風機運輸船浮運過程耐波性分析?

丁紅巖， 石建超， 張浦陽， 樂叢歡， 黃 旭

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

?

研究簡報

風機運輸船浮運過程耐波性分析?

丁紅巖1,2,3， 石建超3??， 張浦陽1,2,3， 樂叢歡1,3， 黃 旭3

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

針對海上風電一體化安裝技術中的浮運安全環節，采用海洋工程設計軟件MOSES對風機運輸船在浮運過程中的動力響應進行模擬分析。通過對船體及風電機組的各向加速度、位移及拖纜力等因素的模擬分析，研究波浪方向、波高以及筒型基礎內部水封高度對風機運輸船浮運過程中耐波性的影響。結果表明：波浪方向以及波高是風機運輸船浮運過程中的重要外部條件；風機運輸船隨浪浮運較逆浪浮運更為平穩，船體耐波性更好，在風浪較大的情況下，盡量不要逆浪航行，以保證浮運的安全；隨著波高的增大，風機運輸船浮運的穩定性變差；通過對鋼吊纜張力及艙內氣壓值的觀測，能評估風機運輸船在波浪作用下的穩定性，從而可及時采取相應措施保證浮運的穩定；筒型基礎內部的水封高度是影響風電機組自身穩性的一個重要條件，一定范圍內，筒型基礎的水封高度越大，風機運輸船浮運的耐波性越好。

加速度；水封高度；波高；氣浮拖航

海上風電是一種清潔、可再生能源的形式，近年來應用越來越廣泛。出于對沿海地區居民生活的考慮，海上風電場離岸越來越遠，筒型基礎的研究也隨之興起。筒型基礎是一種無底結構，通過向其內部充氣，利用一定的液封高度，將氣體貯存在封閉空間內，可以實現自浮拖航，這一優勢在淺海區域海上風電基礎運輸安裝過程中體現的尤為明顯[1-2]。Maurizio Collu等[3]對海上風電在海上的運輸與安裝進行了詳盡的分析，但他們研究的對象是實浮體，沒有涉及到氣浮拖航的部分。筒型基礎是一種氣浮體，在拖航過程中的動力特性與船舶等實浮體存在明顯的差異。在數值模擬中，一般將實浮體看作支承于水彈簧上的剛性結構；對于氣浮體，應該將其模擬為支撐于氣彈簧與水彈簧的耦合彈簧上的柔性基礎[4-7]。氣彈簧與水彈簧的耦合彈簧的剛度等特性與純水彈簧有很大的區別。天津大學丁紅巖等[8-12]通過一系列數值模擬及試驗分析，對筒型基礎的動力特性進行了研究。筒型基礎能實現自浮，但其本身不具備動力系統，需要風機運輸船進行拖航作業。海上風電結構一體化安裝技術的浮運分析不是對單一浮體進行分析，而是多浮體組合結構的耦合運動分析。本文通過水動力學軟件MOSES進行模擬，對風機運輸船進行耐波性分析，研究波浪對風機運輸船浮運的影響，同時確定風電機組結構合適的水封高度，并在極限工況下對運輸船及風電機組浮運的穩定性進行了分析。

1 風機運輸船模型

新型的海上風電一體化安裝技術的浮運方案并不是將風電機組固定在運輸船上，而是充分利用風電機組的筒型基礎的自浮能力，僅通過柔性系纜將風電機組與風機運輸船相連，形成多浮體的組合浮運方案。風機運輸船作為海上風電項目的配套船舶，主要用于整體運輸海上風力發電機的筒體、機艙、葉片及其基礎(以下簡稱風電機組)到海上風力發電場，并將風電機組安裝就位。本文所用運輸船是一艘非自航、配備2臺固定的3200T桁架式吊機的重吊船。通過拖輪拖帶本船可于近海航區航行，并可在相應海域作業。運輸船整體為箱型結構，主甲板為連續甲板，艏、艉部各設有直徑41 m的半圓形凹槽，用于容納風力發電機的基礎。風機運輸船立面及平面圖如圖1所示，其各部分參數見表1。

