一種與采油平臺結合的新型波浪發電裝置?

劉　臻， 范海文， 燕浩然， 趙環宇， 楊萬昌， 金吉元

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學 青島市海洋可再生能源重點實驗室，

山東 青島 266100；3.韓國船舶與海洋工程研究院，大田，韓國 305343)

?

一種與采油平臺結合的新型波浪發電裝置?

劉臻1,2， 范海文1， 燕浩然1， 趙環宇1， 楊萬昌1， 金吉元3

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學 青島市海洋可再生能源重點實驗室，

山東 青島 266100；3.韓國船舶與海洋工程研究院，大田，韓國 305343)

摘要：本文基于前期對振蕩浮子式波能發電裝置的研究，提出一種與采油平臺結合的新型波浪能發電裝置，并采用水動力學軟件Ansys-AQWA進行數值模擬，計算了不同波況條件下的發電裝置受力與運動響應。分析發電裝置穩定性和輸出功率表明：在振蕩浮子與采油平臺導管架相結合的狀態下，裝置運行正常，平臺穩定，波能利用率并未受到顯著影響，初步驗證了設計的可行性。通過頻域計算，發現裝置發電理想波頻區間為1.2～2.0Hz；通過時域計算，發現浮子垂向平均最大位移、最大速度、最大加速度與波浪波高成正相關，垂向平均最大加速度與波浪周期成負相關，垂向平均最大波浪力與波浪周期成正相關，上述成果將為后續研究與試驗提供一定的數據支持。

關鍵詞：數值模擬； AQWA； 波浪能； 發電； 平臺

LIU Zhen, FAN Hai-Wen, YAN Hao-Ran, et al. A new wave energy convertor combined with oil production platform[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(2): 124-130.

隨著社會發展，能源短缺已經成為一個急需解決的問題。化石能源日益減少，而人類對能源的需求卻在不斷增加[1]。波浪能作為海洋能的一種，具有能量轉換利用方式簡單、能流密度大、分布廣泛等特點[2]。目前世界上較著名的波能發電裝置包括：瑞典開發的Floating Wave Power[3]、丹麥的Wave Dragon[4]以及英國的Pelamis[5]。此前海洋能開發利用示范工程大多為獨立支撐結構，尚未有與海工構筑物相結合的案例，只在國內外一些研究方案和設計構思中有一些借鑒思路：如韓國的Uldolmok潮流電站利用跨海大橋結構兼作潮流能水輪機支撐結構的方案、中國海洋大學提出的一種利用沉箱式防波堤兼作岸式波力發電裝置的構思等。本文針對于海洋能中研究最為廣泛的波浪能以及采油平臺廣泛分布的特點，提出了一種與采油導管架平臺結合的波能發電裝置新設計構思，在鮮有借鑒經驗情況下對裝置進行了三維數值模擬，分析在多種波況狀態下波能發電裝置在導管架影響下的運動狀態、波能發電裝置工作性能及波能吸收效果，驗證了波能發電浮子工作運動狀態可行性。

1導管架平臺與波能發電裝置

1.1平臺導管架形式及設計參數

導管架整體設計構思建立在新建導管架基礎之上，對管架結構進行設計改造，導管架整體預制投放。采用平臺結構為儲油設施，通過棧橋與生活區相連，波能裝置于平臺甲板下方自由水面附近，在盡量不影響生活區的情況下進行波能發電作業，同時又離生活區較近，方便電力輸送。中柱采用φ1 350×26鋼管提前與管架整體連接預制，底部位置通過斜拉筋與平臺整體相連，斜拉筋采用φ700×22鋼管，主要承載波能浮子采集裝置的橫向受力，中柱上部在吊裝上部模塊前采用臨時固定連接，待上部模塊吊裝完成后，拆除上部臨時固定結構，完成整體安裝。平臺1、2號軸線側為船舶靠船側(見圖1)，結構整體預制形式見圖2，結構整體施工采用平臺普通施工方案。

導管架主體采用四腿導管架型式，導管架的4個面的斜度為10∶1，A、B主軸線間距離為14m，1、2號主軸線距離為12m。導管架頂標高4.8m，底標高-20.2m，工作點標高5.8m。主導管采用φ1 350×26鋼管，成矩形布置，在標高3.8m，-2.7m，-10.2m，-18.2m處設加強段，采用φ1 374×38鋼管。在標高3.8m，-2.7m，-10.2m，-18.2m處設水平拉筋及水平斜拉筋，分別采用φ700×22鋼管、φ500×18鋼管。在標高-2.7m，-10.2m，-18.2m之間設豎向斜拉筋，采用φ600×22鋼管。導管架上設靠船構件、登船平臺等附屬構件。樁采用φ1 200開口變壁厚鋼管樁，壁厚分別為22、26、32和38mm，樁入土57m。

