一種點(diǎn)陣式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水動(dòng)力穩(wěn)性研究

朱江峰 曹宇光 趙前坤 李 磊

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,青島,2665802.山東海洋工程裝備研究院有限公司,青島,266555

0 引言

隨著海上風(fēng)電大功率化和深遠(yuǎn)海發(fā)展趨勢(shì),多風(fēng)機(jī)共享平臺(tái)一體化概念被逐漸提出。LIU等[1]提出了三臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的半潛式整體基礎(chǔ)的概念,得出了水動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和作業(yè)工況適應(yīng)性。VAHID等[2]在2020年建立了可滿(mǎn)足33 kW的風(fēng)能發(fā)電的雙風(fēng)電機(jī)組浮式平臺(tái)。ZHU等[3]提出一種滿(mǎn)足10 MW發(fā)電功率的雙風(fēng)電機(jī)組組合的半潛式三角平臺(tái)。ZHANG等[4]提出了六角箱概念,將養(yǎng)魚(yú)網(wǎng)箱與三臺(tái)60 kW風(fēng)電機(jī)組相結(jié)合,但沒(méi)有進(jìn)一步顯示實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用分析的結(jié)果。

多風(fēng)機(jī)一體化概念雖然被提出,但關(guān)于新型結(jié)構(gòu)水動(dòng)力穩(wěn)性和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比并未展開(kāi)深入研究。在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析方法方面,李垚等[5]總結(jié)了風(fēng)電機(jī)組可靠性研究的常用方法和提高風(fēng)電機(jī)組可靠性的措施。梁家銘等[6]針對(duì)新型網(wǎng)箱水動(dòng)力分析及系泊方式進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)新型網(wǎng)箱在工作海況和極端海況均能滿(mǎn)足安全性要求。劉宇航等[7]對(duì)三種海上風(fēng)電機(jī)組支撐基礎(chǔ)與船舶碰撞的動(dòng)力響應(yīng)展開(kāi)分析,結(jié)果顯示單柱基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組位移和加速度響應(yīng)更加明顯。秦大同等[8]對(duì)運(yùn)行工況下風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電耦合建模以及動(dòng)態(tài)特性分析,結(jié)果表明傳動(dòng)系統(tǒng)在變速變載狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)復(fù)雜。彭春江等[9]對(duì)海上浮式風(fēng)電機(jī)組剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與分析,結(jié)果表明波高越大,整機(jī)耦合程度越高。

本文針對(duì)傳統(tǒng)半潛式單風(fēng)機(jī)平臺(tái)和點(diǎn)陣式多風(fēng)機(jī)一體化基礎(chǔ)(DMF)展開(kāi)分析,明確多風(fēng)機(jī)平臺(tái)水動(dòng)力穩(wěn)性響應(yīng)規(guī)律。本研究基于傳統(tǒng)OC4半潛式風(fēng)機(jī)和Windfloat平臺(tái)結(jié)構(gòu),考慮滿(mǎn)足30 MW級(jí)發(fā)電需求,設(shè)計(jì)點(diǎn)陣式六邊形風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),并將數(shù)值模擬和水槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 點(diǎn)陣式多邊形浮式基礎(chǔ)參數(shù)

本研究結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)參考傳統(tǒng)OC4和Windfloat半潛式平臺(tái)基礎(chǔ),詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)圖1和表1。選定風(fēng)機(jī)類(lèi)型均為NREL Baseline 5 MW[10-13],風(fēng)電機(jī)組數(shù)量為6個(gè),以點(diǎn)陣式對(duì)稱(chēng)排布,相當(dāng)于點(diǎn)陣式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)發(fā)電功率為另外兩種基礎(chǔ)的發(fā)電功率的6倍。點(diǎn)陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳統(tǒng)半潛式浮式基礎(chǔ)的最大不同是浮筒數(shù)量和間距。

表1 浮式結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

圖1 點(diǎn)陣式基礎(chǔ)整體概念

2 理論分析

2.1 載荷計(jì)算

由于DMF受環(huán)境載荷影響復(fù)雜,故本文分別考慮風(fēng)浪流載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

