半潜式海上风电平台运动特性研究

阮胜福，樊 冰，王 涛，田维兴

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程设计有限公司，天津 300452)

半潜式海上风电平台运动特性研究

阮胜福1，樊 冰2，王 涛1，田维兴1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津中海油工程设计有限公司，天津 300452)

海上风电场的设计水深逐渐增加，风机功率不断提高，传统的固定式基础不再适用，性能优良的浮式基础已成为研究的热点。针对60 m水深，为600 kW水平轴风机设计半潜式基础和系泊系统。运用SESAM软件建立半潜式风电平台的有限元模型，分别计算其频域和时域运动响应，分析其运动性能和系泊缆张力，对海上浮式风电场的开发具有一定的指导意义。

海上风电场；半潜式基础；运动响应；系泊缆张力

0 引 言

我国海上风能资源十分丰富，水深5～25 m的海域可装机容量约2亿千瓦，水深70 m以上的海域可装机容量约5亿千瓦。与陆上风能相比，海上风能不仅资源丰富，而且风速更高、更稳定；海上风电场距离岸边较远，不会影响海边的旅游业，其视觉影响、噪声和电磁波干扰也更小。水深较浅时，海上风机可以采用固定式基础，如单桩基础、混凝土重力基础、导管架基础等。水深超过50 m时，考虑到经济成本和安全性，宜采用浮式基础，如单柱式平台(Spar)结构基础、半潜式结构基础以及张力腿平台(TLP)结构基础。海上风电浮式平台的设计，可以借鉴较为成熟的浮式海洋石油平台的工程经验。

英国、荷兰、美国、日本等国对浮式风电进行了详细的理论研究和模型试验，并且已有示范项目在运行。现阶段我国对海上浮式风电的研究多处于概念设计、理论研究和模型试验阶段，缺乏设计和安装经验[1]。李溢涵[2]对Spar基础的浮式风机运动特性进行了理论研究；刘中柏[3]对Spar基础的浮式风机运动特性进行了试验研究；陶海成[4]对三柱式浮式风电平台的结构强度和疲劳特性进行了研究。本文研究了一种应用于60 m水深、半潜式基础的海上风电平台的运动特性和系泊缆张力，得到了一些有价值的结论。

1 分析方法

对于浮式结构物的运动特性分析，一般先进行频域分析，然后开展时域分析。相对于频域分析，时域分析充分考虑各种非线性因素，计算结果更为可靠。小尺度结构上的波浪力和海流力，可用Morison公式求解；而大尺度结构上的波浪力，可用三维势流理论求解，其上的海流力可根据美国石油学会(API)规范API RP 2SK[5]计算。风机正常发电和停止发电时所受的风荷载，可按《风力发电机组设计要求》[6]计算；而其他结构上的风荷载，应考虑形状系数和高度系数，可按照《海上移动平台入级与建造规范》[7]计算。本文不再赘述这些经典理论和相应规范。

1.1 频域分析

频域分析主要是研究不同周期的波浪作用下浮体的固有运动特性。若假定入射波为单位波幅的Airy波，可根据频域运动方程求解浮体运动响应幅值算子(RAO)。频域运动方程为

[-ω2(M+A(ω))+iω(B(ω)p+Bv)+C+Ce]X(ω,β)=F(ω,β),

(1)

式中：ω为入射波角频率；β为入射波传播方向；M为浮体质量矩阵；A(ω)为附加质量矩阵；B(ω)p为辐射阻尼矩阵；Bv为线性阻尼矩阵；C为静水回复刚度矩阵；Ce为系泊系统的刚度矩阵；X(ω,β)为浮体运动响应；F(ω,β)为波浪力。

1.2 时域分析

在风、浪、流以及系泊系统的作用下，求解浮体时域运动方程，可以得到浮体各种响应的时间历程。时域运动方程为

(2)

