齋堂島潮汐能發(fā)電動態(tài)臍帶纜線型設(shè)計與分析

朱艷杰，朱克強，楊冰卡，夏 峰，陳 凱，張永明，鐘科星

(1.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211;2.寧波東方電纜股份有限公司，浙江 寧波 315211)

在現(xiàn)今能源緊缺、科技發(fā)展迅速的時代，人們對海洋潮汐能的開發(fā)成為一種趨勢。地球上海洋資源極為豐富，若能很好的利用海洋潮汐能來發(fā)電，那么將會給全球帶來很大的財富，解決電力能源緊缺問題，造福人類。潮汐能發(fā)電一般應(yīng)用于有較大潮差和流速的海域，由于海洋的復(fù)雜環(huán)境，部分潮汐能電站采用浮式平臺模式，使得對輸電臍帶纜的要求更高。這里通過Orcaflex 水動力分析，開創(chuàng)性的采用動態(tài)臍帶纜和錨鏈相結(jié)合的線型，成功解決了因浮體大位移和高流速帶來的動態(tài)臍帶纜線型失穩(wěn)問題，并最終成功應(yīng)用于齋堂島潮汐能發(fā)電工程項目中。力學(xué)模型和計算方法采用的是凝集質(zhì)量法［1］，詳見文獻(xiàn)［1］和Orcaflex 軟件中的幫助文件［2］。

1 臍帶纜結(jié)構(gòu)組成

臍帶纜典型結(jié)構(gòu)組成是鋼管、電單元、光單元、及填充物等［3］。本項目設(shè)計臍帶纜結(jié)構(gòu)包含鋼絲、電單元、光單元，以及內(nèi)、外護套。電單元由4 根16 mm2與6 根70 mm2的軟銅線電力線芯組成，額定電壓為400 V;光纜采用12 芯單模光纖。功能單元外部有3 層保護措施，第一層，具有抗老化功能的PE 內(nèi)護套，保護纜芯，徑向阻水;第二層，適用于海床，流沙環(huán)境的抗低頻干擾強，抗拉剛度大的鋼絲鎧裝層;第三層，采用聚氨酯外護套，具有抗紫外線、抗拉伸、張力強、耐磨損、耐折曲、耐穿透、耐低溫、耐水解等性能，并具有很好的回彈性且使用壽命長。臍帶纜截面如圖1 所示。

圖1 臍帶纜截面示意Fig.1 Crosse section of the umbilical cable

2 發(fā)電裝置及錨鏈布置

該發(fā)電裝置是2 ×100 kW 潮流發(fā)電裝置，由浮式載體、水輪發(fā)電機組(2 套)、升降鎖緊組件以及其他子系統(tǒng)組成。載體俯視形狀成“中”字形，總長35 m，總寬17.4 m，結(jié)構(gòu)型深2 ～3 m，設(shè)計吃水1 m。發(fā)電裝置布置俯視圖如圖2 所示。

發(fā)電裝置錨泊于潮流水道中，離岸距離約230 m，載體縱向沿潮流流向布置。系泊位置平均水深為37 m，海底巖土層依次為:黃褐色礫沙和粉質(zhì)粘土(厚1.0 ～1.9 m)，黃褐色粉質(zhì)粘土(厚0 ～1.7 m)，基巖(黑云母片巖等)。錨泊線布置如圖3 所示。

圖2 發(fā)電裝置布置俯視圖Fig.2 The top view of the tidal power device arrangement diagram

圖3 錨泊線布置Fig.3 The arrangement diagram of the mooring line

漂浮式載體采用4 條系泊線錨定，系泊線與往復(fù)流的平均方向成30°角，A、D 鏈的夾角為60°(或C、D鏈夾角)的角平分線方向為平均來流方向(東偏北20°)。按照錨點水深和水平長度的比值近似為1∶5 的方式布置系泊線。從海圖上看，近岸的A、B 鏈水平長度統(tǒng)一取為100 m，A 鏈的錨端水深為21 m，B 鏈的錨端水深為22 m;離岸的C、D 端鏈的水平長度統(tǒng)一取為150 m，C 鏈錨端水深34 m，D 端錨端水深30 m。

3 齋堂島水域環(huán)境特征及錨鏈動態(tài)纜的參數(shù)

齋堂島位于膠南市東南沿海，齋堂島水域地質(zhì)相對來說比較平坦，水深最大差距大約10 m。常浪向為SE 方向，次常浪向為ESE 方向，波高大于1.5 m 的波浪大多為次常浪向。波浪重現(xiàn)期及相應(yīng)波高范圍如表1 所示。同一重現(xiàn)期的最大波高通常出現(xiàn)在SE 方向，最小波高通常在SW 方向。全年風(fēng)向最多是SE 方向，年平均風(fēng)速為5.5 m/s，強風(fēng)向為WNW 和NNW，風(fēng)速為23 m/s，不過風(fēng)速大小對水下臍帶纜的影響非常小，所以在改變外界條件時風(fēng)速不用另外特別考慮。該發(fā)電裝置安裝于齋堂島東南海域，水深33 m，漲落潮情況如表2 所示。

