兼具發(fā)電功能的張力腿平臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)研究

李振眠，余 楊，余建星，張曉銘，常雪瑩，徐立新

（天津大學(xué)a.水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.天津市港口與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引 言

多功能浮式平臺(tái)具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，日漸成為海洋工程浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)的新潮流[1-2]。歐盟于2011 年發(fā)起了“The Ocean of Tomorrow”倡議，資助了H2OCEAN、MERMAID 和TROPOS 等三個(gè)項(xiàng)目[3]，致力于多功能海上平臺(tái)概念設(shè)計(jì)和可行性評(píng)估。2014 年，Maribe 啟動(dòng)了Horizon 2020（H2020）項(xiàng)目，研究組合不同海洋開發(fā)要素（Blue Growth Sectors）的投資前景[4]。2018 年，Space@Sea[5]和Blue Growth Farm[6]啟動(dòng)。其中，前者旨在建設(shè)一個(gè)可持續(xù)使用且經(jīng)濟(jì)效益顯著的海上工作站，后者則是設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖和波浪發(fā)電的多用途海上浮式平臺(tái)。更多關(guān)于多功能浮式平臺(tái)的最新情況可參考文獻(xiàn)[7-8]。已有的研究主要集中在多功能浮式平臺(tái)概念創(chuàng)新和社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，涉及運(yùn)輸、能源、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游休閑等用途的綜合開發(fā)。本文致力于探索海洋平臺(tái)與石油開采并行的其他可能性，將張力腿平臺(tái)（TLP）與波浪能發(fā)電相結(jié)合，發(fā)展兼具發(fā)電功能的多功能TLP系統(tǒng)。

本文的研究對(duì)象為圖1所示的TLP-EWEC 系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)包括一個(gè)TLP 本體，四個(gè)U 型振蕩液柱和八個(gè)氣室-渦輪組。其中，振蕩液柱和氣室-渦輪組組成的發(fā)電模塊稱為內(nèi)嵌式波能發(fā)電裝置（embedded wave energy converter，EWEC）。振蕩液柱對(duì)稱安裝于TLP本體內(nèi)部，其水平段中間布置有節(jié)流孔板，能夠通過(guò)調(diào)整開孔率大小調(diào)整振蕩液柱的阻尼大小。工作流體就地取材，選用海水。氣室-渦輪組布置在振蕩液柱兩側(cè)自由液面之上，氣室通過(guò)狹窄的氣流通道與操作間的大氣相通，渦輪安裝于氣流通道之中。該設(shè)計(jì)為多功能TLP 系統(tǒng)，在TLP 正常開展油氣生產(chǎn)作業(yè)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)波能發(fā)電。TLP-EWEC 系統(tǒng)的發(fā)電原理與傳統(tǒng)的振蕩水柱式波能發(fā)電裝置（oscillating water coloum，OWC）[10]類似：在波浪載荷作用下，TLP 本體產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起振蕩液柱中流體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將增大或者減小氣室體積，推動(dòng)氣室與外界大氣進(jìn)行氣體交換，從而在氣流通道內(nèi)產(chǎn)生振蕩氣流。威爾斯（Wells）渦輪[11]適用于這樣的往復(fù)振蕩氣流工況，能夠?qū)⒄袷帤饬鞯臋C(jī)械能轉(zhuǎn)化為自身的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，然后通過(guò)電機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 TLP-EWEC系統(tǒng)[8]Fig.1 TLP-EWEC system[8]

本文在文獻(xiàn)[9]工作的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展TLP-EWEC 系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析?；诙囿w動(dòng)力學(xué)理論、波浪力學(xué)理論和空氣動(dòng)力學(xué)理論，考慮平臺(tái)本體有限位移、六自由度運(yùn)動(dòng)耦合以及氣室空氣壓縮性等非線性因素的影響，建立系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)方程，編寫數(shù)值仿真程序開展計(jì)算。基于計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析工作海況和生存海況中TLP-EWEC系統(tǒng)與傳統(tǒng)TLP的響應(yīng)并開展不同節(jié)流孔板開孔率和氣室高度敏感性分析，評(píng)估新系統(tǒng)的水動(dòng)力性能是否滿足油氣生產(chǎn)作業(yè)要求和發(fā)電的可行性，以期為多功能浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)和海洋波浪能開發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。

