陳旭東,孔國照

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

浮式風電是未來離岸風電的重要發(fā)展方向,一直被視作最具潛力的可再生能源開發(fā)領(lǐng)域。但海上浮式風電產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模巨大、風險成本較近海固定式風電項目更高,因此對設(shè)備的性能及可靠性有著極高的要求。已有的項目經(jīng)驗表明,三浮體半潛式平臺基礎(chǔ)具有較好的運動響應(yīng)特性與經(jīng)濟性,系泊系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化,是影響深水浮式風電平臺運行安全與發(fā)電效能的關(guān)鍵因素。考慮以10 MW深水浮式風電平臺采用的多點系泊系統(tǒng)為對象,對系泊纜數(shù)量,系泊點位置,系泊線夾角及預(yù)張緊力等參數(shù)進行不同組合,并充分考慮環(huán)境載荷中風、浪、流成分對平臺運動響應(yīng)與風電主機發(fā)電效能的影響,采用全時域耦合分析方法[1],確定系泊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)與優(yōu)化方向,對系泊系統(tǒng)方案進行優(yōu)選設(shè)計,探尋成本效費比最優(yōu)的系泊系統(tǒng)布置方案。

1 深水浮式風電平臺技術(shù)參數(shù)

10 MW級浮式風電平臺由3個主要部分構(gòu)成,其中主機位于高度約110 m的塔筒立柱頂端,平臺本體由3立柱式浮筒及底部水平橫撐結(jié)構(gòu)組成;系泊系統(tǒng)由沿著縱向?qū)ΨQ布置的8點式懸鏈線錨泊定位組件構(gòu)成。其工作吃水為20 m,此時總排水量超過13 000 t,平臺頂部箱梁具有可觀的內(nèi)部容積,保證了平臺的破艙穩(wěn)性,同時未來可以朝著風電-綠色制氫的方向拓展浮式風電平臺的功能。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 10 MW浮式風電平臺主要技術(shù)參數(shù)

表2 R4S有檔電焊錨鏈技術(shù)規(guī)格

10 MW級浮式風電平臺的外形見圖1。

圖1 10 MW級浮式風電平臺外形示意

2 系泊系統(tǒng)布置

10 MW級浮式風電平臺的系泊系統(tǒng)由8根鋼制有檔錨鏈組成,其中每2根錨鏈組成1組,沿著X,Y方向呈4×2型式對稱布置。8點懸鏈線式錨泊系統(tǒng)采用4組系泊點與平臺浮筒下部的制蕩艙頂板相連,每個系泊點連接2根錨鏈。每組錨鏈與X軸呈38°夾角,每組中2根錨鏈之間夾角為4°。平臺系泊系統(tǒng)布置見圖2。

圖2 浮式風電平臺系泊布置示意

單根錨鏈采用R4S級有檔電焊錨鏈,直徑為114 mm,總長度840 m,在100 m水深下單根錨鏈靜態(tài)躺底長度約600 m,錨鏈技術(shù)規(guī)格見表格2。

3 時域全耦合分析方法

風電主機與葉片系統(tǒng)布置在高度超過100 m的塔筒頂部,其葉片尖端線速度可達90 m/s[2],與平臺系統(tǒng)10～40 s的典型運動周期具有較大的差異。為了準確評估浮式風電系統(tǒng)的發(fā)電效能以及系泊系統(tǒng)有效性,需要在分析過程中同時計入以下效應(yīng)。

1)風機葉片的氣動彈性耦合效應(yīng)。

2)平臺浮體與系泊錨鏈系統(tǒng)的耦合效應(yīng)。

3)風機塔筒結(jié)構(gòu)與平臺浮體的耦合效應(yīng)。

4)風電主機控制系統(tǒng)操縱葉片變矩調(diào)槳過程與平臺浮體運動的耦合效應(yīng)。

10 MW級浮式風電平臺的設(shè)計工作引入了全時域耦合分析的分析方法。通過將風電主機、葉片系統(tǒng)、平臺浮體及系泊錨鏈的運動特征及載荷輸入進行數(shù)字化建模,從而構(gòu)成一套綜合性運動分析系統(tǒng),對于采用多點系泊系統(tǒng)的浮式風電平臺,其在時域下的運動方程可以描述為

(1)

式中:i為帶系泊系統(tǒng)的浮式風電平臺運動自由度;aij為平臺的慣性質(zhì)量矩陣;mij(t)為平臺的附加質(zhì)量矩陣;Kij(t)為阻尼函數(shù)矩陣;Cij為靜水恢復(fù)力矩陣;Fi(t)為波浪激勵載荷矩陣;Xj(t)為平臺的位移矩陣。

