海上風電機組延伸腿上移式張力腿基礎的運動性能研究

上海綠色環保能源有限公司 ■ 任浩翰 顧李凌

上?？睖y設計研究院有限公司 ■ 范可*

0 引言

深遠海域風能資源豐富，可開發性好。漂浮式海上風電機組不僅能適應深遠海域的水深條件，彌補了固定式海上風電機組基礎因水深不足而造成經濟性差這一缺點，而且對遠海孤立島嶼的開發有著重大意義。張力腿(Tension Leg Platform，TLP)基礎作為海上風電漂浮式基礎最重要的基礎結構形式，研究其運動響應影響因素具有重大意義。

現有的TLP式海上風電機組基礎主要有經典TLP式、海之星TLP式和賽莫斯TLP式[1]，如圖1所示。由于TLP式海上風電機組基礎是由TLP式海上石油基礎演變而來，且目前建成的TLP式海上風電機組基礎的工作水深基本達百米深，張力筋長度足夠。但對于我國東海海域而言，水深條件較差，張力筋長度的縮短會大幅增大基礎結構的固有頻率，對其運動性能有不利影響。本文的研究基于一種延伸腿上移式TLP基礎，如圖2所示，研究結合上海周邊水文測站及已建風電場的水文、風資源數據，建立與上海市外海環境荷載相適宜的數學模型。

圖1 3種TLP式海上風電機組基礎

圖2 延伸腿上移式TLP基礎

1 荷載條件

1.1 波浪荷載

波浪數據利用東海海域大戢山海洋測站的長期觀測數據，得到用于數值模擬的風電場波浪數據，如表1所示。

表1 波浪條件

1.2 海流荷載

海流數據參考大戢山海洋測站4個站點E1～E4的長期觀測數據，得到用于數值模擬的風電場海流數據，如表2所示。其中，H代表水深；V代表海流流速；D代表海流的流向角度。

表2 最大海流流速

1.3 風電機組荷載

風電機組荷載包含風荷載因素，參照已建海上風電場的同等量級發電量的風電機組荷載參數實測數據，模擬計算使用對應工況的風電機組荷載時程曲線進行加載。

2 數值分析

本研究以6 MW海上風電機組作為目標基礎風電機組，建立延伸腿上移式TLP基礎模型，如圖3所示。圖4為傳統延伸腿式TLP基礎模型，其基礎結構參數如表3所示。

2.1 基礎結構頻域分析

RAO(Response Amplitude Operator)為幅值響應算子，是波浪波幅到漂浮式基礎各位置參數的傳遞函數，反映單位波浪作用下漂浮式基礎自由狀態的運動情況。

圖3 延伸腿上移式TLP基礎模型

圖4 傳統延伸腿式TLP基礎模型

表3 傳統延伸腿式TLP基礎結構參數

從圖5～圖8的基礎結構自由運動響應RAO可以看出，該基礎縱蕩自由度上的運動響應RAO隨著頻率數值的增大而減小，并隨波浪入射角的增大而減??；對于基礎垂蕩自由度上的運動響應RAO，不隨波浪入射角的改變而改變，在頻率為0.33°/s時有最大值，即對應波浪周期為19 s時，其自由運動狀態下運動響應有最大值，考慮TLP基礎對垂蕩方向的約束較為嚴格且其在垂蕩方向上會產生高頻振動，因此其頻率值較安全；該基礎橫搖自由度上的運動響應RAO隨著波浪入射角的增大而增大，在頻率為0.3°/s時有最大值；該基礎艏搖自由度上的運動響應RAO數值較小，隨波浪入射角的增大先增大后減小，在入射角為45°時有最大值，在頻率為0.7°/s時有最小值，在頻率為1.48°/s時處有最大值。

圖5 基礎結構縱蕩自由運動響應RAO

圖6 基礎結構垂蕩自由運動響應RAO

圖7 基礎結構橫搖自由運動響應RAO

圖8 基礎結構艏搖自由運動響應RAO

2.2 基礎結構時域分析

基礎運動響應時域分析結果是基礎運動特性的直觀反映。首先可以通過模擬靜水衰減實驗得到基礎的固有頻率；然后選取正常使用狀態極限工況和承載力極限狀態工況進行運動響應時域分析，通過得到的基礎結構縱蕩(橫蕩)、垂蕩、橫搖(縱搖)和艏搖自由度上的基礎位移和加速度變化，可以直觀反映出基礎結構的水動力特性；同時還可以通過得到的張力筋腱的拉力曲線來判斷張力筋的受力情況。