圖1 海上一體化安裝風機運輸船立面及平面圖

圖2 風電運輸船MOSES模型

項目Item尺寸Dimensions總長Length157．60m型寬Breadth66．00m型深Moldeddepth6．50m設計吃水Designeddraft2．00m排水量Displacement15000t凈重Netweight6000t壓載水艙Ballasttanks3500m3

通過MOSES對風機運輸船及風電機組進行模擬分析，計算模型如圖2所示。MOSES采用三維勢流理論，能夠在時域仿真、靜力過程以及頻域過程中進行詳細的應力分析，且對所分析的模型尺寸、物體數量、工況數沒有本質上的限制。

由于模擬分析的重點是風機運輸階段船體及風電機組在動力特性上的相互影響，不考慮船體上的細部結構，因而在不影響運動分析結果的前提下對船體上部結構進行了簡化。風機運輸船運輸的風電機組以3 MW作為設計依據，其設計參數見表2。采用氣浮模型模擬在船艏和船艉布置的兩臺風電機組，船體本身采用實浮模型，風電機組與船體塔架通過柔性吊索進行連接，多根柔性拉索沿著筒型基礎的頂面的圓周均勻布置，柔性拉索的兩端分別連在筒型基礎頂面外沿及其正上方的船體橫梁上。通過圖2所示的船體最高處的橫梁限制塔筒的運動，從而限制了風電機組的縱搖、橫搖運動，因此也保證了在一般情況下，筒型基礎不會出現大的傾斜導致筒型基礎內部的氣體溢出。柔性拉索僅能承受拉力，不能承受壓力。船體與風電機組產生相對運動時，由拉索提供恢復力。在模型中還考慮了風機葉片及機艙引起的自重偏心。

表2 風電機組設計參數

在浮運過程中，可通過改變運輸船鋼吊索張力與筒型基礎內部充氣量來調節風電機組的浮態。如圖3所示，風電機組的浮態包括結構外吃水(H)與筒型基礎內外液面高度差(h=H-H1)兩部分。鋼吊索張力決定了筒型基礎內外液面高度差，筒型基礎內部充氣量則決定了其內外液面吃水高度，從而確定了風電機組結構初始浮態。風機運輸船的浮運分析是組合多浮體耦合運動分析，風機運輸船浮運分析包括船體和風電機組兩部份。

圖3 風電機組初態示意圖

2 波浪方向對風機運輸船浮運的影響

在風機運輸船實際浮運過程中，波浪作用方向是任意的。為了探究波浪方向對于運輸船動力響應的影響，本文利用MOSES建立風機運輸船浮運模型，選用了隨浪拖航(波浪方向與運輸船運動方向相同)與逆浪拖航(波浪方向與運輸船運動方向相反)2種工況進行模擬分析。在風電機組的初始浮態、拖航速度、波高及波浪周期一定的條件下，對風機運輸船隨浪與逆浪運動的動力響應進行對比分析。

模擬分析所選取的邊界條件為：風電機組吃水4m，筒型基礎內外液面高度差2m；波高2m，波浪周期6s；拖航速度3m/s。隨浪與逆浪浮運時船體鋼吊索張力時程曲線、風電機組及船體各向加速度時程曲線如圖4～7所示。

圖4 鋼吊索張力時程曲線

圖5 風電機組縱向加速度時程曲線

圖6 風電機組結構垂向加速度時程曲線

圖7 船體垂向加速度時程曲線

由圖4可看出，相對于隨浪浮運，逆浪浮運的所需鋼吊索張力更大，并且鋼吊索張力變化的幅度更大、頻率更高。這表明風電機組在逆浪浮運過程中的動力響應更為劇烈，需要鋼吊索提供更大的扶正力來維持風電機組的平衡。如圖5～7所示，風電機組的縱向加速度在隨浪浮運和逆浪浮運兩種工況下區別不大，逆浪浮運工況下風電機組的縱向加速度較隨浪工況下略有增加，但漲幅不大，變化頻率近乎一致。逆浪浮運工況下，風電機組和船體的垂向加速度均大于隨浪浮運，隨浪浮運更平穩。在逆浪浮運時應保證風電機組的筒型基礎內有一定的水封高度，防止其內部氣體逸出，造成運輸船傾覆。

