半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)撤除過程動(dòng)力響應(yīng)分析

劉清泉，任年鑫，周道成

(1. 大連理工大學(xué) 深海工程研究中心， 遼寧 大連116024； 2. 海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 海南 ?？?570228；3. 海南大學(xué) 南海海洋資源利用國家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 海南 ?？?570228)

我國海域遼闊，海上風(fēng)能資源蘊(yùn)藏豐富，特別是深海區(qū)域風(fēng)力開發(fā)潛力巨大[1].近年來，清潔能源利用發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步成熟，使得海上風(fēng)電開發(fā)開始向深海遠(yuǎn)岸發(fā)展[2].隨著水深的增加，如果采用固定式基礎(chǔ)成本會(huì)急劇增加，因此浮式基礎(chǔ)成為深海風(fēng)電的最優(yōu)選擇，半潛式基礎(chǔ)吃水較小，穩(wěn)性良好，運(yùn)輸安裝便捷且成本相對(duì)較低，是海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的首選結(jié)構(gòu)形式之一[3].

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)半潛式風(fēng)力機(jī)開展了廣泛而深入的研究.Roddier[4]等研究了Wind Float的可行性，進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核.Robertson[5]等提出OC4-DeepCwind半潛型浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)，研究了其靜水力和水動(dòng)力特征.唐友剛[6]等提出半潛式浮式基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了該基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)具有抵抗極端海況的能力.鄧露[7]等研究發(fā)現(xiàn)半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)起著減小平臺(tái)運(yùn)動(dòng)并保證風(fēng)機(jī)穩(wěn)定作業(yè)的作用，在設(shè)計(jì)錨鏈的平面布置時(shí)，減小錨鏈與荷載方向夾角將有利于改善平臺(tái)的動(dòng)力特性.白旭[8]等運(yùn)用ANSYS-AQWA軟件研究錨鏈?zhǔn)昂蟀霛撈脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，錨鏈斷裂后平臺(tái)的縱蕩、橫蕩以及橫搖運(yùn)動(dòng)劇烈需要重點(diǎn)關(guān)注，避免影響平臺(tái)的性能甚至發(fā)生安全事故.施偉[9]等采用ANSYS-AQWA分析軟件對(duì)浮式風(fēng)機(jī)在南海典型海況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)單根錨鏈發(fā)生斷裂時(shí)，浮式風(fēng)機(jī)的縱蕩和運(yùn)動(dòng)會(huì)大幅增加，可能會(huì)引起平臺(tái)失控.目前對(duì)于半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)研究大多是針對(duì)平臺(tái)在工作海況、生存海況下的完整體系研究或是錨鏈斷裂或者艙室破損的不完整體系研究，對(duì)平臺(tái)在安裝和拆除方面鮮有研究.

因此，筆者提出一種輔助纜-錨鏈撤除方法.以半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用時(shí)域模擬的方法，利用AQWA軟件對(duì)其在錨鏈撤除的過程中動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究錨鏈撤除順序與輔助纜剛度對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，提出一種使用輔助纜約束平臺(tái)減小其錨鏈撤除過程的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的撤除方法.該研究成果為半潛式海洋平臺(tái)在撤除過程提供了工程理論基礎(chǔ).

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 新型半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)拆除模型研究對(duì)象是一種新型無橫撐和斜撐半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)，其具有便于運(yùn)輸，造價(jià)低，受力簡單等優(yōu)點(diǎn).系泊系統(tǒng)由4根錨鏈組成，錨鏈采用對(duì)稱布置，水平角度為90 °，拆除半潛式風(fēng)機(jī)平臺(tái)主要是拆除錨泊系統(tǒng).輔助纜-錨鏈拆除具體做法是先使用工程船用輔助纜將平臺(tái)約束(如圖1所示)，然后依次逐根撤除錨鏈，最后用輔助纜約束平臺(tái)并用船拖離.

新型半潛式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 新型半潛式海上風(fēng)力機(jī)平臺(tái)主要參數(shù)

1.2 平臺(tái)在撤除過程中的動(dòng)力方程考慮輔助纜與半潛式平臺(tái)的機(jī)械耦合和水動(dòng)力耦合效應(yīng)，半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力方程

(1)

其中，M為質(zhì)量矩陣，x為位移矩陣，C為阻尼矩陣，k為剛度矩陣，F(xiàn)e為耦合波浪荷載矩陣，F(xiàn)d為風(fēng)荷載矩陣，F(xiàn)m為錨鏈?zhǔn)芰仃?，F(xiàn)t為輔助纜受力矩陣.除M外，其余參量均為時(shí)間t的函數(shù).

