蘇現(xiàn)進(jìn)，宋育新，周道成，任年鑫

（1.大連理工大學(xué) 深海工程研究中心，遼寧 大連 116024；2.中國(guó)石油廣西石化分公司，廣西 欽州 535008；3.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228；4.海南大學(xué) 南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，海 南 海 口 570228）

0 引言

隨著世界各國(guó)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注，綠色能源成為各國(guó)能源發(fā)展的方向。風(fēng)力發(fā)電是綠色新能源領(lǐng)域中較為成熟、具備規(guī)模化開(kāi)發(fā)建設(shè)的發(fā)電項(xiàng)目。在風(fēng)電項(xiàng)目的快速發(fā)展中，海上得天獨(dú)厚的風(fēng)能資源使得海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)逐步成為風(fēng)電發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。海上風(fēng)電場(chǎng)較陸上風(fēng)電場(chǎng)具有節(jié)約土地資源、對(duì)環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)[1]。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，海上風(fēng)力資源在水深大于50 m的深水域潛力更大[2]。在水深大于50 m的區(qū)域固定式基礎(chǔ)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求，而漂浮式風(fēng)機(jī)是這一區(qū)域最適合的選擇[3]。

海上浮式風(fēng)機(jī)（FOWT）概念是由Heronemus W E[4]提出的，由于技術(shù)不成熟以及成本過(guò)高，在近幾年才開(kāi)始逐漸得到發(fā)展。目前的FOWT基礎(chǔ)主要分為3種:Spar型基礎(chǔ)、TLP型基礎(chǔ)和半潛型基礎(chǔ)。其中，半潛型浮式風(fēng)機(jī)因其具有穩(wěn)定性好、適用水深范圍廣和建造運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)而備受各國(guó)關(guān)注。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）提出了5 MW半潛式風(fēng)機(jī)平臺(tái)[5]。Roddier D[6]依據(jù)NREL提出的5 MW風(fēng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)了三浮筒浮式半潛平臺(tái)，并將風(fēng)機(jī)放在了其中一個(gè)浮桶上，通過(guò)在頻域內(nèi)模擬浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)，分析了該方案的適用性。Liu Y L[7]基于水箱試驗(yàn)和數(shù)值模擬，提出了一種新穎的各部件水動(dòng)力系數(shù)模型，考慮了相互作用、頻率和振幅對(duì)FOWT各部件水動(dòng)力系數(shù)的影響，并通過(guò)所提出的水動(dòng)力系數(shù)模型成功地模擬了位于平臺(tái)底部的裙板的影響。

文獻(xiàn)[8]針對(duì)各種使用需求和海況研究了多種多樣的模塊化多浮體概念設(shè)計(jì)模型，模塊化多浮體系統(tǒng)通常由多個(gè)基本模塊通過(guò)剛性或柔性的連接器連接而成。每個(gè)模塊可以簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體，而整個(gè)多浮體系統(tǒng)由于模塊柔性連接器的存在而具有一定的柔性。相比剛性連接器，柔性的鉸接式或半剛性連接器能夠有效地減小模塊化多浮體系統(tǒng)的水彈性響應(yīng)[9]。Paulling J R[10]分析了由4個(gè)半潛式模塊通過(guò)兼具彈性和阻尼特性的鉸連接組成的RMFC（剛性模塊柔性連接）模型。Ren N X[11]分析了一種單樁式5 MW風(fēng)機(jī)和垂蕩式波浪能發(fā)電裝置（WEC）的集成系統(tǒng)在典型運(yùn)行海況下的水動(dòng)力響應(yīng)特征，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Wang Y T[12]通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)方法，研究了半潛式張力腿系泊系統(tǒng)的單模塊（SMOD）的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

現(xiàn)有技術(shù)中，海上風(fēng)機(jī)的安裝方法主要包括分體安裝和整體安裝[13]。由于海上風(fēng)浪的影響，浮式平臺(tái)在采用分體安裝時(shí)，平臺(tái)基座位置極其容易發(fā)生較大運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步加大對(duì)接的難度。

本文通過(guò)AQWA軟件建立了一種新型半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)集成結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力與水動(dòng)力耦合時(shí)域數(shù)值模型，重點(diǎn)研究該集成結(jié)構(gòu)在典型海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征，以揭示此種新型半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)集成結(jié)構(gòu)的可行性，在證明該集成結(jié)構(gòu)便于安裝的同時(shí)，還可以單獨(dú)替換風(fēng)機(jī)模塊。