2 半潜式风电平台介绍

本文为600 kW水平轴风机设计了塔柱、半潜式基础以及系泊系统，设计水深60 m，设计吃水9 m。风机设计风速14 m/s，叶轮直径43.2 m，三个叶片，机舱质量26.5 t，叶轮质量13 t。在三个立柱下端布置压水板，以增加附加质量和阻尼，抑制风电平台的运动[8]。每个立柱内布置4个压载舱，内部填充海水。三个立柱的中心构成边长为48 m的等边三角形。该半潜式风电平台的主要设计参数如表1所示，其中总重量和重心含压载水，不含系泊系统。风电平台的几何模型如图1所示。坐标系原点位于立柱底面中心所构成的等边三角形的中心，如图2所示。为计算半潜式风电平台上的水动力载荷，分别建立了湿表面模型和Morison模型，如图3和图4所示，并将两者进行组合，如图5所示。系泊缆采用6根锚链，布置如图6所示。叶片和机舱运用SESAM软件中的设备单元来模拟。

表1 半潜式风电平台主要参数

图1 几何模型Fig.1 Geometry model

图2 坐标系和环境方向Fig.2 Coordinate system and environmental directions

图3 湿表面模型Fig.3 Wet surface model

图4 Morison模型Fig.4 Morison model

图5 复合水动力模型Fig.5 Composite hydrodynamic model

图6 系泊缆布置Fig.6 Mooring line arrangement

3 计算结果

3.1 频域结果

选择一系列不同周期的规则波计算半潜式风电平台的运动RAO，如图7和图8所示。该半潜式风电平台的纵、横稳性高均为23.8 m，其横摇、纵摇和垂荡的固有周期分别为14.4 s、14.4 s和11.7 s。在实际的随机海浪中，其主要成分为周期4～12 s的波浪。该半潜式风电平台平面外运动的固有周期大于主要的波浪周期，因此具有良好的运动性能。

图7 横摇运动RAOFig.7 Roll RAO

图8 垂荡运动RAOFig.8 Heave RAO

3.2 时域结果

半潜式海洋石油平台正常作业时，其垂荡运动应小于±(1～1.5) m，水平运动应小于水深的5%～6%[9]。浮式风电平台无人驻守，因此可以适当放宽其垂荡和水平运动的限值。在叶片迎风向浮式风电平台的俯仰角是非常关键的设计因素。如果俯仰角太大，叶片攻角会随之大幅变化，造成发电功率剧烈波动，也会加剧风机的损伤。浮式风电平台正常发电时，平均俯仰角应不超过±5°，动态俯仰角应不大于±15°，系泊系统张力的安全系数应不小于2.0[10]。

本文计算了四种海况：(1)有义波高Hs=2.5 m，谱峰周期Tp=7 s，平均风速14 m/s，表层流速0.20 m/s；(2)Hs=3.0 m，Tp=8 s，平均风速16 m/s，表层流速0.25 m/s；(3)Hs=4.0 m，Tp=9 s，平均风速18 m/s，表层流速0.30 m/s；(4)Hs=5.0 m，Tp=10 s，平均风速20 m/s，表层流速0.40 m/s。脉动风速选用NPD风谱；随机波浪采用Jonswap谱，谱峰因子γ取2.5，保守考虑风浪流同向。

对于第一种和第二种海况，风电平台的垂荡不超过±0.7 m，横摇和纵摇不超过±2.5°，系缆张力远小于2 250 kN，因此可正常发电。

对于第三种海况，横摇和纵摇不超过±4°。在环境载荷方向为0°时，垂荡最小值约-1.5 m，而大部分时间的垂荡满足要求，如图9所示。系缆张力大于2 250 kN的概率很小，张力的1/10最大值和1/3最大值也较小，如图10所示。所以，此时也可正常发电。

在第四种海况下，如果正常发电，在环境载荷方向为0°时，风电平台垂荡最大值2.07 m，最小值-2.66 m，缆1张力最大值4 119 kN。如果停止发电，垂荡最大值接近±2 m，系缆张力最大值超过2 250 kN，但小于破断张力。停止发电的计算结果如图11和图12所示。