圖1　導管架平臺平面圖

浮子采用可拆卸模組，預制浮子部件后，在平臺上安裝完成，然后對浮子及其連接結構進行單獨安裝，保證浮子對平臺影響的最小化。

圖2　導管架平臺立面圖

1.2 波能發電裝置形式及設計尺寸

采用底面圓錐型的浮子作為設計發電裝置，在前期研究中發現此種發電裝置波能吸收效果較好，波能利用率較高6]。浮子裝置幾何尺寸見圖3。

裝置殼體采用40mm的鋼板制作，總高度為6.25m，內部中空，質量為3.55×104kg。自由漂浮狀態下吃水深度為1.42m，即干舷高度為4.83m。為保證正常工作吃水，設計干舷高度為3m，即吃水深度為3.25m。裝置下部柱狀空倉填充碎石壓載，碎石密度為1.9×103kg/m3，填充體積為48.48m3。

圖3　浮子裝置幾何尺寸(單位：m)

浮子與導管架連接段采用機械式連接方式，主要通過齒輪與齒條配合運作，同時結合管架結構中的支撐柱進行軌道鋪設，將浮子通過內部的機械連接安裝到鋪設軌道上。浮子主要分為上下兩部分，上部為電路及發電機連接線路板部分，下部為提供浮力的隔倉(內部中空提供浮力，必要時進行注水作業下潛)，上部結構將分為多個不同艙室，主要包括發電機、蓄電池、線路板等根據不同功能進行隔艙，齒輪等機械單獨連接于浮子中部，與其它線路隔開以防止海水侵入，整體安裝完畢后進行封箱，效果見圖4。

圖4　浮子結構示意圖

浮子封箱隔離后，上部加蓋板材，線路通過內部管線延伸至上部甲板及生活區，為平臺提供所需要的電力服務，整體效果見圖5。

2數值模擬

2.1 AQWA軟件簡介

AQWA是一套集成模塊，主要用于滿足各種結構流體動力學特性評估相關分析需求，包括從桅、桁到FPSO，從停泊系統到救生系統，從TLPs到半潛水系統，從漁船到大型船舶以及結構交互作用。本文用到的模塊主要包括AQWA-LINE和AQWA-NAUT。

圖5　整體效果圖

前期研究中對浮子模型運動性能分析，物理模型試驗與數值模擬對比結果驗證了AQWA對于波能發電浮子分析的可靠性。

AQWA-LINE是用于計算浮體結構在常規波中響應問題的計算程序，此程序可以單獨運行也可以跟AQWA軟件包其他軟件聯合求解，AQWA-LINE的主要分析技術是水波的輻射/衍射理論。常規波浪在行進過程中經常會受浮體結構的影響而產生衍射。程序可以計算浮體結構的一階或是二階波浪力。AQWA-NAUT則用于計算在特定波浪條件下，浮體結構的載荷和運動時間歷程。

2.2 波浪荷載計算

AWQA-LINE模塊可計算自由漂浮模型的波浪載荷。AQWA-LINE計算時考慮了浮體結構及臨近的固體結構與水動力的相互影響；可處理淺水效應，考慮波浪力高階項后；可計算由波浪輻射、衍射引起的任意形狀的浮體結構周圍的波浪力。AGS后處理軟件對計算結果進行分析和輸出，分別如圖6～8所示。

本文用ANSYS軟件建立了發電裝置的幾何模型。在水面線位置(即吃水線處)有較多的節點，一個單元只有完全位于水線面以下，才被識別為繞射單元，并被用作進行水動力學分析。若某單元一部分在水線面以上，另一部分在水線面以下，該單元則不會被識別為繞射單元。以上軟件設置就要求在建模時，需在水線面位置對裝置幾何模型進行切割(布爾操作)以保證水線面是繞射單元與非繞射單元的分割面，并保證計算精度。

圖6　AGS導入計算模型圖

圖7　AGS導入流體計算過程示意圖

圖8　振蕩浮子裝置衍射、輻射波浪三維顯示圖

浮體在波浪中6個自由度的運動和6個方向上的波浪力(矩)，被稱為響應變量。這6個自由度的搖蕩運動可分解為3種角位移和3種線位移，分別稱為橫搖、縱搖、艏搖和縱蕩、橫蕩、垂蕩。其中裝置浮體重心G沿ox軸的直線運動稱為縱蕩(Surge)；沿oy軸的直線運動稱為橫蕩(Sway)；沿oz軸的直線運動成為垂蕩(Heave)；浮體繞ox軸的轉動稱為橫搖(Roll)；繞oy軸轉動的稱為縱搖(Pitch)；繞oz軸的轉動稱為艏搖(Yaw)7]。這6種運動中，垂蕩對發電裝置工作性能影響最大，是本研究中主要考慮的對象。

