朱 航，歐進(jìn)萍

（1船舶工藝研究所，上海 200032；2哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090；3大連理工大學(xué) 土木水利學(xué)院，遼寧 大連 116023）

1 引 言

隨著能源需求的增加與不可再生能源的消耗，可再生新能源的發(fā)展受到人們的日益重視。風(fēng)能發(fā)電是可再生能源的利用中技術(shù)成熟、具開發(fā)條件的發(fā)電方式之一，有著非常廣闊的發(fā)展前景。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)報(bào)告預(yù)測(cè):2020年時(shí)，全球風(fēng)能發(fā)電將占發(fā)電總量的12%[1]。

目前，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主要用于陸上和近海地區(qū)。與陸上風(fēng)相比，海風(fēng)有著風(fēng)速高、靜風(fēng)期少、風(fēng)速隨高度變化小、不必限制噪音等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以大幅度地增加發(fā)電量和延長(zhǎng)設(shè)備壽命。隨著近海地區(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，如何利用深海地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電，已成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)。與陸上和近海地區(qū)的風(fēng)機(jī)下體固定式結(jié)構(gòu)不同的是，在深海地區(qū)，由于水深的增加，風(fēng)機(jī)需安置于浮式平臺(tái)上，以降低安裝成本。

用于深海地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的浮式平臺(tái)，常見的有三種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示?；诟髯缘慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，三者的設(shè)計(jì)概念也有很大不同，下面將分別對(duì)這幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹。

第一種平臺(tái)（左一），為spar-buoy式平臺(tái)，有著spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用壓載艙使得平臺(tái)的浮心高于重心，以此保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性，并配以錨泊系統(tǒng)以控制平臺(tái)的水平位移。這種平臺(tái)需要很深的吃水，按文獻(xiàn)[2]介紹，該平臺(tái)整體的吃水在120m左右。

第二種平臺(tái)（左二），為TLP式平臺(tái)，有著TLP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平臺(tái)的浮力大于重力，并通過張力腿系統(tǒng)固定于海底，以此保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性及控制水平位移。在結(jié)構(gòu)完好時(shí)，這種平臺(tái)的力學(xué)性能合理，但是，由于這種平臺(tái)無自我回復(fù)剛度，如果張力腿發(fā)生意外斷裂,平臺(tái)有極大的可能發(fā)生傾覆。因此，這種平臺(tái)有著很大的安全隱患。

第三種平臺(tái)（右一），為barge式平臺(tái)，有著巨大的水線面積，以此保證平臺(tái)的穩(wěn)性，并配以錨泊系統(tǒng)以控制平臺(tái)的水平位移。這種設(shè)計(jì)的理念是通過平臺(tái)偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩側(cè)入水體積的變化所產(chǎn)生的浮力差來提供彎矩，但是，這種平臺(tái)的水線處面積過于龐大，平臺(tái)所受到的波浪力也因此很大，會(huì)對(duì)錨泊系統(tǒng)的性能有很大需求。因此，這個(gè)方法的經(jīng)濟(jì)性不好。

此外一些學(xué)者通過將風(fēng)機(jī)平臺(tái)聯(lián)合固接于一起的方法[3-4]，增大各平臺(tái)水線面到水線面形心的距離，以此增大平臺(tái)的水線面二階矩，達(dá)到增大平臺(tái)穩(wěn)性的目的。但是，由于葉片較長(zhǎng)，為避免葉片的互相碰撞，各風(fēng)機(jī)需間隔很遠(yuǎn)，將各風(fēng)機(jī)平臺(tái)剛接需要很高的成本，因此，這種方法的經(jīng)濟(jì)性也是不好的。

本文在借鑒以上幾種平臺(tái)形式的基礎(chǔ)上，參考了Truss-spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了更適用于風(fēng)機(jī)發(fā)電的Truss-spar-buoy浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，下文將對(duì)這種平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行說明。

圖1 風(fēng)機(jī)浮式平臺(tái)常見結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Main structures of the floating wind turbine platforms