(1)風(fēng)載荷。風(fēng)載荷對(duì)DMF的影響不可忽視。由于本文主要研究風(fēng)載荷對(duì)DMF系統(tǒng)穩(wěn)性的影響,因此考慮常規(guī)作業(yè)風(fēng)作用,基于風(fēng)機(jī)尾流無(wú)旋動(dòng)量理論[14],同時(shí)考慮整體結(jié)構(gòu)縱蕩和縱搖對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)載荷耦合響應(yīng),建立風(fēng)機(jī)葉片與塔架水平推力和力矩的公式:

(1)

(2)

式中,ρ為空氣密度;vRW為相對(duì)風(fēng)速,滿(mǎn)足vRW=vW-vS,vW為實(shí)際風(fēng)速;vS為浮式點(diǎn)陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向水平運(yùn)動(dòng)速度;CS為形狀系數(shù);CH為高度系數(shù);L為風(fēng)機(jī)塔筒高度;A為掃掠面積,正常作業(yè)工況為葉片掃掠圓面積2πr,極端風(fēng)浪載荷工況下葉片為停轉(zhuǎn)狀態(tài);vD為縱蕩和縱搖引起的相對(duì)速度與穩(wěn)態(tài)速度偏差[14]。

(2)浪載荷。波頻載荷的計(jì)算方法考慮構(gòu)件截面特征尺度D與波長(zhǎng)λ比值,當(dāng)D/λ≤0.2時(shí)為小尺度構(gòu)件,本研究中網(wǎng)衣、橫撐等效為小尺度構(gòu)件,根據(jù)Morison公式計(jì)算小尺度構(gòu)件波頻載荷:

F=FD+FI

(3)

式中,FD為拖曳力,由于傳統(tǒng)Morison公式主要用于計(jì)算水動(dòng)力固定物,本研究中多風(fēng)電機(jī)組一體化一體結(jié)構(gòu)為海上漂浮物;FI為慣性力。

當(dāng)D/λ>0.2時(shí)為大尺寸構(gòu)件,在波浪作用下,一般承受慣性力和繞流力,用三維勢(shì)流理論進(jìn)行波浪載荷的計(jì)算:

(4)

式中,Cdn為法向流阻力系數(shù);α為波浪傾角;Cdt為切向流阻力系數(shù);ρW為液體密度;l為基礎(chǔ)平臺(tái)跨度;d梁結(jié)構(gòu)直徑;v0波浪初始速度;v為波速;t為時(shí)間;CM為質(zhì)量系數(shù)。

(3)流載荷。流載荷設(shè)置為恒定流速,與時(shí)間無(wú)關(guān),在海洋工程中它的計(jì)算滿(mǎn)足[11]

(5)

式中,CDC為法向流阻力系數(shù);vRC為相對(duì)流速,滿(mǎn)足vRC=vC-vS,vC為實(shí)際流速。

根據(jù)建立的載荷與運(yùn)動(dòng)方程,通過(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)出風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力載荷,然后直接將載荷施加到軟件模型中進(jìn)行水動(dòng)力求解。

2.2 力學(xué)模型

基于點(diǎn)陣式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的特殊性,結(jié)合傳統(tǒng)OC4半潛式基礎(chǔ),建立兩種浮式基礎(chǔ)的力學(xué)模型。圖2所示為DMF和OC4基礎(chǔ)力學(xué)模型,二者的縱搖運(yùn)動(dòng)主要由風(fēng)傾力矩和復(fù)原力矩的變化引起。

圖2 基礎(chǔ)力學(xué)模型

圖2中,DMF的復(fù)原力矩滿(mǎn)足

(6)

式中,i為風(fēng)力機(jī)編號(hào);n為風(fēng)力機(jī)總量;ρs為海水密度;Si為水線面面積;RDi為水線面與重心的水平距離;θ為整體結(jié)構(gòu)縱搖傾角。

OC4的復(fù)原力矩滿(mǎn)足

(7)

