新型連排式風機基礎水動力分析及可靠性研究*

朱江峰，曹宇光，崔富凱，劉媛媛

（中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院//山東省油氣儲運安全重點試驗室，山東 青島 266580）

0 引言

浮式風機基礎是保證海上風電系統運行穩定性和可靠性的關鍵，目前國內外關于風機基礎形式的研究主要包括Spar式、半潛式、TLP式和組合式[1]風機基礎。黃建華[2]針對大型風機葉輪損毀事故原因展開分析，研究了海上風機受各種海況和自身穩性結構規律影響下易發生的損毀事故研究。Goupee A J 等[3-4]依據美國可再生能源實驗室（NREL）設計的半潛型基礎OC4[5]進行了實驗研究和數值模擬，驗證了OC4 基礎結構的合理性。Dominique R 等[5]設計了半潛型基礎WindFloat，在結構設計、強度分析、疲勞分析及試驗等方面進行了研究和可行性分析，并總結歸納出了浮式基礎的設計依據與要求。宋琨等[6]通過對吊機主要結構的評估分析以及液壓系統元器件的計算和重新設計升級，來實現吊機載荷的升級，通過分析，此項技術能夠達到吊載能力升級的目的，并且已成功應用于海上平臺。Tomoaki Utsunomiya 等[7]設計并制作了一個Spar 型浮式風機模型，通過實驗測得了在考慮冰載的極端環境條件下風機的運動響應，驗證了結構的安全。曹函等[8]設計了一種半潛型基礎，并對基礎進行了數值模擬和實驗研究，驗證了其可行性。

現今對浮式風機基礎研究和分析大多是針對單體式基礎，隨著海上風電不斷向規模化、系統化和深海化發展，連排式和多體式基礎逐漸成為未來海上風電基礎的重要研究方向。本文以新型連排式基礎為研究對象，開展水動力分析和系泊系統極端工況的研究，通過與單體式基礎對比分析，探究連排式基礎的動力響應規律和系統安全性和優越性特點。

1 連排式風機基礎建模分析

1.1 連排式風機基礎模型參數

本文以5 架風機連排式基礎為例，選用NREL 公布的5 MW 風機，總功率為25 MW，其基本參數如表1 所示，其中葉片轉動直徑D=126 m。當主風向非常集中時，垂直于主風向排列的相鄰機組之間的排布距離對風場及風機發電效率影響較小，而波浪流對風機基礎的動力響應作用對系統穩定性、安全性影響較大，因此在主風向集中海域，相鄰風機間距可縮短至1.1D，這一間距已經在WindSea 風機[9]中實現，如圖1 所示。在中國南海海域，夏秋主風向為西南風，冬春主風向為東北風，主方向非常集中[10]，因此風機間距定為140 m。

表1 5 MW風機基本參數

圖1 連排式風機基礎整體結構

連排式浮式風機基礎吃水高度20 m，重5.85×107kg，總長700 m。相同裝機容量25 MW 時，5 架5 MW 的OC4基礎重6.74×107kg，相鄰風機間距1 km，因此該連排式基礎單位質量相比于OC4 基礎減小了13.2%，同時極大程度縮減了單位海域占用面積。

連排式基礎的排水體積與初穩心高度相關，令G為重心位置，B為浮心位置，M為穩心位置，則初穩心高度表達式為：

式中：GM為穩心到重心的距離，m；BM為浮心到重心的距離，m；BG為重心到浮心的距離，m。

在靜水條件下，由定常風產生的穩定風壓作用使得浮體發生傾斜，復原力矩隨傾斜角度增加而不斷增大，當風傾力矩和復原力矩相等時，浮體不再傾斜，此狀態稱為靜平衡狀態，此時對應的傾角為靜平衡角[10]，表達式如下：

式中：MH為風傾力矩，N·m；MR為回復力矩，N·m；ρ為海水密度，1 025 kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；φs為靜平衡角，rad。

