一種具有能量吸收特性的非線性錨泊系統數值模擬與分析

崔 琳，欒富剛，段云棋

（國家海洋技術中心，天津　300112）

一種具有能量吸收特性的非線性錨泊系統數值模擬與分析

崔 琳，欒富剛，段云棋

（國家海洋技術中心，天津300112）

錨泊系統是離岸可再生能源發電設備的核心部分，其應對極端環境載荷的能力直接影響裝置浮式安裝基礎的可靠性與安全性。文中討論了一種具有能量吸收特性的新型錨泊系統，詳細分析了該錨泊系統的結構組成，通過建立數值模型進行仿真計算和分析，得出不同錨系配置方案和極端環境條件下的計算結果，證明這種新型錨泊系統具有良好的非線性載荷響應特性，可提高離岸可再生能源發電設備的可靠性和極端海況條件下的生存性。

新型錨泊系統；能量吸收；彈性纜；抗壓組件；非線性載荷響應

離岸可再生能源是近年來國際上海洋工程領域和可再生能源領域的交叉熱點問題，主要以海上風能、波浪能和潮流能的發電或利用技術為主，在海洋資源開發和能源利用方面占有舉足輕重的地位。

我國海上風能資源十分豐富，僅在水深50 m以淺海域70 m高度上的海上風電資源開發潛力就有500 GW[1]，而平均水深超過50 m的東海和南海地區海面上的年平均風速超過7 m/s[2]，蘊藏的風能更是不可估量。我國沿海地區也蘊藏著良好的波浪能和潮流能資源，據估計我國僅沿岸地區可利用的波浪能和潮流能資源就超過了27 GW[3]，離岸的波浪能資源開發潛力更加巨大。但我國人口眾多、沿海地區各種海洋活動異常頻繁，海域使用爭奪十分激烈，沿?；蚪兜暮Ｉ巷L能和海洋可再生能源開發受到海域使用的限制，而離岸的海上可再生能源因涉及的海域離岸線較遠、水深較大、可利用空間開闊，開發前景十分可觀。隨著我國經濟快速發展、電力需求不斷增加以及海洋發展戰略的全面實施，離岸可再生能源開發利用必將會成為我國大力發展的一項重要新能源產業。

離岸可再生能源發電設備大多情況下都處在水深超過50 m的深水區域，考慮經濟性通常采用漂浮式基礎或載體的結構形式。錨泊系統是發電設備漂浮式基礎的核心部分，錨泊系統的設計制造與布放安裝費用可占到整個浮式安裝基礎造價的1/3左右。錨系的安全性和可靠性直接影響整個浮式基礎的生存能力和設計壽命。

圖1　漂浮式離岸可再生能源發電設備

從離岸可再生能源發電設備的商業化角度來看，對于浮式海上風機或漂浮式的波浪能、潮流能裝置，開發高性能、高可靠性、低風險的錨泊系統可有效降低發電設備的綜合成本。雖然復雜的錨泊系統會導致錨系部分的投入增加，但通過對設備整體可靠性與壽命的提升，最終仍能實現均化發電成本的下降，顯著提升離岸能源技術的市場競爭力和商業化前景。

目前離岸可再生能源利用技術的主要瓶頸是高昂的浮式基礎造價和海上發電設備高風險、低可靠性之間的矛盾，國際上正在研究開發的具有能量吸收特性的新型錨泊技術可以有效解決離岸能源發電設備應對惡劣環境條件和極端海況時的錨泊系統失效問題，大幅提升海上浮式基礎結構的生存能力和安全性，為推動離岸可再生能源技術實現商業化規模應用奠定重要的技術基礎。

1　彈性錨泊系統研究歷史

帶有彈性效應的錨系纜一直以來是海洋結構物設計制造領域致力于發展的核心技術。從20世紀60年代開始，Wyman[4]在表面浮標上使用天然橡膠材料的系泊纜，增加錨系對浮體由于表面波浪運動或潮流變化受到的附加力的吸收。Paul等[5]對人造橡膠系泊纜與懸鏈式系泊的直接性能差異進行了對比，并指出前者能夠在惡劣海況下降低約1/3的錨系動態張緊力，有效增加錨泊系統的安全性，Wood和Joosten[6-7]將該研究結論應用到了實際的波浪浮標系統上。荷蘭Datawell公司的測波浮標產品Waverider就使用了完全的天然橡膠繩作為錨泊纜。Brown等[8]從1981年開始在錨泊系統上增加減震器或緩沖性部件，并成功在安裝有水下觀測系統的浮標上使用保護光電復合水下傳輸纜。2012年Bowie[9]最早提出將柔性系泊系統應用在浮式的海洋能發電裝置上，但漂浮式的海上發電裝置要求系泊纜的彈性特性在有限延展范圍內具有較強非線性剛度響應特性，特別是在錨系張緊力已超出彈性允許范圍時，這與海洋環境觀測的表面浮標需要的錨系特性是截然不同的。目前世界范圍內能夠具備上述性能的錨系技術主要有挪威的Seaflex[10]、美國的TFI[11]和英國?？巳卮髮W開發的Exeter Tether錨泊系統[12-13]。

