ترانسفورماتورهای زیر دریا

پشتیبانی صنایع نفت و گاز در بستردریاها :

شکل 1: شهرهایی زیر دریا

در سال‌های اخیر به دلیل کشف تعداد قابل توجهی از میادین جدید نفت و گاز واقع در آب‌های عمیق و استخراج نفت و گاز، سیستم‌های الکتریکی متنوعی باید در بستر دریا مستقر شوند. بسیاری از این سیستم‌های الکتریکی برای به حداقل رساندن زمان خاموشی، باید به شبکه برق با قابلیت اطمینان بالا و واحدهای کنترل برق مستقر در بستر دریا متصل باشند. لذا سیستم برق و الکترونیک قدرت در تامین توان مورد نیاز و قابل اطمینان برای این تجهیزات عهده‌دار نقش عمده‌ای است. البته باید در نظر داشت چالش‌های بسیاری نیز در این مسیر خودنمایی می‌کند.

انتقال تجهیزات (از قبیل پمپ‌ها، کمپرسورها، گرمایش خط لوله، تجهیزات توزیع  و تبدیل فرکانس و ...) از روی سکوها به بستر دریا، افزایش کارایی و گسترش عمر مفید اقتصادی فیلدها را برای این صنایع به همراه داشته است. همین امر رفته‌رفته چشم انداز کارخانه‌های زیر آب را واقعی‌تر کرده است.

اگر ژول ورن 150 سال دیرتر «بیست هزار فرسنگ زیر دریا» را می‌نوشت، زمانی که در انتهای کتاب به سواحل نروژ نزدیک می‌شد، تعدادی کارخانه زیر دریا را نیز در کتاب خود درج می‌کرد. ژول ورن کتاب معروف خود را تقریبا زمانی نوشت که اولین چاه نفت تجاری جهان در پنسیلوانیا، ایالات متحده حفر شد. این کتاب در سال 1870 منتشر شد و در آن زمان اعماق اقیانوس‌های جهان هنوز تقریباً ناشناخته بود و مطمئنا برای استخراج منابع نفت استفاده نمی‌شد.

نصب مبدل‌های برق و تجهیزات در مکانی نزدیک به بار مصرفی، مزایای زیادی به همراه دارد. هنگامی که مبدل‌های الکتریکی و سیستم‌های توزیع در بستر دریا قرار می‌گیرند، هزینه‌ی منبع تغذیه با قابلیت اطمینان مشابه را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. بدین‌ترتیب صنایع آفشور در حال حرکت به سمت تولید و نصب تجهیزات در بستر دریا هستند. برق بدون ترانسفورماتور تقریبا غیرقابل تصور است. ترانسفورماتورها برای افزایش یا کاهش ولتاژ برای انتقال کارآمد توان مورد استفاده قرار می‌گیرند چراکه ولتاژ انتقال بالاتر منجر به کاهش جریان بار و درنتیجه کاهش سایز و وزن کابل و نیز کاهش افت ولتاژ در طول آن می‌شود. ترانسفورماتورهای زیر دریا این امکان را برای پمپ‌ها و کمپرسورها فراهم می‌کنند که با فاصله از منابع قدرت موجود روی سکو، قابل جایگذاری و نصب باشند.

یک سیستم معمول برای نیرورسانی به یک موتور واقع در بستر دریا، به طور کلی شامل یک ترانسفورماتور، اینورتر، کابل زیر دریایی و یک ترانس دیگر برای همسان‌سازی ولتاژ تغذیه‌ی تجهیزات در زیر دریاست. فاصله یک درایو با سرعت متغیر روی سکو تا سیستم انتقال الکتریکی، بر نحوه رفتار آن در مفهوم الکتریکی تأثیر می‌گذارد. در نتیجه‌ی این فاصله، اعوجاج هارمونیک و افت ولتاژ نمونه‌ای از چالش‌هایی است که ممکن است باعث خرابی تجهیزات الکتریکی در بستر دریا شود.

با این چشم‌انداز، شرکت‌های نفت و گاز پیشرو جهان و صنایع مرتبط مثل صنعت برق، در احداث کارخانه‌های  زیر دریا سهیم هستند. این تاسیسات زیر آب ممکن است مصرف برقی معادل مصرف برق یک شهر کوچک داشته باشند. از این رو قرار دادن ترانسفورماتور در ته دریا بخشی از پازل توسعه در بستر دریاست و شرکت‌هایی از قبیل SIEMENS Hitachienergy,، Akersolutions و ABB در حال فعالیت در این زمینه هستند.

