南海Spar型浮式風(fēng)機(jī)平臺抗臺風(fēng)設(shè)計(jì)和動力響應(yīng)分析

楊夢喬, 石 倩

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，風(fēng)能作為一種使用清潔、成本較低、取用不盡的綠色資源，受到了廣泛關(guān)注。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的日益成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)由陸地向海上發(fā)展已成為必然趨勢。目前，海上風(fēng)能的開發(fā)主要在淺海區(qū)。所用的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為固定式結(jié)構(gòu)。對固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動力響應(yīng)研究的比較透徹。而與淺海區(qū)相比，水深大于60m的深海區(qū)風(fēng)電的資源更豐富。對于深海區(qū)的風(fēng)力發(fā)電，淺海區(qū)固定式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將不再適用，需要開發(fā)適合深水區(qū)的浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，海上浮式風(fēng)機(jī)平臺應(yīng)運(yùn)而生。

1 浮式風(fēng)機(jī)平臺發(fā)展

浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用柔性等非固定式錨固結(jié)構(gòu)，以半漂浮半張拉固定的受力狀態(tài)工作，因而尤其適用于深海環(huán)境。目前由于深海海況、海流運(yùn)動等各種環(huán)境狀況研究資料有限，對浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究還處于起步階段，未來發(fā)展和研究的空間巨大。與固定式基礎(chǔ)比較，浮式基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)明顯：①固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)傾覆力矩和底部彎矩很大，其造價隨著基礎(chǔ)挖深增加提高明顯，浮式風(fēng)機(jī)的柔性錨固結(jié)構(gòu)，不受彎矩的影響，可以大幅度降低造價。②浮式風(fēng)機(jī)的柔性錨泊，可以集成安裝，方便拆卸和多次重復(fù)利用，因而能適用不同海域，其海上安拆程序也比固定式基礎(chǔ)簡單。③深海區(qū)風(fēng)力資源更為豐富，并且不占用陸地和淺海資源，所以發(fā)電的效率大大提高。

浮式基礎(chǔ)研究較多的有Spar型、半潛型、TLP型3種類型。3種類型中，Spar型浮式風(fēng)機(jī)平臺研究起步早，成果豐富。Spar型浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，造價低廉，對各種風(fēng)機(jī)類型的適用性強(qiáng)，并且較半潛型和TLP型風(fēng)機(jī)能適用的水深更深，其輻射式的系泊系統(tǒng)在極端海況中穩(wěn)定性最好。

2 南海臺風(fēng)海況

中國南海水深，海底地形復(fù)雜，風(fēng)力資源豐富，同時還經(jīng)常受強(qiáng)熱帶氣旋形成的臺風(fēng)影響。由于臺風(fēng)為極端惡劣天氣，一旦出現(xiàn)，會對結(jié)構(gòu)造成破壞性影響，因此在臺風(fēng)多發(fā)海域，必須考慮臺風(fēng)影響下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)資料，臺風(fēng)重現(xiàn)期分別為1、10、25、50和100年5種海況的具體參數(shù)值如表1所列。

表1 臺風(fēng)環(huán)境參數(shù)值

3 抗臺風(fēng)Spar浮式風(fēng)機(jī)平臺模型建立和動力響應(yīng)

根據(jù)南海海況特點(diǎn)，本文浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的類型選用Spar型。

模型創(chuàng)建以及后處理采用挪威DNV公司研發(fā)的SESAM軟件。SESAM是一款應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域的大型計(jì)算分析軟件。采用SESAM的子模塊GeniE建立整體結(jié)構(gòu)模型，采用子模塊DeepC分析其在臺風(fēng)海況下的動力響應(yīng)。

中國南海水深約200m～300m，設(shè)計(jì)水深取250m。Spar浮式平臺的風(fēng)機(jī)長度為水深的1/3～1/2，在SESAM子模塊GeniE中建立數(shù)值模擬的模型，模型風(fēng)機(jī)長度設(shè)計(jì)為100m，各組分參考現(xiàn)研究成果確定尺寸，所建立模型尺寸如表2所列。

表2 Spar基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主尺度

將GeniE中建立的整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，導(dǎo)入DeepC模塊如圖2所示，DeepC中輸入表1的臺風(fēng)參數(shù)，模擬臺風(fēng)海況，對設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行動力響應(yīng)分析。在臺風(fēng)100年1遇海況下，浮式風(fēng)電系統(tǒng)在各自由度上的運(yùn)動響應(yīng)量最大。限于篇幅，現(xiàn)僅將重現(xiàn)期為100年海況下浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動響應(yīng)曲線繪制如下(隨機(jī)波浪作用時間為1h)：

圖1 GeniE中整體結(jié)構(gòu)模型 圖2 DeepC中加系泊結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)模型

圖3 重現(xiàn)期為100Y海況下垂蕩時間歷程曲線

圖4 重現(xiàn)期為100Y海況下縱蕩時間歷程曲線

圖5 重現(xiàn)期為100Y海況下縱搖時間歷程曲線

在1h的動力響應(yīng)模擬中，垂蕩幅值和水平位移可通過動力響應(yīng)中的位置曲線直接讀出，俯仰角的范圍則通過統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)的縱搖運(yùn)動角度得出。如圖3、4、5所示，垂蕩的平均位置在0m，最大值1.57m，最小值-1.53m，幅值約為3m；縱蕩的平均位置在3.92m，最大值5.38m，最小值2.66m，幅值約為3m，為設(shè)計(jì)水深的1.2%；縱搖的平均值2.35°，最大值3.04°，最小值1.65°，俯仰變化在2°左右。目前，浮式風(fēng)機(jī)平臺的研究處于起步階段，國內(nèi)外目前沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值模擬行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是：在保證風(fēng)機(jī)正常工作的前提下，浮式平臺在極端海況下的垂蕩幅值應(yīng)不大于±(2m～3.5m)，水平位移不超過水深的5%～6%，平均俯仰角需小于5°。數(shù)值模擬數(shù)值和經(jīng)驗(yàn)值比較如表3所列。

表3 Spar數(shù)值模擬數(shù)值和經(jīng)驗(yàn)值對比

由以上分析得出，各維度上動力響應(yīng)結(jié)果均滿足經(jīng)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)模型具有一定的參考意義。

4 結(jié)束語

本文分析了風(fēng)能發(fā)電的現(xiàn)狀，并闡述海上尤其深海區(qū)依靠浮式風(fēng)機(jī)發(fā)電的巨大應(yīng)用前景。針對我國南海海域，考慮臺風(fēng)因素，在SESAM軟件中設(shè)計(jì)了Spar浮式風(fēng)機(jī)平臺模型，對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行動力響應(yīng)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型有可行性。