Dimensionnement thermique des câbles offshore installés dans un J-tube

Thermal rating of offshore cables installed in a J-tube

• Auteur / Autrice : Jérémy Arancio
• Direction : Ahmed Ould El Moctar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 08/07/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Franck Schoefs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Harion
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eva Dorignac, Yves Le Guer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Câbles sous-marins

Contraintes thermiques

Structures offshore

Mots clés libres

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Résumé

Avec le développement des énergies offshore, les producteurs se heurtent à la contrainte thermique que subit le câble dans un Jtube. Ce conduit vertical, accompagnant la liaison électrique du fond de la mer vers les hauteurs des plateformes éoliennes ou pétrolières, a pour rôle d’assurer sa protection mécanique contre l’environnement (vagues, vents). Or, dans la section émergée, le tube enferme le câble avec de l’air, provoquant une montée en température de celui-ci. Afin de limiter cette surchauffe, le câble est surdimensionné, occasionnant ainsi une augmentation de la section des âmes en cuivre, et ce pour l’ensemble du réseau électrique en mer. Les travaux de cette thèse, ont pour but d’apporter une compréhension des phénomènes thermiques, de fournir une méthode de dimensionnement du câble, ainsi que de proposer de potentielles solutions techniques. Pour ce faire, un modèle numérique a été mis en place basé sur la méthode nodale. Afin d’en vérifier la validité, le modèle a été comparé d’une part avec la littérature, puis d’autre part avec des mesures de température effectuées durant une année complète sur une plateforme aujourd’hui en activité. De plus, dans le but de prendre en compte les phénomènes 2D comme la stratification de la température de l’air dans le tube, une maquette expérimentale reprenant par similitude un J-tube a été montée en laboratoire. Des corrélations de la convection naturelle en ont été tirées et des simulations numériques ont été réalisées à l’aide de logiciels libres développés par EDF. Le modèle a été alors amélioré, désormais capable d’estimer localement les températures, montrant notamment que les contraintes thermiques se situent à 80 % de la hauteur. Une analyse de sensibilité par indices de Sobol a été réalisée, et des pistes d’amélioration ont alors été proposées grâce à ce modèle simple.

With the development of offshore energies, producers are confronted with the thermal limiting point that the cable undergoes in a J-tube. This vertical conduit, accompanying the electrical connection from the bottom of the sea to the heights of wind or oil platforms, has the role of ensuring its mechanical protection against the environment (waves, winds). However, in the emerged section, the tube encloses the cable with air, causing a rise in temperature. In order to limit this overheating, the cable is oversized, resulting in an increase in the cross-section of the copper cores, and this for the entire offshore electrical network. The present thesis aims to provide an understanding of thermal phenomena, to deliver a method of cable rating, and to propose potential technical solutions. A numerical model was set up based on the thermal network. In order to validate this model, it was compared with the literature and temperature measurements carried out over a full year on a platform that is currently active. Moreover, in order to take into account 2D phenomena such as the temperature stratification of the air in the tube, an experimental setup resembling a J-tube was designed and constructed in the laboratory. Correlations of the natural convection have been drawn and numerical simulations have been performed using free software developed by EDF. The model was then improved, now capable of estimating local temperatures, and showing a thermal limiting point at 80% of height. A sensitivity analysis by Sobol indices was performed, and improvement solutions were then proposed thanks to this simple model.