(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400)

隨著海上風(fēng)電場開發(fā)逐步走向深遠(yuǎn)海，半潛浮式風(fēng)機(jī)因其穩(wěn)定性較好、適用水深范圍廣、安裝運(yùn)輸方便而備受關(guān)注。關(guān)于半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的研究和應(yīng)用，目前國外技術(shù)已相對成熟，例如PrinciplePower公司設(shè)計(jì)的Windfloat于2011年已在葡萄牙海域設(shè)立樣機(jī)，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。國內(nèi)尚無漂浮式風(fēng)機(jī)樣機(jī)設(shè)立[1]。漂浮式海洋結(jié)構(gòu)物在海工行業(yè)的應(yīng)用已非常成熟，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可借鑒傳統(tǒng)海工平臺設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但又有如下鮮明特點(diǎn)。

1)海上浮式風(fēng)機(jī)屬于無人作業(yè)，遭到破壞或傾覆后不會造成人員傷亡及環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，因此，其設(shè)計(jì)安全等級應(yīng)低于海工平臺要求。

2)海上浮式風(fēng)機(jī)作業(yè)海域水深較淺，浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)吃水不能太大，否則有觸底危險，使其重心較高。同時淺水系泊的懸鏈線效應(yīng)較差，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較大。

3)海上浮式風(fēng)機(jī)葉輪會產(chǎn)生巨大的氣動載荷，同時風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)高聳性特點(diǎn)，基礎(chǔ)底部至機(jī)艙中心高達(dá)120多m，使浮式基礎(chǔ)受到巨大的外載荷，加大了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度。

4)海上浮式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中涉及復(fù)雜的控制策略，隨風(fēng)速的變化會發(fā)生啟動、轉(zhuǎn)矩控制、變槳控制、偏航、關(guān)機(jī)、停機(jī)等復(fù)雜行為，使其模擬仿真難度較大。

考慮以上特點(diǎn)，進(jìn)行半潛浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)。

浮式風(fēng)機(jī)主要包括：發(fā)電機(jī)組、輪轂、葉片、塔筒及浮式支撐基礎(chǔ)。發(fā)電機(jī)組通過輪轂與葉片連接在一起，下部與塔筒相連，塔筒底部通過法蘭與浮式基礎(chǔ)相連[2]。實(shí)例采用4柱式半潛式平臺作為風(fēng)機(jī)支撐基礎(chǔ)，各立柱之間采用橫撐、斜撐相連，風(fēng)機(jī)幾何模型見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)整體幾何模型

主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[3]。

表1 風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1 基礎(chǔ)選型與主尺度方案設(shè)計(jì)

浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀母型產(chǎn)品，根據(jù)各類型浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的適用范圍，結(jié)合目標(biāo)海域水深與環(huán)境條件，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度等因素，選用4柱式半潛式基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)主尺度設(shè)計(jì)應(yīng)能首先滿足穩(wěn)性及水動力性能的要求，同時結(jié)合風(fēng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行要求，考慮基礎(chǔ)總布置、建造施工場地限制等因素，經(jīng)過不斷的優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)，尋求最優(yōu)的主尺度方案。實(shí)例基礎(chǔ)主尺度及坐標(biāo)系信息見圖2。

圖2 基礎(chǔ)主尺度及坐標(biāo)系定義(單位：m)

2 穩(wěn)性設(shè)計(jì)

DNVGL及ABS等船級社給出了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[4-5]，參考傳統(tǒng)海工平臺設(shè)計(jì)要求，考慮半潛浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性設(shè)計(jì)的特殊性。

1)針對完整穩(wěn)性中的靜傾角要求，浮式風(fēng)機(jī)規(guī)范與大多海工平臺規(guī)范都沒有要求，但對于海上浮式風(fēng)機(jī)，靜傾角過大會影響發(fā)電功率，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致傳動鏈出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，通過調(diào)整浮式基礎(chǔ)主尺度或引入壓載主動控制系統(tǒng)調(diào)整靜傾角。