在模擬時選取的極值環(huán)境數(shù)據(jù)依據(jù)自存環(huán)境數(shù)據(jù)來定。

自存工況:流小于2.03 m/s，有義波高小于4.8 m。流和波浪的方向以及波浪周期的確定:

1)流的方向。讓臍帶纜和錨鏈均自由，施加各個方向的流，選出使得纜張力最大的方向，最終得出逆向流時，纜張力最大，及選取2.03 m/s 的逆向流為極值流。

2)波浪的方向及周期。根據(jù)齋堂島波浪的重現(xiàn)期及波浪范圍，取出4.8 m 的波浪，逐一試驗，仍取使得臍帶纜張力最大的波浪，最終確定波浪的方向為ESE，周期9.5 s 為極值波浪。

表1 齋堂島波浪重現(xiàn)期及相應(yīng)波高范圍Tab.1 The wave recurrence and the range of wave height of Zhai Tang Dao

表2 各層最大漲、落潮流流速統(tǒng)計Tab.2 The layers of ebb and flow statistics

錨鏈及電纜參數(shù):發(fā)電裝置的錨泊線是標(biāo)準(zhǔn)的有檔三級鏈，在錨鏈10 m 處有一段9 m 長的彈性索，臍帶纜是12 芯2 ×100 kW 的電纜，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 錨鏈臍帶纜參數(shù)Tab.3 The mooring line and umbilical cable’s parameters

4 潮汐能發(fā)電模型建立

在模型建立中，臍帶纜的纜型是重點。普通的動態(tài)臍帶纜敷設(shè)，有“J”、“S”、“U”型［4］，這些敷設(shè)線型對動態(tài)臍帶纜的端點有固定作用，但是中間部分運動約束很小。在此項目中，實際測出發(fā)電裝置的極值運動位移范圍非常大，在西北到東南方向最大位移達(dá)到24 m，對浮體下方的臍帶纜運動造成很大的影響，若只固定纜兩端點，這樣的運動會導(dǎo)致纜纏繞以及過度扭轉(zhuǎn)，造成不可恢復(fù)的損壞［5］。所以考慮將動態(tài)纜稍加固定，將其與相鄰近的一根錨鏈連在一起，將臍帶纜的外載荷附加在錨鏈上，減小臍帶纜的運動幅度，防止纜纏繞。為了驗證這種方法的正確性，就要找到合理的連接方式，使得臍帶纜的張力和曲率足夠小。

模型的建立:一個浮體裝置、一根錨鏈、一根臍帶纜。臍帶纜連接浮體的位置高出錨鏈0.5 m，浮體裝置x 軸沿東偏北20°的方向，所以在輸入環(huán)境參數(shù)方向時，要減去20°。Orcaflex 軟件中模型如圖4，模型結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。

圖4 模型布置示意Fig.4 Model diagram

圖5 模型結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Model structure diagram

圖6 (3 m，3.3 m)時，臍帶纜隨纜長的張力變化Fig.6 The umbilical cable’s length-effective tension (3 m，3.3 m)

從圖5 中可以看到，每兩個連接之間，錨鏈和臍帶纜都有一定的長度，以下記為錨鏈每段長度為S1，臍帶纜每段長度為S2。通過調(diào)整S1、S2的大小來調(diào)節(jié)錨鏈和臍帶纜的張力。從S1∶S2=1∶1.2 開始模擬，分別模擬S1為10、5、4、3、2、1 m，對應(yīng)S2為12、6、4.8、3.6、2.4、1.2 m 這6 種情況，觀察動態(tài)纜的張力和曲率大小，得出此時纜張力明顯減小，但曲率均大于纜的最大曲率，所以考慮將臍帶纜的余量縮小，即S1∶S2改為1∶1.1，繼續(xù)模擬這6 種情況，同第一種情況相比，曲率有所減小，仍然大于纜的最大曲率。大致按照1∶1.05、1∶1.04、1∶1.03、1∶1.017、1∶1.01、1∶1 這6 種間隔長度進行模擬，由于在每個比例之間仍有可選余地，所以在模擬時根據(jù)具體情況改變選擇模擬的長度。對錨鏈中彈性索這段，要特殊考慮，由于這段鏈彈性較好，所以留相同余量的情況下，這一段對應(yīng)的臍帶纜受拉嚴(yán)重，如圖6 所示，就是(3 m，3.3 m)(表示S1為3 m，S2為3.3 m)時，未特別考慮彈性索那段得出的結(jié)果。一般將彈性索這段對應(yīng)的纜索適當(dāng)加長［6］。但是考慮到曲率的因素，加長的長度一定要控制得特別好，既不能使纜張力過大，又不能使曲率超出范圍。需要經(jīng)過大量的實驗來尋找這樣一個非常恰當(dāng)?shù)拈L度搭配。在模擬過程中，發(fā)現(xiàn)隨著兩個連接之間的間隔減小，臍帶纜的張力、曲率越來越小，并且運動狀態(tài)越來越穩(wěn)定。當(dāng)兩個連接間隔足夠小的時候，錨鏈中那段彈性索對臍帶纜的影響越來越小。

