半潛浮式風機基礎設計方法

(明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400)

隨著海上風電場開發(fā)逐步走向深遠海，半潛浮式風機因其穩(wěn)定性較好、適用水深范圍廣、安裝運輸方便而備受關注。關于半潛浮式風機基礎的研究和應用，目前國外技術(shù)已相對成熟，例如PrinciplePower公司設計的Windfloat于2011年已在葡萄牙海域設立樣機，目前運行狀態(tài)良好。國內(nèi)尚無漂浮式風機樣機設立[1]。漂浮式海洋結(jié)構(gòu)物在海工行業(yè)的應用已非常成熟，浮式風機基礎設計可借鑒傳統(tǒng)海工平臺設計經(jīng)驗，但又有如下鮮明特點。

1)海上浮式風機屬于無人作業(yè)，遭到破壞或傾覆后不會造成人員傷亡及環(huán)境污染等嚴重問題，因此，其設計安全等級應低于海工平臺要求。

2)海上浮式風機作業(yè)海域水深較淺，浮式基礎設計吃水不能太大，否則有觸底危險，使其重心較高。同時淺水系泊的懸鏈線效應較差，系泊系統(tǒng)設計難度較大。

3)海上浮式風機葉輪會產(chǎn)生巨大的氣動載荷，同時風機具有結(jié)構(gòu)高聳性特點，基礎底部至機艙中心高達120多m，使浮式基礎受到巨大的外載荷，加大了風機基礎設計難度。

4)海上浮式風機在運行過程中涉及復雜的控制策略，隨風速的變化會發(fā)生啟動、轉(zhuǎn)矩控制、變槳控制、偏航、關機、停機等復雜行為，使其模擬仿真難度較大。

考慮以上特點，進行半潛浮式風機設計。

浮式風機主要包括：發(fā)電機組、輪轂、葉片、塔筒及浮式支撐基礎。發(fā)電機組通過輪轂與葉片連接在一起，下部與塔筒相連，塔筒底部通過法蘭與浮式基礎相連[2]。實例采用4柱式半潛式平臺作為風機支撐基礎，各立柱之間采用橫撐、斜撐相連，風機幾何模型見圖1。

圖1 風機整體幾何模型

主要設計參數(shù)見表1[3]。

表1 風機主要設計參數(shù)

1 基礎選型與主尺度方案設計

浮式風機基礎選型借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀母型產(chǎn)品，根據(jù)各類型浮式風機基礎的適用范圍，結(jié)合目標海域水深與環(huán)境條件，綜合考慮經(jīng)濟性、技術(shù)成熟度等因素，選用4柱式半潛式基礎。

基礎主尺度設計應能首先滿足穩(wěn)性及水動力性能的要求，同時結(jié)合風機發(fā)電運行要求，考慮基礎總布置、建造施工場地限制等因素，經(jīng)過不斷的優(yōu)化迭代設計，尋求最優(yōu)的主尺度方案。實例基礎主尺度及坐標系信息見圖2。

圖2 基礎主尺度及坐標系定義(單位：m)

2 穩(wěn)性設計

DNVGL及ABS等船級社給出了相關設計規(guī)范[4-5]，參考傳統(tǒng)海工平臺設計要求，考慮半潛浮式風機穩(wěn)性設計的特殊性。

1)針對完整穩(wěn)性中的靜傾角要求，浮式風機規(guī)范與大多海工平臺規(guī)范都沒有要求，但對于海上浮式風機，靜傾角過大會影響發(fā)電功率，嚴重時還會導致傳動鏈出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，通過調(diào)整浮式基礎主尺度或引入壓載主動控制系統(tǒng)調(diào)整靜傾角。

2)針對臺風工況下的風載荷計算，浮式風機規(guī)范中未作計算說明，可參考主流商業(yè)軟件bladed的計算結(jié)果，但應注意穩(wěn)性分析一般取海平面10 m處的1 min平均風速，而主流商業(yè)軟件一般取輪轂高度處10 min或3 s平均風速。

3)海上浮式風機屬于無人作業(yè)，遭到破壞或傾覆后不會造成人員傷亡及環(huán)境污染等嚴重問題，而穩(wěn)性規(guī)范中的面積比、力矩比安全系數(shù)與海工平臺要求一致，設計安全冗余較大。

基于浮式風機相關規(guī)范及功能性要求對算例進行艙室劃分，并完成完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性計算，分別獲得風機在完整和破損狀態(tài)下的許用質(zhì)心高度值，進一步求解綜合許用質(zhì)心高度，用于實際裝載指導與穩(wěn)性校核。風暴工況下各可能性吃水下的許用質(zhì)心高度(AVCG)變化見圖3。

圖3 許用質(zhì)心高度(AVCG)變化

經(jīng)裝載計算，風暴工況20 m吃水時質(zhì)心高度為10.2 m，艙室自由液面對質(zhì)心高度的修正值為0.2 m，最終風機整體質(zhì)心高度為10.4 m，滿足許用質(zhì)心高度11.5 m的限值要求，風機基礎具備充足穩(wěn)性，不會出現(xiàn)傾覆或沉沒。

3 水動力性能分析

水動力性能需考慮桿件黏性阻尼的影響，關于浮體黏性阻尼的計算目前還缺乏成熟的方法，考慮采用莫里森公式等效計算，或視為臨界阻尼的一部分，其中臨界阻尼β0為[6]

(1)

式中：M為浮體質(zhì)量；Ma為浮體附加質(zhì)量；Ci為浮體靜水力回復剛度。根據(jù)相關經(jīng)驗及參考文獻，對于半潛浮式風機基礎，黏性阻尼可取為臨界阻尼的10%，最終得到浮式風機基礎的幅頻運動響應及固有周期，計算結(jié)果見表2。

