CN115912241B

CN115912241B - 一种海洋悬浮式氢电联送系统

Info

Publication number: CN115912241B
Application number: CN202211617811.7A
Authority: CN
Inventors: 施建峰; 夏若曦; 姚日雾; 郑新宇; 郑津洋
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2042-12-16
Also published as: CN115912241A

Abstract

本发明公开了一种海洋悬浮式氢电联送系统，用于海洋可再生能源产生的氢气和电力的联合输送，包括柔性输氢管道，其用于输送海洋可再生能源制备的氢气；电缆，其用于输送海洋可再生能源发电后产生的电力；柔性输氢管道和电缆通过固定装置连接在一起形成管道电缆联合体，固定装置避免柔性输氢管道和电缆发生碰撞，且管道电缆联合体的浮力大于其重力；固定绳索，其一端与管道电缆联合体固定连接，另一端固定在海底；管道电缆联合体在浮力、重力和牵引力的共同作用下悬浮于海平面以下固定深度。本发明的海洋悬浮式氢电联送系统能够较好的应用于海上可再生能源发电中的电力与氢气的输送，降低输送成本以及提高输送安全性。

Description

一种海洋悬浮式氢电联送系统

技术领域

本发明涉及海洋氢能和电力输送领域，特别涉及一种海洋悬浮式氢电联送系统。

背景技术

在“双碳”目标驱动大力发展可再生能源利用的背景下，沿海地区正在大力开发远洋深海可再生能源利用的项目，例如海上风力发电、海上光伏发电或者海上潮汐能发电；由于风力、海洋能等可再生能源存在间歇性和波动性，容易造成电力供需不匹配，导致“弃风”、“弃光”等能源浪费现象，通过电解制氢的方法，可以将上述间歇波动、富裕电能转化为氢能，实现氢气的绿色制备，使可再生能源的利用达到最大化，该氢气进一步作为能源介质和工业原料，实现工业降碳。

将海洋可再生能源产生的电力和氢气输送回陆地是目前远洋深海可再生能源利用发展的关键技术。目前的深海可再生能源发电主要通过海洋电缆向陆地应用场景输送电力，而制得的氢气主要利用非金属管道进行大规模远距离输送，例如专利CN114001206A“一种用于海底输送原油的多层无缝管道”、CN205841999U“一种具有新型截面的海底滑坡区油气管道”和CN206412109U“一种海底抗压抗拉伸电缆”等。上述专利所涉及的均是独立的输送电力或输送氢气的管道，无法实现电力和氢气的联合输送，而且上述海洋管道及电缆均铺设在海底，由于海底存在泥石流、海水外压较大等复杂载荷，导致铺设在海底的管道以及电缆存在以下几方面的问题：

1）随着水深的增加，静水外压力逐渐增大，特别是位于海底的管道在外压作用下容易出现失稳垮塌失效，这严重影响了非金属管道的服役安全性；

2）海底管道、电缆服役环境恶劣,既受到海流、潮汐、腐蚀等复杂环境载荷作用,也受到地震、泥石流等偶然载荷的作用，容易出现非设计悬空,带来严重的安全隐患，从而降低了安全性；

