三邊型兆瓦級(jí)波浪能裝置錨泊系統(tǒng)動(dòng)力特性分析

收稿日期：2022-02-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB1504403）；中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（GDKJXM20201976）

通信作者：黃 正（1988—），男，博士、高級(jí)工程師，主要從事新能源發(fā)電和結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)等方面的研究。zhhuang8831@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0199 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0030-09

摘 要：采用ANSYS-AQWA軟件建立三邊型兆瓦級(jí)波浪能裝置及其錨泊系統(tǒng)分析模型，計(jì)算正常完整狀態(tài)和錨泊線斷裂1根狀態(tài)下裝置和錨鏈的動(dòng)力特性，分析聚酯纜繩的剛度、環(huán)境入射角及平臺(tái)錨鏈的出鏈長(zhǎng)度對(duì)錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)的影響。結(jié)果表明：錨泊系統(tǒng)的最大張力受聚酯纜繩動(dòng)態(tài)剛度的影響顯著；當(dāng)采用錨泊線初始構(gòu)成方案時(shí)，對(duì)于部分環(huán)境入射角，錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但通過(guò)調(diào)整平臺(tái)錨鏈的出鏈長(zhǎng)度，使得在正常完整狀態(tài)和有1根錨泊線斷裂狀態(tài)下均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。最后，根據(jù)計(jì)算分析對(duì)工程上的布置設(shè)計(jì)提出建議，從而在保證錨泊系統(tǒng)可靠性的同時(shí)提高整體工程的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：波浪能轉(zhuǎn)換；半潛平臺(tái)；水動(dòng)力學(xué)；聚酯纜；系泊鏈；失效

中圖分類(lèi)號(hào)：O353" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

波浪能裝置長(zhǎng)期工作在海上，極有可能遭遇極端惡劣海況，安全可靠的錨泊系統(tǒng)可確保裝置不發(fā)生大距離漂移，避免危及周邊島礁或其他海上結(jié)構(gòu)物，因此分析與掌握兆瓦級(jí)波浪能裝置（megawatt wave energy converter，MWEC）錨泊系統(tǒng)的特性具有重要意義。國(guó)內(nèi)外針對(duì)多種型式的波浪能裝置開(kāi)展了理論、仿真、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用［1-4］。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所采用鷹式浮子設(shè)計(jì)了系列波浪能裝置，如鷹式一號(hào)［5］、鷹式二號(hào)［6］，這些裝置采用一基多體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證［7］和實(shí)海況試驗(yàn)［8］。然而，這些研究更關(guān)注裝置的發(fā)電效率，鮮有對(duì)極端海況下淺水域錨泊系統(tǒng)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［9-10］研究了超淺水波浪能裝置錨泊系統(tǒng)的性能并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，采用含高彈性索的彈性系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，安全系數(shù)為1.0，且無(wú)冗余設(shè)計(jì)，但相關(guān)方案無(wú)法直接用于工程。在浮式風(fēng)力機(jī)相關(guān)研究中，研究者們對(duì)錨泊系統(tǒng)在極端海況或故障工況下的安全性開(kāi)展了研究，錨泊線一般采用全錨鏈［11］、鋼鏈與鋼纜復(fù)合形式［12］、鋼鏈與聚酯纖維纜復(fù)合形式［13］等，且含聚酯纜繩的組合錨泊系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于深遠(yuǎn)海［14］。

不同于早期鷹式波浪能裝置結(jié)構(gòu)形式，兆瓦級(jí)波浪能裝置采用三邊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由3個(gè)立柱（艏部、左舷和右舷）以及連接立柱和浮子的橫撐、壓載艙等部件組成，在艏部與左舷、艏部與右舷之間各布置5個(gè)鷹式吸波浮體。盡管與OC4 DeepCWind半潛式浮式風(fēng)力機(jī)［15］一樣，是三角形結(jié)構(gòu)型式，但由于在立柱之間安裝了吸波浮體，波浪能裝置的濕表面積占比更大，其與錨泊系統(tǒng)耦合后的水動(dòng)力學(xué)特性有必要進(jìn)行研究。本文針對(duì)三邊型兆瓦級(jí)波浪能裝置，基于ANSYS-AQWA水動(dòng)力學(xué)軟件，建立其與錨泊系統(tǒng)的耦合分析模型，計(jì)算在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用下的時(shí)頻域響應(yīng)，分析在給定條件下裝置和錨泊系統(tǒng)的安全性及影響因素，對(duì)該裝置錨泊系統(tǒng)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)提出一些建議，以期為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 波浪能裝置的參數(shù)和特性