图9 垂荡时间历程(第三种海况，环境载荷方向0°)Fig.9 Heave time history (case No. 3, environmental direction 0°)

图10 缆2张力时间历程(第三种海况，环境载荷方向90°)Fig.10 Tension time history of line No. 2 (case No. 3, environmental direction 90°)

图11 垂荡时间历程(第四种海况，环境载荷方向30°)Fig.11 Heave time history (case No.4, environmental direction 30°)

图12 缆1张力时间历程(第四种海况，环境载荷方向30°)Fig.12 Tension time history of line No.1 (case No.4, environmental direction 30°)

4 结 语

根据某600 kW水平轴风机的参数，设计了半潜式基础和系泊系统，运用SESAM软件建立了有限元模型，并对其进行了频域和时域运动响应分析，得出如下主要结论。

(1) 在立柱中设计海水压载舱，可降低半潜式风电平台的重心高度，提高静稳性和优化运动性能。

(2) 半潜式风电平台的横摇、纵摇以及垂荡运动可以避开主要的波能周期段。

(3) 有义波高不超过4 m时，半潜式风电平台可正常发电；有义波高超过4 m时，应停止发电。

(4) 压水板可增加附加质量和阻尼，有效减小半潜式风电平台的运动。

(5) 若要抵抗更恶劣的海况，可采用增加结构吃水、增大压水板直径以及提高系泊系统刚度等方法。

目前国外所研究的海上浮式风机的功率已近10 MW。本文所研究的风机功率和作业水深虽小，但其半潜式风电平台的结构布置、动态响应的分析方法对类似浮式风电平台的设计具有一定的参考价值。总体结构布置和运动性能分析只是浮式风电平台设计的一部分工作，还应对结构强度和疲劳等方面进行具体的研究。

[1] 高伟, 李春,叶舟.深海漂浮式风力机研究及最新进展[J].中国工程科学,2014,16(2): 79.

[2] 李溢涵.海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究[D].天津：天津大学,2011.

[3] 刘中柏.海上风电浮式基础运动特性试验研究[D].天津：天津大学,2013.

[4] 陶海成.海上风电浮式基础结构设计及整体强度分析[D].天津：天津大学,2012.

[5] American Petroleum Institute. API RP 2SK. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S]. 2005.

[6] 中国机械工业联合会. GB/T 18451.1—2012.风力发电机组设计要求[S]. 2012.

[7] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S]. 2005.

[8] 邓露,王彪,肖志颖,等.半潜型浮式风机平台研究综述[J].船舶工程,2016,38(4): 1.

[9] 李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海:上海交通大学出版社,1992: 2-5.

[10] Zambrano T, MacCready T, Kiceniuk T Jr., et al. Dynamic modeling of deepwater offshore wind turbine structures in Gulf of Mexico storm conditions[C]. OMAE, 2006: 92029.

StudyonMotionCharacteristicsforSemi-SubmersiblePlatformofOffshoreWindTurbine

RUAN Sheng-fu1, FAN Bing2, WANG Tao1, TIAN Wei-xing1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.CNOOCTianjinEngineeringDesignCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

With the water depth of offshore wind farm and the power of wind turbine increasing gradually, the traditional fixed foundations are not applicable. The floating foundations with excellent characteristics have become a research focus. The semi-submersible foundation and mooring system are designed for a 600 kW wind turbine with a horizontal shaft, and the water depth is 60 m. SESAM software is used to establish the finite element model of this semi-submersible platform. The motion responses are calculated in both frequency domain and time domain. Motion performance and mooring line tension are also investigated. This research has some guiding values for the development of offshore wind farm with floating foundation.

offshore wind farm; semi-submersible foundation; motion response; mooring line tension

2016-09-12

阮胜福(1986—)，男，工程师，主要从事海洋石油平台的结构设计与研究。

U656.6

A

2095-7297(2016)06-0371-05