2)針對臺風(fēng)工況下的風(fēng)載荷計(jì)算，浮式風(fēng)機(jī)規(guī)范中未作計(jì)算說明，可參考主流商業(yè)軟件bladed的計(jì)算結(jié)果，但應(yīng)注意穩(wěn)性分析一般取海平面10 m處的1 min平均風(fēng)速，而主流商業(yè)軟件一般取輪轂高度處10 min或3 s平均風(fēng)速。

3)海上浮式風(fēng)機(jī)屬于無人作業(yè)，遭到破壞或傾覆后不會造成人員傷亡及環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，而穩(wěn)性規(guī)范中的面積比、力矩比安全系數(shù)與海工平臺要求一致，設(shè)計(jì)安全冗余較大。

基于浮式風(fēng)機(jī)相關(guān)規(guī)范及功能性要求對算例進(jìn)行艙室劃分，并完成完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性計(jì)算，分別獲得風(fēng)機(jī)在完整和破損狀態(tài)下的許用質(zhì)心高度值，進(jìn)一步求解綜合許用質(zhì)心高度，用于實(shí)際裝載指導(dǎo)與穩(wěn)性校核。風(fēng)暴工況下各可能性吃水下的許用質(zhì)心高度(AVCG)變化見圖3。

圖3 許用質(zhì)心高度(AVCG)變化

經(jīng)裝載計(jì)算，風(fēng)暴工況20 m吃水時質(zhì)心高度為10.2 m，艙室自由液面對質(zhì)心高度的修正值為0.2 m，最終風(fēng)機(jī)整體質(zhì)心高度為10.4 m，滿足許用質(zhì)心高度11.5 m的限值要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具備充足穩(wěn)性，不會出現(xiàn)傾覆或沉沒。

3 水動力性能分析

水動力性能需考慮桿件黏性阻尼的影響，關(guān)于浮體黏性阻尼的計(jì)算目前還缺乏成熟的方法，考慮采用莫里森公式等效計(jì)算，或視為臨界阻尼的一部分，其中臨界阻尼β0為[6]

(1)

式中：M為浮體質(zhì)量；Ma為浮體附加質(zhì)量；Ci為浮體靜水力回復(fù)剛度。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及參考文獻(xiàn)，對于半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，黏性阻尼可取為臨界阻尼的10%，最終得到浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的幅頻運(yùn)動響應(yīng)及固有周期，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基礎(chǔ)固有周期

基礎(chǔ)橫搖、縱搖、升沉運(yùn)動方向的固有周期全大于20 s，基本避開了應(yīng)用海域波浪能量集中周期段(4～20 s)及葉片的旋轉(zhuǎn)頻率(<10 s)，避免了基礎(chǔ)的大幅運(yùn)動與風(fēng)機(jī)整體共振。

4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

算例半潛浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)采用常規(guī)的懸鏈線系泊，設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)海工平臺系泊系統(tǒng)相類似，但由于應(yīng)用海域水深淺，系泊的懸鏈線效應(yīng)較差，而基礎(chǔ)又受到巨大的外載荷，使整個系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度加大[7]。

實(shí)例浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)采用3×3設(shè)計(jì)，布置方式見圖4。

圖4 系泊系統(tǒng)布置示意

經(jīng)計(jì)算分析，風(fēng)暴工況下系泊纜張力最大值為7 890 kN，據(jù)此進(jìn)行錨鏈選型為R4S級別，并依據(jù)DNVGL規(guī)范校核進(jìn)行安全校核，見表3。

表3 系泊纜張力校核

結(jié)果表明完整工況最小安全系數(shù)CF為1.6，滿足CF≥1.3的規(guī)范要求，對于單根破斷工況及疲勞工況，同樣滿足規(guī)范要求，此處不再贅述。

5 全耦合動態(tài)分析

半潛浮式風(fēng)機(jī)受到氣動載荷和水動力載荷的聯(lián)合作用，葉片風(fēng)輪-浮式基礎(chǔ)-系泊系統(tǒng)之間耦合作用使風(fēng)機(jī)整體及各部分的受力和運(yùn)動較為復(fù)雜，因此，搭建葉片-傳動鏈-塔筒-基礎(chǔ)-系泊系統(tǒng)的整體模型，進(jìn)行全系統(tǒng)耦合動態(tài)分析，以充分考慮各部分受力及響應(yīng)的非線性效應(yīng)，進(jìn)行整機(jī)載荷及響應(yīng)的模擬仿真[8]。