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文研究的兆瓦級(jí)波浪能裝置主要參數(shù)為：總長(zhǎng)80 m，總寬88 m，船體長(zhǎng)度71.35 m，主甲板型深4 m，頂甲板型深[27 m]，導(dǎo)纜孔高度為9.5 m，繞[X、Y]和[Z]軸的回轉(zhuǎn)半徑分別為22.82、23.52、31.71 m，抗臺(tái)風(fēng)下潛時(shí)吃水為16.5 m，重心高度為5.51 m，設(shè)計(jì)工作水深為40 m，排水量為20679 t。

1.2 計(jì)算模型

本文在ANSYS-AQWA軟件中建立兆瓦級(jí)波浪能裝置數(shù)值計(jì)算模型，坐標(biāo)原點(diǎn)在裝置的質(zhì)心處，如圖1所示，研究裝置在不同海況下的動(dòng)力特性。模型共有24726個(gè)節(jié)點(diǎn)和25421個(gè)單元，其中有16951個(gè)輻射節(jié)點(diǎn)和16971個(gè)輻射單元，最大允許頻率為2.75 rad/s。

1.3 波浪能裝置的水動(dòng)力特性

1.3.1 靜水特性及附加阻尼

兆瓦級(jí)波浪能裝置的靜水特性參數(shù)見(jiàn)表1，ANSYS-AQWA水動(dòng)力學(xué)計(jì)算基于勢(shì)流理論，未考慮流體黏性作用，使得在各自由度上的響應(yīng)幅值算子（response amplitude operator，RAO）曲線出現(xiàn)較大的峰值，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)域分析通常會(huì)導(dǎo)致較大誤差。為此，一般通過(guò)添加人工阻尼的方式來(lái)考慮黏性阻尼的影響。參考BV NR 493規(guī)范，黏性阻尼計(jì)算公式為：

[B=λ?2（M+ΔM）K] （1）

式中：[λ]——臨界阻尼系數(shù)；[M]和[ΔM]——裝置的質(zhì)量矩陣和附加質(zhì)量矩陣；[K]——靜水剛度矩陣。

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2021）》，無(wú)相關(guān)資料時(shí)，可取5%～10%臨界阻尼。本文采用阻尼系數(shù)[λ=0.05]，對(duì)裝置的垂蕩、橫搖和縱搖自由度的黏性阻尼進(jìn)行修正。

1.3.2 響應(yīng)幅值算子

如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)在重心處，[X]由裝置內(nèi)部指向艏部。計(jì)算入射角為0°～180°內(nèi)等間隔的13個(gè)方向、頻率分布在0.1～2.5 rad/s內(nèi)裝置的水動(dòng)力特性，如圖2所示。從圖2可知，垂蕩RAO曲線在0.2 rad/s附近存在峰值；橫搖和縱搖RAO曲線在0.7 rad/s附近存在主峰值，在0.2 rad/s附近存在次峰值；而艏搖RAO曲線的峰值在0.9 rad/s附近。

1.3.3 附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)

波浪能裝置的附加質(zhì)量和輻射阻尼分別如圖3所示。從圖3可看出，橫蕩和縱蕩附加質(zhì)量隨入射波浪頻率的變化并不明顯；垂蕩附加質(zhì)量在0.5、0.9 rad/s附近出現(xiàn)兩個(gè)峰值，但與垂蕩RAO曲線的峰值頻率不同；橫搖和縱搖附加質(zhì)量峰值在0.6 rad/s附近；垂蕩輻射阻尼在0.6、0.9 rad/s出現(xiàn)兩