1 多體耦合動(dòng)力學(xué)建模

1.1 多體動(dòng)力學(xué)方程

將TLP 本體視為剛體，其空間位置用矢量q描述，即

對(duì)于平臺(tái)本體上的任意一點(diǎn)P，其絕對(duì)坐標(biāo)為

對(duì)式（2）求導(dǎo)，可得點(diǎn)P的絕對(duì)速度為

如圖3 所示，對(duì)于標(biāo)記為（ii=1,2,3,4）的振蕩液柱，其空間位置可以通過(guò)在平臺(tái)本體上的安裝位置確定。定義水平段中點(diǎn)坐標(biāo)為，長(zhǎng)度為，截面積為；兩個(gè)垂直段與水平段的交點(diǎn)坐標(biāo)為和，液柱靜平衡高度均為，截面積為；擺放的角度為αi。

假設(shè)垂直液柱內(nèi)液體的瞬時(shí)液面位移為Hi，流動(dòng)速度大小為，則振蕩水柱內(nèi)的液柱微段絕對(duì)速度為

圖3 振蕩液柱示意圖Fig.3 Schematic model of the oscillating liquid

振蕩液柱i各段液柱的動(dòng)能為

式中，ρ為振蕩液柱內(nèi)海水的密度。

聯(lián)立式（4）～（8），得到系統(tǒng)的動(dòng)能T和勢(shì)能U為

基于列拉格朗日方程有

將式（9）代入式（10），整理可得如下形式的動(dòng)力學(xué)方程

1.2 外載荷矢量

TLP 本體受到的外載荷包括波浪載荷、浮力、張力腿張力、振蕩液柱作用力和氣室-渦輪組作用力；振蕩液柱受到的外載荷包括張力腿本體作用力、沿程和局部阻力和氣室作用力。其中，振蕩液柱與TLP本體的相互作用力為系統(tǒng)內(nèi)力，已包括在1.1節(jié)所述的耦合動(dòng)力學(xué)模型中。

根據(jù)改進(jìn)莫里森方程[13]，水中單位長(zhǎng)度微元體受到的水動(dòng)力為

式中，(Cd,Ca)為阻尼和附加質(zhì)量系數(shù)，(Vn,)為水質(zhì)點(diǎn)沿微元體軸線垂直方向上的速度、加速度分量，為平臺(tái)本體沿微元體軸線垂直方向上的速度和加速度分量，( dA,dV)為微元體的截面積和體積。

標(biāo)記平臺(tái)本體的四個(gè)立柱和四個(gè)沉箱為k(k= 1,2,…,8 )，分別沿其浸沒(méi)長(zhǎng)度lk積分可得波浪力和力矩為

標(biāo)記與平臺(tái)本體底部四個(gè)角落連接的四根張力腿為m( )m= 1,2,3,4 ，基于線性彈簧假設(shè)可求得張力腿m的張力和力矩分別為

式中，T0為預(yù)張力，E為楊氏模量，S為張力腿的截面積為張力腿初始長(zhǎng)度矢量，Lm為張力腿瞬時(shí)長(zhǎng)度矢量為從張力腿與平臺(tái)本體連接點(diǎn)到平臺(tái)本體重心的空間矢量。

對(duì)于振蕩液柱i，內(nèi)部工作流體流動(dòng)時(shí)存在沿程水頭損失和局部水頭損失。局部水頭損失包括由于截面變化引起的局部水頭損失和節(jié)流孔板阻流產(chǎn)生的水頭損失。與局部水頭損失相比，沿程水頭損失較小，可以忽略不計(jì)。則內(nèi)部工作流體的水頭損失[14]為

