一种与采油平台结合的新型波浪发电装置❋

刘　臻， 范海文， 燕浩然， 赵环宇， 杨万昌， 金吉元

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 青岛市海洋可再生能源重点实验室，

山东 青岛 266100；3.韩国船舶与海洋工程研究院，大田，韩国 305343)



一种与采油平台结合的新型波浪发电装置❋

刘臻1,2， 范海文1， 燕浩然1， 赵环宇1， 杨万昌1， 金吉元3

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 青岛市海洋可再生能源重点实验室，

山东 青岛 266100；3.韩国船舶与海洋工程研究院，大田，韩国 305343)

摘要：本文基于前期对振荡浮子式波能发电装置的研究，提出一种与采油平台结合的新型波浪能发电装置，并采用水动力学软件Ansys-AQWA进行数值模拟，计算了不同波况条件下的发电装置受力与运动响应。分析发电装置稳定性和输出功率表明：在振荡浮子与采油平台导管架相结合的状态下，装置运行正常，平台稳定，波能利用率并未受到显著影响，初步验证了设计的可行性。通过频域计算，发现装置发电理想波频区间为1.2～2.0Hz；通过时域计算，发现浮子垂向平均最大位移、最大速度、最大加速度与波浪波高成正相关，垂向平均最大加速度与波浪周期成负相关，垂向平均最大波浪力与波浪周期成正相关，上述成果将为后续研究与试验提供一定的数据支持。

关键词：数值模拟； AQWA； 波浪能； 发电； 平台

LIU Zhen, FAN Hai-Wen, YAN Hao-Ran, et al. A new wave energy convertor combined with oil production platform[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(2): 124-130.

随着社会发展，能源短缺已经成为一个急需解决的问题。化石能源日益减少，而人类对能源的需求却在不断增加[1]。波浪能作为海洋能的一种，具有能量转换利用方式简单、能流密度大、分布广泛等特点[2]。目前世界上较著名的波能发电装置包括：瑞典开发的Floating Wave Power[3]、丹麦的Wave Dragon[4]以及英国的Pelamis[5]。此前海洋能开发利用示范工程大多为独立支撑结构，尚未有与海工构筑物相结合的案例，只在国内外一些研究方案和设计构思中有一些借鉴思路：如韩国的Uldolmok潮流电站利用跨海大桥结构兼作潮流能水轮机支撑结构的方案、中国海洋大学提出的一种利用沉箱式防波堤兼作岸式波力发电装置的构思等。本文针对于海洋能中研究最为广泛的波浪能以及采油平台广泛分布的特点，提出了一种与采油导管架平台结合的波能发电装置新设计构思，在鲜有借鉴经验情况下对装置进行了三维数值模拟，分析在多种波况状态下波能发电装置在导管架影响下的运动状态、波能发电装置工作性能及波能吸收效果，验证了波能发电浮子工作运动状态可行性。

1导管架平台与波能发电装置

1.1平台导管架形式及设计参数

导管架整体设计构思建立在新建导管架基础之上，对管架结构进行设计改造，导管架整体预制投放。采用平台结构为储油设施，通过栈桥与生活区相连，波能装置于平台甲板下方自由水面附近，在尽量不影响生活区的情况下进行波能发电作业，同时又离生活区较近，方便电力输送。中柱采用φ1 350×26钢管提前与管架整体连接预制，底部位置通过斜拉筋与平台整体相连，斜拉筋采用φ700×22钢管，主要承载波能浮子采集装置的横向受力，中柱上部在吊装上部模块前采用临时固定连接，待上部模块吊装完成后，拆除上部临时固定结构，完成整体安装。平台1、2号轴线侧为船舶靠船侧(见图1)，结构整体预制形式见图2，结构整体施工采用平台普通施工方案。

导管架主体采用四腿导管架型式，导管架的4个面的斜度为10∶1，A、B主轴线间距离为14m，1、2号主轴线距离为12m。导管架顶标高4.8m，底标高-20.2m，工作点标高5.8m。主导管采用φ1 350×26钢管，成矩形布置，在标高3.8m，-2.7m，-10.2m，-18.2m处设加强段，采用φ1 374×38钢管。在标高3.8m，-2.7m，-10.2m，-18.2m处设水平拉筋及水平斜拉筋，分别采用φ700×22钢管、φ500×18钢管。在标高-2.7m，-10.2m，-18.2m之间设竖向斜拉筋，采用φ600×22钢管。导管架上设靠船构件、登船平台等附属构件。桩采用φ1 200开口变壁厚钢管桩，壁厚分别为22、26、32和38mm，桩入土57m。

