JP3234650U - 海中設備 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力補償器のサイクル寿命が長くかつ信頼性の高い海中設備を提供する。
【解決手段】海中設備２は、絶縁流体４または他の流体を含むタンク３を備える。圧力補償器１は、タンク３と流体連通する。圧力補償器１は、膨張および収縮動作を行うことによって絶縁流体４または他の流体の体積変化を補償するように構成される。海中設備２は、絶縁流体４または他の流体の体積変化を減少させるために、絶縁流体４または他の流体を加熱するための手段５を備える。
【選択図】図１

Description

本考案は、海中設備に関する。

海中設備は、水中で使用されるいくつかの装置を備えるアセンブリである。該アセンブリは、例えば海底に設置することができる。該海中設備の例として、水中で使用される電力変圧器を挙げることができる。典型的には、これらの電力変圧器は、深海深度による高圧に対抗するために絶縁および／または冷却流体が充填されたタンクを備える。他の海中液体充填物の例は、海中モータ、海中開閉装置、海中周波数変換器、整流器、および油圧貯蔵タンク（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｏｒｅ ｔａｎｋ）である。

海中設備は、例えば、生産流体の収集、分離、増産、および輸送が海底で行われる現代の石油・ガス生産で使用される。これらのプロセスは、大量の電力を必要とし、該大量の電力は、電力損失を最小にするために適切な電圧および電流で遠隔地から海中設備に伝送されなければならない。

海中設備の動作中、絶縁および／または冷却流体の温度および体積は変化し、そのため流体の圧力補償が必要とされる。これは、設備のタンクと流体連通する圧力補償器の使用を含む。圧力補償器は、その温度および体積が増加すると余分な流体を受け取り、それが冷却されると流体を容器に戻す。圧力補償器はまた、それが絶縁流体の体積変化を補償するために膨張および収縮動作を行うときに可変の体積を有し得る。このタイプの圧力補償器の例はベロー補償器（ｂｅｌｌｏｗ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）である。

高い静水圧における大きな絶縁流体の体積変化による大きな圧力補償器の動作は、圧力補償器の機械サイクル寿命を減少させる。したがって、圧力補償器のサイクル寿命を向上させるために、水深が大きく（１〜３ｋｍ）て１００〜３００バールの圧力を有する場合、圧力補償器の全補償能力のうちのごく一部が使用される。これは、その結果として、大きな海中設備および他の関連する海中の構成要素の高価な価格につながる多数の圧力補償器を使用する必要性を生じさせる。

欧州特許第２７３８７８０号明細書（特許文献１）は、絶縁流体が充填されたタンクと、絶縁流体の圧力変化を補償する圧力補償器とを備える海中圧力補償設備を開示している。該設備は、さらに、圧力補償器とタンクとの間を流体連通させるための流体接続管を備え、接続管は、圧力補償器の底壁に接続されている。流体接続管の端部における管口は、圧力補償器の底壁よりも高い位置にまで延びている。

欧州特許第２７３８７８０号明細書

本考案の目的は、上記の問題を解決する、海中設備を提供することである。本考案の目的は、独立請求項に述べられていることを特徴とする、海中設備によって達成される。本考案の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

本考案は、絶縁流体または他の流体を含むタンクを備える海中設備に基づいている。圧力補償器は、タンクと流体連通する。圧力補償器が、膨張および収縮動作を行うことによって絶縁流体または他の流体の体積変化を補償するように構成される。海中設備は、さらに、絶縁流体または他の流体の体積変化を減少させるために、絶縁流体または他の流体を加熱するための手段を備える。

本考案の海中設備の利点は、それがより長い圧力補償器寿命およびより良い信頼性を提供することである。

以下では、添付の図面を参照しながら好ましい実施形態によって本考案をより詳細に説明する。

海中設備の圧力補償器を示す。 ベロー補償器を示す。 シリンダ補償器を示す。 海中設備の圧力補償器を示す。 海中設備の圧力補償器を示す。 ヒートポンプを示す。

図１は、海中設備２の圧力補償器１を示す。海中設備２は、絶縁流体４または他の流体を含むタンク３を備える。圧力補償器１は、タンク３と流体連通し、圧力補償器１は、膨張および収縮動作を行うことによって絶縁流体４または他の流体の体積変化を補償するように構成される。海中設備１は、絶縁流体４または他の流体の体積変化を減少させるために、絶縁流体４または他の流体を加熱するための手段５を備える。

