半潛式海上風電平臺運動特性研究

阮勝福，樊 冰，王 濤，田維興

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程設計有限公司，天津 300452)

半潛式海上風電平臺運動特性研究

阮勝福1，樊 冰2，王 濤1，田維興1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程設計有限公司，天津 300452)

海上風電場的設計水深逐漸增加，風機功率不斷提高，傳統的固定式基礎不再適用，性能優良的浮式基礎已成為研究的熱點。針對60 m水深，為600 kW水平軸風機設計半潛式基礎和系泊系統。運用SESAM軟件建立半潛式風電平臺的有限元模型，分別計算其頻域和時域運動響應，分析其運動性能和系泊纜張力，對海上浮式風電場的開發具有一定的指導意義。

海上風電場；半潛式基礎；運動響應；系泊纜張力

0 引 言

我國海上風能資源十分豐富，水深5～25 m的海域可裝機容量約2億千瓦，水深70 m以上的海域可裝機容量約5億千瓦。與陸上風能相比，海上風能不僅資源豐富，而且風速更高、更穩定；海上風電場距離岸邊較遠，不會影響海邊的旅游業，其視覺影響、噪聲和電磁波干擾也更小。水深較淺時，海上風機可以采用固定式基礎，如單樁基礎、混凝土重力基礎、導管架基礎等。水深超過50 m時，考慮到經濟成本和安全性，宜采用浮式基礎，如單柱式平臺(Spar)結構基礎、半潛式結構基礎以及張力腿平臺(TLP)結構基礎。海上風電浮式平臺的設計，可以借鑒較為成熟的浮式海洋石油平臺的工程經驗。

英國、荷蘭、美國、日本等國對浮式風電進行了詳細的理論研究和模型試驗，并且已有示范項目在運行。現階段我國對海上浮式風電的研究多處于概念設計、理論研究和模型試驗階段，缺乏設計和安裝經驗[1]。李溢涵[2]對Spar基礎的浮式風機運動特性進行了理論研究；劉中柏[3]對Spar基礎的浮式風機運動特性進行了試驗研究；陶海成[4]對三柱式浮式風電平臺的結構強度和疲勞特性進行了研究。本文研究了一種應用于60 m水深、半潛式基礎的海上風電平臺的運動特性和系泊纜張力，得到了一些有價值的結論。

1 分析方法

對于浮式結構物的運動特性分析，一般先進行頻域分析，然后開展時域分析。相對于頻域分析，時域分析充分考慮各種非線性因素，計算結果更為可靠。小尺度結構上的波浪力和海流力，可用Morison公式求解；而大尺度結構上的波浪力，可用三維勢流理論求解，其上的海流力可根據美國石油學會(API)規范API RP 2SK[5]計算。風機正常發電和停止發電時所受的風荷載，可按《風力發電機組設計要求》[6]計算；而其他結構上的風荷載，應考慮形狀系數和高度系數，可按照《海上移動平臺入級與建造規范》[7]計算。本文不再贅述這些經典理論和相應規范。

1.1 頻域分析

頻域分析主要是研究不同周期的波浪作用下浮體的固有運動特性。若假定入射波為單位波幅的Airy波，可根據頻域運動方程求解浮體運動響應幅值算子(RAO)。頻域運動方程為

[-ω2(M+A(ω))+iω(B(ω)p+Bv)+C+Ce]X(ω,β)=F(ω,β),

(1)

式中：ω為入射波角頻率；β為入射波傳播方向；M為浮體質量矩陣；A(ω)為附加質量矩陣；B(ω)p為輻射阻尼矩陣；Bv為線性阻尼矩陣；C為靜水回復剛度矩陣；Ce為系泊系統的剛度矩陣；X(ω,β)為浮體運動響應；F(ω,β)為波浪力。

1.2 時域分析

在風、浪、流以及系泊系統的作用下，求解浮體時域運動方程，可以得到浮體各種響應的時間歷程。時域運動方程為

(2)

