波浪對(duì)潮流能水輪機(jī)性能測(cè)試影響的實(shí)驗(yàn)研究

路 寬，王花梅，韓林生，徐文和，靳志剛，蘇 惠

（1. 國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112； 2. 遼寧燕北海洋電力開發(fā)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 111211）

近年來，世界范圍內(nèi)的潮流能開發(fā)利用技術(shù)飛速發(fā)展，一些潮流能裝置已進(jìn)入商業(yè)化階段。我國(guó)潮流能資源豐富，具有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)利用價(jià)值[1-3]。潮流能開發(fā)利用技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已日趨成熟，特別是在國(guó)家的大力支持下取得了豐碩的成果。浙江大學(xué)、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司等單位研制的潮流能水輪機(jī)已陸續(xù)進(jìn)入了示范應(yīng)用階段。這些項(xiàng)目的順利實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)潮流能開發(fā)利用技術(shù)已經(jīng)由研制階段進(jìn)入到示范應(yīng)用階段。

海洋能開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展對(duì)相關(guān)測(cè)試方法和技術(shù)也提出了更高的要求。目前，我國(guó)還沒有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試工作一般都是由研發(fā)方自行開展，無論是測(cè)試方法還是測(cè)試設(shè)備都不夠規(guī)范。由于測(cè)試過程中忽視了很多問題，使得研發(fā)者對(duì)實(shí)施結(jié)果的預(yù)期過于樂觀，造成了裝置在海上運(yùn)行一段時(shí)間后才發(fā)現(xiàn)各種可靠性、可維護(hù)性、生存性的問題。裝置一旦布放到海里，進(jìn)行維修和改進(jìn)都涉及一筆很大的投入，致使很多項(xiàng)目都陷入到進(jìn)退兩難的境地，這樣的例子屢見不鮮。因此，在裝置各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試是非常必要的。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在2013 年發(fā)布了潮流能水輪機(jī)發(fā)電性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]，由于目前我國(guó)并沒有潮流能裝置測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，因此在實(shí)際測(cè)試時(shí)主要參考此文件開展工作。該標(biāo)準(zhǔn)中提到在測(cè)試時(shí)應(yīng)考慮波浪對(duì)潮流能裝置的影響，在標(biāo)準(zhǔn)的附錄提到，當(dāng)波浪引起水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度大于額定流速的20%的時(shí)候，應(yīng)充分考慮到波浪對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。但是標(biāo)準(zhǔn)中并沒有說明如何具體考慮，這使得在實(shí)際開展測(cè)試時(shí)無法操作與執(zhí)行。本文重點(diǎn)針對(duì)波流相互作用對(duì)潮流能水輪機(jī)發(fā)電性能的影響開展研究，通過物理模型試驗(yàn)的方法[5-6]，分析波流相互作用對(duì)裝置的影響方式與程度，從而提出在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，該如何考慮并避免波浪的影響，為實(shí)際測(cè)試工作的開展提出可具體操作的方法，此項(xiàng)工作可為我國(guó)潮流能裝置測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定及現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的完善提供科學(xué)依據(jù)。

1 波流相互作用對(duì)測(cè)試的影響

波浪是海岸工程和海洋工程領(lǐng)域的主要荷載，因?yàn)椴ɡ艘鸬乃w運(yùn)動(dòng)在很多方面對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物有很大的影響，如波浪荷載及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等。此外，不同尺度的波與流之間都存在著相互作用[7-17]，漲潮時(shí)的順流會(huì)使波浪變平，落潮時(shí)的逆流會(huì)使波浪變陡。不同尺度的長(zhǎng)波與短波也會(huì)相互作用，產(chǎn)生波浪變形，而波浪破碎時(shí)，在破波線與岸線之間會(huì)形成沿岸流，如遇到特殊海底地形，還會(huì)產(chǎn)生一股向深海方向的窄帶狀流動(dòng)，即離岸流。如果不考慮這些波流相互作用的影響，很可能會(huì)引起海洋結(jié)構(gòu)物的損壞而發(fā)生事故。

