肖然

（大唐三亞未來能源研究所有限公司 海南三亞 572025）

為了解決能源利用和社會整體效益的矛盾，人們聚焦于可再生能源。我國電力能源的負(fù)荷中心分布于沿海地區(qū)，海上風(fēng)能可以更經(jīng)濟(jì)地支撐電力供應(yīng)，其中，深遠(yuǎn)海地區(qū)因為蘊(yùn)含著豐富的風(fēng)力資源，逐漸成為全球開發(fā)的新方向。因為固定式海上風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)競爭力會隨水深的增加而下降，在水深60 m以上時會被成本更低的漂浮式風(fēng)機(jī)取代。

海上漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)主要由4 個子系統(tǒng)組成，即基礎(chǔ)平臺，安裝于基礎(chǔ)平臺上的風(fēng)電機(jī)組，水下固定漂浮式基礎(chǔ)的系泊系統(tǒng)以及將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能傳輸至升壓站或者陸地的海洋電纜系統(tǒng)。這4 個系統(tǒng)的功能相對獨立但是物理上相互連接組成一體，在海洋和空氣的載荷影響下互相影響、各自的特征又會影響其他子系統(tǒng)的性能，各子系統(tǒng)的設(shè)計不斷相互影響，循環(huán)迭代，最終達(dá)到一個滿足自然條件和各個子系統(tǒng)服役性能要求的形態(tài)。

1 漂浮式基礎(chǔ)平臺

漂浮式基礎(chǔ)平臺主要作用是作為一個有較好穩(wěn)性的漂浮式海洋平臺，為風(fēng)電機(jī)組提供支撐基礎(chǔ)，為所有的其他子系統(tǒng)包括電纜系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)提供浮力。目前，主流的漂浮式基礎(chǔ)平臺分為立柱式、半潛式和張力腿式，如圖1［1-3］，其各自的優(yōu)缺點參考表1。

表1 漂浮式基礎(chǔ)平臺方式設(shè)計特點［2］

圖1 主流的漂浮式基礎(chǔ)平臺形式

立柱式外形為1 個大吃水、淺干舷的圓柱體，通過壓載水來保持重心低于浮心?；A(chǔ)平臺一般由懸鏈線狀或張緊的系泊纜鏈連接平臺和海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

半潛式由數(shù)個被水下浮體連接的大型支柱形成的結(jié)構(gòu)平臺。支柱提供靜水力穩(wěn)性，浮體提供額外浮力?；A(chǔ)平臺一般由懸鏈線狀或張緊的系泊纜鏈連接平臺和海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

張力腿式具有較大浮力的平臺，中央立柱體和結(jié)構(gòu)臂連接至繃緊的肌腱纜，并通過肌腱纜鏈接海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

作為漂浮式海洋風(fēng)機(jī)的最主要的子系統(tǒng)，漂浮式基礎(chǔ)主要的性能要求有2 個：①為整個漂浮式風(fēng)機(jī)提供足夠的浮力以及穩(wěn)性；②保證在其20 a～25 a 的生命周期內(nèi)自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以應(yīng)付各種海洋載荷。穩(wěn)性指的是海洋工程結(jié)構(gòu)物在外力作用下發(fā)生傾斜而不致傾覆、外力作用消失后仍能回復(fù)到原來平衡位置的能力［4］，即其在拖航、安裝和使用過程中，結(jié)構(gòu)物所具有的抗傾覆能力，以保障其在服役的各階段中不發(fā)生傾覆性后果。

在設(shè)計初期，需要針對生產(chǎn)場地、其他子系統(tǒng)要求、水文地質(zhì)條件、成本等多方面進(jìn)行考慮，關(guān)注整個系統(tǒng)可以承受最大極限以及周期性運(yùn)動中的疲勞極限等，避免和載荷的共振、疲勞、屈曲等強(qiáng)度問題，確定設(shè)計形式和得到初步主尺寸設(shè)計。在得出初步設(shè)計后，基礎(chǔ)平臺和其他子系統(tǒng)的初步設(shè)計形成一個整體結(jié)構(gòu)，重新計算整個浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有頻率，驗證整個系統(tǒng)對載荷的動態(tài)響應(yīng)，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并利用水池進(jìn)行模型水池試驗驗證。漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計決定了整個浮式風(fēng)機(jī)的成敗，是一個不間斷連續(xù)循環(huán)迭代的設(shè)計過程，要耗費(fèi)大量的設(shè)計時間才能給出一個各方都能接受的方案。經(jīng)過多方循環(huán)優(yōu)化，最終才能確定完整的設(shè)計方案。

