浅水浮式风机动态电缆线型设计

蒲 定，杨婉秋，丰如男，俞国军，杨 帆，陈仁栋，宋幼忠，张治安

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 518052；2. 宁波东方电缆股份有限公司，宁波 315000)

0 引 言

随着海上风电开发由浅水向深远海发展，浮式风电系统的应用已成为必然趋势。目前世界各地已部署了大量的浮式风机样机。风机主要采用三叶片形式，浮式平台的类型主要包括Spar、驳船和半潜式平台等[1]。全球主要的风机市场包括欧洲、日本和美国西海岸。预计欧洲、美国和日本的浮式风机潜在装机容量约为7 GW。Hywind Consortium指出，日本(3.5 GW)、法国(2.9 GW)、美国(2 GW)和爱尔兰/英国(1.9 GW)是一个潜在的市场，在2030年之前有大量的部署机会[2]。

动态电缆是浮式装置的关键部件之一。从浮式平台到海床，通常连接到静态海底阵列/输出电力电缆。这些电缆必须保持尽可能高的完整性，以确保不间断发电。我国海域近岸水深变化小，水深普遍不超过60 m[3]，同时浮式风机所处海域通常环境非常恶劣，风机系统会在风、浪、流的加载下发生非常大的偏移。

目前有很多学者针对浅水的动态电缆/立管进行研究，但案例中偏移量大多只有水深的一半[4-5]，同时国内浅水浮式风机动态电缆在工程上尚无实际应用案例，不同方案的优劣尚未得到充分研究。为此，本文将针对不同动态电缆线型进行分析，提出适用于浅水浮式风机动态电缆的一种线型方案。

1 系统参数

1.1 环境参数

南海路由区平均水深为30 m。 50年一遇有效波高为10.55 m，谱峰周期为14.1 s，一年一遇波浪有效波高为5.5 m，谱峰周期为11.2 s。 50年一遇最大流速为1.43 m/s，一年一遇最大流速为0.7 m/s。路由区土壤类型为淤泥质粉质黏土，不固结不排水剪切黏聚力为18.2 kPa。洋流参数如表1所示。

表1 洋流参数

1.2 整体构型

目标风机为单机功率5.5 MW的三叶片风机，风机基础采用半潜式平台结构，采用6点系泊。作为回路末端风电机组，采用1回路35 kV动态电缆与邻近机位的固定风机组连接。整个动态电缆系统如图1所示，动态段从半潜式平台(右侧)连接至一固定式风机(左侧)。动态电缆系统参数如表2所示。平台偏移量如表3所示，由表3可知，该浮式风机偏移量已大于水深，环境非常恶劣。

图1 动态缆系统

表2 动态电缆系统参数

表3 平台偏移量

1.3 动态电缆截面参数

动态电缆截面设计参数如表4所示。

表4 动态电缆截面设计参数

2 线型设计

线型设计通过专业水动力分析软件OrcaFlex[6]进行。OrcaFlex中采用集中质量法对线单元进行离散，将动态缆的连续质量在空间内离散到有限节点上，节点之间采用拉伸、扭转、弯曲弹簧和相应阻尼器进行连接，以表现动态缆线单元的拉伸、扭转、弯曲特性。集中质量模型如图2所示。

图2 集中质量模型

动态缆满足运动方程：

M(p，a)+C(p，v)+K(p)=F(p，v，t)

式中：M(p,a)为系统惯性载荷；C(p,v)为阻尼载荷；K(p)为刚度载荷；F(p,v,t)为外部载荷；p、a、v、t分别为位置、加速度、速度和模拟时间。

在OrcaFlex中，浮体运动以及波浪传播可使用“time history”功能进行输入，即将浮体每个时刻六自由度位置和波浪在每个时刻的波面升高数据作为线型设计的输入参数。离散的浮体运动数据将通过三次样条插值恢复为连续的浮体运动，离散的波高数据则通过FFT方法重新离散为若干不同频率的规则波分量。

由于动态电缆多在水面以下的环境中，可忽略风的影响，仅考虑波浪、洋流以及上部浮体的运动。波浪和浮体的运动采用时历方法进行输入。首先对不同风机朝向、不同风向和波浪方向的整个浮体(风机+浮体)运动进行模拟，其中波浪采用不规则波(Jonswap谱)模拟50年一遇波浪。输出每个工况下整个浮体的运动时历和波浪的波高时程，共计12组组合工况。洋流采用50年一遇流速，方向与波浪方向一致[7]。

环境参数确定后，须对基础线型进行选择。常见线型有悬链线线型、缓波形线型、缓S形线型[8]，如图3～图5所示。

图3 悬链线线型

图4 缓波形线型

图5 缓S形线型

波形线型是在悬链线基础上增加分布式浮力块，使动态电缆呈现出类似一个周期波浪的形状，该形态相较悬链线型，对触地点有一定程度的保护作用，比S形线型经济。相较而言，波形较为适合浮式风机。确定基础线型后，须对线型进行优化，使动态缆的力学性能在极值工况下仍能满足要求。

3 极值分析结果

3.1 基础型缓波线型

采用防弯器和分布式浮块的基础型缓波线型的12组工况极值分析结果如下，基础型缓波线型如图6所示。其中防弯器长度为4 m，浮块采用0.1 t×8个，始于缆长27 m处，以1 m间距安装。关于浮块的选取，目前已有大量研究[9-13]，本文不再赘述。