個(gè)峰值，也與垂蕩RAO曲線的峰值頻率不同；橫搖和縱搖輻射阻尼在0.7 rad/s附近出現(xiàn)峰值，與橫搖和縱搖RAO曲線主峰值一致，但與次峰值不同，故橫搖和縱搖在入射波頻率接近次峰值時(shí)響應(yīng)會(huì)較大，而次峰值對(duì)應(yīng)頻率與惡劣海況峰值頻率比較接近，這對(duì)裝置抗臺(tái)風(fēng)來(lái)說(shuō)存在一定不利影響。

2 錨泊系統(tǒng)的參數(shù)及布置

本文根據(jù)海洋平臺(tái)相關(guān)規(guī)范，研究在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷譜以及錨泊系統(tǒng)耦合作用下，兆瓦級(jí)波浪能裝置及錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性。波浪能裝置采用6根等長(zhǎng)的錨泊線對(duì)稱(chēng)布置，如圖4所示，錨泊線共3組，每組兩根，組間夾角120°，組內(nèi)夾角10°，錨泊系統(tǒng)導(dǎo)纜孔和錨點(diǎn)（底部錨鏈與沉箱連接點(diǎn)）的坐標(biāo)如表2所示，參考文獻(xiàn)［16-17］，錨泊線各分段的參數(shù)見(jiàn)表3。

3 波浪能裝置錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性

3.1 典型海況

本文主要計(jì)算表4中的3種海況。考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用，對(duì)裝置和錨泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析，選用API風(fēng)譜，波浪譜為JONSWAP譜，譜峰因子[γ=3.3]，模擬時(shí)長(zhǎng)3 h。

3.2 正常完整狀態(tài)的響應(yīng)

3.2.1 錨泊線各分段張力比較

波浪能裝置錨泊系統(tǒng)由多種規(guī)格的錨鏈和聚酯纜繩組合而成，這里以工況2為例，計(jì)算同一錨泊線各分段的張力差異情況。圖5給出了錨泊線L1各分段在800～1000 s的張力時(shí)程，當(dāng)錨泊線的張力水平較高時(shí)，例如在882.8 s時(shí)張力約為3.0 MN，此時(shí)錨泊線各段的張力非常接近。因此，如果

采用整條錨泊線的最大張力與錨泊線最小破斷張力（minimum break strength，MBS）進(jìn)行比較計(jì)算安全系數(shù)將會(huì)得到偏保守的計(jì)算結(jié)果。這也是后續(xù)分析采用的評(píng)價(jià)方法。

3.2.2 聚酯纜繩剛度取值的影響

聚酯纜繩剛度一般為最小破斷張力的[n]倍［14］。這里在8～28范圍內(nèi)取值，以工況2為例，入射角為0°，考察聚酯纜繩剛度取值對(duì)各錨泊線的最大張力的影響。從圖6可看出，隨著聚酯纜繩剛度的增加，各錨泊線的最大張力也增大，尤其是主要受力錨泊線（例如本例中L1和L2錨泊線）受聚酯纜繩剛度的影響顯著，因此必須合理選取聚酯纜繩剛度。

不同于海上油氣平臺(tái)對(duì)漂移量限制較高，波浪能裝置利用聚酯纜繩低剛度性質(zhì)，減小錨泊系統(tǒng)最大張力，從而降低錨泊系統(tǒng)成本。浙江四兄繩業(yè)有限公司按照ABS規(guī)范對(duì)規(guī)格為274 mm的聚酯纜繩進(jìn)行測(cè)試，動(dòng)態(tài)剛度（Krd）結(jié)果如表5所示，根據(jù)廠家意見(jiàn)，該測(cè)試數(shù)據(jù)可用于其生產(chǎn)的其他規(guī)格聚酯纜繩。