3裝置浮體的工作狀態及受力分析

裝置在正常工作海況下，考慮其對稱性，設定入射波方向均沿ox軸正方向，考慮規則波具體計算工況如下表1所示。主要對浮子進行不同波高周期組合條件運動狀態對比分析，分為4個工況，水深均采用18.2m，吃水深度保持一致(3.25m)，由于主要是對于裝置運動狀態進行分析，并對規律進行歸納總結，因此模擬過程中采用規則波進行模擬分析。

表1　工作海況下裝置計算工況表

3.1 浮體頻域運動響應分析

圖9中裝置浮體附加質量和阻尼系數隨入射波頻率改變具有一定變化趨勢，個別方向的附加質量和阻尼系數在某一頻率發生劇烈變化。

圖9　裝置附加質量，附加阻尼(H=0.5m,T=6.0s)

圖10為頻域下的浮子運動響應幅值大小，RAO是裝置運動響應無因次化的響應振幅算子，其計算方法為：

主要表示隨著波浪振動頻率的變化浮子本身運動響應的變化情況，如圖10中所示，頻率在1.2之前，RAO值逐步平穩小幅上升，在2.0以后出現平穩下滑，RAO值在1.2～2.0之間出現劇烈變化，說明浮子在此區間內運動變化強烈，對于波能浮子采集裝置來說，運動的劇烈變化使得其波能捕獲效果達到最佳，是對于此裝置較為合適的波浪頻率區間。

圖10　頻域下的運動響應幅值

3.2 浮體時域運動響應分析

A1工況計算結果圖11、12可得Z方向運動位移、速度及加速度隨時間整體成周期性變化，某一時間節點處出現最大，隨后曲線峰值相對變小，延續2～3個峰值后再次出現最大，依此循環。在位移最大位置速度最小，加速度最大，結合圖13可知此時發電功率最小，裝置處于平衡位置時，速度最大，加速度最小，發電功率最大。

圖11　裝置浮體z方向上位移，速度及加速度

圖12　裝置浮體所受k-f力及波浪繞射力

圖13　輸出功率短時程示意圖(H=0.5m,T=6.0s)

保持波高不變，對比浮子時域運動響應，隨著周期變化，浮子垂蕩范圍也有所變化，波浪周期變長，浮子相對運動趨于穩定，幅度有所減小。在相同周期下，隨著波高增大，裝置浮子垂蕩運動變化明顯，浮子輸出功率變化也隨之加強。在0.5m波高下條件下，不同周期條件，位移對比見圖14。從圖中可以看出6s周期條件下浮體位移變化較大，這主要是由于6s周期波頻率為0.167，處于1.2Hz波頻率之前，浮體位移響應變化較小，隨波頻增大稍有增加，與頻域分析中運動響應幅值結果相符，但位移整體變化不大。

保持周期不變，對比浮子時域運動響應，隨著波高的變化，浮子垂蕩范圍有明顯變化。如圖15所示，相同周期下，裝置浮體運動頻率相同，但是隨著波高的變大，裝置浮體運動位移變化有了明顯提高，因此，理論上來說，在保證浮體裝置安全性能條件下，波高越大裝置發電性能越好。

圖14　不同周期浮體位移變化對比

圖15　不同波高裝置位移變化對比圖

不同波高對浮體裝置平均最大位移影響如圖16。相同波高條件下周期的增大引起位移緩慢減小，這是由于周期增大使得運動頻率變化，劇烈程度降低，使得浮子裝置接收能量的速度降低，位移變化稍有減小，但影響不大；相同周期條件下，隨波高的變大浮子運動位移明顯加大。

浮體運動響應其他參數的對比如圖17、18、19所示，圖17中浮體裝置平均最大速度隨周期變化下降，主要是受到周期變大影響，使得能量轉化頻率下降，運動速度下降；圖18中與17變化原因相同，隨周期變大，運動加速度減小；圖19豎直方向上，浮體裝置所受波浪力隨周期增大而增大，主要是由于周期變大，導致周期內波浪所攜帶水體體量增大，使得每個波周期內能量增加，波浪力作用力增大。

從各個工況中的浮子運動情況看，浮子運動幅值在某一波浪頻率范圍內出現較大波動，運動幅度出現峰值；時域運動響應規律與前期研究中浮子裝置運動的位移以及速度變化相差不大，即裝置對于波能的吸收并未受到很大影響，在導管架平臺存在的情況下，浮子運動的理想波頻率在1.2～2.0Hz之間；通過時域方向上，各工況的橫向與縱向對比說明浮子發電裝置整體運動性能良好，因此，振蕩浮子式波能發電裝置在與采油平臺的導管架相結合的狀態下，其運動形態與速度變化并未受到太大影響，波能吸收狀態良好，此種形式是可行的。

圖16　平均最大位移

圖18　平均最大加速度

圖19　平均z方向最大波浪力

4結語

通過水動力學軟件模擬計算研究表明，波能發電裝置與平臺結合是可行的，裝置在初步設計狀態下，運動效果良好，在正常工作海況下，裝置運行正常，未出現破壞或停止工作狀況。運動幅度相對較大，波能利用率并未受到平臺太大影響。本文主要通過數值模擬計算為后期試驗及海試研究提供了一定數據支持，后續具體實際情況后續仍然需要大量驗證及補充計算。

參考文獻：

[1]賴向軍, 戴林.石油與天然氣—機遇與挑戰 [M]. 北京： 北京化學工業出版社, 2005: 6-10.

