Spar風(fēng)機非穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)分析

俞玉蓮,茍洪順,邢啟險,孟 珣

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島266100)

目前海上風(fēng)電技術(shù)相對成熟，但是海上風(fēng)電多采用固定式基礎(chǔ)。然而有研究表明，當(dāng)水深超過50 m，浮式基礎(chǔ)更有經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)可靠性[1]，浮式基礎(chǔ)將會是深水區(qū)的最佳選擇。現(xiàn)在海上風(fēng)電的浮式支撐結(jié)構(gòu)主要包括4種：駁船式、半潛式、單柱式和張力腿式。浮式支撐結(jié)構(gòu)水動力特性和運動響應(yīng)是海上風(fēng)機設(shè)計的重要組成部分，是風(fēng)機安全運行的基礎(chǔ)保障。海上風(fēng)機基礎(chǔ)受到波浪、海流以及風(fēng)載荷的共同作用，處于相對惡劣的環(huán)境中。為此，很多學(xué)者對浮式基礎(chǔ)開展相關(guān)的研究[2-6]，但是以往很多學(xué)者在研究浮式風(fēng)機平臺的運動響應(yīng)中會把風(fēng)機上部氣動載荷簡化為質(zhì)量點加載在結(jié)構(gòu)上模擬，這種方式不能很好地反應(yīng)平臺較真實的運動響應(yīng)情況。因此，發(fā)展風(fēng)機的整體耦合運動響應(yīng)很有必要[7]。FAST軟件結(jié)合模態(tài)方程和多體動力學(xué)，適用于中等規(guī)模風(fēng)力機的氣動仿真。FAST可以對浮式風(fēng)機進行風(fēng)機葉片-控制系統(tǒng)-塔架-浮式平臺-系泊為一體的全耦合時域動力響應(yīng)分析。FAST通過調(diào)用ElastoDyn模塊計算彈性力學(xué)、AeroDyn程序計算風(fēng)機的空氣動力學(xué)、ServoDyn伺服控制風(fēng)機發(fā)電模塊、HydroDyn模塊計算水動力、MAP++模塊計算系泊系統(tǒng)進行仿真模擬。

目前已有一些學(xué)者基于風(fēng)機整體模型開展了研究。Li[8]等基于氣動-水動力-渦激-系泊耦合模型，研究了自由度之間的非線性耦合效應(yīng)和渦激載荷對浮式海上風(fēng)力機運動的影響。基于風(fēng)機整體系統(tǒng)，學(xué)者[9-11]研究指出風(fēng)機上部氣動載荷對系泊疲勞壽命的影響顯著，MA[12]研究表明風(fēng)載荷對縱蕩運動的影響非常顯著，縱蕩方向產(chǎn)生大幅度的慢漂運動，對浮體錨鏈載荷產(chǎn)生很大影響。張大朋[13]分析Spar型浮式風(fēng)機在不同系泊布置方式下系泊張力和浮式平臺動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)對等式的系泊布置方式整體上是優(yōu)于分組式。然而，鮮有人關(guān)注風(fēng)機啟動過程中的瞬態(tài)響應(yīng)分析，倪鵬[14]和吳松熊[15]指出浮式風(fēng)機正常啟動、關(guān)閉故障等工況的瞬態(tài)響應(yīng)分析需要進一步研究。根據(jù)挪威船級社統(tǒng)計[16]，一臺海上風(fēng)機平均每年遭遇停機故障高達(dá)40次。報告顯示[17-19]，荷蘭濱海埃赫蒙德海上風(fēng)電場機組在2007～2009年中，平均每年每臺停機210次(風(fēng)機/a)，停機時間7 h/次，一年中停機時間約占20%。由此，海上風(fēng)機的開關(guān)過程的瞬態(tài)響應(yīng)需要進一步分析。

文章選取5MW OC3 Hywind Spar浮式風(fēng)機為分析對象，采用大型風(fēng)力機的仿真軟件FAST,研究Spar風(fēng)機在中國南海某海域波浪、流以及風(fēng)的共同作用下運行和停機的運動響應(yīng)，以及風(fēng)機由于故障引起的開機和停機的過程中的瞬態(tài)響應(yīng)情況。

1 風(fēng)機整體基本參數(shù)信息

5MW風(fēng)機主要參數(shù)如表1所示，OC3 Hywind Spar風(fēng)機[20]的平臺結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)參數(shù)如表2和表3所示，Spar風(fēng)機模型和系泊布置方式如圖1所示。

表1 風(fēng)機基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of wind turbine

1-a 風(fēng)機尺寸參數(shù)1-b 系泊系統(tǒng)布置示意圖圖1 Spar風(fēng)機結(jié)構(gòu)模型 Fig.1 Structure model of Spar

