深水浮式風電平臺系泊系統優化設計

陳旭東,孔國照

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

浮式風電是未來離岸風電的重要發展方向,一直被視作最具潛力的可再生能源開發領域。但海上浮式風電產業投資規模巨大、風險成本較近海固定式風電項目更高,因此對設備的性能及可靠性有著極高的要求。已有的項目經驗表明,三浮體半潛式平臺基礎具有較好的運動響應特性與經濟性,系泊系統的設計與優化,是影響深水浮式風電平臺運行安全與發電效能的關鍵因素?？紤]以10 MW深水浮式風電平臺采用的多點系泊系統為對象,對系泊纜數量,系泊點位置,系泊線夾角及預張緊力等參數進行不同組合,并充分考慮環境載荷中風、浪、流成分對平臺運動響應與風電主機發電效能的影響,采用全時域耦合分析方法[1],確定系泊系統設計的關鍵參數與優化方向,對系泊系統方案進行優選設計,探尋成本效費比最優的系泊系統布置方案。

1 深水浮式風電平臺技術參數

10 MW級浮式風電平臺由3個主要部分構成,其中主機位于高度約110 m的塔筒立柱頂端,平臺本體由3立柱式浮筒及底部水平橫撐結構組成;系泊系統由沿著縱向對稱布置的8點式懸鏈線錨泊定位組件構成。其工作吃水為20 m,此時總排水量超過13 000 t,平臺頂部箱梁具有可觀的內部容積,保證了平臺的破艙穩性,同時未來可以朝著風電-綠色制氫的方向拓展浮式風電平臺的功能。其主要技術參數見表1。

表1 10 MW浮式風電平臺主要技術參數

表2 R4S有檔電焊錨鏈技術規格

10 MW級浮式風電平臺的外形見圖1。

圖1 10 MW級浮式風電平臺外形示意

2 系泊系統布置

10 MW級浮式風電平臺的系泊系統由8根鋼制有檔錨鏈組成,其中每2根錨鏈組成1組,沿著X,Y方向呈4×2型式對稱布置。8點懸鏈線式錨泊系統采用4組系泊點與平臺浮筒下部的制蕩艙頂板相連,每個系泊點連接2根錨鏈。每組錨鏈與X軸呈38°夾角,每組中2根錨鏈之間夾角為4°。平臺系泊系統布置見圖2。

圖2 浮式風電平臺系泊布置示意

單根錨鏈采用R4S級有檔電焊錨鏈,直徑為114 mm,總長度840 m,在100 m水深下單根錨鏈靜態躺底長度約600 m,錨鏈技術規格見表格2。

3 時域全耦合分析方法

風電主機與葉片系統布置在高度超過100 m的塔筒頂部,其葉片尖端線速度可達90 m/s[2],與平臺系統10～40 s的典型運動周期具有較大的差異。為了準確評估浮式風電系統的發電效能以及系泊系統有效性,需要在分析過程中同時計入以下效應。

1)風機葉片的氣動彈性耦合效應。

2)平臺浮體與系泊錨鏈系統的耦合效應。

3)風機塔筒結構與平臺浮體的耦合效應。

4)風電主機控制系統操縱葉片變矩調槳過程與平臺浮體運動的耦合效應。

10 MW級浮式風電平臺的設計工作引入了全時域耦合分析的分析方法。通過將風電主機、葉片系統、平臺浮體及系泊錨鏈的運動特征及載荷輸入進行數字化建模,從而構成一套綜合性運動分析系統,對于采用多點系泊系統的浮式風電平臺,其在時域下的運動方程可以描述為

(1)

式中:i為帶系泊系統的浮式風電平臺運動自由度;aij為平臺的慣性質量矩陣;mij(t)為平臺的附加質量矩陣;Kij(t)為阻尼函數矩陣;Cij為靜水恢復力矩陣;Fi(t)為波浪激勵載荷矩陣;Xj(t)為平臺的位移矩陣。

分析過程是首先對浮式風電平臺進行頻域下的運動響應分析,計算平臺浮體在不同浪向、頻率的波浪成分作用下的附加質量以及運動響應RAO。選擇波浪頻率范圍為0.1～1.8 rad/s,波浪頻率步長為0.05 rad/s。波浪方向自0°～180°,方向遞增步長為15°。時域分析的時間步長設置為0.01 s,分析總時長從3 600～10 800 s不等。針對多次時域分析結果,通過概率預報方法,預報浮式風電平臺的運動響應極值,系泊錨鏈張力極值[4],風電主機的有效發電時長等設計目標參數。浮式風電平臺風暴自存工況下3 h內的水平運動軌跡見圖3。

圖3 浮式風電平臺水平位移軌跡時程曲線

4 系泊系統優化設計

懸鏈線式系泊系統在平臺浮力、波浪拖曳力和重力的相互作用下呈現出高度的非線性特征[5]。10 MW級浮式風電平臺在設計過程中建立以系泊纜數量、系泊線夾角、系泊點位置、預張緊力大小等為變量的系泊系統效能分析模型,通過分析單一因變量對浮式平臺系泊性能的影響趨勢,篩選能夠得到最優系泊性能結果的變量值,直至得到整個系泊布置方案的最后參數組合。

分析結果顯示,增加系泊錨鏈的數量,可以減小浮式風電平臺的運動響應極值,但單一方向上的系泊錨鏈布置超過一定數量時,單根錨鏈的效率大幅降低,成本快速上升。同時沿X、Y軸雙向對稱4×2形式布置的系泊錨鏈相比呈中心對稱3×3形式布置的系泊錨鏈在風暴自存工況下張力極值更小,動態載荷變化幅值更低,具有更好的安全性。見表3,風速為36 m/s,波高為4.75 m。

