淺水浮式風(fēng)機動態(tài)電纜線型設(shè)計

蒲 定，楊婉秋，豐如男，俞國軍，楊 帆，陳仁棟，宋幼忠，張治安

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 518052；2. 寧波東方電纜股份有限公司，寧波 315000)

0 引 言

隨著海上風(fēng)電開發(fā)由淺水向深遠(yuǎn)海發(fā)展，浮式風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用已成為必然趨勢。目前世界各地已部署了大量的浮式風(fēng)機樣機。風(fēng)機主要采用三葉片形式，浮式平臺的類型主要包括Spar、駁船和半潛式平臺等[1]。全球主要的風(fēng)機市場包括歐洲、日本和美國西海岸。預(yù)計歐洲、美國和日本的浮式風(fēng)機潛在裝機容量約為7 GW。Hywind Consortium指出，日本(3.5 GW)、法國(2.9 GW)、美國(2 GW)和愛爾蘭/英國(1.9 GW)是一個潛在的市場，在2030年之前有大量的部署機會[2]。

動態(tài)電纜是浮式裝置的關(guān)鍵部件之一。從浮式平臺到海床，通常連接到靜態(tài)海底陣列/輸出電力電纜。這些電纜必須保持盡可能高的完整性，以確保不間斷發(fā)電。我國海域近岸水深變化小，水深普遍不超過60 m[3]，同時浮式風(fēng)機所處海域通常環(huán)境非常惡劣，風(fēng)機系統(tǒng)會在風(fēng)、浪、流的加載下發(fā)生非常大的偏移。

目前有很多學(xué)者針對淺水的動態(tài)電纜/立管進(jìn)行研究，但案例中偏移量大多只有水深的一半[4-5]，同時國內(nèi)淺水浮式風(fēng)機動態(tài)電纜在工程上尚無實際應(yīng)用案例，不同方案的優(yōu)劣尚未得到充分研究。為此，本文將針對不同動態(tài)電纜線型進(jìn)行分析，提出適用于淺水浮式風(fēng)機動態(tài)電纜的一種線型方案。

1 系統(tǒng)參數(shù)

1.1 環(huán)境參數(shù)

南海路由區(qū)平均水深為30 m。 50年一遇有效波高為10.55 m，譜峰周期為14.1 s，一年一遇波浪有效波高為5.5 m，譜峰周期為11.2 s。 50年一遇最大流速為1.43 m/s，一年一遇最大流速為0.7 m/s。路由區(qū)土壤類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，不固結(jié)不排水剪切黏聚力為18.2 kPa。洋流參數(shù)如表1所示。

表1 洋流參數(shù)

1.2 整體構(gòu)型

目標(biāo)風(fēng)機為單機功率5.5 MW的三葉片風(fēng)機，風(fēng)機基礎(chǔ)采用半潛式平臺結(jié)構(gòu)，采用6點系泊。作為回路末端風(fēng)電機組，采用1回路35 kV動態(tài)電纜與鄰近機位的固定風(fēng)機組連接。整個動態(tài)電纜系統(tǒng)如圖1所示，動態(tài)段從半潛式平臺(右側(cè))連接至一固定式風(fēng)機(左側(cè))。動態(tài)電纜系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。平臺偏移量如表3所示，由表3可知，該浮式風(fēng)機偏移量已大于水深，環(huán)境非常惡劣。

圖1 動態(tài)纜系統(tǒng)

表2 動態(tài)電纜系統(tǒng)參數(shù)

表3 平臺偏移量

1.3 動態(tài)電纜截面參數(shù)

動態(tài)電纜截面設(shè)計參數(shù)如表4所示。

表4 動態(tài)電纜截面設(shè)計參數(shù)

2 線型設(shè)計

線型設(shè)計通過專業(yè)水動力分析軟件OrcaFlex[6]進(jìn)行。OrcaFlex中采用集中質(zhì)量法對線單元進(jìn)行離散，將動態(tài)纜的連續(xù)質(zhì)量在空間內(nèi)離散到有限節(jié)點上，節(jié)點之間采用拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲彈簧和相應(yīng)阻尼器進(jìn)行連接，以表現(xiàn)動態(tài)纜線單元的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲特性。集中質(zhì)量模型如圖2所示。

圖2 集中質(zhì)量模型

動態(tài)纜滿足運動方程：

M(p，a)+C(p，v)+K(p)=F(p，v，t)

