺLuminolʺ или люминол-синтезированная изопарафиновая жидкость. Этот документ относится к подводной нефтяной и газовой промышленности, но в нем нет явного упоминания о подводном устройстве с компенсацией давления.
Следовательно, по-прежнему существует потребность в эффективной диэлектрической жидкости, которую надлежит использовать в подводных энергосистемах.
Сущность изобретения
Задача приводимых здесь вариантов осуществления состоит в том, чтобы разработать эффективную диэлектрическую жидкость, которую надлежит использовать в подводных энергосистемах.
В соответствии с первым аспектом, предложено выполненное с компенсацией давления подводное устройство для размещения в нем электрических компонентов. Устройство содержит корпус с компенсацией давления. Корпус с компенсацией давления заполнен диэлектрической жидкостью. Устройство содержит по меньшей мере один электрический компонент. Упомянутый по меньшей мере один электрический компонент предусмотрен внутри корпуса с компенсацией давления. Диэлектрическая жидкость представляет собой углеводородную диэлектрическую жидкость, содержащую изопарафин.
Это решение с выгодой предоставляет эффективную диэлектрическую жидкость, которую надлежит использовать в подводных энергосистемах.
Это решение с выгодой предоставляет раствор изолирующей жидкости, который обладает значительно улучшенными тепловыми характеристиками при высоких давлениях и низких температурах, помимо обладания превосходными диэлектрическими свойствами для высоковольтных приложений.
Использование углеводородной жидкости на основе изопарафина с выгодой приведет к эффективной тепловой конструкции устройства, которая - в свою очередь - повысит надежность устройства в случае применения в подводной окружающей среде.
По сравнению с другими изолирующими текучими средами, использование изопарафиновой жидкости с выгодой приведет к устройству с меньшей занимаемой площадью, тем самым оказывая значительное влияние на себестоимость добычи. Это вопрос особой важности для подводных установок, поскольку вес подводного оборудования ограничен возможностями крановых систем судов, используемых для монтажа и подъема оборудования.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость содержит по меньшей мере 50 объемных процентов (об.%) изопарафина. Например, углеводородная диэлектрическая жидкость может содержать самое меньшее 51 об.% изопарафина.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость при 4 °C от примерно 100 мПа⋅с до примерно 500 мПа⋅с в диапазоне давления между примерно 100 бар и примерно 1000 бар.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость при 4 °C примерно 500 мПа⋅с при давлении, превышающем примерно 1000 бар.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет теплопроводность, превышающую примерно 0,10 Вт/(м⋅K) при температуре примерно 30 °C и давлении примерно 1 бар.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость менее 10 мПа⋅с при 50 °C и при 300 бар и имеет теплопроводность более 0,13 Вт/(м⋅K) при 50 °C и при 300 бар. Модели и несколько экспериментов показывают, что углеводородная диэлектрическая жидкость с этими значениями параметров обладает достаточной теплонесущей способностью, а ее вязкость оказывается достаточно низкой, даже при высоком давлении, чтобы охлаждение естественной конвекцией оказалось достаточно эффективным в выполненном с компенсацией давления подводном устройстве для размещения в нем электрических компонентов.
Автор изобретения обнаружил, что при монтаже выполненного с компенсацией давления подводного устройства для размещения в нем электрических компонентов на глубине 100 м (что соответствует давлению 11 бар или более) использование углеводородной диэлектрической жидкости, содержащей изопарафин, является существенным фактором. На глубинах менее 100 м возможно использование диэлектрических жидкостей других типов, но диэлектрическая жидкость, содержащей изопарафин, обладает существенными преимуществами, заключающимися в том, что она имеет по-прежнему низкую динамическую вязкость, а ее теплопроводность выше, чем у диэлектрических жидкостей этих других типов.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет температуру вспышки более 165 °C.
В соответствии с вариантом осуществления упомянутый по меньшей мере один электрический компонент является частью полупроводникового подмодуля.
В соответствии с вариантом осуществления упомянутый по меньшей мере один электрический компонент является частью функционального блока для мощной электроники (ФБдМЭ (PEBB)).
В соответствии со вторым аспектом, представлен способ изготовления выполненного с компенсацией давления подводного устройства для размещения в нем электрических компонентов. Способ предусматривает обеспечение корпуса с компенсацией давления. Способ предусматривает обеспечение по меньшей мере одного электрического компонента внутри корпуса с компенсацией давления. Способ предусматривает заполнение корпуса с компенсацией давления диэлектрической жидкостью. Диэлектрическая жидкость представляет собой углеводородную диэлектрическую жидкость, содержащую изопарафин.
В соответствии с вариантом осуществления способ предусматривает погружение корпуса в массу воды. Масса воды может быть океаном или озером.
