新型漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)和初步動(dòng)力響應(yīng)分析

摘 要：提出適用于南海200 m水域的新型漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)，并基于NREL 5 MW風(fēng)力渦輪機(jī)對(duì)新型基礎(chǔ)進(jìn)行性能分析。采用莫里森方程和勢(shì)流理論計(jì)算水動(dòng)力載荷，并利用ANSYS/AQWA軟件建立風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力數(shù)值模型，探究其在頻域范圍內(nèi)的水動(dòng)力性能，計(jì)算分析漂浮式風(fēng)力機(jī)在不同波況下的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果顯示，該基礎(chǔ)的固有周期能較好地避開常見波浪的周期范圍，避免引起共振，水動(dòng)力性能良好，在南海某海域1年、20年和50年一遇的3種波況下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均滿足規(guī)范要求，能保證漂浮式風(fēng)力機(jī)在極端海況下的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；漂浮式風(fēng)力機(jī)；數(shù)值分析；動(dòng)力響應(yīng)；漂浮式基礎(chǔ)；波浪荷載

中圖分類號(hào)：TK83" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0659

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0581-06

1. 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；

2. 中國長江三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 101100

0 引 言

能源資源的有限性和環(huán)境污染的嚴(yán)重性使得優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展清潔能源成為當(dāng)前重要的工作，風(fēng)能是一種新的清潔能源，受到世界各國的普遍重視。中國擁有超過1.8萬km的海岸線，深海資源豐富且風(fēng)能密度高，風(fēng)電的利用開發(fā)正逐漸從陸地轉(zhuǎn)向海洋，從淺水區(qū)域推向更深的深水海域。截至2023年8月底，中國已安裝3臺(tái)半潛式風(fēng)力機(jī)；2021年，中國首座自主研發(fā)設(shè)計(jì)的漂浮式風(fēng)力機(jī)三峽“引領(lǐng)號(hào)”順利安裝，開啟了邁向深遠(yuǎn)海域探索的步伐；2022年，由中國海裝研制的“扶搖號(hào)”成為中國首臺(tái)深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)力機(jī)；2023年世界上首個(gè)“雙百”海上項(xiàng)目-海油“觀瀾號(hào)”漂浮式風(fēng)力機(jī)成功并網(wǎng)發(fā)電。這些都見證了中國從技術(shù)學(xué)習(xí)吸收到自主創(chuàng)新、突破難題，實(shí)現(xiàn)了一次又一次質(zhì)的飛躍，標(biāo)志著中國對(duì)于深遠(yuǎn)海領(lǐng)域的探索正在穩(wěn)步前行。同時(shí)世界各國正在加快對(duì)于深海領(lǐng)域的探索，針對(duì)不同的海域、功能需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)類型的漂浮式風(fēng)力機(jī)，并陸續(xù)展開深入的研究［1］。

漂浮式海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念來源于海洋油氣開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，目前主要的幾種漂浮式基礎(chǔ)分別是：立柱式、半潛式、駁船式和張力腿基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究學(xué)者結(jié)合這4種基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，提出多種新型漂浮式基礎(chǔ)，同時(shí)開展了在多載荷下基礎(chǔ)的動(dòng)力特性相關(guān)仿真模擬。Robertson等［2］設(shè)計(jì)一款OC4-DeepCwind半潛式基礎(chǔ)，并利用FAST分析軟件探究漂浮式基礎(chǔ)的水動(dòng)力性能，還重點(diǎn)探討了系泊系統(tǒng)帶來的影響；Islam［3］針對(duì)10 MW大型風(fēng)力渦輪機(jī)參照WindFloat概念模型，設(shè)計(jì)一款漂浮式基礎(chǔ)并開展全耦合分析，結(jié)果顯示該風(fēng)力機(jī)在挪威北海工況下動(dòng)力性能良好；文獻(xiàn)［4］提出一種無支撐半潛式風(fēng)力機(jī)，并進(jìn)行典型荷載下的數(shù)值模擬，研究表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有很好的穩(wěn)定性；樂叢歡團(tuán)隊(duì)［5］提出一種新型全潛式風(fēng)力機(jī)，采用不同的系泊系統(tǒng)，探究基礎(chǔ)在不同工況下的耦合動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果顯示波浪荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)縱搖運(yùn)動(dòng)和系泊張力影響較大，各風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)幅值較小，具有良好的運(yùn)動(dòng)性能；施偉團(tuán)隊(duì)［6］提出一種適用于中等水深的新型多浮筒張力腿式風(fēng)力機(jī)，并進(jìn)行了水動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的分析，該風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性符合相關(guān)規(guī)范要求，各自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求。

