斋堂岛潮汐能发电动态脐带缆线型设计与分析

2014-11-22 01:00朱艳杰朱克强杨冰卡张永明钟科星
海洋工程 2014年4期
关键词:锚链脐带曲率

朱艳杰,朱克强,杨冰卡,夏 峰,陈 凯,张永明,钟科星

(1.宁波大学,浙江 宁波 315211;2.宁波东方电缆股份有限公司,浙江 宁波 315211)

在现今能源紧缺、科技发展迅速的时代,人们对海洋潮汐能的开发成为一种趋势。地球上海洋资源极为丰富,若能很好的利用海洋潮汐能来发电,那么将会给全球带来很大的财富,解决电力能源紧缺问题,造福人类。潮汐能发电一般应用于有较大潮差和流速的海域,由于海洋的复杂环境,部分潮汐能电站采用浮式平台模式,使得对输电脐带缆的要求更高。这里通过Orcaflex 水动力分析,开创性的采用动态脐带缆和锚链相结合的线型,成功解决了因浮体大位移和高流速带来的动态脐带缆线型失稳问题,并最终成功应用于斋堂岛潮汐能发电工程项目中。力学模型和计算方法采用的是凝集质量法[1],详见文献[1]和Orcaflex 软件中的帮助文件[2]。

1 脐带缆结构组成

脐带缆典型结构组成是钢管、电单元、光单元、及填充物等[3]。本项目设计脐带缆结构包含钢丝、电单元、光单元,以及内、外护套。电单元由4 根16 mm2与6 根70 mm2的软铜线电力线芯组成,额定电压为400 V;光缆采用12 芯单模光纤。功能单元外部有3 层保护措施,第一层,具有抗老化功能的PE 内护套,保护缆芯,径向阻水;第二层,适用于海床,流沙环境的抗低频干扰强,抗拉刚度大的钢丝铠装层;第三层,采用聚氨酯外护套,具有抗紫外线、抗拉伸、张力强、耐磨损、耐折曲、耐穿透、耐低温、耐水解等性能,并具有很好的回弹性且使用寿命长。脐带缆截面如图1 所示。

图1 脐带缆截面示意Fig.1 Crosse section of the umbilical cable

2 发电装置及锚链布置

该发电装置是2 ×100 kW 潮流发电装置,由浮式载体、水轮发电机组(2 套)、升降锁紧组件以及其他子系统组成。载体俯视形状成“中”字形,总长35 m,总宽17.4 m,结构型深2 ~3 m,设计吃水1 m。发电装置布置俯视图如图2 所示。

发电装置锚泊于潮流水道中,离岸距离约230 m,载体纵向沿潮流流向布置。系泊位置平均水深为37 m,海底岩土层依次为:黄褐色砾沙和粉质粘土(厚1.0 ~1.9 m),黄褐色粉质粘土(厚0 ~1.7 m),基岩(黑云母片岩等)。锚泊线布置如图3 所示。

图2 发电装置布置俯视图Fig.2 The top view of the tidal power device arrangement diagram

图3 锚泊线布置Fig.3 The arrangement diagram of the mooring line

漂浮式载体采用4 条系泊线锚定,系泊线与往复流的平均方向成30°角,A、D 链的夹角为60°(或C、D链夹角)的角平分线方向为平均来流方向(东偏北20°)。按照锚点水深和水平长度的比值近似为1∶5 的方式布置系泊线。从海图上看,近岸的A、B 链水平长度统一取为100 m,A 链的锚端水深为21 m,B 链的锚端水深为22 m;离岸的C、D 端链的水平长度统一取为150 m,C 链锚端水深34 m,D 端锚端水深30 m。

3 斋堂岛水域环境特征及锚链动态缆的参数

斋堂岛位于胶南市东南沿海,斋堂岛水域地质相对来说比较平坦,水深最大差距大约10 m。常浪向为SE 方向,次常浪向为ESE 方向,波高大于1.5 m 的波浪大多为次常浪向。波浪重现期及相应波高范围如表1 所示。同一重现期的最大波高通常出现在SE 方向,最小波高通常在SW 方向。全年风向最多是SE 方向,年平均风速为5.5 m/s,强风向为WNW 和NNW,风速为23 m/s,不过风速大小对水下脐带缆的影响非常小,所以在改变外界条件时风速不用另外特别考虑。该发电装置安装于斋堂岛东南海域,水深33 m,涨落潮情况如表2 所示。

在模拟时选取的极值环境数据依据自存环境数据来定。

自存工况:流小于2.03 m/s,有义波高小于4.8 m。流和波浪的方向以及波浪周期的确定:

1)流的方向。让脐带缆和锚链均自由,施加各个方向的流,选出使得缆张力最大的方向,最终得出逆向流时,缆张力最大,及选取2.03 m/s 的逆向流为极值流。

2)波浪的方向及周期。根据斋堂岛波浪的重现期及波浪范围,取出4.8 m 的波浪,逐一试验,仍取使得脐带缆张力最大的波浪,最终确定波浪的方向为ESE,周期9.5 s 为极值波浪。

表1 斋堂岛波浪重现期及相应波高范围Tab.1 The wave recurrence and the range of wave height of Zhai Tang Dao

表2 各层最大涨、落潮流流速统计Tab.2 The layers of ebb and flow statistics

锚链及电缆参数:发电装置的锚泊线是标准的有档三级链,在锚链10 m 处有一段9 m 长的弹性索,脐带缆是12 芯2 ×100 kW 的电缆,具体参数如表3 所示。

