CFD calculations on offshore HVDC converter platform

Abstract

Offshore vindkraft har etablert seg til å bli en av de mest spennende teknologiene innenfor energisektoren. Teknologien for å effektivisere energioverføringen ved å konvertere strøm fra vekselstrøm til likestrøm, er under kontinuerlig utvikling. For å overføre store mengder elektrisitet blir det bygget offshore omformerplattformer. Ombord på plattformene vil det være kritiske områder som må holdes innenfor gitte temperaturkrav for å fungere optimalt.

Hensikten med avhandlingen er å anvende CFD kalkulasjoner for å verifisere at utvalgte områder ombord på omformer plattformen ikke overskrider temperaturkravene. Simuleringene er basert på et fundementalt litteraturstudium, som evaluerer forskjellige metoder og modeller, samt viktig bakgrunnskunnskap for utførelsen av CFD kalkulasjoner. Videre var det nødvendig å bli kjent med strukturen og ventilasjonssystemet på plattformen for å oppnå en presis numerisk strømninganalyse.

Et ventilert inneklima sørger for gode arbeidsforhold for både personell og industrielt utstyr. En måte å regulere innendørs klima er ved å anvende HVA/C-systemer, som regulerer temperatur, luftfuktighet, lufttilførsel og forurensning i luften. Det er av interesse å evaluere HVA/C systemer før de er konstruert, for å forsikre tilstrekkelig dimensjonering. En effektiv måte å evaluere systemene er ved bruk av CFD kalkulasjoner. Denne type kalkulasjoner anvender avansert matematikk, termodynamikk og fluiddynamikk for å simulere hvordan systemet opererer når det er ferdigstilt. Det er essensielt for resultatene at brukeren utfører en tilstrekkelig utvikling av rutenettet til underdomenene for å oppnå realistiske resultat.

For utførelsen av avhandlingen var det nødvendig med diverse programvarer for ulike faser av CFD kalkulasjonene. Geometrien som brukes i simuleringene er forenklet ved å neglisjere komponenter som har liten påvirkning på resultatene. Deretter ble geometrien bygd opp av elementer som muliggjorde CFD kalkulasjoner. Nettverket av elementer ble vurdert i form av kvalitet, og hvilket antall av elementer som ga en raskest og mest mulig presis simulering. Parametrene og grensebetingelsene som ble brukt i simuleringen ble implementert for å gjenskape egenskapene til systemet i virkeligheten.

CFD kalkulasjonene resulterte i gjennomsnitts temperaturer på 35,0 °C i hjelpetransformator rommet og 40,1 °C i ventilhallen. De høyeste temperaturene rundt utstyret ble målt til 36,2 °C i hjelpetransformator rommet, og 48,3 °C i ventilhallen. Ved å evaluere strømningslinjene i systemene ble det bekreftet at luftfordelingen var tilfredsstillende. Til tross for at temperaturen oversteg design temperaturen over utjevningsreaktoren, og under taket i hjelpetransformator rommet, ble det konkludert med at ventilasjonen fungerte tilfredsstillende for de to systemene.

Offshore wind power has become one of the most interesting technologies within the energy sector. Furthermore, there is a continuous increase in efficiency of power transmission, by utilising direct current instead of alternating current. In order to transfer this great amount of power, offshore converter platforms are built. Inside these platforms, there will be areas that must be within a temperature limit in order to function optimally.

The purpose of this thesis is to utilise CFD calculations to verify that selected areas on board the converter platform do not exceed the temperature requirements. The simulations are based on a fundamental literature study, which evaluates methods and models, as well as general knowledge required to conduct CFD calculations. Furthermore, it was necessary to procure knowledge about the structure, and functioning of the ventilation system on board the platform to achieve accurate CFD calculations.

An appropriate indoor climate will ensure a satisfactory environment for both equipment and personnel. One method to regulate the indoor climate is by implementing HVA/C systems. The purpose of HVA/C systems is to regulate temperature, air supply, humidity and air pollution. Before constructing a HVA/C system, an evaluation of the system is of interest to ensure adequate dimensions. An effective way to evaluate the system is by utilising CFD calculations. These calculations implement advanced mathematics, thermodynamics and fluid dynamics to achieve an accurate depiction of how the system will operate. A sufficient mesh is essential to achieve realistic results from CFD calculations.

During this thesis it was necessary to implement various software for different phases of the CFD calculations. The geometry used in the simulations is simplified by neglecting components that have a small impact on the simulation results. Subsequently, a mesh was constructed in order to conduct the CFD calculations. The mesh was reviewed in form of element quality and the number of elements that provided the most computational cost efficient and accurate simulation. The parameters and boundary conditions used in the simulation setup were implemented to recreate the properties of the system in real life.

The CFD calculations resulted in average temperatures of 35,0 °C for the auxiliary transformer room and 40,1 °C for the valve hall. The highest temperatures around the equipment were measured to 36,2 °C in the auxiliary transformer room, and 48,3 °C in the valve hall. By evaluating the air jets within the systems, the air distribution was confirmed as satisfactory. Despite the fact that the temperature exceeded the design temperature above the smoothing reactor, and beneath the ceiling inside the auxiliary transformer room, it was concluded that the ventilation system worked satisfactorily for the two systems.