新式潮流電站載體概念設(shè)計及水動力性能分析*

關(guān) 超，張 亮，馬 勇

（哈爾濱工程大學(xué) 海洋可再生能源研究所，哈爾濱 150001）

新式潮流電站載體概念設(shè)計及水動力性能分析*

關(guān) 超，張 亮?，馬 勇

（哈爾濱工程大學(xué) 海洋可再生能源研究所，哈爾濱 150001）

為了實現(xiàn)潮流能和風(fēng)能的互補利用，設(shè)計一種新式潮流電站載體平臺，實現(xiàn)了對潮流水輪機和風(fēng)能發(fā)電模塊的搭載，構(gòu)建了600 kW獨立電力系統(tǒng)。基于新式潮流電站載體，考慮水輪機受力和環(huán)境的影響，分析發(fā)電裝置的穩(wěn)性，并應(yīng)用有限元軟件ANSYS對新式結(jié)構(gòu)建模，分析了裝置的耐波性。本研究將為多能互補潮流發(fā)電裝置研究、開發(fā)和建設(shè)提供參考和借鑒。

潮流能；概念設(shè)計；穩(wěn)性；耐波性

0 前 言

當(dāng)今世界，“全球人口不斷膨脹，陸地資源和能源日趨嚴(yán)峻”的危機日趨嚴(yán)重，隨著能源危機和環(huán)境的不斷惡化[1]，對海洋能開發(fā)利用的需求已越來越迫切，占地球總面積71%的海洋蘊藏的海洋能理論值達766億kW，其中可利用的約為64億kW[2-4]。1972年，Heronemus首次提出具有浮式基礎(chǔ)的海上浮式風(fēng)力機（floating offshore wind turbine, FOWT）概念[5]，并在近些年獲得了快速發(fā)展；近年哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的70 kW浮式潮流電站“萬向I”作為我國第一座浮式電站[6]，總體技術(shù)達到了世界先進水平。海洋中的浮體也不僅僅限于船舶、平臺等形式。潮流電站對開發(fā)利用潮流能、給沿海和島嶼居民提供用電及滿足國內(nèi)日益增長的能源需求有著重要的意義。潮流能的開發(fā)已是大勢所趨，穩(wěn)定可靠的水輪機載體對水輪機正常工作及發(fā)揮其最大工作效率有著很大的影響。本文根據(jù)項目要求，設(shè)計一種新型的同時安裝水輪機與風(fēng)機互補的獨立電力系統(tǒng)，由于風(fēng)機與水輪機的雙重作用，推測該載體的運動相應(yīng)會與以往有所不同，所以研究載體的運動對整個系統(tǒng)的工作有著重要意義。

1 設(shè)計依據(jù)

在對載體進行設(shè)計時，必須要了解載體所處的環(huán)境，并根據(jù)其具體的環(huán)境參數(shù)選擇相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，之后制定載體的形狀參數(shù)。

1.1 設(shè)計原則

（1）遵循國家有關(guān)法令、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)以及CCS規(guī)范設(shè)計；

（2）考慮電站使用的安全性、方便性、先進性和可維護性；

（3）滿足健康、安全、環(huán)保（HSE）的要求。

1.2 規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

（1）入級：本電站不入級

（2）參照的規(guī)范、規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)

CCS《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》；CCS《國內(nèi)航行海船法定檢測技術(shù)規(guī)則》；CCS《材料與焊接規(guī)范》及其修改通報；《中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（CSQS）；相關(guān)國標(biāo)（GB）和船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CB）。

1.3 海洋環(huán)境

根據(jù)相關(guān)資料：長島縣猴磯島海域海洋環(huán)境調(diào)查報告、山東巖土勘測設(shè)計研究院有限公司所做的“長島縣猴磯島海域巖土工程勘測報告”以及“項目任務(wù)書”指標(biāo)，確定本初步設(shè)計的海洋環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)Table 1 The Environment Parameters

