阮勝福，樊 冰，王 濤，田維興

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程設(shè)計有限公司，天津 300452)

半潛式海上風(fēng)電平臺運動特性研究

阮勝福1，樊 冰2，王 濤1，田維興1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程設(shè)計有限公司，天津 300452)

海上風(fēng)電場的設(shè)計水深逐漸增加，風(fēng)機功率不斷提高，傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)不再適用，性能優(yōu)良的浮式基礎(chǔ)已成為研究的熱點。針對60 m水深，為600 kW水平軸風(fēng)機設(shè)計半潛式基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)。運用SESAM軟件建立半潛式風(fēng)電平臺的有限元模型，分別計算其頻域和時域運動響應(yīng)，分析其運動性能和系泊纜張力，對海上浮式風(fēng)電場的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

海上風(fēng)電場；半潛式基礎(chǔ)；運動響應(yīng)；系泊纜張力

0 引 言

我國海上風(fēng)能資源十分豐富，水深5～25 m的海域可裝機容量約2億千瓦，水深70 m以上的海域可裝機容量約5億千瓦。與陸上風(fēng)能相比，海上風(fēng)能不僅資源豐富，而且風(fēng)速更高、更穩(wěn)定；海上風(fēng)電場距離岸邊較遠，不會影響海邊的旅游業(yè)，其視覺影響、噪聲和電磁波干擾也更小。水深較淺時，海上風(fēng)機可以采用固定式基礎(chǔ)，如單樁基礎(chǔ)、混凝土重力基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。水深超過50 m時，考慮到經(jīng)濟成本和安全性，宜采用浮式基礎(chǔ)，如單柱式平臺(Spar)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、半潛式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及張力腿平臺(TLP)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。海上風(fēng)電浮式平臺的設(shè)計，可以借鑒較為成熟的浮式海洋石油平臺的工程經(jīng)驗。

英國、荷蘭、美國、日本等國對浮式風(fēng)電進行了詳細的理論研究和模型試驗，并且已有示范項目在運行?，F(xiàn)階段我國對海上浮式風(fēng)電的研究多處于概念設(shè)計、理論研究和模型試驗階段，缺乏設(shè)計和安裝經(jīng)驗[1]。李溢涵[2]對Spar基礎(chǔ)的浮式風(fēng)機運動特性進行了理論研究；劉中柏[3]對Spar基礎(chǔ)的浮式風(fēng)機運動特性進行了試驗研究；陶海成[4]對三柱式浮式風(fēng)電平臺的結(jié)構(gòu)強度和疲勞特性進行了研究。本文研究了一種應(yīng)用于60 m水深、半潛式基礎(chǔ)的海上風(fēng)電平臺的運動特性和系泊纜張力，得到了一些有價值的結(jié)論。

1 分析方法

對于浮式結(jié)構(gòu)物的運動特性分析，一般先進行頻域分析，然后開展時域分析。相對于頻域分析，時域分析充分考慮各種非線性因素，計算結(jié)果更為可靠。小尺度結(jié)構(gòu)上的波浪力和海流力，可用Morison公式求解；而大尺度結(jié)構(gòu)上的波浪力，可用三維勢流理論求解，其上的海流力可根據(jù)美國石油學(xué)會(API)規(guī)范API RP 2SK[5]計算。風(fēng)機正常發(fā)電和停止發(fā)電時所受的風(fēng)荷載，可按《風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》[6]計算；而其他結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載，應(yīng)考慮形狀系數(shù)和高度系數(shù)，可按照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》[7]計算。本文不再贅述這些經(jīng)典理論和相應(yīng)規(guī)范。

1.1 頻域分析

頻域分析主要是研究不同周期的波浪作用下浮體的固有運動特性。若假定入射波為單位波幅的Airy波，可根據(jù)頻域運動方程求解浮體運動響應(yīng)幅值算子(RAO)。頻域運動方程為

[-ω2(M+A(ω))+iω(B(ω)p+Bv)+C+Ce]X(ω,β)=F(ω,β),

(1)

式中：ω為入射波角頻率；β為入射波傳播方向；M為浮體質(zhì)量矩陣；A(ω)為附加質(zhì)量矩陣；B(ω)p為輻射阻尼矩陣；Bv為線性阻尼矩陣；C為靜水回復(fù)剛度矩陣；Ce為系泊系統(tǒng)的剛度矩陣；X(ω,β)為浮體運動響應(yīng)；F(ω,β)為波浪力。

1.2 時域分析

在風(fēng)、浪、流以及系泊系統(tǒng)的作用下，求解浮體時域運動方程，可以得到浮體各種響應(yīng)的時間歷程。時域運動方程為

(2)