1.3 水動(dòng)力荷載分析基于勢流理論，利用AQWA程序構(gòu)建該新型半潛式海上風(fēng)力機(jī)平臺(tái)的水動(dòng)力數(shù)值模型，如圖2所示.為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，單元網(wǎng)格采用map網(wǎng)格劃分，并在水面線處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，長度為0.5 m×1 m，其余位置網(wǎng)格長度為1 m×1 m.AQWA程序可以有效地模擬錨鏈系泊、二階波浪力載荷等[10].風(fēng)力機(jī)平臺(tái)拆除時(shí)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)處于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)平臺(tái)所受的風(fēng)荷載主要為塔架和平臺(tái)所受的風(fēng)荷載，且撤除海況應(yīng)選取風(fēng)平浪靜的海況，在撤除海況下波浪荷載為主要影響因素，本次計(jì)算中主要考慮波浪荷載對(duì)平臺(tái)的作用，忽略風(fēng)荷載的影響.

2 主要模擬結(jié)果分析

2.1 輔助纜剛度對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響選取典型規(guī)則波浪(波高2 m，波周期5～15 s)，研究不同波浪周期下輔助纜的剛度對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響.為了保證半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)撤除過程中在波浪作用下的安全，對(duì)比3種不同剛度輔助纜對(duì)半潛式平臺(tái)主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征的影響，如圖3所示.

圖3 不同剛度輔助纜對(duì)平臺(tái)的主要參數(shù)影響

由圖3a和圖3b可以看出，輔助纜剛度為0.5×106N·m-1和1×106N·m-1時(shí)，同一波浪周期下輔助纜剛度越大平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)和縱搖響應(yīng)越小，輔助纜能有效的降低錨鏈撤除時(shí)平臺(tái)的縱蕩和縱搖響應(yīng)幅值.主要由于輔助纜增加了平臺(tái)的約束，承擔(dān)了一部分的波浪荷載，減小了平臺(tái)在錨鏈撤除時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).輔助纜剛度越大，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減小的越明顯，但是輔助纜的剛度增大到2×106N·m-1時(shí)會(huì)使平臺(tái)在長周期波浪條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)劇烈且輔助纜拉力急增，產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象.由于半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)靠錨鏈約束時(shí)水平剛度小，固有周期大，加上輔助纜后，平臺(tái)的水平剛度明顯變大，固有周期也隨著減小，可能會(huì)長周期波浪條件下產(chǎn)生共振現(xiàn)象.而小剛度輔助纜對(duì)平臺(tái)的約束小，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)大.因此選取2×106N·m-1剛度的輔助纜.

2.2 輔助纜預(yù)張力對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響為了進(jìn)一步降低錨鏈撤除瞬間平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，避免輔助纜出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，研究輔助纜預(yù)張力對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響.選取JONSWAP譜描述不規(guī)則波浪，譜峰因子γ = 3.3，有義波高為2 m，譜峰周期為9 s，設(shè)定模擬時(shí)間為6 000 s，錨鏈撤除時(shí)刻為3 000 s，假定入射波浪沿x軸方向.在輔助纜剛度同為1×106N·m-1的條件下，結(jié)合輔助纜的剛度對(duì)比3種不同預(yù)張力輔助纜對(duì)半潛式平臺(tái)主要?jiǎng)恿憫?yīng)特征的影響，錨鏈撤除后平臺(tái)主要?jiǎng)恿憫?yīng)參數(shù)如表2所示.

表2 不同預(yù)張力半潛平臺(tái)主要參數(shù)

從表2中可以看出，撤除錨鏈后平臺(tái)的縱蕩和縱搖響應(yīng)統(tǒng)計(jì)均值均不為零，說明平臺(tái)在錨鏈撤除后產(chǎn)生了向x軸正方向上的傾斜.輔助纜的預(yù)張力主要影響平臺(tái)的縱搖響應(yīng)，3種不同的預(yù)張力縱搖最大值分別減小了約19%、37%和46%，對(duì)縱蕩響應(yīng)影響不明顯.

