3種典型半潛式浮式風機基礎(chǔ)水動力性能比較

劉 周，樊天慧，陳超核*，薛洋洋

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.三峽珠江發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引 言

海上風電作為一種清潔能源，具有距離經(jīng)濟中心近、風能資源豐富等優(yōu)點，在調(diào)整能源供給結(jié)構(gòu)、發(fā)展海洋裝備制造的領(lǐng)域內(nèi)可發(fā)揮重要作用。近些年我國的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。在近海40 m水深內(nèi)，固定式風機為主要形式；隨著水深增加，特別是在超過50 m水深處，固定式風機成本急劇上升，浮式風機將具有明顯優(yōu)勢。現(xiàn)階段的浮式風機基礎(chǔ)主要包括3種型式：半潛式、張力腿平臺(Tension Leg Platform，TLP)式、Spar式。在我國南海沿海大陸架處，水深主要處于50～200 m，目前主要考慮半潛式風機，本文的研究對象OC4、Windfloat、Ideol均為此種型式。

OC4[1]基礎(chǔ)是挪威OC3-Hywind Spar式浮式基礎(chǔ)的繼續(xù)研究版本，由美國國家可再生能源實驗室基于DeepCwind項目提出的半潛式浮式風機進行設(shè)計，完成了數(shù)值計算和試驗?zāi)M，效果圖如圖1(a)所示。

Windfloat[2]浮式基礎(chǔ)由美國Principle Power公司基于2010年提出的半潛式浮式風機進行設(shè)計，針對水動力、強度、疲勞等方面進行詳細的數(shù)值計算和試驗?zāi)M，效果圖如圖1(b)所示。

Ideol[3]浮式基礎(chǔ)是法國Ideol公司研發(fā)的Floatgen阻尼池型浮式風機基礎(chǔ)，采用鋼結(jié)構(gòu)加混凝土壓載，系泊定位，效果圖如圖1(c)所示。

圖1 3種風機示例

在浮式風機領(lǐng)域，針對單一形式的水動力研究已經(jīng)比較詳盡，而對于相同形式不同結(jié)構(gòu)類型的水動力性能的比較分析卻較少。目前國內(nèi)在半潛式浮式風機基礎(chǔ)的水動力性能方面進行了一定的比較和綜述[4-7]，主要有：

易乾[4]分別探究DeepCwind-Spar式、ITI-Barge式、OC4式等3種浮式風機基礎(chǔ)的水動力性能，比較其在各自關(guān)鍵幾何尺寸改變的情況下水動力性能的變化。其中：ITI-Barge式基礎(chǔ)主要受邊長、中間月池邊長、吃水深度等3個參數(shù)影響，基礎(chǔ)邊長和吃水深度對基礎(chǔ)水動力影響較大，較大吃水深度可有效減小自存工況下縱搖和縱蕩的最大值；對于OC4基礎(chǔ)，改變OC4基礎(chǔ)的上立柱直徑、上立柱吃水深度、基礎(chǔ)立柱高度和基礎(chǔ)立柱直徑等構(gòu)型參數(shù)數(shù)值可有效減小該浮式風機在自存工況下的最大垂蕩響應(yīng)值，然而外立柱中心間距影響甚微。

鄧露等[5]對半潛式基礎(chǔ)的發(fā)展進行介紹，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上總結(jié)半潛式風機基礎(chǔ)的設(shè)計流程和需要優(yōu)化的方向，綜述半潛式基礎(chǔ)在強度、水動力、穩(wěn)性等3方面的研究現(xiàn)狀，指出設(shè)置垂蕩板可有效延長固有周期并減小垂蕩響應(yīng)。

中國海上浮式風電目前處于起步階段，廣東省作為能源消耗大省，適合發(fā)展海上浮式風電。針對廣東沿岸南海海域大陸架結(jié)構(gòu)的特點，在水深由固定式向浮式過渡的水深區(qū)間，半潛式將成為主流的基礎(chǔ)型式。本文針對3種典型的半潛式浮式風機基礎(chǔ)進行水動力性能比較分析，為南海海域浮式風機基礎(chǔ)選型提供一定的參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 水動力計算理論

在浮式風機基礎(chǔ)的水動力計算中，基于理想流體假設(shè)(無黏、無旋、不可壓縮)，采用勢流理論進行計算分析。速度勢函數(shù)需滿足Laplace方程，在自由水面和物面不可穿透的邊界條件下，利用滿足自由水體表面條件的格林函數(shù)，用邊界元方法計算得到速度勢函數(shù)，由伯努利公式得到壓力分布。