傳統(tǒng)半潛式基礎(chǔ)對(duì)波浪荷載較為敏感，立柱式基礎(chǔ)適用水深受限，張力腿式基礎(chǔ)的剛性錨鏈安裝要求嚴(yán)格、成本高的問題，本研究結(jié)合3種基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一款新型漂浮式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)主體位于水面以下，可減小不利荷載，采用柔性錨鏈約束基礎(chǔ)的各自由度運(yùn)動(dòng)，利用ANSYS/AQWA建立數(shù)值模型，通過頻域計(jì)算評(píng)估水動(dòng)力性能，研究新型漂浮式風(fēng)力機(jī)在南海海域的3種波況下的動(dòng)力特性，評(píng)估極端海況下的生存能力。研究發(fā)現(xiàn)該基礎(chǔ)具有良好的水動(dòng)力性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均能滿足相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

1 概念設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上漂浮式風(fēng)力機(jī)由上部風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)、塔架，基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)組成，本文研究對(duì)象主要為漂浮式基礎(chǔ)，因此對(duì)基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)展開了研究。上部風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)選取NREL 5 MW［7］，概念性地設(shè)計(jì)了一種新型海上風(fēng)電基礎(chǔ)?；A(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由立柱、3根基柱、3個(gè)空心球體和多根支撐桿件構(gòu)成，其中工作狀態(tài)時(shí)基礎(chǔ)的3根基柱全部位于水面以下，減小不利荷載帶來的影響，3個(gè)空心球體處于半潛狀態(tài)以產(chǎn)生較大的水線面變化，進(jìn)而產(chǎn)生抵抗基礎(chǔ)傾斜運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)力矩。圖1為漂浮式風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力模型，圖2為新型漂浮式基礎(chǔ)的四視圖，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2 系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)主要由3根互為120°夾角懸鏈線式錨鏈組成，錨鏈一端通過導(dǎo)纜孔與漂浮式基礎(chǔ)連接，另一端通過錨固點(diǎn)固定在海床上，能有效限制基礎(chǔ)在各自由度方向的位移。系泊系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，布置形式如圖3所示。

2 計(jì)算理論

2.1 海洋隨機(jī)波浪

波浪是一種隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，很難在數(shù)學(xué)上精確描述，學(xué)者們?cè)趯?shí)測資料的基礎(chǔ)上基于統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)海上波能呈現(xiàn)正態(tài)分布，研究人員提出譜分析法，總結(jié)出常見的波浪譜，JONSWAP譜適用有限風(fēng)區(qū)的海浪，其表達(dá)式為：

[S（ω）=Aω5exp-54ω0ω4γexp-ω-ω02γσ2ω20] （1）

式中：[S（ω）]——波能譜密度函數(shù)；[A]——常量；[ω0]——峰頻率；[γ]——峰升高因子；[σ]——峰形參量。

2.2 波浪荷載計(jì)算理論

基于海上結(jié)構(gòu)物的直徑與波長的比率，通常對(duì)于波浪力的計(jì)算分為兩種方式。

1）對(duì)于[D≤0.2λ]（[D]為結(jié)構(gòu)物直徑，[λ]為波長）的小直徑結(jié)構(gòu)物被視為細(xì)長桿件，采用莫里森方程計(jì)算波浪荷載，主要考慮粘性效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)。對(duì)作用于海上小直徑浮體柱狀結(jié)構(gòu)物的波浪力，莫里森方程為：

[dFdZ=ρ2CdDurur+ρπD24Cmur+ρπD24uW] （2）

[ur=uW-uB] （3）

式中：[ρ]——海水密度；[Cd]——拖曳力系數(shù)；[ur]——水平方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；[Cm]——慣性系數(shù)；[ur]——水平方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度；[uW]——水質(zhì)點(diǎn)速度；[uB]——浮體運(yùn)動(dòng)速度。

2）波浪對(duì)于[Dgt;0.2λ]的大體積結(jié)構(gòu)物莫里森方程將不再適用，而是采用勢(shì)流理論，忽略流體的粘性效應(yīng)，考慮波浪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)物的散射、繞射和輻射效應(yīng)。波浪荷載的表達(dá)式為：

[F（t）=Fi（t）-0tKij（t-π）ξ?j（τ）dτ-Aijξ??+ρgV0δi3-Chijξj]

（4）

式中：[Fi（t）]——繞射力；[-0tKij（t-π）ξ?j（τ）dτ-Aijξ??]——輻射力（[Kij]為延遲函數(shù)）；[ρgV0δi3-Chijξj]——流體靜力；[V0]——排水體積；[δi3]——克羅內(nèi)函數(shù)（[i，3]）分量；[Chij]——靜水回復(fù)剛度矩陣；[ξj]——結(jié)構(gòu)物在 [j]自由度方向[Fi（t）]上的運(yùn)動(dòng)。