2 Truss-spar-buoy平臺(tái)參數(shù)說明

2.1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

由于浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)為承載風(fēng)機(jī)所用，首先對(duì)其上承載的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行說明。以NREL 5MW風(fēng)機(jī)為例[5]，其詳細(xì)參數(shù)如表1。

表1 NREL 5MW風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of the NREL 5MW wind turbine

2.2 設(shè)計(jì)理念

2.2.1 平臺(tái)水下主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從風(fēng)力發(fā)電對(duì)浮式平臺(tái)需求可知，適用于風(fēng)力發(fā)電的浮式平臺(tái)，需要有很好的穩(wěn)性，即平臺(tái)在風(fēng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，平臺(tái)會(huì)有自我回復(fù)能力。也就是說，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，首先要使平臺(tái)具有正的偏轉(zhuǎn)靜水回復(fù)剛度。平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)靜水回復(fù)剛度可表示為:

其中，γ為海水容重，LBG為浮心與重心的高差，V為平臺(tái)的吃水體積，Iww為平臺(tái)的水線面二階面積矩。由前面分析可知，完全通過增大平臺(tái)水線面二階面積矩的方法是不經(jīng)濟(jì)的。對(duì)平臺(tái)的改進(jìn)方案，應(yīng)從增大浮心與重心的高差，以及增大平臺(tái)的吃水體積兩方面考慮。

如欲控制平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度極值的大小，僅依靠平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)提供的偏轉(zhuǎn)靜水回復(fù)剛度是不夠的，因?yàn)檫@意味著巨大的水下體積，這樣會(huì)大幅地增加平臺(tái)的建造成本。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在平臺(tái)保持自身穩(wěn)性的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用系泊系統(tǒng)來控制平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)極值。

下面借鑒truss-spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿足這種要求的Truss-spar-buoy浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)通過靠近水線處的浮箱提供浮力，并通過水下深度較大的重箱提供壓載，二者之間通過桁架結(jié)構(gòu)連接，并設(shè)置垂蕩板結(jié)構(gòu)以減小平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)。

2.2.2 水線面積

為了減小波浪對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電浮式平臺(tái)，其水線面處面積都很小，僅滿足結(jié)構(gòu)承重要求（barge平臺(tái)除外）。但是，這樣設(shè)計(jì)的平臺(tái)，會(huì)造成運(yùn)輸和安裝過程的很多不便。為了施工上的方便，本文設(shè)計(jì)的新型平臺(tái)，其水線面處的面積將大于風(fēng)機(jī)底面面積，運(yùn)輸時(shí)可分為兩段:第一段為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，第二段則為除風(fēng)機(jī)外的其余結(jié)構(gòu)。在安裝時(shí)，將第二段通過錨泊系統(tǒng)固定于水底后，第一段吊裝插入第一段固定即可。

2.3 尺寸參數(shù)

圖2為Truss-spar-buoy平臺(tái)風(fēng)機(jī)之下結(jié)構(gòu)的示意圖。表2為相應(yīng)的尺寸參數(shù)。這些參數(shù)可以根據(jù)不同的海況或需求而調(diào)整。

表2 Truss-spar-buoy平臺(tái)尺寸參數(shù)Tab.2 Parameters of the Truss-spar-buoy platform

圖2 Truss-spar-buoy平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Truss-spar-buoy platform

圖3 錨鏈水平投影示意圖Fig.3 Mooring line system

2.4 錨泊系統(tǒng)

平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)由12根錨鏈組成，每3根為一組，均勻地分布于平臺(tái)四周，相鄰的兩組中心線夾角為45°，同組相鄰錨鏈的夾角為3°，其水平投影圖如圖3所示。錨泊系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)如表3，該參數(shù)將用于200m水深的海況條件，錨纜與平臺(tái)的連接點(diǎn)設(shè)置于水線面下，高程-10m的位置，同樣，這些參數(shù)也可以根據(jù)不同的海況或需求而調(diào)整。