圧力補償器とタンク３との間の流体連通は、図１に示すように接続管１０によって実現することができる。圧力補償器は、流体の温度および体積が増加するとタンク３から余分な絶縁流体４を受け取り、流体４の温度および体積が減少すると絶縁流体４をタンク３に戻す。

海中設備２のタンク３内の絶縁流体４または他の流体の加熱は、流体４の温度変化を減少させる。他の流体は、例えば冷却流体であり得る。絶縁流体４または他の流体の温度変化の減少は、タンク３内の絶縁流体４または他の流体の体積変化の減少をもたらす。体積変化の減少は、圧力補償器１の機械的動作の回数を減少させる。さらに、機械的動作の程度も減少する。これは、圧力補償器１の大きな振幅のサイクルが減少することを意味する。これは、海水６の静水圧の存在下で圧力補償器１の部分における機械的応力および歪みを減少させる。さらに、繰り返し応力による圧力補償器１の可動部分の疲労破壊の危険性が減少する。

タンク３内の絶縁流体４または他の流体の体積変化の減少は、海中圧力補償器１の補償能力のより良い利用を可能にする。圧力補償器１の大きな振幅のサイクルの数が減少するため、高い静水圧におけるより大きな圧力補償器の軸方向動作を許容することができ、その結果、より少ない圧力補償器１の必要性、より長い圧力補償器のサイクル寿命、および海中設備２のより競争力のある価格がもたらされる。

海中設備２の圧力補償器１システムの寸法決めは、絶縁流体４または他の流体の全体積変化を可能にするように行われることが好ましい。これは、タンク３内の絶縁流体４または他の流体の加熱および／または冷却に一時的な障害がある場合に海中設備２の損傷を防止する。全変化とは、発熱電気装置７によって生じる全熱負荷で到達される温度と周囲の水６の温度とにおける絶縁流体４または他の流体の体積間の体積差を意味する。

海中設備２の圧力補償器１は、海中環境で使用され得る、例えば海底に存在し得る。海中設備２の圧力補償器１は、水深が大きく、１０００〜３０００ｍであり、一般的な圧力が１００〜３００バールであるような深海にも適する。海の水温は、典型的には１０００ｍの深さで５〜６℃、３０００ｍの深さで０〜３℃である。

膨張および収縮動作を行う圧力補償器１の例は、ベロー補償器８およびシリンダ補償器９である。

ベロー補償器８は、ベロー補償器８の体積変化を可能にするための１つ以上の折り畳み可能なおよび／または可撓性の側壁１４を有する。例えば、上壁１３または底壁１１は、絶縁流体４または冷却流体の体積変化を補償するために垂直ｙに移動するように配置されてもよい。

図２は、ベロー補償器８を示す。補償器は、タンク３と流体連通する。ベロー補償器とタンク３との間の流体連通は、接続管１０によって実現される。接続管１０は、補償器８の底壁１１を貫通してベロー補償器８に入れられてもよい。ベロー１２の底部は、タンク３に対して固定的に配置されてもよい。したがって、補償器８は、その上壁１３が垂直方向ｙに移動することができ、かつその折り畳み可能な側壁１４が補償器８内の流体量に応じて伸長され、折り畳まれ得るように膨張および収縮することが可能である。

絶縁流体４の体積変化を補償するためのベロー１２の膨張および収縮動作は、底壁１１によって実現することもできる。そのとき、ベロー補償器８は、タンク３に対して固定して配置された上壁１３を有する。

図２では、ベロー補償器８は、タンク３の側壁に取り付けられているが、ベロー補償器８は、例えばタンクの屋根に配置されてもよい。

圧力補償器１のベロー１２部分の膨張および収縮動作は、ベロー１２部分の材料に疲労を引き起こす繰り返し応力を与える。体積変化を制御することによってサイクルが減少するため、疲労の危険性が減少する。