2 系泊系統(tǒng)

漂浮式風(fēng)機(jī)作為海上浮式結(jié)構(gòu)物，需要通過系泊系統(tǒng)進(jìn)行位置和運(yùn)動的約束。其力學(xué)作用機(jī)理主要通過系泊材料的變形或懸空重量的改變來提供約束張力。常見的系泊形式可參考圖1。懸鏈線狀系泊線型的回復(fù)力在平臺運(yùn)動較小時依靠其懸空段本身的重量提供，平臺響應(yīng)運(yùn)動較大時可能將趟泥段拉起懸空，由錨提供回復(fù)力。該形式下一般采用抓力錨、吸力錨和樁錨，系泊線采用錨鏈、聚酯纜或鋼纜的單一或者混合形式。預(yù)張緊形式的系泊線形在平臺進(jìn)行響應(yīng)運(yùn)動時，其回復(fù)力直接由錨提供，且附帶很大的垂向上拔力，因此一般采用樁錨或者吸力錨，系泊線采用張力腱。

系泊系統(tǒng)通常包含絞車、導(dǎo)纜設(shè)備、錨鏈、鋼纜、聚酯纜、張力腱、錨、樁錨、重力塊和浮力配件等組成。在設(shè)計系泊線形式、組成和長度時，重要的邊界條件是水深。采用懸鏈線形式時，水深如果太淺，則需要水平延伸較長的錨鏈懸空段提供回復(fù)力并考慮加裝配重塊以避免系泊線過長；如果水深很大，則會考慮增加聚酯纜或鋼纜長度占比并添加浮力配件，以避免過長的錨鏈帶來的高昂成本以及過大過沉的錨腿預(yù)張力和無效載重。設(shè)計系泊線時的其他因素還包括應(yīng)避免系泊系統(tǒng)的響應(yīng)周期和海洋載荷的周期過于接近發(fā)生共振，考慮海域周圍的情況以及用海面積等等邊界條件，具體的設(shè)計流程可參考圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)設(shè)計流程

在系泊系統(tǒng)設(shè)計中，錨的形式以及系泊線的長度和水中的形態(tài)往往是相互影響、決定的，并會進(jìn)一步?jīng)Q定整個系泊系統(tǒng)的成本。目前錨的主流形式分為抓力錨、吸力錨和樁錨。

抓力錨一般只能承受水平力，因此在確定使用抓力錨時，后續(xù)設(shè)計要確保抓力錨不會受到垂向拉力。在傾斜的系泊懸鏈線設(shè)計上，由抓力錨提供為漂浮式平臺提供所需水平回復(fù)力，而垂向上的分力由系泊懸鏈線的重力提供，因此該重力需要足夠大。安裝中，抓力錨需要三用工作船（Anchor Handling Vessel，AHV）將錨線拖拽至設(shè)計拉力進(jìn)行預(yù)張緊進(jìn)行驗證，之后才能回接至平臺或者海洋漂浮物，這對施工船只的系柱力有一定要求。

吸力錨的形式是一個中空的圓柱結(jié)構(gòu)物，下端開放，上端封閉并帶有閥門，可以承受相當(dāng)?shù)拇瓜蛄?，因此其系泊線允許出現(xiàn)一定程度的張緊。安裝中，一般吸力錨通過自重垂直插入海床一定深度，屆時水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）會將水泵的水管連接至吸力錨并關(guān)閉吸力錨的上端閥門，水泵進(jìn)行抽水，海底的巨大水壓會將其進(jìn)一步壓入泥土中，完成吸力錨的安裝。不同于抓力錨，吸力錨不需要預(yù)張緊。另外，屈曲是安裝過程中需要考慮的因素。如果一次安裝失敗，則可以通過向錨體內(nèi)反向泵入水來抽出吸力錨進(jìn)行二次安裝。在設(shè)計允許的情況下，不同的浮式風(fēng)機(jī)平臺可以共享吸力錨裝。在漂浮式風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化之后，風(fēng)機(jī)平臺合理共享樁錨，形成錨矩陣，可以大幅降低系泊成本。

樁錨是開放式的空心圓柱結(jié)構(gòu)物。在安裝上，一般樁錨的安裝需要導(dǎo)向支架和水下打樁錘作為施工資源，通過支架維持其方向位置，利用打樁錘將其打入巖土深處。樁錨的安裝和使用在我國國內(nèi)海洋油氣行業(yè)中較為普遍。由于浮式風(fēng)機(jī)一般處于較深的水深，水下打樁錘裝備數(shù)量較少，若需采用水下打樁錘時需要考慮施工資源問題。

