風電基礎的拖航影響因素分析

張 杰

(總后勤部司令部管理保障局，北京 100082)

風電基礎的拖航影響因素分析

張 杰

(總后勤部司令部管理保障局，北京 100082)

以某氣浮結構平臺為研究對象，通過MOSES對某風電基礎在不同波高下、不同吃水和不同航速下風電結構的運動響應及波浪力進行了研究分析，得到了各種荷載下對拖航系統影響的變化規律。

氣浮結構，MOSES，水動力系數，拖航，水深

0 引言

隨著經濟的不斷發展和社會的不斷進步，對能源的需求也越來越多，造成的資源、環境等問題也陸續呈現。筒型基礎，是近二十年 來應用于海洋工程的具有較好發展前景的基礎型式。由于筒型基礎施工簡便，機動靈活，使用安全可靠，可實現回收復用等特點，被廣泛的應用于各種海上結構設施，如船只系泊、浮筒定位、存儲設施、燈塔、導管架和平臺等[1]。氣浮結構作為一種上部封閉、底部開口的結構形式，它是依靠內部氣體提供的氣壓力支撐結構，傳統浮體(如船舶、海洋平臺)的漂浮主要依靠水壓力差提供浮力支撐結構。換句話說，傳統浮體的受力機理是結構支撐于底部的水彈簧，氣浮結構的受力作用機理是結構支撐于由結構內部氣彈簧和底部水彈簧構成的串聯彈簧，由于內部氣體的可壓縮性，氣浮結構穩性、響應等都比較復雜[2,3]。

氣浮拖航作為該風電基礎的關鍵技術之一，氣浮指的是在船塢預制施工完畢的筒型基礎依靠內部氣體承載出塢，拖航是通過拖船—拖纜—基礎構成拖航系統將基礎拖至施工地點，提升了施工管理效率，省去了駁船運輸和大型施工機具的費用。在浮運拖航中，必然涉及拖航系統和波浪、流、風等荷載的相互作用問題，所以，本文通過對拖航系統在耦合環境荷載下的響應進行分析，得到各種荷載下對拖航系統影響的變化規律。

1 MOSES模型建立及分析組合

如圖1所示為通過MOSES建立的風電基礎拖航的整體結構圖，從圖中可以看出，結構關于x軸、y軸呈雙軸對稱，所以通過研究結構拖纜拉力、垂蕩、橫蕩以及縱搖方向的運動的變化規律可以對拖航系統的性能進行評估。在MOSES，對于拖船—系纜—復合風電基礎構成的拖航系統在時域分析中不能按照一般的步驟進行，所以在分析中將拖船固定，而后將復合風電基礎通過系纜連接到拖船上，而后施加與拖航速度大小相同而方向相反的海流來考慮荷載的影響，拖纜形式采用Y形拖纜，系纜點位置到風電基礎中心點的水平距離為54 m。

施加的波浪為該地區12 km的南通洋口港1996年10月—1997年10月得到的50年一遇的波浪參數，見表1[4]。在時域分析中，選取N～NNE中的平均波高1.87 m，波周期8.09 s作為基本的波浪條件，計算所得的波長為48.48 m，結構D/L=0.62，按照三維勢流理論進行結構水動力特性的計算，建立的模型符合分析的要求。不同波高、吃水、航速拖航組合表見表2～表4。

表1 50年一遇波浪參數

表2 不同波高拖航組合表

表3 不同吃水拖航組合表

表4 不同航速拖航組合表

2 模擬數據分析

2.1 不同波高對基礎拖航的影響分析

圖2～圖5為不同波高下拖航穩定階段的拉力、縱蕩、垂蕩以及縱搖的變化曲線。從圖2可看出，在相同的波高狀態下，拖纜力呈脈沖變化趨勢，是因為在拖航運輸中，初始階段拖纜處于松弛狀態，當拖纜被拉直時結構作用一個瞬時的拉力，出現一個脈沖，而后，結構由于慣性作用繼續前行而后拖纜再次被拉直再產生一個瞬時的拉力，出現下一個脈沖；在不同的波高情況下，拖纜力的變化呈增大趨勢。從圖3～圖5可以看出，和拖纜力的脈沖變化不同的是，結構在縱蕩、縱搖和垂蕩方向的運動呈現三角函數變化的趨勢；隨著波高的增大，結構變化的幅值呈增大的趨勢。

