半潛漂浮式風機穩性數值分析

(明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400)

半潛式浮式風機因其穩定性較好、適用水深范圍廣、安裝運輸方便而備受關注。良好的基礎穩定性是初期設計階段重點考慮因素之一。目前國內關于半潛漂浮式風機穩性的分析研究還有一系列問題有待解決，主要如下[1]。

1)葉片風傾力矩的計算主要采用等效圓盤估算的方法，無法準確描述葉片產生的巨大氣動力載荷。

2)穩性評價標準與設計規范主要參考傳統海工平臺，但浮式風機屬于無人作業，其設計安全等級較低些，且對完整工況下的靜傾角限值有要求。

3)關于穩性計算工況，DNVGL規范中提到了運行工況，但未詳細規定運行工況的內容(啟動、發電、剎車、停機等)，且未與風機控制策略(變槳、偏航)、風速風向相結合，因此須對漂浮式風機全生命周期的典型運行工況開展穩性分析。

為探討半潛漂浮式風機穩性分析部分問題及完善穩性分析思路，以某典型半潛浮式風機為例，開展穩性數值計算分析。選用Bladed軟件精確計算葉片氣動力載荷，通過受力分析轉化為風傾力矩；根據半潛浮式風機運行安全與功能要求，提出其穩性適用性衡準；對各典型運行工況下的風機載荷展開對比分析，選擇極限風機載荷工況進行穩性分析。

1 半潛浮式風機設計

1.1 主要設計參數

浮式風機結構主要包括：發電機組、輪轂、葉片、塔筒及浮式支撐基礎。發電機組通過輪轂與葉片連接在一起，下部與塔筒相連，塔筒底部通過法蘭與浮式基礎相連[2]。半潛式平臺因柱體之間距離較遠而獲得較大的水線面慣性矩，具有較好的穩性。算例采用3浮筒半潛式平臺作為風機支撐基礎，幾何模型見圖1。

圖1 風機整體幾何模型

在立柱底部設置大尺度圓形浮筒，以增大基礎的附加質量和阻尼，抑制基礎的垂蕩運動；為調節基礎浮態及提高基礎穩性，在浮筒與立柱內設置壓載艙；立柱最上層設置為空艙，以合理布置電氣、系泊纜等設備。主要設計參數見表1[3]。

表1 風機主要設計參數

基礎主尺度信息見圖2。

圖2 基礎主尺度

1.2 典型計算工況

1)拖航工況。需要核算完整穩性和破損穩性，風速為70 kn。

2)作業工況。浮式風機大部分生命周期內都處于作業工況，包括啟動、發電、剎車等，與具體的控制策略及風速風向相關，須對各具體工況下的風機外界載荷進行對比分析，選擇極限載荷工況進行穩性分析。需要核算完整穩性和破損穩性，風速為70 kn。

3)自存工況。又稱風暴工況，浮式風機處于最惡劣的設計環境載荷工況，此時風輪處于順槳停機或空轉狀態。此工況只需要核算完整穩性，風速為100 kn。

算例穩性計算工況匯總見表2。

針對破損穩性，借鑒海工平臺設計經驗，根據浮式風機破損的成本效益分析，小于10 MW的浮式風機只計算單艙破損，風速取50 kn。

表2 穩性計算工況匯總

1.3 開口布置

基礎的外部開口對穩性分析計算極為重要，在穩性計算校核時，需要滿足規范要求[4]。

算例中的立柱和浮筒設置壓載艙，立柱最上層為設備艙，故立柱頂部應布置艙口蓋、透氣孔和通風筒；基礎與塔筒為法蘭連接，在連接處設置非保護性開口。穩性計算所用開口布置見圖3。

圖3 基礎開口布置

2 穩性衡準要求

漂浮式風機發展相比于傳統海洋工程平臺起步較晚，目前相應規范體系與安全評價標準尚未成熟，DNVGL關于海上風機的規范DNVGL-ST—0119提到了浮式風機穩性設計的相關衡準，內容主要借鑒傳統海工平臺[5]。

相比于傳統海工平臺，浮式風機穩性設計有其身的特點：①針對完整穩性，一般規范并無對靜傾角限值的規定，但為了保證風機關鍵設備正常運行及捕捉更多風能，浮式風機需保持一定的靜傾角，有必要設置靜傾角最大限值；②針對破損穩性，為保證發生破損后，風機關鍵設備不發生損壞，有必要對破損后靜傾角進行限值。

借鑒傳統海工平臺規范[6]，參考DNVGL浮式風機設計標準，采用的穩性校核衡準見表3、4。

完整穩性衡準2及破損穩性衡準1中：靜傾角15°與破損平衡角17°的限值只作參考，具體限值須根據風機設備運行要求及風輪與風向夾角綜合考慮，最終由風機廠家與設備廠商共同協定。

