海上漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)敏感性參數(shù)分析

李 輝，張 凱，董曄弘

(中國(guó)船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司研究院，北京 100097)

隨著海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，風(fēng)電場(chǎng)將由近海走向遠(yuǎn)海，但水深的增加對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)提出了更高的要求。如果深遠(yuǎn)海依然采用固定式風(fēng)機(jī)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的成本將隨著水深的增加急劇上升，這使得深海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在經(jīng)濟(jì)上變得不可行，而將風(fēng)電機(jī)組安裝在漂浮式平臺(tái)上則可以很好地解決這一問(wèn)題。

全球已經(jīng)有Hywind Scotland與WindFloat Atlantic項(xiàng)目完成了漂浮式風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，并有多種型式海上浮式風(fēng)電研究項(xiàng)目在研發(fā)和測(cè)試中，證明了漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)可行性[1-2]。近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了諸多研究[3-4]，但在設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響規(guī)律上少有分析。漂浮式風(fēng)機(jī)承受載荷復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)很多，相同的設(shè)計(jì)方案在不同的設(shè)計(jì)參數(shù)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)差別很大，這將影響整個(gè)裝備的安全性與經(jīng)濟(jì)性，因此研究漂浮式風(fēng)機(jī)對(duì)哪些設(shè)計(jì)參數(shù)變化比較敏感十分具有意義。

本文以中國(guó)海裝6.2 MW漂浮式風(fēng)機(jī)參數(shù)，針對(duì)風(fēng)浪流載荷單獨(dú)作用、風(fēng)浪夾角、仿真時(shí)間和種子數(shù)量以及極端空轉(zhuǎn)偏航誤差角幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，研究各參數(shù)對(duì)整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響程度，從而為漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析方法

漂浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)遭受風(fēng)浪流載荷，氣動(dòng)載荷與水動(dòng)載荷非線性耦合十分明顯，加上控制系統(tǒng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性十分復(fù)雜，因此必須進(jìn)行一體化仿真分析結(jié)果才相對(duì)準(zhǔn)確。而影響漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)很多，選擇哪些參數(shù)進(jìn)行敏感性分析十分關(guān)鍵。

1.1 一體化仿真方法

Deeplines Wind軟件中氣動(dòng)載荷計(jì)算為AeroDeep模塊，其核心計(jì)算原理為葉素動(dòng)量理論[5]。但為保證非定常湍流風(fēng)作用下載荷計(jì)算精確性同時(shí)，需增加葉尖損失修正、動(dòng)態(tài)尾流與失速修正以及塔影效應(yīng)修正。由于浮式風(fēng)電平臺(tái)屬于大尺度構(gòu)件，頻域水動(dòng)力分析需采用三維輻射/繞射方法。由于勢(shì)流理論沒(méi)有考慮粘性，所以粘性部分通過(guò)調(diào)用單獨(dú)的Morison模型進(jìn)行。

系泊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵。目前，系泊模型的求解包括靜力和動(dòng)力求解，其中靜力求解一般采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，動(dòng)力求解包括集中質(zhì)量法和細(xì)長(zhǎng)桿等方法，Deeplines Wind軟件采用的方法為集中質(zhì)量法。塔架風(fēng)載荷和平臺(tái)風(fēng)載荷的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，主要采用經(jīng)驗(yàn)公式方法進(jìn)行計(jì)算，但要考慮風(fēng)速剖面和海流剖面。

通過(guò)上述各部分求解，即可以得到初始狀態(tài)的風(fēng)浪流載荷，然后在Deeplines Wind中進(jìn)行時(shí)域耦合計(jì)算。在時(shí)域計(jì)算中需嵌入風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，基本控制策略為額定風(fēng)速以下，保持槳距角不變，調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使機(jī)組達(dá)到最大發(fā)電功率；達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，調(diào)整槳距角，使機(jī)組發(fā)電功率保持在額定功率附近。時(shí)域分析中漂浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程[6]可以描述為：

(1)

式中：M為結(jié)構(gòu)物廣義質(zhì)量矩陣；m為結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量矩陣；K(t-τ)為系統(tǒng)的延遲函數(shù)；C為系統(tǒng)的靜水恢復(fù)力矩陣；F(t)為作用于結(jié)構(gòu)物的廣義力矩陣。

