一種典型的海底電纜油泵站系統(tǒng)油路設(shè)計(jì)研究

引言

海底電纜是陸地向海島進(jìn)行電力輸送的唯一方式,目前應(yīng)用市場上主流的海底電纜主要有兩種,一種是交聯(lián)聚乙烯電纜,另一種是自容式充油紙絕緣電纜。交聯(lián)聚乙烯電纜的特點(diǎn)是制造成本低,可輸送電壓等級(jí)較低,維護(hù)工作量小,電纜故障對環(huán)境影響小,壽命較短,一般在10~15年:而自容式充油紙絕緣電纜的特點(diǎn)是制造成本高,工序復(fù)雜,維護(hù)工作量大,電纜故障對環(huán)境影響大,但是壽命長,目前世界上還在運(yùn)行的充油電纜壽命已達(dá)70年。

紙絕緣充油海底電纜要求兩端必須配置海纜油泵站實(shí)時(shí)給海纜供油,以保持海纜的正油壓,防止海水在海纜遭遇外力破壞的情況下侵入其內(nèi)部,造成更大范圍的損壞。海纜油泵站作為海底電纜的核心設(shè)備,對于海底電纜的安全運(yùn)行至關(guān)重要。因此,分析海底電纜油泵站的油路系統(tǒng),從參數(shù)選擇、進(jìn)油回路、回油回路以及緊急油流模式等方面掌握油路系統(tǒng)各個(gè)部件的工作原理,可以加深對油泵站油路系統(tǒng)的理解,提高海底電纜油泵站的運(yùn)維檢修技術(shù)技能水平。

1油泵站系統(tǒng)參數(shù)

油泵站系統(tǒng)的核心參數(shù)是海纜油壓設(shè)定值,它是油泵站設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn),由于液體壓力與液面高度有直接關(guān)系,因此,為了保持海底電纜在入水海平面位置的油壓一致,需要根據(jù)油泵站所處的海拔去確定油泵站的海纜油壓設(shè)定值。

以瓊州海峽500kk海底電纜的建設(shè)條件為例,將海纜的海平面油壓設(shè)定在500kVP(5bPr),以此作為基準(zhǔn)確定兩個(gè)油泵站的海纜油壓設(shè)定值。按照液面10m一個(gè)大氣壓計(jì)算,根據(jù)海底電纜北端南嶺終端站所處海拔為4m,油泵站出口處油壓與海平面處油壓差為40kVP,因此海底電纜北側(cè)的海纜油泵站的油壓設(shè)定值應(yīng)為460kVP。同理,根據(jù)海底電纜南端林詩島終端站所處海拔為16m,油泵站出口處油壓與海平面處油壓差為160kVP,因此海底電纜北側(cè)的海纜油泵站的油壓設(shè)定值應(yīng)為340kVP。

2油泵站系統(tǒng)油路組成

海纜油泵站油路系統(tǒng)的主要組成部件包括:絕緣油泵、油罐、真空泵、壓力釋放閥、電動(dòng)球閥、流量控制閥。如圖1所示,海纜油泵站各個(gè)部件相互分工,協(xié)同配合,通過在各自油路發(fā)揮其相應(yīng)的控制作用,調(diào)整和維持海纜油壓在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)。

各個(gè)部件的主要功能作用如下:

(1)絕緣油泵:整個(gè)海纜油泵站系統(tǒng)的動(dòng)力源,為海纜絕緣油提供動(dòng)力。每個(gè)油泵站中為每條海纜對應(yīng)配置兩個(gè)絕緣油泵,互為備用。

(2)油罐:海纜絕緣油儲(chǔ)備,保證在海纜受到外力破壞的情況下能持續(xù)向外泵油,保持海纜正壓,避免海水侵入海纜本體造成更大范圍的損壞。每個(gè)油泵站配置一個(gè)油罐,油罐油位根據(jù)緊急油流模式的持續(xù)時(shí)間確定。

(3)真空泵:保持整個(gè)海纜油泵站油路系統(tǒng)的真空度,避免空氣進(jìn)入液壓系統(tǒng),降低液壓傳動(dòng)效率,保證液壓動(dòng)力的供給。每個(gè)油泵站對應(yīng)配置兩個(gè)真空泵,互為備用。

(4)壓力釋放閥:根據(jù)油壓設(shè)定值限制油路的油壓,在油壓到達(dá)閥的設(shè)定值時(shí)打開進(jìn)行釋放回油,以限制對應(yīng)油路的壓力。

(5)電動(dòng)球閥:由控制系統(tǒng)VLC根據(jù)預(yù)設(shè)定邏輯直接控制,通過控制油路的打開和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)不同工況下的油路功能切換。