表3 風暴自存工況下不同布置型式的錨鏈張力極值比較

另一方面,當系泊錨鏈間的夾角增大時,每根錨鏈上的載荷差異將增大,平臺在水平面內各個方向上的運動幅值將逐漸增加,水平運動的固有周期將增加,平臺的穩定性會降低。

系泊錨鏈的預張緊力指風電平臺在靜水環境下通過張緊系泊錨鏈對系泊系統施加的初始剛度。預張緊力可以為浮式風電平臺提供水平及垂直方向的回復力,將浮式風電平臺遭遇的不同頻率的風浪流載荷轉化為系泊錨鏈變形帶來的低頻載荷,增加平臺的穩定性。過小的預張緊力會導致平臺的水平運動范圍加大,同時升沉及橫縱搖角度增加,同時過大的預張緊力將提高平臺及系泊系統的建造與安裝難度,提升建設成本,降低浮式風電平臺的經濟性。

目前10 MW級浮式風電平臺的4×2型多點系泊系統在滿足強度要求的同時兼具了良好的經濟性,達到了設計目標。

5 發電作業狀態系泊能力驗證

10 MW級浮式風電平臺的系泊系統的設計須滿足以下條件。

1)在低風速條件下系泊線上的張力對平臺漂浮狀態的擾動最小,提高風電主機對低速風能的捕捉效率,提升風電主機的發電能效。

2)在中等風速條件下,風機葉片的攻角與槳矩可以維持在穩定狀態,風電主機的發電效率達到最佳,此時平臺浮體保持周期穩定的振蕩運動,不會出現頻繁的大幅度升沉運動或擺動,以避免風機葉片尖端出現失速,降低發電效率。

3)在高風速環境條件下,波浪及涌浪將對平臺浮體產生顯著的波頻力與漂移力,此時系泊系統應對平臺浮體提供較大的剛度約束,將平臺運動對風機控制系統的影響周期盡可能拉長。

針對上述技術要求,在設計過程中預設了風電主機啟動過程、風電主機正常停機過程及風電主機持續發電3種性能驗證場景。以0.005 s為時間步長,連續分析2 400 s的平臺運動與系泊系統動力響應情況,以平臺的運動響應幅值與系泊線的張力結果極值為考察目標,評價系泊系統的安全性與有效性。

對于風電主機持續發電工況,則采用0.01 s為時間步長,持續分析7 200 s時間歷程內的平臺浮體運動響應、系泊錨鏈的張力極值、風電主機的功率輸出。在分析過程中采用表4所示的風速與波高的聯合分布數據。

表4 發電能力分析采用的風速與波浪聯合分布參數

3種狀態的分析結果顯示,10 MW級浮式風電平臺能夠從設計要求的任何風速條件下正常啟動并持續穩定運行,發電功率與發電效率滿足設計要求,系泊錨鏈的張力滿足規范設計要求,不會出現錨鏈破斷或走錨的風險。

6 風暴自存狀態系泊能力驗證

選擇36 m/s的風速及相應的海浪及涌流數據作為輸入條件,模擬風速從25增加到36 m/s的風暴發展過程。風電主機的控制系統自風速達到25 m/s時開始停止發電,改變風機葉片的攻角以減小葉片上的風力載荷,并保持風機葉片空轉以減小浮式風電平臺系統受到的風載荷,當風速增大至36 m/s時,風電主機控制系統開始發出風機葉片剎車指令,風機葉片將逐漸降低轉速直至停止。

分析過程采用0.01 s時間步長,分析過程總時長10 800 s,結果顯示8點系泊系統為10 MW級浮式風電平臺提供了穩定可靠的定位能力,保證了浮體平臺的運動響應的頻率與幅值滿足風電主機的安全性要求,系泊錨鏈上的張力極值滿足規范[3]要求,錨鏈遠端與海底接觸良好,不會出現走錨移位的風險。風暴自存工況下平臺在水平面內的位移極值見表5,風速為36 m/s,波高為4.75 m,流速為2.0 m/s。

表5 風暴自存工況平臺運動響應極值結果

分析結果顯示,系泊錨鏈在各個方向風、浪、流載荷作用下的張力極值滿足規范要求,錨鏈的張力曲線在時間上峰值分布均勻,典型的系泊錨鏈張力時程曲線見圖4。

圖4 風暴自存工況錨鏈張力時程曲線

7 結論

針對10 MW級浮式風平臺設計了1套8點系泊系統,應用全耦合時域分析方法,對系泊系統設計參數進行優化分析,實現了系泊定位能力、抵抗環境載荷能力與建造成本的良好平衡。

1)非對稱布置的系泊纜繩可能導致平臺與風機對特定方向下的風浪流載荷產生突變的運動響應,表現為平臺橫搖加大,風機葉片掃風面積不穩定,槳矩變化劇烈,發電效率下降。

2)系泊系統自身的彈性與剛度顯著影響平臺浮體在水平面及垂直面內振蕩運動的頻率與幅值。當系泊系統布置型式不佳或系統剛度不足時,可能會導致浮體平臺不規律的產生低頻搖擺運動,從而導致位于塔筒頂端的風電主機由于葉片攻角不良而引起發電功率降低甚至停機。

3)對稱布置8點式系泊系統較傳統的系泊布置型式具有更好的系泊定位能力,不但降低了系泊系統全壽命周期下的建設與維護成本,還為多風機共用系泊系統,進一步降低系泊系統布置與建造難度提供了可能。