1 理論基礎(chǔ)及數(shù)值模型

1.1 半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)概述

本文基于BEM方法和勢(shì)流理論提出了一種新型半潛式雙模塊浮式風(fēng)機(jī)集成結(jié)構(gòu)，該集成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 半潛式雙模塊海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the semi-submersible dualmodule floating offshore wind turbine

該雙模塊集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括5 MW風(fēng)機(jī)浮體模塊、半潛平臺(tái)模塊、錨鏈裝置和平臺(tái)與風(fēng)機(jī)支撐塔架結(jié)構(gòu)的夾緊裝置。

所述風(fēng)機(jī)浮體模塊與半潛式平臺(tái)模塊均具有重力與浮力自平衡特征，半潛平臺(tái)模塊中心處設(shè)置一個(gè)內(nèi)徑略大于風(fēng)機(jī)塔架外徑的貫通的空柱體（二者間距為0.5 m）。風(fēng)機(jī)模塊底部可以穿過(guò)套筒進(jìn)入海中，然后通過(guò)夾緊裝置固定。半潛平臺(tái)模塊與風(fēng)機(jī)模塊通過(guò)垂向多層對(duì)稱(chēng)夾緊裝置鎖定連接。該平臺(tái)采用4根錨鏈進(jìn)行錨泊約束，分散布置在平臺(tái)周?chē)?，兩兩夾角為90°。半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)平臺(tái)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)平臺(tái)的主要參數(shù)Table 1 Main structure design parameters

1.2 時(shí)域運(yùn)動(dòng)控制方程

在集成系統(tǒng)的時(shí)域分析中，考慮了風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下整體結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性耦合響應(yīng)，且將集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等效簡(jiǎn)化為兩個(gè)剛體耦合動(dòng)力系統(tǒng)。該集成結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程為

式中:M為質(zhì)量矩陣；X為位移矩陣；δ為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；Fe為耦合波浪荷載矩陣；Fd為錨鏈?zhǔn)芰仃?；Fw為風(fēng)荷載矩陣；Fc為風(fēng)機(jī)塔架與半潛平臺(tái)機(jī)械耦合荷載矩陣；Fl為流荷載矩陣。

除M外，其余參量均為時(shí)間t的函數(shù)，各參量矩陣中的下標(biāo)1和2分別表示半潛平臺(tái)和NREL Baseline 5 MW風(fēng)機(jī)。

1.3 空氣動(dòng)力載荷分析

本文選取NREL Baseline 5 MW海上風(fēng)機(jī)葉片性能的公開(kāi)設(shè)計(jì)參數(shù)[5]，其對(duì)應(yīng)風(fēng)速-水平推力曲線(xiàn)和風(fēng)速-輸出功率曲線(xiàn)如圖2所示。相關(guān)空氣動(dòng)力載荷計(jì)算主要基于BEM理論。

圖2 不同風(fēng)速下水平推力和輸出功率Fig.2 Thrust force and power under different wind speeds

1.4 水動(dòng)力載荷分析

基于勢(shì)流理論，利用AQWA[14]程序求解用于該集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)耦合水動(dòng)力荷載。AQWA程序可以有效地模擬半潛平臺(tái)系泊、二階波浪力荷載、多體間的機(jī)械（彈簧-阻尼）動(dòng)力耦合效應(yīng)和水動(dòng)力耦合等問(wèn)題。雙模塊集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動(dòng)力模型如圖3所示。

圖3 水動(dòng)力模型Fig.3 Hydrodynamic model

1.5 流載荷分析

本文將流荷載簡(jiǎn)化為均勻流，即假設(shè)流速是固定值，不隨時(shí)間與水深的變化而變化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選用南海近海海域十年一遇的流速作為設(shè)計(jì)值，其計(jì)算公式為

式中:Cc為阻力系數(shù)；ρ為流體密度；Ad為模型水下部分沿流方向的投影面積；Vc為流速。

2 典型規(guī)則波海況模擬

根據(jù)已構(gòu)建的新型半潛式模塊化海上風(fēng)機(jī)集成結(jié)構(gòu)模型，建立與之相似的常規(guī)整體式的半潛風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型。通過(guò)在典型海況下對(duì)比分析兩種平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，揭示雙模塊風(fēng)機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可行性。