基于間諧波作用下的線性系統(tǒng)基礎(chǔ)運動假定，可確定基礎(chǔ)的運動響應(yīng)，由此得到在單位波高間諧波作用下浮體的運動響應(yīng)函數(shù)R(ω,t)為

R(ω,t)=ARe{|H(ω)|exp[i(ωt+φ)]}

(1)

式中：A為入射波波幅；ω為入射波頻率；H(ω)為運動傳遞函數(shù)幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator，RAO)；t為時間；φ為初始相位。

1.2 風載荷

AQWA軟件無法進行風載荷全耦合計算分析，因此風載荷均采用定常風，根據(jù)風速-推力曲線和受風面積計算風力系數(shù)矩陣，將其添加至計算過程，其中：在工作工況下，考慮風機所受氣動載荷以及塔筒和基礎(chǔ)水面以上部分所受風壓載荷；在生存工況下，風機順槳停機，考慮風輪所受風壓載荷以及基礎(chǔ)水面以上部分和塔筒所受風壓載荷。

1.2.1 風機所受氣動載荷

風機所受氣動載荷由葉素動量理論進行計算，進而得到風速-推力曲線。對于NREL-5 MW風機，其風速-推力曲線如圖2所示。

圖2 NREL-5 MW風機風速-推力曲線

1.2.2 水面以上部分風壓載荷

基礎(chǔ)水面以上部分所受風壓載荷Fw計算式為

(2)

式中：Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；S為投影面積；ρa為空氣密度；V1為風速。

1.3 流載荷

作用在基礎(chǔ)水面以下的海流載荷Fc計算式為

(3)

式中：CD為拖曳力系數(shù)；ρw為海水密度；V2為海流速度。

1.4 時域運動控制方程

浮式系泊基礎(chǔ)在風浪流聯(lián)合作用下的時域運動方程為

(4)

式中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；A∞為無窮頻率下的流體附加質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為靜水剛度恢復(fù)矩陣；R為速度脈沖矩陣；τ為t時刻前的運動時間；F(t)為合外力，包括風浪流作用力及系泊系統(tǒng)恢復(fù)力。

2 基礎(chǔ)幾何參數(shù)與計算模型建立

采用文獻查閱和近似估算方法確定各基礎(chǔ)的幾何參數(shù)。為使研究對象具有可比性，對于阻尼池型基礎(chǔ)，參考文獻[8]將搭載2 MW風機Ideol原型基礎(chǔ)尺寸由36 m×36 m×9 m放大為45 m×45 m×11 m(放大后的基礎(chǔ)稱“阻尼池型基礎(chǔ)”)，保證排水量與Windfloat處于相近水平。OC4基礎(chǔ)各詳細參數(shù)可參考文獻[1]，Windfloat基礎(chǔ)與阻尼池型基礎(chǔ)可參考文獻[2]確定主尺度、吃水等基礎(chǔ)幾何參數(shù)，并進行合理艙室劃分，簡化支撐桁架與附屬結(jié)構(gòu)。新的設(shè)計和建模基于以下假設(shè)：xy平面重心坐標處于基礎(chǔ)的幾何中心；總重量等于排水量，總重量包括基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)重量、壓載重量以及風機和塔筒質(zhì)量之和，然后把重量分到不同位置質(zhì)量點，并據(jù)此計算和確定慣性半徑等數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[9]，排水量相近的真實基礎(chǔ)的慣性半徑數(shù)值與計算值相近。3種基礎(chǔ)的主尺度參數(shù)如圖3所示。由于OC4相關(guān)參數(shù)可直接從文獻[1]中獲得，因此僅展示阻尼池型和Windfloat基礎(chǔ)的等效質(zhì)量點計算示例，如圖4所示。建立的水動力模型如圖5所示，OC4基礎(chǔ)的風機塔筒位于中間圓柱處，Windfloat基礎(chǔ)和阻尼池型基礎(chǔ)的風機塔筒位于圓柱凸起示例處。主要幾何參數(shù)如表1所示。

單位：m圖3 風機基礎(chǔ)主尺度

圖4 風機基礎(chǔ)等效質(zhì)量點計算示例

圖5 3種風機基礎(chǔ)水動力模型

表1 3種風機基礎(chǔ)幾何參數(shù)

3 頻域計算結(jié)果

考慮到基礎(chǔ)具有對稱性，僅計算0°～180°的區(qū)間，規(guī)定x軸正方向為0°浪向，僅給出0°浪向下縱蕩、垂蕩和縱搖等3個自由度的RAO，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種風機基礎(chǔ)在0°浪向下的浮體運動RAO響應(yīng)值

