陳映宇， 張玉明， 劉海笑

(天津大學 建筑工程學院， 天津 300072)

0 引 言

近年來，隨著能源需求的日漸增加及環(huán)境污染問題的日漸嚴重，以風能為代表的可再生能源利用技術(shù)取得了長足的發(fā)展。與陸上風機相比，海上風機有不占用土地資源、單體裝機容量大、布置受限小等優(yōu)點。其中，浮式風機因采用浮式基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)固定式風機相比，有機動性強、受水深影響小等優(yōu)勢，在相對深的海域中有廣泛的應(yīng)用前景，是目前國內(nèi)外研究的熱點。浮式風機按基礎(chǔ)類型可分為半潛式、Spar形式和TLP形式[1]，其中Spar形式因穩(wěn)定性較好，在相對深的海域中有良好的應(yīng)用前景。

系泊系統(tǒng)能夠保證浮式風機輸電穩(wěn)定、運行安全。唐耀等[2]根據(jù)OC3-Hywind Spar式浮式風機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算浮式風機在時域內(nèi)的運動響應(yīng)和系纜張力。高巍等[3]研究OC3-Hywind Spar式浮式風機，得出湍流風模型下風機平臺的運動響應(yīng)。艾勇等[4]對OC3-Hywind Spar式浮式風機進行氣動-水動-錨泊系統(tǒng)耦合分析，有效且準確地分析了浮式風機的動力性能。易乾等[5]使用WAMIT軟件建立OC3-Hywind Spar式浮式風機模型, 闡述了在南海相應(yīng)工況下浮式平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)型參數(shù)的變化對整體結(jié)構(gòu)的運動影響。李嘉文等[6]模擬了一個葉片上變槳控制系統(tǒng)失效的情況,研究空氣動力失衡對海上浮式風機系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響。目前，針對浮式風機系泊系統(tǒng)的研究主要集中在懸鏈式系泊上，關(guān)于繃緊式系泊的研究較少。

本文以O(shè)C3-Hywind Spar式浮式風機為研究對象，對比懸鏈式系泊平臺與繃緊式系泊平臺的運動響應(yīng)，針對繃緊式系泊不同水平跨距和系泊點位置進行分析，為系泊方式設(shè)計提供建議。

1 風荷載計算及平臺響應(yīng)的相關(guān)原理

1.1 葉素動量理論

風機葉片沿展向分為許多微段，這些微段稱為葉素。葉素動量理論[7]是將每個葉素上的力和彎矩沿展向積分疊加，得到作用于風輪上的力和彎矩的氣動理論。作用在每個葉素上的推力及力矩為

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度；v為葉片上的相對風速；B為葉片個數(shù)；c為葉片弦長；CL為升力系數(shù)；CD為阻力系數(shù)；φ為氣流入流角；r為葉素距輪轂中心的距離；dr為每個葉素的展向長度。

根據(jù)API規(guī)范[8]計算作用于塔柱和葉片(停機狀態(tài))上的定常風壓和風傾力矩為

(3)

(4)

在計算中，設(shè)計工況下采用FAST軟件計算浮式風機受到的風荷載，生存工況下根據(jù)上述API規(guī)范計算風荷載。

1.2 頻域動力響應(yīng)計算

基于三維勢流理論求解速度勢。不考慮系泊的浮體運動頻域響應(yīng)方程為

[-ω2(Mf+A)+(-iωC+K)]u=Fw

(5)

式中：Mf為浮體系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；A為附加質(zhì)量矩陣；C為附加阻尼矩陣；K為附加水靜力矩陣；u為復數(shù)形式的浮體運動響應(yīng)；Fw為波浪激勵力；ω為入射波浪頻率。上述過程可由水動力軟件ANSYS AQWA計算而得。對于系泊狀態(tài)的RAO計算，需在K中加入線性化后的系泊剛度矩陣。

1.3 動力響應(yīng)計算原理

海洋風機平臺運動方程為

(6)

(7)

在時域計算中，風機平臺運動方程為

(8)

式中：A∞為低頻附加質(zhì)量矩陣；R為速度脈沖函數(shù)矩陣。其中，纜繩張力可通過有限元模型迭代獲得。

2 浮式風機平臺計算模型及海況選擇

圖1 浮式風機整體模型

2.1 平臺參數(shù)

圖2 ANSYS AQWA水動力計算模型

選取NREL設(shè)計的OC3-Hywind Spar基礎(chǔ)5 MW風機[9](見圖1)為研究對象，該浮式風機葉輪直徑為126 m，切入風速為5 m/s，切出風速為25 m/s，額定風速為11.4 m/s，其幾何參數(shù)如表1所示。

