海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法

摘 要：受設(shè)計工作范圍分工和責(zé)任的制約，風(fēng)電機組設(shè)備廠商和風(fēng)電場建設(shè)單位分別設(shè)計塔筒和導(dǎo)管架，這種分離式設(shè)計通過塔筒底部載荷傳遞并反復(fù)迭代確定結(jié)構(gòu)型式及尺寸。此外，現(xiàn)有的海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架設(shè)計參考海洋石油平臺等規(guī)范，忽略了海上風(fēng)電機組的受力特點。上述兩層原因較大程度上制約了支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，且設(shè)計迭代次數(shù)較多，并無法準(zhǔn)確獲取整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。為解決上述問題，提出基于拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并通過改變塔筒和導(dǎo)管架分界面位置，即擴大拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間進一步提高結(jié)構(gòu)性能。選取NREL 5 MW海上風(fēng)電機組為研究對象，分別對比參考結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)和一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)的固有頻率和不同極限工況下的最大變形。結(jié)果證明了所提出支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法的有效性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電機組；導(dǎo)管架；塔筒；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；拓?fù)鋬?yōu)化；一體化設(shè)計

中圖分類號：TH12 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

根據(jù)水深、環(huán)境等不同，海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)分為固定式和漂浮式兩大類，其中固定式基礎(chǔ)包括重力式、單樁、三腳架、導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)。由基礎(chǔ)和塔筒組成的支撐結(jié)構(gòu)保障了海上風(fēng)電機組安全和正常運行［ 1-2］。除承受上部機組傳遞的風(fēng)載荷、風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的慣性載荷外，海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)還直接承受波浪、海流、海冰、地震等環(huán)境載荷，因此與之相關(guān)的力學(xué)問題成為研究熱點［3-4］。

海上風(fēng)電機組兼具海洋工程結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)和動力設(shè)備結(jié)構(gòu)的工程特征［3］，因此動力響應(yīng)求解是其首要面臨和迫切需要解決的問題。在此方面，Kim 等［5］分析對比了單樁和導(dǎo)管架支撐下的NREL 5 MW 整機的極限載荷；施偉等［6］基于全耦合分析模型，對比了X 型和Z 型導(dǎo)管架支撐的整機載荷結(jié)果異同；針對韓國海域?qū)Ч芗苤蔚暮Ｉ巷L(fēng)電機組，考察了諸多參數(shù)對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律［7］。在實際工程中，風(fēng)電整機廠商和風(fēng)電場工程建設(shè)單位分別設(shè)計塔筒和導(dǎo)管架，受設(shè)計分工和責(zé)任的制約，兩者通過塔底載荷傳遞數(shù)據(jù)，這是典型的分離式設(shè)計方式。與分離式設(shè)計有所不同，Passon 等［8］綜述了海上風(fēng)電機組載荷一體化計算的常見方法；楊陽等［9］采用3 種不同的建模方式考察了地基剛度對整機載荷的影響；基于AQWA 和OpenFAST，采用動態(tài)鏈接庫文件實現(xiàn)風(fēng)電機組和浮體間數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)了氣動-水動-伺服-彈性耦合系統(tǒng)的整機載荷一體化仿真［10］。林毅峰等［11］系統(tǒng)性地分析一體化設(shè)計和分離式設(shè)計的差異，并提出一系列一體化建模、載荷仿真等關(guān)鍵性技術(shù)?？傮w而言，綜合考慮風(fēng)浪流環(huán)境綜合作用、整體結(jié)構(gòu)動態(tài)特性、基礎(chǔ)與樁土相互作用的研究逐漸成熟。

