徐思遠，張淑華

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

風能作為一種可再生能源，具有廣闊的應用潛能[1]，因此得到廣泛的重視，風電的開發(fā)和利用發(fā)展迅速[2]。目前海上風機平臺以近海海域的固定式平臺為主，但是近海海域的資源有限，而深海海域空間廣闊并且有豐富的風能資源，從而吸引了更多專家學者致力于海上浮式風機的研究[3]。與近海固定式平臺相比，深海浮式平臺所遭受的海洋環(huán)境更惡劣，運動響應也更加劇烈，這對風機的平穩(wěn)運行是一個巨大的考驗[4]。目前，研究較多的海上浮式風機基礎主要有SPAR型基礎[5]、TLP型基礎[6]、半潛式基礎和浮筒基礎等。本文針對200 m水深海域，設計了支撐5MW風機的SPAR型基礎，分別在頻域和時域內(nèi)對平臺進行了分析，計算得到了平臺的幅值響應算子，附加質(zhì)量等水動力系數(shù)，以及在不同風況下風機平臺運動的時歷曲線。最后，計算了風機在百年一遇海況條件下的運動響應，證明了其能夠在深海海域安全運行。

1-a SPAR平臺結(jié)構(gòu)模型圖 1-b 系泊系統(tǒng)布置示意圖圖1 SPAR平臺結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of SPAR

1 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)

SPAR浮式平臺由浮箱、垂蕩板、立柱和壓載艙4個部分組成，如圖1所示，平臺總體高度為66 m。浮箱為圓柱式，垂蕩板為三層，最底部為混凝土壓載艙，各部分由立柱連接。浮箱提供浮力和回復力，垂蕩板增加平臺阻尼[7]，抑制垂蕩運動，壓載艙中填充混凝土，降低系統(tǒng)重心，平臺結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。由于水面線處的大尺度結(jié)構(gòu)會使平臺垂蕩固有周期接近波浪譜的高能量區(qū)域[8]，從而造成較大的垂蕩響應，因此在設計的過程中將浮箱分為兩個部分，上部分的小尺度結(jié)構(gòu)(浮箱1)可以減少平臺的垂蕩響應和所受的波浪力，下部分的大尺度結(jié)構(gòu)(浮箱2)為浮式基礎提供足夠的浮力。平臺重心和浮心的高度差為17.2 m，說明該平臺可以在水中保持足夠的穩(wěn)定性。

表1 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of the platform

風機采用美國可再生能源研究所(NREL)公布的5MW風機進行建模和計算[9]。風機的主要參數(shù)如表2所示。系泊系統(tǒng)采用8根系泊纜均勻?qū)ΨQ布置的形式，錨鏈參數(shù)如表3所示[10]，系泊系統(tǒng)的布置如圖1所示。

表2 風機發(fā)電參數(shù)Tab.2 Parameters of wind turbine

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

2 環(huán)境條件

不規(guī)則波浪使用Pierson-Moscowitz譜生成。假設不規(guī)則波是由風引起的，在無風區(qū)尺度限制的深海條件下，根據(jù)經(jīng)驗公式可以計算在某個風速下的有義波高H1/3。有義波高H1/3和U的關系由以下經(jīng)驗公式表達

(1)

不規(guī)則波和均勻定常風計算工況如表4所示。

表4 不規(guī)則波工況Tab.4 Loading conditions of irregular waves

圖2 SPAR風機平臺的幅值響應算子Fig.2 RAO of the wind turbine

3 風機平臺頻域響應分析

平臺的頻域分析使用SESAM的勢流模塊HydroD。頻率范圍取0～2 rad/s，來波方向0°，工作水深200 m。計算得到風機平臺運動的幅值響應算子。由于平臺的對稱性，橫蕩、橫搖和艏搖均為0。平臺的縱搖、縱蕩和垂蕩如圖2所示。從圖中可以看出，當波浪頻率接近平臺的固有頻率時，平臺的各個自由度的運動劇烈，而波浪頻率遠離固有頻率時，平臺的運動趨于緩和。平臺縱搖和縱蕩的固有頻率在0.3 rad/s左右，垂蕩的固有頻率在0.2 rad/s左右。因此，平臺的固有頻率在0.2～0.3 rad/s左右，該頻率遠離常見的波浪頻率。這說明設計出來的平臺具有良好的耐波性。計算得到的幅值響應算子，附加質(zhì)量系數(shù)，勢流阻尼系數(shù)等水動力參數(shù)將會用于時域分析中。

4 風機平臺時域響應分析

NREL 5MW風機為可控葉片螺距型，即在不同的風速下可以通過改變風機葉片的螺距來使發(fā)電機的功率保持穩(wěn)定。均勻定常風作用于該葉片上的推力，可以用基于Knauer等提出的經(jīng)驗公式計算[11]

(2)