表3 錨鏈參數(shù)Tab.3 Parameters of the mooring line

3 風(fēng)機(jī)對(duì)平臺(tái)的影響

3.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪與塔架的水平風(fēng)力對(duì)比

風(fēng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，可分為轉(zhuǎn)輪和塔身的水平風(fēng)力，以及二者對(duì)平臺(tái)所造成的彎矩。其中，塔身的水平風(fēng)力Ftower，其計(jì)算方法為:

其中，H為轉(zhuǎn)輪中心距水面高度，F(xiàn)wind,h為塔身上高度h處的風(fēng)載荷，ρ為空氣密度，Ah為塔身上高度h處風(fēng)的作用面積，vh為塔身上高度h處的風(fēng)速，Cd為風(fēng)力系數(shù)[6]。

對(duì)于轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力，由于變槳距技術(shù)[7]的存在，當(dāng)風(fēng)速超過其臨界值時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片的角度會(huì)發(fā)生變化，以達(dá)到降低風(fēng)載荷，并保護(hù)風(fēng)機(jī)的目的，這說明當(dāng)風(fēng)速超過臨界值時(shí)，Cd的值會(huì)逐漸減小。此外，對(duì)于不同的風(fēng)機(jī)而言，其風(fēng)力系數(shù)的變化規(guī)律也并不一致。

圖4 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪與塔架的水平風(fēng)力對(duì)比Fig.4 Comparison between the rotor and hub wind loads

文獻(xiàn)[5]給出了NREL 5MW風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力。將根據(jù)（2）式計(jì)算所得的塔架的水平風(fēng)力與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖4所示。對(duì)比結(jié)果表明:在不考慮遮蔽效應(yīng)的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力值遠(yuǎn)大于塔架的水平風(fēng)力。因此，下面的計(jì)算中將忽略塔架的水平風(fēng)力，以及它所造成的彎矩。

圖4的結(jié)果同樣表明，轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力極值出現(xiàn)于風(fēng)速為11.5m/s時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水平風(fēng)力值為0.81MN。出于安全考慮，風(fēng)機(jī)對(duì)浮體的影響，將按轉(zhuǎn)輪的水平風(fēng)力極值，作為定常力作用于控制室位置，即有:

這樣，風(fēng)對(duì)平臺(tái)的彎矩極值Mwind可以表達(dá)為:

其中，hc和hg分別為轉(zhuǎn)輪中心與平臺(tái)整體的重心高度。

3.2 波浪載荷與風(fēng)載荷的比較

本段對(duì)平臺(tái)風(fēng)和浪載荷對(duì)比，包括水平力極值，以及會(huì)造成平臺(tái)縱搖或橫搖響應(yīng)的彎矩極值的對(duì)比。載荷計(jì)算過程中，設(shè)定水平風(fēng)力及風(fēng)彎矩為定常力，而波浪對(duì)平臺(tái)作用的數(shù)值模擬中波浪譜選為Jonswap譜，并取時(shí)域結(jié)果中3h時(shí)長(zhǎng)內(nèi)波浪載荷的極值作用比較所用載荷。表4為不同重現(xiàn)期時(shí)平臺(tái)的風(fēng)、浪載荷極值的對(duì)比結(jié)果。計(jì)算表明，水平風(fēng)力極值不到水平波浪力極值的5%，可以忽略不計(jì)，但是風(fēng)彎矩的極值可占波浪彎矩極值的11%以上，需要得到足夠的重視。

表4 平臺(tái)風(fēng)和浪載荷極值比較Tab.4 Comparison between platform wind loads and wave force

4 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算

根據(jù)前文所列參數(shù)，采用aqwa5.7A軟件，采用時(shí)域方法計(jì)算了平臺(tái)在10年重現(xiàn)期、自存海況和風(fēng)浪聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算過程中不考慮海流對(duì)平臺(tái)的影響。數(shù)值計(jì)算過程中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程及求解方法可參考文獻(xiàn)[8]。

