海上漂浮式風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)淺析

肖然

（大唐三亞未來能源研究所有限公司 海南三亞 572025）

為了解決能源利用和社會(huì)整體效益的矛盾，人們聚焦于可再生能源。我國(guó)電力能源的負(fù)荷中心分布于沿海地區(qū)，海上風(fēng)能可以更經(jīng)濟(jì)地支撐電力供應(yīng)，其中，深遠(yuǎn)海地區(qū)因?yàn)樘N(yùn)含著豐富的風(fēng)力資源，逐漸成為全球開發(fā)的新方向。因?yàn)楣潭ㄊ胶Ｉ巷L(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)隨水深的增加而下降，在水深60 m以上時(shí)會(huì)被成本更低的漂浮式風(fēng)機(jī)取代。

海上漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)主要由4 個(gè)子系統(tǒng)組成，即基礎(chǔ)平臺(tái)，安裝于基礎(chǔ)平臺(tái)上的風(fēng)電機(jī)組，水下固定漂浮式基礎(chǔ)的系泊系統(tǒng)以及將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能傳輸至升壓站或者陸地的海洋電纜系統(tǒng)。這4 個(gè)系統(tǒng)的功能相對(duì)獨(dú)立但是物理上相互連接組成一體，在海洋和空氣的載荷影響下互相影響、各自的特征又會(huì)影響其他子系統(tǒng)的性能，各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷相互影響，循環(huán)迭代，最終達(dá)到一個(gè)滿足自然條件和各個(gè)子系統(tǒng)服役性能要求的形態(tài)。

1 漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)

漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)主要作用是作為一個(gè)有較好穩(wěn)性的漂浮式海洋平臺(tái)，為風(fēng)電機(jī)組提供支撐基礎(chǔ)，為所有的其他子系統(tǒng)包括電纜系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)提供浮力。目前，主流的漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)分為立柱式、半潛式和張力腿式，如圖1［1-3］，其各自的優(yōu)缺點(diǎn)參考表1。

表1 漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)方式設(shè)計(jì)特點(diǎn)［2］

圖1 主流的漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)形式

立柱式外形為1 個(gè)大吃水、淺干舷的圓柱體，通過壓載水來保持重心低于浮心?；A(chǔ)平臺(tái)一般由懸鏈線狀或張緊的系泊纜鏈連接平臺(tái)和海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

半潛式由數(shù)個(gè)被水下浮體連接的大型支柱形成的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。支柱提供靜水力穩(wěn)性，浮體提供額外浮力?；A(chǔ)平臺(tái)一般由懸鏈線狀或張緊的系泊纜鏈連接平臺(tái)和海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

張力腿式具有較大浮力的平臺(tái)，中央立柱體和結(jié)構(gòu)臂連接至繃緊的肌腱纜，并通過肌腱纜鏈接海底的抓力錨/吸力錨來保持在海洋中的位置。

作為漂浮式海洋風(fēng)機(jī)的最主要的子系統(tǒng)，漂浮式基礎(chǔ)主要的性能要求有2 個(gè)：①為整個(gè)漂浮式風(fēng)機(jī)提供足夠的浮力以及穩(wěn)性；②保證在其20 a～25 a 的生命周期內(nèi)自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以應(yīng)付各種海洋載荷。穩(wěn)性指的是海洋工程結(jié)構(gòu)物在外力作用下發(fā)生傾斜而不致傾覆、外力作用消失后仍能回復(fù)到原來平衡位置的能力［4］，即其在拖航、安裝和使用過程中，結(jié)構(gòu)物所具有的抗傾覆能力，以保障其在服役的各階段中不發(fā)生傾覆性后果。

在設(shè)計(jì)初期，需要針對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地、其他子系統(tǒng)要求、水文地質(zhì)條件、成本等多方面進(jìn)行考慮，關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)可以承受最大極限以及周期性運(yùn)動(dòng)中的疲勞極限等，避免和載荷的共振、疲勞、屈曲等強(qiáng)度問題，確定設(shè)計(jì)形式和得到初步主尺寸設(shè)計(jì)。在得出初步設(shè)計(jì)后，基礎(chǔ)平臺(tái)和其他子系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，重新計(jì)算整個(gè)浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有頻率，驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)對(duì)載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并利用水池進(jìn)行模型水池試驗(yàn)驗(yàn)證。漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)決定了整個(gè)浮式風(fēng)機(jī)的成敗，是一個(gè)不間斷連續(xù)循環(huán)迭代的設(shè)計(jì)過程，要耗費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間才能給出一個(gè)各方都能接受的方案。經(jīng)過多方循環(huán)優(yōu)化，最終才能確定完整的設(shè)計(jì)方案。