2 總體設(shè)計方案

用 ANSYS對載體水下部分進行建模，整體為“類四邊形”結(jié)構(gòu)（見圖 1），主體由 8個浮筒及若干梁組成，效果圖如圖2，載體的主尺度見圖3。

該“類四邊形”浮式支撐平臺為半潛式平臺。平臺總高度為8.5 m，紅色部分是水下部分，高5.5 m，黃色部分是水上部分，高 3 m，太陽能電池板鋪設(shè)面高出上層邊梁上表面2.5 m。平臺由立筒、上層邊梁和下層邊梁組成。立筒A、C、D、F不等截面，上、下部分均為兩半圓加中間矩形延長孔形狀，中間部分為錐面過渡段，主要用于提供浮力。載體采用該新型的半潛式箱梁組合結(jié)構(gòu)，意在將此結(jié)構(gòu)的水線面分布在各個浮筒上，浮筒的小水線面具有較好的抗風(fēng)浪能力，在接下來的計算中將對該載體的穩(wěn)定性與耐波性進行計算驗證。

圖1 水動力模型Fig. 1 Hydrodynamic model

圖2 效果圖Fig. 2 Design Sketch

圖3 主尺度Fig. 3 The Principal Dimensions

3 載體水動力性能分析

3.1 穩(wěn)性分析

穩(wěn)性計算時，首先規(guī)定坐標(biāo)系 OXYZ，坐標(biāo)原點位于水線面上，沿流向方向規(guī)定為x軸的正方向，水面向上規(guī)定為z軸的正方向。坐標(biāo)的平面表示如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)系Fig. 4 Coordinate system

平臺穩(wěn)性計算時主要計算平臺繞不同傾斜軸的靜穩(wěn)心高、極限靜傾角等數(shù)據(jù)，通過計算結(jié)果判斷其穩(wěn)性。

不同傾斜軸下水線面對各傾斜軸的慣性矩[7]如表2所示。

表2 水線面慣性矩Table 2 The Inertia Moment

由于：

其中，?為排水量，BM為穩(wěn)心半徑。

其中，ZB為浮心高，ZG為重心高。計算得不同傾斜軸下的GM值如表3所示。

靜傾角θs表示浮體在靜力作用下的最大橫傾角，在求解靜傾角之前，首先要求解作用在浮體上的傾覆力矩。該平臺所受到的傾覆力矩來自風(fēng)力機、水輪機、上層建筑等，其中風(fēng)力機的載荷為其中最大的力矩。取風(fēng)流反向為沿x軸轉(zhuǎn)動時最惡劣的狀態(tài)，其他情況下僅有風(fēng)為最惡劣狀態(tài)，結(jié)果顯示為僅有風(fēng)時傾覆力矩為1 239 kN，風(fēng)與流方向相反時為1 484 kN，計算得靜傾角如表4所示。

表3 不同夾角下的GM值Table 3 GMunder different angles

表4 靜傾角Table 4 The Statical Inclination Angle

由上表知，兩工況下穩(wěn)性均良好。實際海況下，風(fēng)機可能在任意角度下迎風(fēng)，可視為橫傾與縱傾的耦合，穩(wěn)性優(yōu)于以上兩種工況。

3.2 耐波性分析

頻域內(nèi)的運動響應(yīng)計算通過AQWA軟件完成。首先建立模型（濕表面），其中水下管型結(jié)構(gòu)使用莫里森單元進行模擬，然后在濕表面上劃分水動力網(wǎng)格，由于計算需要括梁在內(nèi)的單元都以四邊形面元網(wǎng)格進行劃分[8]，如圖5所示。

圖5 有限元模型Fig. 5 Finite Element Model

設(shè)定水深為25 m，輸入重心、水線等相關(guān)參數(shù)，得到縱搖、垂蕩與橫搖三個自由度（Degree of freedom, DOF）的運動響應(yīng)（Response amplitude operator, RAO）如圖6、圖7和圖8所示，表5為提取的三個自由度響應(yīng)的最大值。