最終確定在S1為3 m，S2為3.05 m，即1∶1.017 這個比例，此時結(jié)果如圖7 所示。張力結(jié)果，除98 m 那一點外其他比較理想，曲率滿足要求。對突變點進行優(yōu)化，將端點部位余量減小，98 m 位置左邊余量減小，右邊余量增加，結(jié)果如圖8 所示，突變位置消除，張力變化理想，而且曲率滿足要求。模擬時間是3 個周期，整個過程張力在(－1.5 kN，1.5 kN)之間變化。

動態(tài)臍帶纜的參數(shù):此時動態(tài)臍帶纜總長106.6 m，378 個節(jié)點，連接點為開始(3，3.4)，之后錨鏈的3 ～93 m 與臍帶纜的3.4 ～94.9 m 按(3∶3.05)即(1∶1.017)進行連接，錨鏈的96 m 和99 m 處分別為(96，97)、(99，101)，最后仍是按(3∶3.05)連接。

圖7 完全等分(3 m，3.05 m)，臍帶纜張力、曲率隨纜長變化Fig.7 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature (3 m，3.05 m)

圖8 優(yōu)化后張力和曲率隨纜長變化Fig.8 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature in the optimized model

下面給出了3 個典型連接與未連接狀態(tài)下，臍帶纜張力、曲率隨纜長的變化，如圖9 所示。

圖9 不同間隔連接下張力和曲率隨纜長變化對比Fig.9 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature at different intervals

5 結(jié) 語

在淺水環(huán)境中，進行海纜敷設(shè)時，如果在漲落潮環(huán)境中使用，考慮到附體裝置升沉幅度比較大，臍帶纜的漂移范圍較廣，運動狀態(tài)難以控制，使用新型的連接式處理方式對控制動態(tài)臍帶纜運動狀態(tài)，可以起到非常顯著的效果。

連接的間隔一般情況下越小越有利于控制臍帶纜，間隔太大容易使臍帶纜的曲率過大。但是也不能太小，這樣會增大臍帶纜的張力，增加敷設(shè)難度，所以要找到一個既不會使臍帶纜張力太大，又不會超出臍帶纜允許的最大曲率的連接間隔，而這個最佳的間隔長度需要通過大量的試驗才能找到。

［1］ZHU Ke-qiang，CAI Ying，YU Chun-ling，et al.Nonlinear hydrodynamic response of marine cable -body system undergoing random dynamic excitation［J］.Journal of Hydrodynamics，2009，21(6):851-855.

［2］ORCAFLEX Help File and User Manual［ED/OL］.http://www.oricina.com.

［3］郭 宏，屈 衍，盧青針，等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計［C］//第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會論文集.北京:海洋出版社，2011:155-160.(GUO Hong，QU Yan，LU Qing-zhen，et al.Structure design for umbilical of subsea production system［C］//The 15th Chinese Marine (Coastal)Engineering Symposium.Beijing:Ocean Press，2011:155-160.(in Chinese))

［4］陳金龍.海洋動態(tài)臍帶纜的整體設(shè)計與分析［D］.大連:大連理工大學(xué)，2011.(CHEN Jin-long.Global design and analysis of marine dynamics umbilicals［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2011.(in Chinese))

［5］于衛(wèi)紅，黃維平，曹 靜，等.深水鋼懸鏈線立管安裝分析研究［J］.海洋工程，2012，30(1):46-52.(YU Wei-hong，HUANG Wei-ping，CAO Jing，et al.Technology and numerical analysis method of SCR installation for deepwater［J］.The Ocean Engineering，2012，30(1):46-52.(in Chinese))

［6］連 璉，王道炎，王玉娟.深海觀測系統(tǒng)臍帶纜形態(tài)分析及計算［J］.海洋工程，2001，19(1):65-69.(LIAN Lian，WANG Dao-yan，WANG Yu-juan.Simulation of cable behavior of underwater towing system［J］.The Ocean Engineering，2001，19(1):65-69.(in Chinese))