表1 OC3-Hywind Spar式浮式風機平臺基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 模型驗證

為驗證水動力分析的有效性，將ANSYS AQWA中建立的浮式基礎(chǔ)模型(見圖2)計算所得的RAO與KOO等[10]的1∶50波浪水池試驗結(jié)果進行對比，如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型運動響應(yīng)RAO與模型試驗結(jié)果比較

圖4 系纜布置

從圖3可以看出，使用水動力軟件計算所得的RAO與波浪水池試驗實測數(shù)據(jù)基本一致，表明水動力計算結(jié)果可靠。

2.3 系纜布置及纜繩參數(shù)

系泊系統(tǒng)分別采用懸鏈式和繃緊式兩種方式，均由3根系泊纜繩組成，纜繩間夾角為120°，導纜孔在水線下70 m，系纜布置如圖4所示。在懸鏈式系泊中，系纜為R4K4鋼鏈?？嚲o式系纜采用鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈的組合形式，該組合形式可在降低系纜質(zhì)量的同時減輕海底泥沙對纜繩的磨損，延長使用壽命。各系泊系統(tǒng)系纜參數(shù)[11]如表2所示。

表2 系纜參數(shù)及布置方案

2.4 海況

選取中國南海某海域320 m水深作為工作水深。海況如表3所示，波浪譜采用JONSWAP(Joint Noth Sea Wave Project)譜，波浪入射角度為180°(與x軸負向重合)，風的方向與x軸負向重合呈180°。

表3 浮式風機的環(huán)境條件

依據(jù)DNV規(guī)范[12]，考慮極端響應(yīng)情況，選取每個海況時長為3 h來分析系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)。

3 繃緊式系泊運動響應(yīng)影響因素及優(yōu)化方案

3.1 繃緊式系泊浮式風機在風浪作用下運動響應(yīng)分析

浮式風機在風浪作用下的運動響應(yīng)由水動力軟件ANSYS AQWA計算得出，時間步長設(shè)為0.1 s。由風浪方向和系纜布置可知，在系泊系統(tǒng)中3號纜繩張力最大。針對繃緊式方案，計算4種海況下浮式風機系統(tǒng)的時域響應(yīng)，統(tǒng)計各海況下浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)及3號纜繩最大張力，如表4所示。

表4 風浪聯(lián)合作用下浮式基礎(chǔ)運動及3號纜繩最大張力

由表4可知：在海況3和海況4下，繃緊式系泊安全因數(shù)分別為2.74和2.04，兩者均大于1.67，滿足API RP 2SK[13]的要求，即完整狀態(tài)的系泊系統(tǒng)在工作服役時需維持的安全因數(shù)在1.67以上。同時，采用繃緊式方案的浮式風機在3個方向上的運動均較小，有良好的運動性能。

3.2 繃緊式與懸鏈式系泊方式下風機運動響應(yīng)比較

在海況1下繃緊式和懸鏈式兩種系泊方式的動力響應(yīng)如圖5所示。當t=0時，由于突然加入風機荷載，系泊系統(tǒng)的平衡位置產(chǎn)生變化，動力響應(yīng)幅值在該階段較大；之后，由于阻尼作用，動力響應(yīng)幅值趨于穩(wěn)定。對比兩種系泊方式動力響應(yīng)可知：繃緊式系泊在縱蕩、垂蕩方向上的響應(yīng)略優(yōu)于懸鏈式系泊系統(tǒng)；在縱搖方向上的響應(yīng)與懸鏈式接近；在3號纜繩的張力方面，繃緊式系泊系統(tǒng)響應(yīng)略高于懸鏈式。

圖5 風機運動響應(yīng)及纜繩張力

3.3 繃緊式系泊中水平跨距對運動響應(yīng)的影響

出于經(jīng)濟性考慮，需在一定范圍內(nèi)減小風機間距。由經(jīng)驗可知，繃緊式系泊系統(tǒng)可有效減小系泊的水平跨距，因而此處考察繃緊式系泊浮式風機系統(tǒng)的動力響應(yīng)隨水平跨距縮小時的變化規(guī)律。在海況4，導纜孔布置于水面線以下70 m處，纜繩預張力為2.9547 MN(即錨鏈最小破斷荷載的30%)的情況下，繃緊式系泊中水平跨距對浮式風機運動響應(yīng)的影響和系泊布置如表5所示。