ترانسفورماتورهای برق فشار قوی نقش مهمی در افزایش/کاهش سطح ولتاژهای انتقال و توزیع در سیستم‌های قدرت زیر دریا ایفا می‌کنند. این ترانسفورماتورها ممکن است از 500 کیلوولت آمپر تا چندین MVA توان داشته باشند و برای کار در محدوده فرکانسی 25 تا 75 هرتز طراحی می‌شوند.  این نوع ترانس‌ها علاوه بر قدرت تحمل فشار در عمق 3000 متری، باید بتوانند بدون عملیات تعمیر و نگهداری نیز برای سال‌های متمادی به فعالیت در شبکه ادامه دهند.

ترانسفورماتورهای دریایی در دو نوع تک‌پوسته و دو‌پوسته طبقه‌بندی می‌شوند. برای جبران فشار آب در عمق دریا، این ترانسفورماتورها با مایعی پر می‌شوند که فشار تحمیل شده توسط آب دریا را با فشار داخلی متعادل می‌کند. در زیر نمونه‌ای از این ترانسفورماتورها ساخت شرکت زیمنس نشان داده شده است که واجد شرایط کار در عمق 3000 متری بوده و تست‌های مربوطه را گذرانده است.

شکل 2 : ترانسفورماتور زیر دریایی ساخت شرکت زیمنس

برای حفظ قابلیت اطمینان عملکرد ترانسفورماتور، نیاز به پایش و نظارت مداوم بر سلامت ترانسفورماتور است. بدین منظور  داشتن یک الگوریتم تشخیص آنلاین برای شناسایی و تشخصی عیب ضروری است. الگوریتم های تشخیص عیب بسیاری در مقالات مورد بررسی قرار گرفته اند که از آن جمله می توان به  تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانسی (FRA) و تجزیه و تحلیل گاز محلول (DGA) اشاره کرد.

مسائلی از قبیل مدیریت اعوجاج هارمونیک ها و تامین کارکرد پیوسته برای ترانسوفرماتور بدون نیاز به عملیات تعمیر و نگهداری از جمله مواردیست که در طراحی تراسفورماتورهای بستر دریا باید در نظر داشت.

         شکل3: ترانسفورماتور زیر دریایی ساخت شرکت ABB

توان ترانسفورماتورهای قدرت زیر آب می تواند تا 100 مگا ولت آمپر هم برسد (شکل 3) که باید در عمق حدود 3000 متر زیر دریا کار کند. به عنوان مثال می توان به دو محصول توسط شرکت ABB  اشاره کرد که برای شرکت های نفتی ساخته شده است : مخزن انفرادی و یا دوبل بدون کنسرواتور که به یک سیستم جبرانساز فشار مجهز شده‌اند تا بتوانند فشار درون و بیرون مخزن را همسان کرده و از متلاشی شدن آن جلوگیری کنند. دمای پایین آب دریا خود به عنوان خنک‌کننده ترانسفوراتور عمل خواهد کرد.

سیستم‌های توزیع AkerSolutions  نیز قابل بهره‌برداری در آب‌های کم‌عمق و عمیق بوده و  مدعی است با کاهش هزینه‌ها علاوه افزایش بهره‌وری، با کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن، شرکت‌های نفت و گازی را به شرکت‌های دوستدار محیط زیست تبدیل می‌کند. با توجه به مزایای بهره‌گیری از ترانسفورماتورهای زیر دریا، استفاده از آنها و نیز رآکتورهای زیر دریا در شبکه‌های برق آفشور ژنراتورهای بادی، توربین‌های نیروی موج و جزر و مد در آینده‌ای نزدیک رو به افزایش خواهد بود.

 شکل 4- ترانسفورماتور زیر دریایی ساخت شرکت زیمنس

چنان که ذکر شد، یکی از مهم‌ترین چالش‌های نصب تجهیزات در بستر دریا فشار بالا در عمق آب است. فشار به ازای هر 100 متر عمق اقیانوس 10 بار (حدود 145 PSI) افزایش می‌یابد. سیستم‌های الکتریکی باید در عمق آب در حدود 3000 متر قرار گیرند  این یعنی باید  تحمل  300 بار فشار را حین کارکرد معمول داشته باشند. تمام لوازم الکتریکی به  کار رفته در این عمق باید طوری طراحی شوند که فشار مذکور را تحمل کنند. برای رفع این مشکل عموما از جبرانسازهای فشار در این تجهیرات استفاده می‌شود.