在系泊系統(tǒng)中，系泊線也有多種類型和形式。從類型上，可以分為錨鏈、鋼纜和張力腱。立柱式和半潛式通常采用錨鏈或錨纜，形式上為懸鏈線型。錨鏈的密度比錨纜大，成本高。張力腿式的平臺通常采用張力纜，呈預(yù)張緊的形態(tài)。張力腱通常采用合成材料，較輕，伸縮性較好，造價昂貴并且安裝復(fù)雜。頂部預(yù)張力一般通過平臺上的絞盤進(jìn)行微調(diào)節(jié)。由于張緊狀態(tài)使得張力腿基礎(chǔ)的固有頻率較高，張力腿基礎(chǔ)對渦激振動和高頻波浪力等都很敏感，有引起張力腿發(fā)生高頻彈振和顫振問題，繼而發(fā)生疲勞損傷的風(fēng)險。而懸鏈線形式的系統(tǒng)固有頻率較低，對顫振不敏感，但是仍需考慮渦激振動產(chǎn)生的疲勞損傷。

3 電纜傳輸系統(tǒng)

海上風(fēng)機(jī)需要通過海底電纜送出電能。相比于固定式風(fēng)機(jī)，漂浮式機(jī)組基礎(chǔ)在波浪和風(fēng)的聯(lián)合作用下不斷有水平和升沉運(yùn)動。如果直接將電纜以懸鏈線的形式直鋪至海底，那么電纜會隨著海洋平臺不斷運(yùn)動，進(jìn)而帶動電纜海底觸泥點部分不斷提升和下降，導(dǎo)致觸泥點部分的電纜會很快因為疲勞和屈曲而發(fā)生結(jié)構(gòu)性失效。

為了避免這種周期性的運(yùn)動，參考傳統(tǒng)海洋油氣行業(yè)的設(shè)計思路，一般會在電纜特定部位安裝浮子或者浮筒，讓電纜在海里的懸空段呈現(xiàn)“S”形，這段漂浮在水中的電纜一般被稱為“動態(tài)纜”?！皠討B(tài)纜”避免了觸泥點部分的不斷運(yùn)動，并且使海洋平臺的周期性運(yùn)動可以在整個漂浮段吸收，避免了局部疲勞和整體屈曲。由于電纜細(xì)長的尺寸特征，容易形成渦激振動，在設(shè)計動態(tài)纜的形態(tài)時也需要考慮規(guī)避渦激振動引發(fā)的共振。

海洋電纜因為需要面對海底水壓和侵蝕，其內(nèi)外有多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，這使得電纜存在最小彎曲半徑（MBR）。當(dāng)電纜的彎曲半徑小于MBR 時，電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度就會收到損傷引起產(chǎn)品失效。同時MBR 存在動態(tài)MBR 和靜態(tài)MBR，使得設(shè)計和安裝時，需要針對不同部位的電纜考慮不同的半徑限制，并且在受力熱點部分安裝限彎器來對電纜進(jìn)行保護(hù)。靜態(tài)電纜由于鋪設(shè)在海床綿延幾十甚至上百公里，漁業(yè)作業(yè)和船只拋錨對電纜的威脅非常大，并且在其路徑一般都會存在懸空段，因此，設(shè)計和施工方會對電纜靜態(tài)段采用埋溝、拋石、安裝水泥保護(hù)件，并對其懸空段進(jìn)行處理和保護(hù)，如加墊水泥墊等方式。由于風(fēng)電電纜功能及設(shè)計思路和海洋油氣行業(yè)非常相似，而后者已經(jīng)有多年的積累和成熟的理解，漂浮式風(fēng)機(jī)海纜的設(shè)計、建造和施工目前基本都參考海洋油氣平臺的規(guī)范和要求。

4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的固定式海上風(fēng)機(jī)相比，漂浮式風(fēng)機(jī)的平臺基礎(chǔ)約束較弱，導(dǎo)致風(fēng)輪的氣動載荷存在明顯的非線性特征。單個海上漂浮式風(fēng)機(jī)的氣動特性研究可大致劃分為3 方面：①浮式平臺基礎(chǔ)對頂部風(fēng)輪的氣動性能的影響；②風(fēng)輪氣動載荷對平臺基礎(chǔ)運(yùn)動的影響；③氣動載荷與結(jié)構(gòu)振動等動力響應(yīng)的耦合。

