Voor het plaatsen van een groot aantal windturbines voor de Franse kust, was een aannemer op zoek naar de juiste aandrijving voor het boren van gaten in de zeebodem. Geen eenvoudige klus, maar de ruwe omstandigheden ter plaatse, een inhomogene zeebodem en relatief grote tijdsdruk haalden het beste uit EN motors naar boven. In relatief korte tijd werden compleet nieuwe onderwater elektromotoren ontwikkeld die aan de eisen – en meer – voldeden. Onder meer complete onderwater testen droegen bij aan het vertrouwen van de klant en het feit dat de onderwatermotoren inmiddels succesvol draaien.
Voor het plaatsen van windturbines in zee is het noodzakelijk de omgeving goed voor te bereiden. Eén van de activiteiten van de aannemer is het boren van gaten in de zeebodem om hierin de pijlers te laten zakken waarop de windturbine uiteindelijk komt te staan. De hiervoor benodigde boorinstallatie wordt meestal op een schip gebouwd en zo naar de juiste locaties gevaren. Om een stabiele boorsituatie te verkrijgen, wordt het schip met behulp van jack ups omhoog gebracht en afgestempeld op de bodem.
Om diverse redenen zijn de boringen een uitdagende klus. Ten eerste zijn de omstandigheden op zee relatief zwaar. Er is golfslag, er zijn weersomstandigheden, de omgeving is nat en zout en de zeebodem zelf is niet homogeen. Integendeel: harde stukken rots kunnen een ware aanslag zijn voor de complete installatie en de motoren.
In de praktijk
Een bedrijf, verantwoordelijk voor de realisatie van een compleet windturbinepark voor de Franse kust, riep dan ook de hulp in van EN motors voor het ontwerp van de boorinstallatie. Deze installatie moest gaten boren met een diameter van 9 meter en een diepte van ongeveer 20 meter in een zeebodem bestaande uit stenen en zand. Deze omstandigheden maken het moeilijk om de krachten op de boorkop te voorspellen en betekenen ook een dynamische belasting op de hele constructie en hieraan gekoppelde aandrijving.
Het ontwerp van de boorinstallatie was op het moment van benaderen al in een ver stadium. Het betrof een cilindervormige constructie die over de boorstang wordt geschoven. In deze constructie bevindt zich een tandkrans die door zes onderwater elektromotoren wordt aangedreven waarbij het gegenereerde koppel wordt overgebracht op de boorkop. Dit volledige samenstel wordt over de rand van het schip gebracht waarna het naar beneden zakt en het stabiel op de zeebodem wordt gepositioneerd. Vervolgens kunnen de echte booractiviteiten beginnen.
Mark Hoekstra is outside sales engineer en projectleider bij EN motors en legt uit: “Met dit soort eisen en omstandigheden kom je in een gebied waar je met standaard elektromotoren niet uitkomt. Want: hoe groter en zwaarder, hoe complexer. Echt een opdracht voor ons als specialist in custom made oplossingen.”
EN motors in vogelvlucht
Het in Nijmegen gevestigde EN motors is opgericht in 1927. Na bijna honderd jaar staat nog steeds de ontwikkeling van klantspecifieke motoren centraal. Het assortiment omvat inmiddels ook standaard motoren en varianten die licht gemodificeerd zijn, maar de kracht ligt in het ‘custom made’ programma. Hiervoor beschikt het bedrijf over een eigen engineering afdeling die zowel het mechanische als het elektrische ontwerp verzorgt. Tevens wordt de motor volledig in eigen huis geproduceerd en getest. De in alle jaren opgebouwde kennis wordt zorgvuldig geborgd en doorgegeven.
Ontwerp
Een projectteam werd gevormd en uitgebreid overleg volgde over de technische specificaties én de hoge tijddruk waarmee de klant te maken had. Vervolgens ontwierp EN motors in een iteratief proces – bestaande uit overleg en aanpassingen – een nieuwe onderwatermotor die paste in het bestaande ontwerp van de boorinstallatie. De belangrijkste uitdagingen voor het ontwerp waren de (onvoorspelbare) axiale en radiale krachten die op de aandrijvingen werken tijdens het boren evenals het verwachte hoge trillingsniveau als gevolg van de inhomogeniteit van de zeebodem.
Het eindresultaat is een 4-polige onderwatermotor met een nominaal toerental van 1800 min-1. De motor is gecombineerd met een frequentieregelaar die naar wens een constant vermogen (Pc = 375 kW bij toertentallen tussen de 1.000 – 1.500 min-1) of een constant koppel (Tc wordt bereikt bij 200 – 1.000 min-1) levert. De aansturing gebeurt met een spanning van 660 Vac / 60 Hz wat het benodigde koppel van 2000 Nm opleverde. Het eindresultaat weegt 2200 kg. Omdat deze onderwatermotoren in een vochtige, zanderige en zoute buitenomgeving tot op een diepte van 20 meter moeten werken, is gekozen voor een beschermingsklasse van IP68, een zeewaterbestendige afdichting en het aanbrengen van een zeewaterbestendige coating. Het eindresultaat is succesvol onderworpen aan een duurtest. Tot slot zijn de onderwatermotoren op transport gezet en door de klant geïnstalleerd en inbedrijf gesteld.