分析過程是首先對浮式風電平臺進行頻域下的運動響應(yīng)分析,計算平臺浮體在不同浪向、頻率的波浪成分作用下的附加質(zhì)量以及運動響應(yīng)RAO。選擇波浪頻率范圍為0.1～1.8 rad/s,波浪頻率步長為0.05 rad/s。波浪方向自0°～180°,方向遞增步長為15°。時域分析的時間步長設(shè)置為0.01 s,分析總時長從3 600～10 800 s不等。針對多次時域分析結(jié)果,通過概率預(yù)報方法,預(yù)報浮式風電平臺的運動響應(yīng)極值,系泊錨鏈張力極值[4],風電主機的有效發(fā)電時長等設(shè)計目標參數(shù)。浮式風電平臺風暴自存工況下3 h內(nèi)的水平運動軌跡見圖3。

圖3 浮式風電平臺水平位移軌跡時程曲線

4 系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

懸鏈線式系泊系統(tǒng)在平臺浮力、波浪拖曳力和重力的相互作用下呈現(xiàn)出高度的非線性特征[5]。10 MW級浮式風電平臺在設(shè)計過程中建立以系泊纜數(shù)量、系泊線夾角、系泊點位置、預(yù)張緊力大小等為變量的系泊系統(tǒng)效能分析模型,通過分析單一因變量對浮式平臺系泊性能的影響趨勢,篩選能夠得到最優(yōu)系泊性能結(jié)果的變量值,直至得到整個系泊布置方案的最后參數(shù)組合。

分析結(jié)果顯示,增加系泊錨鏈的數(shù)量,可以減小浮式風電平臺的運動響應(yīng)極值,但單一方向上的系泊錨鏈布置超過一定數(shù)量時,單根錨鏈的效率大幅降低,成本快速上升。同時沿X、Y軸雙向?qū)ΨQ4×2形式布置的系泊錨鏈相比呈中心對稱3×3形式布置的系泊錨鏈在風暴自存工況下張力極值更小,動態(tài)載荷變化幅值更低,具有更好的安全性。見表3,風速為36 m/s,波高為4.75 m。

表3 風暴自存工況下不同布置型式的錨鏈張力極值比較

另一方面,當系泊錨鏈間的夾角增大時,每根錨鏈上的載荷差異將增大,平臺在水平面內(nèi)各個方向上的運動幅值將逐漸增加,水平運動的固有周期將增加,平臺的穩(wěn)定性會降低。

系泊錨鏈的預(yù)張緊力指風電平臺在靜水環(huán)境下通過張緊系泊錨鏈對系泊系統(tǒng)施加的初始剛度。預(yù)張緊力可以為浮式風電平臺提供水平及垂直方向的回復(fù)力,將浮式風電平臺遭遇的不同頻率的風浪流載荷轉(zhuǎn)化為系泊錨鏈變形帶來的低頻載荷,增加平臺的穩(wěn)定性。過小的預(yù)張緊力會導致平臺的水平運動范圍加大,同時升沉及橫縱搖角度增加,同時過大的預(yù)張緊力將提高平臺及系泊系統(tǒng)的建造與安裝難度,提升建設(shè)成本,降低浮式風電平臺的經(jīng)濟性。

目前10 MW級浮式風電平臺的4×2型多點系泊系統(tǒng)在滿足強度要求的同時兼具了良好的經(jīng)濟性,達到了設(shè)計目標。

5 發(fā)電作業(yè)狀態(tài)系泊能力驗證

10 MW級浮式風電平臺的系泊系統(tǒng)的設(shè)計須滿足以下條件。

1)在低風速條件下系泊線上的張力對平臺漂浮狀態(tài)的擾動最小,提高風電主機對低速風能的捕捉效率,提升風電主機的發(fā)電能效。

2)在中等風速條件下,風機葉片的攻角與槳矩可以維持在穩(wěn)定狀態(tài),風電主機的發(fā)電效率達到最佳,此時平臺浮體保持周期穩(wěn)定的振蕩運動,不會出現(xiàn)頻繁的大幅度升沉運動或擺動,以避免風機葉片尖端出現(xiàn)失速,降低發(fā)電效率。

3)在高風速環(huán)境條件下,波浪及涌浪將對平臺浮體產(chǎn)生顯著的波頻力與漂移力,此時系泊系統(tǒng)應(yīng)對平臺浮體提供較大的剛度約束,將平臺運動對風機控制系統(tǒng)的影響周期盡可能拉長。