図３は、シリンダ補償器９を示す。シリンダ補償器９は、絶縁流体４の体積変化を補償するように配置され、かつ絶縁流体４を外部海水６から分離する可動ピストン１５を有する。例えば、シリンダ補償器９は、絶縁流体４または別の流体、例えば冷却流体の体積変化により垂直ｙに移動することができるピストン１５を収容する垂直に配置されたシリンダである。ピストン１５の下方には絶縁流体４のための流体空間１６が配置され、ピストン１５の上方には海水空間１７がある。ピストン１５は、絶縁流体４と海水６との混合が防止されるようにシールされる。

示した図１には１つの圧力補償器１が示されているが、圧力補償器の数は、当然ながら１つに限定されず、１より大きい任意の数とすることができる。

一実施形態では、海中設備は、発熱電気装置７を備える。図１において、発熱電気装置７は、海中変圧器であり、絶縁流体４は、変圧器油である。変圧器油は、例えば鉱油またはシリコン油である。他の発熱装置７の例は、モータ、開閉装置、周波数変換器、整流器、および油圧貯蔵タンクである。

別の実施形態では、発熱電気装置７の一部または装置全体をタンク３内に配置することができる。図４に示すように、変圧器の能動部品、すなわち変圧器巻線および変圧器コアをタンク３内に配置することができる。図４は、変圧器に対する変圧器入力接続１８および負荷１９も示す。図中の同じ参照符号は、図中の対応する部分を指す。

さらに、発熱電気装置７は、例えば、タンク３内に配置することができる電力スイッチおよび／または可変速駆動装置を備えることができる。

さらに別の実施形態では、加熱するための手段５は、発熱電気装置７が非動作状態にあるときに絶縁流体４または他の流体を加熱するように構成することができる。絶縁流体４または他の流体の加熱は、発熱電気装置７がタンク３内の絶縁流体４または他の流体を加熱していないときに絶縁流体４または他の流体が周囲の水６の温度の近くまで冷えることを防止する。温度低下が小さいままであるので、絶縁流体４または他の流体の体積減少による圧力補償器１の収縮動作もまた小さいままである。

絶縁流体４または他の流体の温度を周囲の水６より高く保つことの別の利点は、それによってタンク３内に配置された発熱電気装置７の部分もより高い温度に保たれることである。例えば、変圧器の寿命は、変圧器巻線の高温領域をより乾燥した状態に保つことによって長くなる。

さらに別の実施形態では、加熱するための手段５は、発熱電気装置７の起動中に絶縁流体４または他の流体への加熱を徐々に終了するように構成することができる。

さらに別の実施形態では、海中設備２は、絶縁流体４または他の流体の体積変化を減少させるために、絶縁流体４または他の流体を冷却するための手段２０を備えることができる。図５は、加熱するための手段５と冷却するための手段２０とを備える海中設備の圧力補償器を示す。

一実施形態では、冷却するための手段２０は、発熱電気装置７が動作状態にあるときに冷却するように構成される。温度上昇が小さいままであるので、絶縁流体４または他の流体の体積増加による圧力補償器１の膨張動作もまた小さいままである。

冷却は、例えば自然対流または強制対流によって行うことができる。

冷却するための手段は、図６に示すようにヒートポンプ２１とすることができる。周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａは、凝縮器として動作し、絶縁流体４または他の流体と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ｂは、蒸発器として動作する。したがって、ヒートポンプは、タンク３内の絶縁流体４または他の流体から周囲の水６に熱を伝達する。

周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａは、タンク３の外部にある外部ユニット熱交換器とすることができる。周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａはまた、タンク３の外壁２３に一体化されてもよい。一体化の例が図６に示されており、そこではタンクの外壁２３が、凝縮器ハウジングの一部を形成している。周囲の水６は、タンク３の外壁２３にわたって自由に流れ、熱がタンクの外壁２３を通って周囲の水６に放散されるときに、ヒートポンプ２１内を循環する作動流体を冷却する。凝縮器を形成する、ヒートポンプの部分２２ａは、凝縮器から絶縁流体４への熱伝達を防止するカバー２４で絶縁流体４から分離される。一体化の別の例は、凝縮器ハウジングの外面をタンク３の外壁２３に取り付ける、例えば熱グリースで接続することができる場合である。