圖6 垂蕩RAOFig. 6 Heave RAO

圖7 縱搖RAOFig. 7 Pitch RAO

圖8 橫搖RAOFig. 8 Roll RAO

表5 運動響應(yīng)幅值Table 5 The Motion Responses

由計算結(jié)果知，平臺整體運動較為劇烈，在規(guī)則波中三個主要自由度的運動幅值如表5所示。平臺在危險頻率下自由運動時可能會產(chǎn)生甲板上浪與水輪機葉片出水等現(xiàn)象，從而對整個電站的性能與設(shè)備的安全性造成影響；但考慮到系泊的約束，載體的水動力性能會有所改善，但工作工況下仍需避開危險的波浪頻率。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)項目的要求，針對特定海域的海況與工程需求，設(shè)計了一種新型的浮式電站載體結(jié)構(gòu)形式。首先對其穩(wěn)性及靜傾角進行了校核，計算過程中考慮了水輪機與風(fēng)機在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的力矩影響，發(fā)現(xiàn)載體結(jié)構(gòu)在最惡劣的外載荷下，仍然具有良好的穩(wěn)性，接著從耐波性的結(jié)算結(jié)果來看，三個主要自由度的運動在規(guī)則波下較為劇烈，可能會對整個電站的水動力性能造成影響。本文在計算中沒有考慮系泊系統(tǒng)，所以相信在后繼計算中加入系泊約束后會有所改善，并且實際生產(chǎn)中可以加入減搖鰭、阻尼板等結(jié)構(gòu)來加強穩(wěn)性，但是仍需注意改進設(shè)計避開共振區(qū)來增強整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

[1] Richard Brooks, David Rodger. the world offshore renewable energy report 2004-2008[R]. UK: 2010 Business Development, 2010.

[2] 張亮, 李新仲, 耿靜, 等. 潮流能研究現(xiàn)狀2013[J]. 新能源進展, 2013, 1(1): 53-68.

[3] 張亮. 垂直軸潮流能水輪機研究與利用現(xiàn)狀[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2011, (9): 1-7.

[4] 張煥芬. 海洋能——未來的能源[C]//中國能源情報網(wǎng)第四次全網(wǎng)大會. 成都, 中國, 1987.

[5] Heronemus W E. Pollution-free energy from offshore winds[C]//Proceedings of Annual Conference and Exposition Marine Technology Society. Washington DC: Marine Technology Society, 1972: 21-25.

[6] 朱典明, 李鳳來, 張亮. 70 kW潮流實驗電站[R]. 2002.

[7] 盛振邦、楊尚榮、陳雪深. 船舶靜力學(xué)[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1992.

[8] 孫麗萍. 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2004.

The Concept Design and Hydrodynamic Performance Analysis of New Tidal Current Power Station Carrier

GUAN Chao, ZHANG Liang, MA Yong
(Institute of Ocean Renewable Energy System, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To achieve the complementary use of tidal current and wind power, a new type of carrier platform is designed. The module of tidal turbine and wind power is successful constructed, and then a “600 kW autocephalous electric system”is built. Based on the new carrier and take the effects of turbine force and environment into consideration, the stability of the system is investigated, and its seakeeping is analyzed by finite element software ANSYS. This work may provide some suggestions for the development and construction of multi-energy complementary power stations.

tidal current power; structure design; stability; seakeeping

TK71；U661.1

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.04.007

2095-560X（2014）04-0282-04

關(guān) 超（1988-），男，碩士研究生，主要從事潮流能利用及海上浮式風(fēng)電開發(fā)技術(shù)研究。

2014-04-23

2014-06-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51309069）；多體船技術(shù)國防重點學(xué)科重點實驗室開放基金資助項目（HEUDTC1407）；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金資助項目（RC2014QN001008）

? 通信作者：張 亮，E-mail：191886522@qq.com

張 亮（1959-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事潮流能利用及海上浮式風(fēng)電開發(fā)技術(shù)研究。

馬 勇（1980-），男，博士，講師，主要從事流體力學(xué)測試技術(shù)、潮流能利用技術(shù)及海上浮式風(fēng)電開發(fā)技術(shù)研究。