考慮振蕩液柱i兩側(cè)氣室-渦輪對(duì)平臺(tái)本體和振蕩液柱i的作用力和力矩，將氣室-渦輪視為長(zhǎng)方體，其底面與液柱相通，其余五個(gè)面固定在TLP 本體上。記振蕩液柱i左側(cè)和右側(cè)氣室內(nèi)部壓力為和，則氣室-渦輪對(duì)平臺(tái)本體的作用合力和合力矩分別為

聯(lián)立式（12）～（18）,并按q的每個(gè)自由度進(jìn)行組裝可得外載荷矢量為

1.3 氣室-渦輪模型

氣室振蕩可視為等熵過(guò)程[11]，滿足氣體等熵方程：

式中，γ為空氣比熱容，pc為氣室內(nèi)部壓力(與式（17）中和含義一致，不區(qū)分振蕩液柱編號(hào)和左右氣室編號(hào))，ρc為氣室內(nèi)部氣體密度，ρa(bǔ)tm為大氣密度。

對(duì)式（20）求導(dǎo)，可整理得

式中，mc為氣室內(nèi)氣體總質(zhì)量，Vc為氣室氣體體積。

將式（22）代入式（21）中，有

根據(jù)氣室內(nèi)氣體質(zhì)量守恒原理，氣體質(zhì)量的變化率等于氣體流量，即

式中，a為渦輪通道橫截面積，vx為渦輪通道內(nèi)氣流速度。

采用線性威爾斯渦輪假設(shè)[11]，其壓降無(wú)量綱數(shù)與流量無(wú)量綱數(shù)呈線性關(guān)系，即

式中，R為渦輪內(nèi)半徑，k為渦輪常數(shù)，N為渦輪轉(zhuǎn)速。

聯(lián)立式（23）～（25），可得到氣室呼氣和吸氣過(guò)程中氣室內(nèi)部壓力控制方程分別為

當(dāng)渦輪系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，氣室封閉，滿足等溫狀態(tài)方程

式中，Vatm為氣室初始體積。

對(duì)式（27）進(jìn)行求導(dǎo)，可得氣室內(nèi)部壓力控制方程為

1.4 時(shí)域數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)以上推導(dǎo)過(guò)程，多體系統(tǒng)動(dòng)力方程、外載荷矢量以及氣室-渦輪模型構(gòu)成了多功能平臺(tái)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)方程，經(jīng)過(guò)整理可降階寫為

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及數(shù)值驗(yàn)證

2.1 TLP-EWEC設(shè)計(jì)參數(shù)

本文選用傳統(tǒng)式TLP（ISSC-TLP）[15]作為TLP-EWEC 系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)。假設(shè)安裝的振蕩液柱和氣室-渦輪組不影響平臺(tái)本體原有質(zhì)量的分布和張力腿初始總張力，但新增結(jié)構(gòu)導(dǎo)致平臺(tái)總體吃水增大，張力腿初始長(zhǎng)度減小。TLP-EWEC 與ISSC-TLP 的浮體和系泊的參數(shù)如表1[9]所示，TLP-EWEC 的其他參數(shù)如表2所示。

表1 TLP-EWEC和ISSC-TLP的浮體和系泊參數(shù)Tab.1 Buoy and mooring parameters of the TLP-EWEC and ISSC-TLP system

表2 TLP-EWEC計(jì)算模型參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of the TLP-EWEC system

本文采用海浪譜描述海面，選用南海404.69 m 水深的流花油田一年一遇海況作為工作海況，波浪數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)于已知JONSWAP 波浪譜，采用隨機(jī)相位法[17]

對(duì)合成海況進(jìn)行模擬。本文聚焦的TLP-EWEC 工作海況中動(dòng)力響應(yīng)研究被作為TLP-EWEC 可行性分析的重要內(nèi)容。關(guān)于TLP-EWEC 在生存海況（十年一遇）中的相關(guān)討論可參考文獻(xiàn)[9]。