2 系泊系統(tǒng)

漂浮式風(fēng)機(jī)作為海上浮式結(jié)構(gòu)物，需要通過系泊系統(tǒng)進(jìn)行位置和運(yùn)動(dòng)的約束。其力學(xué)作用機(jī)理主要通過系泊材料的變形或懸空重量的改變來提供約束張力。常見的系泊形式可參考圖1。懸鏈線狀系泊線型的回復(fù)力在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)較小時(shí)依靠其懸空段本身的重量提供，平臺(tái)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)較大時(shí)可能將趟泥段拉起懸空，由錨提供回復(fù)力。該形式下一般采用抓力錨、吸力錨和樁錨，系泊線采用錨鏈、聚酯纜或鋼纜的單一或者混合形式。預(yù)張緊形式的系泊線形在平臺(tái)進(jìn)行響應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其回復(fù)力直接由錨提供，且附帶很大的垂向上拔力，因此一般采用樁錨或者吸力錨，系泊線采用張力腱。

系泊系統(tǒng)通常包含絞車、導(dǎo)纜設(shè)備、錨鏈、鋼纜、聚酯纜、張力腱、錨、樁錨、重力塊和浮力配件等組成。在設(shè)計(jì)系泊線形式、組成和長(zhǎng)度時(shí)，重要的邊界條件是水深。采用懸鏈線形式時(shí)，水深如果太淺，則需要水平延伸較長(zhǎng)的錨鏈懸空段提供回復(fù)力并考慮加裝配重塊以避免系泊線過長(zhǎng)；如果水深很大，則會(huì)考慮增加聚酯纜或鋼纜長(zhǎng)度占比并添加浮力配件，以避免過長(zhǎng)的錨鏈帶來的高昂成本以及過大過沉的錨腿預(yù)張力和無效載重。設(shè)計(jì)系泊線時(shí)的其他因素還包括應(yīng)避免系泊系統(tǒng)的響應(yīng)周期和海洋載荷的周期過于接近發(fā)生共振，考慮海域周圍的情況以及用海面積等等邊界條件，具體的設(shè)計(jì)流程可參考圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，錨的形式以及系泊線的長(zhǎng)度和水中的形態(tài)往往是相互影響、決定的，并會(huì)進(jìn)一步?jīng)Q定整個(gè)系泊系統(tǒng)的成本。目前錨的主流形式分為抓力錨、吸力錨和樁錨。

抓力錨一般只能承受水平力，因此在確定使用抓力錨時(shí)，后續(xù)設(shè)計(jì)要確保抓力錨不會(huì)受到垂向拉力。在傾斜的系泊懸鏈線設(shè)計(jì)上，由抓力錨提供為漂浮式平臺(tái)提供所需水平回復(fù)力，而垂向上的分力由系泊懸鏈線的重力提供，因此該重力需要足夠大。安裝中，抓力錨需要三用工作船（Anchor Handling Vessel，AHV）將錨線拖拽至設(shè)計(jì)拉力進(jìn)行預(yù)張緊進(jìn)行驗(yàn)證，之后才能回接至平臺(tái)或者海洋漂浮物，這對(duì)施工船只的系柱力有一定要求。

吸力錨的形式是一個(gè)中空的圓柱結(jié)構(gòu)物，下端開放，上端封閉并帶有閥門，可以承受相當(dāng)?shù)拇瓜蛄Γ虼似湎挡淳€允許出現(xiàn)一定程度的張緊。安裝中，一般吸力錨通過自重垂直插入海床一定深度，屆時(shí)水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）會(huì)將水泵的水管連接至吸力錨并關(guān)閉吸力錨的上端閥門，水泵進(jìn)行抽水，海底的巨大水壓會(huì)將其進(jìn)一步壓入泥土中，完成吸力錨的安裝。不同于抓力錨，吸力錨不需要預(yù)張緊。另外，屈曲是安裝過程中需要考慮的因素。如果一次安裝失敗，則可以通過向錨體內(nèi)反向泵入水來抽出吸力錨進(jìn)行二次安裝。在設(shè)計(jì)允許的情況下，不同的浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)可以共享吸力錨裝。在漂浮式風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化之后，風(fēng)機(jī)平臺(tái)合理共享樁錨，形成錨矩陣，可以大幅降低系泊成本。