式中:ρa為空氣密度；A為葉片掃過的面積；Ur為來風與風機的相對速度；CT為風機葉片的推力系數(shù)，是與風速相關的函數(shù)。

計算得到的不同風速下作用于葉片上的推力見表5。當風速達到11.4 m/s時，風機所受的風力最大。

表5 作用于風機葉片的推力Tab.5 Wind force on turbine blades

4.1 不規(guī)則波和定常風作用下的平臺運動響應

使用SESAM[12]軟件中的DeepC模塊計算風機系統(tǒng)的運動響應和錨鏈張力。由于風速和風向隨時間的變化較為緩慢，因此在一定的時間段內(nèi)可以認為風速和風向是不變的，并且在風速較大時不考慮渦激振動的影響，只考慮均勻定常風及其引起的不規(guī)則波一起作用于浮式平臺上，定常風和不規(guī)則波來向均為0°。計算得到風機平臺運動響應和錨鏈張力(Line1)的時歷曲線，并對時歷曲線進行頻譜分析，結(jié)果見圖3。

3-a 縱蕩頻譜 3-b 縱搖頻譜

3-c 垂蕩頻譜 3-d 錨鏈張力頻譜圖3 SPAR風機平臺運動和錨鏈張力的頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis of platform motions and line′s tension

從圖3中可以看出，平臺的運動可分為頻率為波頻的高頻運動以及頻率約為0.05 rad/s或0.2 rad/s的低頻運動，并且低頻運動的頻率不隨風速和波浪大小的變化而變化。平臺運動和錨鏈張力頻譜波頻部分的譜峰，隨著不規(guī)則波有義波高的增大以及譜峰頻率的減小，也相應的增大并往低頻處偏移。

提取不同風況下對平臺運動和錨鏈張力的時歷曲線的最大值，得到不同風速下平臺運動和錨鏈張力最大值的曲線圖，見圖4。從圖4中可以看出，縱搖、縱蕩和錨鏈張力的最大值在總體上隨風速增大而增大，而在風速達到11.4 m/s后由于風對風機葉片的推力減小，最大值的變化趨于平緩，隨后由于波浪的增大而繼續(xù)增大。平臺垂蕩的最大值隨風速的增大一直在增大，平臺風機葉片的推力對其幾乎沒有影響。平臺的縱搖和垂蕩在風速25 m/s的時候達到最大值，而縱蕩和錨鏈張力在風速23 m/s的時候達到最大值。平臺的運動在20 m/s后達到一個較大值，因此建議在風速達到20 m/s后，風機暫時停止運轉(zhuǎn)，即處于自存狀態(tài)。

4-a 不同風速下平臺運動最大值 4-b 不同風速下錨鏈1張力最大值圖4 不同工況下SPAR風機運動和錨鏈張力的最大值Fig.4 The maximum values of platform motion and line′s tension under different conditions

4.2 不規(guī)則波作用下的平臺運動響應

風機的切出風速為25 m/s，因此風速大于25 m/s以后風機停止轉(zhuǎn)動，處于自存狀態(tài)。選取百年一遇臺風極限海況[13]，海浪譜選擇Bretschneider譜，Hs=13.3 m，Ts=15.5 s，波浪入射角為0°。計算得到風機平臺運動和錨鏈張力的時歷曲線。根據(jù)錨鏈張力的時歷曲線提取出錨鏈張力的最大值，見表6。根據(jù)平臺運動的時歷曲線提取出各自由度的最大值，其中縱搖運動的最大值為15°，縱蕩運動的最大值為19.3m，垂蕩運動的最大值為9.9m。依據(jù)API規(guī)范要求，對于百年一遇海洋條件下自存工況的海洋平臺，完好的系泊系統(tǒng)進行動力分析時，鋼鏈和鋼纜的最大張力安全因子取1.67。平臺的最大水平位移應控制在水深10%的范圍以內(nèi)。安全因子是錨鏈最大張力與錨鏈破斷強度的比值。從表6中可以看出，平臺最大錨鏈張力出現(xiàn)在5號錨鏈，安全因子為4.48，滿足API規(guī)范的要求。從表7中得知，平臺縱蕩最大值為19.3 m，沒有超過水深的10%。因此平臺在臺風極限海況下運動響應良好，能夠適應深海惡劣的海洋環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)SPAR風機平臺縱搖和縱蕩的固有頻率在0.3 rad/s左右，垂蕩的固有頻率在0.2 rad/s左右，該頻率遠離常見的波浪頻率，平臺具有良好的耐波性。

(2)分析SPAR平臺運動時歷曲線的頻譜得知，風機系統(tǒng)的運動可分為兩個部分：一個是與平臺固有頻率和系泊系統(tǒng)有關的低頻運動，另一個是與波浪頻率有關的高頻運動。

(3)對不同風速下平臺運動和錨鏈張力最大值分析，在風速達到20m/s后，平臺運動的最大值達到了較高的水平。建議在風速到達20 m/s時，風機葉片停止運轉(zhuǎn)進入自存狀態(tài)。

(4)平臺在百年一遇的臺風極限海況下運動響應良好，能夠適應深海惡劣的環(huán)境。說明該SPAR風機平臺設計合理。

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