由上述分析可知，風機運輸船隨浪浮運較逆浪浮運更為平穩，船體耐波性更好。在風浪較大的情況下，盡量不要逆浪航行，以保證浮運的安全。

2.1 波高對風機運輸船浮運的影響

波高對運輸船浮運有較大的影響，本節針對不同波高條件下風機運輸船隨浪浮運的穩定性進行了分析。在保證風機運輸船的初始浮態等其它條件相同情況下，分別選取波高1、2和3m 3種工況進行分析。鋼吊索張力及拖纜力分析結果如圖8～9所示。

圖8 鋼吊索張力時程曲線

如圖8所示，波高變化對鋼吊索張力有較大影響，鋼吊索張力隨波高的增大而增大，尤其是當波高接近風機運輸船所能承受的極限波高時，鋼吊索張力的變化極其劇烈，在這種工況下，風機運輸船整體的穩定性非常差，只要外荷載稍有增大，就有可能導致風電機組及船體的傾覆。在沒達到極限波高的情況下，鋼吊索張力變化的頻率隨著波高變化不明顯，說明在安全范圍內，鋼吊索張力變化的頻率與波高無關。通過對鋼吊索張力及艙內氣壓值的觀測，能對風機運輸船進行穩定性評估，及時采取相應措施保證浮運的安全、穩定。

圖9 拖纜力時程曲線

如圖9所示，隨著波高增大，拖纜力有較大幅度的提高，但是拖纜力的變化頻率變化不大。這是因為，當波高增大時，波浪對于船體和風電機組的作用面積增大，從而增大了其作用力，因此在其他條件不變的情況下，需要更大的拖纜力。

風電機組及船體各向加速度時程分析結果如圖10～13所示。

圖10 風電機組縱向加速度時程曲線

圖11 船體縱向加速度時程曲線

圖12 風電機組垂向加速度時程曲線

圖13 船體垂向加速度時程曲線

如圖10及11所示，風電機組和船體的縱向加速度隨著波高的增大有而略有增大，但增幅有限，這是由于拖纜力變化的幅度增大而產生的附加影響，相對船體，風電機組的縱向加速度的增幅更為明顯一些，這是由于氣浮結構在模擬過程中的剛性小于實浮結構。

如圖12及13所示，波高的變化對風電機組及船體的垂向加速度影響更為明顯，隨著波高的增大，風電機組及船體的垂向加速度都有一個明顯的增大，且其變化的頻率也隨著波高的增大而增大，說明波高的增大對風電機組及船體的垂向運動影響最大；相對船體來說，風電機組受波高變化的影響稍小，這是由于筒型基礎內部封存的氣體有一個“氣墊”作用，能夠減緩波浪引起的浮體的垂向運動。

風電機組的筒型基礎艙內氣壓時程曲線如圖14所示。

圖14 筒型基礎艙內氣壓時程曲線

如圖14所示，當波高較小時，艙內氣壓水頭較為平穩，其波動幅值較小；隨著波高增大至2 m，艙內氣壓水頭總體較為平穩，但已出現個別較大數值；當波高增大至接近極限波高(3m)時，艙內氣壓水頭變化劇烈，數值較大，反映出風電機組運動較為劇烈。由于艙內液面高度與艙內氣壓水頭大小成相反關系，因而當筒型基礎內部氣壓水頭較大時，艙內液面高度較小且變化較大，極易出現水封高度為零的情況，導致艙內氣體逸出。

2.2 極限波浪作用下風機運輸船浮運穩定分析

海上風電一體化安裝技術實施速度快，風機運輸及安裝作業時間較短，在作業前能根據氣象預報進行合理安排，選擇風浪較小的時間段進行海上浮運、施工。浮運作業設計極限條件：風速17m/s，流速3m/s，浪高不超過4m。當海上波浪較大時，應保證風電機組的筒型基礎艙內有一定高度的水封高度，以防止艙內氣體在波浪作用下逸出。設置風電機組吃水為4m，取水封高度分別為1、2和3m在極限工況下進行浮運分析，即外部條件為浪高4m，風速17m/s，流速3m/s。