2.2 不同吃水對基礎拖航的影響分析

圖6～圖9為不同吃水情況下拖航穩定階段的拖纜力和結構在縱蕩、垂蕩以及縱搖方向的變化曲線。圖6中拖纜力的幅值隨著吃水的增加，拖纜力脈沖變化的幅值呈增大的趨勢，原因在于吃水直接決定了結構的迎浪面積，作用在結構上的力和吃水呈正比；從圖7～圖9可以看出，結構的搖蕩運動都呈規則的變化，且可以得到，在吃水從5.5 m變化到6.0 m，從6.0 m變化到6.5 m時，縱蕩變化為0.15 m和0.35 m；而垂蕩、縱搖和Hw(壓力水頭)變化分別為0.1 m和0.11 m，0.61°和0.85°，0.18 m和0.19 m，原因在于吃水的增加，支撐結構的氣彈簧的高度降低，氣彈簧剛度增大，對于氣彈簧和水彈簧組成的串聯彈簧，氣彈簧承擔的位移降低，而吃水的增加，重心位置下移，結構搖擺剛度降低，在相同的波浪條件下拖航，結構搖擺幅值增加。

2.3 不同航速對基礎拖航的影響分析

圖10～圖13為不同航速情況下拖航穩定階段的拖纜力、1號艙室壓力水頭變化曲線和結構在縱蕩、垂蕩以及縱搖方向的變化曲線。航速主要影響結構拖纜力的大小和拖航中結構搖蕩的頻率。從圖10可以看出，隨著航速的增加，拖纜力的脈沖變化的趨勢變得明顯，航速從2節變化到4節，從4節變化到6節，拖纜力增加分別為84.2 kN和129.9 kN；從圖11～圖13可以看出，隨著航速的增加，結構搖蕩幅值呈降低的趨勢，原因在于航速增加，拖纜承受的拉力持續作用于結構，由拖船—拖纜—基礎構成的拖航系統以遭遇頻率振動，結構的航向穩定性較好，所以在拖航中必須保持一定的拖航速度。

3 結語

本文通過MOSES軟件的計算分析，對波浪荷載下的風電基礎拖航的拖纜力、搖蕩運動的變化規律進行了研究，得到如下結論：結構搖蕩運動的幅值隨著波高的增加而增加；航速主要影響結構拖纜力的大小和拖航中結構搖蕩的頻率，隨著航速的增加，結構搖蕩幅值呈降低的趨勢；由于吃水的增加，支撐結構的氣彈簧的高度降低，氣彈簧剛度增大，對于氣彈簧和水彈簧組成的串聯彈簧，氣彈簧承擔的位移降低，而吃水的增加，重心位置下移，結構搖擺剛度降低，在相同的波浪條件下拖航，結構搖擺幅值增加。

[1] 呂 娜.海上風機鋼混組合筒型基礎研究[D].天津：天津大學,2010.

[2] 徐繼祖，王翎羽.吸力錨到筒型基礎平臺——關于近海吸力式基礎的工程經驗和技術思考[J].中國海上油氣(工程)，2002，14(1)：2-5.

[3] 劉憲慶.氣浮筒型基礎拖航穩性和動力響應研究[D].天津：天津大學，2012.

[4] 中國水電顧問集團華東勘測設計研究院.江蘇龍源如東潮間帶風電場一期工程預可行性研究報告[R].2009.

Analysis on towing effect factors influence of wind power base

Zhang Jie

(GeneralLogisticsDepartmentHeadquartersManagementSecurityBureau,Beijing100082,China)

Taking a flotation platform structure as the research object, through the research and analysis on motion response and wave forces of wind structure of MOSES to a wind power base in different wave height, different draft and different speed, obtained the change law under various loads influence to towing system.

air float structure, MOSES, dynamic water wash, towing, water depth

2015-01-17

張 杰(1975- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0037-03

P752

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