2.3 時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

新型漂浮式風(fēng)力機(jī)在波浪作用下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

[j=16Mij+Aijηij（t）+Bijη（t）+Cijη（t）=FW， j（t）+FM ， j（t）]

（5）

式中：[Mij]——漂浮式風(fēng)力機(jī)的質(zhì)量矩陣；[Aij]——附加質(zhì)量矩陣；[Bij]——阻尼矩陣；[Cij]——?jiǎng)偠染仃?；[FW， j（t）]——波浪荷載；[FM ， j（t）]——系泊荷載。

新型漂浮式基礎(chǔ)中的立柱、基柱和空心球體屬于大直徑構(gòu)件，采用勢(shì)流理論計(jì)算波浪力，多個(gè)支撐桿件則適用于Morison公式，在計(jì)算過程中不規(guī)則波選用JONSWAP譜用來模擬隨機(jī)波浪，這些參數(shù)可直接在ANSYS/AQWA模塊中直接定義。

3 數(shù)值模擬

3.1 固有周期

為了獲取新型漂浮式基礎(chǔ)各自由度的固有周期，需要在AQWA中單獨(dú)進(jìn)行6個(gè)自由度的自由衰減分析，將自由衰減時(shí)程曲線轉(zhuǎn)換為功率密度曲線，如圖4所示，功率譜峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為該自由度的固有頻率?；谀虾：＠说臅r(shí)空特征分析，結(jié)果表明波浪的譜峰周期范圍是3～10 s［8］，表3給出了相應(yīng)的固有周期與頻率，顯示該新型漂浮式基礎(chǔ)的固有周期均遠(yuǎn)離南海波浪周期范圍，能較好地承受常見的海域條件。

3.2 頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

浮體運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子（response amplitude operator，RAO）是漂浮式基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)自由度運(yùn)動(dòng)幅值與波幅之比，其本質(zhì)上體現(xiàn)的是線性入射波與浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，代表了其抵抗波浪載荷的能力，通過ANSYS/AQWA進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析，考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，提取了該新型漂浮式基礎(chǔ)在0°、60°、90°和150°入射角下縱蕩、垂蕩和縱搖方向的RAO，如圖5所示。

由圖5中RAO曲線結(jié)果可知：

在相同浪向角作用下，基礎(chǔ)在縱蕩自由度上，幅值響應(yīng)函數(shù)隨著入射波周期的增大呈上升的趨勢(shì)，當(dāng)波浪沿x軸方向傳播時(shí)，與縱蕩方向共線，故RAO最大，而浪向角為90°時(shí)，對(duì)該自由度運(yùn)動(dòng)影響很小，RAO趨于0；垂蕩方向上整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，RAO曲線在24 s達(dá)到峰值，為1.04 m，縱搖RAO曲線整體上呈單峰形狀，在約24 s幅值響應(yīng)函數(shù)達(dá)到峰值，隨后運(yùn)動(dòng)幅值迅速下降并逐漸趨于0。

在浪向角不同時(shí)，垂蕩RAO不受其影響，曲線整體變化趨勢(shì)相同，不同浪向角對(duì)縱搖方向的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)幅值影響較大，入射角為0°時(shí)對(duì)其影響最大，最大幅值為0.52°。由此可看出，該新型漂浮式基礎(chǔ)各自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較小，可較好地避開大部分能量集中的短周期波浪。

3.3 計(jì)算工況

新型漂浮式風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)工作水深為200 m，計(jì)算工況中未考慮風(fēng)力的影響，主要是針對(duì)波浪作用下漂浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)性能展開的時(shí)域仿真模擬，基于日本國際協(xié)力機(jī)構(gòu)JICA發(fā)布的報(bào)告書中有關(guān)南海海域波浪的實(shí)測數(shù)據(jù)分析［9］，設(shè)計(jì)3種不規(guī)則波的工況，其中考慮了1年、20年和50年一遇的重現(xiàn)周期，表4為計(jì)算波浪條件。

不同工況下波浪入射角為0°，模擬時(shí)長為3600 s，不規(guī)則波選取JONSWAP譜模擬隨機(jī)波浪，譜峰因子[γ=3.30]，為消除漂浮式風(fēng)力機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)，取1200～3600 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3.4 時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

基于上述頻域水動(dòng)力計(jì)算獲取漂浮式基礎(chǔ)的附加質(zhì)量、附加阻尼和各自由度幅值響應(yīng)算子等水動(dòng)力系數(shù)，開展漂浮式基礎(chǔ)在不同海況下的時(shí)域歷程分析，通過提取基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力，從而探究其運(yùn)動(dòng)特性，以及是否可滿足相關(guān)規(guī)范的要求，統(tǒng)計(jì)值如圖6和表5所示。