式中,ROi為OC4水線面與重心的水平距離。

由圖2和式(6)、式(7)得,當(dāng)傾角和水線面不變時(shí),復(fù)原力矩與各水線面到重心距離的平方成正比關(guān)系,因此通過(guò)改變浮體間距可以實(shí)現(xiàn)平方級(jí)別提高浮式基礎(chǔ)的復(fù)原力矩。

2.3 運(yùn)動(dòng)方程

點(diǎn)陣式一體化結(jié)構(gòu)同時(shí)承受風(fēng)浪流等綜合因素影響,因此建立風(fēng)機(jī)-浮筒基礎(chǔ)-系泊系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分析模型是十分必要的,而載荷模型應(yīng)該包括空氣動(dòng)力-水動(dòng)力的耦合模型[15]。浮體在水中的運(yùn)動(dòng)形式可分為搖擺和振蕩漂移兩種,主要受環(huán)境載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力和力矩作用。由于整體結(jié)構(gòu)為剛性連接,為便于分析,首先基于質(zhì)量集中法,將整體結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)質(zhì)量塊m0,并考慮結(jié)構(gòu)阻尼、慣性和彈性恢復(fù)作用,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程分析。

浮體搖擺運(yùn)動(dòng)方程滿(mǎn)足

(8)

浮體平蕩運(yùn)動(dòng)方程滿(mǎn)足

(9)

為統(tǒng)一表征浮體搖蕩運(yùn)動(dòng)與環(huán)境作用關(guān)系,基于功能守恒定理,建立點(diǎn)陣式一體結(jié)構(gòu)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方程:

Fjyj+Miθi

(10)

考慮系泊系統(tǒng)作用的系泊浮體時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程為

(11)

3 數(shù)值模型

利用有限元水動(dòng)力分析軟件ANSYS AQWA對(duì)基礎(chǔ)的浮筒和撐桿進(jìn)行水動(dòng)力模型的構(gòu)建。為簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)置點(diǎn)陣式多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為剛體結(jié)構(gòu),其中浮筒的特征尺度和波長(zhǎng)比大于0.2,為大尺度構(gòu)件,建立面元模型,運(yùn)用三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪載荷;撐桿的特征長(zhǎng)度與波長(zhǎng)的比值均小于0.2,為小尺度構(gòu)件,建立Morrison桿元模型,風(fēng)浪流同向,載荷方向?yàn)?°。

(1)海況參數(shù)。根據(jù)IEC 61400—1: 2005的規(guī)定[13],風(fēng)電機(jī)組極限載荷取決于50年一遇最大10 min平均風(fēng)速和極大3S風(fēng)速。為進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)的安全性,在選擇極端海況時(shí),選擇100年一遇的南海極端海況,作業(yè)海況則依據(jù)NREL公布的5MW風(fēng)機(jī)工作風(fēng)速確定,具體環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 南海環(huán)境參數(shù)

(2)水動(dòng)力分析模型。DMF浮式基礎(chǔ)坐標(biāo)依據(jù)右手定則,原點(diǎn)選在水面上,與塔架支撐浮筒中心軸相交,z軸豎直向上且與塔架支撐浮筒的中心軸重合,模型整體關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)。在水平面內(nèi),x軸正向與風(fēng)浪流入射方向的夾角定義為環(huán)境載荷的入射角度β,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。選用A36海上鋼材,泊松比為0.3,屈服極限為450 MPa。海面以上為10 m,海面以下為35 m,整體漂浮于海面,采用六點(diǎn)系泊方法,系泊材料選用聚酯纜[16]。

(3)模型建立與網(wǎng)格劃分。利用ANSYS AQWA對(duì)基礎(chǔ)的海洋多風(fēng)電機(jī)組一體化結(jié)構(gòu)建立水動(dòng)力模型,網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。基于AQWA軟件水動(dòng)力分析建模要求,整體結(jié)構(gòu)采用殼單元;考慮網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不進(jìn)行單獨(dú)建模,網(wǎng)衣承受載荷參照式(3)和式(6)計(jì)算得出,直接施加到浮式基礎(chǔ)上;風(fēng)載荷按照式(1)和式(2)計(jì)算得出,直接施加到風(fēng)機(jī)塔筒頂端,方向與海流載荷一致,為坐標(biāo)x軸正方向。

