系泊配重對淺水區浮式風力機動力學響應的影響

丁潔依，楊 陽，2，馬 璐，石兆彬，王志峰

（1.寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211；2.惠生（南通）重工有限公司，江蘇 南通 226001；3.中國長江三峽集團有限公司科學技術研究院，北京 100038；4.上海惠生海洋工程有限公司，上海 201210）

0 引言

平臺運動范圍主要受到系泊系統約束，學者針對系泊設計參數對半潛式風力機平臺動力學特性的影響展開了大量研究。韓志偉[2]在風浪耦合的基礎上研究了3種漂浮式風力機在懸鏈線系泊系統的系泊長度、導纜孔位置等不同參數作用下的平臺運動響應特性，發現導纜孔位置及系泊直徑對漂浮式風力機縱蕩位移的影響最大，對縱搖角度影響較小。覃泉龍[3]以系泊鏈預張力為切入點，優化了新型6 MW海上漂浮式風力機的系泊系統，分析了系泊預張力對風力機在額定及極端工況下的工作及生存能力的影響。沈意平[4]以NREL 5 MW風力機為研究對象，建立了系泊纜在松弛和張緊狀態下的運動學方程，研究了不同工況下系泊纜的動態張力變化規律和風力機運動響應，結果表明，對系泊纜施加一定的預應力可以使系泊一直處于張緊狀態。穆安樂[5]以NREL 5 MW的Spar式風力機為研究對象，開展了系泊半徑、導纜孔位置和系泊纜長度對風力機穩定性的影響研究，從而得出系泊直徑對風力機縱搖最大值沒有影響，但對縱蕩存在影響。Xu K[6]通過研究淺海中不同配重組成的懸鏈線和張緊式系泊系統，分析了不同設計下系泊系統對淺水區浮式風力機極端工況下性能的影響。Pan Q[7]通過耦合動力學分析研究了系泊配重質量對15 MW漂浮式風力機系泊峰值張力及系泊長度的影響，探討了占地面積低的系泊經濟性設計方案。Bruschi N[8]利用FAST進行了時域仿真，開展了系泊配重位置及質量兩個變量對風力機運動響應特性影響的研究，發現系泊位置帶來的影響要大于系泊配重質量。Liu Z[9]在研究中發現，占系泊纜總質量十分之一的配重可以降低波浪引起的風電平臺的運動響應。劉亮[10]運用實驗與研究相結合、數值模擬分析和裝置電路設計的方法，開展了偏心S型風力機運動響應特性的研究。

以上研究多針對深水海域浮式風力機，而我國多為淺水海域，懸鏈線系泊拖地段較長，懸掛段較短，因此系泊提供的恢復力較小，配重對浮式風力機動力學特性影響更大[11]。因此，本文以半潛式偏心布置的5 MW風力機為對象，基于OpenFAST和水動力學仿真軟件AQWA，開發了浮式風力機一體化仿真程序OpenF2A。通過OpenF2A分析了湍流風與非規則波聯合作用時，配重質量對平臺運動和系泊張力的影響程度，從而為淺水區浮式風力機系泊系統設計提供參考。

1 半潛式5 MW風力機模型

浮式風力機通常由風力機、平臺和系泊系統組成。本文選用美國可再生能源實驗室（NREL）開發的3葉片、變速變槳5 MW風力機，其額定風速為11.4 m/s。本文所選半潛式平臺為WindFloat型（圖1），其重心與風力機塔架不在同一垂線上，這類偏心式風力機具有平臺結構載荷更低、穩定性更好和運行維護更加便利等優勢。目前，已進入商用示范階段的“三峽引領號”、“扶搖號”和Wind-Float均采用偏心布置設計方案。

圖1 NREL 5 MW風力機Fig.1 NREL 5 MW wind turbine

平臺和系泊的主要特性參數[11]如表1所示。WindFloat初始設計方案并未公布壓艙水設計方案，只公開了平臺純鋼結構的質量矩陣和重心等關鍵設計信息。為此，本文經過系統的穩定性分析和詳細的平衡性計算，得到了合理的浮筒壓艙水設計方案。表1中的平臺質量信息包括平臺外殼和壓艙水。為提高平臺在淺水海域的穩定性，系泊系統采用配重設計，配重與導纜孔段系泊長度為45 m。

表1 WindFloat半潛式浮式平臺和系泊主要參數Table 1 Main parameters of WindFloat semi-submersible floating platform and mooring