2.2 TLP算例驗(yàn)證

本文計(jì)算程序是基于文獻(xiàn)[9]，不同的是考慮了氣體的可壓縮性，建立了更準(zhǔn)確的氣室-渦輪模型。TLP-EWEC 系統(tǒng)采用ISSC-TLP 作為平臺(tái)本體，因此可以通過(guò)驗(yàn)證ISSC-TLP 的方法來(lái)說(shuō)明TLPEWEC 水動(dòng)力模型和計(jì)算程序的正確性。計(jì)算了規(guī)則波工況（波高8.0 m，周期14 s，浪向角π/8）下ISSC-TLP 平臺(tái)本體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，然后與文獻(xiàn)[16]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。本文與文獻(xiàn)[16]均考慮了平臺(tái)本體有限位移、瞬時(shí)濕表面、瞬時(shí)位置、六自由度運(yùn)動(dòng)耦合、自由表面效應(yīng)和粘性力等非線性因素的影響。對(duì)比結(jié)果如圖4所示，顯然本文計(jì)算結(jié)果與前人結(jié)果均吻合良好。

表3 波浪數(shù)據(jù)Tab.3 Wave data

圖4 ISSC-TLP六自由度響應(yīng)Fig.4 6 DOF response of ISSC-TLP

3 水動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 基本設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

為了研究工作海況下TLP-EWEC 是否滿足油氣生產(chǎn)作業(yè)要求，本文計(jì)算了EWEC-OFF，κ=0.00；EWEC-OFF，κ=1.00和EWEC-ON，κ=1.00三種狀態(tài)下TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（κ為節(jié)流孔板開孔率）。其中EWEC-OFF，κ=0.00 為節(jié)流孔板關(guān)閉且氣流通道關(guān)閉，振蕩液柱內(nèi)流體不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；EWEC-OFF，κ=1.00為節(jié)流孔板完全打開，但氣流通道關(guān)閉，渦輪不運(yùn)行的狀態(tài)；EWEC-ON，κ=1.00為節(jié)流孔板完全打開，氣流通道開啟，渦輪運(yùn)行的狀態(tài)。本文以相同海況中ISSC-TLP 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)作為參照，評(píng)估TLP-EWEC是否滿足油氣生產(chǎn)作業(yè)的要求。

圖5 為工作海況中ISSC-TLP 和TLP-EWEC 六自由度位移和速度的時(shí)間歷程曲線。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，TLP-EWEC 和ISSC-TLP 的運(yùn)動(dòng)軌跡除縱蕩、橫蕩和艏搖略有差別外，其他自由度響應(yīng)相似。這說(shuō)明雖然TLP-EWEC 和ISSC-TLP 的質(zhì)量和吃水不同，但TLP-EWEC 和ISSC-TLP 的結(jié)構(gòu)特性相似。另一方面，不同狀態(tài)下TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)明顯差別。這說(shuō)明EWEC 的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)TLPEWEC的結(jié)構(gòu)水動(dòng)力性能影響較小，TLP-EWEC運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定。

圖5 ISSC-TLP和TLP-EWEC六自由度響應(yīng)Fig.5 6 DOF responses of TLP-EWEC and ISSC-TLP

圖6為工作海況中不同狀態(tài)下TLP-EWEC 內(nèi)部四個(gè)振蕩液柱位移和速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線。當(dāng)節(jié)流孔板關(guān)閉時(shí)，液柱內(nèi)流體無(wú)響應(yīng)。當(dāng)節(jié)流孔板完全開啟，流體在EWEC-OFF 時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比EWEC-ON時(shí)的小。這是因?yàn)镋WEC-ON時(shí)氣室不完全封閉，氣室壓力幅值較封閉狀態(tài)小，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的阻尼作用小。從圖6中可以看出，液柱位移振蕩范圍在±0.5 m內(nèi)，速度振蕩范圍為±0.5 m/s。這說(shuō)明工作海況中平臺(tái)本體運(yùn)動(dòng)能有效引起振蕩液柱內(nèi)液面起伏造成氣室振蕩，保證波浪能量轉(zhuǎn)換為電能。從結(jié)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)看，液面位移占液柱總長(zhǎng)度的0.95%，引起TLP-EWEC質(zhì)量分布的變化很小。因此，不同狀態(tài)下TLP-EWEC能夠保持其原有結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性。這樣的結(jié)構(gòu)特性對(duì)于油氣生產(chǎn)作業(yè)是有利的。