3）多数海底管道及电缆需要埋设于海床下一定深度，施工难度大，且后续检修维护难度大、成本高。

虽然现有技术中也出现了部分将输送管道和电缆相结合的方案，例如专利CN103458544A“一种油罐、管道和采油用伴热电缆”、CN113764125A“岸电电缆”、CN208722616U“一种矿用电缆”、CN215417584U“复合管道的超高压海底电缆”等，但是上述专利主要是对管道与电缆进行包覆，使其成为复合管道，利用油气管道中输送的油气对电缆进行降温以增加输电效率或者是在矿用场景中提供坍塌时的紧急救援作用，均未考虑到如何实现海洋可再生能源开发中的氢气和电力联合输送的需求，并且也是铺设在海底或矿井下，并没有考虑到管道的安全性和施工难度问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种海洋悬浮式氢电联送系统，较好的应用于海上可再生能源发电中的电力与所制氢气的输送，降低输送成本以及提高输送安全性。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种海洋悬浮式氢电联送系统，用于海洋可再生能源产生的氢气和电力的联合输送，包括柔性输氢管道，其用于输送海洋可再生能源制备的氢气；电缆，其用于输送海洋可再生能源发电后产生的电力；所述柔性输氢管道和所述电缆通过固定装置连接在一起形成管道电缆联合体，所述固定装置避免所述柔性输氢管道和所述电缆碰撞，且所述管道电缆联合体的浮力大于其重力；固定绳索，其一端与所述管道电缆联合体固定连接，另一端固定在海底；所述管道电缆联合体在浮力、重力和牵引力的共同作用下悬浮于海平面以下固定深度。通过将柔性输氢管道和电缆连接在一起，实现同时输送氢气和电力的目的，并且电缆密度一般大于海水的密度，柔性输氢管道密度一般小于海水的密度，将两者结合实现重量匹配，使管道电缆联合体的浮力大于其重力，并在固定绳索的牵引下悬浮于海面以下固定深度，一方面可以避免管道处于海底服役环境中泥石流、加大海水外压等复杂载荷，从而提升系统服役安全性；另一方面，悬浮于海平面之下一定深度，也可以避免管道电缆联合体受到海面上的波浪影响，同时避免了对正常海面船只通行造成影响。

进一步地，还包括悬浮调节体，所述悬浮调节体与所述管道电缆联合体固定连接，悬浮调节体可以对管道电缆联合体的浮力和重力的关系进行调节，使其满足悬浮于海面以下的要求。

进一步地，所述悬浮调节体通过绳编网与所述柔性输氢管道包覆固定，将悬浮调节体和管道电缆联合体连接成一个整体，连接稳定不易脱落。

进一步地，还包括浮体，所述浮体通过浮体绳索与所述管道电缆联合体连接，当系统发生异常导致失效，例如柔性输氢管道破裂时，管道电缆联合体的浮力将显著减小，此时浮体即提供额外的浮力，防止管道电缆联合体沉入海底。

进一步地，所述浮体上设有定位传感器和/或信号灯，定位传感器用于传输管道电缆联合体的位置信息，实现管道电缆联合体的定位，信号灯可以起到警示作用。

进一步地，为了避免系统失效时所述管道电缆联合体沉入海底，浮体需要能够提供足够的浮力，所述浮体的体积应当满足：

其中，

为浮体体积（m³），

为管道电缆联合体总长度（m），

为管道电缆联合体上均匀分布的浮体数量（个），

表示柔性输氢管道每米重量（kg/m），

为电缆每米重量（kg/m），

为浮体重量（kg），

为海水密度（kg/m³），

为系统失效后管道电缆联合体的截面积（m²），

为系统失效后浮体浸没于海水中的体积比例。

进一步地，所述管道电缆联合体外部包裹保护层，避免海水对柔性输氢管道和电缆的腐蚀。

进一步地，所述固定装置包括两个挠性固定夹具和连接件，所述两个挠性固定夹具分别固定在所述柔性输氢管道和所述电缆的外周，所述连接件位于所述两个挠性固定夹具之间，通过连接件固定在两个挠性之间，可以防止海洋洋流和波浪等载荷作用下柔性输氢管道和电缆二者之间频繁碰撞而产生破坏。

进一步地，所述悬浮调节体位于两个挠性固定夹具和连接件围合形成的空间内，将悬浮调节体和管道电缆联合体连接成一个整体，悬浮调节体对上述整体的浮力和重力的关系进行调节，使其浮力略大于重力，在满足悬浮需求的同时，也防止固定绳索的受力过大。

进一步地，所述固定绳索一端通过绳网或者蒙皮与管道电缆联合体连接，用于分散固定绳索对管道电缆联合体的牵引力，避免固定绳索的牵引力集中于管道电缆联合体局部区域，导致管道电缆联合体局部区域应力过大产生失效，而固定绳索的另一端通过固定桩或重物固定在海底。