對(duì)于漂浮式風(fēng)力機(jī)在不同海況下，其縱蕩幅值應(yīng)小于水深的6%，垂蕩響應(yīng)不應(yīng)超過±3.5 m，且平均俯仰角和動(dòng)態(tài)俯仰角應(yīng)分別小于5°和15°［10］。由圖6a可知，新型漂浮式風(fēng)力機(jī)在3種工況下，縱蕩響應(yīng)最大值分別為3.41、8.85、11.49 m，滿足風(fēng)力機(jī)在50年一遇極端海況下縱蕩響應(yīng)小于12 m的要求。由圖6b可知，該風(fēng)力機(jī)的垂蕩響應(yīng)在LC3工況時(shí)最大，最大值與最小值分別是3.31、[-3.09] m，滿足±3.5 m的要求。如圖6c可看出，在3種海況下的縱搖平均值在約0°，縱搖響應(yīng)的絕對(duì)值最大值分別是0.49°、3.39°和6.54°，滿足規(guī)范所規(guī)定的平均俯仰角與動(dòng)態(tài)俯仰角的要求。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范［11］關(guān)于漂浮式風(fēng)力機(jī)懸鏈線式錨鏈的安全系數(shù)極端海況下取1.67，安全系數(shù)為最大破斷力與張力最大值之比，該系泊系統(tǒng)最大破斷力為6090 kN，由表5可知，在LC3工況下，張力最大值為2號(hào)錨鏈1.92 MN，安全系數(shù)為3.17，是規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)的1.90倍，在3種海況下，3根錨鏈在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

基于自主設(shè)計(jì)的一款新型漂浮式基礎(chǔ)，采用 ANSYS/AQWA軟件探究其水動(dòng)力性能以及不同波況作用下的動(dòng)力響應(yīng)，主要研究結(jié)論如下：

1）新型漂浮式基礎(chǔ)與經(jīng)典的OC4半潛式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)比較，基礎(chǔ)質(zhì)量降低了42%，即可有效節(jié)約成本、降低材料用量，通過自由衰減計(jì)算得到的固有周期能較好地避開常見的波浪周期，發(fā)生共振運(yùn)動(dòng)的可能性較小。

2）在浪向角相同情況下，新型漂浮式風(fēng)力機(jī)縱蕩RAO隨著周期的增大而不斷增大；浪向角不同時(shí)，垂蕩RAO不受其的影響，整體趨勢(shì)基本一致呈先增大后減??；不同浪向角對(duì)縱搖方向的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)幅值影響較大，入射角為0°時(shí)幅值最大，為0.52°，運(yùn)動(dòng)幅值較小，水動(dòng)力性能良好。

3）新型漂浮式風(fēng)力機(jī)在所選的1年、20年和50年一遇的3種波況下，其縱蕩響應(yīng)不超過水深的6%，垂蕩均滿足小于±3.5 m的要求，縱搖的平均俯仰角與動(dòng)態(tài)俯仰角分別小于5°和15°，且在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下，3根錨鏈的安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.67，能保證漂浮式風(fēng)力機(jī)在極端海況下的安全性。

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CONCEPTUAL DESIGN AND PRELIMINARY DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF NOVEL FLOATING OFFSHORE

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Chen Yu1，Zhu Lei1，Wu Songxiong2

（1. School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China；

2. Science and Technology Research Institute， China Three Gorges Corporation， Beijing 101100， China）

Abstract：This study introduces a novel floating foundation design tailored for the challenging 200 m water depth of the South China Sea. The performance analysis of this innovative foundation concept is centered around the NREL 5 MW wind turbine. Hydrodynamic loading is assessed using the Morrison’s equation and potential flow theory. Employing ANSYS/AQWA software， a comprehensive numerical model of the floating offshore wind turbine （FOWT） and hydrodynamics is established. The investigation delves into the hydrodynamic characteristics of the floating foundation within the frequency domain. Additionally， a detailed assessment of the FOWT’s dynamic response is conducted under diverse wave conditions in the time domain. Notably， the new floating foundation possesses a natural period that strategically avoids resonance with common waves periods， thus demonstrating exceptional hydrodynamic efficacy. The dynamic response analysis reveals that the foundation successfully meets the prescribed criteria for safety and stability under the different wave conditions—spanning 1-year， 20-year， and 50-year scenarios—pertaining to the South China Sea’s marine environment. This outcome underscores the foundation’s capability to ensure the FOWT’s integrity and dependability even in the face of extreme sea conditions.

Keywords：offshore wind power； floating offshore wind turbines； numerical analysis； dynamic response； floating foundation； wave load