冷却を行うことによって絶縁流体４または他の流体の温度上昇を制御する利点は、それによってタンク３内に配置された発熱電気装置７の部分もより低い温度に保たれることである。例えば、変圧器の寿命は、変圧器巻線の温度上昇を限度内に抑えることによって長くなる。変圧器を冷却する別の利点は、主に巻線温度によって制限される、変圧器の負荷能力がそれによって増大することである。変圧器を冷却するさらなる利点は、小容量海中変圧器においてより高い電力密度を得ることが可能であることである。

別の実施形態では、海中設備は、絶縁流体４または他の流体の温度を測定するための温度センサ２５と、温度範囲を備える温度コントローラ２６とを備える。温度センサ２５および温度コントローラ２６は、図５にのみ示されている。温度センサ２５および温度コントローラ２６は、図に提示されている海中設備の任意の圧力補償器に設置することができる。

さらに別の実施形態では、温度コントローラ２６の温度範囲は、予め設定された範囲であるか、または温度範囲は、データ伝送による遠隔制御によって調整可能である。

さらに別の実施形態では、発熱電気装置７が動作状態にあるとき、加熱するための手段５は、測定温度が設定温度範囲を下回る場合に加熱するように構成され、冷却するための手段２０は、測定温度が設定温度範囲を超える場合に冷却するように構成される。

発熱電気装置７によって生じる、絶縁流体４または他の流体への熱負荷は、装置の負荷１９に依存する。したがって、発熱電気装置７が動作状態にあるとき、タンク内の絶縁流体４または他の流体を加熱または冷却する必要性は変化する。

設定温度範囲内にとどまるように絶縁流体４または他の流体の温度を制御する利点は、絶縁流体４または他の流体の体積変化が温度変化範囲によって規定される体積範囲内にとどまることである。

さらに別の実施形態では、加熱するための手段５および冷却するための手段２０は、加熱を行うかまたは冷却を行うようにいずれかの方向で作動する可逆ヒートポンプである。

図６に示すヒートポンプ２１はまた、可逆ヒートポンプを提示し得る。加熱モードでは、周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａは、蒸発器として動作し、絶縁流体４または他の流体と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ｂは、凝縮器として動作する。したがって、ヒートポンプ２１は、周囲の水６からタンク内の絶縁流体４または他の流体に熱を伝達する。

冷却モードでは、周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａは、凝縮器として動作し、絶縁流体４または他の流体と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ｂは、蒸発器として動作する。したがって、ヒートポンプ２１は、タンク３内の絶縁流体４または他の流体から周囲の水６に熱を伝達する。

一実施形態では、加熱するための手段５は、抵抗加熱器、誘導加熱器、もしくは内部温度制御を有する加熱ケーブル、またはヒートポンプ２１を備える。

ヒートポンプが、絶縁流体４または別の流体を加熱するためにのみ使用される場合、周囲の水６と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ａは、蒸発器として動作し、絶縁流体４または他の流体と熱伝達接触している、ヒートポンプの部分２２ｂは、凝縮器として動作する。したがって、ヒートポンプは、周囲の水６からタンク３内の絶縁流体または他の流体に熱を伝達する。

絶縁流体４または他の流体を加熱または冷却するために必要な電力は、いくつかの手段で、例えば、別個の加熱変圧器またはリアクタによって得ることができる。

本考案の海中設備は、深海海中変圧器の動作にとって重要な要素であるより長い圧力補償器の寿命およびより良い信頼性を提供する。本考案の海中設備は、海中設備が、絶縁流体に大きな体積変化を引き起こす高い発熱を有する場合において好適である。

本考案の海中設備は、タンク内に絶縁流体または他の流体を含む様々なタイプの海中アセンブリに適用することができる。このような海中アセンブリの例は、海中モータ、海中開閉装置、海中周波数変換器、整流器、および油圧貯蔵タンクである。