进一步地，所述柔性输氢管道是粘接式柔性管道或者非粘接式柔性管道，用于海上可再生能源制备的绿氢的输送。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）海洋悬浮式氢电联送系统将海洋柔性输氢管道与电缆相结合，实现氢气与电力同时输送的目的，能够较好的应用于海上可再生能源发电中电力与所制氢气的输送场景；

2）海洋悬浮式氢电联送系统通过管道电缆联合体悬浮于海平面以下一定深度，避开了海面航道以及海底复杂地形及恶劣工况，提升了系统在位工作的安全性，且相对于将管道和电缆铺设或埋入于海底，降低了安装以及后续管道和电缆检修维护的难度与成本；

3）海洋悬浮式氢电联送系统通过悬浮调节体调节系统整体的浮力以避免固定绳索上过大的牵引力；同时通过浮体，在系统失效时提供额外的浮力，防止该悬浮式氢电联送管道与电缆系统沉入海底，提高了系统整体的安全性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

图1为本发明海洋悬浮式氢电联送系统的整体结构示意图；

图2为本发明不含悬浮调节体、不含浮体的管道电缆联合体结构正视图；

图3为图2中的A－A处的剖面结构图；

图4为本发明不含悬浮调节体，不含浮体，且管道电缆联合体用单条固定绳索连接的结构侧视图；其中，（a）中固定绳索采用固定桩固定在海底，（b）中固定绳索用重物固定在海底；

图5为本发明不含悬浮调节体，不含浮体，且管道电缆联合体用两条固定绳索连接的结构侧视图；其中，（a）中固定绳索采用固定桩固定在海底，（b）中固定绳索用重物固定在海底；

图6为本发明固定绳索通过绳网与管道电缆联合体连接的示意图；

图7为本发明含悬浮调节体，不含浮体，且管道电缆联合体用两条固定绳索连接的结构侧视图；

图8为本发明含悬浮调节体，含浮体，且管道电缆联合体用两条固定绳索连接的结构侧视图；

图9为本发明不含悬浮调节体，含浮体的管道电缆联合体，且在系统失效管道发生漏水情况下浮体起作用的结构示意图。

附图说明：

柔性输氢管道1、电缆2、管道电缆联合体3、悬浮调节体4、浮体5、绳网6、固定绳索7、固定桩8、重物9、海上漂浮式风力发电机组10、海上漂浮式光伏发电机组11、海上漂浮式潮汐能发电机组12、制氢平台13、海平面14、海床15、浮体绳索16、联合体连接件17、挠性固定夹具18。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本使用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

除本发明外另有定义词汇外，本发明中所使用的全部技术和科学术语均与本发明技术领域内所属技术人员通常理解的内容相同。本发明内容和实施路线中所使用的术语只是为了更好地表达本发明技术流程中具体实施的步骤，并不仅仅局限在所描述的术语内。在合理情况下，本发明公开的实施方式中各个实例是可以互相组合的。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图1为本发明的一种海洋悬浮式氢电联送系统的整体结构示意图，用于海洋可再生能源发电及制氢后的氢气和电力的联合输送。海洋悬浮式氢电联送系统包括：柔性输氢管道1，其用于海洋可再生能源制备的氢气的输送；电缆2，其用于海洋可再生能源发电后的电力输送；海上漂浮式风力发电机组10、海上漂浮式光伏发电机组11、海上漂浮式潮汐能发电机组12产生的电通过交流集电线路收集起来经过整流器整流，一部分电力转换成电解槽所需的直流电通过制氢平台13制备氢气，氢气通过上述柔性输氢管道1输送；另一部分电力经过升压后通过电缆2输送。