圖6 TLP-EWEC內(nèi)部振蕩水柱運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of oscillating liquid columns in the TLP-EWEC system

為進(jìn)一步說(shuō)明TLP-EWEC系統(tǒng)滿足油氣生產(chǎn)作業(yè)要求，比較工作海況中ISSC-TLP和TLP-EWEC各個(gè)自由度響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值。如圖7 所示，與ISSC-TLP 運(yùn)動(dòng)位移峰值相比，EWEC-ON 狀態(tài)下，TLPEWEC 的橫蕩和艏搖明顯減小約15%和11%，縱蕩和垂蕩均小幅減小約5%，橫搖基本相當(dāng)，縱搖則明顯增大約10%；EWEC-OFF 狀態(tài)下，TLP-EWEC 各個(gè)自由度的峰值比EWEC-ON 狀態(tài)下小，其中橫蕩抑制效果最明顯。EWEC-OFF 狀態(tài)下，節(jié)流孔板的開啟和關(guān)閉主要影響TLP-EWEC 的橫蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)。從位移標(biāo)準(zhǔn)差上看，EWEC-ON 狀態(tài)下TLP-EWEC 的縱蕩和縱搖波動(dòng)增大約22%和10%，垂蕩和艏搖基本相當(dāng)，橫蕩和橫搖波動(dòng)減小約5%和2%。EWEC-OFF 狀態(tài)下，TLP-EWEC 的各個(gè)自由度波動(dòng)情況與EWEC-ON 狀態(tài)下相差不大，主要是EWEC-OFF，κ=1.0 時(shí)橫搖波動(dòng)減小約5%。由圖5 可知，雖然EWEC-ON 狀態(tài)下TLP-EWEC 的縱搖有所惡化，但仍為小量，對(duì)平臺(tái)生產(chǎn)活動(dòng)的影響很小。值得注意的是，EWEC-ON 狀態(tài)下縱蕩和縱搖位移波動(dòng)的加劇，對(duì)于系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)的疲勞壽命有不利影響。

圖7 TLP-EWEC和ISSC-TLP六自由度響應(yīng)比較Fig.7 Comparison of 6 DOFs response of ISSC-TLP and TLP-EWEC

從速度峰值和速度標(biāo)準(zhǔn)差上看，TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)性能與ISSC-TLP 相比更為優(yōu)秀。考慮的三種狀態(tài)下，TLP-EWEC 的縱蕩速度峰值和橫蕩速度峰值比ISSC-TLP 分別減小約11%和14%。EWECOFF 狀態(tài)對(duì)TLP-EWEC 的橫搖和縱搖速度峰值有非常明顯的抑制效果，約39%和22%。同樣地，EWEC-OFF 狀態(tài)對(duì)TLP-EWEC 的橫搖和縱搖速度波動(dòng)也有非常明顯的抑制效果，約45%和20%。此時(shí)，κ=1.00比κ=0.00對(duì)橫搖和縱搖速度峰值和波動(dòng)程度的抑制會(huì)更強(qiáng)。值得注意的是，EWEC-OFF，κ=0.00可能會(huì)加劇垂蕩速度的波動(dòng)約10%。實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)避免EWEC-OFF，κ=0.00狀態(tài)。