Lai Xiangjun, Dai Lin. Oil and Natural Gas-Opportunities and Challenges [M]. Beijing: Beijing Chemical Industry Publishing House, 2005: 6-10.

[2]孫洪, 李永祺. 中國海洋高技術及其產業化發展戰略研究[M]. 青島：中國海洋大學出版社, 2003: 3-15.

Sun Hong, Li Yongqi. Research On the Ocean Technolegy of China and Its Industrial Development [M]. Qingdao: Ocean University of China Press, 2003: 3-15.

[3]Lagstroem G. Sea power international-floating wave power vessel, FWPV[C]//Wave Power-Moving Towards Commercial Viability. London, UK: Institution Of Mechanical Engineers Seminar, 1999: 8-12.

[4]Frigaard P, Kofoed J P, Rasmussen M R. Overtopping Measurements on the wave dragon nissum bredning prototype [C]//Proceeding of the Fourteenth Inter-national Offshore and Polar Engineering Conference. Toulon, France: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2004: 210-216.

[5]Retzler C. Measurments of the slow drift dynamics of a model Pelamis wave energy converter [J]. Renewable Energy, 2005, 31: 257-269.

[6]史宏達, 高人杰, 鄒華志. 一種振蕩浮子波能發電裝置的研究[C]. 北京: 中國可再生能源學會2011年學術年會, 2011.

Shi Hongda, Gao Renjie, Zou Huazhi. Study On the Oscillating buoy wave power device [C]. Beijing: Renewable Energy Meeting of China in 2011, 2011.

[7]史宏達, 劉棟, 劉臻. 一種新型波能發電裝置的運動響應計算[D]. 青島: 中國海洋大學, 2010.

Shi Hongda, Liu Dong, Liu Zhen, Calculation of the Motion Response of a Novel Wave Energy Convetor [D]. Qingdao: Ocean Univercity of China, 2010.

責任編輯陳呈超

A New Wave Energy Convertor Combined with Oil Production Platform

LIU Zhen1, 2, FAN Hai-Wen1, YAN Hao-Ran1, ZHAO Huan-Yu1, YANG Wan-Chang1, JIN Ji-Yuan3

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Marine Renewable Energy Key Laboratory, Qingdao 266100, China; 3.Korea Research Institute of Ship and Ocean Engineering, Daejeon 305343, Korea)

Abstract:Based on the former studies on oscillating-buoy type wave energy converter, a new wave energy converterwas proposed in the present paper, which is combined with the oil platform. The hydrodynamic software Ansys-AQWA was employed to carry out all the numerical simulations. The forces on the device and corresponding movement responses were calculated under various wave conditions. The stability and output power analysis indicates: the operational stabilities of the wave energy device and platforms are good. The wave energy absorption ratio is not affected by the platform, which has demonstrate that the feasibility of the proposed design. It was found that 1.2～2.0Hz is the optimal wave frequency zone. On the other hand, the vertical mean maximum movement, maximum velocities and accelerations are in the positive correlation to the incident wave height. The vertical mean maximum accelerations are in the negative correlation to the incident wave periods. In addition, the vertical mean maximum wave forces are in the positive correlation to the wave periods. The above results will provide sufficient data support to the further studies.

Key words:AQWA; convertor; numerical simulation; wave energy; platform

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140085

中圖法分類號：TM619

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)02-124-07

作者簡介：劉臻(1979-)，男，副教授。E-mail:liuzhen@ouc.edu.cn

收稿日期：2014-03-17；

修訂日期：2015-01-10

基金項目：?山東省自然科學基金項目(JQ201314)；國家自然科學基金項目(41376100)；國家高技術研究發展計劃項目(2012AA052601)；海洋可再生能源專項(GHME201113L04)；韓國船舶與海洋工程研究院項目(PES1920)資助

引用格式：劉臻， 范海文， 燕浩然, 等. 一種與采油平臺結合的新型波浪發電裝置[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016, 46(2)： 124-130.

Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation (JQ201314)；National Natural Science Foundation (41376100)；863 Project (2012AA052601)；Ocean Renewable Energy Special Fund Project (GHME201113L04)；Korea Research Institute of Ships &Ocean Engineering(KRISO)Endowment-Grant(No.PES1920)