图1　导管架平台平面图

浮子采用可拆卸模组，预制浮子部件后，在平台上安装完成，然后对浮子及其连接结构进行单独安装，保证浮子对平台影响的最小化。

图2　导管架平台立面图

1.2 波能发电装置形式及设计尺寸

采用底面圆锥型的浮子作为设计发电装置，在前期研究中发现此种发电装置波能吸收效果较好，波能利用率较高6]。浮子装置几何尺寸见图3。

装置壳体采用40mm的钢板制作，总高度为6.25m，内部中空，质量为3.55×104kg。自由漂浮状态下吃水深度为1.42m，即干舷高度为4.83m。为保证正常工作吃水，设计干舷高度为3m，即吃水深度为3.25m。装置下部柱状空仓填充碎石压载，碎石密度为1.9×103kg/m3，填充体积为48.48m3。

图3　浮子装置几何尺寸(单位：m)

浮子与导管架连接段采用机械式连接方式，主要通过齿轮与齿条配合运作，同时结合管架结构中的支撑柱进行轨道铺设，将浮子通过内部的机械连接安装到铺设轨道上。浮子主要分为上下两部分，上部为电路及发电机连接线路板部分，下部为提供浮力的隔仓(内部中空提供浮力，必要时进行注水作业下潜)，上部结构将分为多个不同舱室，主要包括发电机、蓄电池、线路板等根据不同功能进行隔舱，齿轮等机械单独连接于浮子中部，与其它线路隔开以防止海水侵入，整体安装完毕后进行封箱，效果见图4。

图4　浮子结构示意图

浮子封箱隔离后，上部加盖板材，线路通过内部管线延伸至上部甲板及生活区，为平台提供所需要的电力服务，整体效果见图5。

2数值模拟

2.1 AQWA软件简介

AQWA是一套集成模块，主要用于满足各种结构流体动力学特性评估相关分析需求，包括从桅、桁到FPSO，从停泊系统到救生系统，从TLPs到半潜水系统，从渔船到大型船舶以及结构交互作用。本文用到的模块主要包括AQWA-LINE和AQWA-NAUT。

图5　整体效果图

前期研究中对浮子模型运动性能分析，物理模型试验与数值模拟对比结果验证了AQWA对于波能发电浮子分析的可靠性。

AQWA-LINE是用于计算浮体结构在常规波中响应问题的计算程序，此程序可以单独运行也可以跟AQWA软件包其他软件联合求解，AQWA-LINE的主要分析技术是水波的辐射/衍射理论。常规波浪在行进过程中经常会受浮体结构的影响而产生衍射。程序可以计算浮体结构的一阶或是二阶波浪力。AQWA-NAUT则用于计算在特定波浪条件下，浮体结构的载荷和运动时间历程。

2.2 波浪荷载计算

AWQA-LINE模块可计算自由漂浮模型的波浪载荷。AQWA-LINE计算时考虑了浮体结构及临近的固体结构与水动力的相互影响；可处理浅水效应，考虑波浪力高阶项后；可计算由波浪辐射、衍射引起的任意形状的浮体结构周围的波浪力。AGS后处理软件对计算结果进行分析和输出，分别如图6～8所示。

本文用ANSYS软件建立了发电装置的几何模型。在水面线位置(即吃水线处)有较多的节点，一个单元只有完全位于水线面以下，才被识别为绕射单元，并被用作进行水动力学分析。若某单元一部分在水线面以上，另一部分在水线面以下，该单元则不会被识别为绕射单元。以上软件设置就要求在建模时，需在水线面位置对装置几何模型进行切割(布尔操作)以保证水线面是绕射单元与非绕射单元的分割面，并保证计算精度。