相較于其他型式，導(dǎo)管架兼具較大水深環(huán)境適應(yīng)性強和鋼材用量省等諸多優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，導(dǎo)管架綜合參考陸上風(fēng)電機組和海上石油平臺等結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，但由于風(fēng)電機組的載荷特性、運行特性的特殊性導(dǎo)致其與石油平臺、海上升壓站存在較大的差異。在結(jié)構(gòu)性能方面，張浦陽等［12］考察了現(xiàn)有不同型式的導(dǎo)管架力學(xué)性能，指出X 型結(jié)構(gòu)在抗彎性能方面的優(yōu)越性；田曉潔等［13-14］綜合拓?fù)浜统叽鐑?yōu)化方法，實現(xiàn)了導(dǎo)管架的優(yōu)化設(shè)計；張承婉等［15］考慮導(dǎo)管架所承受外載荷隨自身動態(tài)特性的不同而不同，提出概念設(shè)計階段的優(yōu)化設(shè)計方法；Natarajan 等［16］提出將頻率約束納入到優(yōu)化模型中，優(yōu)化結(jié)果更符合工程實際；Chew 等［17］開展了三腿（threelegged）式導(dǎo)管架研究，通過與NREL 5 MW 機組的四腿結(jié)構(gòu)對比，證明了該類型導(dǎo)管架的可行性，隨后研究考察了風(fēng)浪夾角對導(dǎo)管架力學(xué)性能的影響［18］；朱航等［19］通過仿真分析結(jié)果考察了三腿式導(dǎo)管架與寬淺型吸力筒結(jié)構(gòu)設(shè)計在較深海域的可行性。

自支撐結(jié)構(gòu)一體化概念提出以來，全球海洋工程設(shè)計及認(rèn)證商DNV-GL 發(fā)布了海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［20］。國際能源署主持完成了海上風(fēng)電比較和合作（Offshore CodeComparison Collaboration 3、 4、 5 phase）系列項目。結(jié)合中國風(fēng)電行業(yè)的實際情況，大多數(shù)研究集中在海上風(fēng)電機組的載荷一體化仿真方面，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計參考海洋平臺等成熟行業(yè)設(shè)計規(guī)范，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計-結(jié)構(gòu)校核的反復(fù)迭代過程完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文將針對海上風(fēng)電機組受力特點，基于拓?fù)鋬?yōu)化方法實現(xiàn)導(dǎo)管架的概念設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，將導(dǎo)管架和塔筒設(shè)計空間視為一個整體設(shè)計域，提出支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法，以充分挖掘其力學(xué)性能的潛力。通過對比一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)與參考結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)性能，闡述支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法的優(yōu)勢。

1 基于拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)管架設(shè)計方法

1.1 多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化列式

采用變密度法實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，假設(shè)設(shè)計域離散為N 個有限單元，每個單元賦予在0～1 之間變化的偽密度值ρe （e =1，2，...，N ）。ρe =0 或1 分別表征單元的無和有。海上風(fēng)電機組設(shè)計工況分為8 類，這些運行狀態(tài)與不同風(fēng)浪流、水位等環(huán)境和外部電網(wǎng)條件組合，可確定完整的設(shè)計工況［11］。所涉及工況數(shù)以千為數(shù)量，將大幅增加對應(yīng)的有限元分析工況數(shù)量。根據(jù)導(dǎo)管架受力特點，這里主要考慮水平推力Fx 和頂部彎矩My 的作用，形成工況1 和工況2。基于兩種工況的加權(quán)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化模型為：

式中：ω—— 權(quán)因子，用于調(diào)整工況1 和2 權(quán)值；c1 和c2——工況1 和2 的柔順度值；cˉ1 和cˉ2——初始結(jié)構(gòu)在工況1 和2 下柔順度值，實現(xiàn)兩個獨立工況下柔順度數(shù)值歸一化；V 和Vˉ——優(yōu)化結(jié)構(gòu)體積和設(shè)計域體積；fV——人為設(shè)置體積比，算例取值30%；ρmin——相對密度變量下限，算例取值10-3；K——總剛度陣；U 和F——位移列陣和載荷列陣，其中下標(biāo)j 代表工況。

為實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果具有清晰密度變量0/1 分布，需建立單元密度與彈性模量Ee 間的關(guān)系，基于固體各向同性懲罰模型［21］：

