海上風(fēng)力發(fā)電平臺概念設(shè)計及系泊系統(tǒng)特性研究

袁培銀，趙 宇，王平義，譚 波

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

海上風(fēng)力發(fā)電平臺概念設(shè)計及系泊系統(tǒng)特性研究

袁培銀1,2，趙 宇1,3，王平義1，譚 波2

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

為實現(xiàn)海上風(fēng)力發(fā)電平臺工作狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)報，本文采用有限元軟件建立浮式風(fēng)力發(fā)電平臺三維模型，完全時域耦合分析在不規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺動力響應(yīng)特性。通過時域結(jié)果對比分析可知，在風(fēng)浪流同向作用下，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的運動響應(yīng)幅值及系泊纜索頂端張力最大。通過運動響應(yīng)時間歷程曲線可知，橫蕩運動和橫搖運動表現(xiàn)為低頻特性，垂蕩運動表現(xiàn)為波頻特性，以上研究成果可為浮式風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計提供一定的指導(dǎo)，并可為將來的相關(guān)試驗提供一定參考。

海上風(fēng)力發(fā)電平臺；運動響應(yīng)幅值；頂端張力

0 引 言

南海擁有豐富的自然資源，海上風(fēng)力平臺的合理應(yīng)用可以滿足島上居民的生活用電需求，相比于其他發(fā)電形式，海上風(fēng)力發(fā)電具有綠色、清潔、風(fēng)速高、風(fēng)情穩(wěn)定，可減輕用電壓力，減少二氧化碳排放，推動國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，將起到重要作用。

對于海上風(fēng)力發(fā)電平臺在波浪中的運動響應(yīng)分析，國內(nèi)外的專家做過相應(yīng)研究。鄒早建等[1]對浮式風(fēng)機平臺在規(guī)則波作用下的動力響應(yīng)分析指出，系泊平臺的運動是由風(fēng)機的風(fēng)力和波浪參數(shù)大小共同決定的。Lee[2]提出 TLP 型和 Spar 型 2 種浮式風(fēng)機系統(tǒng)的概念設(shè)計，對其在風(fēng)浪中的運動響應(yīng)進(jìn)行有效、合理的評估。Denis Matha 等[3]在美國研發(fā)的 TLP 平臺基礎(chǔ)上對張力腿模型進(jìn)行了系統(tǒng)分析，Denis Matha 等根據(jù)海上風(fēng)機的設(shè)計準(zhǔn)則驗證了改良之后的浮式風(fēng)機 TLP平臺，結(jié)果表明張力腿式風(fēng)機平臺運動特性較好。Jason M.Jonkman and Marshall L.Buhl Jr.[4]通過全耦合進(jìn)行分析模擬，對 5 MW 的浮式風(fēng)力發(fā)電機的初步載荷進(jìn)行了分析，確定了經(jīng)濟和技術(shù)的可行性、動力響應(yīng)、潛在的載荷以及不穩(wěn)定性。葉小嶸等[5]將浮式平臺的運動響應(yīng)結(jié)果對風(fēng)機氣動性能產(chǎn)生的影響考慮在內(nèi)，并研究在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下風(fēng)機氣動性能。李溢涵[6]以 5 MW 風(fēng)機為研究對象，考慮粘性阻尼矩陣和系泊系統(tǒng)回復(fù)剛度矩陣，考慮系泊系統(tǒng)與基礎(chǔ)之間的耦合作用，對風(fēng)機的整體模型進(jìn)行時域分析。鄧慧靜[7]根據(jù)三維勢流理論和 Morison 方程求解三浮筒半潛平臺波浪載荷和浮體在波浪中的運動響應(yīng)。J.M. Jonkman 等[8]對海上浮式風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析所采取的耦合方法進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并提出了動力響應(yīng)的全耦合模擬分析方法；該方法不僅解決了頻域和時域各自的局限性，而且可以考慮影響系統(tǒng)的所有可能載荷，同時也驗證模型實驗方法的可行性。

1 浮式風(fēng)力發(fā)電平臺及系泊定位系統(tǒng)設(shè)計

浮式風(fēng)力發(fā)電平臺是由三立柱共同作用承載風(fēng)力發(fā)電機組的重量，三立柱的特殊布置形式可以使浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)性高度在 360° 內(nèi)所有方向均相等。通過在三立柱下方各設(shè)置一壓水板，一方面可以減小風(fēng)力發(fā)電機組整體共振的不利影響，另一方面還可以增加浮式基礎(chǔ)垂蕩的粘性阻尼。同時，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺設(shè)置若干橫撐和斜撐，以更好的保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性及防止局部區(qū)域應(yīng)力集中。表 1 為浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的主尺度要素，圖 1 為浮式風(fēng)力發(fā)電平臺系泊系統(tǒng)布置示意圖。

2 浮式風(fēng)力發(fā)電平臺及系泊系統(tǒng)運動方程

對于浮式風(fēng)力發(fā)電平臺來說，耦合分析是需要考慮海洋結(jié)構(gòu)物及其系泊系統(tǒng)的相互影響，建立整個系統(tǒng)的運動方程和動力方程進(jìn)行求解，是一類復(fù)雜的非線性問題，需要考慮系泊系統(tǒng)的回復(fù)力、阻尼力及慣性力對結(jié)構(gòu)物的平均位置及其動力響應(yīng)所產(chǎn)生的影響[9]。