2　具有能量吸收特性的彈性錨泊系統

錨泊系統的關鍵因素是其可靠性和剛度特性的有效組合和最佳性能配置[14]。埃克塞特大學基于美國TFI錨系技術在OPT公司波浪能發電浮標設備上的應用設計和測試試驗結果，提出了一種新型具有能量吸收特性的彈性錨泊系統。該錨泊系統是將軟彈性材料和剛性的熱塑性材料元件整合在一套系泊纜內。這種設計可以使錨系纜在工作條件下具有比較柔和的彈性響應，同時在極端海況下具有能夠承載更大載荷的剛性非線性響應。圖2展示了這種錨系纜的設計方案，圖2（a）為設計圖、（b）為裝配好的樣機。在這種新型錨泊系統中，彈性材料作為主要的系泊纜組件連接在兩個端板的中心位置，在端板外側是兩根鋼絲繩連接，用于束縛住3個抗壓元件。在正常載荷條件下由彈性纜提供系泊力和載荷響應，鋼絲繩和抗壓元件上沒有載荷；一旦彈性纜被拉伸到鋼絲繩接合和拉緊處時，抗壓元件將以非線性方式阻止彈性纜的繼續拉伸。

圖2　結合彈性纜和熱塑性抗壓元件的新型能量吸收錨泊系統

這種配置組合的潛力是能夠顯著降低普通錨泊系統配置方案的峰值載荷，并提供更好的載荷響應特性，在研究的模型配置方案中錨系纜承受的最大張力減少達到了90%[15]。而通過OPT公司采用錨系產品工業標準預測，使用這種設計的錨系性能曲線能夠減少約70%的載荷[11]。本文中的后續內容是針對在離岸可再生能源發電設備上采用這種錨泊系統開展的數值模擬，目的是確認能夠設計出具有較好載荷響應曲線的錨泊系統以制造實際的試驗樣機，并為試驗測試評估新型錨泊系統在不同工作條件下載荷特性和元件性能提供計算依據。

3　錨泊系統數值模型

離岸可再生能源發電設備的錨泊系統應滿足4項主要設計要求：

（1）生存能力：在極端載荷條件下保持系統完整性；

（2）可靠性：在特定的生命周期保持完整性和功能性；

（3）持續維持設計的封裝和柔性特性；

（4）性價比。

離岸可再生能源能源發電設備的錨泊系統通常從近海的海洋石油和天然氣工業衍生出來[16-17]，但是需要考慮特定的設計因素。為有效確保錨泊系統的生存性和可靠性，通常需要采取較大的最小斷裂載荷（MBL）并維持較高的安全系數（SOF）。對于傳統的錨泊系統設計，為實現這一點或使用更大的錨系封裝，或考慮有限的柔性特性。鑒于錨系成本與最小斷裂載荷的額定值成正比[18]，如果峰值載荷可以通過采用新型錨系方案來減少，錨系的成本將顯著降低，同時最小斷裂載荷的減少也將降低結構設計、連接器及安裝布放的成本。

決定設計載荷的錨泊系統關鍵參數是錨系纜的剛度，剛度特性對減少最小斷裂載荷的影響非常重要。本文引入一種具有代表性的非線性載荷響應曲線來評估在工作條件及極端環境載荷（臺風條件）下新型錨泊系統解決方案的可行性及剛度特性。本文使用Orcina的海洋動力學計算軟件OrcaFlex對錨泊系統的載荷進行建模和計算分析。該軟件采用三維非線性時域有限元方法解決線性物體的動態特性，并采用集總質量單元法描述錨泊系統的質量分布。