Следует отметить, что любой признак согласно первому и второму аспектам применим к любому другому аспекту, когда это целесообразно. Аналогичным образом, любое преимущество согласно первому аспекту с тем же успехом применимо ко второму аспекту, соответственно, и наоборот. Другие задачи, признаки и преимущества описываемых вариантов осуществления станут ясными из нижеследующего подробного описания, из зависимых пунктов прилагаемой формулы изобретения, а также из чертежей.
Вообще говоря, все термины, употребляемые в формуле изобретения, следует интерпретировать в соответствии с их обычным смыслом в данной области техники, если здесь явно не определено иное. Все ссылки на «элемент, устройство, компонент, средство, этап и т.д.» следует интерпретировать в открытом смысле - как относящиеся по меньшей мере к одному примеру или элементу, устройству, компоненту, средству, этапу и т.д., если явно не указано иное. Этапы любого описываемого здесь способа не обязательно должны проводиться в описываемом здесь точном порядке, если явно не указано иное.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее в качестве примера изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг.1 представлен график, иллюстрирующий зависимость кинематической вязкости диэлектрических масел от температуры;
фиг.2 схематически иллюстрирует процесс гидрокрекинга/гидроизомеризации;
фиг.3 схематически иллюстрирует технологию синтетического жидкого топлива (СЖТ), реализуемую с помощью процесса Фишера-Тропша;
на фиг.4 представлен график, иллюстрирующий изменение динамической вязкости в разных маслах в зависимости от температуры при давлении 300 бар;
на фиг.5 представлен график, иллюстрирующий изменение теплопроводности в разных маслах в зависимости от температуры при давлении 300 бар;
на фиг.6 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий устройство для размещения в нем электрических компонентов под водой в соответствии с вариантом осуществления;
на фиг.7 представлена блок-схема последовательности операций способов в соответствии с вариантами осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь изобретение будет подробнее описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где показаны определенные варианты осуществления изобретения. Вместе с тем, это изобретение может быть воплощено в любых других формах, и его не следует толковать как ограничиваемое излагаемыми здесь вариантами осуществления; скорее, эти варианты осуществления представлены в качестве примера, позволяющего сделать это описание будет тщательным и исчерпывающим, а также полностью доводящим объем притязаний изобретения до сведения специалистов в данной области техники. Одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы по всему тексту описания.
На фиг.6 представлен схематический чертеж выполненного с компенсацией давления подводного устройства 10 для размещения в нем электрических компонентов в соответствии с вариантом осуществления. Описываемые здесь варианты осуществления основаны на использовании раствора изолирующей жидкости, который, по сравнению с известными изолирующими жидкостями, используемыми в устройствах для размещения в них электрических компонентов под водой, имеет значительно улучшенные тепловые характеристики при высоких давлениях и низких температурах, помимо обладания превосходными диэлектрическими свойствами для высоковольтных приложений.
Устройство 10 содержит корпус 20 с компенсацией давления. Корпус 20 с компенсацией давления заполнен диэлектрической жидкостью 30. Устройство 10 дополнительно содержит по меньшей мере один электрический компонент 40. Упомянутый по меньшей мере один электрический компонент 40 предусмотрен внутри корпуса 20 с компенсацией давления. Диэлектрическая жидкость 30 представляет собой углеводородную диэлектрическую жидкость, содержащую изопарафин.
Выравнивание давления в сосуде с компенсацией давления может быть достигнуто путем заполнения сосуда жидкостью, такой как диэлектрическая жидкость, и посредством механически упругого устройства с компенсацией давления, именуемого компенсатором, для компенсации возможных изменений объема жидкости из-за изменений давления и температуры. Таким образом, корпус 10 с компенсацией давления может быть оснащен устройством с компенсацией давления (не показано). В иллюстративном примере, изображенном на фиг.6, устройство 10 предусмотрено на дне 60 массы 50 воды. Масса 50 воды может быть океаном или озером. Например, устройство 10 может быть смонтировано на глубине воды примерно 1000 м или более.
Сосуд с компенсацией давления спроектирован так, что нормальная рабочая температура жидкости в сосуде с компенсацией давления будет составлять 50-70 градусов по Цельсию при нормальной нагрузке электрических компонентов в сосуде.
Таким образом, в соответствии с описываемыми здесь устройствами, предлагается использовать раствор изолирующей жидкости на основе изопарафина, который обладает значительно улучшенными тепловыми характеристиками при высоких давлениях и низких температурах, помимо обладания превосходными диэлектрическими свойствами для высоковольтных приложений. Отличия в тепловых свойствах этой предлагаемой диэлектрической жидкости по сравнению с уровнем техники объясняются химическим составом вещества жидкости.
Теперь будут поочередно описаны разные варианты осуществления, связанные с диэлектрической жидкостью 30.