图6　AGS导入计算模型图

图7　AGS导入流体计算过程示意图

图8　振荡浮子装置衍射、辐射波浪三维显示图

浮体在波浪中6个自由度的运动和6个方向上的波浪力(矩)，被称为响应变量。这6个自由度的摇荡运动可分解为3种角位移和3种线位移，分别称为横摇、纵摇、艏摇和纵荡、横荡、垂荡。其中装置浮体重心G沿ox轴的直线运动称为纵荡(Surge)；沿oy轴的直线运动称为横荡(Sway)；沿oz轴的直线运动成为垂荡(Heave)；浮体绕ox轴的转动称为横摇(Roll)；绕oy轴转动的称为纵摇(Pitch)；绕oz轴的转动称为艏摇(Yaw)7]。这6种运动中，垂荡对发电装置工作性能影响最大，是本研究中主要考虑的对象。

3装置浮体的工作状态及受力分析

装置在正常工作海况下，考虑其对称性，设定入射波方向均沿ox轴正方向，考虑规则波具体计算工况如下表1所示。主要对浮子进行不同波高周期组合条件运动状态对比分析，分为4个工况，水深均采用18.2m，吃水深度保持一致(3.25m)，由于主要是对于装置运动状态进行分析，并对规律进行归纳总结，因此模拟过程中采用规则波进行模拟分析。

表1　工作海况下装置计算工况表

3.1 浮体频域运动响应分析

图9中装置浮体附加质量和阻尼系数随入射波频率改变具有一定变化趋势，个别方向的附加质量和阻尼系数在某一频率发生剧烈变化。

图9　装置附加质量，附加阻尼(H=0.5m,T=6.0s)

图10为频域下的浮子运动响应幅值大小，RAO是装置运动响应无因次化的响应振幅算子，其计算方法为：

主要表示随着波浪振动频率的变化浮子本身运动响应的变化情况，如图10中所示，频率在1.2之前，RAO值逐步平稳小幅上升，在2.0以后出现平稳下滑，RAO值在1.2～2.0之间出现剧烈变化，说明浮子在此区间内运动变化强烈，对于波能浮子采集装置来说，运动的剧烈变化使得其波能捕获效果达到最佳，是对于此装置较为合适的波浪频率区间。

图10　频域下的运动响应幅值

3.2 浮体时域运动响应分析

A1工况计算结果图11、12可得Z方向运动位移、速度及加速度随时间整体成周期性变化，某一时间节点处出现最大，随后曲线峰值相对变小，延续2～3个峰值后再次出现最大，依此循环。在位移最大位置速度最小，加速度最大，结合图13可知此时发电功率最小，装置处于平衡位置时，速度最大，加速度最小，发电功率最大。

图11　装置浮体z方向上位移，速度及加速度

图12　装置浮体所受k-f力及波浪绕射力

图13　输出功率短时程示意图(H=0.5m,T=6.0s)

保持波高不变，对比浮子时域运动响应，随着周期变化，浮子垂荡范围也有所变化，波浪周期变长，浮子相对运动趋于稳定，幅度有所减小。在相同周期下，随着波高增大，装置浮子垂荡运动变化明显，浮子输出功率变化也随之加强。在0.5m波高下条件下，不同周期条件，位移对比见图14。从图中可以看出6s周期条件下浮体位移变化较大，这主要是由于6s周期波频率为0.167，处于1.2Hz波频率之前，浮体位移响应变化较小，随波频增大稍有增加，与频域分析中运动响应幅值结果相符，但位移整体变化不大。

保持周期不变，对比浮子时域运动响应，随着波高的变化，浮子垂荡范围有明显变化。如图15所示，相同周期下，装置浮体运动频率相同，但是随着波高的变大，装置浮体运动位移变化有了明显提高，因此，理论上来说，在保证浮体装置安全性能条件下，波高越大装置发电性能越好。

图14　不同周期浮体位移变化对比

图15　不同波高装置位移变化对比图

不同波高对浮体装置平均最大位移影响如图16。相同波高条件下周期的增大引起位移缓慢减小，这是由于周期增大使得运动频率变化，剧烈程度降低，使得浮子装置接收能量的速度降低，位移变化稍有减小，但影响不大；相同周期条件下，随波高的变大浮子运动位移明显加大。

浮体运动响应其他参数的对比如图17、18、19所示，图17中浮体装置平均最大速度随周期变化下降，主要是受到周期变大影响，使得能量转化频率下降，运动速度下降；图18中与17变化原因相同，随周期变大，运动加速度减小；图19竖直方向上，浮体装置所受波浪力随周期增大而增大，主要是由于周期变大，导致周期内波浪所携带水体体量增大，使得每个波周期内能量增加，波浪力作用力增大。