2 半潛式風(fēng)電平臺介紹

本文為600 kW水平軸風(fēng)機設(shè)計了塔柱、半潛式基礎(chǔ)以及系泊系統(tǒng)，設(shè)計水深60 m，設(shè)計吃水9 m。風(fēng)機設(shè)計風(fēng)速14 m/s，葉輪直徑43.2 m，三個葉片，機艙質(zhì)量26.5 t，葉輪質(zhì)量13 t。在三個立柱下端布置壓水板，以增加附加質(zhì)量和阻尼，抑制風(fēng)電平臺的運動[8]。每個立柱內(nèi)布置4個壓載艙，內(nèi)部填充海水。三個立柱的中心構(gòu)成邊長為48 m的等邊三角形。該半潛式風(fēng)電平臺的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示，其中總重量和重心含壓載水，不含系泊系統(tǒng)。風(fēng)電平臺的幾何模型如圖1所示。坐標(biāo)系原點位于立柱底面中心所構(gòu)成的等邊三角形的中心，如圖2所示。為計算半潛式風(fēng)電平臺上的水動力載荷，分別建立了濕表面模型和Morison模型，如圖3和圖4所示，并將兩者進行組合，如圖5所示。系泊纜采用6根錨鏈，布置如圖6所示。葉片和機艙運用SESAM軟件中的設(shè)備單元來模擬。

表1 半潛式風(fēng)電平臺主要參數(shù)

圖1 幾何模型Fig.1 Geometry model

圖2 坐標(biāo)系和環(huán)境方向Fig.2 Coordinate system and environmental directions

圖3 濕表面模型Fig.3 Wet surface model

圖4 Morison模型Fig.4 Morison model

圖5 復(fù)合水動力模型Fig.5 Composite hydrodynamic model

圖6 系泊纜布置Fig.6 Mooring line arrangement

3 計算結(jié)果

3.1 頻域結(jié)果

選擇一系列不同周期的規(guī)則波計算半潛式風(fēng)電平臺的運動RAO，如圖7和圖8所示。該半潛式風(fēng)電平臺的縱、橫穩(wěn)性高均為23.8 m，其橫搖、縱搖和垂蕩的固有周期分別為14.4 s、14.4 s和11.7 s。在實際的隨機海浪中，其主要成分為周期4～12 s的波浪。該半潛式風(fēng)電平臺平面外運動的固有周期大于主要的波浪周期，因此具有良好的運動性能。

圖7 橫搖運動RAOFig.7 Roll RAO

圖8 垂蕩運動RAOFig.8 Heave RAO

3.2 時域結(jié)果

半潛式海洋石油平臺正常作業(yè)時，其垂蕩運動應(yīng)小于±(1～1.5) m，水平運動應(yīng)小于水深的5%～6%[9]。浮式風(fēng)電平臺無人駐守，因此可以適當(dāng)放寬其垂蕩和水平運動的限值。在葉片迎風(fēng)向浮式風(fēng)電平臺的俯仰角是非常關(guān)鍵的設(shè)計因素。如果俯仰角太大，葉片攻角會隨之大幅變化，造成發(fā)電功率劇烈波動，也會加劇風(fēng)機的損傷。浮式風(fēng)電平臺正常發(fā)電時，平均俯仰角應(yīng)不超過±5°，動態(tài)俯仰角應(yīng)不大于±15°，系泊系統(tǒng)張力的安全系數(shù)應(yīng)不小于2.0[10]。

本文計算了四種海況：(1)有義波高Hs=2.5 m，譜峰周期Tp=7 s，平均風(fēng)速14 m/s，表層流速0.20 m/s；(2)Hs=3.0 m，Tp=8 s，平均風(fēng)速16 m/s，表層流速0.25 m/s；(3)Hs=4.0 m，Tp=9 s，平均風(fēng)速18 m/s，表層流速0.30 m/s；(4)Hs=5.0 m，Tp=10 s，平均風(fēng)速20 m/s，表層流速0.40 m/s。脈動風(fēng)速選用NPD風(fēng)譜；隨機波浪采用Jonswap譜，譜峰因子γ取2.5，保守考慮風(fēng)浪流同向。

對于第一種和第二種海況，風(fēng)電平臺的垂蕩不超過±0.7 m，橫搖和縱搖不超過±2.5°，系纜張力遠小于2 250 kN，因此可正常發(fā)電。

對于第三種海況，橫搖和縱搖不超過±4°。在環(huán)境載荷方向為0°時，垂蕩最小值約-1.5 m，而大部分時間的垂蕩滿足要求，如圖9所示。系纜張力大于2 250 kN的概率很小，張力的1/10最大值和1/3最大值也較小，如圖10所示。所以，此時也可正常發(fā)電。