В соответствии с вариантом осуществления описываемая здесь углеводородная диэлектрическая жидкость содержит по меньшей мере 50 объемных процентов (об.%) изопарафина. Например, углеводородная диэлектрическая жидкость может содержать по меньшей мере 51 об.% изопарафина. Углеводородная диэлектрическая жидкость предпочтительно содержит даже более значительную долю изопарафина, такую как по меньшей мере 70 об.% изопарафина, предпочтительно более 70 об.% изопарафина.
Изопарафиновая жидкость может быть получена посредством процесса жесткого гидрокрекинга и гидроизомеризации сырой нефти или посредством технологии синтетического жидкого топлива (СЖТ), предусматривающей применение процесса Фишера-Тропша. Фиг.2 схематически иллюстрирует процесс гидрокрекинга/гидроизомеризации. Процесс включает в себя этап S202, на котором предоставляют сырую нефть. Процесс включает в себя этап S204, на котором применяют процесс перегонки к сырой нефти. Процесс включает в себя этап S206, на котором применяют процесс гидрокрекинга к продукту, полученному на этапе S204. Процесс включает в себя этап S208, на котором применяют процесс гидроизомеризации к продукту, полученному на этапе S206. Процесс включает в себя этап S210, на котором применяют процесс гидроочистки к продукту, полученному на этапе S208. Процесс включает в себя этап S212, на котором применяют процесс перегонки к продукту, полученному на этапе S210. Процесс включает в себя этап S214, на котором получают изопарафиновую жидкость в качестве продукта, полученного на этапе S212. Фиг.3 схематически иллюстрирует технологию СЖТ, реализуемую с помощью процесса Фишера-Тропша. Процесс включает в себя этап S302, на котором добавляют кислород в природный газ (такой как метан). Процесс включает в себя этап S304, на котором применяют процесс окисления к кислороду и природному газу, получая таким образом водород и монооксид углерода. Процесс включает в себя этап S306, на котором применяют процесс с катализатором к водороду и монооксиду углерода, получая таким образом продукты Фишера-Тропша. Процесс включает в себя этап S308, на котором применяют процесс гидрокрекинга к продуктам Фишера-Тропша. Процесс включает в себя этап S310, на котором получают изопарафиновую жидкость в качестве продукта, полученного на этапе S308.
Результаты экспериментов демонстрируют, что изопарафиновая жидкость обладает лучшими характеристиками вязкости, чем традиционно используемое минеральное масло, синтетическое сложноэфирное и силиконовое масло в окружающих средах с высоким давлением.
В соответствии с вариантом осуществления описываемая здесь углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость при 4 °C от примерно 100 мПа⋅с до примерно 500 мПа⋅с в диапазоне давления между примерно 100 бар и примерно 1000 бар. В соответствии с вариантом осуществления описываемая здесь углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость при 4 °C примерно 500 мПа⋅с при давлении, превышающем примерно 1000 бар.
Фиг.4 схематически иллюстрирует изменение динамической вязкости в разных маслах в зависимости от температуры при давлении 300 бар. Из фиг.4 можно увидеть, что изопарафиновая жидкость обладает меньшими динамическими вязкостями. При по-прежнему высоких давлениях наблюдается, что изопарафиновая жидкость обладает преимуществом над другими маслами, заключающимся в том, что ее динамические вязкости по меньшей мере в 2,5 раза меньше, чем у традиционного минерального трансформаторного масла при 100 МПа и 4 °C.
Вообще говоря, теплопроводность (часто обозначаемая символами k, λ или κ) является свойством диэлектрической жидкости проводить тепло. Ее оценивают главным образом с точки зрения основного закона теплопроводности Фурье. В соответствии с вариантом осуществления описываемая здесь углеводородная диэлектрическая жидкость имеет теплопроводность, превышающую 0,10 Вт/(м⋅K) при температуре примерно 30 °C и давлении примерно 1 бар.
В соответствии с вариантом осуществления углеводородная диэлектрическая жидкость имеет динамическую вязкость менее 10 мПа⋅с при 50 °C и при 300 бар и имеет теплопроводность более 0,13 Вт/(м⋅K) при 50 °C и при 300 бар.
Высокая теплопроводность изопарафиновой жидкости по сравнению с минеральным маслом при высоких давлениях означает коэффициент теплопередачи, существенно больший, чем у масла. Преимущества изопарафиновой жидкости над другими диэлектрическими жидкостями начинают становиться значительными при давлениях свыше 100 бар. Фиг.5 схематически иллюстрирует изменение теплопроводности в разных маслах в зависимости от температуры при давлении 300 бар.