波流相互作用對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力荷載的影響不可忽略，波流作用于結(jié)構(gòu)物浸沒部分，應(yīng)作為主要環(huán)境荷載予以考慮。而在我國(guó)當(dāng)前研究階段，針對(duì)潮流能水輪機(jī)在波流與裝置耦合作用方面的考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。具體體現(xiàn)在兩方面：一方面，裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，葉片、裝置載體與系泊系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段大多沒有考慮波流之間的耦合相互作用的影響，這直接影響到了水輪機(jī)的生存性與環(huán)境適應(yīng)性。另一方面，在發(fā)電性能（PTO）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也沒有充分考慮波流的非線性作用改變了波流場(chǎng)，這也將影響水輪機(jī)的可靠性，使得實(shí)際的發(fā)電效果遠(yuǎn)低于預(yù)期。這類問題產(chǎn)生的影響將在今后水輪機(jī)大規(guī)模應(yīng)用階段有更為突出的體現(xiàn)。

對(duì)海洋能發(fā)電裝置的測(cè)試工作而言，要有預(yù)見性的指導(dǎo)和規(guī)范來促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，在裝置的測(cè)試階段應(yīng)充分考慮將來可能遇到的各種問題，并提出改進(jìn)建議，這有利于該技術(shù)的成熟與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此應(yīng)盡快將波流的相互影響因素作為測(cè)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)加以考慮。

2 測(cè)試設(shè)施及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

波浪與水流的相互作用會(huì)影響到水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)安全與發(fā)電性能。結(jié)構(gòu)安全可通過數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，這方面工作有很多軟件可以實(shí)現(xiàn)，這通常也是最為節(jié)約成本的一種方法。同時(shí)，我國(guó)也正在建設(shè)全尺度全鏈條的針對(duì)風(fēng)機(jī)的測(cè)試平臺(tái)，為結(jié)構(gòu)安全、疲勞等測(cè)試提供了測(cè)試環(huán)境，而在海洋能領(lǐng)域目前還沒有提出這樣的建設(shè)方案，這也是今后需要做的重點(diǎn)工作之一。而波浪對(duì)于發(fā)電性能的影響，更是鮮有研究，目前解決波浪與海洋結(jié)構(gòu)物之間相互作用問題的研究手段主要有：理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)4 種方法。其中理論分析只能解決比較簡(jiǎn)單的問題，對(duì)于比較復(fù)雜的耦合問題顯得無能為力。依托計(jì)算機(jī)和計(jì)算軟件飛速發(fā)展的數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為最為主要的研究手段[18-22]，但目前并沒有統(tǒng)一的模型可以采用?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的成本和耗時(shí)也比較大，關(guān)鍵是潮流能發(fā)電站現(xiàn)場(chǎng)條件非常復(fù)雜[18-22]，不利于研究分析。因此，本文主要采用物理模型試驗(yàn)的研究方法。

2.1 試驗(yàn)設(shè)施

試驗(yàn)在自然資源部國(guó)家海洋技術(shù)中心動(dòng)力環(huán)境實(shí)驗(yàn)室（圖1）中進(jìn)行，主要包括下述試驗(yàn)設(shè)施及設(shè)備。

（1）多功能水池：長(zhǎng)130 m，寬18 m，池深6 m，試驗(yàn)水深4.5 m。

（2）運(yùn)動(dòng)平臺(tái)：最大速度4 m/s，穩(wěn)速精度0.4%，由控制系統(tǒng)直接輸入運(yùn)行速度。平臺(tái)安裝有模型安裝桿，可通過法蘭連接試驗(yàn)?zāi)Ｐ停惭b桿可沿水池橫向和垂向伸展移動(dòng)。

（3）造波機(jī)：10 單元伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式推板造波機(jī)，最大波高0.6 m，周期范圍為0.5～5 s，由上位機(jī)軟件進(jìn)行控制，可模擬產(chǎn)生規(guī)則波和不規(guī)則波。

（4）ZH07 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器：轉(zhuǎn)矩量程500 N·m，轉(zhuǎn)速量程4 000 r/min，齒數(shù)1 440，準(zhǔn)確度等級(jí)0.3 級(jí)，可直接連接電腦采集轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

（5）日置HIOKI 3390 功率分析儀：最大電壓量程1 500 V，電流量程20 A，功率范圍為6.000 0～2.250 0 MW，測(cè)量精度：±0.05 %。