由圖6可知：在縱蕩運動響應(yīng)方面，3種基礎(chǔ)的縱蕩運動RAO的曲線相似；在垂蕩運動響應(yīng)方面，OC4與Windfloat具有相似的運動特征，隨著頻率的增大，在0.30 rad/s(周期T=21.00 s)附近出現(xiàn)峰值，Windfloat基礎(chǔ)垂蕩RAO峰值略大于OC4基礎(chǔ)，然后隨著頻率增加而逐漸下降，阻尼池型基礎(chǔ)垂蕩運動RAO隨著頻率增大而緩慢增大，在0.56 rad/s(周期T=11.21 s)到達峰值，OC4和Windfloat在低頻海況下垂蕩響應(yīng)較大，而阻尼池型則在高頻海況下響應(yīng)較大；在縱搖運動方面，OC4和Windfloat呈現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，分別在0.25 rad/s(周期T=25.12 s)和0.70 rad/s(周期T=9.00 s)達到峰值，OC4的2個峰值相近，Windfloat的第2個峰值約為第1個峰值的一半，在第1個RAO峰值處OC4與Windfloat相近，縱搖RAO約0.47，在次峰值處，Windfloat約為OC4的2倍，阻尼池型基礎(chǔ)的縱搖RAO遠大于OC4和Windfloat的，阻尼池型在0.56 rad/s(周期T=11.21 s)處到達峰值，峰值RAO約為Windfloat的4倍，OC4基礎(chǔ)縱搖RAO在總體上大于Windfloat基礎(chǔ)，阻尼池型基礎(chǔ)縱搖RAO在總體上大于OC4基礎(chǔ)。

4 時域歷程響應(yīng)分析

采用幅頻響應(yīng)分析得到3種基礎(chǔ)在規(guī)則波作用下的RAO，以此為基礎(chǔ)，計算3種基礎(chǔ)在時域歷程下耦合風浪流作用的運動響應(yīng)和系泊張力，計算工況包括工作工況和生存工況，采用定常風、均勻流，波浪載荷統(tǒng)一選擇JOWSWAP譜，采用南海一般海況作為工作海況、五十年一遇海況作為生存海況，海洋環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 海洋環(huán)境參數(shù)

為使3種浮式基礎(chǔ)的時域運動響應(yīng)具有可比性，對3種基礎(chǔ)的系泊系統(tǒng)在盡可能遵循文獻的情況下進行統(tǒng)一設(shè)計，設(shè)計水深均為200 m，系泊系統(tǒng)具體參數(shù)如表3所示。

表3 系泊系統(tǒng)參數(shù)

3種基礎(chǔ)均隔120°布置3根纜繩，纜繩布置形式、編號及風浪流聯(lián)合作用方向如圖7所示。

圖7 系泊纜繩布置

僅給出在0°風浪流聯(lián)合作用下3種基礎(chǔ)的縱蕩、垂蕩、縱搖運動響應(yīng)統(tǒng)計值，并定義破斷載荷除以最大張力為安全因數(shù)，1號纜繩張力統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 1號纜繩張力統(tǒng)計分析

為使分析結(jié)果可視化，將工作工況及生存工況下時域運動相應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果制成柱狀圖，如圖8所示。

圖8 工作工況及生存工況時域統(tǒng)計圖

為了可以較清楚地比較3種基礎(chǔ)時域歷程運動響應(yīng)在不同頻率的能量成分差別，對3自由度下的時域歷程響應(yīng)和纜繩張力時域歷程響應(yīng)進行頻譜分析，如圖9和圖10所示。

圖9 3自由度時域歷程頻譜分析

圖10 纜繩張力時域歷程頻譜分析

由圖9可知：OC4和Windfloat基礎(chǔ)在縱蕩方向以低頻響應(yīng)為主，部分波頻響應(yīng)，不同的是Windfloat波頻成分更大，在垂蕩和縱搖方向以波頻響應(yīng)為主，能量集中在0.1 Hz頻率附近；阻尼池型基礎(chǔ)在縱蕩方向以低頻響應(yīng)為主，在垂蕩和縱搖方向以波頻響應(yīng)為主。OC4基礎(chǔ)1號纜繩低頻響應(yīng)貢獻值占主要部分，波頻響應(yīng)貢獻值同樣不可忽視；Windfloat基礎(chǔ)1號纜繩波頻響應(yīng)貢獻占主要部分；阻尼池型基礎(chǔ)2號纜繩張力貢獻波頻響應(yīng)占主要部分。