對于浮式風機平臺，其最大靜平衡角φmax一般取為10°[11]，所以可推導得到GM的下限公式為：

參照船級社對船舶和浮體的初穩心高度要求，其中DNV-OS-J103 規定深吃水浮體初穩心高度不小于1.0 m，CCS 規定船舶初穩心高度不小于0.15 m。通過式（3）計算得到連排式基礎GM最小值為4.59 m。

1.2 系泊系統參數

風機作業水深200 m，作業海域為南海海域，選定系泊方式為張緊式系泊，材料為鋼纜-聚酯纜-鋼纜三段式的系泊系統，系泊纜最小直徑為0.146 m，軸向剛度364 MN，最小破斷力18 200 kN，系泊布置方案如圖2所示。

圖2 不同方式的風機系泊方案

1.3 基礎水動力對比分析

（1）水動力模型

利用AQWA 建立連排式基礎模型，坐標系依據右手坐標準則，設定沿風力機支撐浮筒方向為Y軸，垂直于風力機支撐浮筒方向為X軸，豎直向上為Z軸。對基礎進行頻域分析，考慮波浪頻率為0.1～1.6 rad/s，頻率間隔0.1 rad/s，由于結構的對稱性，考慮載荷方向為0°～-90°，間隔30°。

其中近場法通過濕表面積分的方法求解定常力，依賴于計算網格情況，遠場法通過動量理論來求解定常力，與網格無關，當兩種方法計算結果趨勢一致且誤差不大時，可認為水動力計算網格滿足要求。提取0°載荷方向下，近場法和遠場法定常力的計算結果如圖3所示，可得網格質量滿足計算要求。

圖3 0°方向近場法與遠場法二階定常力

（2）水動力特性研究

運動響應一般用運動響應幅值RAO 進行描述，表達式為如式（4）所示。

式中：x（i）為浮體在自由度i的運動幅值，m 或°；A為波浪高度幅值，m。

通過頻域計算的到基礎的6 個自由度的RAO 如圖4所示。可得基礎的縱蕩與橫蕩響應隨著波浪頻率增大而減小，同時波浪入射角度對RAO 影響劇烈；垂蕩響應受波浪入射方向的影響較大，在0.4 rad/s 附近達到峰值，在-60°浪向下，垂蕩響應最為劇烈，最大值為4.2；基礎的橫搖運動響應在0°載荷方向下最小，當頻率超過0.8 rad/s 后，RAO 趨于零；橫搖和艏搖響應較為溫和，橫搖RAO 隨著波浪頻率的增大而先增后減；縱搖在0°浪向下運動響應最為劇烈，最大值不超過0.85 m/( ° )，在-90°浪向下，基礎縱搖方向基本無運動響應。

圖4 連排式基礎RAO

（3）固有周期對比分析

單體式與連排式基礎在垂蕩、橫搖和縱搖3 個方向上基礎的固有周期如表2 所示。波浪譜能量集中范圍在3～8 s波浪周期內，垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均遠離波浪能量范圍，與單體式基礎相比，連排式基礎固有周期在穩定性、安全性突出其優越性特點，運動溫和，基礎不會發生共振，安全可靠性更高。

表2 基礎固有周期

2 時域動力響應對比分析

2.1 環境參數

參照NREL的5 MW 風機的額定海況，選擇作業海況風速為11 m/s，表面流速0.39 m/s，波浪采用JONSWAP譜，波高5.49 m，譜峰周期11.3 s，風浪流同向為180°。

2.2 時域計算結果

根據API RP 2SK 要求，在作業海況下基礎水平偏移不超過水深的10%，即20 m。得到基礎運動響應如表5所示，并在同樣海況下與OC4 的運動響應進行對比。由表3 可得，在作業海況下，連排式基礎縱蕩和垂蕩自由度方向運動幅值均小于單體式基礎，驗證了連排式基礎系統穩定性和優越性，但橫蕩方向上的運動響應幅值大于單體式基礎，也說明連排式基礎細長結構在應對垂直風浪流載荷作用時自身局限性，后期可針對此問題展開進一步研究。