表1 浮式風(fēng)力發(fā)電平臺主要要素Tab. 1 Main parameter of floating wind platform

當(dāng)完全時域耦合分析浮式風(fēng)力發(fā)電平臺運動時，需要將風(fēng)力機、支撐平臺和系泊系統(tǒng)的耦合效應(yīng)考慮在內(nèi)，平臺的結(jié)構(gòu)可以近似看成具有 6 個自由度的簡單剛體。

浮式風(fēng)力發(fā)電平臺整體結(jié)構(gòu)體系的運動方程為：

式中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；A為附加質(zhì)量矩陣；

Bw和Bm分別為波阻尼矩陣和系泊系統(tǒng)阻尼矩陣；

Kw為水動力恢復(fù)剛度矩陣；

Kt和Km分別為張力腿筋腱部分的剛度矩陣和錨纜部分的剛度矩陣；

Fhvs和Fwinds分別為靜水力和風(fēng)荷載力；

FwaveI和FwaveD分別為入射波浪力和繞射波浪力。

當(dāng)計入不規(guī)則波以及海流的作用時，此運動方程為：

式中：Fwavedift為波浪慢漂力；Fcurrents為海流作用力。

3 數(shù)值算例

3.1 系泊纜索主要參數(shù)

浮式風(fēng)力發(fā)電平臺在開闊的海洋環(huán)境中，會受到復(fù)雜的環(huán)境載荷，根據(jù)初步的風(fēng)載荷、海流載荷和波浪載荷的計算，選取 6 根錨鏈形式的懸鏈線進(jìn)行系泊定位，分析認(rèn)為流體是無粘性、不可壓縮的理想流體，考慮系泊纜索與浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的相互耦合作用，系泊纜索的具體參數(shù)如表 2 所示。

表2 系泊纜索主要參數(shù)Tab. 2 Main parameter of the mooring lines

3.2 頻域分析結(jié)果

浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的工作水深為 1 000 m，不考慮風(fēng)速的影響，只考慮粘性阻尼力和系泊系統(tǒng)回復(fù)力的作用，主要研究浮式風(fēng)力發(fā)電平臺六自由度幅值響應(yīng)算子隨浪向角的變化規(guī)律，定義浪向角增量步長為30°，分析平臺在 0°，30°，60°，90°，120°，150°和 180°浪向角下的運動響應(yīng)幅值算子的變化規(guī)律，如圖 2～圖 7所示。

由圖 2 縱蕩 RAO 隨浪向角變化曲線可知，縱蕩RAO 從 0°～180° 呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；由圖 3可知，橫蕩 RAO 隨浪向角變化可知，橫蕩 RAO 從0°～180° 呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，無論在任何浪向作用下，都是在 0.3 rad/s 處出現(xiàn)極值；由圖 4 可知，垂蕩 RAO 隨浪向角變化可知，無論在任何浪向作用下，垂蕩 RAO 基本不發(fā)生變化，且在 0.3 rad/s 處出現(xiàn)極值，同時也表明垂蕩 RAO 與波浪入射方向基本無關(guān)。由圖 5 橫搖 RAO 隨浪向變化可知，隨著浪向角的增加，橫搖 RAO 表現(xiàn)出先增大，后減小的趨勢，且在0.3 rad/s 處出現(xiàn)極值；由圖 6 縱搖 RAO 隨浪向變化可知，隨著浪向角的增加，橫搖 RAO 表現(xiàn)出先減小，后增大的趨勢，在浪向角是 90° 時為單峰值，在其他角度為雙峰值。

3.3 時域分析結(jié)果

本文以風(fēng)、浪、流組合環(huán)境為例，通過對本模型10 800 s 的數(shù)值模擬結(jié)果可知，風(fēng)、浪、流 3 種載荷在同一方向時，系泊纜索的頂端張力出現(xiàn)最大值，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的運動響應(yīng)幅值出現(xiàn)最大值，由于結(jié)構(gòu)的特殊穩(wěn)定形式，縱蕩運動幅值的最大為 0.2 m，縱搖運動幅值最大為 0.65°，首搖運動幅值最大 0.65°，在浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的六自由度中，橫蕩、垂蕩和橫搖為主要的運動模態(tài)，運動響應(yīng)時間歷程曲線如圖 8～圖 10所示。

從圖 8 風(fēng)力發(fā)電平臺橫蕩時間歷程曲線可看出，由于風(fēng)浪流同向 90° 入射，風(fēng)力發(fā)電平臺的運動幅值會不斷增大，并且呈現(xiàn)出大周期、不規(guī)則的運動形式，系泊系統(tǒng)提供水平回復(fù)力，使風(fēng)力發(fā)電平臺圍繞相對平衡位置做往復(fù)運動。從圖 9 風(fēng)力發(fā)電平臺橫蕩響應(yīng)譜可看出，橫蕩表現(xiàn)為明顯的低頻特性，能量主要集中在 0.75 rad/s 附近處，在 0.1 rad/s 處出現(xiàn)峰值。