柔性输氢管道1和电缆2通过固定装置连接在一起结合形成管道电缆联合体3，固定绳索7一端与管道电缆联合体3固定连接，具体的，固定绳索一端可以通过绳网6或者蒙皮与管道电缆联合体3连接，另一端通过固定桩8或重物9固定在海底，如图中海床15；使管道电缆联合体3在浮力、重力和固定绳索7的牵引力的共同作用下悬浮于海平面14以下固定深度，同时可以缓解管道电缆联合体3随海流的波动。通过上述设置可以同时实现输氢与输送电力的目的，能够较好的应用于海上可再生能源发电中电力与所制氢气的输送场景，并且通过悬浮于海面以下固定深度，避开了海面航道以及海底复杂地形及恶劣工况，增加了管道在位工作的安全性，降低了铺设与检修成本。

海洋悬浮式氢电联送系统还包括悬浮调节体4，悬浮调节体4用于调整管道电缆联合体3的浮力和重力，使得管道电缆联合体3和悬浮调节体4的总浮力稍大于总重力，实现管道电缆联合体3的悬浮，同时避免固定绳索7的受力过大。

悬浮调节体4为长柱体，每隔一段距离通过绳编网将悬浮调节体4与柔性输氢管道1包覆在一起使其固定，长柱体的材质不限，可以为中空柱体内置空气或水，也可以为实心柱体，包括但不限于铝、钢铁等各种材料，用于调节系统整体的浮力与重力相匹配。

如图3所示，海洋悬浮式氢电联送系统中的柔性输氢管道1和电缆2两者均采用挠性固定夹具18固定并且夹具之间采用连接件17连接，能够防止海洋海流和波浪等载荷作用下柔性输氢管道1和电缆2之间频繁碰撞，产生破坏。悬浮调节体4位于两个挠性固定夹具18和连接件17围合形成的空间内，将悬浮调节体4和管道电缆联合体3连接成一个整体。

海洋悬浮式氢电联送系统还包括了浮体5，该浮体5通过浮体绳索16与管道电缆联合体3连接，通常而言，管道与电缆联合体3上每隔一段距离通过浮体绳索16连接一个浮体5，浮体5上设置有定位传感器和信号灯，定位传感器用于传输管道电缆联合体3的位置信息，实现管道电缆联合体3的定位；信号灯起到警示作用。在系统正常运行时，浮体5起到警示、定位作用；当系统失效时，如柔性输氢管道1破裂，会导致管道电缆联合体3的浮力将显著减小，此时浮体5能够提供额外的浮力，防止管道电缆联合体3沉入海底。

为了避免在系统失效时管道电缆联合体3沉入海底，要求浮体5能够提供足够的浮力，因此浮体5与管道电缆联合体3的浮力和重力的关系需满足：

其中

为浮体5的浮力（N），

为浮体5的重量（kg），

为管道电缆联合体3每米重量（kg/m），

为管道电缆联合体3的总浮力（N）。

浮体5的浮力为

为：

其中，

为海水密度（kg/m³），

为浮体5的体积（m³），

为系统失效后浮体5 浸没于海水中的体积比例，

为重力加速度（N/kg）。

已知管道电缆联合体3总长度为

，其上均匀连接着

个浮体5，因此，每个浮体5 的浮力需要保证长度为

的管道电缆联合体3不会沉入海底。长度为

的管道电缆联合体3 的总重量

为：

其中，

表示柔性输氢管道1每米重量（kg/m），

为电缆2每米重量（kg/ m）。

当系统失效时管道电缆联合体3可能会发生管道破裂等情况，记失效后的截面积为

，因此可以得出失效后管道电缆联合体3的总浮力

为：

将所得的式子代回对浮体5与管道电缆联合体3的关系式可得下式：

因此，通过计算得到想要避免在系统失效时管道电缆联合体3沉入海底，浮体5的体积

需满足：

其中，

为浮体5体积（m³），

为管道电缆联合体3总长度（m），

为管道电缆联合体3上均匀分布的浮体5数量（个），

表示柔性输氢管道1每米重量（kg/m），

为电缆2每米重量（kg/m），

为浮体5重量（kg），

为海水密度（kg/ m³），

为系统失效后管道电缆联合体3的截面积（m²），

为系统失效后浮体5浸没于海水中的体积比例。

海洋悬浮式氢电联送系统中的柔性输氢管道1可以是粘接式柔性管道，也可以是非粘接式柔性管道，可以采用非金属材料形成非金属管材，例如塑料管材或复合管材，包括但不限于由聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等聚合物基体构成的管材；