表3 锚链脐带缆参数Tab.3 The mooring line and umbilical cable’s parameters

4 潮汐能发电模型建立

在模型建立中,脐带缆的缆型是重点。普通的动态脐带缆敷设,有“J”、“S”、“U”型[4],这些敷设线型对动态脐带缆的端点有固定作用,但是中间部分运动约束很小。在此项目中,实际测出发电装置的极值运动位移范围非常大,在西北到东南方向最大位移达到24 m,对浮体下方的脐带缆运动造成很大的影响,若只固定缆两端点,这样的运动会导致缆缠绕以及过度扭转,造成不可恢复的损坏[5]。所以考虑将动态缆稍加固定,将其与相邻近的一根锚链连在一起,将脐带缆的外载荷附加在锚链上,减小脐带缆的运动幅度,防止缆缠绕。为了验证这种方法的正确性,就要找到合理的连接方式,使得脐带缆的张力和曲率足够小。

模型的建立:一个浮体装置、一根锚链、一根脐带缆。脐带缆连接浮体的位置高出锚链0.5 m,浮体装置x 轴沿东偏北20°的方向,所以在输入环境参数方向时,要减去20°。Orcaflex 软件中模型如图4,模型结构示意如图5 所示。

图4 模型布置示意Fig.4 Model diagram

图5 模型结构示意Fig.5 Model structure diagram

图6 (3 m,3.3 m)时,脐带缆随缆长的张力变化Fig.6 The umbilical cable’s length-effective tension (3 m,3.3 m)

从图5 中可以看到,每两个连接之间,锚链和脐带缆都有一定的长度,以下记为锚链每段长度为S1,脐带缆每段长度为S2。通过调整S1、S2的大小来调节锚链和脐带缆的张力。从S1∶S2=1∶1.2 开始模拟,分别模拟S1为10、5、4、3、2、1 m,对应S2为12、6、4.8、3.6、2.4、1.2 m 这6 种情况,观察动态缆的张力和曲率大小,得出此时缆张力明显减小,但曲率均大于缆的最大曲率,所以考虑将脐带缆的余量缩小,即S1∶S2改为1∶1.1,继续模拟这6 种情况,同第一种情况相比,曲率有所减小,仍然大于缆的最大曲率。大致按照1∶1.05、1∶1.04、1∶1.03、1∶1.017、1∶1.01、1∶1 这6 种间隔长度进行模拟,由于在每个比例之间仍有可选余地,所以在模拟时根据具体情况改变选择模拟的长度。对锚链中弹性索这段,要特殊考虑,由于这段链弹性较好,所以留相同余量的情况下,这一段对应的脐带缆受拉严重,如图6 所示,就是(3 m,3.3 m)(表示S1为3 m,S2为3.3 m)时,未特别考虑弹性索那段得出的结果。一般将弹性索这段对应的缆索适当加长[6]。但是考虑到曲率的因素,加长的长度一定要控制得特别好,既不能使缆张力过大,又不能使曲率超出范围。需要经过大量的实验来寻找这样一个非常恰当的长度搭配。在模拟过程中,发现随着两个连接之间的间隔减小,脐带缆的张力、曲率越来越小,并且运动状态越来越稳定。当两个连接间隔足够小的时候,锚链中那段弹性索对脐带缆的影响越来越小。

最终确定在S1为3 m,S2为3.05 m,即1∶1.017 这个比例,此时结果如图7 所示。张力结果,除98 m 那一点外其他比较理想,曲率满足要求。对突变点进行优化,将端点部位余量减小,98 m 位置左边余量减小,右边余量增加,结果如图8 所示,突变位置消除,张力变化理想,而且曲率满足要求。模拟时间是3 个周期,整个过程张力在(-1.5 kN,1.5 kN)之间变化。

动态脐带缆的参数:此时动态脐带缆总长106.6 m,378 个节点,连接点为开始(3,3.4),之后锚链的3 ~93 m 与脐带缆的3.4 ~94.9 m 按(3∶3.05)即(1∶1.017)进行连接,锚链的96 m 和99 m 处分别为(96,97)、(99,101),最后仍是按(3∶3.05)连接。

图7 完全等分(3 m,3.05 m),脐带缆张力、曲率随缆长变化Fig.7 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature (3 m,3.05 m)

图8 优化后张力和曲率随缆长变化Fig.8 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature in the optimized model

下面给出了3 个典型连接与未连接状态下,脐带缆张力、曲率随缆长的变化,如图9 所示。

图9 不同间隔连接下张力和曲率随缆长变化对比Fig.9 The umbilical cable’s length-effective tension and length-curvature at different intervals

5 结 语

在浅水环境中,进行海缆敷设时,如果在涨落潮环境中使用,考虑到附体装置升沉幅度比较大,脐带缆的漂移范围较广,运动状态难以控制,使用新型的连接式处理方式对控制动态脐带缆运动状态,可以起到非常显著的效果。

连接的间隔一般情况下越小越有利于控制脐带缆,间隔太大容易使脐带缆的曲率过大。但是也不能太小,这样会增大脐带缆的张力,增加敷设难度,所以要找到一个既不会使脐带缆张力太大,又不会超出脐带缆允许的最大曲率的连接间隔,而这个最佳的间隔长度需要通过大量的试验才能找到。

[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,卢青针,等.深水水下生产系统脐带缆结构设计[C]//第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集.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]陈金龙.海洋动态脐带缆的整体设计与分析[D].大连:大连理工大学,2011.(CHEN Jin-long.Global design and analysis of marine dynamics umbilicals[D].Dalian:Dalian University of Technology,2011.(in Chinese))

[5]于卫红,黄维平,曹 静,等.深水钢悬链线立管安装分析研究[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]连 琏,王道炎,王玉娟.深海观测系统脐带缆形态分析及计算[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))

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