表5 系泊方案

對4種不同方案進行時域分析，運動響應(yīng)如表6所示，當水平跨距在一定范圍內(nèi)減小時，可得如下結(jié)論：

(1) 水平跨距直接影響浮式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)。

(2) 隨著水平跨距的減小，浮式基礎(chǔ)縱蕩平均值逐漸減小，垂蕩平均值逐漸增大，縱搖平均值逐漸減??；纜繩張力平均值變化較小，最大張力逐漸增大，張力安全性隨之降低。

(3) 綜合考慮運動響應(yīng)及纜繩張力響應(yīng)的影響，方案3為最優(yōu)方案。

表6 運動響應(yīng)

3.4 繃緊式系泊中系泊點對運動響應(yīng)的影響

系泊點位置是系泊系統(tǒng)設(shè)計中的重要部分，設(shè)置纜繩預張力為2.954 7 MN(即錨鏈最小破斷荷載的30%)，分析系泊點位置對運動響應(yīng)的影響，優(yōu)化方案3(水平跨距為702 m)的系泊點位置。系泊點選取水面線下50 m、60 m、70 m、80 m、90 m 等5個點，經(jīng)計算可得其運動響應(yīng)如表7所示。

表7 運動響應(yīng)及纜繩張力

由表7可知：

(1) 系泊點位置在水面下70 m時，張力安全因數(shù)為1.73、大于1.67，滿足規(guī)范使用要求，其余各點張力安全因數(shù)均小于1.67，不符合API規(guī)范使用要求。

(2) 系泊點位置在水面下70 m時，浮式風機縱搖峰值較小，縱蕩和垂蕩在合適的范圍內(nèi)。

由于浮式風機對結(jié)構(gòu)縱搖方向上的穩(wěn)定性要求較高，大角度的搖動易使上部風機失效，此系泊點位置處的浮式風機縱搖峰值較小，能更好地保證風機正常工作,因此選擇繃緊式系泊方式下的OC3-Hywind Spar式浮式風機的最優(yōu)系泊位置為水面下70 m處。

3.5 優(yōu)化方案

選擇海況4作為環(huán)境條件,綜合分析系泊系統(tǒng)對運動響應(yīng)的影響。為防止合成纖維纜繩磨損，在系纜上下垂向范圍內(nèi)設(shè)置鋼鏈，長度設(shè)定為海底面上50 m及系纜點下50 m。設(shè)置系纜預張力為錨鏈最小破斷荷載的30%、25%、20%、15%，分別對應(yīng)方案1～方案10、方案11～方案20、方案21～方案30、方案31～方案40。系泊系統(tǒng)布置及計算結(jié)果如表8所示。

表8 系泊系統(tǒng)布置及計算結(jié)果

由表8可知：方案3、方案14、方案24、方案34的張力安全因素大于1.67，均滿足安全要求。以上4種方案的運動響應(yīng)及系纜張力如表9所示。

由對比結(jié)果可知:對于OC3-Hywind Spar式浮式風機，在一定范圍內(nèi)減小纜繩預張力時，需增加水平跨距以保證張力安全因數(shù)滿足使用要求。系泊點位置對系泊系統(tǒng)張力響應(yīng)及浮式風機運動響應(yīng)有直接影響，當預張力小于最小破斷荷載的30%時，系泊點布置于水面線以下80 m處，系泊系統(tǒng)更安全。

表9 運動響應(yīng)及纜繩張力

4 結(jié) 語

針對OC3-Hywind Spar式浮式風機，分析其在繃緊式系泊和懸鏈式系泊兩種系泊條件下，在中國南海某海域設(shè)計工況和生存工況條件下的運動響應(yīng)特性以及水平跨距和系泊點位置對繃緊式系泊性能的影響，結(jié)論如下：

(1) 當繃緊式與懸鏈式系泊的水平跨距相同時，若繃緊式系泊使風機平臺處于平衡位置，則吃水和縱蕩更小，且在縱搖和纜繩張力方面不大于懸鏈式?？紤]到海上浮式風機所處的海洋環(huán)境復雜，繃緊式系泊能增大系泊安全性，是更優(yōu)的系泊方式。

(2) 在一定范圍內(nèi)縮小繃緊式系泊的水平跨距后，縱蕩、縱搖和垂蕩變化較小，浮式風機運動性能同樣能滿足使用要求，水平跨距的縮小表明繃緊式系泊系統(tǒng)在經(jīng)濟上有一定優(yōu)勢。

(3) 系泊點位置對浮式風機運動性能有直接影響。在一定范圍內(nèi)，系泊點位置下降，縱搖幅值和變化程度減小，能有效降低由搖動造成的風機失效。

(4) 當減小纜繩預張力時，需增加水平跨距以保證張力安全系數(shù)滿足規(guī)范使用要求。