王安安，周道成，任年鑫，歐進萍

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024；2.海南大學土木建筑工程學院，?？?570228；3.海南大學南海海洋資源利用國家重點試驗室，?？?570228)

0 引言

當前，風電機組大型化是降低風力發(fā)電單位發(fā)電成本的有效方法之一，因此，DTU 10 MW級風電機組受到了廣泛關(guān)注[1-2]。針對大型海上風電場而言，其平臺的穩(wěn)固安全是影響大型海上風電機組安全運行的重要因素。海洋環(huán)境荷載是影響海洋平臺安全性的主要因素，而采用張力腿平臺的系泊系統(tǒng)可以有效控制平臺的縱搖和垂蕩運動，特別適用于保障大型海上風電機組的良好運行狀態(tài)[3-4]，且從建造成本來看，性價比較高[5]。

國內(nèi)外學者針對張力腿平臺(TLP)式海上風電機組開展了廣泛而深入的研究。NEMATBAKHSH等[6]分別利用計算流體力學(CFD)和勢流理論方法，指出了張力腿的張力主要受縱搖響應激勵影響，且縱搖運動含有更多非線性成分。JESSEN等[7]建立了浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的氣動-液壓-伺服彈性模型，指出了在單獨風荷載情況下，浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的理論氣動性能優(yōu)于實驗氣動性能。任年鑫等[8-10]針對張力腿平臺式浮式海上風電機組，利用CFD方法進行了風浪耦合時域分析，模擬數(shù)值結(jié)果與模型試驗結(jié)果具有較好的一致性；研究還指出，波浪力在縱蕩響應中起主導作用，而風力對支撐風電機組的浮體結(jié)構(gòu)的平均縱蕩有重要貢獻。

浮體主要是作為海上風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，目前，有關(guān)雙浮體和多浮體的研究主要是針對模塊化大型多體浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。MICHAILIDES等[11-12]通過數(shù)值和模型試驗驗證了一種半潛式海上風電機組和搖擺式波浪能裝置(WEC)集成結(jié)構(gòu)(SFC)系統(tǒng)的發(fā)電性能和良好的水動力特性。任年鑫等[13-14]分別針對Spar式風能波浪能集成結(jié)構(gòu)(STC)系統(tǒng)和單樁基礎式風能波浪能集成結(jié)構(gòu)(MWWC)系統(tǒng)這2種風能波浪能集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了耦合時域分析，揭示了STC系統(tǒng)長期發(fā)電功率和疲勞損傷的性能特征，并指出在不考慮尺度試驗模型粘滯阻尼效應的情況下，數(shù)值模型的動力響應結(jié)果略高于試驗模型的動力響應結(jié)果。

浮式海上風電機組(FOWT)現(xiàn)有的安裝方法主要是整體安裝方法主要和分體安裝方法，這2種安裝方法采用的連接方式均是法蘭對準式安裝。由于分體安裝方法對浮式海上風電機組與其平臺之間的對準精度要求極高，因此迫切需要一種新型的具有高魯棒性且對安裝設備的精度要求低的浮式海上風電機組模塊化設計及安裝方法。但目前基于安裝、替換和拆除方便的浮式海上風電機組模塊化設計的研究還非常有限。

因此，本文基于安裝與拆除方便的結(jié)構(gòu)設計理念，針對浮式海上風電機組提出了一種新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。主要基于AQWA軟件及其user-force二次開發(fā)模塊，建立了該新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的空氣動力與水動力耦合時域數(shù)值模型，并重點研究了該新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在海上風電機組典型工作海況下的動力響應特征，揭示了此種雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)改善浮式海上風電機組運行性能的可行性。

1 理論基礎及數(shù)值模型

1.1 新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概述

本文提出了一種新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of new type of TLP dual-modules FOWT structure system

該新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括：1)DTU 10 MW風電機組浮體模塊；2)張力腿平臺模塊；3)張力腿平臺模塊與風電機組浮體模塊夾緊裝置(下文簡稱“夾緊裝置”)。

DTU 10 MW風電機組浮體模塊具有重力與浮力自平衡的特征。張力腿平臺模塊是通過自身的結(jié)構(gòu)重力加上張力腿的預張力與浮力達到自平衡，其中，張力腿平臺的中心柱設置1個內(nèi)徑略大于風電機組塔筒外徑的貫通的空柱體(空柱體內(nèi)徑與塔筒外徑的徑向間距為0.5 m)。張力腿平臺模塊與DTU 10 MW風電機組浮體模塊通過垂向雙層對稱夾緊裝置鎖定連接。

新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要設計參數(shù)Table 1 Main design parameters of new type of TLP dual-modules FOWT structure system

