一種點陣式海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水動力穩(wěn)性研究

朱江峰 曹宇光 趙前坤 李 磊

1.中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院,青島,2665802.山東海洋工程裝備研究院有限公司,青島,266555

0 引言

隨著海上風(fēng)電大功率化和深遠海發(fā)展趨勢,多風(fēng)機共享平臺一體化概念被逐漸提出。LIU等[1]提出了三臺風(fēng)電機組的半潛式整體基礎(chǔ)的概念,得出了水動力響應(yīng)規(guī)律和作業(yè)工況適應(yīng)性。VAHID等[2]在2020年建立了可滿足33 kW的風(fēng)能發(fā)電的雙風(fēng)電機組浮式平臺。ZHU等[3]提出一種滿足10 MW發(fā)電功率的雙風(fēng)電機組組合的半潛式三角平臺。ZHANG等[4]提出了六角箱概念,將養(yǎng)魚網(wǎng)箱與三臺60 kW風(fēng)電機組相結(jié)合,但沒有進一步顯示實驗和現(xiàn)場工程應(yīng)用分析的結(jié)果。

多風(fēng)機一體化概念雖然被提出,但關(guān)于新型結(jié)構(gòu)水動力穩(wěn)性和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比并未展開深入研究。在風(fēng)機系統(tǒng)動力響應(yīng)分析方法方面,李垚等[5]總結(jié)了風(fēng)電機組可靠性研究的常用方法和提高風(fēng)電機組可靠性的措施。梁家銘等[6]針對新型網(wǎng)箱水動力分析及系泊方式進行研究,發(fā)現(xiàn)新型網(wǎng)箱在工作海況和極端海況均能滿足安全性要求。劉宇航等[7]對三種海上風(fēng)電機組支撐基礎(chǔ)與船舶碰撞的動力響應(yīng)展開分析,結(jié)果顯示單柱基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組位移和加速度響應(yīng)更加明顯。秦大同等[8]對運行工況下風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)進行機電耦合建模以及動態(tài)特性分析,結(jié)果表明傳動系統(tǒng)在變速變載狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)復(fù)雜。彭春江等[9]對海上浮式風(fēng)電機組剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)進行動力學(xué)建模與分析,結(jié)果表明波高越大,整機耦合程度越高。

本文針對傳統(tǒng)半潛式單風(fēng)機平臺和點陣式多風(fēng)機一體化基礎(chǔ)(DMF)展開分析,明確多風(fēng)機平臺水動力穩(wěn)性響應(yīng)規(guī)律。本研究基于傳統(tǒng)OC4半潛式風(fēng)機和Windfloat平臺結(jié)構(gòu),考慮滿足30 MW級發(fā)電需求,設(shè)計點陣式六邊形風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),并將數(shù)值模擬和水槽實驗進行對比分析。

1 點陣式多邊形浮式基礎(chǔ)參數(shù)

本研究結(jié)構(gòu)方案設(shè)計參考傳統(tǒng)OC4和Windfloat半潛式平臺基礎(chǔ),詳細參數(shù)見圖1和表1。選定風(fēng)機類型均為NREL Baseline 5 MW[10-13],風(fēng)電機組數(shù)量為6個,以點陣式對稱排布,相當(dāng)于點陣式基礎(chǔ)風(fēng)機發(fā)電功率為另外兩種基礎(chǔ)的發(fā)電功率的6倍。點陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳統(tǒng)半潛式浮式基礎(chǔ)的最大不同是浮筒數(shù)量和間距。

表1 浮式結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

圖1 點陣式基礎(chǔ)整體概念

2 理論分析

2.1 載荷計算

由于DMF受環(huán)境載荷影響復(fù)雜,故本文分別考慮風(fēng)浪流載荷進行分析計算。

(1)風(fēng)載荷。風(fēng)載荷對DMF的影響不可忽視。由于本文主要研究風(fēng)載荷對DMF系統(tǒng)穩(wěn)性的影響,因此考慮常規(guī)作業(yè)風(fēng)作用,基于風(fēng)機尾流無旋動量理論[14],同時考慮整體結(jié)構(gòu)縱蕩和縱搖對風(fēng)機氣動載荷耦合響應(yīng),建立風(fēng)機葉片與塔架水平推力和力矩的公式:

(1)

(2)

式中,ρ為空氣密度;vRW為相對風(fēng)速,滿足vRW=vW-vS,vW為實際風(fēng)速;vS為浮式點陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向水平運動速度;CS為形狀系數(shù);CH為高度系數(shù);L為風(fēng)機塔筒高度;A為掃掠面積,正常作業(yè)工況為葉片掃掠圓面積2πr,極端風(fēng)浪載荷工況下葉片為停轉(zhuǎn)狀態(tài);vD為縱蕩和縱搖引起的相對速度與穩(wěn)態(tài)速度偏差[14]。

