(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)
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)
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。
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。
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。
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)
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
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。