由時域運動響應(yīng)統(tǒng)計分析可得，由于3種基礎(chǔ)的風機布置形式不同，時域分析與頻域分析結(jié)果相比有一定的差別，具體結(jié)果如下：

(1) 工作工況。在縱蕩時域響應(yīng)方面，3種基礎(chǔ)的響應(yīng)值均值較接近，相差不超過10%；在垂蕩時域響應(yīng)方面，OC4基礎(chǔ)的均值最小，為0.85 m，阻尼池型基礎(chǔ)的均值較大，約為OC4基礎(chǔ)的1.2倍，Windfloat基礎(chǔ)的均值最大，約為阻尼池型基礎(chǔ)的2.4倍；在縱搖響應(yīng)方面，阻尼池型基礎(chǔ)的均值最小，為1.76°，但峰值遠大于OC4和Windfloat基礎(chǔ)，OC4基礎(chǔ)的均值較大，約為阻尼池型基礎(chǔ)的1.5倍，Windfloat基礎(chǔ)的均值最大，約為阻尼池型基礎(chǔ)的1.9倍；在3種基礎(chǔ)的纜繩張力方面，均值相近，OC4張力均值最大，阻尼池型的纜繩張力峰值遠大于OC4基礎(chǔ)和Windfloat基礎(chǔ)，安全因數(shù)相對較小，僅為1.69。

(2) 生存海況。譜峰頻率較工作海況更遠離基礎(chǔ)的固有頻率，導(dǎo)致OC4基礎(chǔ)的垂蕩響應(yīng)均值、縱搖響應(yīng)和Windfloat基礎(chǔ)的縱搖響應(yīng)均較工作海況有一定的減小，其余自由度的時域響應(yīng)統(tǒng)計值均較工作海況更大，其中，OC4纜繩張力均值和峰值都最大，纜繩最大張力出現(xiàn)在OC4的1號纜繩，安全因數(shù)為1.12。

5 3種基礎(chǔ)不同水深適應(yīng)性比較

對于浮式基礎(chǔ)，由于吃水和濕表面形狀等參數(shù)的不同，在不同水深下表現(xiàn)的水動力性能也會有差別，為了探究浮式基礎(chǔ)在不同水深的適應(yīng)性，選取4個典型的水深：50 m、100 m、150 m、200 m，計算比較3種基礎(chǔ)在這幾個水深下的性能表現(xiàn)。為簡化分析方法，得出有效結(jié)論，對系泊點水平跨距和纜繩長度進行適當調(diào)整，保證頂端預(yù)張力相同，均為1 050 kN,具體參數(shù)如表5所示。其余系泊參數(shù)和載荷參數(shù)與時域歷程分析保持相同，僅計算工作工況，求得3種基礎(chǔ)響應(yīng)隨著水深變化而變化的規(guī)律，進而得出各種基礎(chǔ)的不同水深適應(yīng)性。不同水深下的系泊纜形態(tài)如圖11所示。

圖11 不同水深系泊纜形態(tài)

表5 不同水深系泊參數(shù)

5.1 3型基礎(chǔ)RAO隨水深變化規(guī)律

不同水深RAO變化如圖12所示。由圖12可知：OC4和Windfloat的吃水較大，分別為20.0 m和22.9 m，在淺水情況下的水深吃水比較大，3自由度都出現(xiàn)了明顯的放大現(xiàn)象，RAO容易受到水深變化的影響，在計算水深為50.0～200.0 m時，隨著水深增加，3自由度RAO減小速率逐漸下降，最終在200.0 m較為穩(wěn)定；阻尼池型基礎(chǔ)由于吃水僅為7.0 m，RAO在垂直方向和搖擺方向?qū)λ畹淖兓幻舾?，僅在水平方向表現(xiàn)出與OC4和Windfloat相同的RAO特性。

圖12 不同水深RAO變化

5.2 3種基礎(chǔ)在不同水深下的時域歷程響應(yīng)分析

計算得到3種基礎(chǔ)在不同水深情況下的RAO變化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，進行不同水深下的時域歷程比較，僅列出縱蕩、垂蕩、縱搖等3自由度的響應(yīng)結(jié)果，并以柱狀圖展示，如圖13所示。