選取典型規(guī)則波浪（波高為2 m，周期為4～12 s），對(duì)比研究雙模塊風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與常規(guī)單體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 規(guī)則波海況兩種平臺(tái)主要參數(shù)對(duì)比Fig.4 Main parameters comparison of the two platforms under regular sea conditions

由 圖4（a）～（d）可 知:兩 種 平 臺(tái) 的 縱 蕩、縱 搖和最大錨鏈力響應(yīng)幅值的變化趨勢(shì)幾乎完全相同，且縱蕩和最大錨鏈力在數(shù)值上也相差不大，但多體的縱搖顯著好于常規(guī)整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)；兩個(gè)模塊間的機(jī)械耦合力在6 s時(shí)縱蕩支座力達(dá)到最大值495.41 kN，在4 s時(shí)縱搖的力矩達(dá)到最大值20.58 MN·m；縱搖最大值對(duì)應(yīng)的波浪周期與結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)。

由圖4（e）可知，多體在縱搖上比單體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更小，這是因?yàn)殡p模塊平臺(tái)在縱搖方向的附加質(zhì)量明顯大于常規(guī)單體結(jié)構(gòu)?？v搖上的優(yōu)勢(shì)將會(huì)在一定程度上減小成本，同時(shí)給未來(lái)其他模塊的添加提供了可能性。

3 典型風(fēng)浪聯(lián)合運(yùn)行海況模擬

為了驗(yàn)證新型雙模塊平臺(tái)在典型運(yùn)行海況下的動(dòng)力響應(yīng)特征和輸出功率特征，選取額定風(fēng)速運(yùn)行海況（風(fēng)速v=11.4 m/s，有義波高Hs=3 m，譜峰 周 期Tp=8 s，JONSWAP譜 λ=3.3）。假 定 入 射 波浪和風(fēng)荷載均沿X軸同方向作用，重點(diǎn)研究該新型集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在此運(yùn)行海況下的動(dòng)力響應(yīng)特征，并與對(duì)應(yīng)常規(guī)單體風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，主要結(jié)果如表2所示。

表2 運(yùn)行海況下兩種平臺(tái)主要?jiǎng)恿憫?yīng)對(duì)比Table 2 Statistical information for the dynamic response under the operational sea case

由表2可知:多體的縱蕩幅值的平均值較單體降低了33.96%，多體的縱蕩幅值的最大值較單體降低了19.03%；多體的縱搖幅值平均值較單體降低了25.97%，多體的縱搖幅值的最大值較單體降低了24.13%；多體和單體的最大錨鏈力最大值沒(méi)有差別，多體的最大錨鏈力平均值較單體略有降低。結(jié)合圖4（e），多體結(jié)構(gòu)兩部分附加質(zhì)量疊加后明顯大于單體，所以雙模塊平臺(tái)在縱蕩和縱搖上的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)比僅波浪荷載作用時(shí)更加明顯。

結(jié)合工程實(shí)際可知，在額定功率下運(yùn)行時(shí)，新型雙模塊半潛平臺(tái)不僅有著更好的穩(wěn)定性，還可以降低縱蕩和縱搖方向上的部分成本，兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)幅值的大幅降低也提高了未來(lái)其他模塊加入的可能性。

4 極端海況下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該新型雙模塊半潛平臺(tái)在極端海況下的安全性，選取極端海況 （v=30 m/s，Hs=6 m，Tp=10 s，λ=3.3，流 載 荷 為 均 勻 流，海 平 面流速為1.0 m/s），假定入射波浪和風(fēng)荷載均沿X軸同方向作用，考慮風(fēng)、浪、流耦合效應(yīng)。此時(shí)風(fēng)力機(jī)已處于停機(jī)狀態(tài)（大于25 m/s的切出風(fēng)速），將新型雙模塊半潛平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)極值與對(duì)應(yīng)常規(guī)單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 極端海況下兩種平臺(tái)主要?jiǎng)恿憫?yīng)對(duì)比Table 3 Statistical information for the dynamic response under the extreme sea case

由表3可知:多體的縱蕩幅值的平均值較單體降低了5.56%，最大值較單體降低了7.76%；多體的縱搖幅值平均值較單體降低了3.03%，最大值較單體降低了48.82%；多體的最大錨鏈力平均值較單體降低了5.56%，最大值較單體降低了39.56%。

結(jié)合之前的結(jié)果，考慮風(fēng)、浪、流耦合效應(yīng)的極端海況模擬結(jié)果進(jìn)一步表明，新型雙模塊半潛平臺(tái)在縱蕩和縱搖方向較常規(guī)單體半潛風(fēng)機(jī)平臺(tái)有著更好的穩(wěn)定性，且可以在極端海況下減小錨鏈的受力。