樁錨是開放式的空心圓柱結(jié)構(gòu)物。在安裝上，一般樁錨的安裝需要導(dǎo)向支架和水下打樁錘作為施工資源，通過支架維持其方向位置，利用打樁錘將其打入巖土深處。樁錨的安裝和使用在我國(guó)國(guó)內(nèi)海洋油氣行業(yè)中較為普遍。由于浮式風(fēng)機(jī)一般處于較深的水深，水下打樁錘裝備數(shù)量較少，若需采用水下打樁錘時(shí)需要考慮施工資源問題。

在系泊系統(tǒng)中，系泊線也有多種類型和形式。從類型上，可以分為錨鏈、鋼纜和張力腱。立柱式和半潛式通常采用錨鏈或錨纜，形式上為懸鏈線型。錨鏈的密度比錨纜大，成本高。張力腿式的平臺(tái)通常采用張力纜，呈預(yù)張緊的形態(tài)。張力腱通常采用合成材料，較輕，伸縮性較好，造價(jià)昂貴并且安裝復(fù)雜。頂部預(yù)張力一般通過平臺(tái)上的絞盤進(jìn)行微調(diào)節(jié)。由于張緊狀態(tài)使得張力腿基礎(chǔ)的固有頻率較高，張力腿基礎(chǔ)對(duì)渦激振動(dòng)和高頻波浪力等都很敏感，有引起張力腿發(fā)生高頻彈振和顫振問題，繼而發(fā)生疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。而懸鏈線形式的系統(tǒng)固有頻率較低，對(duì)顫振不敏感，但是仍需考慮渦激振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞損傷。

3 電纜傳輸系統(tǒng)

海上風(fēng)機(jī)需要通過海底電纜送出電能。相比于固定式風(fēng)機(jī)，漂浮式機(jī)組基礎(chǔ)在波浪和風(fēng)的聯(lián)合作用下不斷有水平和升沉運(yùn)動(dòng)。如果直接將電纜以懸鏈線的形式直鋪至海底，那么電纜會(huì)隨著海洋平臺(tái)不斷運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)電纜海底觸泥點(diǎn)部分不斷提升和下降，導(dǎo)致觸泥點(diǎn)部分的電纜會(huì)很快因?yàn)槠诤颓l(fā)生結(jié)構(gòu)性失效。

為了避免這種周期性的運(yùn)動(dòng)，參考傳統(tǒng)海洋油氣行業(yè)的設(shè)計(jì)思路，一般會(huì)在電纜特定部位安裝浮子或者浮筒，讓電纜在海里的懸空段呈現(xiàn)“S”形，這段漂浮在水中的電纜一般被稱為“動(dòng)態(tài)纜”?！皠?dòng)態(tài)纜”避免了觸泥點(diǎn)部分的不斷運(yùn)動(dòng)，并且使海洋平臺(tái)的周期性運(yùn)動(dòng)可以在整個(gè)漂浮段吸收，避免了局部疲勞和整體屈曲。由于電纜細(xì)長(zhǎng)的尺寸特征，容易形成渦激振動(dòng)，在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)纜的形態(tài)時(shí)也需要考慮規(guī)避渦激振動(dòng)引發(fā)的共振。

海洋電纜因?yàn)樾枰鎸?duì)海底水壓和侵蝕，其內(nèi)外有多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，這使得電纜存在最小彎曲半徑（MBR）。當(dāng)電纜的彎曲半徑小于MBR 時(shí)，電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度就會(huì)收到損傷引起產(chǎn)品失效。同時(shí)MBR 存在動(dòng)態(tài)MBR 和靜態(tài)MBR，使得設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，需要針對(duì)不同部位的電纜考慮不同的半徑限制，并且在受力熱點(diǎn)部分安裝限彎器來對(duì)電纜進(jìn)行保護(hù)。靜態(tài)電纜由于鋪設(shè)在海床綿延幾十甚至上百公里，漁業(yè)作業(yè)和船只拋錨對(duì)電纜的威脅非常大，并且在其路徑一般都會(huì)存在懸空段，因此，設(shè)計(jì)和施工方會(huì)對(duì)電纜靜態(tài)段采用埋溝、拋石、安裝水泥保護(hù)件，并對(duì)其懸空段進(jìn)行處理和保護(hù)，如加墊水泥墊等方式。由于風(fēng)電電纜功能及設(shè)計(jì)思路和海洋油氣行業(yè)非常相似，而后者已經(jīng)有多年的積累和成熟的理解，漂浮式風(fēng)機(jī)海纜的設(shè)計(jì)、建造和施工目前基本都參考海洋油氣平臺(tái)的規(guī)范和要求。