图6 基础型缓波线型

由表5结果可知，基础型缓波线型在12组极值工况中最大张力都出现在出防弯器处，均可满足许用张力457 kN的要求，但最大曲率结果仅为1.15～1.45 m-1，无法满足许用最大曲率0.77 m-1的要求，工况1和工况10最大曲率出现在防弯器根部，表明这两种工况下防弯器强度不够，但其他10组工况最大曲率均出现在出防弯器的部分，说明这10组工况下防弯器强度足够，但出防弯器后的缆横向位移过大。针对上述情况，本文将采用在防弯器后加重块的方式进行线型优化研究。

表5 基础型缓波线型极值分析结果

3.2 加重块型缓波线型

使用OrcaFlex中的attachment-clump模块进行重块的添加(见图7)。以最危险的工况1(张力最大)和工况4(曲率最大)为基础，首先对所加重块的重量进行敏感性分析，在其他参数不变的条件下，分别采用重块0.1 t×7个、0.2 t×7个、0.3 t×7个、0.4 t×7个四种方案，重块间距为2 m，计算动态缆的动态响应。图8～图11为不同重量重块在极值工况下沿缆长方向的张力分布和曲率分布。为了清楚显示，曲率横坐标仅给到80 m。

图7 添加重块的缓波线型示意图

由图8～图11可知，动态缆在出防弯器时，有效张力突变至最大张力，曲率也有一个突变。在出防弯器之后添加重块段，重量增加后缆的稳定性增大，偏移量随即减小，出防弯器位置的张力和曲率均得到改善，并且改善随着重块重量的增大而增加。但随着重块重量的增加，出重块段后的曲率突变也明显随之增加，张力则变化不明显。由于动态缆的海底端设置为固定点，当波浪和流从动态缆侧向入射时，海底部分会产生较大偏移，导致固定端位置张力较大，该情况可通过海底固定装置改善，本文暂不做研究。在重块重量敏感性分析中，有效张力均满足许用张力要求，最大张力出现在0.2 t×7方案海底固定位置。在这两种工况中，0.1 t×7方案的最大曲率均不满足0.77 m-1的要求。工况1中0.4 t×7方案重量过大，出重块处曲率超过许用最大曲率。只有0.2 t×7和0.3 t×7两种方案在两种工况下均满足要求，考虑到经济性，选择0.2 t×7方案更佳。

图8 沿缆长方向的张力分布(工况1)

图9 沿缆长方向的张力分布(工况2)

图10 沿缆长方向的曲率分布(工况1)

图11 沿缆长方向的曲率分布(工况2)

大致确定重块的重量后，须对重块个数进行敏感性分析，将7个0.2 t重块减少为6个、5个。动态分析结果如图12～图15所示。

图12 沿缆长方向的张力分布(工况1)

图13 沿缆长方向的张力分布(工况2)

图14 沿缆长方向的曲率分布(工况1)

图15 沿缆长方向的曲率分布(工况2)

由图12～图15可知，出防弯器区域，张力和曲率均随着重块个数减小而增大；出重块段区域，工况1中曲率随着重块个数减少出现先减小后增大的趋势，工况2则随着重块个数减少变化不明显，说明重块个数对出防弯器位置影响较大。两种工况最大张力均能满足要求，最大张力出现在0.2 t×7方案海底固定位置。重块为0.2 t×5个时，最大曲率均小于许用最大曲率；重块为0.2 t×6个时，工况2出防弯器位置最大曲率未满足要求；0.2 t×7方案在两个工况结果下均能满足最大曲率要求，故选择0.2 t×7个的方案。

然后对0.2t×7方案的重块间距进行敏感性分析，分别采用1.5 m、 2 m、 2.5 m、 3 m的间隔均匀分布重块。动态响应结果如图16～图19。结果显示两种工况最大有效张力均能满足要求，出防弯器位置最大张力在工况1中与重块间隔变化呈现1.5 m>2.5 m>2 m>3 m非线性关系，出重块位置曲率随着间隔增大而减小；工况2中张力则随着间隔增大而增大，曲率则1.5 m>2.5 m>2 m>3 m，表明重块间隔对张力的影响还与具体工况相关(波浪方向不同)。间隔为3 m时，两种工况的最大曲率最小。

图16 沿缆长方向的张力分布(工况1)

图17 沿缆长方向的张力分布(工况2)

图18 沿缆长方向的曲率分布(工况1)

图19 沿缆长方向的曲率分布(工况2)

综上所述，最终重块采用0.2 t×7个×间隔3 m的方案，表6为最终方案在12组工况下的极值分析结果，结果显示该线型下的最大曲率均能满足许用最大曲率的要求。张力满足要求。

表6 最终线型的极值分析结果

(续 表)

4 结 语

针对浮式风用机动态电缆进行了线型设计，在恶劣海况下传统的线型设计无法满足设计要求。通过添加重块可改善在浅水大偏移条件下缆的受力，在其他条件均保持不变的情况下讨论了重块重量、重块个数、重块间距对动态缆结构响应的影响。添加重块后的动态缆曲率极大值点出现在出防弯器位置和出重块位置，出防弯器位置曲率将随着重块重量/个数的增加而减小，出重块位置曲率则随着重块重量/个数增加而增大。张力极大值点出现在出防弯器位置，随着重块重量/个数增加而减小。重块间距会同时影响重块段长度以及单位长度上重量，须根据具体工况进行分析，选择最适合的重块间距。