圖5 平臺(tái)垂蕩響應(yīng)RAO的數(shù)值結(jié)果Fig.5 Heave motion RAO of the platform

圖6 平臺(tái)縱搖響應(yīng)RAO的數(shù)值結(jié)果Fig.6 Pitch motion RAO of the platform

4.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的頻域結(jié)果

首先通過頻域方法對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究?？紤]平臺(tái)的對(duì)稱性，只針對(duì)平臺(tái)的垂蕩和縱搖響應(yīng)RAO進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)的共振頻率段在0.2～0.35rad/s，縱搖響應(yīng)的共振頻率段在0.25～0.35rad/s，二者都避開了南海波浪的主要頻率段。這表明，設(shè)計(jì)的平臺(tái)在中國(guó)南海海域有著很好的耐波性能。

4.2 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域計(jì)算

下面計(jì)算平臺(tái)在10年重現(xiàn)期自存海況、風(fēng)浪聯(lián)合作用下的時(shí)域響應(yīng)，以得到對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能更全面的認(rèn)識(shí)?？紤]平臺(tái)的對(duì)稱性，只對(duì)風(fēng)浪同向、入射角均為180°時(shí)的海況進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如下文。

圖7～9分別是平臺(tái)的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線。計(jì)算結(jié)果表明，平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)最大位移在15m左右，垂蕩響應(yīng)最大位移在4m左右，這兩個(gè)位移都很小，不會(huì)影響電力的輸送。但是，平臺(tái)的縱搖響應(yīng)極值在33°左右，這個(gè)角度可能偏大，必要的話，可以通過增加平臺(tái)的水下體積（即增大浮箱即壓載體積）的方法，進(jìn)一步減小平臺(tái)的縱搖響應(yīng)。但這個(gè)改造方案同時(shí)也會(huì)增加平臺(tái)的建造成本。

圖7 平臺(tái)縱蕩響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.7 Surge motion response of the platform in time domain

圖8 平臺(tái)垂蕩響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.8 Heave motion response of the platform in time domain

圖9 平臺(tái)縱搖響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.9 Pitch motion response of the platform in time domain

圖10 點(diǎn)O的水平運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.10 Horizontal motion response of Point O in time domain

在得到平臺(tái)各自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后，平臺(tái)上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也可以隨之得出。圖10為水線面的平臺(tái)上，與平臺(tái)固接的點(diǎn)O(0,0,0)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，水線面上點(diǎn)的水平位移其最大值可達(dá)到30m，這說明在平臺(tái)30m范圍之內(nèi)，不宜有其余海洋結(jié)構(gòu)物存在，以避免撞擊對(duì)平臺(tái)所造成的破壞。

5 結(jié) 論

本文參考truss-spar平臺(tái)，設(shè)計(jì)了適用于承載風(fēng)機(jī)的Truss-spar-buoy浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究，得到結(jié)論如下:

（1）Truss-spar-buoy平臺(tái)的吃水為85m，這表示該平臺(tái)可以用于一些水深較淺的區(qū)域，這樣可以降低電力的輸運(yùn)成本。

（2）在安裝NREL 5MW風(fēng)機(jī)后，對(duì)該平臺(tái)的風(fēng)、浪載荷極值進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，水平風(fēng)力極值不到水平波浪力極值的5%，而風(fēng)彎矩的極值可達(dá)到波浪彎矩極值的11%以上。

（3）在中國(guó)南海10年重現(xiàn)期自存海況，風(fēng)浪聯(lián)合作用下，該平臺(tái)的縱蕩、垂蕩和縱搖響應(yīng)極值分別為15m、4m和33°。這表明平臺(tái)的位移很小，不會(huì)對(duì)電力輸送造成不利影響，但是偏轉(zhuǎn)較大。如欲降低平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)響應(yīng)，可進(jìn)一步增大平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)的體積，但是這樣會(huì)增加平臺(tái)的建造成本。

（4）平臺(tái)水線面上點(diǎn)的水平位移極值可達(dá)30m，在這個(gè)范圍內(nèi)不宜有其余海洋結(jié)構(gòu)物的存在，以避免撞擊對(duì)平臺(tái)的破壞。

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