电缆2的类型可以是浸渍纸包电缆、自容式充油电缆、挤压式绝缘（交联聚乙烯绝缘、乙丙橡胶绝缘）电缆、“油压”管电缆、充气式（压力辅助）电缆等。

固定绳索7一端与管道电缆联合体3连接，具体的可以通过绳网6或者蒙皮与管道电缆联合体3连接，用于分散固定绳索7对管道电缆联合体3的牵引力，避免固定绳索7的牵引力集中于管道电缆联合体3局部区域，导致管道电缆联合体3局部区域应力过大产生失效。

固定绳索7的另一端可以通过固定桩8固定在海底，或者另一端也可以通过重物9固定在海底。固定绳索7的材料可以是钢缆，聚酯纤维绳、高分子缆绳等材料。

海洋悬浮式氢电联送系统中的管道电缆联合体3外层被保护层包裹，避免海水对柔性输氢管道1和电缆2的腐蚀。

以下通过本发明在实际应用场景下的具体实施案例进一步说明。

实施例1：

以位于东海海域的某一管道电缆联合体3（不含悬浮调节体4、不含浮体5）为例，整段管道电缆联合体3全长为10km，每隔500m会用固定桩8牵引单根固定绳索7对管道电缆联合体3进行固定。柔性输氢管道1采用高密度聚乙烯管，其外径为200mm、壁厚为22.2mm，重量为11.68kg/m；电缆2采用铜芯集电海底电缆，其外径为100mm、重量为25.8kg/m。取海水密度为1020kg/m³。

近似求得整个柔性输氢管道1和电缆2（不含悬浮调节体4、不含浮体5）的截面积之和约为0.039m²，则每米管道电缆联合体3所受浮力大小约为397.8N，管道电缆联合体3每米总重力约为374.8N。由计算数据可得，管道电缆联合体3的浮力大于重力，采用该设计方案，借助于固定绳索7，可以实现管道电缆联合体3悬浮于海平面以下。

整段10km的管道电缆联合体3总浮力约为

，总重力约为

，固定绳索7平均每隔500m对其进行牵引，计算可得本实施例每条固定绳索 7上的牵引力约为

。

实施例2：

以位于东海海域的某一管道电缆联合体3（不含悬浮调节体、不含浮体）为例，整段管道电缆联合体3全长为10km，每隔500m会用固定桩8牵引双根固定绳索7对管道电缆联合体3进行固定。柔性输氢管道1采用高密度聚乙烯管，其外径为200mm、壁厚为22.2mm，重量为11.68kg/m；电缆2采用铜芯集电海底电缆，其外径为100mm、重量为25.8kg/m。取海水密度为1020kg/m³。

整段10km的管道电缆联合体3总浮力约为

，总重力约为3.74×

，双根固定绳索7平均每隔500m对其进行牵引，正常工况下每根固定绳索7和竖直方向成30°的夹角，通过计算可得本实施例每条固定绳索7上的牵引力约为

。

实施例3

以位于东海海域的某一管道电缆联合体3（含悬浮调节体4、不含浮体5）为例，整段管道电缆联合体3全长为10km，每隔500m会用固定桩8牵引单根固定绳索7对管道电缆联合体3进行固定。柔性输氢管道1采用高密度聚乙烯管，其外径为200mm、壁厚为22.2mm，重量为11.68kg/m；电缆2采用JHS型海底橡套电缆线复合管，其外径为80mm、重量为40kg/m。取海水密度为1020kg/m³。

近似求得整个管道电缆联合体3（此时未加悬浮调节体4）的截面积约为0.036m²，则每米管道电缆联合体3所受浮力大小约为367.2N，管道电缆联合体3每米总重力约为516.8N。由计算数据可得，管道电缆联合体3的浮力小于重力，仅凭管道电缆联合体3的浮力难以实现悬浮，因此我们可采用悬浮调节体4增加整体的浮力。