Deeplines Wind一體化仿真分析流程如圖1所示，由于同時(shí)考慮氣動(dòng)載荷、水動(dòng)載荷、系泊載荷與控制系統(tǒng)的耦合，軟件計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 一體化仿真分析流程

1.2 敏感性分析方法

對(duì)于已經(jīng)確定總體設(shè)計(jì)方案的漂浮式風(fēng)機(jī)，機(jī)組參數(shù)、基礎(chǔ)與系泊參數(shù)將不會(huì)輕易變化，而最容易變化的參數(shù)就是環(huán)境條件和分析參數(shù)。

漂浮式風(fēng)機(jī)屬于海洋工程結(jié)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組的組合結(jié)構(gòu)，按照規(guī)范要求，傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)物時(shí)域分析為3 h，隨機(jī)種子數(shù)量一般為3個(gè)，而風(fēng)電機(jī)組載荷時(shí)域計(jì)算常規(guī)時(shí)間為10 min，隨機(jī)種子數(shù)量為6個(gè)[7]。二者差別較大，不同的仿真時(shí)間和種子數(shù)將會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在極端空轉(zhuǎn)工況，由于風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，偏航系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)斷電不能實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)的狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組風(fēng)載荷將會(huì)變大。規(guī)范建議在仿真中設(shè)置不同的偏航誤差角度，而不同的誤差角對(duì)整體響應(yīng)的影響會(huì)有不同。

漂浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)遭受風(fēng)浪流載荷，不同機(jī)組狀態(tài)和工況時(shí)，風(fēng)浪流單獨(dú)作用對(duì)整體產(chǎn)生的影響會(huì)有所不同，分析不同工況載荷的主要貢獻(xiàn)，將會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全和設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。實(shí)際風(fēng)浪并不一定總是同向，不同的風(fēng)浪夾角時(shí)，漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)將會(huì)有所不同，按照規(guī)范的建議和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)浪夾角一般取0-90deg。因此本文選擇不同仿真時(shí)間和種子數(shù)、風(fēng)浪流單獨(dú)作用、風(fēng)浪夾角以及極端偏航誤差角四個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果很多，本文根據(jù)結(jié)果的重要性和代表性，選擇了整體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、錨鏈有效張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機(jī)艙加速度進(jìn)行敏感性分析。漂浮式風(fēng)機(jī)一體化仿真分析的工況非常多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果與機(jī)組發(fā)電狀態(tài)、初始受力狀態(tài)以及環(huán)境條件組合方式等直接相關(guān)，本文根據(jù)漂浮式風(fēng)機(jī)自身的特點(diǎn)和規(guī)范建議的典型狀態(tài)[8]，挑選了代表性工況進(jìn)行敏感性參數(shù)分析。綜上所述，本文進(jìn)行漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)敏感性參數(shù)分析的流程如圖2所示。

圖2 敏感性分析流程

2 算例參數(shù)

本文基于海裝漂浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目參數(shù)，建立整個(gè)漂浮式風(fēng)機(jī)一體化仿真模型，下面分別給出各部分基本參數(shù)[9]。

2.1 機(jī)組參數(shù)

本漂浮式風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)

2.2 平臺(tái)參數(shù)

本漂浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 半潛型漂浮式平臺(tái)主要參數(shù)

2.3 系泊參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目總體方案，本漂浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)為懸鏈線式，主要參數(shù)見(jiàn)表3，錨鏈布置如圖3所示。

表3 系泊系統(tǒng)參數(shù)

圖3 錨鏈布置

2.4 工況參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，本文選擇的代表性工況參數(shù)見(jiàn)表4，基于上述參數(shù)建立的一體化仿真模型如圖4所示。

表4 敏感性分析工況參數(shù)

圖4 一體化仿真模型

3 敏感性參數(shù)分析

根據(jù)目標(biāo)海域環(huán)境條件和總體設(shè)計(jì)方案，分析不同仿真時(shí)間和種子數(shù)量、風(fēng)浪流載荷單獨(dú)作用、風(fēng)浪夾角、極端偏航誤差角對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，有利于判別整個(gè)裝備的危險(xiǎn)狀態(tài)、尋找設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向以及載荷變化的規(guī)律。

3.1 仿真時(shí)間和種子數(shù)