式中：M(p,a)為系統(tǒng)慣性載荷；C(p,v)為阻尼載荷；K(p)為剛度載荷；F(p,v,t)為外部載荷；p、a、v、t分別為位置、加速度、速度和模擬時間。

在OrcaFlex中，浮體運動以及波浪傳播可使用“time history”功能進(jìn)行輸入，即將浮體每個時刻六自由度位置和波浪在每個時刻的波面升高數(shù)據(jù)作為線型設(shè)計的輸入?yún)?shù)。離散的浮體運動數(shù)據(jù)將通過三次樣條插值恢復(fù)為連續(xù)的浮體運動，離散的波高數(shù)據(jù)則通過FFT方法重新離散為若干不同頻率的規(guī)則波分量。

由于動態(tài)電纜多在水面以下的環(huán)境中，可忽略風(fēng)的影響，僅考慮波浪、洋流以及上部浮體的運動。波浪和浮體的運動采用時歷方法進(jìn)行輸入。首先對不同風(fēng)機朝向、不同風(fēng)向和波浪方向的整個浮體(風(fēng)機+浮體)運動進(jìn)行模擬，其中波浪采用不規(guī)則波(Jonswap譜)模擬50年一遇波浪。輸出每個工況下整個浮體的運動時歷和波浪的波高時程，共計12組組合工況。洋流采用50年一遇流速，方向與波浪方向一致[7]。

環(huán)境參數(shù)確定后，須對基礎(chǔ)線型進(jìn)行選擇。常見線型有懸鏈線線型、緩波形線型、緩S形線型[8]，如圖3～圖5所示。

圖3 懸鏈線線型

圖4 緩波形線型

圖5 緩S形線型

波形線型是在懸鏈線基礎(chǔ)上增加分布式浮力塊，使動態(tài)電纜呈現(xiàn)出類似一個周期波浪的形狀，該形態(tài)相較懸鏈線型，對觸地點有一定程度的保護(hù)作用，比S形線型經(jīng)濟。相較而言，波形較為適合浮式風(fēng)機。確定基礎(chǔ)線型后，須對線型進(jìn)行優(yōu)化，使動態(tài)纜的力學(xué)性能在極值工況下仍能滿足要求。

3 極值分析結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)型緩波線型

采用防彎器和分布式浮塊的基礎(chǔ)型緩波線型的12組工況極值分析結(jié)果如下，基礎(chǔ)型緩波線型如圖6所示。其中防彎器長度為4 m，浮塊采用0.1 t×8個，始于纜長27 m處，以1 m間距安裝。關(guān)于浮塊的選取，目前已有大量研究[9-13]，本文不再贅述。

圖6 基礎(chǔ)型緩波線型

由表5結(jié)果可知，基礎(chǔ)型緩波線型在12組極值工況中最大張力都出現(xiàn)在出防彎器處，均可滿足許用張力457 kN的要求，但最大曲率結(jié)果僅為1.15～1.45 m-1，無法滿足許用最大曲率0.77 m-1的要求，工況1和工況10最大曲率出現(xiàn)在防彎器根部，表明這兩種工況下防彎器強度不夠，但其他10組工況最大曲率均出現(xiàn)在出防彎器的部分，說明這10組工況下防彎器強度足夠，但出防彎器后的纜橫向位移過大。針對上述情況，本文將采用在防彎器后加重塊的方式進(jìn)行線型優(yōu)化研究。

表5 基礎(chǔ)型緩波線型極值分析結(jié)果

3.2 加重塊型緩波線型

使用OrcaFlex中的attachment-clump模塊進(jìn)行重塊的添加(見圖7)。以最危險的工況1(張力最大)和工況4(曲率最大)為基礎(chǔ)，首先對所加重塊的重量進(jìn)行敏感性分析，在其他參數(shù)不變的條件下，分別采用重塊0.1 t×7個、0.2 t×7個、0.3 t×7個、0.4 t×7個四種方案，重塊間距為2 m，計算動態(tài)纜的動態(tài)響應(yīng)。圖8～圖11為不同重量重塊在極值工況下沿纜長方向的張力分布和曲率分布。為了清楚顯示，曲率橫坐標(biāo)僅給到80 m。