本实施例以空气作为悬浮调节体4中的介质（空气重力可忽略不计）。悬浮调节体4 位于管道电缆联合体3之间，截面积约为0.015m³，则整个管道电缆联合体3（含悬浮调节体 4、不含浮体5）的截面积可视为0.051m³，整段管道电缆联合体3总浮力约为

，总重力约为

，浮力略大于重力，从而可以实现管道电缆联合体3的悬浮。

实施例4：

以位于东海海域的某一管道电缆联合体3（含悬浮调节体4、不含浮体5）为例，整段管道电缆联合体3全长为10km，每隔500m会用固定桩8牵引单根固定绳索7对管道电缆联合体3进行固定。柔性输氢管道1采用高密度聚乙烯管，其外径为200mm、壁厚为22.2mm，重量为11.68kg/m；电缆2采用铜芯集电海底电缆，其外径为50mm、重量为12kg/m。取海水密度为1020kg/m³。

近似求得整个管道电缆联合体3（此时未加悬浮调节体）的截面积约为0.033m²，则每米管道电缆联合体3所受浮力大小约为336.6N，管道电缆联合体3每米总重力约为236.8N。由计算数据可得，管道电缆联合体3的浮力大于重力，固定绳索7平均每隔500m对管道电缆联合体3进行牵引，使得其悬浮于海平面以下固定深度，整段10km的管道电缆联合体3总浮力约为3.36×10⁶N，总重力约为2.37×10⁶N，计算可得每条固定绳索7上的牵引力约为4.95×10⁴ N。若只有固定绳索7提供牵引力容易导致固定绳索7上的应力过大产生失效，因此也可采用悬浮调节体4对其浮力与重力进行调节，从而降低固定绳索7上的牵引力。

本实施例以钢铁作为悬浮调节体4，悬浮调节体4位于管道电缆联合体3之间，钢铁密度为7900kg/m³，截面积约为0.0012m³，则整个联合体（含悬浮调节体4、不含浮体5）的截面积可视为0.0342m³。加了悬浮调节体4后整段管道电缆联合体3总重力约为3.32×10⁶N，所受总浮力大小约为3.35×10⁶N，使总浮力与总重力基本相匹配，可以保证固定绳索7无需太大牵引力使得管道电缆联合体3悬浮于海平面以下固定深度。

实施例5：

以位于东海海域的某一管道电缆联合体3（不含悬浮调节体4、含浮体5）为例，整段管道电缆联合体5全长为10km，每隔500m会用固定桩8牵引单根固定绳索7对管道电缆联合体3进行固定，同时每隔500m会用浮体绳索16固定一个浮体5，在系统正常运行时，浮体5起到警示、定位作用。柔性输氢管道1采用高密度聚乙烯管，其外径为200mm、壁厚为22.2mm，重量为11.68kg/m；电缆2采用铜芯集电海底电缆，其外径为100mm、重量为25.8kg/m。取海水密度为1020kg/m³。

我们可近似求得整个柔性输氢管道1和电缆2（不含悬浮调节体4、不含浮体5）的截面积之和约为0.039m²，则每米管道电缆联合体3所受浮力大小约为397.8N，管道电缆联合体3每米总重力约为374.8N。由计算数据可得，管道电缆联合体3的浮力大于重力，采用该设计方案，借助于固定绳索7，可以实现管道电缆联合体3悬浮于海平面以下。

若该管道电缆联合体3中的柔性输氢管道1突然发生失效，管道破裂进水，此时浮体5将提供浮力防止管道电缆联合体3下沉。假设浮体5浸没系数

为50%（即一半体积浸没于海水中），每隔500m会用浮体绳索7固定一个浮体5（浮体重量可忽略不计）。由上文所提及的计算公式：

其中

，

，

，

，

，通过计算可得浮体体积应大于26.7m³才能保证本实施例的管道电缆联合体3在管道破裂时正常悬浮。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。