Ee =ρpeE0 （2）

式中：p——懲罰因子。在實際應(yīng)用中，為避免拓?fù)鋬?yōu)化陷入局部最優(yōu)解，采用數(shù)值遞增的策略；E0——實體材料對應(yīng)的彈性模量。

1.2 導(dǎo)管架拓?fù)鋬?yōu)化建模

以NREL 5 MW 海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架為參考對象。在拓?fù)鋬?yōu)化建模中，設(shè)原有桁架結(jié)構(gòu)所處的空間組成設(shè)計域，如圖1 所示，并采用四節(jié)點殼單元離散該設(shè)計域［15］。設(shè)置最小尺寸以抑制棋盤格現(xiàn)象［22］，通過施加平面對稱和旋轉(zhuǎn)對稱約束保證優(yōu)化設(shè)計域4 個面材料分布相同?；谕咕€性化算法求解加權(quán)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化問題［23］。上述導(dǎo)管架拓?fù)鋬?yōu)化流程如圖1 所示。

2 支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法

在實際工程中，由于責(zé)任分工的原因，塔筒和導(dǎo)管架由主機廠和設(shè)計院分別完成設(shè)計，人為選取某一高度如海平面作為兩者分界面。這種分離式設(shè)計源于行業(yè)的技術(shù)壁壘，限制了整體支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。如圖2 所示，支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，是指將塔筒和導(dǎo)管架的設(shè)計空間視為一個整體，以導(dǎo)管架本身縱梁結(jié)構(gòu)傾斜角度向上延伸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，至導(dǎo)管架頂部截面與塔筒底端截面直徑相似，通過擴大拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間來進一步挖掘結(jié)構(gòu)潛力。為避免結(jié)構(gòu)設(shè)計域發(fā)生改變而引發(fā)塔筒與葉片尖端發(fā)生撞擊，進而需重新調(diào)整控制策略及預(yù)彎設(shè)計等問題的出現(xiàn)，因此葉片尖端最低點處之上的塔筒部分不參與設(shè)計。在具體操作層面，這里將塔筒和導(dǎo)管架分界面向上延伸15.1 m，分界面以下的區(qū)域重新作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間。

不失一般性［15］，選取權(quán)因子ω =0.5，基于固定分界面的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間和擴大設(shè)計區(qū)域的一體化設(shè)計，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中的材料分布結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，無論是拓?fù)鋬?yōu)化還是一體化設(shè)計，原縱梁位置附近的材料堆積較多，材料以X 型桿件方式分布。與原有NREL 5 MW 風(fēng)電機組導(dǎo)管架有所不同，兩種方案下導(dǎo)管架的X 型桿件層數(shù)有所不同，且各層為不等間距、與縱梁之間的夾角也非固定值。

3 不同支撐結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對比

本節(jié)將通過參考結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)和一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的對比，來說明所提方法的可行性和一體化設(shè)計方法的優(yōu)越性。這里采用ANSYSTM 中的beam 188 單元建立導(dǎo)管架和部分塔筒的模型，全約束底部四節(jié)點位移。為方便對比，3 種不同結(jié)構(gòu)截取相同高度，并將載荷計算得到的載荷數(shù)值施加到相同高度對應(yīng)的塔筒節(jié)點上，如圖1 和圖2 所示。根據(jù)圖3 得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進行模型重構(gòu)，為方便對比，通過調(diào)整X 型桿件尺寸以保證支撐結(jié)構(gòu)總重接近，3 種不同方案導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)如圖4 所示，對應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)總質(zhì)量分別為1463.6、1457.4 和1458.6 t。