Francois等［18］通過(guò)模型試驗(yàn)指出在隨機(jī)載荷作用下，平均張力是影響動(dòng)剛度值的最主要因素?？紤]到API RP 2SK規(guī)范［19］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范）要求完整狀態(tài)時(shí)安全系數(shù)為1.67，破損狀態(tài)時(shí)安全系數(shù)為1.25，平均張力應(yīng)遠(yuǎn)小于60%，不妨將聚酯纜繩剛度取24 MBS進(jìn)行計(jì)算。

3.2.3 錨泊線的響應(yīng)

考慮惡劣海況，即工況3，計(jì)算在各環(huán)境入射角下錨泊線動(dòng)張力的最大值和最小安全系數(shù)，結(jié)果列在表6中。當(dāng)入射角為45°、60°、75°、90°、150°、165°和180°時(shí)，錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。在保持錨泊線各分段規(guī)格不變的情況下，能否做到滿足規(guī)范要求將在3.2.4節(jié)中通過(guò)調(diào)整出鏈長(zhǎng)度來(lái)解決。

3.2.4 調(diào)整出鏈長(zhǎng)度對(duì)張力的影響

本節(jié)以安全系數(shù)最小的兩個(gè)入射角165°和180°為例，在保持規(guī)格不變的情況下，將考慮通過(guò)調(diào)整出鏈長(zhǎng)度的方式，考察錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)能否滿足規(guī)范要求。由于調(diào)整出鏈長(zhǎng)度是由安裝在波浪能裝置上的錨機(jī)完成的，因此調(diào)整平臺(tái)錨鏈長(zhǎng)度。在前文計(jì)算中，平臺(tái)錨鏈長(zhǎng)度為30 m，現(xiàn)

在每隔3 m將平臺(tái)錨鏈長(zhǎng)度從30 m逐步增至51 m，錨泊線的初始張力、裝置的漂移量和錨泊線的最大張力變化情況如圖7、圖8所示。錨泊線的最大張力隨平臺(tái)錨鏈長(zhǎng)度的變化在出鏈長(zhǎng)度為48 m時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)錨泊線的初始張力也出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明平臺(tái)錨鏈最低點(diǎn)由平臺(tái)錨鏈與聚酯纜繩連接處轉(zhuǎn)移到平臺(tái)錨鏈的內(nèi)部。

從圖8可看出，當(dāng)入射角為180°、出鏈長(zhǎng)度為48 m時(shí)，錨泊線L2的最大張力為4.604 MN，故最小安全系數(shù)（1.612）仍不滿足規(guī)范要求。但是，注意到在30～48 m內(nèi)，對(duì)于同樣的聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度值（24 MBS），隨著出鏈長(zhǎng)度的增加，各錨泊線的張力最大值減小。這意味著聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度也會(huì)降低。為此，以各錨泊線張力響應(yīng)的最小周期（約25 s）

為統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔，將出鏈長(zhǎng)度為48 m時(shí)張力的平均值繪制在圖9中。從圖9可看到，張力平均值一般小于20% MBS，根據(jù)表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)，聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度值應(yīng)在22～23 MBS范圍內(nèi)。

接下來(lái)，在入射角為180°、平臺(tái)錨鏈出鏈長(zhǎng)度為48 m的條件下，調(diào)整聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度值取22 MBS時(shí)，計(jì)算得到各錨泊線的張力時(shí)程如圖10所示，錨泊系統(tǒng)的最大張力為4.261 MN，故最小安全系數(shù)（1.742）滿足規(guī)范要求。當(dāng)聚酯纜繩的動(dòng)態(tài)剛度值取23 MBS時(shí)，計(jì)算得到各錨泊線的張力時(shí)程如圖11所示，錨泊系統(tǒng)的最大張力為4.366 MN，故最小安全系數(shù)（1.700）滿足規(guī)范要求。

綜上，在保持錨泊線各段規(guī)格不變的情況下，通過(guò)調(diào)整出鏈長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.3 錨泊線斷裂1根后的響應(yīng)