從圖 10 風(fēng)力發(fā)電平臺垂蕩時間歷程曲線可看出，由于風(fēng)浪流同向 90° 入射，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺在平衡位置處往復(fù)運動，風(fēng)力發(fā)電平臺的運動受到系泊系統(tǒng)回復(fù)力、重力和浮力等外力共同作用，使其運動幅值逐漸減小。從圖 11 風(fēng)力發(fā)電平臺垂蕩響應(yīng)譜分析出，垂蕩表現(xiàn)為明顯的波頻特性，能量在 0.08 rad/s 處略微有變化，但是能量主要集中 0.30 rad/s 附近處，且在0.3 rad/s 處出現(xiàn)峰值。

從圖 12 風(fēng)力發(fā)電平臺橫搖時間歷程曲線可看出，由于風(fēng)浪流同向 90° 入射，浮式風(fēng)力發(fā)電平臺的橫搖角有很大的幅值變化，風(fēng)力發(fā)電平臺的運動受到系泊系統(tǒng)提供水平回復(fù)力，使其運動幅值逐漸減小。從圖 13風(fēng)力發(fā)電平臺橫搖響應(yīng)譜分析出，橫搖表現(xiàn)為明顯的低頻特性，能量主要集中 0.09 rad/s 附近處，且在 0.09 rad/s 處出現(xiàn)峰值。

4 結(jié) 語

通過完全時域耦合的分析方法，對作業(yè)水深 1 000 m的風(fēng)力發(fā)電平臺及其系泊系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行求解，得出風(fēng)力發(fā)電平臺及其系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性。同時，本文描述風(fēng)力發(fā)電平臺概念設(shè)計的基本流程及其系泊系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)，考察風(fēng)力發(fā)電平臺幅值響應(yīng)算子隨浪向角的變化及求解風(fēng)力發(fā)電平臺在系泊系統(tǒng)的作用下，主要運動模態(tài)的運動響應(yīng)幅值及運動響應(yīng)譜，為實際工程的應(yīng)用、系泊系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考價值，具體結(jié)論如下：

1）從縱蕩和縱搖 RAO 隨浪向角變化曲線可知，縱蕩和縱搖 RAO 從 0°～180° 變化過程中呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，且縱搖在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s處出現(xiàn)雙峰值；

2）浪向任意角度入射，垂蕩 RAO 各曲線基本重合，幅值基本不發(fā)生變化；橫蕩和橫搖的幅值響應(yīng)算子從0°～ 180° 變化過程中呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且橫搖也在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s 處出現(xiàn)雙峰值；

3）對于海上風(fēng)力發(fā)電平臺作業(yè)海況下，風(fēng)浪流同向作用，橫蕩、橫搖和垂蕩運動響應(yīng)十分顯著，橫蕩的最大幅值為 43 m，垂蕩運動最大幅值為 1.5 m，橫搖運動最大幅值為 1.5°，滿足響應(yīng)規(guī)范的要求；

4）從海上風(fēng)力發(fā)電平臺主要運動模態(tài)響應(yīng)譜可知，橫蕩運動具有顯著的低頻運動特性；而垂蕩的譜峰集中在 0.3 rad/s 附近，主要呈現(xiàn)波頻運動的特性；橫搖運動的譜峰能量集中在 0.09 rad/s 附近，主要呈現(xiàn)低頻運動的特性。

總之，風(fēng)力發(fā)電平臺是深海能源開發(fā)最主要的形式之一，也為新型能源風(fēng)力發(fā)電機的主要載體，合理的平臺型式設(shè)計及系泊系統(tǒng)的優(yōu)化，可以有效避開波浪能量集中的頻率，使得風(fēng)力發(fā)電平臺的主要運動模態(tài)幅值明顯改善，大大增強平臺的適用范圍、舒適度和安全性。

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The concept design of floating wind platform and the research on hydrodynamic characteristics of its mooring system

YUAN Pei-yin1,2, ZHAO Yu1,3, WANG Ping-yi1, TAN Bo2
(1. College of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. College of Shipping and Marine Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. College of Architecture and Urban Planning, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To achieve the precise research of operative mode of floating wind platform, this paper create the three-dimensional model, give the analysis of dynamic response characteristics of floating wind platform in irregular waves by fully time domain coupled analysis. The motion of floating wind platform and the top tension of mooring lines are the maximum in the same direction of current and wave by the time domain results of comparative analysis. The results show that the motion of sway and roll put up the characteristics of low frequency, the motion of heave show the characteristics of low frequency, the above results can provide some guidance for the optimized design of floating wind turbines and supply the reference for related tests in the future.

floating wind platform；response amplitude；the top tension

U674.03+1

A

1672 - 7619(2017)04 - 0079 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.016

2016 - 08 - 02

重慶市社會民生科技創(chuàng)新專項資助項目(CSTC2015shmszx30011)

袁培銀(1987 - )，男，博士，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計與制造、航道整治理論與技術(shù)。