表2 基礎固有周期

基礎橫搖、縱搖、升沉運動方向的固有周期全大于20 s，基本避開了應用海域波浪能量集中周期段(4～20 s)及葉片的旋轉(zhuǎn)頻率(<10 s)，避免了基礎的大幅運動與風機整體共振。

4 系泊系統(tǒng)設計

算例半潛浮式風機系泊系統(tǒng)采用常規(guī)的懸鏈線系泊，設計方法與傳統(tǒng)海工平臺系泊系統(tǒng)相類似，但由于應用海域水深淺，系泊的懸鏈線效應較差，而基礎又受到巨大的外載荷，使整個系泊系統(tǒng)設計難度加大[7]。

實例浮式風機系泊系統(tǒng)采用3×3設計，布置方式見圖4。

圖4 系泊系統(tǒng)布置示意

經(jīng)計算分析，風暴工況下系泊纜張力最大值為7 890 kN，據(jù)此進行錨鏈選型為R4S級別，并依據(jù)DNVGL規(guī)范校核進行安全校核，見表3。

表3 系泊纜張力校核

結(jié)果表明完整工況最小安全系數(shù)CF為1.6，滿足CF≥1.3的規(guī)范要求，對于單根破斷工況及疲勞工況，同樣滿足規(guī)范要求，此處不再贅述。

5 全耦合動態(tài)分析

半潛浮式風機受到氣動載荷和水動力載荷的聯(lián)合作用，葉片風輪-浮式基礎-系泊系統(tǒng)之間耦合作用使風機整體及各部分的受力和運動較為復雜，因此，搭建葉片-傳動鏈-塔筒-基礎-系泊系統(tǒng)的整體模型，進行全系統(tǒng)耦合動態(tài)分析，以充分考慮各部分受力及響應的非線性效應，進行整機載荷及響應的模擬仿真[8]。

算例采用知名專業(yè)軟件sima進行模擬仿真，其中葉片氣動載荷采用葉素-動量理論求解，軟件可根據(jù)葉片氣動參數(shù)及截面物理屬性進行葉片方位角、變形及氣動載荷的實時求解；風機基礎運動采用直接讀入頻域水動力參數(shù)，根據(jù)波浪輸入，基于頻率響應函數(shù)，采用傅里葉逆變換或半解析法等其他方法得到脈沖響應函數(shù)，將頻域水動力系數(shù)轉(zhuǎn)化到時域，進行時域運動的求解；系泊系統(tǒng)仿真采用有限元方法，可充分考慮系泊纜的非線性效應，進行系泊纜與浮體之間及系泊纜各單元的時域動態(tài)求解。

浮式風機全耦合時域分析過程中引入控制策略，分析工況繁多且復雜，計算量龐大，在初始設計階段，基于海上固定式風機載荷計算經(jīng)驗，初步選取額定風速、切出風速、停機臺風風速等載荷較大的工況進行初算，以提高設計效率。

算例全耦合仿真模型見圖5。

圖5 全耦合動態(tài)仿真模型

仿真結(jié)果表明，風機在臺風工況(DLC6.2)下具有較好的運動性能，最大運動幅值見表4，風機可抵御臺風的影響。此工況下的最大塔底載荷約為370 000 kN·m，較固定式風機塔底載荷(200 000～250 000 kN·m)高出很多，說明浮式基礎運動對塔底載荷影響較大。

表4 浮式風機耦合最大運動響應

6 結(jié)構(gòu)安全設計

半潛浮式風機基礎結(jié)構(gòu)設計可參考傳統(tǒng)海工平臺結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗，結(jié)合浮式風機載荷及功能特殊性要求，進行基礎結(jié)構(gòu)總體強度與疲勞分析，同時還應對特殊連接區(qū)域作局部強度分析、砰擊區(qū)域作砰擊強度分析[9]。

算例選用鋼板的極限載荷為355 MPa，其中立柱結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果見圖6，可見立柱整體滿足結(jié)構(gòu)強度要求，最大應力為293 MPa，其中在立柱與斜撐交匯處應力超過了許用應力，有必要做進一步加強處理。

圖6 立柱極限強度應力分布

7 結(jié)論

1)半潛浮式風機基礎設計方法可參考傳統(tǒng)海工平臺的成熟設計經(jīng)驗，但設計過程中需要考慮浮式風機自身特點與功能性要求，例如穩(wěn)性設計時，應充分考慮浮式風機為無人操作的特點。

2)半潛浮式風機系泊系統(tǒng)設計需要考慮風機作業(yè)海域水深較淺，結(jié)構(gòu)高聳，氣動載荷較大的特點，同時又要兼顧風機正常運行的安全與功能性要求，增大了系泊系統(tǒng)的設計難度，設計時可采取合適措施提高懸鏈線效應，例如增大系泊纜躺底段重量、添加重塊、提高導纜孔高度等。

3)半潛浮式風機運行過程中涉及復雜控制策略，使其模擬仿真難度與計算工作量增大，初步設計時可參考固定式風機載荷計算經(jīng)驗，選取部分危險工況進行核算，待詳細設計時再做全工況仿真計算，以提高設計效率。

4)半潛浮式風機基礎設計應與風機控制策略相結(jié)合，充分發(fā)揮控制策略的作用，較優(yōu)的控制策略可有效降低風機載荷，例如，在風速較大時，可通過提前變槳控制，雖犧牲部分發(fā)電量，但可大幅降低風機所受載荷。

半潛浮式風機基礎設計還應綜合考慮基礎造價、系泊系統(tǒng)價格、施工安裝費用、后期運維費用等經(jīng)濟性因素。