模擬分析結果如圖15～17所示：

圖15 筒型基礎艙內氣壓時程曲線

如圖15所示，通過MOSES時程分析，我們發現在極限工況下，當水封高度為1和2 m時，風電機組在風浪作用下，基礎艙體內氣壓會發生突變，出現艙內氣壓為零的情況，即艙內氣體全部逸出，最終產生傾覆，如圖16所示。而當水封高度為3 m時，由于水封高度較高，內部氣壓值較小，在風浪作用下，內部氣壓一直在允許范圍內變化。保證艙內有一定的水封高度，在極限工況下，浮運較為安全。

在風電機組吃水相同的條件下，一定范圍內，水封高度越大，其耐波性越好，能經受更大的波浪，風機運輸船隨浪浮運耐波性較逆浪浮運耐波性好。對于不同水封高度的風電機組，應對隨浪及逆浪浮運時，風電運輸船能經受的極限波高進行分析。以風電機組4 m吃水為例進行風機運輸船極限波高分析，結果見圖17。

圖16 風機運輸船發生傾覆

圖17 風電運輸船浮運極限波高

由圖17可知，無論是隨浪還是逆浪，風電機組的筒型基礎的水封高度越大，風機運輸船能經受的極限波高也越大；在水封高度較小時(小于2m)，逆浪浮運的耐波性很差，在風浪作用下很容易出現傾覆現象。

3 結論

波浪方向以及波高是風機運輸船浮運過程中的重要外部條件。

風機運輸船隨浪浮運較逆浪浮運更為平穩，船體耐波性更好。逆浪工況下，風機運輸船在浮運過程中的穩定性較差，在風浪較大的情況下，盡量不要逆浪航行，以保證浮運的安全。

隨著波高的增大，風機運輸船浮運的穩定性變差，當波高增大至接近極限波高時，風機運輸船的鋼吊索張力、筒型基礎內部氣壓水頭、船體及風電機組的各向加速度變化劇烈，風機運輸船的浮運處于危險狀態。通過對鋼吊索張力及艙內氣壓值的觀測，能對風機運輸船在較大波浪作用下的穩定性進行評估，及時采取相應措施保證浮運的穩定。

筒型基礎內部的水封高度是影響風電機組自身穩性的一個重要條件，當筒型基礎內部水封高度較小時,在極限風浪作用下，可能出現筒型基礎內部氣體溢出，風機運輸船傾覆的現象；在其他條件相同情況下，一定范圍內，筒型基礎的水封高度越大，風機運輸船浮運的耐波性越好。

[1] 李蔚, 譚家華, 潘斌. 桶型基礎平臺拖航穩性研究[J]. 海洋工程, 1999, 17(3): 11-16. Li Wei, Tan Jiahua, Pan Bin. Towing stability research of bucket foundation platform[J]. The Ocean Engineering, 1999, 17(3): 11-16.

[2] 樂叢歡, 丁紅巖, 董國海. 多元統計在四筒吸力錨平臺氣浮拖航模型試驗中的應用[J]. 重慶大學學報, 2011, 34(10): 46-53. Le Conghuan, Ding Hongyan, Dong Guohai. Application of multivariate statistics in model experimental analysis of air cushion towing of 4-suctin anchor platform[J]. Journal of Chongqing University, 2011, 34(10): 46-53.

[3] Maurizio Collu, Alan Maggi, Paola Gualeni, et al. Stability requirements for floating offshore wind turbine (FOWT) during assembly and temporary phases: Overview and application[J]. Ocean Engineering, 2014, 84: 164-175.

[4] 別社安, 徐艷杰, 王光綸. 氣浮結構的靜穩性分析[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2002, 42(2): 274-277. Bie Shean, Xu Yanjie, Wang Guanglun. Static stability analysis of air floated structures[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2002, 42(2): 274-277.

[5] 別社安, 趙沖久, 及春寧, 等. 筒型基礎海洋平臺氣浮拖航穩性分析[J]. 天津大學學報, 2002, 35(2): 221-225. Bie Shean, ZHAO Chongjiu, JI Chunning, REN Zengjin. Stability analysis of the bucket foundation platform transported by air floating[J]. Journal of Tianjin University, 2002, 35(2): 221-225.