2 半潛式風電平臺介紹

本文為600 kW水平軸風機設計了塔柱、半潛式基礎以及系泊系統，設計水深60 m，設計吃水9 m。風機設計風速14 m/s，葉輪直徑43.2 m，三個葉片，機艙質量26.5 t，葉輪質量13 t。在三個立柱下端布置壓水板，以增加附加質量和阻尼，抑制風電平臺的運動[8]。每個立柱內布置4個壓載艙，內部填充海水。三個立柱的中心構成邊長為48 m的等邊三角形。該半潛式風電平臺的主要設計參數如表1所示，其中總重量和重心含壓載水，不含系泊系統。風電平臺的幾何模型如圖1所示。坐標系原點位于立柱底面中心所構成的等邊三角形的中心，如圖2所示。為計算半潛式風電平臺上的水動力載荷，分別建立了濕表面模型和Morison模型，如圖3和圖4所示，并將兩者進行組合，如圖5所示。系泊纜采用6根錨鏈，布置如圖6所示。葉片和機艙運用SESAM軟件中的設備單元來模擬。

表1 半潛式風電平臺主要參數

圖1 幾何模型Fig.1 Geometry model

圖2 坐標系和環境方向Fig.2 Coordinate system and environmental directions

圖3 濕表面模型Fig.3 Wet surface model

圖4 Morison模型Fig.4 Morison model

圖5 復合水動力模型Fig.5 Composite hydrodynamic model

圖6 系泊纜布置Fig.6 Mooring line arrangement

3 計算結果

3.1 頻域結果

選擇一系列不同周期的規則波計算半潛式風電平臺的運動RAO，如圖7和圖8所示。該半潛式風電平臺的縱、橫穩性高均為23.8 m，其橫搖、縱搖和垂蕩的固有周期分別為14.4 s、14.4 s和11.7 s。在實際的隨機海浪中，其主要成分為周期4～12 s的波浪。該半潛式風電平臺平面外運動的固有周期大于主要的波浪周期，因此具有良好的運動性能。

圖7 橫搖運動RAOFig.7 Roll RAO

圖8 垂蕩運動RAOFig.8 Heave RAO

3.2 時域結果

半潛式海洋石油平臺正常作業時，其垂蕩運動應小于±(1～1.5) m，水平運動應小于水深的5%～6%[9]。浮式風電平臺無人駐守，因此可以適當放寬其垂蕩和水平運動的限值。在葉片迎風向浮式風電平臺的俯仰角是非常關鍵的設計因素。如果俯仰角太大，葉片攻角會隨之大幅變化，造成發電功率劇烈波動，也會加劇風機的損傷。浮式風電平臺正常發電時，平均俯仰角應不超過±5°，動態俯仰角應不大于±15°，系泊系統張力的安全系數應不小于2.0[10]。

本文計算了四種海況：(1)有義波高Hs=2.5 m，譜峰周期Tp=7 s，平均風速14 m/s，表層流速0.20 m/s；(2)Hs=3.0 m，Tp=8 s，平均風速16 m/s，表層流速0.25 m/s；(3)Hs=4.0 m，Tp=9 s，平均風速18 m/s，表層流速0.30 m/s；(4)Hs=5.0 m，Tp=10 s，平均風速20 m/s，表層流速0.40 m/s。脈動風速選用NPD風譜；隨機波浪采用Jonswap譜，譜峰因子γ取2.5，保守考慮風浪流同向。

對于第一種和第二種海況，風電平臺的垂蕩不超過±0.7 m，橫搖和縱搖不超過±2.5°，系纜張力遠小于2 250 kN，因此可正常發電。

對于第三種海況，橫搖和縱搖不超過±4°。在環境載荷方向為0°時，垂蕩最小值約-1.5 m，而大部分時間的垂蕩滿足要求，如圖9所示。系纜張力大于2 250 kN的概率很小，張力的1/10最大值和1/3最大值也較小，如圖10所示。所以，此時也可正常發電。

在第四種海況下，如果正常發電，在環境載荷方向為0°時，風電平臺垂蕩最大值2.07 m，最小值-2.66 m，纜1張力最大值4 119 kN。如果停止發電，垂蕩最大值接近±2 m，系纜張力最大值超過2 250 kN，但小于破斷張力。停止發電的計算結果如圖11和圖12所示。