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范推薦，一體化仿真總時(shí)間分別選擇10 min、1 h和3 h，根據(jù)各工況仿真時(shí)間換算出來(lái)10 min仿真種子數(shù)量分別為1/6/12/18，1 h仿真種子數(shù)量分別為1/3/6，3 h仿真種子數(shù)量分別為1/2。后處理中選擇可以反應(yīng)各部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果來(lái)研究變化規(guī)律，主要包括平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)、錨鏈張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機(jī)艙加速度，具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同仿真時(shí)間和種子數(shù)量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別以1 h仿真時(shí)間結(jié)果和6個(gè)種子數(shù)量結(jié)果為參考基準(zhǔn)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，最大相對(duì)誤差值分布分別如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，發(fā)電工況仿真時(shí)間主要影響機(jī)組載荷結(jié)果，最大相對(duì)誤差接近20%，其中1 h和3 h載荷結(jié)果更為接近?？辙D(zhuǎn)工況由于風(fēng)機(jī)順槳，浪流載荷變大，整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)受仿真時(shí)間影響明顯增大，其中1 h和3 h仿真結(jié)果相差不大，因此漂浮式風(fēng)機(jī)采用1 h的仿真時(shí)間可以滿足基本設(shè)計(jì)要求。而10 min仿真時(shí)間采用不同種子數(shù)量的影響最大，最大誤差超過(guò)30%，整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果當(dāng)種子數(shù)量達(dá)到12個(gè)時(shí)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。1 h仿真時(shí)間，種子數(shù)量達(dá)到3個(gè)時(shí)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，3 h仿真時(shí)間單個(gè)種子結(jié)果可以包絡(luò)10 min和1 h多種子數(shù)量的結(jié)果。

圖5 不同仿真時(shí)間最大相對(duì)誤差分布

圖6 不同種子數(shù)最大相對(duì)誤差分布

綜合來(lái)看，漂浮式風(fēng)機(jī)受仿真時(shí)間和種子數(shù)影響比較明顯，極端發(fā)電工況和極端空轉(zhuǎn)工況環(huán)境條件惡劣，采用1 h仿真時(shí)間和3個(gè)種子數(shù)量會(huì)比較可靠。而正常發(fā)電工況，單工況可以采用10 min仿真時(shí)間，但種子數(shù)量至少要12個(gè)，仿真結(jié)果會(huì)相對(duì)可靠。

3.2 風(fēng)浪流載荷單獨(dú)作用

為了評(píng)估風(fēng)浪流載荷對(duì)整個(gè)風(fēng)電裝備作用效果，分別使用單純風(fēng)、單純浪、單純流以及風(fēng)浪流工況進(jìn)行一體化仿真分析，代表計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果

圖8 塔底載荷分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以風(fēng)浪流組合工況為參考基準(zhǔn)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，最大相對(duì)誤差值分布如圖9所示。可以看出運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力受風(fēng)載荷的影響較小，主要以浪流作用為主，最大偏差接近90%，波浪主要影響幅值，海流影響均值。發(fā)電工況塔底載荷和機(jī)艙加速度主要以風(fēng)載荷為主，浪流載荷響應(yīng)次之。極端空轉(zhuǎn)工況塔底載荷和機(jī)艙加速度同時(shí)受風(fēng)浪流載荷影響，最大相對(duì)誤差接近80%。無(wú)論是發(fā)電工況還是極端空轉(zhuǎn)工況，輪轂載荷都是以風(fēng)載荷作用為主，波浪和海流對(duì)輪轂載荷影響不大。

圖9 風(fēng)浪流組合工況最大相對(duì)誤差分布

3.3 風(fēng)浪夾角

為了分析不同的風(fēng)浪夾角對(duì)整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響，選擇風(fēng)浪夾角分別為0/15/30/60/90 deg進(jìn)行仿真分析，代表計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果

圖11 機(jī)艙加速度分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以風(fēng)浪流同向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，最大相對(duì)誤差值分布如圖12所示?？梢钥闯霭l(fā)電工況風(fēng)浪夾角對(duì)機(jī)組極值載荷影響不大，但對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力影響較大，最大誤差可以達(dá)到40%。空轉(zhuǎn)工況風(fēng)浪夾角對(duì)整個(gè)裝備動(dòng)態(tài)響應(yīng)均有較大影響，最大機(jī)組載荷可以達(dá)到90%。隨著風(fēng)浪夾角增大，極值載荷有所減小，說(shuō)明風(fēng)浪有夾角時(shí)產(chǎn)生的載荷有所抵消。但不管是發(fā)電工況還是空轉(zhuǎn)工況，風(fēng)浪流同向時(shí)漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大。