从各个工况中的浮子运动情况看，浮子运动幅值在某一波浪频率范围内出现较大波动，运动幅度出现峰值；时域运动响应规律与前期研究中浮子装置运动的位移以及速度变化相差不大，即装置对于波能的吸收并未受到很大影响，在导管架平台存在的情况下，浮子运动的理想波频率在1.2～2.0Hz之间；通过时域方向上，各工况的横向与纵向对比说明浮子发电装置整体运动性能良好，因此，振荡浮子式波能发电装置在与采油平台的导管架相结合的状态下，其运动形态与速度变化并未受到太大影响，波能吸收状态良好，此种形式是可行的。

图16　平均最大位移

图18　平均最大加速度

图19　平均z方向最大波浪力

4结语

通过水动力学软件模拟计算研究表明，波能发电装置与平台结合是可行的，装置在初步设计状态下，运动效果良好，在正常工作海况下，装置运行正常，未出现破坏或停止工作状况。运动幅度相对较大，波能利用率并未受到平台太大影响。本文主要通过数值模拟计算为后期试验及海试研究提供了一定数据支持，后续具体实际情况后续仍然需要大量验证及补充计算。

参考文献：

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Lai Xiangjun, Dai Lin. Oil and Natural Gas-Opportunities and Challenges [M]. Beijing: Beijing Chemical Industry Publishing House, 2005: 6-10.

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Sun Hong, Li Yongqi. Research On the Ocean Technolegy of China and Its Industrial Development [M]. Qingdao: Ocean University of China Press, 2003: 3-15.

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[7]史宏达, 刘栋, 刘臻. 一种新型波能发电装置的运动响应计算[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2010.

Shi Hongda, Liu Dong, Liu Zhen, Calculation of the Motion Response of a Novel Wave Energy Convetor [D]. Qingdao: Ocean Univercity of China, 2010.

责任编辑陈呈超

A New Wave Energy Convertor Combined with Oil Production Platform

LIU Zhen1, 2, FAN Hai-Wen1, YAN Hao-Ran1, ZHAO Huan-Yu1, YANG Wan-Chang1, JIN Ji-Yuan3

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Marine Renewable Energy Key Laboratory, Qingdao 266100, China; 3.Korea Research Institute of Ship and Ocean Engineering, Daejeon 305343, Korea)

Abstract:Based on the former studies on oscillating-buoy type wave energy converter, a new wave energy converterwas proposed in the present paper, which is combined with the oil platform. The hydrodynamic software Ansys-AQWA was employed to carry out all the numerical simulations. The forces on the device and corresponding movement responses were calculated under various wave conditions. The stability and output power analysis indicates: the operational stabilities of the wave energy device and platforms are good. The wave energy absorption ratio is not affected by the platform, which has demonstrate that the feasibility of the proposed design. It was found that 1.2～2.0Hz is the optimal wave frequency zone. On the other hand, the vertical mean maximum movement, maximum velocities and accelerations are in the positive correlation to the incident wave height. The vertical mean maximum accelerations are in the negative correlation to the incident wave periods. In addition, the vertical mean maximum wave forces are in the positive correlation to the wave periods. The above results will provide sufficient data support to the further studies.

Key words:AQWA; convertor; numerical simulation; wave energy; platform

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140085

中图法分类号：TM619

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)02-124-07

作者简介：刘臻(1979-)，男，副教授。E-mail:liuzhen@ouc.edu.cn

收稿日期：2014-03-17；

修订日期：2015-01-10

基金项目：❋山东省自然科学基金项目(JQ201314)；国家自然科学基金项目(41376100)；国家高技术研究发展计划项目(2012AA052601)；海洋可再生能源专项(GHME201113L04)；韩国船舶与海洋工程研究院项目(PES1920)资助

引用格式：刘臻， 范海文， 燕浩然, 等. 一种与采油平台结合的新型波浪发电装置[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(2)： 124-130.

Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation (JQ201314)；National Natural Science Foundation (41376100)；863 Project (2012AA052601)；Ocean Renewable Energy Special Fund Project (GHME201113L04)；Korea Research Institute of Ships &Ocean Engineering(KRISO)Endowment-Grant(No.PES1920)