（6）雙線性型BG-II/1000MM 波高傳感器：量程0～1 m，精度0.2 %。

圖1 海洋動(dòng)力環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D2）采用遼寧燕北海洋電力開發(fā)有限公司研制的可開合4 葉片垂直軸潮流能水輪機(jī)模型，模型配有增速器和電機(jī)，測(cè)試負(fù)載為滑動(dòng)變阻器，具體參數(shù)如表1 所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 潮流能水輪機(jī)模型參數(shù)

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)包括靜水拖曳試驗(yàn)與造波拖曳試驗(yàn)，造波拖曳試驗(yàn)分為順波與逆波兩種情況。順波時(shí)，波向與拖曳方向一致，即波流反向；逆波時(shí)，波向與拖曳方向相反，即波流同向。研究波浪對(duì)不同流速下潮流能裝置發(fā)電性能的影響。

3.1 試驗(yàn)布局

測(cè)試布局如圖3 所示，首先將模型安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的儀器安裝桿上，運(yùn)動(dòng)起始位置距造波板的距離為90 m，在距離造波板20 m 處停止，用以保證最大運(yùn)行距離與試驗(yàn)。通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載2 支波浪傳感器，用于測(cè)試模型前方波浪數(shù)據(jù)。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)拖曳試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓?，進(jìn)行與拖曳時(shí)相同工況的造波，再將兩支波浪傳感器測(cè)得的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在葉輪與增速器之間的主軸上，可測(cè)得裝置增速前的扭矩與轉(zhuǎn)速，直觀地了解到波浪對(duì)于能量捕獲機(jī)構(gòu)的影響。功率分析儀放置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，連接到滑動(dòng)變阻器的兩端，測(cè)試最終輸出的電功率。

圖3 試驗(yàn)布局圖

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，首先對(duì)波高儀進(jìn)行了標(biāo)定，通過在量筒中選取不少于4 個(gè)水深值分別測(cè)得讀數(shù)，以讀數(shù)為輸入值，水深值為輸出值，并對(duì)各傳感器進(jìn)行曲線擬合得到傳感器的K、C 值。然后再對(duì)造波機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，即將規(guī)則波下的每個(gè)測(cè)試工況進(jìn)行造波試驗(yàn)，將采集到的波高與目標(biāo)波高進(jìn)行比較，如存在誤差，則需調(diào)整傳遞函數(shù)，使試驗(yàn)區(qū)波高滿足試驗(yàn)要求。在造波機(jī)標(biāo)定的同時(shí)，調(diào)整裝置的發(fā)電負(fù)載，使裝置處在最佳的發(fā)電狀態(tài)。

靜水試驗(yàn)時(shí)，平臺(tái)速度為0.5～1.8 m/s，間隔0.1 m/s，共14 組工況，每組工況重復(fù)3 次。造波拖曳試驗(yàn)時(shí)，波高0.1 m，波周期2.45 s，平臺(tái)拖曳速度仍然為0.5～1.8 m/s，間隔0.1 m/s，分順波和逆波2種情況，共28 組工況，同樣，每組工況重復(fù)3 次。

通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量模型的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，采用功率分析儀獲取模型輸出電功率。圖4 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文將以1.8 m/s 流速為例，進(jìn)行扭矩、轉(zhuǎn)速與發(fā)電功率的分析。在靜水、順波與逆波情況下，測(cè)得的主軸扭矩曲線如圖5 所示?？梢钥闯?，在靜水試驗(yàn)時(shí)，裝置主軸的扭矩變化曲線比較規(guī)則，在50～120 N·m 之間。當(dāng)順波和逆波試驗(yàn)時(shí)，兩者的情況比較相似，主軸的扭矩受波浪的作用影響明顯，曲線的波峰與波谷也不再規(guī)則，最大瞬時(shí)扭矩達(dá)到了140 N·m，平均扭矩也增加了約15 %。

圖5 3 種不同情況下的主軸扭矩曲線

扭矩的增加提高了能量捕獲能力，進(jìn)而提高發(fā)電性能，這是積極的影響。但同時(shí)，加速了主軸的磨損，降低了裝置的使用壽命，特別是在實(shí)際海洋環(huán)境中，隨機(jī)波的存在會(huì)造成主軸受到不規(guī)則的扭矩、彎矩等隨機(jī)荷載，這些因素在裝置設(shè)計(jì)和測(cè)試試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加以考慮。