Вообще говоря, температура вспышки диэлектрической жидкости - это самая низкая температура, при которой диэлектрическая жидкость может испариться, образуя воспламеняющуюся смесь в воздухе. Для измерения температуры вспышки обычно требуется источник возгорания. При температуре вспышки пары могут прекращать гореть, когда источник возгорания устраняют. В соответствии с вариантом осуществления описываемая здесь углеводородная диэлектрическая жидкость имеет температуру вспышки более 165 °C.
Диэлектрическая жидкость 30 и корпус 20 с компенсацией давления действуют как система охлаждения для упомянутого по меньшей мере одного электрического компонента 40. При погружении в массу 50 воды масса 50 воды тоже может быть частью системы охлаждения для упомянутого по меньшей мере одного электрического компонента 40. Термический анализ на предмет релевантных геометрий показал, что это преимущество в динамической вязкости и теплопроводности оказывает значительное влияние на конструкцию системы охлаждения в электрической системе с компенсацией давления, в частности при увеличивающихся океанских глубинах. Что особенно важно, размеры корпуса 20 с компенсацией давления (а значит - и устройства 10) с изопарафиновой жидкостью можно значительно уменьшить по сравнению с аналогичными устройствами, содержащими обычное трансформаторное минеральное масло, синтетическую сложноэфирную жидкость или силиконовое масло в качестве диэлектрической жидкости.
Силиконовое масло является менее безопасным экологически, потому что силиконовое масло менее подвержено биологическому разложению. Утечка силиконового масла в воду является более серьезной проблемой, чем утечка в воду диэлектрической жидкости других типов, таких как минеральное масло, синтетическая полиэфирная жидкость или изопарафиновая жидкость. Поэтому следует избегать применения силиконового масла в выполненных с компенсацией давления подводных устройствах для размещения в них электрических компонентов. Силиконовое масло трудно отчистить, если оно загрязняет что-нибудь. Для малых инкапсулированных компонентов силиконовое масло приемлемо, однако для такой большой системы, как рассматриваемая здесь, использовать силиконовое масло затруднительно.
Помимо вышеупомянутых преимуществ изопарафиновая жидкость обладает превосходными диэлектрическими свойствами и свойствами антиокислительной стабильности, которые аналогичны характеристикам традиционного минерального масла. Помимо этого, подверженность изопарафиновой жидкости биологическому разложению выше (более 40 %), чем у традиционного минерального масла, используемого в трансформаторах.
Теперь будут описаны варианты осуществления, связанные с дополнительными подробностями устройства 10.
Есть несколько разных примеров электрических компонентов 40, которые могут быть предусмотрены внутри корпуса 20 с компенсацией давления. Например, каждый упомянутый по меньшей мере один электрический компонент 40 может быть частью блока преобразования энергии или статического электроиндукционного устройства. Например, каждый упомянутый по меньшей мере один электрический компонент 40 может быть частью полупроводникового подмодуля. Например, каждый упомянутый по меньшей мере один электрический компонент 40 может быть частью функционального блока для мощной электроники (ФБдМЭ). В данном случае, термин ФБдМЭ следует интерпретировать как любой механический узел мощных электронных компонентов. Такие средства, как ФБдМЭ, могут оказаться пригодными для использования в преобразователях источников напряжения. Конфигурация преобразователей источников напряжения может оказаться подходящей для различных приложений, таких как обеспечение качества электрической энергии, статическое преобразование частоты, динамическая компенсация реактивной мощности и системы поддержания нормальных параметров энергоснабжения для аккумулирования энергии. Например, каждый упомянутый по меньшей мере один электрический компонент 40 может быть частью мощного полупроводникового элемента типа биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ).
На фиг.7 представлена блок-схема последовательности операций способов изготовления выполненного с компенсацией давления подводного устройства 10 для размещения в нем электрических компонентов, описанного здесь, в соответствии с вариантами осуществления.
Способ включает в себя этап S102, на котором предоставляют корпус 20 с компенсацией давления. Способ включает в себя этап S104, на котором предоставляют по меньшей мере один электрический компонент 40 внутри корпуса с компенсацией давления. Способ включает в себя этап S106, на котором заполняют корпус с компенсацией давления диэлектрической жидкостью 30. Диэлектрическая жидкость 30 представляет собой углеводородную диэлектрическую жидкость, содержащую изопарафин.
Способ может включать в себя проводимый по выбору этап S108, на котором погружают корпус 20 с компенсацией давления в массу 50 воды. Масса воды может быть океаном или озером.
Изобретательский замысел описан выше главным образом применительно к нескольким вариантам осуществления. Вместе с тем, как легко поймет специалист в данной области техники, в рамках объема притязаний, соответствующих изобретательскому замыслу и охарактеризованных прилагаемой формулой изобретения, возможны и варианты осуществления, отличающиеся от вышеописанных.