2 分析方法

2.1 海上風(fēng)機多體動力學(xué)模型

FAST[21]采用Kane方法建立多體動力學(xué)模型，該方法直接利用達(dá)朗貝爾原理建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，具備矢量力學(xué)和分析力學(xué)的特點，對于復(fù)雜系統(tǒng)可以減少計算量。Kane動力學(xué)方程

(1)

根據(jù)Kane動力學(xué)方程，推導(dǎo)得到風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學(xué)方程的矩陣形式為

(2)

2.2 氣動載荷理論

FAST軟件采用經(jīng)典的葉素動量理論[22]計算風(fēng)機載荷。根據(jù)葉素理論，旋翼在半徑為r處的平面內(nèi)葉素受到斜向上的力dF，dF可以分解為垂直于風(fēng)機旋轉(zhuǎn)平面的推力dFa和平行于旋轉(zhuǎn)平面的扭矩dFu

(3)

(4)

式中：ρ為空氣密度；W為總風(fēng)速；l為半徑r處葉素弦長；Cl和Cd為葉素的升力與阻力系數(shù)；α為相對風(fēng)向角。

2.3 波浪載荷

Roald L[23]等研究發(fā)現(xiàn)OC3 Hywind Spar風(fēng)機中二階波浪力作用很小，則只考慮一階波浪力的作用，一階波浪力為

(5)

式中：N為不規(guī)則波分解為規(guī)則波后的個數(shù)；ηi為第i個規(guī)則波的波面高度；ωi為第i個規(guī)則波的頻率；Fi(ωi)為一階波浪力的傳遞函數(shù)。

2.4 數(shù)值模擬過程

文中采用葉片-控制系統(tǒng)-塔架-浮式平臺-系泊為一體的全耦合模型開展研究。采用OC3 Hywind Spar浮式風(fēng)機模型進行數(shù)值模擬。系泊系統(tǒng)1號錨鏈處于X軸正向位置，2和3號錨鏈關(guān)于X軸對稱。選取中國南海某海域風(fēng)浪流的長期分布作為環(huán)境條件[24]。風(fēng)文件由Turbsim程序生成，Kaimal風(fēng)譜，湍流強度B，額定風(fēng)速11.4 m/s，海洋環(huán)境參數(shù)選取JONSWAP海浪譜，有義波高6.8 m，譜峰周期10.2 s，流速0.642 m/s，波浪和風(fēng)方向均為0°(如圖1-b所示)。模擬時長3 600 s，首先模擬風(fēng)機在額定風(fēng)速下運行狀態(tài)下浮式平臺的運動響應(yīng)，其次模擬風(fēng)機一直處于停機狀態(tài)下平臺的運動響應(yīng)，為了避免數(shù)據(jù)偶然性2種模擬分別選取不同的風(fēng)和波浪的隨機種子各進行5次模擬，取平均值作為風(fēng)機運行和停機狀態(tài)下運動響應(yīng)的計算結(jié)果，對比風(fēng)機運行與停機狀態(tài)下平臺的響應(yīng)結(jié)果，探討氣動載荷對平臺運動的影響。最后模擬由故障引起風(fēng)機開關(guān)過程，在1 200 s時開機運行，在2 400 s時關(guān)閉風(fēng)機。將風(fēng)機運行、停機、開關(guān)機三者的運動響應(yīng)進行比較，探討開關(guān)機過程平臺的非穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)。

3 全耦合數(shù)值分析與比較

3.1 風(fēng)機運行和停機結(jié)果分析

為了排除剛開始一段時間內(nèi)平臺波動引起的極值造成數(shù)據(jù)的誤差，數(shù)據(jù)在處理過程中去掉前250 s數(shù)據(jù)，保證風(fēng)機是在運行和停機狀態(tài)下的響應(yīng)結(jié)果。如表4和表5所示為風(fēng)機運行狀態(tài)及風(fēng)機停機狀態(tài)平臺的運動和系泊張力響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果。

表4 風(fēng)機運行時平臺的運動響應(yīng)Tab.4 Motion response results of platform during uptime of wind turbine

表5 風(fēng)機停機時平臺的運動響應(yīng)Tab.5 Motion response results of platform during downtime of wind turbine