海上漂浮式風(fēng)機(jī)常受到波浪的作用導(dǎo)致平臺發(fā)生運(yùn)動，因此基礎(chǔ)平臺的運(yùn)動主要由浪流載荷激發(fā)，包含波浪頻率成分，繼而導(dǎo)致浮式風(fēng)機(jī)的氣動載荷和功率波動明顯包含了波浪頻率成分。浮式平臺運(yùn)動對風(fēng)輪的影響多樣而復(fù)雜。舉例來說，浮式平臺的運(yùn)動通過塔筒傳遞到機(jī)艙以及葉片，平臺的縱搖運(yùn)動會改變?nèi)~輪入流風(fēng)風(fēng)速，并且讓葉片周期性處于尾流之中，對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都提出了挑戰(zhàn)。在設(shè)計浮式風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)時，必須要將浮式平臺的運(yùn)動考慮在內(nèi)。

氣動載荷對浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動的影響主要可以分為氣動激勵載荷和氣動阻尼載荷。氣動激勵載荷，如氣動推力使得浮式風(fēng)機(jī)的支撐平臺發(fā)生較大的縱蕩和縱搖運(yùn)動。劉中柏［5］、李嘉文［6］進(jìn)行了半潛式和小水線面立柱式浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的試驗和研究，將實驗數(shù)據(jù)換算到實際海況下表明，氣動載荷引起的縱搖運(yùn)動可高達(dá)20%～40%［5］。氣動扭矩使得浮式風(fēng)機(jī)發(fā)生橫搖和首搖運(yùn)動；有學(xué)者對模型試驗結(jié)果進(jìn)行頻域分析，發(fā)現(xiàn)激發(fā)的浮式風(fēng)機(jī)的平臺基礎(chǔ)運(yùn)動帶有湍流風(fēng)的低頻成分。氣動阻尼力定義為氣動載荷作用力變化與受載結(jié)構(gòu)物運(yùn)動變化關(guān)系的描述。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，海上浮式風(fēng)機(jī)的氣動阻尼力對其機(jī)艙縱蕩運(yùn)動有著顯著的影響，并且氣動阻尼效應(yīng)在某些工況下甚至比水動力阻尼的作用效果還明顯。目前研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)的控制器并不完全適用于海上浮式風(fēng)機(jī)，如果按照固定式風(fēng)機(jī)的控制器參數(shù)，海上浮式風(fēng)機(jī)的氣動阻尼甚至?xí)霈F(xiàn)“負(fù)阻尼”效應(yīng)，可能會導(dǎo)致平臺運(yùn)動不斷加劇。

氣動載荷與結(jié)構(gòu)振動等動力響應(yīng)的耦合問題一直都是風(fēng)力設(shè)備研究的重點考慮因素，相比于固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)的平臺運(yùn)動更明顯，導(dǎo)致氣動載荷波動更大，結(jié)構(gòu)慣性載荷更大，槳葉和塔筒結(jié)構(gòu)振動更加明顯，甚至引發(fā)平臺基礎(chǔ)的高頻運(yùn)動?？紤]浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成的特點，風(fēng)機(jī)葉片、系泊線、塔筒等屬于柔性體，相對而言，浮式基礎(chǔ)、機(jī)艙等屬于剛體，整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成了剛體和柔性體耦合的多體動力學(xué)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)固有特性分析應(yīng)包括整體固有特性和局部結(jié)構(gòu)固有特性。每個“子體”部件都有其固有周期，在作業(yè)和生存狀態(tài)下，整體風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有周期可能避開載荷卓越周期，但局部結(jié)構(gòu)的固有周期可能遭遇風(fēng)載的激勵而發(fā)生諧振。例如，對于立柱和半潛式平臺，紊流風(fēng)的激振頻率可能在浮式基礎(chǔ)的水平面內(nèi)固有長周期運(yùn)動的頻率帶范圍，加劇浮式基礎(chǔ)的縱蕩慢漂運(yùn)動［5］。簡而言之，海上漂浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪氣動特性、槳葉振動與平臺運(yùn)動存在耦合效應(yīng)，可能會影響結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)。

5 結(jié)語

隨著海上深海風(fēng)電開發(fā)的推進(jìn)，對漂浮式風(fēng)電機(jī)組設(shè)計的重視日漸增加。本文嘗試將浮式風(fēng)機(jī)分解為4 個子系統(tǒng)，從4 個部分來總結(jié)各自特點和浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計的思路，為將來浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計的完善提供參考建議。