2.2.1 基礎結構固有周期

結構的固有周期影響著結構的運動響應及結構疲勞。通過模擬靜水衰減實驗，得到如表4所示的結構固有周期。從圖4可以看出，相比于傳統延伸腿式TLP基礎，延伸腿上移式TLP基礎橫蕩、縱蕩自由度上的固有周期有了顯著提高。由于延伸腿上移式TLP基礎結構在垂向抑制、水平向自由的特點，其垂蕩固有周期較小，為0.4 s；橫搖、縱搖自由度上固有周期受到結構垂向位移的限制，其固有周期較自由運動狀態下大幅減小，為0.8 s；而在水平面內，由于沒有約束作用，其橫蕩、縱蕩周期均為24 s；基礎艏搖周期為3.2 s，相比傳統延伸腿式TLP基礎有所減小，這與基礎結構延伸腿的提高改變了基礎重心和浮心的相對位置有關。延伸腿上移式TLP基礎的6自由度固有周期均避開海浪能量集中區域周期5～15 s，結構運動性能良好。

表4 基礎結構固有周期

2.2.2 基礎結構運動響應

在時域分析中，選取正常使用狀態極限工況和承載力極限狀態工況；波浪荷載采用1年一遇和50年一遇的Jonswap譜，海流作用方向與波浪荷載方向一致；風荷載使用對應工況的風電機組荷載時程曲線進行加載，風向與波流方向夾角從0°～45°不等，得到基礎結構運動響應均值，如表5所示。

表5 基礎結構運動響應均值

由風電機組基礎運動響應結果可以看出，在縱蕩和橫蕩自由度上的運動響應隨風浪流夾角的增大而減小，運動響應數值較大；極端工況中，風浪流同向時基礎最大平均漂移為2.0 m，這是由于結構在水平面內約束自由，風浪流同向作用在結構上時會加劇結構在該方向上的運動偏移?；A垂蕩自由度上的運動響應受風浪流夾角影響較小，垂蕩運動較為穩定，這與TLP基礎系泊方式有關，其運動響應滿足TLP基礎結構運動響應要求?；A橫搖、縱搖和艏搖自由度上的運動響應受荷載作用影響較小，符合TLP基礎結構運動響應特點，滿足運動響應要求[2]。

通過水動力特性時域計算，得到正常使用狀態極限工況和承載力極限狀態工況下的結構加速度運動響應，如表6所示。

風電機組基礎運動響應加速度對風電機組的正常運行和維護有著重要的意義，一般要求滿足相關風電機組廠家提出的需用加速度即可。計算得出本基礎結構運動響應的加速度滿足要求。

該結構系泊系統由4根張力筋組成，通過基礎結構運動響應時域分析，得到正常使用狀態極限工況和承載力極限狀態工況下的4根張力筋Tether1～ Tether4各自的受力情況，如表7所示。

表6 基礎結構加速度運動響應

由不同工況下風電機組基礎張力筋的受力情況可以看出，基礎結構中，基礎張力筋受到的最大拉力和平均拉力較為接近，小于張力筋斷破強度，張力筋受力均勻，且無松弛現象產生；對于傳統延伸腿式TLP基礎來說，由于基礎結構水深限制，張力筋長度較短，張力筋受力不均勻，常有松弛現象產生，不能滿足張力筋工作要求。延伸腿上移式TLP基礎較傳統延伸腿式TLP基礎的張力筋受力性能優。

表7 基礎結構加運動響應

3 結語

本文提出了一種海上風電機組延伸腿上移式TLP基礎，并研究了其頻域和時域的運動響應特性，采用實測波浪荷載，對其進行結構特性分析，得到如下結論：

1)延伸腿上移式TLP基礎有助于提高結構水平面內自由度的固有周期，結構的縱搖、橫搖有較好周期。

2)延伸腿上移式TLP基礎增加了張力筋長度，有利于張力筋腱均勻受力。3)延伸腿上移式TLP基礎在目標海況下，基礎結構運動性能良好，運動響應滿足設計要求。

[1]衛濤.基于TLP原理的海上風電機組浮式基礎研究[D].鎮江: 江蘇科技大學, 2014.

[2]Casale C, Lembo E, Serri L, et al.Preliminary Design of a Floating Wind Turbine Support Structure and Relevant System Cost Assessment[J].Wind Engineering, 2010, 34(1):29－50.