算例采用知名專業(yè)軟件sima進(jìn)行模擬仿真，其中葉片氣動載荷采用葉素-動量理論求解，軟件可根據(jù)葉片氣動參數(shù)及截面物理屬性進(jìn)行葉片方位角、變形及氣動載荷的實(shí)時求解；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)動采用直接讀入頻域水動力參數(shù)，根據(jù)波浪輸入，基于頻率響應(yīng)函數(shù)，采用傅里葉逆變換或半解析法等其他方法得到脈沖響應(yīng)函數(shù)，將頻域水動力系數(shù)轉(zhuǎn)化到時域，進(jìn)行時域運(yùn)動的求解；系泊系統(tǒng)仿真采用有限元方法，可充分考慮系泊纜的非線性效應(yīng)，進(jìn)行系泊纜與浮體之間及系泊纜各單元的時域動態(tài)求解。

浮式風(fēng)機(jī)全耦合時域分析過程中引入控制策略，分析工況繁多且復(fù)雜，計(jì)算量龐大，在初始設(shè)計(jì)階段，基于海上固定式風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，初步選取額定風(fēng)速、切出風(fēng)速、停機(jī)臺風(fēng)風(fēng)速等載荷較大的工況進(jìn)行初算，以提高設(shè)計(jì)效率。

算例全耦合仿真模型見圖5。

圖5 全耦合動態(tài)仿真模型

仿真結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)在臺風(fēng)工況(DLC6.2)下具有較好的運(yùn)動性能，最大運(yùn)動幅值見表4，風(fēng)機(jī)可抵御臺風(fēng)的影響。此工況下的最大塔底載荷約為370 000 kN·m，較固定式風(fēng)機(jī)塔底載荷(200 000～250 000 kN·m)高出很多，說明浮式基礎(chǔ)運(yùn)動對塔底載荷影響較大。

表4 浮式風(fēng)機(jī)耦合最大運(yùn)動響應(yīng)

6 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考傳統(tǒng)海工平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合浮式風(fēng)機(jī)載荷及功能特殊性要求，進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度與疲勞分析，同時還應(yīng)對特殊連接區(qū)域作局部強(qiáng)度分析、砰擊區(qū)域作砰擊強(qiáng)度分析[9]。

算例選用鋼板的極限載荷為355 MPa，其中立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖6，可見立柱整體滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力為293 MPa，其中在立柱與斜撐交匯處應(yīng)力超過了許用應(yīng)力，有必要做進(jìn)一步加強(qiáng)處理。

圖6 立柱極限強(qiáng)度應(yīng)力分布

7 結(jié)論

1)半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法可參考傳統(tǒng)海工平臺的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但設(shè)計(jì)過程中需要考慮浮式風(fēng)機(jī)自身特點(diǎn)與功能性要求，例如穩(wěn)性設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮浮式風(fēng)機(jī)為無人操作的特點(diǎn)。

2)半潛浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮風(fēng)機(jī)作業(yè)海域水深較淺，結(jié)構(gòu)高聳，氣動載荷較大的特點(diǎn)，同時又要兼顧風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的安全與功能性要求，增大了系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，設(shè)計(jì)時可采取合適措施提高懸鏈線效應(yīng)，例如增大系泊纜躺底段重量、添加重塊、提高導(dǎo)纜孔高度等。

3)半潛浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中涉及復(fù)雜控制策略，使其模擬仿真難度與計(jì)算工作量增大，初步設(shè)計(jì)時可參考固定式風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，選取部分危險工況進(jìn)行核算，待詳細(xì)設(shè)計(jì)時再做全工況仿真計(jì)算，以提高設(shè)計(jì)效率。

4)半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)與風(fēng)機(jī)控制策略相結(jié)合，充分發(fā)揮控制策略的作用，較優(yōu)的控制策略可有效降低風(fēng)機(jī)載荷，例如，在風(fēng)速較大時，可通過提前變槳控制，雖犧牲部分發(fā)電量，但可大幅降低風(fēng)機(jī)所受載荷。

半潛浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)還應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)造價、系泊系統(tǒng)價格、施工安裝費(fèi)用、后期運(yùn)維費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性因素。