基于以上分析可知：TLP-EWEC 的內(nèi)嵌振蕩液柱在工作海況中能產(chǎn)生振蕩流動(dòng)，液柱兩端液面起伏能夠造成氣室的有效振蕩，通過(guò)威爾斯渦輪能夠轉(zhuǎn)換為電能；與ISSC-TLP相比，TLP-EWEC 的位移峰值除縱搖外均被抑制，所有自由度的速度峰值均被抑制；在運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)情況上，TLP-EWEC 的縱蕩位移和縱搖角度波動(dòng)有所惡化，EWEC-OFF，κ=0.00 狀態(tài)會(huì)引起垂蕩速度波動(dòng)的惡化?？傮w來(lái)看，TLP-EWEC 能在EWEC 不同啟閉狀態(tài)中保持較好的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性，能夠保證油氣生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行，與ISSC-TLP 相比具有一定優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也應(yīng)注意，在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)避免對(duì)TLP-EWEC 運(yùn)動(dòng)不利的狀態(tài)。

3.2 不同節(jié)流孔板開孔率的影響

本節(jié)計(jì)算了工作海況中開孔率κ=0.00、0.10、0.40 和0.70 下TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。探究不同開孔率的影響，實(shí)質(zhì)是探究振蕩液柱阻尼的影響。圖8 為EWEC-ON 和EWEC-OFF 兩種狀態(tài)下不同節(jié)流孔板開孔率時(shí)TLP-EWEC 六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。參照的數(shù)據(jù)為3.1節(jié)中EWEC-ON，κ=1.00的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖8 不同開孔率對(duì)TLP-EWEC響應(yīng)的影響Fig.8 Effects of different orifice ratios on the responses of TLP-EWEC

由圖8可以看出，EWEC-ON 和EWEC-OFF 兩種狀態(tài)下，節(jié)流孔板開孔率對(duì)TLP-EWEC 六自由度位移峰值及位移標(biāo)準(zhǔn)差影響范圍為-7%～+3%，速度峰值及速度均方差影響范圍為-42%～+9%?？梢?jiàn)，調(diào)小節(jié)流孔板開孔率基本上呈現(xiàn)抑制效果，個(gè)別自由度可能出現(xiàn)加劇效果，但加劇程度十分有限。由圖8（a）可知：對(duì)于位移，κ=0.00 的情況下橫蕩位移峰值及其標(biāo)準(zhǔn)差分別減小7%和2.5%左右；κ=0.10的情況下橫搖位移峰值則會(huì)增大約2%，但橫搖位移標(biāo)準(zhǔn)差減小約4%。對(duì)于速度，κ=0.00的情況下橫搖速度和縱搖速度減小明顯，分別為38%和19%；對(duì)應(yīng)的兩個(gè)速度標(biāo)準(zhǔn)差分別減少42%和10%。κ=0.10時(shí)，橫搖速度及其標(biāo)準(zhǔn)差也被有效抑制，分別減少約21%和41%。應(yīng)該注意的是，κ=0.00情況下，垂蕩速度標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)加劇約10%，這容易引起系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)的疲勞，對(duì)于平臺(tái)的生產(chǎn)活動(dòng)是不利的。由圖8（b）中EWEC-OFF 狀態(tài)的結(jié)果可知：對(duì)于位移，調(diào)小節(jié)流孔板開孔率能夠抑制TLP-EWEC所有自由度的位移峰值，但會(huì)加劇垂蕩位移的波動(dòng)，可能會(huì)輕微加劇艏搖位移的波動(dòng)。與EWECON，κ=1.00 的結(jié)果相比，κ=0.00 的情況下橫蕩位移峰值減小7%左右，垂蕩和艏搖位移標(biāo)準(zhǔn)差分別加劇約1.5%和1%；κ=0.40 和0.70 的情況下垂蕩位移峰值則會(huì)增大約2%左右。對(duì)于速度，調(diào)小節(jié)流孔板開孔率能夠非常有效地抑制TLP-EWEC 橫搖、縱搖和艏搖的速度峰值及波動(dòng)程度，對(duì)于縱蕩、橫蕩和垂蕩速度峰值及波動(dòng)程度則影響較小。其中，三個(gè)水平位移的速度峰值可能出現(xiàn)惡化，但范圍小于2%；κ=0.00情況下垂蕩速度波動(dòng)加劇約10%，同樣也是不利的情況，應(yīng)注意避免。