1.2 平臺系統(tǒng)的雙體動力耦合模型

考慮到DTU 10 MW風電機組浮體模塊與張力腿平臺模塊的多體機械耦合和水動力耦合效應，新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力方程可表示為：

式中：M為質(zhì)量矩陣；x為位移矩陣；為速度矢量矩陣；為加速度矢量矩陣；δ為阻尼矩陣；k為剛度矩陣；F e為耦合波浪荷載矩陣；F t為張力腿平臺的張力腿結(jié)構(gòu)受力矩陣；F d為風荷載矩陣；F c為風電機組塔筒與張力腿平臺機械耦合荷載矩陣。除M外，其余參量均為時間t的函數(shù)；各參量矩陣中的下標1和2分別表示張力腿平臺模塊和DTU 10 MW風電機組浮體模塊。

1.3 空氣動力荷載分析

風電機組葉片的空氣動力荷載(即水平推力)的計算基于葉素動量理論(BEM)方法，參考DTU 10 MW海上風電機組的主要設計參數(shù)[6]，在不同入射風速下該風電機組的水平推力及其輸出功率函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 在不同入射風速下DTU 10 MW海上風電機組的水平推力及輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系[6]Fig.2 Functional relationship between horizontal thrust and output power of DTU 10 MW offshore wind turbine at different incident wind speeds

1.4 水動力荷載分析

AQWA軟件能有效模擬采用張力腿平臺的系泊系統(tǒng)、二階波浪力荷載、張力腿平臺模塊和DTU 10 MW風電機組浮體模塊間的水動力耦合效應及夾緊裝置的機械耦合效應[15]?；趧萘骼碚?，利用AQWA軟件構(gòu)建了該新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動力數(shù)值分析模型，具體如圖3所示。

圖3 新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動力數(shù)值分析模型Fig.3 Hydrodynamic numerical analysis model of new type of TLP dual-modules FOWT structure system

2 主要模擬結(jié)果分析

分別建立新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(下文簡稱“雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”)和與之對應的常規(guī)張力腿平臺單體浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(下文簡稱“單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”)的數(shù)值分析模型。選取了海上風電機組4種典型的工作海況，即典型規(guī)則波浪海況、典型定常風浪聯(lián)合運行海況、極端隨機風浪聯(lián)合作用海況，以及典型拆除海況，對比分析2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在海上風電機組典型工作海況下的動力響應特征，揭示雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)改善風電機組的運行性能的可行性。

2.1 典型規(guī)則波浪海況下不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征

選取一系列典型規(guī)則波浪(波高為2 m，波浪周期為4～12 s)海況，對雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征進行對比研究，得到的主要參數(shù)曲線如圖4所示。

從圖4a可以看出，在典型規(guī)則波浪海況下，隨著波浪周期的增大，2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移均隨之增大，但雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移顯著小于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移，且隨著波浪周期的增大，二者相差的百分比也隨之增大。

圖4 典型規(guī)則波浪海況下2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征的主要參數(shù)對比Fig.4 Comparison of main parameters of dynamic response characteristics of two structural systems under typical regular wave sea conditions

從圖4b可以看出，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩附加質(zhì)量顯著大于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩附加質(zhì)量，這也是雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移小于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移的主要原因。

從圖4c可以看出，隨著波浪周期的增大，2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力均隨之增大，并在波浪周期為9 s時達到極值，且雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力略大于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力，但差值均在5%以內(nèi)。

由于張力腿平臺模塊與DTU 10 MW風電機組浮體模塊之間的夾緊裝置是呈垂向雙層對稱分布的，從圖4d可以看出，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中夾緊裝置的水平方向夾緊受力fX最大不超過1 MN，繞Y軸夾緊彎矩MY最大不超過22 MN?m。這些結(jié)果對于夾緊裝置的優(yōu)化設計具有重要的參考價值。

2.2 典型定常風浪聯(lián)合運行海況下不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征

選取典型的定常額定風速參考海況(下文簡稱“典型定常風浪聯(lián)合運行海況”)，該海況下風速v=11.4 m/s，波高H=3 m，波浪周期T=6 s。對雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征進行對比研究，縱蕩位移和主要張力腿的受力對比模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型定常風浪聯(lián)合運行海況下2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征的主要參數(shù)對比Fig.5 Comparison of main parameters of dynamic response characteristics of two structural systems under typical steady wind wave combined operation sea conditions

從圖5a可以看出，在典型定常風浪聯(lián)合運行海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移顯著小于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移。從圖5b可以看出，在該工作海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力值與單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力值非常接近，二者最大值的差值不足2%。