技術が進歩するにつれて、本考案の概念が様々な方法で実施され得ることは当業者には明らかであろう。本考案およびその実施形態は、上記の例に限定されず、実用新案登録請求の範囲内で変更することができる。

１ 圧力補償器
２ 海中設備
３ タンク
４ 絶縁流体
５ 加熱するための手段
６ 水
７ 発熱装置
８ ベロー補償器
９ シリンダ補償器
１０ 接続管
１１ 底壁
１２ ベロー
１３ 上壁
１４ 側壁
１５ ピストン
１６ 流体空間
１７ 海水空間
１８ 入力接続
１９ 負荷
２０ 冷却するための手段
２１ ヒートポンプ
２２ａ〜２２ｂ ヒートポンプの部分
２３ タンクの外壁
２４ カバー
２５ 温度センサ
２６ 温度コントローラ
ｙ 垂直方向

Claims (16)

1. 海中設備（２）であって、前記海中設備（２）が、絶縁流体（４）または他の流体を含むタンク（３）と、少なくとも一部が前記タンク（３）内に位置する発熱電気装置（７）と、圧力補償器（１）とを備え、前記圧力補償器（１）が、前記タンク（３）と流体連通しており、前記圧力補償器（１）が、膨張および収縮動作を行うことによって前記絶縁流体（４）または前記他の流体の体積変化を補償するように構成されており、前記海中設備（２）が、さらに、前記絶縁流体（４）または前記他の流体を加熱するための手段（５）を備え、前記加熱するための手段（５）が、前記絶縁流体（４）または前記他の流体の前記体積変化を減少させるために、前記発熱電気装置（７）が非動作状態にあるときに前記絶縁流体（４）または前記他の流体を加熱するように構成されていることを特徴とする海中設備（２）。
2. 前記加熱するための手段（５）が、前記発熱電気装置（７）の起動中に前記絶縁流体（４）または前記他の流体への加熱を徐々に終了するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の海中設備（２）。
3. 前記海中設備（２）が、前記絶縁流体（４）または前記他の流体の前記体積変化を減少させるために、前記絶縁流体（４）または前記他の流体を冷却するための手段（２０）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の海中設備（２）。
4. 前記冷却するための手段（２０）が、前記発熱電気装置（７）が動作状態にあるときに冷却するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の海中設備（２）。
5. 前記海中設備（２）が、前記絶縁流体（４）または前記他の流体の温度を測定するための温度センサ（２５）と、温度範囲を備える温度コントローラ（２６）とを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の海中設備（２）。
6. 前記温度コントローラ（２６）の前記温度範囲が、予め設定された範囲であるか、または前記温度範囲が、データ伝送による遠隔制御によって調整可能であることを特徴とする、請求項５に記載の海中設備（２）。
7. 前記発熱電気装置（７）が動作状態にあるとき、前記加熱するための手段（５）が、測定温度が前記温度範囲を下回る場合に加熱するように構成されており、前記冷却するための手段（２０）が、測定温度が前記温度範囲を超える場合に冷却するように構成されていることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の海中設備（２）。
8. 前記加熱するための手段（５）および前記冷却するための手段（２０）が、加熱を行うかまたは冷却を行うようにいずれかの方向で作動する可逆ヒートポンプ（２１）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の海中設備（２）。
9. 前記冷却するための手段（２０）が、ヒートポンプを備えることを特徴とする、請求項３または４に記載の海中設備（２）。
10. 前記加熱するための手段（５）が、抵抗加熱器または誘導加熱器またはヒートポンプ（２１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の海中設備（２）。
11. 前記加熱するための手段（５）が、内部温度制御を有する加熱ケーブルを備えることを特徴とする、請求項１に記載の海中設備（２）。
12. 前記発熱電気装置（７）が、海中変圧器を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の海中設備（２）。
13. 前記絶縁流体（４）が、変圧器油であることを特徴とする、請求項１２に記載の海中設備（２）。
14. 変圧器巻線および変圧器コアが、前記タンク（３）内に配置されていることを特徴とする、請求項１２に記載の海中設備（２）。
15. 電力スイッチおよび／または可変速駆動装置が、前記タンク（３）内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の海中設備（２）。
16. 海中環境における、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の、海中設備の使用。

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