在第四種海況下，如果正常發(fā)電，在環(huán)境載荷方向為0°時，風(fēng)電平臺垂蕩最大值2.07 m，最小值-2.66 m，纜1張力最大值4 119 kN。如果停止發(fā)電，垂蕩最大值接近±2 m，系纜張力最大值超過2 250 kN，但小于破斷張力。停止發(fā)電的計算結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖9 垂蕩時間歷程(第三種海況，環(huán)境載荷方向0°)Fig.9 Heave time history (case No. 3, environmental direction 0°)

圖10 纜2張力時間歷程(第三種海況，環(huán)境載荷方向90°)Fig.10 Tension time history of line No. 2 (case No. 3, environmental direction 90°)

圖11 垂蕩時間歷程(第四種海況，環(huán)境載荷方向30°)Fig.11 Heave time history (case No.4, environmental direction 30°)

圖12 纜1張力時間歷程(第四種海況，環(huán)境載荷方向30°)Fig.12 Tension time history of line No.1 (case No.4, environmental direction 30°)

4 結(jié) 語

根據(jù)某600 kW水平軸風(fēng)機的參數(shù)，設(shè)計了半潛式基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)，運用SESAM軟件建立了有限元模型，并對其進行了頻域和時域運動響應(yīng)分析，得出如下主要結(jié)論。

(1) 在立柱中設(shè)計海水壓載艙，可降低半潛式風(fēng)電平臺的重心高度，提高靜穩(wěn)性和優(yōu)化運動性能。

(2) 半潛式風(fēng)電平臺的橫搖、縱搖以及垂蕩運動可以避開主要的波能周期段。

(3) 有義波高不超過4 m時，半潛式風(fēng)電平臺可正常發(fā)電；有義波高超過4 m時，應(yīng)停止發(fā)電。

(4) 壓水板可增加附加質(zhì)量和阻尼，有效減小半潛式風(fēng)電平臺的運動。

(5) 若要抵抗更惡劣的海況，可采用增加結(jié)構(gòu)吃水、增大壓水板直徑以及提高系泊系統(tǒng)剛度等方法。

目前國外所研究的海上浮式風(fēng)機的功率已近10 MW。本文所研究的風(fēng)機功率和作業(yè)水深雖小，但其半潛式風(fēng)電平臺的結(jié)構(gòu)布置、動態(tài)響應(yīng)的分析方法對類似浮式風(fēng)電平臺的設(shè)計具有一定的參考價值?？傮w結(jié)構(gòu)布置和運動性能分析只是浮式風(fēng)電平臺設(shè)計的一部分工作，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)強度和疲勞等方面進行具體的研究。

[1] 高偉, 李春,葉舟.深海漂浮式風(fēng)力機研究及最新進展[J].中國工程科學(xué),2014,16(2): 79.

[2] 李溢涵.海上風(fēng)機Spar型浮式基礎(chǔ)的運動特性研究[D].天津：天津大學(xué),2011.

[3] 劉中柏.海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)運動特性試驗研究[D].天津：天津大學(xué),2013.

[4] 陶海成.海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計及整體強度分析[D].天津：天津大學(xué),2012.

[5] American Petroleum Institute. API RP 2SK. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S]. 2005.

[6] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會. GB/T 18451.1—2012.風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求[S]. 2012.

[7] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S]. 2005.

[8] 鄧露,王彪,肖志穎,等.半潛型浮式風(fēng)機平臺研究綜述[J].船舶工程,2016,38(4): 1.

[9] 李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強度分析[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992: 2-5.

[10] Zambrano T, MacCready T, Kiceniuk T Jr., et al. Dynamic modeling of deepwater offshore wind turbine structures in Gulf of Mexico storm conditions[C]. OMAE, 2006: 92029.

StudyonMotionCharacteristicsforSemi-SubmersiblePlatformofOffshoreWindTurbine

RUAN Sheng-fu1, FAN Bing2, WANG Tao1, TIAN Wei-xing1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.CNOOCTianjinEngineeringDesignCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

With the water depth of offshore wind farm and the power of wind turbine increasing gradually, the traditional fixed foundations are not applicable. The floating foundations with excellent characteristics have become a research focus. The semi-submersible foundation and mooring system are designed for a 600 kW wind turbine with a horizontal shaft, and the water depth is 60 m. SESAM software is used to establish the finite element model of this semi-submersible platform. The motion responses are calculated in both frequency domain and time domain. Motion performance and mooring line tension are also investigated. This research has some guiding values for the development of offshore wind farm with floating foundation.

offshore wind farm; semi-submersible foundation; motion response; mooring line tension

2016-09-12

阮勝福(1986—)，男，工程師，主要從事海洋石油平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。

U656.6

A

2095-7297(2016)06-0371-05