值得注意的是，在典型定常風浪聯(lián)合運行海況下，這2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要動力響應特征的對比結(jié)果與其在典型規(guī)則波浪海況下得到的對比結(jié)果(見圖4)非常相似。即雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移比單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移小，而前者的主要受力張力腿的受力則略大于后者的。

2.3 極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征

根據(jù)DTU 10 MW風電機組的主要設計參數(shù)[6]，進一步考慮極端隨機風速與不規(guī)則波浪聯(lián)合作用的海況下雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征情況。采用JONSWAP波浪譜描述不規(guī)則波浪特征(λ=3.3)，可更接近實際的海洋環(huán)境條件；選取的極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下的其他參數(shù)為：平均風速Va=40 m/s，有義波高Hs=6 m，譜峰周期Tp=10 s。極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移和主要受力張力腿的受力情況進行對比分析，具體如表2所示。

從表2可以看出，在極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移比單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移小40.23%。但值得注意的是，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力極值大于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要受力張力腿的受力極值，約大15.2%。此外，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得到耦合夾緊裝置的fX和MY的極值分別是6.47 MN和346 MN?m。主要受力張力腿和夾緊裝置的受力極值等相關(guān)信息對雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全設計具有重要的參考價值。

表2 極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征的主要參數(shù)對比Table 2 Comparison of main parameters of dynamic response characteristics of two structural systems under extreme random wind wave combined action sea conditions

2.4 典型拆除海況下不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征

為驗證采用該雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時海上風電機組進行拆除的可行性，選擇不規(guī)則波浪海況(有義波高Hs=2 m，譜峰周期Tp=5 s)進行風電機組拆除模擬。安裝時，選用風電機組整體安裝方法，這樣可以減小采用浮式基礎時在水上安裝葉片的難度，同樣的，拆除時也采取風電機組整體拆除的方式。利用纜繩，以0.05 m/s的拉出速度實現(xiàn)風電機組整體向上抽出的操作，在張力腿平臺中心柱的內(nèi)壁設置防碰撞隔墊(fender)，以緩沖風電機組塔筒與張力腿平臺中心柱在拔除過程中產(chǎn)生的碰撞。由于風電機組塔筒外徑與張力腿平臺中心柱內(nèi)徑的間隙為0.5 m，因此選取的fender的尺寸為0.5 m，剛度為5×108N/m，關(guān)于fender具體的優(yōu)化參數(shù)后續(xù)將進一步研究。對典型拆除海況下風電機組與雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征進行對比研究，具體如圖6所示。

圖6 典型拆除海況下風電機組與雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特征的主要參數(shù)對比Fig.6 Comparison of main parameters of dynamic response characteristics between wind turbine and dual-modules structure system under typical demolition sea conditions

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在典型拆除海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與風電機組的縱蕩位移、fender受力和纜繩受力這幾項動力響應特征主要參數(shù)的極值均處于可接受范圍，滿足風電機組設計參考標準；而且雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與風電機組的運動趨勢一致，所以二者的相對縱蕩位移明顯小于風電機組塔筒與張力腿平臺中心柱的間隙，fender水平方向的受力在5×106N以內(nèi)，并且拉出風電機組時纜繩的受力與風電機組拉出過程中的重力變化趨勢一致。以上均說明采用雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時風電機組的拆除具有可行性。

3 結(jié)論

本文提出了一種應用于浮式海上風電機組的新型張力腿平臺雙模塊浮式海上風電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，考慮了張力腿平臺模塊與DTU 10 MW風電機組浮體模塊的多體動力耦合效應，并重點對比研究了海上風電機組4種典型工作海況下該雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和與之對應的單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要動力響應特征，得到的主要結(jié)論如下：

1)在典型規(guī)則波浪海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移隨波浪周期的增加而增大，且其縱蕩位移顯著小于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的，這主要是由于前者的縱蕩附加質(zhì)量顯著大于后者的原因。

2)在典型定常風浪聯(lián)合運行海況下(額定風速)，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移也顯著小于單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移，且2種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力值非常接近，這說明雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以更好地保障海上風電機組的良好運行性能。

3)在極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下，雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移極值比單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移極值約小40.23%，但雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要受力張力腿的受力極值比單體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的約大15.2%。因此，為確保雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在極端隨機風浪聯(lián)合作用海況下的安全性，需充分考慮其張力腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。

4)風電機組的拆除通過放松張力腿平臺模塊與風電機組浮體模塊夾緊裝置及利用纜繩向上拔出風電機組來實現(xiàn)。通過模擬典型拆除海況下采用雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的海上風電機組拆除過程的動力響應特征，證明了采用該雙模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的海上風電機組拆除的可行性和便利性。此外，更為詳細的拆除過程優(yōu)化模擬將在后續(xù)研究中開展。