3.1計算模型建立

建立初始的數值模型是為保證第一次模擬計算的可行性。

計算模型包括以下部分：

（1）6D SPAR式浮體：具有六自由度運動及相關的質量和轉動慣量。流體動力載荷計算基于莫里森方程，即對浮標的水下部分進行附加質量和拖曳力計算，見表1；

（2）三條總長為57 m的系泊纜（見圖3和圖4）；圖5為給定的新型錨系纜的載荷響應曲線；

（3）與6D自由運動浮標的錨系連接點；

（4）纜繩的錨點。

表1　六自由度浮體計算模型的設計參數

圖3　錨系配置（俯視圖）：入射波與纜繩I（Line 1）共線

圖4　錨系配置：50 m水深拉緊式錨定配置、7 m部分非線性特性錨系纜

為評估新型錨泊系統的效果，在同樣環境條件下進行了兩種方案的建模：

（1）參考案例：7 m部分采用普通的懸鏈纜；

（2）新型錨泊系統：7 m部分采用具有圖5所示的非線性載荷響應特性的系泊纜。

圖5　用于數值模型計算、具有非線性軸向剛性的錨系纜載荷-伸長率曲線

3.2計算結果

初步計算結果可歸納為以下兩點：（1）系泊纜I（Line 1）在承受最高負載下有最大有效張力；（2）垂蕩位移與有效動力輸出（PTO）相關。下圖是系泊纜I在Hs=7m，T=10 s條件下的有效張力。圖示結果表示在給定的張力下，新型錨泊系統的系泊纜繩最大張力由833 kN降低為663 kN，降低了20%，并沿纜繩長度方向逐漸輕微減少，而平均張力降低了約10%。

圖6　纜繩I（Line 1）的最大和平均張力

圖7為系泊I的頂端在Hs=7 m，T=10 s條件下的有效張力和垂蕩位移的時序圖。圖中給出了預估力的直接對比，并描繪出了非線性系泊系統對最大峰值力的緩解效果。對于點吸收式的波浪能發電裝置來說，錨系的垂蕩運動是不應該受到限制的，應能夠保持其固有的運動規律，位移的時序結果顯示其運動并未受到影響。

圖7　纜繩I頂端有效張力時序圖

圖8　垂蕩運動位移時序圖

基于初步計算結果，整合計算數據可進行極端環境（臺風條件）下的浮體和錨系的環境適應性分析。由于新型錨泊系統的特點是組件的非線性負載響應，因此將一個起伏運動的浮體和錨泊系統模型作為統一的基礎考慮。對于普通的系泊系統和新型系泊，可通過測試最大載荷下系泊系統纜繩的峰值載荷減少程度來分析新型錨泊系統的效果。計算過程忽略了波浪能發電裝置動力輸出系統的能量傳遞機制對系泊纜的影響。

圖9　浮體與系泊系統風、浪、流非共線條件示意圖

表2　極端環境條件下（非臺風和臺風）的主要環境數據

進一步計算是考慮系泊系統系繩在兩種環境下的載荷響應。計算目的是減少錨泊系統在臺風環境下受到的有效張力，同時不限制波浪能發電裝置的升沉運動。圖10是計算模型在圖9的3個受力方向上軸向力的剛度變化曲線。

圖10　錨泊系統纜繩的剛度特性對比

圖11　極端環境（臺風）條件下新型錨泊系統的纜繩有效拉力與普通纜繩的數據對比

從圖中可看出，在相同纜繩形變長度下，新型系繩減少了最大負載方向（Line 3）上30%的峰值載荷，纜繩I和III承受的最大負載隨纜繩的長度變化都有所減少，纜繩II也有一定的負載減少效果。在浮體的垂蕩運動方面，對點吸收式波浪能發電裝置的運動并沒有產生太大的影響，如圖12所示。

圖12　新型系泊纜與普通纜繩的垂蕩運動比較

4　結論

計算結果表明，這種新型能量吸收錨泊系統具有良好的載荷特性，可有效降低錨系纜在最大負載方向的峰值載荷，同時對浮體的垂蕩運動不產生額外影響，適合作為離岸可再生能源發電設備的錨泊系統，提高離岸可再生能源發電設備在極端海況環境下的生存性和可靠性，進而加速離岸可再生能源技術的應用與商業化過程。下一步將結合試驗測試結果評估新型錨泊系統在各種工況下的真實載荷特性及組件性能。

致謝：感謝英國研究理事會以及英國工程與物理學研究基金會對項目管理的投入與支持。另外感謝項目合作方——英國埃克賽特大學在項目執行過程中的密切合作與通力配合。

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Numerical Modeling and Analysis of a Novel Non-linear Mooring System with Energy Absorption Characteristics

CUI Lin,LUAN Fu-gang,DUAN Yun-qi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Mooring system is the core part of the offshore renewable energy device,for its ability to bear extreme environmental loads directly influences the reliability and survivability of floating installation structure for the renewable energy device.This paper introduces a novel mooring system with energy absorption characteristics and gives detailed analysis for the structure composition of the mooring system.Different mooring system configuration schemes and calculation results in extreme environmental conditions are derived through numerical model establishment and simulation,which proves that the novel mooring system has good non-linear load response characteristics and can improve the reliability and survivability of offshore renewable energy generation devices under extreme sea conditions.

novel mooring system;energy absorption characteristics;flexible mooring cable,compressive component,non-linear load response

P743

A

1003-2029（2016）05-0045-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.009

2016-07-10

中英合作牛頓基金項目資助（EP/M019942/1）

崔琳（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為波浪能轉換與海洋能互補發電系統。E-mail：cuilin_oceanenergy@126.com