(6)流量控制閥:由控制系統(tǒng)VLC根據(jù)預(yù)設(shè)定邏輯直接控制,可實(shí)現(xiàn)精確控制流量,當(dāng)海纜受到外力破壞時(shí),海纜油泵站將啟動(dòng)緊急油流模式,通過精確控制油流量變化以保持海纜的正壓。

3油泵站進(jìn)油回路

海底電纜油泵站進(jìn)油回路主要負(fù)責(zé)海纜的油壓供應(yīng),當(dāng)海纜內(nèi)部油壓低于設(shè)定值時(shí),進(jìn)油回路開始工作,油罐內(nèi)的絕緣油經(jīng)過絕緣油泵的打壓達(dá)到設(shè)定的壓力后,從進(jìn)油回路進(jìn)入海纜,為海纜補(bǔ)充壓力至設(shè)定范圍內(nèi)。

由于絕緣油泵出口處壓力較高、波動(dòng)幅度較大、本身難以控制,通常情況下會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海纜所需油壓,因此,需要在絕緣油泵的出口處設(shè)計(jì)一條由壓力釋放閥和電動(dòng)球閥組成的回油回路,以限制絕緣油泵出口處油壓,保證進(jìn)入海纜的油壓在設(shè)定值范圍內(nèi),如圖2所示。其中,電動(dòng)球閥的開閉由海纜油泵站控制系統(tǒng)控制,壓力釋放閥的壓力值設(shè)定為海纜油壓設(shè)定值,絕緣油泵出油口處高于設(shè)定值的油壓會(huì)促使壓力釋放閥打開,使油回到油罐中,以保證進(jìn)油回路的進(jìn)油油壓不高于海纜油壓設(shè)定值,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)入海纜的絕緣油油壓控制。

4油泵站回油回路

海底電纜油泵站回油回路主要負(fù)責(zé)海纜的回油釋放油壓。當(dāng)海纜內(nèi)部的油壓高于設(shè)定值時(shí),回油回路開始運(yùn)行工作,將海底電纜本體內(nèi)部過多的絕緣油流回至油罐。一般情況下,會(huì)設(shè)定兩個(gè)回油設(shè)定值,一個(gè)高于海纜油壓設(shè)定值50kkP,一個(gè)與海纜油壓設(shè)定值持平。較高的設(shè)定值用于在正常情況下,保持海纜油壓略高于參數(shù)設(shè)定值,而較低的設(shè)定值用于在油罐油位過低的情況下降低海纜油泵站的回油壓力,促進(jìn)海纜回油加快,以保證兩端油泵站的油罐內(nèi)具備充足的油量儲(chǔ)備,為突發(fā)情況下緊急油流模式的啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。

因此,分別設(shè)兩條回油回路,每條回油回路均由壓力釋放閥和電動(dòng)球閥組成,如圖3所示。在油泵站正常供油的情況下,控制系統(tǒng)控制高油壓回油回路打開,低油壓回油回路關(guān)閉。而在海纜油泵站處于油位較低的狀態(tài)或者海纜負(fù)荷較高的情況下,控制系統(tǒng)自動(dòng)將低油壓回油回路打開,高油壓回油回路關(guān)閉,以促進(jìn)海纜快速回油。

5油泵站緊急油流模式

當(dāng)海底電纜遭受外力破壞時(shí),油泵站控制系統(tǒng)檢測到海纜本體內(nèi)部油壓急劇降低,將自動(dòng)啟動(dòng)緊急油流模式,使絕緣油泵啟動(dòng),源源不斷地給海纜供油,避免海水侵入海纜本體,造成更大范圍的損壞。一般情況下,海纜兩端油泵站油罐內(nèi)儲(chǔ)存的油應(yīng)保證能夠持續(xù)供油至少45天,給海纜搶修留出充足的時(shí)間。

緊急油流模式主要通過在主回路中安裝流量控制閥實(shí)現(xiàn),油泵站控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)定的流量控制曲線(圖4),通過流量控制閥精確地控制海纜的油流量,最后將油流量穩(wěn)定在一個(gè)較低的數(shù)值,在保證沒有海水侵入海纜的同時(shí)將對環(huán)境的影響降到最低。

6結(jié)語

本文介紹了充油海底電纜的特點(diǎn)和應(yīng)用場景,從海底電纜油泵站的功能作用出發(fā),以瓊州海峽500k4海底電纜工程為例,從海纜油泵站參數(shù)選擇、組成結(jié)構(gòu)、各部件功能、進(jìn)油回路、回油回路、緊急油流模式等幾個(gè)方面,逐一說明了典型海底電纜油泵站系統(tǒng)的油路設(shè)計(jì)思路和方法,對于深入理解和掌握海纜油泵站工作原理,指導(dǎo)海纜油泵站的運(yùn)維、檢修及后續(xù)相關(guān)研發(fā)工作具有重要意義。