5 典型海況下新型半潛平臺(tái)風(fēng)機(jī)拆除模擬

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該新型雙模塊半潛平臺(tái)風(fēng)機(jī)拆除的可行性，選取典型不規(guī)則波海況（Hs=2 m，Tp=5 s，λ=3.3），對(duì)新型雙模塊半潛平臺(tái)進(jìn)行拆除過(guò)程的簡(jiǎn)化模擬，并獲得其拆除過(guò)程中的主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征。與整體安裝法相近，風(fēng)機(jī)的拆除將采用纜繩整體提拉拆除法，拆除船選擇鐵建風(fēng)01[15]。將風(fēng)機(jī)模塊與半潛平臺(tái)模塊之間的夾緊裝置斷開(kāi)，由于風(fēng)機(jī)模塊的重力與浮力自平衡的特性，利用纜繩和拆裝船完成風(fēng)機(jī)模塊的整體提拉拆除操作（纜繩提升速度為0.05 m/s）。為了研究提拉拆除過(guò)程中風(fēng)機(jī)塔筒與平臺(tái)間的接觸受力問(wèn)題，在平臺(tái)中心圓柱內(nèi)壁設(shè)置了Fender裝置（彈簧剛度為6×108N/m）緩沖接觸約束力，波浪入射方向沿X軸正方向，風(fēng)機(jī)模塊的提升工作從200 s開(kāi)始到850 s結(jié)束。圖5～7分別為不規(guī)則波海況下兩個(gè)模塊主要參數(shù)對(duì)比曲線(xiàn)、纜繩受力曲線(xiàn)和X方向的Fender受力變化曲線(xiàn)。

圖5 不規(guī)則波海況兩個(gè)模塊主要參數(shù)對(duì)比Fig.5 Main parameters comparison of the two parts under irregular sea conditions

圖6纜繩受力曲線(xiàn)Fig.6 The cable force

圖7 X方向的Fender受力變化曲線(xiàn)Fig.7 Fender force in X direction

由圖5～7可知:在該典型波浪海況下，平臺(tái)和風(fēng)機(jī)模塊的動(dòng)力響應(yīng)平穩(wěn)（主要縱蕩和縱搖響應(yīng)都較?。|繩的總受力小于10 MN，即在拆除船的起吊范圍內(nèi)；X方向的Fender接觸力小于1 MN，在Fender合理受力范圍內(nèi)。綜上可知，新型雙模塊半潛平臺(tái)的風(fēng)機(jī)整體拆除是有可行性的。

該新型半潛式雙模塊風(fēng)機(jī)集成結(jié)構(gòu)在縱蕩和縱搖上的優(yōu)勢(shì)提高了風(fēng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性，使得后期在平臺(tái)模塊上附加其他模塊有了可能性。相較于傳統(tǒng)單體結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)故障后平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的同時(shí)退役，多體結(jié)構(gòu)可單獨(dú)替換風(fēng)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)從全壽命周期上降低了總體成本。

6 結(jié)論

本文提出了一種新型半潛式雙模塊風(fēng)力機(jī)集成結(jié)構(gòu)，考慮風(fēng)機(jī)模塊與半潛風(fēng)力機(jī)平臺(tái)模塊的多體動(dòng)力耦合效應(yīng)，重點(diǎn)對(duì)比研究了典型風(fēng)浪聯(lián)合作用下該新型半潛式模塊化風(fēng)力機(jī)集成結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的常規(guī)整體半潛風(fēng)機(jī)平臺(tái)的主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征，得到以下結(jié)論。

①通過(guò)對(duì)比典型規(guī)則波海況、額定風(fēng)速運(yùn)行海況和極端海況下該集成結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)單體半潛平臺(tái)的主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征，發(fā)現(xiàn)該新型雙模塊半潛平臺(tái)在縱蕩和縱搖方向較常規(guī)單體半潛風(fēng)機(jī)平臺(tái)有著更小的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，極端海況下還會(huì)減少錨鏈的受力。

②通過(guò)初步研究典型不規(guī)則波海況下該集成結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)模塊拆除過(guò)程中的主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征，表明了雙模塊集成結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)模塊整體拆除具有可行性，多體結(jié)構(gòu)可單獨(dú)替換風(fēng)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)，從全壽命周期上降低了總體成本。