圖9 垂蕩時間歷程(第三種海況，環境載荷方向0°)Fig.9 Heave time history (case No. 3, environmental direction 0°)

圖10 纜2張力時間歷程(第三種海況，環境載荷方向90°)Fig.10 Tension time history of line No. 2 (case No. 3, environmental direction 90°)

圖11 垂蕩時間歷程(第四種海況，環境載荷方向30°)Fig.11 Heave time history (case No.4, environmental direction 30°)

圖12 纜1張力時間歷程(第四種海況，環境載荷方向30°)Fig.12 Tension time history of line No.1 (case No.4, environmental direction 30°)

4 結 語

根據某600 kW水平軸風機的參數，設計了半潛式基礎和系泊系統，運用SESAM軟件建立了有限元模型，并對其進行了頻域和時域運動響應分析，得出如下主要結論。

(1) 在立柱中設計海水壓載艙，可降低半潛式風電平臺的重心高度，提高靜穩性和優化運動性能。

(2) 半潛式風電平臺的橫搖、縱搖以及垂蕩運動可以避開主要的波能周期段。

(3) 有義波高不超過4 m時，半潛式風電平臺可正常發電；有義波高超過4 m時，應停止發電。

(4) 壓水板可增加附加質量和阻尼，有效減小半潛式風電平臺的運動。

(5) 若要抵抗更惡劣的海況，可采用增加結構吃水、增大壓水板直徑以及提高系泊系統剛度等方法。

目前國外所研究的海上浮式風機的功率已近10 MW。本文所研究的風機功率和作業水深雖小，但其半潛式風電平臺的結構布置、動態響應的分析方法對類似浮式風電平臺的設計具有一定的參考價值。總體結構布置和運動性能分析只是浮式風電平臺設計的一部分工作，還應對結構強度和疲勞等方面進行具體的研究。

[1] 高偉, 李春,葉舟.深海漂浮式風力機研究及最新進展[J].中國工程科學,2014,16(2): 79.

[2] 李溢涵.海上風機Spar型浮式基礎的運動特性研究[D].天津：天津大學,2011.

[3] 劉中柏.海上風電浮式基礎運動特性試驗研究[D].天津：天津大學,2013.

[4] 陶海成.海上風電浮式基礎結構設計及整體強度分析[D].天津：天津大學,2012.

[5] American Petroleum Institute. API RP 2SK. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S]. 2005.

[6] 中國機械工業聯合會. GB/T 18451.1—2012.風力發電機組設計要求[S]. 2012.

[7] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S]. 2005.

[8] 鄧露,王彪,肖志穎,等.半潛型浮式風機平臺研究綜述[J].船舶工程,2016,38(4): 1.

[9] 李潤培,王志農.海洋平臺強度分析[M].上海:上海交通大學出版社,1992: 2-5.

[10] Zambrano T, MacCready T, Kiceniuk T Jr., et al. Dynamic modeling of deepwater offshore wind turbine structures in Gulf of Mexico storm conditions[C]. OMAE, 2006: 92029.

StudyonMotionCharacteristicsforSemi-SubmersiblePlatformofOffshoreWindTurbine

RUAN Sheng-fu1, FAN Bing2, WANG Tao1, TIAN Wei-xing1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.CNOOCTianjinEngineeringDesignCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

With the water depth of offshore wind farm and the power of wind turbine increasing gradually, the traditional fixed foundations are not applicable. The floating foundations with excellent characteristics have become a research focus. The semi-submersible foundation and mooring system are designed for a 600 kW wind turbine with a horizontal shaft, and the water depth is 60 m. SESAM software is used to establish the finite element model of this semi-submersible platform. The motion responses are calculated in both frequency domain and time domain. Motion performance and mooring line tension are also investigated. This research has some guiding values for the development of offshore wind farm with floating foundation.

offshore wind farm; semi-submersible foundation; motion response; mooring line tension

2016-09-12

阮勝福(1986—)，男，工程師，主要從事海洋石油平臺的結構設計與研究。

U656.6

A

2095-7297(2016)06-0371-05