斋堂岛潮汐能发电动态脐带缆线型设计与分析

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))