轉(zhuǎn)速的情況與扭矩類似，如圖6 所示。靜水時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速在8～15 r/min 之間變化，這種非勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是裝置本身特性決定的，由于是可開合的葉片，葉輪的阻力是在不斷變化的，因此造成了轉(zhuǎn)速的規(guī)則變化。在順波和逆波的時(shí)候，在波浪的作用下，最大轉(zhuǎn)速提高到20 r/min，曲線也變得不規(guī)則，平均轉(zhuǎn)速增加了約10 %。

發(fā)電機(jī)的輸出功率如圖7 所示，功率在30～120 W之間變化，平均發(fā)電功率66 W。順波時(shí)，最大瞬時(shí)發(fā)電功率193.3 W，平均發(fā)電功率77 W。逆波時(shí)，最大瞬時(shí)發(fā)電功率185.2 W，平均發(fā)電功率79 W。

圖6 3 種不同情況下的主軸轉(zhuǎn)速曲線

圖7 3 種不同情況下的輸出功率曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，波浪對(duì)裝置的影響顯著，如果只是關(guān)注裝置的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這種影響往往會(huì)被忽視。但是當(dāng)研究者關(guān)注瞬時(shí)值時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，波浪對(duì)于裝置的影響遠(yuǎn)超之前的想象。如本次試驗(yàn)，存在波浪作用時(shí)，最大扭矩提高了17 %，最大轉(zhuǎn)速提高了33 %，而瞬時(shí)發(fā)電功率更是提高了58 %。

其他流速情況如圖8 所示，圖中為平均輸出功率，至于瞬時(shí)值，每個(gè)流速的情況與1.8 m/s 流速的情況類似，都有顯著增大。靜水時(shí)，該模型在流速0.8 m/s 時(shí)開始啟動(dòng)，而存在波浪的時(shí)候，啟動(dòng)發(fā)電所需的流速更低，甚至在0.6 m/s 的時(shí)候就已經(jīng)存在輸出功率了，這可以考慮為波流相互作用下的改變發(fā)電性能的一種表現(xiàn)。可以看出，每個(gè)流速下，波浪對(duì)輸出功率都有不同程度的影響，平均影響程度在10 %左右。

圖8 3 種不同情況的功率特性曲線

波浪的存在一方面提高了裝置的發(fā)電性能，另一方面又對(duì)裝置的控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全、壽命等方面提出了更高的要求，如果在設(shè)計(jì)裝置時(shí)作為積極因素加以考慮，可作為提高裝置性能的一種手段。從測(cè)試試驗(yàn)角度出發(fā)，如果裝置運(yùn)行在波流環(huán)境中，波流相互作用的測(cè)試試驗(yàn)應(yīng)作為規(guī)范化試驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

國(guó)際電工委員會(huì)的TS62600-200 標(biāo)準(zhǔn)提到了測(cè)試試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮波流相互作用的影響，并將波浪對(duì)潮流能水輪機(jī)測(cè)試影響作為下一步研究的重點(diǎn)。對(duì)于本文試驗(yàn)的對(duì)象——垂直軸水輪機(jī)，由于它不受入射方向的限制，波浪的存在會(huì)增加輸出功率，但另一方面，瞬時(shí)值的變大，也對(duì)結(jié)構(gòu)安全性提出了更高的要求。但是對(duì)于水平軸水輪機(jī)來說，波浪的影響可能更為不利，這些可作為后續(xù)的研究?jī)?nèi)容加以考慮。

因此，本文建議在進(jìn)行潮流能水輪機(jī)測(cè)試時(shí)，考慮波浪的影響時(shí)應(yīng)加入以下兩項(xiàng)內(nèi)容：（1）除了坐底式這類不受波浪影響的裝置，其他裝置在室內(nèi)模型階段應(yīng)進(jìn)行波流及結(jié)構(gòu)物耦合測(cè)試試驗(yàn)。（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作應(yīng)盡可能在該海域常規(guī)海況下進(jìn)行，如不可避免地需要在高海況下進(jìn)行測(cè)試，即波浪對(duì)發(fā)電功率影響大于10 %時(shí)，則應(yīng)充分考慮并排除波流相互作用對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。