另外，由公式（16）可知，振蕩液柱水頭損失與開孔率呈反比例關(guān)系。當(dāng)開孔率接近零時(shí)，水頭損失將急劇增大。如上所述，節(jié)流孔板開孔率從1.00減小到0.10時(shí)，TLP-EWEC 各個(gè)自由度的響應(yīng)變化不明顯，而當(dāng)節(jié)流孔板開孔率從0.10減小到0.00時(shí)，響應(yīng)變化才會(huì)出現(xiàn)較明顯的變化。從發(fā)電效率來(lái)看，EWEC-ON 狀態(tài)下減小節(jié)流孔板開孔率會(huì)降低振蕩液柱內(nèi)流體流速，進(jìn)而降低發(fā)電效率?？偟膩?lái)看，節(jié)流孔板開孔率的減小對(duì)TLP-EWEC垂蕩運(yùn)動(dòng)有較明顯的不利影響，但對(duì)其他自由度運(yùn)動(dòng)基本呈現(xiàn)抑制狀態(tài)。在實(shí)際操作過(guò)程中，在不影響平臺(tái)油氣生產(chǎn)作業(yè)的前提下，可以保持節(jié)流孔板κ=1.0，既能保證振蕩液柱流動(dòng)強(qiáng)度，也能避免節(jié)流孔板開孔率變化對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)的不利影響。

3.3 不同氣室高度的影響

本節(jié)計(jì)算了工作海況中，氣室高度ha=5.00、10.00、15.00 和20.00 下TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。圖9為EWEC-ON 和EWEC-OFF 兩種狀態(tài)不同氣室高度時(shí)TLP-EWEC 六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。參照的數(shù)據(jù)為3.1節(jié)中EWEC-ON，κ=1.00的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖9 不同氣室高度對(duì)TLP-EWEC響應(yīng)的影響Fig.9 Effects of different air chamber heights on the responses of TLP-EWEC

由圖9（b）可以看出，EWEC-OFF 狀態(tài)下氣室高度對(duì)TLP-EWEC 各個(gè)自由度響應(yīng)峰值和均方差影響很小。通過(guò)對(duì)比圖9（a）～（b）可以知道，氣室高度變化對(duì)EWEC-ON 狀態(tài)的影響比EWEC-OFF 狀態(tài)的影響大。當(dāng)氣流通道打開，渦輪運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能更為復(fù)雜。

由圖9可以看出，EWEC-ON 和EWEC-OFF 兩種狀態(tài)下，不同氣室高度對(duì)TLP-EWEC 六自由度位移峰值及位移標(biāo)準(zhǔn)差影響范圍為-6%～+12%，速度峰值及速度均方差影響范圍為-38%～+15%。由圖9（a）可知：EWEC-ON 狀態(tài)下，氣室高度對(duì)TLP-EWEC 橫搖、縱搖的響應(yīng)峰值和均方差影響較明顯，而對(duì)其他自由度影響較小。對(duì)于橫搖，位移峰值和標(biāo)準(zhǔn)差在ha=5.00 m 時(shí)均減小3%左右，速度峰值和標(biāo)準(zhǔn)差則減小約17%和29%。當(dāng)氣室高度增大時(shí)，抑制效果消失，橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)加劇。ha=20.00 m 時(shí)橫搖位移峰值和標(biāo)準(zhǔn)差增大約12%和2%，速度峰值和標(biāo)準(zhǔn)差則增大6%和0%。對(duì)于縱搖，位移峰值在ha=15.00 m時(shí)有較明顯的減小，位移標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)氣室高度不敏感?？v搖速度峰值和標(biāo)準(zhǔn)差隨氣室高度增大先減后增。ha=10.00 m 和ha=20.00 m 時(shí)縱搖速度峰值分別減小約4%和增大8%，速度標(biāo)準(zhǔn)差分別變化0%和+18%。應(yīng)該注意的是，張力腿平臺(tái)的橫搖和縱搖響應(yīng)幅值是微小量，上述的加劇情況并不會(huì)導(dǎo)致橫搖和縱搖響應(yīng)跨量級(jí)增長(zhǎng)，仍然為小量，不會(huì)對(duì)張力腿平臺(tái)的生產(chǎn)活動(dòng)造成影響，如圖5所示。由圖9（b）可知：在EWEC-OFF 狀態(tài)下，氣室高度的變化對(duì)位移峰值呈現(xiàn)5%范圍內(nèi)的抑制效果，對(duì)垂蕩位移標(biāo)準(zhǔn)差則有2%左右的加劇效果。對(duì)于速度，氣室高度增大會(huì)略微減小縱搖峰值的增大，對(duì)其他自由度的影響則很小。