圖3 DMF網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 模型可靠性驗(yàn)證

利用ANSYS AQWA建立OC4和DWF基礎(chǔ)的水動(dòng)力模型。通過(guò)自由衰減運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬分別進(jìn)行縱搖和橫蕩時(shí)域響應(yīng)對(duì)比分析,設(shè)置初始傾角為8°,初始水平位移為20 m。該方法不僅可以確定平臺(tái)固有頻率等屬性,而且可以驗(yàn)證數(shù)值求解器在浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力求解問(wèn)題上的可靠性。自由衰減模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 縱搖衰減結(jié)果

圖5 橫蕩衰減結(jié)果

根據(jù)圖4和圖5中可知,模型的固有周期和衰減幅度的預(yù)報(bào)與文獻(xiàn)[17]的浮式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)-水動(dòng)力耦合流場(chǎng)數(shù)值模擬和OC4水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合,最大誤差小于5%,證明該求解器在計(jì)算該浮式風(fēng)機(jī)支撐平臺(tái)的水動(dòng)力問(wèn)題上具有較好的可靠性與較高的精度。基于AQWA軟件得出OC4的縱搖固有周期為26.1 s,與NAEO算法計(jì)算的結(jié)果25.8 s和OC4水池試驗(yàn)得到的26.8 s周期基本一致。

4.2 風(fēng)浪流動(dòng)力響應(yīng)分析

為明確風(fēng)浪流因素聯(lián)合作用對(duì)新型DMF基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)性的影響規(guī)律,開(kāi)展了風(fēng)浪流工況時(shí)域分析。

在風(fēng)浪流載荷下開(kāi)展DMF運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析是最接近實(shí)際海洋工況的模擬,本研究重點(diǎn)關(guān)注DMF對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)性。設(shè)置風(fēng)參數(shù):單風(fēng)機(jī)平均氣動(dòng)載荷為800 kN[10],作用點(diǎn)在風(fēng)機(jī)塔筒上,作用高度為水線面基準(zhǔn)面以上100 m。設(shè)置浪參數(shù):波高為5.49 m,周期為11.3 s,采用規(guī)則波輸入方式,設(shè)定波流流速為0.39 m/s,流域范圍為全部水深。采用均勻流速輸入方式,方向?yàn)閤軸正方向,時(shí)間步為0.2 s,時(shí)長(zhǎng)為500 s。DMF和OC4時(shí)域仿真分析結(jié)果如圖6所示。

(a)搖擺時(shí)域分析結(jié)果

由圖6a可得,常規(guī)作業(yè)工況風(fēng)浪流作用下,DMF和OC4縱搖響應(yīng)幅值均呈周期性波動(dòng)。其中DMF縱搖幅值為±2°,OC4縱搖幅值為0.5°～8.5°。由圖6b和圖6c得出,DMF的橫蕩響應(yīng)幅值與系泊張緊力幅值明顯高于常規(guī)OC4基礎(chǔ)平臺(tái),主要因?yàn)镈MF承載6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的水平風(fēng)力,為OC4的6倍,基于力學(xué)平衡定理,系泊張力也約為OC4張力的6倍。

5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)試

本研究進(jìn)一步開(kāi)展了新型點(diǎn)陣式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型樣機(jī)加工和波流水槽模擬實(shí)驗(yàn),通過(guò)自有衰減測(cè)試和風(fēng)浪流水動(dòng)力測(cè)試來(lái)驗(yàn)證DMF水動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠反映真實(shí)的情況,模型應(yīng)與實(shí)物的物理性質(zhì)盡可能接近,以水動(dòng)力主導(dǎo)的水池模型樣機(jī)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸けM可能滿(mǎn)足Froude和Reynolds相似。按照縮尺比1∶200進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募庸ぶ谱鳌?/p>