針對上述技術(shù)要求,在設(shè)計過程中預(yù)設(shè)了風電主機啟動過程、風電主機正常停機過程及風電主機持續(xù)發(fā)電3種性能驗證場景。以0.005 s為時間步長,連續(xù)分析2 400 s的平臺運動與系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)情況,以平臺的運動響應(yīng)幅值與系泊線的張力結(jié)果極值為考察目標,評價系泊系統(tǒng)的安全性與有效性。

對于風電主機持續(xù)發(fā)電工況,則采用0.01 s為時間步長,持續(xù)分析7 200 s時間歷程內(nèi)的平臺浮體運動響應(yīng)、系泊錨鏈的張力極值、風電主機的功率輸出。在分析過程中采用表4所示的風速與波高的聯(lián)合分布數(shù)據(jù)。

表4 發(fā)電能力分析采用的風速與波浪聯(lián)合分布參數(shù)

3種狀態(tài)的分析結(jié)果顯示,10 MW級浮式風電平臺能夠從設(shè)計要求的任何風速條件下正常啟動并持續(xù)穩(wěn)定運行,發(fā)電功率與發(fā)電效率滿足設(shè)計要求,系泊錨鏈的張力滿足規(guī)范設(shè)計要求,不會出現(xiàn)錨鏈破斷或走錨的風險。

6 風暴自存狀態(tài)系泊能力驗證

選擇36 m/s的風速及相應(yīng)的海浪及涌流數(shù)據(jù)作為輸入條件,模擬風速從25增加到36 m/s的風暴發(fā)展過程。風電主機的控制系統(tǒng)自風速達到25 m/s時開始停止發(fā)電,改變風機葉片的攻角以減小葉片上的風力載荷,并保持風機葉片空轉(zhuǎn)以減小浮式風電平臺系統(tǒng)受到的風載荷,當風速增大至36 m/s時,風電主機控制系統(tǒng)開始發(fā)出風機葉片剎車指令,風機葉片將逐漸降低轉(zhuǎn)速直至停止。

分析過程采用0.01 s時間步長,分析過程總時長10 800 s,結(jié)果顯示8點系泊系統(tǒng)為10 MW級浮式風電平臺提供了穩(wěn)定可靠的定位能力,保證了浮體平臺的運動響應(yīng)的頻率與幅值滿足風電主機的安全性要求,系泊錨鏈上的張力極值滿足規(guī)范[3]要求,錨鏈遠端與海底接觸良好,不會出現(xiàn)走錨移位的風險。風暴自存工況下平臺在水平面內(nèi)的位移極值見表5,風速為36 m/s,波高為4.75 m,流速為2.0 m/s。

表5 風暴自存工況平臺運動響應(yīng)極值結(jié)果

分析結(jié)果顯示,系泊錨鏈在各個方向風、浪、流載荷作用下的張力極值滿足規(guī)范要求,錨鏈的張力曲線在時間上峰值分布均勻,典型的系泊錨鏈張力時程曲線見圖4。

圖4 風暴自存工況錨鏈張力時程曲線

7 結(jié)論

針對10 MW級浮式風平臺設(shè)計了1套8點系泊系統(tǒng),應(yīng)用全耦合時域分析方法,對系泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析,實現(xiàn)了系泊定位能力、抵抗環(huán)境載荷能力與建造成本的良好平衡。

1)非對稱布置的系泊纜繩可能導致平臺與風機對特定方向下的風浪流載荷產(chǎn)生突變的運動響應(yīng),表現(xiàn)為平臺橫搖加大,風機葉片掃風面積不穩(wěn)定,槳矩變化劇烈,發(fā)電效率下降。

2)系泊系統(tǒng)自身的彈性與剛度顯著影響平臺浮體在水平面及垂直面內(nèi)振蕩運動的頻率與幅值。當系泊系統(tǒng)布置型式不佳或系統(tǒng)剛度不足時,可能會導致浮體平臺不規(guī)律的產(chǎn)生低頻搖擺運動,從而導致位于塔筒頂端的風電主機由于葉片攻角不良而引起發(fā)電功率降低甚至停機。

3)對稱布置8點式系泊系統(tǒng)較傳統(tǒng)的系泊布置型式具有更好的系泊定位能力,不但降低了系泊系統(tǒng)全壽命周期下的建設(shè)與維護成本,還為多風機共用系泊系統(tǒng),進一步降低系泊系統(tǒng)布置與建造難度提供了可能。