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。我國電力能源的負荷中心分布于沿海地區(qū)，海上風能可以更經(jīng)濟地支撐電力供應，其中，深遠海地區(qū)因為蘊含著豐富的風力資源，逐漸成為全球開發(fā)的新方向。因為固定式海上風機的經(jīng)濟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機取代。

海上漂浮式基礎風機主要由4 個子系統(tǒng)組成，即基礎平臺，安裝于基礎平臺上的風電機組，水下固定漂浮式基礎的系泊系統(tǒng)以及將風機發(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)的設計不斷相互影響，循環(huán)迭代，最終達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 漂浮式基礎平臺

漂浮式基礎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，為風電機組提供支撐基礎，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 漂浮式基礎平臺方式設計特點［2］

圖1 主流的漂浮式基礎平臺形式

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)構平臺。支柱提供靜水力穩(wěn)性，浮體提供額外浮力?；A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。

作為漂浮式海洋風機的最主要的子系統(tǒng)，漂浮式基礎主要的性能要求有2 個：①為整個漂浮式風機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)構強度足以應付各種海洋載荷。穩(wěn)性指的是海洋工程結(jié)構物在外力作用下發(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、成本等多方面進行考慮，關注整個系統(tǒng)可以承受最大極限以及周期性運動中的疲勞極限等，避免和載荷的共振、疲勞、屈曲等強度問題，確定設計形式和得到初步主尺寸設計。在得出初步設計后，基礎平臺和其他子系統(tǒng)的初步設計形成一個整體結(jié)構，重新計算整個浮式風機系統(tǒng)的固有頻率，驗證整個系統(tǒng)對載荷的動態(tài)響應，校核結(jié)構強度，并利用水池進行模型水池試驗驗證。漂浮式風機基礎設計決定了整個浮式風機的成敗，是一個不間斷連續(xù)循環(huán)迭代的設計過程，要耗費大量的設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計方案。

2 系泊系統(tǒng)

漂浮式風機作為海上浮式結(jié)構物，需要通過系泊系統(tǒng)進行位置和運動的約束。其力學作用機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力在平臺運動較小時依靠其懸空段本身的重量提供，平臺響應運動較大時可能將趟泥段拉起懸空，由錨提供回復力。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。預張緊形式的系泊線形在平臺進行響應運動時，其回復力直接由錨提供，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、導纜設備、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張力和無效載重。設計系泊線時的其他因素還包括應避免系泊系統(tǒng)的響應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，具體的設計流程可參考圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)設計流程

在系泊系統(tǒng)設計中，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計上，由抓力錨提供為漂浮式平臺提供所需水平回復力，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）將錨線拖拽至設計拉力進行預張緊進行驗證，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)構物，下端開放，上端封閉并帶有閥門，可以承受相當?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，屆時水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）會將水泵的水管連接至吸力錨并關閉吸力錨的上端閥門，水泵進行抽水，海底的巨大水壓會將其進一步壓入泥土中，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行二次安裝。在設計允許的情況下，不同的浮式風機平臺可以共享吸力錨裝。在漂浮式風電進入大規(guī)模商業(yè)化之后，風機平臺合理共享樁錨，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)構物。在安裝上，一般樁錨的安裝需要導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。由于浮式風機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雜。頂部預張力一般通過平臺上的絞盤進行微調(diào)節(jié)。由于張緊狀態(tài)使得張力腿基礎的固有頻率較高，張力腿基礎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)

海上風機需要通過海底電纜送出電能。相比于固定式風機，漂浮式機組基礎在波浪和風的聯(lián)合作用下不斷有水平和升沉運動。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動，進而帶動電纜海底觸泥點部分不斷提升和下降，導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)構性失效。

為了避免這種周期性的運動，參考傳統(tǒng)海洋油氣行業(yè)的設計思路，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動，并且使海洋平臺的周期性運動可以在整個漂浮段吸收，避免了局部疲勞和整體屈曲。由于電纜細長的尺寸特征，容易形成渦激振動，在設計動態(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)外有多層防護結(jié)構，這使得電纜存在最小彎曲半徑（MBR）。當電纜的彎曲半徑小于MBR 時，電纜的內(nèi)部結(jié)構和強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行保護。靜態(tài)電纜由于鋪設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、安裝水泥保護件，并對其懸空段進行處理和保護，如加墊水泥墊等方式。由于風電電纜功能及設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，漂浮式風機海纜的設計、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 風機系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的固定式海上風機相比，漂浮式風機的平臺基礎約束較弱，導致風輪的氣動載荷存在明顯的非線性特征。單個海上漂浮式風機的氣動特性研究可大致劃分為3 方面：①浮式平臺基礎對頂部風輪的氣動性能的影響；②風輪氣動載荷對平臺基礎運動的影響；③氣動載荷與結(jié)構振動等動力響應的耦合。

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

氣動載荷對浮式風機運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機的支撐平臺發(fā)生較大的縱蕩和縱搖運動。劉中柏［5］、李嘉文［6］進行了半潛式和小水線面立柱式浮式基礎風機的試驗和研究，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動可高達20%～40%［5］。氣動扭矩使得浮式風機發(fā)生橫搖和首搖運動；有學者對模型試驗結(jié)果進行頻域分析，發(fā)現(xiàn)激發(fā)的浮式風機的平臺基礎運動帶有湍流風的低頻成分。氣動阻尼力定義為氣動載荷作用力變化與受載結(jié)構物運動變化關系的描述。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，海上浮式風機的氣動阻尼力對其機艙縱蕩運動有著顯著的影響，并且氣動阻尼效應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)的固定式風機的控制器并不完全適用于海上浮式風機，如果按照固定式風機的控制器參數(shù)，海上浮式風機的氣動阻尼甚至會出現(xiàn)“負阻尼”效應，可能會導致平臺運動不斷加劇。

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

5 結(jié)語

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