模型樣機(jī)加工嚴(yán)格按照物理參數(shù)相似比數(shù)據(jù),在保證模型結(jié)構(gòu)密封性的前提下充分考慮結(jié)構(gòu)安全強(qiáng)度問(wèn)題。模型主體框架材料選用玻璃鋼,可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)尺寸和浮力平衡要求。風(fēng)機(jī)和網(wǎng)衣采用聚乙烯材料,整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過(guò)砝碼塊配重調(diào)整,從而調(diào)整水線面位置。為對(duì)模型的干重以及重心位置嚴(yán)格控制,先在水池中平衡再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。DMF一體化裝置模型如圖7所示。

(a)水槽 (b)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?(c)檢測(cè)器

模型實(shí)驗(yàn)研究在中國(guó)石油大學(xué)(華東)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室拖曳水池中開(kāi)展。額定作業(yè)工況的參數(shù)設(shè)置為:波高5.49 m,周期11.3 s,風(fēng)速11.4 m/s,流速0.39 m/s。按照相似原則轉(zhuǎn)換得:波高0.027 m,周期0.806 s,風(fēng)速0.81 m/s和流速0.028 m/s。風(fēng)浪流載荷施加方向均為x軸正方向,得到水動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 縱搖時(shí)域分析結(jié)果

圖9 橫搖時(shí)域分析結(jié)果

由于風(fēng)浪流作用下的運(yùn)動(dòng)耦合狀態(tài)較為復(fù)雜,額定作業(yè)工況下,水動(dòng)力運(yùn)行響應(yīng)中的搖擺角響應(yīng)是衡量海上浮式風(fēng)機(jī)發(fā)電的關(guān)鍵,因此重點(diǎn)對(duì)縱搖和艏搖響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。DMF的縱搖響應(yīng)幅值為2°,OC4的縱搖響應(yīng)幅值為9°,穩(wěn)性提高超過(guò)70%;DMF的艏搖響應(yīng)幅值為0.5°,OC4的艏搖響應(yīng)幅值為10°,穩(wěn)性提高超過(guò)90%,論證了點(diǎn)陣式風(fēng)電機(jī)組一體化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

(1)基于點(diǎn)陣式風(fēng)電機(jī)組一體化基礎(chǔ)(DMF)結(jié)構(gòu)的特殊性,建立了考慮水線面和慣性矩的力學(xué)模型。相較于傳統(tǒng)風(fēng)傾力矩穩(wěn)性方程根據(jù)浮心變化規(guī)律確定初穩(wěn)性的方式,DMF穩(wěn)性平衡方程能更直觀地確立浮式結(jié)構(gòu)參數(shù)與縱搖初穩(wěn)性的關(guān)系,提供了便于理論模型與數(shù)值模擬的水動(dòng)力穩(wěn)性作對(duì)比的方法,為新型浮式結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段穩(wěn)性規(guī)律研究提供了參考。

(2)考慮風(fēng)浪流多因素環(huán)境作用,開(kāi)展了DMF氣動(dòng)-水動(dòng)力模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。結(jié)果顯示DMF的縱搖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)性較傳統(tǒng)OC4具有較大的優(yōu)越性,在不同環(huán)境載荷作用下,DMF的縱搖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)性較傳統(tǒng)OC4均提高約70%。該結(jié)論同樣論證了本研究中基于水線面和慣性矩的初穩(wěn)性力學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可行性。

(3)為進(jìn)一步驗(yàn)證DMF建立模型準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)自身固有頻率等開(kāi)展了新型點(diǎn)陣式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型樣機(jī)加工和波流水槽模擬實(shí)驗(yàn),通過(guò)自有衰減測(cè)試和風(fēng)浪流水動(dòng)力測(cè)試,結(jié)果表明數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合度較高,由于模擬中未考慮水的黏性阻尼和渦流效應(yīng),因此響應(yīng)幅值數(shù)據(jù)略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,誤差小于5%,不影響結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

在風(fēng)電漁業(yè)系統(tǒng)中的可行性研究仍有許多挑戰(zhàn),下一步研究考慮:6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組布置方案優(yōu)化、長(zhǎng)期疲勞的影響、海浪撞擊效應(yīng)、極端海況下的有效生存策略以及新組合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。