南海Spar型浮式風機平臺抗臺風設計和動力響應分析

楊夢喬, 石 倩

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

隨著工業化的不斷推進，風能作為一種使用清潔、成本較低、取用不盡的綠色資源，受到了廣泛關注。隨著海上風電技術的日益成熟，風電產業由陸地向海上發展已成為必然趨勢。目前，海上風能的開發主要在淺海區。所用的風機基礎結構為固定式結構。對固定式風機基礎結構的設計和動力響應研究的比較透徹。而與淺海區相比，水深大于60m的深海區風電的資源更豐富。對于深海區的風力發電，淺海區固定式的基礎結構將不再適用，需要開發適合深水區的浮式基礎結構，海上浮式風機平臺應運而生。

1 浮式風機平臺發展

浮式基礎結構采用柔性等非固定式錨固結構，以半漂浮半張拉固定的受力狀態工作，因而尤其適用于深海環境。目前由于深海海況、海流運動等各種環境狀況研究資料有限，對浮式風機的設計研究還處于起步階段，未來發展和研究的空間巨大。與固定式基礎比較，浮式基礎優點明顯：①固定式風機基礎傾覆力矩和底部彎矩很大，其造價隨著基礎挖深增加提高明顯，浮式風機的柔性錨固結構，不受彎矩的影響，可以大幅度降低造價。②浮式風機的柔性錨泊，可以集成安裝，方便拆卸和多次重復利用，因而能適用不同海域，其海上安拆程序也比固定式基礎簡單。③深海區風力資源更為豐富，并且不占用陸地和淺海資源，所以發電的效率大大提高。

浮式基礎研究較多的有Spar型、半潛型、TLP型3種類型。3種類型中，Spar型浮式風機平臺研究起步早，成果豐富。Spar型浮式風機結構設計簡單，造價低廉，對各種風機類型的適用性強，并且較半潛型和TLP型風機能適用的水深更深，其輻射式的系泊系統在極端海況中穩定性最好。

2 南海臺風海況

中國南海水深，海底地形復雜，風力資源豐富，同時還經常受強熱帶氣旋形成的臺風影響。由于臺風為極端惡劣天氣，一旦出現，會對結構造成破壞性影響，因此在臺風多發海域，必須考慮臺風影響下結構的穩定性。根據資料，臺風重現期分別為1、10、25、50和100年5種海況的具體參數值如表1所列。

表1 臺風環境參數值

3 抗臺風Spar浮式風機平臺模型建立和動力響應

根據南海海況特點，本文浮式風機設計的類型選用Spar型。

模型創建以及后處理采用挪威DNV公司研發的SESAM軟件。SESAM是一款應用于海洋工程領域的大型計算分析軟件。采用SESAM的子模塊GeniE建立整體結構模型，采用子模塊DeepC分析其在臺風海況下的動力響應。

中國南海水深約200m～300m，設計水深取250m。Spar浮式平臺的風機長度為水深的1/3～1/2，在SESAM子模塊GeniE中建立數值模擬的模型，模型風機長度設計為100m，各組分參考現研究成果確定尺寸，所建立模型尺寸如表2所列。

表2 Spar基礎設計主尺度

將GeniE中建立的整體結構模型如圖1所示，導入DeepC模塊如圖2所示，DeepC中輸入表1的臺風參數，模擬臺風海況，對設計的風機模型進行動力響應分析。在臺風100年1遇海況下，浮式風電系統在各自由度上的運動響應量最大。限于篇幅，現僅將重現期為100年海況下浮式基礎的運動響應曲線繪制如下(隨機波浪作用時間為1h)：

圖1 GeniE中整體結構模型 圖2 DeepC中加系泊結構的動力響應模型

圖3 重現期為100Y海況下垂蕩時間歷程曲線

圖4 重現期為100Y海況下縱蕩時間歷程曲線

圖5 重現期為100Y海況下縱搖時間歷程曲線

在1h的動力響應模擬中，垂蕩幅值和水平位移可通過動力響應中的位置曲線直接讀出，俯仰角的范圍則通過統計基礎的縱搖運動角度得出。如圖3、4、5所示，垂蕩的平均位置在0m，最大值1.57m，最小值-1.53m，幅值約為3m；縱蕩的平均位置在3.92m，最大值5.38m，最小值2.66m，幅值約為3m，為設計水深的1.2%；縱搖的平均值2.35°，最大值3.04°，最小值1.65°，俯仰變化在2°左右。目前，浮式風機平臺的研究處于起步階段，國內外目前沒有統一行業標準，數值模擬行業內認可的經驗標準是：在保證風機正常工作的前提下，浮式平臺在極端海況下的垂蕩幅值應不大于±(2m～3.5m)，水平位移不超過水深的5%～6%，平均俯仰角需小于5°。數值模擬數值和經驗值比較如表3所列。

表3 Spar數值模擬數值和經驗值對比

由以上分析得出，各維度上動力響應結果均滿足經驗要求，設計的風機模型具有一定的參考意義。

4 結束語

本文分析了風能發電的現狀，并闡述海上尤其深海區依靠浮式風機發電的巨大應用前景。針對我國南海海域，考慮臺風因素，在SESAM軟件中設計了Spar浮式風機平臺模型，對設計的模型進行動力響應分析，驗證設計模型有可行性。