氣動載荷、波浪和水流的水動力載荷等作用在多導(dǎo)管架的海上風(fēng)電機組上，形成一組復(fù)雜的動態(tài)載荷。為使優(yōu)化結(jié)果具有工程可參考性，這里基于DNV BladedTM 軟件進行了整機動力學(xué)和載荷一體化仿真，根據(jù)IEC 61400-3 規(guī)范［24］，設(shè)計工況（design lad case， DLC）包括正常發(fā)電DLC1 和停機DCL6 工況，即DLC1.2、DLC1.3 和DLC6.2 這3 個工況。由于海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)具有載荷與結(jié)構(gòu)耦合的情況，對于不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)分別進行載荷計算，每種結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)Mxmin、Mx max、My max、My min、Mz max、Mz min、Mxy max、Fx min、Fx max、Fy max、Fy min、Fz max、Fz min、Fxy max 共14 個極限載荷工況下的載荷。

3 種不同支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整機前6 階固有頻率對比如圖5 所示。該海上風(fēng)電機組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍為7.5～14 r/min，由圖5 可知，基于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和一體化設(shè)計所得的對應(yīng)的整機一階頻率數(shù)值均高于原參考NREL 5 MW 機組，且有效避開了共振區(qū)間?；A(chǔ)頻率提高的原因在于整機一階固有振型為彎曲振動。在推力Fx 作用下，拓?fù)鋬?yōu)化模型中柔順度最小化將驅(qū)動優(yōu)化結(jié)構(gòu)朝著抗彎性能增強的方向演化。其次，受拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的提示，桁架結(jié)構(gòu)盡可能保留了原有縱梁的尺寸不變，并減小X 型桿尺寸以確保3 種不同結(jié)構(gòu)間的質(zhì)量接近。上述兩重原因使得重構(gòu)后的結(jié)構(gòu)頻率得到一定程度的提高。由于一體化設(shè)計具有更大的設(shè)計空間，相對于固定設(shè)計空間的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，還能進一步提高固有頻率，同時降低了導(dǎo)管架動態(tài)響應(yīng)。

將極限工況載荷分析得到的載荷數(shù)值施加到3 種支撐結(jié)構(gòu)上，其最大節(jié)點位移對比如圖6 所示。由圖6 可知，相比于參考結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)在大多數(shù)工況下的最大位移數(shù)值均有一定程度的下降，其中一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度最好。對于3 種結(jié)構(gòu)，最大位移工況均發(fā)生在Fxy max 工況，該工況下的節(jié)點位移如圖7 所示。

由圖7 可知，3 種結(jié)構(gòu)下的最大節(jié)點位移值分別為271.174、233.796 和212.427 mm，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)和一體化設(shè)計下的最大位移相較于參考結(jié)構(gòu)位移降低了13.78% 和21.66%。由結(jié)果可知，兩種優(yōu)化方案的剛度提升效果明顯。

4 結(jié) 論

將導(dǎo)管架和塔筒的設(shè)計空間合并一個整體，基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)提出支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法。通過NREL 5 MW 參考結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)和一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)的固有頻率、節(jié)點最大位移結(jié)果對比分析，可得到如下結(jié)論：

1） 拓?fù)鋬?yōu)化方法在概念設(shè)計階段，自動獲取導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)傳力路徑，在一定程度上減少了優(yōu)化設(shè)計中反復(fù)迭代的過程；導(dǎo)管架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上優(yōu)于參考結(jié)構(gòu)。

2） 支撐結(jié)構(gòu)一體化概念擴大了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間，基于此思路得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。

3） 值得注意的是，導(dǎo)管架和塔筒的分界面除受海平面位置的影響外，還受到其他空間要求限制，如避免與葉片尖端發(fā)生撞擊，方便導(dǎo)管架的安裝等因素。這里僅從力學(xué)性能角度說明提出的方法在概念設(shè)計階段的優(yōu)勢。此外，未來的研究還將進一步校核提出新型結(jié)構(gòu)的疲勞強度、屈曲強度等。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4201302）；華能集團海上風(fēng)電與智慧能源系統(tǒng)科技專項（HNKJ20-H88-01）；新能源電力系統(tǒng)全國重點實驗室開放課題（LAPS23015）；南方電網(wǎng)公司新能源實驗室開放課題（GDXNY2024KF03）