由圖13可知：隨著水深增加，系泊纜回復(fù)剛度減小，從而導(dǎo)致浮式基礎(chǔ)的回復(fù)力減小，在水平方向的位移增大，因此，3種基礎(chǔ)的縱蕩時域響應(yīng)統(tǒng)計均值和峰值都隨著水深的增加而增大，但隨著水深增加增速逐漸變緩，從50 m水深至100 m水深，OC4基礎(chǔ)縱蕩響應(yīng)均值增大約220%，Windfloat基礎(chǔ)和阻尼池型基礎(chǔ)則增大約110%，從100 m水深至150 m，OC4基礎(chǔ)增大約50%，Windfloat和阻尼池型基礎(chǔ)則增大約80%，從水深150 m至200 m，3種基礎(chǔ)的增速相當，增大約60%，在淺水區(qū)域，OC4基礎(chǔ)小于Windfloat基礎(chǔ)和阻尼池型基礎(chǔ)，隨著水深不斷增大，3種基礎(chǔ)在深水區(qū)域的縱蕩響應(yīng)相當；在垂蕩響應(yīng)方面，OC4基礎(chǔ)的垂蕩響應(yīng)隨著水深增加而減小，水深每增加50 m垂蕩響應(yīng)均值減小約10%，Windfloat基礎(chǔ)隨著水深的增加而變大，從50 m水深至100 m水深，垂蕩響應(yīng)均值增大約10%，在100 m之后，水深每增加50 m，垂蕩響應(yīng)增大約5%；兩者的差距隨著水深的增加而逐漸增大，阻尼池型基礎(chǔ)則較為平穩(wěn)，隨著水深增加而變化不大；在縱搖響應(yīng)方面，OC4和Windfloat基礎(chǔ)都隨著水深的增加而微弱減小，每隨著水深增加50 m，縱搖響應(yīng)均值減小約3%左右，阻尼池型基礎(chǔ)的縱搖均值在不同水深下均最小，但峰值遠大于另外2種基礎(chǔ)；綜合分析，OC4基礎(chǔ)的深水適應(yīng)性較好，Windfloat在中間區(qū)域水深適應(yīng)性較好，阻尼池型基礎(chǔ)在淺水具有較好的適應(yīng)性，缺點是縱搖穩(wěn)定性較差，易受環(huán)境載荷變化干擾。

圖13 不同水深時域統(tǒng)計分析

6 結(jié) 論

對國外應(yīng)用較成熟的3種半潛式浮式基礎(chǔ)進行調(diào)研，通過近似估算進行結(jié)構(gòu)建模，基于水動力計算軟件AQWA對3種半潛式浮式風機基礎(chǔ)進行水動力計算和比較，得出3種不同形式基礎(chǔ)的水動力性能特點，總結(jié)如下：

(1) 通過頻域分析得到：在縱蕩方面，3種基礎(chǔ)性能相近；在垂蕩方面，阻尼池型基礎(chǔ)在低頻區(qū)間的響應(yīng)小于OC4和Windfloat基礎(chǔ)；在縱搖方面，Windfloat基礎(chǔ)總體響應(yīng)小于OC4基礎(chǔ)和阻尼池型基礎(chǔ)，阻尼池型基礎(chǔ)的縱搖響應(yīng)遠大于OC4和Windfloat基礎(chǔ)。

(2) 通過時域分析得到：在縱蕩方面，3種基礎(chǔ)響應(yīng)統(tǒng)計值相近；在垂蕩方面，OC4基礎(chǔ)的垂蕩響應(yīng)的均值和峰值最??；Windfloat的垂蕩均值和峰值遠大于OC4和阻尼池型，垂蕩性能較差，阻尼池型基礎(chǔ)的縱搖響應(yīng)均值最小，由于吃水相對較小，因此峰值最大，易受環(huán)境載荷影響。

(3) OC4基礎(chǔ)在深水中的適應(yīng)性優(yōu)良，Windfloat基礎(chǔ)在中等水深適應(yīng)性較好，阻尼池型基礎(chǔ)的垂蕩、縱搖RAO隨著水深增加變化不明顯，在淺水的適應(yīng)性較好。

(4) 選型建議：Windfloat基礎(chǔ)的垂蕩板結(jié)構(gòu)比OC4基礎(chǔ)的浮筒減搖效果更好；阻尼池型的裙板結(jié)構(gòu)具有較好的垂蕩性能；阻尼池型基礎(chǔ)吃水較小具有優(yōu)良的淺水適應(yīng)性，但搖動性能較差；大排水量、深吃水的OC4基礎(chǔ)具有較好的綜合性能，在未來大風機的背景下，是發(fā)展的主流。