圖12 風(fēng)浪流同向最大相對(duì)誤差分布

3.4 極端偏航誤差角

極端空轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏航系統(tǒng)斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大偏航誤差角，從而影響整個(gè)漂浮式風(fēng)機(jī)受力狀態(tài)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，選擇代表性0/90/180/270 deg誤差角進(jìn)行一體化仿真分析，主要結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 塔底載荷分析結(jié)果

圖14 輪轂載荷分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以0 deg誤差角結(jié)果為參考基準(zhǔn)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，最大相對(duì)誤差值分布如圖15所示?？梢钥闯?，極端偏航角誤差對(duì)整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈最大張力的影響較小，誤差值都在10%以內(nèi)。但隨著偏航誤差角的變化，塔底載荷、機(jī)艙加速度和輪轂載荷變化較多，尤其是90 deg和270 deg偏航誤差角，載荷最大相對(duì)誤差達(dá)到200%，說(shuō)明偏航角誤差對(duì)機(jī)組載荷影響很大，因此在極端空轉(zhuǎn)工況保證機(jī)組能實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)是必要的。

圖15 最大相對(duì)誤差分布

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)不同仿真時(shí)間和種子數(shù)量、風(fēng)浪流載荷單獨(dú)作用、風(fēng)浪夾角以及極端偏航誤差角幾個(gè)變量進(jìn)行了敏感性參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：

1)仿真時(shí)間和種子數(shù)量對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大，正常發(fā)電工況可以使用10 min仿真，但種子數(shù)要至少12個(gè)；極端發(fā)電和極端空轉(zhuǎn)工況，環(huán)境條件惡劣，采用1h仿真和3個(gè)種子數(shù)結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。表明漂浮式風(fēng)機(jī)非線性耦合更強(qiáng)，需要結(jié)合整個(gè)裝備方案選擇合理的仿真時(shí)間和種子數(shù)量，才能保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力幅值主要受浪流作用，發(fā)電工況塔底載荷和機(jī)艙加速度主要以風(fēng)載荷為主，極端空轉(zhuǎn)工況塔底載荷和機(jī)艙加速度同時(shí)受風(fēng)浪流載荷影響。因此在已知環(huán)境條件時(shí)，可根據(jù)風(fēng)浪流作用效果，對(duì)基礎(chǔ)性能進(jìn)行比較。

3)發(fā)電工況風(fēng)浪夾角主要影響運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力，最大相對(duì)誤差可以達(dá)到40%?？辙D(zhuǎn)工況風(fēng)浪夾角對(duì)整個(gè)裝備動(dòng)態(tài)響應(yīng)均有較大影響，隨著風(fēng)浪夾角增大，極值載荷有所減小，說(shuō)明風(fēng)浪有夾角時(shí)產(chǎn)生的載荷有所抵消。因此根據(jù)已知環(huán)境條件分布，合理布置浮式風(fēng)機(jī)位置，結(jié)合控制策略，對(duì)降低整體響應(yīng)，提高使用壽命十分有用。

4)極端偏航誤差角對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力影響不大，但對(duì)機(jī)組載荷影響明顯，尤其是90°和270°誤差角，因此漂浮式風(fēng)機(jī)須配置備用柴油發(fā)電機(jī)給偏航系統(tǒng)供電，以保證在風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)時(shí)機(jī)組仍能實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)。

本文計(jì)算結(jié)果只是針對(duì)海裝6.2 MW機(jī)組和半潛型漂浮式風(fēng)電平臺(tái)以及懸鏈線式系泊的計(jì)算結(jié)果，但對(duì)其它浮式風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。當(dāng)采用不同的機(jī)組型式、平臺(tái)類型和系泊系統(tǒng)時(shí)，在批量仿真之前建議進(jìn)行敏感性參數(shù)分析，這對(duì)仿真工況定義、風(fēng)電裝備安全性評(píng)估、方案選型和優(yōu)化十分必要。