4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的固定式海上風(fēng)機(jī)相比，漂浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)基礎(chǔ)約束較弱，導(dǎo)致風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷存在明顯的非線性特征。單個(gè)海上漂浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性研究可大致劃分為3 方面：①浮式平臺(tái)基礎(chǔ)對(duì)頂部風(fēng)輪的氣動(dòng)性能的影響；②風(fēng)輪氣動(dòng)載荷對(duì)平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的影響；③氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)振動(dòng)等動(dòng)力響應(yīng)的耦合。

海上漂浮式風(fēng)機(jī)常受到波浪的作用導(dǎo)致平臺(tái)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此基礎(chǔ)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要由浪流載荷激發(fā)，包含波浪頻率成分，繼而導(dǎo)致浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷和功率波動(dòng)明顯包含了波浪頻率成分。浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)輪的影響多樣而復(fù)雜。舉例來說，浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過塔筒傳遞到機(jī)艙以及葉片，平臺(tái)的縱搖運(yùn)動(dòng)會(huì)改變?nèi)~輪入流風(fēng)風(fēng)速，并且讓葉片周期性處于尾流之中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都提出了挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)浮式風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)時(shí)，必須要將浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)考慮在內(nèi)。

氣動(dòng)載荷對(duì)浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響主要可以分為氣動(dòng)激勵(lì)載荷和氣動(dòng)阻尼載荷。氣動(dòng)激勵(lì)載荷，如氣動(dòng)推力使得浮式風(fēng)機(jī)的支撐平臺(tái)發(fā)生較大的縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)。劉中柏［5］、李嘉文［6］進(jìn)行了半潛式和小水線面立柱式浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)和研究，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到實(shí)際海況下表明，氣動(dòng)載荷引起的縱搖運(yùn)動(dòng)可高達(dá)20%～40%［5］。氣動(dòng)扭矩使得浮式風(fēng)機(jī)發(fā)生橫搖和首搖運(yùn)動(dòng)；有學(xué)者對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻域分析，發(fā)現(xiàn)激發(fā)的浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)帶有湍流風(fēng)的低頻成分。氣動(dòng)阻尼力定義為氣動(dòng)載荷作用力變化與受載結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)變化關(guān)系的描述。通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，海上浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)阻尼力對(duì)其機(jī)艙縱蕩運(yùn)動(dòng)有著顯著的影響，并且氣動(dòng)阻尼效應(yīng)在某些工況下甚至比水動(dòng)力阻尼的作用效果還明顯。目前研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)的控制器并不完全適用于海上浮式風(fēng)機(jī)，如果按照固定式風(fēng)機(jī)的控制器參數(shù)，海上浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)阻尼甚至?xí)霈F(xiàn)“負(fù)阻尼”效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不斷加劇。

氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)振動(dòng)等動(dòng)力響應(yīng)的耦合問題一直都是風(fēng)力設(shè)備研究的重點(diǎn)考慮因素，相比于固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)更明顯，導(dǎo)致氣動(dòng)載荷波動(dòng)更大，結(jié)構(gòu)慣性載荷更大，槳葉和塔筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)更加明顯，甚至引發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)的高頻運(yùn)動(dòng)?？紤]浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成的特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)葉片、系泊線、塔筒等屬于柔性體，相對(duì)而言，浮式基礎(chǔ)、機(jī)艙等屬于剛體，整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成了剛體和柔性體耦合的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)固有特性分析應(yīng)包括整體固有特性和局部結(jié)構(gòu)固有特性。每個(gè)“子體”部件都有其固有周期，在作業(yè)和生存狀態(tài)下，整體風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有周期可能避開載荷卓越周期，但局部結(jié)構(gòu)的固有周期可能遭遇風(fēng)載的激勵(lì)而發(fā)生諧振。例如，對(duì)于立柱和半潛式平臺(tái)，紊流風(fēng)的激振頻率可能在浮式基礎(chǔ)的水平面內(nèi)固有長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的頻率帶范圍，加劇浮式基礎(chǔ)的縱蕩慢漂運(yùn)動(dòng)［5］。簡(jiǎn)而言之，海上漂浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪氣動(dòng)特性、槳葉振動(dòng)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)存在耦合效應(yīng)，可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié)語

隨著海上深海風(fēng)電開發(fā)的推進(jìn)，對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重視日漸增加。本文嘗試將浮式風(fēng)機(jī)分解為4 個(gè)子系統(tǒng)，從4 個(gè)部分來總結(jié)各自特點(diǎn)和浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的思路，為將來浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的完善提供參考建議。