(2)浪載荷。波頻載荷的計算方法考慮構(gòu)件截面特征尺度D與波長λ比值,當(dāng)D/λ≤0.2時為小尺度構(gòu)件,本研究中網(wǎng)衣、橫撐等效為小尺度構(gòu)件,根據(jù)Morison公式計算小尺度構(gòu)件波頻載荷:

F=FD+FI

(3)

式中,FD為拖曳力,由于傳統(tǒng)Morison公式主要用于計算水動力固定物,本研究中多風(fēng)電機組一體化一體結(jié)構(gòu)為海上漂浮物;FI為慣性力。

當(dāng)D/λ>0.2時為大尺寸構(gòu)件,在波浪作用下,一般承受慣性力和繞流力,用三維勢流理論進行波浪載荷的計算:

(4)

式中,Cdn為法向流阻力系數(shù);α為波浪傾角;Cdt為切向流阻力系數(shù);ρW為液體密度;l為基礎(chǔ)平臺跨度;d梁結(jié)構(gòu)直徑;v0波浪初始速度;v為波速;t為時間;CM為質(zhì)量系數(shù)。

(3)流載荷。流載荷設(shè)置為恒定流速,與時間無關(guān),在海洋工程中它的計算滿足[11]

(5)

式中,CDC為法向流阻力系數(shù);vRC為相對流速,滿足vRC=vC-vS,vC為實際流速。

根據(jù)建立的載荷與運動方程,通過理論計算推導(dǎo)出風(fēng)電機組風(fēng)力載荷,然后直接將載荷施加到軟件模型中進行水動力求解。

2.2 力學(xué)模型

基于點陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的特殊性,結(jié)合傳統(tǒng)OC4半潛式基礎(chǔ),建立兩種浮式基礎(chǔ)的力學(xué)模型。圖2所示為DMF和OC4基礎(chǔ)力學(xué)模型,二者的縱搖運動主要由風(fēng)傾力矩和復(fù)原力矩的變化引起。

圖2 基礎(chǔ)力學(xué)模型

圖2中,DMF的復(fù)原力矩滿足

(6)

式中,i為風(fēng)力機編號;n為風(fēng)力機總量;ρs為海水密度;Si為水線面面積;RDi為水線面與重心的水平距離;θ為整體結(jié)構(gòu)縱搖傾角。

OC4的復(fù)原力矩滿足

(7)

式中,ROi為OC4水線面與重心的水平距離。

由圖2和式(6)、式(7)得,當(dāng)傾角和水線面不變時,復(fù)原力矩與各水線面到重心距離的平方成正比關(guān)系,因此通過改變浮體間距可以實現(xiàn)平方級別提高浮式基礎(chǔ)的復(fù)原力矩。

2.3 運動方程

點陣式一體化結(jié)構(gòu)同時承受風(fēng)浪流等綜合因素影響,因此建立風(fēng)機-浮筒基礎(chǔ)-系泊系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分析模型是十分必要的,而載荷模型應(yīng)該包括空氣動力-水動力的耦合模型[15]。浮體在水中的運動形式可分為搖擺和振蕩漂移兩種,主要受環(huán)境載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力和力矩作用。由于整體結(jié)構(gòu)為剛性連接,為便于分析,首先基于質(zhì)量集中法,將整體結(jié)構(gòu)等效為一個質(zhì)量塊m0,并考慮結(jié)構(gòu)阻尼、慣性和彈性恢復(fù)作用,進行運動方程分析。

浮體搖擺運動方程滿足

(8)

浮體平蕩運動方程滿足

(9)

為統(tǒng)一表征浮體搖蕩運動與環(huán)境作用關(guān)系,基于功能守恒定理,建立點陣式一體結(jié)構(gòu)聯(lián)合運動方程:

Fjyj+Miθi

(10)

考慮系泊系統(tǒng)作用的系泊浮體時域耦合運動方程為

(11)

3 數(shù)值模型

利用有限元水動力分析軟件ANSYS AQWA對基礎(chǔ)的浮筒和撐桿進行水動力模型的構(gòu)建。為簡化計算,設(shè)置點陣式多風(fēng)機系統(tǒng)為剛體結(jié)構(gòu),其中浮筒的特征尺度和波長比大于0.2,為大尺度構(gòu)件,建立面元模型,運用三維勢流理論計算波浪載荷;撐桿的特征長度與波長的比值均小于0.2,為小尺度構(gòu)件,建立Morrison桿元模型,風(fēng)浪流同向,載荷方向為0°。