圖7 添加重塊的緩波線型示意圖

由圖8～圖11可知，動態(tài)纜在出防彎器時，有效張力突變至最大張力，曲率也有一個突變。在出防彎器之后添加重塊段，重量增加后纜的穩(wěn)定性增大，偏移量隨即減小，出防彎器位置的張力和曲率均得到改善，并且改善隨著重塊重量的增大而增加。但隨著重塊重量的增加，出重塊段后的曲率突變也明顯隨之增加，張力則變化不明顯。由于動態(tài)纜的海底端設(shè)置為固定點，當(dāng)波浪和流從動態(tài)纜側(cè)向入射時，海底部分會產(chǎn)生較大偏移，導(dǎo)致固定端位置張力較大，該情況可通過海底固定裝置改善，本文暫不做研究。在重塊重量敏感性分析中，有效張力均滿足許用張力要求，最大張力出現(xiàn)在0.2 t×7方案海底固定位置。在這兩種工況中，0.1 t×7方案的最大曲率均不滿足0.77 m-1的要求。工況1中0.4 t×7方案重量過大，出重塊處曲率超過許用最大曲率。只有0.2 t×7和0.3 t×7兩種方案在兩種工況下均滿足要求，考慮到經(jīng)濟性，選擇0.2 t×7方案更佳。

圖8 沿纜長方向的張力分布(工況1)

圖9 沿纜長方向的張力分布(工況2)

圖10 沿纜長方向的曲率分布(工況1)

圖11 沿纜長方向的曲率分布(工況2)

大致確定重塊的重量后，須對重塊個數(shù)進(jìn)行敏感性分析，將7個0.2 t重塊減少為6個、5個。動態(tài)分析結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖12 沿纜長方向的張力分布(工況1)

圖13 沿纜長方向的張力分布(工況2)

圖14 沿纜長方向的曲率分布(工況1)

圖15 沿纜長方向的曲率分布(工況2)

由圖12～圖15可知，出防彎器區(qū)域，張力和曲率均隨著重塊個數(shù)減小而增大；出重塊段區(qū)域，工況1中曲率隨著重塊個數(shù)減少出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，工況2則隨著重塊個數(shù)減少變化不明顯，說明重塊個數(shù)對出防彎器位置影響較大。兩種工況最大張力均能滿足要求，最大張力出現(xiàn)在0.2 t×7方案海底固定位置。重塊為0.2 t×5個時，最大曲率均小于許用最大曲率；重塊為0.2 t×6個時，工況2出防彎器位置最大曲率未滿足要求；0.2 t×7方案在兩個工況結(jié)果下均能滿足最大曲率要求，故選擇0.2 t×7個的方案。

然后對0.2t×7方案的重塊間距進(jìn)行敏感性分析，分別采用1.5 m、 2 m、 2.5 m、 3 m的間隔均勻分布重塊。動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖16～圖19。結(jié)果顯示兩種工況最大有效張力均能滿足要求，出防彎器位置最大張力在工況1中與重塊間隔變化呈現(xiàn)1.5 m>2.5 m>2 m>3 m非線性關(guān)系，出重塊位置曲率隨著間隔增大而減小；工況2中張力則隨著間隔增大而增大，曲率則1.5 m>2.5 m>2 m>3 m，表明重塊間隔對張力的影響還與具體工況相關(guān)(波浪方向不同)。間隔為3 m時，兩種工況的最大曲率最小。

圖16 沿纜長方向的張力分布(工況1)

圖17 沿纜長方向的張力分布(工況2)

圖18 沿纜長方向的曲率分布(工況1)

圖19 沿纜長方向的曲率分布(工況2)

綜上所述，最終重塊采用0.2 t×7個×間隔3 m的方案，表6為最終方案在12組工況下的極值分析結(jié)果，結(jié)果顯示該線型下的最大曲率均能滿足許用最大曲率的要求。張力滿足要求。

表6 最終線型的極值分析結(jié)果

(續(xù) 表)

4 結(jié) 語

針對浮式風(fēng)用機動態(tài)電纜進(jìn)行了線型設(shè)計，在惡劣海況下傳統(tǒng)的線型設(shè)計無法滿足設(shè)計要求。通過添加重塊可改善在淺水大偏移條件下纜的受力，在其他條件均保持不變的情況下討論了重塊重量、重塊個數(shù)、重塊間距對動態(tài)纜結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。添加重塊后的動態(tài)纜曲率極大值點出現(xiàn)在出防彎器位置和出重塊位置，出防彎器位置曲率將隨著重塊重量/個數(shù)的增加而減小，出重塊位置曲率則隨著重塊重量/個數(shù)增加而增大。張力極大值點出現(xiàn)在出防彎器位置，隨著重塊重量/個數(shù)增加而減小。重塊間距會同時影響重塊段長度以及單位長度上重量，須根據(jù)具體工況進(jìn)行分析，選擇最適合的重塊間距。