[6] Pinkster J A, Scholte E M. The behaviour of a large air-supported MOB at sea[J]. Marine Structures, 2001, 14: 163-179.

[7] Thiagarajan K P, Michael T, Thomas M. Wave-induced motions of an air cushion structure in shallow water[J]. Ocean Engineering, 2006, 33: 1143-1160.

[8] 丁紅巖, 張浦陽. 多筒系纜平臺原型頂升試驗研究[J]. 巖土力學, 2008, 29( 6): 1585-1588. Ding Hongyan, Zhang Puyang. Prototype tests during pull up processes of a multi-bucket foundation dolphin platform[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(6): 1585-1588.

[9] 樂叢歡, 丁紅巖, 董國海, 等. 縱傾角對筒基平臺氣浮拖航影響模型試驗研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2012, 40(6): 86-89. Le Conghuan, Ding Hongyan, Dong Guohai, et al. Model test and analysis of influence of trim angle on towing of platform with air cushion supported by bucket foundation[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2012, 40(6): 86-89.

[10] 樂叢歡, 丁紅巖, 張浦陽. 拖纜長度對筒基平臺氣浮拖航影響的試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2012(7): 811-816. Le Conghuan, Ding Hongyan, Zhang Puyang. Testing research on the influence of the towline length on air cushion towing of a bucket foundation platform[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2012(7): 811-8162.

[11] 丁紅巖, 黃旭, 張浦陽, 等. 筒型基礎平臺氣浮拖航的影響因素分析[J]. 工程力學, 2012(10): 193-198. Ding Hongyan, Huang Xu, Zhang Puyang, et al. Analysis on influence factors of towing of air float bucket foundation platform[J]. Engineering Mechanics, 2012(10): 193-198.

[12] Zhang Puyang, Ding Hongyan, Le Conghuan, et al. Towing characteristics of large-scale composite bucket foundation for offshore wind turbines[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2013(3): 300-304.

責任編輯 陳呈超

Analysis of Wind Turbine Transport Ship Seakeeping Performance During Towing

DING Hong-Yan1,2,3, SHI Jian-Chao3, ZHANG Pu-Yang1,2,3, HUANG Xu3

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.The Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

To study the safety of the towing aspect of the integrated installation technology, the ocean engineering software MOSES was used to simulate dynamic response of the wind turbine group (WCG) and the transport ship. Through the analysis of acceleration, displacement, towing force and other factors of WCG and wind turbine transport ship, the effects of wave direction, wave height and internal water seal height of bucket foundation on transport ship seakeeping performance were studied. The results showed that: the direction and height of the wave is important external conditions for transport ship; Transport ship is more stable and has a better seakeeping performance when towing along the wave direction than towing against the wave direction; when confronted with large waves, try not to sail against the wave direction to ensure the safety of the floating. As the wave height increases, the stability of transport ship is worse; the stability of transport ship can be assessed through observation of steel cable tension and the air pressure of bucket foundation so that appropriate measures can be taken in time to ensure the stability of the floating; The water seal height of bucket foundation is an important condition for stability of the wind turbine itself, within a certain range, the larger of water seal height of bucket foundation, the better of seakeeping performance of wind turbine transport ship.

acceleration; water seal height; wave height; air floating towing

國家自然科學基金項目(51309179)，天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(14JCQNJC07000)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51309179)；Tianjin Municipal Natural Science Foundation (Grant No. 14JCQNJC07000)

2015-03-15；

2016-01-16

丁紅巖(1963-)，男，教授，從事結構工程及海洋結構工程相關研究。E-mail：dhy_td@163.com

?? 通訊作者：E-mail：zpy_td@163.com.

P751

A

1672-5174(2016)12-104-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20150117

丁紅巖， 石建超， 張浦陽, 等. 風機運輸船浮運過程耐波性分析[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(12): 104-110.

DING Hong-Yan, SHI Jian-Chao, ZHANG Pu-Yang， et al. Analysis of wind turbine transport ship seakeeping performance during towing[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12): 104-110.