(1)海況參數(shù)。根據(jù)IEC 61400—1: 2005的規(guī)定[13],風(fēng)電機組極限載荷取決于50年一遇最大10 min平均風(fēng)速和極大3S風(fēng)速。為進一步確保結(jié)構(gòu)的安全性,在選擇極端海況時,選擇100年一遇的南海極端海況,作業(yè)海況則依據(jù)NREL公布的5MW風(fēng)機工作風(fēng)速確定,具體環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 南海環(huán)境參數(shù)

(2)水動力分析模型。DMF浮式基礎(chǔ)坐標依據(jù)右手定則,原點選在水面上,與塔架支撐浮筒中心軸相交,z軸豎直向上且與塔架支撐浮筒的中心軸重合,模型整體關(guān)于x軸對稱。在水平面內(nèi),x軸正向與風(fēng)浪流入射方向的夾角定義為環(huán)境載荷的入射角度β,逆時針旋轉(zhuǎn)為正。選用A36海上鋼材,泊松比為0.3,屈服極限為450 MPa。海面以上為10 m,海面以下為35 m,整體漂浮于海面,采用六點系泊方法,系泊材料選用聚酯纜[16]。

(3)模型建立與網(wǎng)格劃分。利用ANSYS AQWA對基礎(chǔ)的海洋多風(fēng)電機組一體化結(jié)構(gòu)建立水動力模型,網(wǎng)格劃分見圖3?；贏QWA軟件水動力分析建模要求,整體結(jié)構(gòu)采用殼單元;考慮網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不進行單獨建模,網(wǎng)衣承受載荷參照式(3)和式(6)計算得出,直接施加到浮式基礎(chǔ)上;風(fēng)載荷按照式(1)和式(2)計算得出,直接施加到風(fēng)機塔筒頂端,方向與海流載荷一致,為坐標x軸正方向。

圖3 DMF網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 模型可靠性驗證

利用ANSYS AQWA建立OC4和DWF基礎(chǔ)的水動力模型。通過自由衰減運動的數(shù)值模擬分別進行縱搖和橫蕩時域響應(yīng)對比分析,設(shè)置初始傾角為8°,初始水平位移為20 m。該方法不僅可以確定平臺固有頻率等屬性,而且可以驗證數(shù)值求解器在浮式結(jié)構(gòu)物水動力求解問題上的可靠性。自由衰減模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 縱搖衰減結(jié)果

圖5 橫蕩衰減結(jié)果

根據(jù)圖4和圖5中可知,模型的固有周期和衰減幅度的預(yù)報與文獻[17]的浮式風(fēng)機氣動-水動力耦合流場數(shù)值模擬和OC4水池試驗數(shù)據(jù)相吻合,最大誤差小于5%,證明該求解器在計算該浮式風(fēng)機支撐平臺的水動力問題上具有較好的可靠性與較高的精度?；贏QWA軟件得出OC4的縱搖固有周期為26.1 s,與NAEO算法計算的結(jié)果25.8 s和OC4水池試驗得到的26.8 s周期基本一致。

4.2 風(fēng)浪流動力響應(yīng)分析

為明確風(fēng)浪流因素聯(lián)合作用對新型DMF基礎(chǔ)運動穩(wěn)性的影響規(guī)律,開展了風(fēng)浪流工況時域分析。

在風(fēng)浪流載荷下開展DMF運動響應(yīng)分析是最接近實際海洋工況的模擬,本研究重點關(guān)注DMF對復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)性。設(shè)置風(fēng)參數(shù):單風(fēng)機平均氣動載荷為800 kN[10],作用點在風(fēng)機塔筒上,作用高度為水線面基準面以上100 m。設(shè)置浪參數(shù):波高為5.49 m,周期為11.3 s,采用規(guī)則波輸入方式,設(shè)定波流流速為0.39 m/s,流域范圍為全部水深。采用均勻流速輸入方式,方向為x軸正方向,時間步為0.2 s,時長為500 s。DMF和OC4時域仿真分析結(jié)果如圖6所示。

(a)搖擺時域分析結(jié)果

由圖6a可得,常規(guī)作業(yè)工況風(fēng)浪流作用下,DMF和OC4縱搖響應(yīng)幅值均呈周期性波動。其中DMF縱搖幅值為±2°,OC4縱搖幅值為0.5°～8.5°。由圖6b和圖6c得出,DMF的橫蕩響應(yīng)幅值與系泊張緊力幅值明顯高于常規(guī)OC4基礎(chǔ)平臺,主要因為DMF承載6臺風(fēng)電機組的水平風(fēng)力,為OC4的6倍,基于力學(xué)平衡定理,系泊張力也約為OC4張力的6倍。