由圖4可以看出錨鏈撤除后，不同預(yù)張力對(duì)平臺(tái)的縱搖響應(yīng)的影響明顯，預(yù)張力越大，錨鏈撤除后平臺(tái)的縱搖幅值越小.預(yù)張力也會(huì)影響輔助纜的拉力幅值，增大輔助纜的預(yù)張力會(huì)使輔助纜最大拉力增大，會(huì)有輔助纜斷裂的風(fēng)險(xiǎn).0.5×106N的預(yù)張力在撤除過程中輔助纜會(huì)出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，也不利于保證撤除過程的安全.

2.3 撤除錨鏈順序?qū)ζ脚_(tái)的動(dòng)力響應(yīng)的影響根據(jù)已構(gòu)建的半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)時(shí)域分析模型，分析錨鏈拆除順序?qū)ζ脚_(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的影響.選取JONSWAP譜，譜峰因子γ=3. 3，有義波高為2 m，譜峰周期為9 s，設(shè)定模擬時(shí)間為6 000 s，錨鏈撤除時(shí)刻為3 000 s，假定入射波浪沿x軸方向.考慮到錨鏈對(duì)稱布置特征，在輔助纜剛度同為1×106N·m-1，預(yù)張力同為1.5×106N的條件下，選取3種不同順序的錨鏈拆除方案進(jìn)行對(duì)比，如表3所示.

表3 錨鏈撤除方案

在錨鏈撤除之前，需先用輔助纜進(jìn)行平臺(tái)“加固”.為了節(jié)約工程成本，不會(huì)同時(shí)布置4條輔助纜，而是在撤除錨鏈必要時(shí)布置相應(yīng)方向的輔助纜，比如B方案先對(duì)稱布置x方向的2條輔助纜撤除x一號(hào)錨鏈，再對(duì)稱布置y方向的2條輔助纜撤除y三號(hào)錨鏈，最后依次撤除二號(hào)、四號(hào)錨鏈，既保證了平臺(tái)錨鏈撤除時(shí)的安全性，又節(jié)約了成本保證了工程的經(jīng)濟(jì)性.

3種不同順序的錨鏈撤除方案對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征值的影響如圖5所示.

由圖5a可以看出，錨鏈拆除順序的不同對(duì)輔助纜的拉力影響較小，最大拉力基本位于2.2～2.8×106N之間.由圖5b可以看出，A方案和B方案在撤除過程中縱蕩響應(yīng)基本相同，C方案由于最先撤除垂直于來波方向的三號(hào)錨鏈，平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)最小，但四號(hào)錨鏈撤除時(shí)響應(yīng)最大.由圖5c可以看出，由于錨鏈的對(duì)稱布置，采用對(duì)稱撤除的A方案對(duì)平臺(tái)的縱搖響應(yīng)影響最小且沒有出現(xiàn)縱搖增大的現(xiàn)象.撤除錨鏈時(shí)會(huì)破壞平臺(tái)在此方向上的平衡導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大，但同一個(gè)方向的2條錨鏈全部撤除完畢時(shí)，平臺(tái)恢復(fù)這一方向的對(duì)稱受力，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)因而減小.因此選用對(duì)稱撤除的A方案最佳，即先撤除來波方向x方向的2條錨鏈，后撤除y方向的2條錨鏈.

3 小 結(jié)

采用ANSYS-AQWA軟件，針對(duì)半潛式浮式風(fēng)機(jī)在錨鏈撤除過程中，不同輔助纜特性(剛度和預(yù)張力)和錨鏈撤除不同順序的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得以下結(jié)論：

1) 通過對(duì)比規(guī)則波作用下錨鏈撤除時(shí)不同剛度輔助纜對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，指出輔助纜能有效地降低錨鏈撤除時(shí)平臺(tái)的縱蕩和縱搖響應(yīng).但是輔助纜會(huì)影響平臺(tái)的固有頻率，剛度增大到2×106N·m-1時(shí)會(huì)使平臺(tái)在長周期波浪條件下產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象.

2) 通過對(duì)比典型海況下錨鏈撤除時(shí)輔助纜不同預(yù)張力對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，指出增大預(yù)張力可有效的降低平臺(tái)的縱搖響應(yīng)，但對(duì)平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)影響??；此外增大輔助纜的預(yù)張力會(huì)顯著地增加輔助纜的拉力，不利于保證撤除過程的安全.

3) 通過對(duì)比典型海況下不同錨鏈撤除順序?qū)ζ脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，指出采用對(duì)稱撤除錨鏈方案可有效的降低平臺(tái)的縱搖響應(yīng).