2 全耦合仿真計算模型OpenF2 A

2.1 OpenFAST和AQWA

由NREL開發的OpenFAST軟件是目前最常見的浮式風力機耦合仿真軟件之一，其內置MAP++，MoorDyn和FEAMooring 3個模塊，但僅MoorDyn可以用于系泊配重動態效應研究，且收斂性欠佳。

AQWA是ANSYS中的浮體水動力計算分析軟件。AQWA具有頻域和時域仿真功能，主要用于船舶、浮體等海洋工程結構水動力學分析，并不具備風力機氣動-伺服-彈性仿真功能[12]。

FAST與AQWA的時域耦合接口（F2A）由Yang Y[13]經過詳細驗證，成功應用于多種形式浮式風電系統動力學分析，已在GitHub上開源，被國內外學者廣泛使用。

此外，還有一點需要值得重視的是，游戲材料的選擇要注意安全性。幼兒的年紀尚小，對于很多事物的認識尚且不足，這就要求我們再進行益智區游戲材料選擇的時候要注意安全性。在幼兒園里，游戲材料的體積不能過小，避免幼兒的無知導致吞食而窒息，或者塞進鼻子、耳朵里；游戲的材料中盡量避免過于長的細線，可能會出現幼兒絆倒、摔傷或者是勒到脖子等行為；一些尖銳、鋒利的游戲材料也不適合出現在幼兒園階段，防止幼兒劃傷、刺傷等。身為教師，我們要時時刻刻注意幼兒的安全問題，要知道幼兒園階段的學生認知力不足，某些小事都會導致對幼兒的傷害，所以在游戲材料的選擇上要格外注意，盡力避免對幼兒產生傷害的可能。

本文在F2A的基礎上，實現了OpenFAST v3.0與AQWA耦合，并將F2A進一步升級為OpenF2A，從而可以在平臺大幅度運動的情況下更為準確地計算葉片非定常氣動力和結構動態大變形。

2.2 OpenFAST與AQWA耦合方法

雖然AQWA不具備風力機氣動載荷計算、結構動力學求解和變槳變速控制仿真功能，但提供了一個外部載荷（External Force）接口，可通過動態鏈接庫（DLL）傳遞外部載荷和平臺運動。

為在AQWA中實現浮式風力機氣動-水動-伺服-彈性耦合動力學仿真，本文通過修改OpenFAST源代碼，將其用于氣動-伺服-彈性仿真功能的程序，編譯為可被AQWA調用的DLL（AQWA中具體名稱為user_force64.dll）。通過user_force64.dll傳遞平臺位移、速度和加速度等運動響應。OpenFAST與AQWA耦合計算過程如圖2所示。

圖2 OpenFAST與AQWA耦合計算流程圖Fig.2 Flowchart of the coupling between OpenFAST and AQWA

3 仿真工況

為系統地研究系泊配重質量對風力機平臺運動響應和系泊張力的影響，本文通過OpenF2A進行時域仿真，仿真時間為3 000 s，時間步長為0.005 s。仿真風速分別為4，8，11.4，18 m/s和24 m/s，根據文獻[11]中的系泊配重取值，選取配重質量為5～65 t，間隔為10 t，從而定量分析配重質量對浮式風電機組動態響應的影響。此時配重與導纜孔段的系泊長度為45 m。

圖3為平均風速為11.4 m/s時，通過TurbSim生成的仿真所需的三維湍流風場。

圖3 平均風速為11.4 m/s時的湍流風場Fig.3 Turbulent wind filed with an average wind speed of 11.4 m/s

基于JONSWAP波浪譜生成的有義波高、譜峰周期和風速的對應關系如表2所示。

表2 有義波高、譜峰周期和風速的對應關系Table 2 Main parameters of wave height，peak period and wind speed

4 結果分析

4.1 額定風速下不同配重質量的影響

圖4為不同配重質量時平臺縱蕩、垂蕩、縱搖和艏搖的運動響應曲線。

圖4 不同質量配重時平臺運動Fig.4 Platform motions corresponding to different clump weight

由圖4可知：與無配重時相比，配重為5 t時，縱蕩變化較小，幅值略微減小；當配重為35 t時，縱蕩平均值和最大值均顯著減小，這是因為配重使懸浮段系泊處于較為張緊的狀態，系泊水平張力更大，約束了平臺的縱向運動范圍；配重對垂蕩、縱搖和艏搖的影響均不大，3種情況下平臺運動的時域曲線幾乎重合，僅存在細微差異。