Mark Hoekstra: “Bij de officiële acceptatietest was de klant duidelijk onder de indruk. Dit is wellicht ook wel het moment geweest dat we het volledige vertrouwen kregen om het project – in elk geval aandrijftechnisch – tot een goed einde te brengen. Een geweldig moment dat ook leidde tot de bestelling van zes extra motoren om het project te completeren”
Verder kijken
Maar met de ontwikkeling van een onderwatermotor met de gewenste aandrijftechnische eigenschappen en succesvolle onderwater testen is EN motors niet tevreden. “De uitdaging zit ook in een succesvolle toepassing van de boor op de specifieke locatie en gedurende de volledige levensduur”, verklaart Mark Hoekstra. “Op basis van de vele decennia praktijkervaring hebben we in gelijksoortige toepassingen van andere leveranciers gezien hoe onderwatermotoren in een tijdsbestek van 20 uur al vervangen moesten worden. Dat kan natuurlijk bij zware werkzaamheden, maar als je voor één boring rond de 72 uur nodig hebt – afhankelijk van de gesteldheid van de zeebodem – dan heb je wel een serieus praktisch en tijdprobleem. Om die reden is bij het ontwerp van onze aandrijving niet alleen rekening gehouden met het vereiste koppel en de gewenste boorsnelheid, maar minimaal evenveel met het maximaliseren van de levensduur en het uitvoeren van het benodigde onderhoud. En dat zijn soms simpele dingen zoals de bereikbaarheid van componenten: kun je eenvoudig bij de bevestigingsmiddelen om een flens of lager uit te wisselen? Kun je makkelijk bij de besturingskast?”
Temperatuur monitoren
Deze gedachtegang heeft voor deze onderwatermotoren met bouwgrootte IEC355 geleid tot verschillende maatregelen. Zo wordt de temperatuur van ieder lager gemonitord met behulp van een sensor die redundant is uitgevoerd. Bijzonder is tevens de gecompartimenteerde klemmenkast. Mark Hoekstra: “Door een klemmenkast in minimaal twee compartimenten te verdelen, kun je in de meeste gevallen lekkage op tijd vaststellen. En met op tijd bedoel ik: voordat het water op het laagste punt van de motor terecht is gekomen en daar kortsluiting kan veroorzaken. Een van de redenen om hiervoor te kiezen is omdat een andere partij verantwoordelijk is voor de toevoer van de stroom- en datakabels naar de klemmenkast. Wanneer dit niet goed gebeurt, en er tréédt lekkage op, dan detecteren we dat al in het eerste compartiment en beschermen daarmee uiteindelijk onze onderwatermotoren. Tot slot heeft de compartimentering ook als doel om aan te geven in welk deel de klant zelf mag komen en waar niet. Het eerste deel, waar twee stroomkabels en twee datakabels binnenkomen mag hij openen, het deel daarachter mag alleen worden geopend door onze eigen servicemonteurs.”
Dubbele lagering
Verder is de aandrijving aan de aandrijfzijde dubbel gelagerd om de grote radiale en axiale krachten op te vangen. Tevens is een anti-condens heating toegepast die de onderwatermotor voorverwarmt wanneer hij een tijdje niet in gebruik is. Naast de data over de temperatuur van de lagers en de gegevens van de watersensors die lekkage detecteren, zijn bovendien sensoren ingezet voor het monitoren van de temperatuur van de wikkelingen en het trillingsniveau van de motor. Al deze gegevens worden verzameld en gemonitord om eventuele problemen in een vroegtijdig stadium te detecteren en zo te voorkomen dat een complexe machine onnodig vastloopt en het project van de klant vertraging oploopt. Ook zijn de data van waarde om onderhoud tijdig uit te voeren of om terug te kunnen kijken in de tijd bij incidenten.
Mark Hoekstra: “Tot slot kijken we altijd goed naar de omgeving waarin de oplossing wordt gebruikt. We hebben het immers wel over golfslag, vocht, zand, grind en zout, maar in dit geval spreken we ook over de Franse kust waar het zeewater soms relatief warm kan worden. Belangrijk om rekening mee te houden wanneer je de benodigde koeling berekent. In deze oplossing is gekozen voor luchtgevulde onderwatermotoren. Oliegevuld maakt de oplossing extra zwaar, verhoogt de interne weerstand en kan ook milieu-issues opleveren. Deze oplossing gebruiken we wel voor toepassingen die tot 10 km diepte gaan, maar in dit geval was dat niet nodig, wat geld en gewicht bespaart.”
Projectverloop
Nu de eerste onderwatermotoren zijn ingezet en de eerste boringen succesvol verlopen, kan EN motors met een goed gevoel terugkijken op een complex, hectisch en uitdagend project. Mark Hoekstra: “Het is bij uitstek een voorbeeld hoe wij denken dat een project moet verlopen. Dat betekent ten eerste dat er vele collega’s uit ál onze disciplines betrokken zijn. Van engineering en productie tot verpakking en logistiek. Ook de klant maakt vast onderdeel uit van het projectteam waarin veel en goed overleg plaatsvindt. Alle leden van het team hebben hetzelfde doel en ieder individu is gebaat bij een goede afloop. Van het eindontwerp en de testen zijn alle relevante data vastgelegd en beschikbaar. De klant kan aan de slag.”
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met EN motors.