對(duì)比圖9（a)和9（b),在EWEC-OFF 狀態(tài)下，改變氣室高度對(duì)TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)影響好于EWECON 狀態(tài)。如3.1 節(jié)中圖6 所示，EWEC-ON 狀態(tài)與EWEC-OFF 狀態(tài)相比，氣室壓力幅值小，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的阻尼作用小。根據(jù)公式（26）和（28）可知，氣室內(nèi)部壓力變化速率與氣室體積呈非線性關(guān)系。一般地，增大氣室高度在一定程度上會(huì)增大振蕩液柱內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)幅值，但會(huì)降低氣室壓力幅值和波動(dòng)程度，對(duì)發(fā)電效率的提升不利。根據(jù)式（17）可見(jiàn)，氣室壓力幅值降低將減弱氣室-渦輪對(duì)平臺(tái)本體的作用合力和合力矩?？偟膩?lái)看，EWEC-ON 狀態(tài)下氣室高度的增加可能引起TLP-EWEC 橫搖和縱搖的惡化，但其幅值一直處于小量級(jí)狀態(tài)，對(duì)平臺(tái)的油氣生產(chǎn)作業(yè)影響十分有限；EWEC-OFF 狀態(tài)下氣室高度增大也會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)波動(dòng)，但是總體上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)氣室高度變化不敏感。在實(shí)際操作過(guò)程中，在避免氣室-渦輪浸沒(méi)的前提下，保持較小氣室高度，既能提升發(fā)電效率，也能避免較大氣室高度對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的不利影響。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)兼具發(fā)電功能的TLP-EWEC 系統(tǒng)，建立了多體動(dòng)力學(xué)方程并開展了工作海況中動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值仿真分析，研究了發(fā)電系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力穩(wěn)定性，評(píng)估了其水動(dòng)力響應(yīng)是否滿足油氣生產(chǎn)作業(yè)條件。通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

（1）工作海況中，TLP-EWEC 的內(nèi)嵌振蕩液柱能產(chǎn)生有效的振蕩流動(dòng)，液柱兩端液面起伏能夠造成氣室的有效振蕩，通過(guò)威爾斯渦輪能夠?qū)⑼鶑?fù)流動(dòng)的氣流機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

（2）在發(fā)電系統(tǒng)不同啟閉狀態(tài)中，TLP-EWEC 具有較好的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性，能夠保證油氣生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行，與ISSC-TLP 相比具有一定優(yōu)勢(shì)。工作海況中，TLP-EWEC 的運(yùn)動(dòng)峰值除縱搖外均被抑制，所有自由度的速度峰值均被抑制，但縱蕩位移和縱搖角度波動(dòng)有所惡化，而且節(jié)流孔板關(guān)閉會(huì)引起垂蕩速度波動(dòng)的惡化。

（3）節(jié)流孔板開孔率的減小對(duì)TLP-EWEC 垂蕩運(yùn)動(dòng)有較明顯的不利影響，但對(duì)其他自由度運(yùn)動(dòng)基本呈現(xiàn)抑制狀態(tài)，建議TLP-EWEC運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持節(jié)流孔板完全打開。

（4）發(fā)電系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，氣室高度的增加可能引起TLP-EWEC 橫搖和縱搖的惡化，但其幅值一直處于小量級(jí)狀態(tài)；發(fā)電系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下，氣室高度增大也會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)波動(dòng)，但是總體上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)氣室高度變化不敏感。