5 實驗?zāi)Ｐ团c測試

本研究進一步開展了新型點陣式風(fēng)機系統(tǒng)模型樣機加工和波流水槽模擬實驗,通過自有衰減測試和風(fēng)浪流水動力測試來驗證DMF水動力響應(yīng)規(guī)律。為了保證試驗數(shù)據(jù)能夠反映真實的情況,模型應(yīng)與實物的物理性質(zhì)盡可能接近,以水動力主導(dǎo)的水池模型樣機實驗,實驗?zāi)Ｐ图庸けM可能滿足Froude和Reynolds相似。按照縮尺比1∶200進行實驗?zāi)Ｐ偷募庸ぶ谱鳌?/p>

模型樣機加工嚴格按照物理參數(shù)相似比數(shù)據(jù),在保證模型結(jié)構(gòu)密封性的前提下充分考慮結(jié)構(gòu)安全強度問題。模型主體框架材料選用玻璃鋼,可滿足結(jié)構(gòu)尺寸和浮力平衡要求。風(fēng)機和網(wǎng)衣采用聚乙烯材料,整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過砝碼塊配重調(diào)整,從而調(diào)整水線面位置。為對模型的干重以及重心位置嚴格控制,先在水池中平衡再進行實驗。DMF一體化裝置模型如圖7所示。

(a)水槽 (b)實驗?zāi)Ｐ?(c)檢測器

模型實驗研究在中國石油大學(xué)(華東)水動力實驗室拖曳水池中開展。額定作業(yè)工況的參數(shù)設(shè)置為:波高5.49 m,周期11.3 s,風(fēng)速11.4 m/s,流速0.39 m/s。按照相似原則轉(zhuǎn)換得:波高0.027 m,周期0.806 s,風(fēng)速0.81 m/s和流速0.028 m/s。風(fēng)浪流載荷施加方向均為x軸正方向,得到水動力響應(yīng)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 縱搖時域分析結(jié)果

圖9 橫搖時域分析結(jié)果

由于風(fēng)浪流作用下的運動耦合狀態(tài)較為復(fù)雜,額定作業(yè)工況下,水動力運行響應(yīng)中的搖擺角響應(yīng)是衡量海上浮式風(fēng)機發(fā)電的關(guān)鍵,因此重點對縱搖和艏搖響應(yīng)參數(shù)進行測試分析。DMF的縱搖響應(yīng)幅值為2°,OC4的縱搖響應(yīng)幅值為9°,穩(wěn)性提高超過70%;DMF的艏搖響應(yīng)幅值為0.5°,OC4的艏搖響應(yīng)幅值為10°,穩(wěn)性提高超過90%,論證了點陣式風(fēng)電機組一體化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

(1)基于點陣式風(fēng)電機組一體化基礎(chǔ)(DMF)結(jié)構(gòu)的特殊性,建立了考慮水線面和慣性矩的力學(xué)模型。相較于傳統(tǒng)風(fēng)傾力矩穩(wěn)性方程根據(jù)浮心變化規(guī)律確定初穩(wěn)性的方式,DMF穩(wěn)性平衡方程能更直觀地確立浮式結(jié)構(gòu)參數(shù)與縱搖初穩(wěn)性的關(guān)系,提供了便于理論模型與數(shù)值模擬的水動力穩(wěn)性作對比的方法,為新型浮式結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段穩(wěn)性規(guī)律研究提供了參考。

(2)考慮風(fēng)浪流多因素環(huán)境作用,開展了DMF氣動-水動力模擬仿真和實驗測試研究。結(jié)果顯示DMF的縱搖運動穩(wěn)性較傳統(tǒng)OC4具有較大的優(yōu)越性,在不同環(huán)境載荷作用下,DMF的縱搖運動穩(wěn)性較傳統(tǒng)OC4均提高約70%。該結(jié)論同樣論證了本研究中基于水線面和慣性矩的初穩(wěn)性力學(xué)模型的準確性和可行性。

(3)為進一步驗證DMF建立模型準確性和結(jié)構(gòu)自身固有頻率等開展了新型點陣式風(fēng)機系統(tǒng)模型樣機加工和波流水槽模擬實驗,通過自有衰減測試和風(fēng)浪流水動力測試,結(jié)果表明數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合度較高,由于模擬中未考慮水的黏性阻尼和渦流效應(yīng),因此響應(yīng)幅值數(shù)據(jù)略大于實驗結(jié)果,誤差小于5%,不影響結(jié)果準確性驗證。

在風(fēng)電漁業(yè)系統(tǒng)中的可行性研究仍有許多挑戰(zhàn),下一步研究考慮:6臺風(fēng)電機組布置方案優(yōu)化、長期疲勞的影響、海浪撞擊效應(yīng)、極端海況下的有效生存策略以及新組合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。