表3 基礎運動響應幅值

3 極端海況下基礎生存能力對比分析

3.1 極端海況參數

根據IEC 61400-1:2005 的規定，風電機組極限載荷取決于50年一遇最大10 min平均風速和極大3S風速，為驗證連排式基礎結構應對極端海況安全性，選擇南海百年一遇的超強臺風為極端海況，風級為16 級，風速為58 m/s，有義波高10.6 m，海洋流速2.3 m/s，風波浪譜采用JONSWAP譜，載荷方向為180°方向，風浪流同向。

3.2 完整狀態時域分析結果

以極端海況為參數條件，分別對單體式和連排式基礎及其系泊系統完整狀態下進行水動力分析，為保證分析結果的準確性和可對比性，設置二者海況條件保持一致，分析得到單體式和連排式基礎的運動響應幅值與張力安全系數如表4和圖5所示。

表4 基礎運動響應幅值

結合表3 和表4 對比分析得，單體式和連排式基礎在極端海況下的運動響應幅值較正常作業海況下均有較大提高，系統穩定性降低，但仍滿足極端海況下基礎最大偏移不超過水深的20%的合理范圍內。極端海況條件下，連排式基礎在縱蕩、橫蕩和垂蕩3 個自由度方向穩定性均高于單體式基礎。

由圖5 得，連排式基礎系泊纜的最大張力和安全系數均優于單體式基礎，基礎運動響應幅值均不超過10 m，不會對其他海上結構物產生影響，安全系數均大于1.25，有效保證系統安全，說明了連排式基礎在極端海況作用下的優越性更加明顯。

圖5 系泊纜最大張力和安全系數

3.3 破損狀態時域分析結果

系泊鏈長期受到波浪和海流的聯合作用，同時還伴隨著疲勞和磨蝕等，系泊鏈很可能會發生斷裂，此時需要確保單根斷裂時的系泊系統能確保整體結構的安全性。由于基礎與系泊系統同時關于X軸和Y軸對稱，因此分別考慮連排式基礎的系泊鏈12、系泊鏈13以及系泊鏈14單根斷裂狀態和單體式基礎系泊鏈2斷裂狀態下的系統水動力分析，得到表5所示的兩種基礎運動響應幅值對比數據。

表5 系泊纜破損狀態下基礎運動響應幅值

對比表4 和表5 得，連排式基礎在發生系泊斷裂時，系統在縱蕩、橫蕩和垂蕩3個自由度方向穩定性較系泊完整狀態時基本保持不變，對于單體式基礎，當發生上風向系泊纜斷裂時，基礎運動響應幅值與完整系泊時穩定性相比大大降低；連排式基礎在單根系泊斷裂條件下，系泊最大張力為12 550 kN，最小安全系數為1.48，仍能滿足極端風載環境的最大張力和安全性要求，驗證了連排式基礎在單根斷裂情況應對極端海況的系統可靠性和優越性。

4 結束語

本文考慮南海海況和風機建造成本，針對連排式浮式風機基礎及其系泊系統進行設計分析和優越性研究，結合單體式基礎及其系泊系統在風浪流耦合作用下的動力響應結果。得到如下結論。

（1）連排式基礎垂蕩、橫搖、縱蕩方向的固有周期分別為15.76 s、16.20 s 和17.58 s，而波浪密度能量范圍在3～8 s周期內，遠離基礎固有周期，運動溫和，基礎不會發生共振。

（2）完整狀態下，連排式基礎在縱蕩和垂蕩兩個自由度運動響應幅值均小于單體式基礎，其中縱蕩穩定性較單體式基礎增強了2倍，垂蕩穩定性提高了3倍，但橫蕩自由度穩定性較單體式基礎有所下降，結果一方面驗證了連排式基礎整體系統穩定性和結構優越性，但又同時說明連排式基礎由于細長結構特點，在橫蕩自由度穩定性方面存在一定缺陷，后期研究可著重從此方面展開。

（3）在極端風載作用下，當系泊系統出現單根破損時，連排式基礎優越性更為明顯，系統整體穩定性較完整狀態下基本保持不變，安全系數均在1.25 以上，有效降低極端風載自存海況的系統傾覆風險，為適應極端海況的風機基礎研究提供了借鑒和參考。