考慮惡劣海況，即工況3，計(jì)算在各環(huán)境入射角下相應(yīng)的表6中最大張力錨鏈編號(hào)的錨泊線斷裂1根后，剩余錨泊線動(dòng)張力的最大值和最小安全系數(shù)，結(jié)果列在表7中，其中入射角為45°、60°、75°、165°和180°時(shí)，平臺(tái)錨鏈出鏈長(zhǎng)度為45 m，其他入射角時(shí)平臺(tái)錨鏈出鏈長(zhǎng)度為30 m。因此，在不改變錨泊系統(tǒng)各段規(guī)格條件下，通過(guò)調(diào)整平臺(tái)錨鏈出鏈長(zhǎng)度，錨泊系統(tǒng)方案仍可滿足安全要求。

4 結(jié) 論

本文采用ANSYS-AQWA軟件，基于勢(shì)流理論并添加黏性阻尼，針對(duì)三邊型波浪能裝置，在給定的錨泊系統(tǒng)布置方案和海況條件下，研究在正常完整狀態(tài)和有1根錨泊線斷裂狀態(tài)下裝置和錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，所獲得的主要結(jié)論如下：

1）對(duì)于采用聚酯纜繩的錨泊系統(tǒng)，在環(huán)境載荷和錨泊系統(tǒng)布置相同的情況下，錨泊系統(tǒng)的最大張力受聚酯纜繩動(dòng)態(tài)剛度的影響顯著，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以詳細(xì)考慮。

2）采用表3給出的布置方案，在正常完整狀態(tài)和有1根錨泊線斷裂狀態(tài)下，對(duì)于部分環(huán)境入射角，錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，此時(shí)最危險(xiǎn)錨泊線與環(huán)境入射角方向基本相同。

3）通過(guò)調(diào)整平臺(tái)錨鏈的出鏈長(zhǎng)度，可在不改變表3給出的錨泊線各分段規(guī)格的前提下，使錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)在正常完整狀態(tài)和有1根錨泊線斷裂狀態(tài)下均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

最后，需指出的是從波浪能裝置提高發(fā)電效率的角度考慮，一般盡量將艏部與左舷或艏部與右舷之間的鷹式吸波浮體布置到強(qiáng)浪向，而不是錨泊線沿著強(qiáng)浪向布置，這在一定程度上有利于進(jìn)一步提升表3布置方案的安全系數(shù)。因此，在實(shí)際工程中使用的錨泊系統(tǒng)方案，還可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但注意應(yīng)結(jié)合投放海域的底質(zhì)條件選取相關(guān)參數(shù)。在工程應(yīng)用前，項(xiàng)目組還將在本文研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保實(shí)際工程運(yùn)行的可靠性。

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DYNAMIC ANALYSIS OF MOORING SYSTEM OF TRILATERAL

TYPE MEGAWATT WAVE ENERGY DEVICE

Huang Zheng1-3，Nie Ming1-3，Li Mingjun1，Duan Xinhui1，Liu Xiaolu1-3，Luo Xiaoyu1-3

（1. Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510600， China；

2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510080， China；

3. Guangdong Key Laboratory of Electric Power Equipment Reliability， Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510080， China）

Abstract：The analysis model of the trilateral type megawatt wave energy converter （MWEC） and its mooring system was established by using the ANSYS-AQWA software. The dynamic characteristics of the MWEC and mooring lines were calculated under normal intact state and one of mooring lines broken state， and the effects of the stiffness of polyester rope， environmental incident angle， and the length of platform chain on the minimum safety factor of the mooring system were analyzed. The numerical results show that the maximum tension of mooring system is significantly affected by the dynamic stiffness of the polyester rope. When the initial composition of mooring line is adopted， the minimum safety factor of the mooring system does not meet the requirements of the API RP 2SK code for some environmental incident angles. However， by adjusting the length of the platform chain， it can meet the requirements of the API RP 2SK code both in the normal intact state and in the broken state of one anchor line. Finally， according to the calculation and analysis， some suggestions are put forward for engineering design， so as to ensure the reliability of the mooring system and improve the economy of the whole project.

Keywords：wave energy conversion； semi-submersible platform； hydrodynamics； polyester rope； mooring cables； failure