圖5為所有工況下縱搖和縱蕩兩個自由度的最大值和平均值，統計時間為600～3 000 s。

圖5 平臺運動響應最大值與平均值Fig.5 Maximum and average of platform motions

由圖5可知：隨著配重質量增大，縱蕩最大值和平均值均逐漸減小，當配重質量為65 t時，縱蕩最大值和平均值分別為24.30 m和14.10 m，較無配重時分別降低了33.06%和49.10%；縱搖對系泊配重質量大小敏感性較低，所有工況下的縱搖最大值和平均值均較為接近，分別為2.66°和4.99°，這是因為縱搖主要受到風傾力矩的影響，系泊提供的恢復力矩較小，因此配重質量對縱搖影響不大。

圖6為不同配重質量時系泊導纜孔張力的變化。

圖6 導纜孔張力變化Fig.6 Variations of tension in the moorings

由圖6可知：有配重時，系泊張力更大；無配重時，系泊1張力最小，其平均值為0.30 MN；配重質量對位于上風向的系泊2的張力影響小于下風向的系泊1，且系泊2張力波動更為劇烈。這主要是因為在風載荷和波浪載荷的作用下，平臺縱向位移較大，系泊處于一定的張緊程度，已經進入張力-拉伸量的非線性區域，平臺運動對系泊張力的影響更大，從而造成系泊張力波動更為劇烈。

圖7為不同配重質量時系泊張力的統計值。

圖7 系泊張力最大值與平均值Fig.7 Maximum and average values of the mooring tension

由圖7可知：與無配重時相比，當配重質量分別為5 t和35 t時，系泊1導纜孔處張力平均值分別增大了16.28%和115.28%；當配重質量為5 t時，系泊2張力最大值為1.45 MN，小于配重質量為35 t時的1.52 MN，比無配重時的1.44 MN增加了0.01 MN。

4.2 不同風速工況下不同配重質量的影響

圖8為不同風速工況下平臺運動和系泊張力平均值隨配重質量的變化曲線。

圖8 不同風速下平臺運動和系泊張力平均值隨配重的變化趨勢Fig.8 Variation trends of average platform motions and mooring tensions versus clump-weight under different wind conditions

由圖8可知：隨著配重質量增大，縱蕩平均值在所有風速下均呈現減小的趨勢，在高風速時這一變化趨勢更為明顯；在所有風速下，縱搖平均值隨著配重質量的增大而增大，但增大幅度較小；在風速為24 m/s的工況下，無配重時縱搖平均值為1.17°，配重質量分別為25，45 t和65 t時，縱搖平均值分別為1.27°，1.34°和1.38°，較無配重時分別增大了8.55%，14.53%和17.95%。

在所有風速下，隨著系泊配重質量的增大，系泊張力均呈現出顯著增大的變化趨勢，且增大比例與配重質量近似為線性關系。在風速為24 m/s的工況下，無配重時位于下風向的系泊1張力為3.19 MN，配重質量為15 t時，張力增大了1.48 MN。配重質量每增大10 t，系泊1張力增大約0.99 MN。位于上風向的系泊2張力在無配重時為7.57 MN，配重質量為5 t時，張力增大了0.32 MN。隨著配重質量每增大10 t，系泊2張力增大約0.82 MN。在配重質量為65 t時，系泊2張力較無配重時增大了75.69%。

以上結果說明，在不同風速下，系泊配重質量對平臺運動和系泊張力的影響程度和趨勢均一致。

5 結論

本文基于AQWA和OpenFAST建立了浮式風力機全耦合仿真模型，計算了不同配重時風-浪環境下5 MW偏心布置的浮式風力機的平臺運動和系泊張力，定量分析了配重質量對浮式風力機動力響應的影響，得到以下結論。

①配重質量對平臺縱蕩具有一定的抑制作用，配重質量越大縱蕩越小，當配重質量為65 t時，縱蕩平均值為14.1 m，較無配重時降低了49.10%。但配重質量對平臺垂蕩、縱搖和艏搖的影響均不大。

②有配重時系泊張力更大，特別是位于下風向的系泊1對配重質量更敏感，配重質量對位于上風向的系泊2的張力影響相對較小。無配重時，系泊1張力平均值為0.30 MN，配重質量為5 t和35 t時，系泊1張力平均值分別為0.35 MN和0.65 MN。

③不同風速下，系泊配重質量對平臺運動和系泊張力的影響程度和趨勢均一致，配重質量增大比例與系泊張力增大比例近似呈線性關系。