表3 完整穩性衡準

表4 破損穩性衡準

3 風傾力矩計算

3.1 葉片載荷

采用葉素-動量理論求解葉片氣動力載荷[7]。作用在葉素上的推力和彎矩為

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度；W為合成風速;B為葉片數量;C為葉素剖面弦長;Ct、Cd分別為葉素的升力系數和阻力系數；φ為入流角；r為葉素到輪轂中心的距離；δr為每個葉素的展向長度。

采用Bladed軟件計算作用在塔筒頂部的載荷，再進一步轉化為作用在基礎上的風傾力矩。

3.2 機艙、塔筒和基礎載荷

與葉片載荷相比，機艙、塔筒和基礎不需要考慮氣動力效應，風載荷計算參考DNV規范。

F=0.5CSCHρV2A

(3)

式中：CS為受風構件的形狀系數；CH為受風構件的高度系數；ρ為空氣密度；V為風速；A為所有暴露面的投影面積。

采用NAPA軟件建立機艙、塔筒和基礎的受風模型(見圖4)，計算作用在基礎上的風傾力矩。

圖4 機艙、塔筒和基礎受風模型

4 穩性計算

算例采用專業軟件進行穩性計算，包括靜水力模型建立、艙室劃分、典型裝載工況、完整穩性計算、破損穩性計算，最終得到各典型工況下的許用重心高度[8]。

4.1 完整穩性計算

完整穩性主要研究風機在外力作用下是否具備抗傾覆能力。自存工況下完整穩性計算結果見圖5，其中靜平衡角為13.3°，滿足15°限值的要求；從正浮到進水角范圍內的面積比為1.33，滿足1.3限值的要求；復原力臂從0至進水角范圍內均為正值，滿足規范要求。對于拖航與作業工況，完整穩性同樣滿足規范與風機正常運行要求。

圖5 自存工況完整穩性計算結果

4.2 破損穩性計算

破損穩性主要研究風機基礎某一艙室發生破損進水后，在50 kn風速作用下，風機不會傾覆或沉沒，仍具備一定浮性和穩性的能力。對于算例，只計算單艙破損穩性。

浮體破損穩性與艙室劃分密不可分，艙室劃分過少，艙室破損進水將導致平臺失穩傾覆；艙室劃分過多，會引起額外的質量增加，經濟性降低[9]。綜合考慮破損穩性要求、艙室布置優化及經濟性，浮式風機基礎主要艙室劃分見圖6。

圖6 艙室劃分

作業工況下艙室發生破損后的浮態及穩性計算結果分別見圖7、8。

圖7 立柱艙室破損后浮態

圖8 作業工況破損穩性計算結果

結果表明，立柱第三層壓載艙(水面處)發生破損時為最臨界情況，穩性儲備最差。此時基礎靜傾角為15.2°，滿足17°限值要求；所有風雨密開口、非保護性開口都在破損靜水面之上，滿足規范開口布置要求；從第一交點至非保護性開口位置(風雨密角度范圍)為24.6°，滿足7°限值的要求。拖航工況下，破損穩性同樣滿足規范要求。

4.3 許用重心高度(AVCG)

許用重心高度是指平臺恰能滿足穩性衡準要求時的重心高度。平臺實際運營過程中的重心高度不得超過此極限值，否則便會造成穩性不足，因此許用重心高度為實際操作運營時的最大重心高度[10]。經穩性計算獲得各工況吃水下的許用重心高度后，后續只需進行各工況吃水下的裝載計算，校核此裝載下的重心高度是否滿足許用值，而不必對具體裝載工況再進行穩性計算，提高穩性核算效率[11]。

根據完整穩性和破損穩性計算，分別獲得風機在完整和破損狀態下的許用重心高度值，進一步求解綜合許用重心高度，用于實際裝載指導與穩性校核。風暴工況下各可能性吃水下的許用重心高度(AVCG)變化見圖9。

圖9 許用重心高度(AVCG)

經裝載計算，風暴工況下吃水20 m時重心高度為10.2 m，艙室自由液面對重心高度的修正值為0.2 m，最終風機整體重心高度為10.4 m，滿足許用重心高度11.5 m的限值要求，風機基礎具備充足穩性，不會出現傾覆或沉沒。

5 結論

1)浮式風機風傾力矩的準確計算是穩性分析的關鍵，設計初期葉片的氣動力載荷計算可借助專業仿真軟件，后續應進行風洞試驗，以確保風傾力矩計算精度。

2)為保證浮式風機關鍵設備正常運行及發電效率，風機的靜傾角不宜過大，對于算例完整穩性靜傾角限值15°，破損穩性限值17°，具體靜傾角限值應綜合考慮風機設備運行傾角要求及風輪與風向的夾角要求進行合理設定。

3)浮式風機運行工況多而復雜，由風速風向及控制策略決定，應對具體運行工況中的極限載荷工況進行穩性分析。

4)當立柱第三層壓載艙發生破損時，浮式風機傾斜角度最大，破損穩性結果最差，此時艙室處于水面位置，發生碰撞的幾率較大，有必要采取適當防護措施。