圖2 3種狀態(tài)下平臺縱蕩響應(yīng)Fig.2 Response of surge of platform with three states

表中的正負(fù)號代表方向，從計算結(jié)果來看，風(fēng)機運行相比于風(fēng)機停機時，垂蕩位移的最值以及向上垂蕩的平均值減小，向下垂蕩平均值增加。其余自由度受氣動載荷影響均不同程度的激發(fā)，其中縱蕩影響最大，運行時的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差相比停機是3.5、9.3、4.7、2.1倍，從標(biāo)準(zhǔn)差看出氣動載荷影響下縱蕩運動幅度遠(yuǎn)大于停機時的運動幅度。其次是縱搖， 運行時的最大值、最小值、相比停機是3.0、-0.4倍。縱蕩和縱搖運動幅度增大會引起平臺搖擺不穩(wěn)定。這2個自由度受氣動影響的最大是因為風(fēng)、浪的主要載荷都在X軸正方向，導(dǎo)致這2個方向的所受的載荷較大。運行時平臺的橫蕩、橫搖和艏搖最值是停機的1.2～1.8倍。氣動載荷主要影響6個自由度運動響應(yīng)的平均偏移量和響應(yīng)幅度。

相比于風(fēng)機停機狀態(tài)，風(fēng)機運行時1號導(dǎo)纜孔張力的標(biāo)準(zhǔn)差是其的2倍多，2和3號導(dǎo)纜孔張力是其的4倍多，張力響應(yīng)幅度很大。1號導(dǎo)纜孔張力值是較停機狀態(tài)下小，這是因為風(fēng)機運行時平衡位置偏向X正軸方向，則1號錨鏈相對于停機處于較松弛狀態(tài)，導(dǎo)致張力值偏小，但是運行時張力波動幅度遠(yuǎn)大于停機時狀態(tài)下。氣動載荷主要影響系泊張力的響應(yīng)幅度。

3-a 開機過程3-b 關(guān)機過程圖3 風(fēng)機開關(guān)機過程平臺縱蕩響應(yīng)Fig.3 Response of surge of platform during the process of wind turbine startup and stop

3.2 3種狀態(tài)結(jié)果對比分析

圖4 3種狀態(tài)下導(dǎo)纜孔3的張力響應(yīng)Fig.4 Tension response of No.3 fairlead with three states

從前面的分析中知道縱蕩方向受氣動載荷影響較大，則給出風(fēng)機運行、停機以及開關(guān)機的縱蕩時域響應(yīng)曲線(圖2)。從圖2上直觀看出風(fēng)機在剛開始啟動的時候出現(xiàn)一個相對較大幅值，大約200 s之后再趨于一定位置上下波動。圖3為開機及關(guān)機過程中縱蕩響應(yīng)的情況。觀察圖3-a計算發(fā)現(xiàn)風(fēng)機啟動過程中幅值較正常運行狀態(tài)的值最大增加19.3%，且在高幅值做小幅度往返波動。觀察圖3-b，風(fēng)機關(guān)閉過程中幅值較停機狀態(tài)的值減小94%，在低幅值處做小幅度波動。風(fēng)機開關(guān)的瞬態(tài)過程中會引起平臺大幅偏漂移運動。

根據(jù)系泊布置方式，2和3號導(dǎo)纜孔張力值基本一樣且較大，則給出3號導(dǎo)纜孔張力值曲線，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)機運行狀態(tài)導(dǎo)纜孔3的波動幅度較大。圖5是風(fēng)機開關(guān)機過程中導(dǎo)纜孔3張力響應(yīng)情況，從圖5-a可以觀察到，開機過程導(dǎo)纜孔張力增加10%，觀察圖5-b發(fā)現(xiàn)風(fēng)機停機過程張力值會降低，主要是由于平臺縱蕩運動牽引所致；導(dǎo)纜孔3處張力做大幅度波動同時做小幅度的往返運動，這種小幅度的循環(huán)運動可能會加劇系泊的疲勞損傷。

5-a 開機過程5-b 關(guān)機過程圖5 風(fēng)機開關(guān)機過程導(dǎo)纜孔3張力響應(yīng) Fig.5 Tension response of No.3 fairlead during the process of wind turbine startup and stop

4 結(jié)論

文章選取5MW OC3 Hywind Spar浮式風(fēng)機，計算工況是中國南海某海域為JONSWAP海浪譜，有義波高6.8 m，譜峰周期10.2 s，流速0.642 m/s，波浪、流和風(fēng)方向均為0°，采用FAST程序模擬風(fēng)機運行、停機狀態(tài)運動響應(yīng)以及故障開關(guān)機過程非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)風(fēng)機在開機過程中平臺縱蕩非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值比正常運行增加19.3%。

(2)風(fēng)機在開機過程中系泊張力幅值較正常運行增加10%。

(3)風(fēng)機運行相比于風(fēng)機停機，平臺的垂蕩運動幅值減小，其他的自由度的運動幅度均不同程度的增加。

(4)風(fēng)機上部的氣動載荷會影響平臺各自由度的均值與最值，同時也影響系泊張力的標(biāo)準(zhǔn)差，建議在研究浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的運動響應(yīng)考慮氣動載荷的影響，這樣模擬的結(jié)果相比于不考慮氣動載荷更加接近實際，更有利于指導(dǎo)實踐。