半潜漂浮式风机稳性数值分析

2019-07-03

船海工程 2019年3期

关键词：稳性浮式舱室

(明阳智慧能源集团股份公司，广东中山 528400)

半潜式浮式风机因其稳定性较好、适用水深范围广、安装运输方便而备受关注。良好的基础稳定性是初期设计阶段重点考虑因素之一。目前国内关于半潜漂浮式风机稳性的分析研究还有一系列问题有待解决，主要如下[1]。

1)叶片风倾力矩的计算主要采用等效圆盘估算的方法，无法准确描述叶片产生的巨大气动力载荷。

2)稳性评价标准与设计规范主要参考传统海工平台，但浮式风机属于无人作业，其设计安全等级较低些，且对完整工况下的静倾角限值有要求。

3)关于稳性计算工况，DNVGL规范中提到了运行工况，但未详细规定运行工况的内容(启动、发电、刹车、停机等)，且未与风机控制策略(变桨、偏航)、风速风向相结合，因此须对漂浮式风机全生命周期的典型运行工况开展稳性分析。

为探讨半潜漂浮式风机稳性分析部分问题及完善稳性分析思路，以某典型半潜浮式风机为例，开展稳性数值计算分析。选用Bladed软件精确计算叶片气动力载荷，通过受力分析转化为风倾力矩；根据半潜浮式风机运行安全与功能要求，提出其稳性适用性衡准；对各典型运行工况下的风机载荷展开对比分析，选择极限风机载荷工况进行稳性分析。

1 半潜浮式风机设计

1.1 主要设计参数

浮式风机结构主要包括：发电机组、轮毂、叶片、塔筒及浮式支撑基础。发电机组通过轮毂与叶片连接在一起，下部与塔筒相连，塔筒底部通过法兰与浮式基础相连[2]。半潜式平台因柱体之间距离较远而获得较大的水线面惯性矩，具有较好的稳性。算例采用3浮筒半潜式平台作为风机支撑基础，几何模型见图1。

图1 风机整体几何模型

在立柱底部设置大尺度圆形浮筒，以增大基础的附加质量和阻尼，抑制基础的垂荡运动；为调节基础浮态及提高基础稳性，在浮筒与立柱内设置压载舱；立柱最上层设置为空舱，以合理布置电气、系泊缆等设备。主要设计参数见表1[3]。

表1 风机主要设计参数

基础主尺度信息见图2。

图2 基础主尺度

1.2 典型计算工况

1)拖航工况。需要核算完整稳性和破损稳性，风速为70 kn。

2)作业工况。浮式风机大部分生命周期内都处于作业工况，包括启动、发电、刹车等，与具体的控制策略及风速风向相关，须对各具体工况下的风机外界载荷进行对比分析，选择极限载荷工况进行稳性分析。需要核算完整稳性和破损稳性，风速为70 kn。

3)自存工况。又称风暴工况，浮式风机处于最恶劣的设计环境载荷工况，此时风轮处于顺桨停机或空转状态。此工况只需要核算完整稳性，风速为100 kn。

算例稳性计算工况汇总见表2。

针对破损稳性，借鉴海工平台设计经验，根据浮式风机破损的成本效益分析，小于10 MW的浮式风机只计算单舱破损，风速取50 kn。

表2 稳性计算工况汇总

1.3 开口布置

基础的外部开口对稳性分析计算极为重要，在稳性计算校核时，需要满足规范要求[4]。

算例中的立柱和浮筒设置压载舱，立柱最上层为设备舱，故立柱顶部应布置舱口盖、透气孔和通风筒；基础与塔筒为法兰连接，在连接处设置非保护性开口。稳性计算所用开口布置见图3。

图3 基础开口布置

2 稳性衡准要求

漂浮式风机发展相比于传统海洋工程平台起步较晚，目前相应规范体系与安全评价标准尚未成熟，DNVGL关于海上风机的规范DNVGL-ST—0119提到了浮式风机稳性设计的相关衡准，内容主要借鉴传统海工平台[5]。

相比于传统海工平台，浮式风机稳性设计有其身的特点：①针对完整稳性，一般规范并无对静倾角限值的规定，但为了保证风机关键设备正常运行及捕捉更多风能，浮式风机需保持一定的静倾角，有必要设置静倾角最大限值；②针对破损稳性，为保证发生破损后，风机关键设备不发生损坏，有必要对破损后静倾角进行限值。

借鉴传统海工平台规范[6]，参考DNVGL浮式风机设计标准，采用的稳性校核衡准见表3、4。

完整稳性衡准2及破损稳性衡准1中：静倾角15°与破损平衡角17°的限值只作参考，具体限值须根据风机设备运行要求及风轮与风向夹角综合考虑，最终由风机厂家与设备厂商共同协定。

表3 完整稳性衡准

表4 破损稳性衡准

3 风倾力矩计算

3.1 叶片载荷

采用叶素-动量理论求解叶片气动力载荷[7]。作用在叶素上的推力和弯矩为

(1)

(2)

式中：ρ为空气密度；W为合成风速;B为叶片数量;C为叶素剖面弦长;Ct、Cd分别为叶素的升力系数和阻力系数；φ为入流角；r为叶素到轮毂中心的距离；δr为每个叶素的展向长度。

采用Bladed软件计算作用在塔筒顶部的载荷，再进一步转化为作用在基础上的风倾力矩。

3.2 机舱、塔筒和基础载荷

与叶片载荷相比，机舱、塔筒和基础不需要考虑气动力效应，风载荷计算参考DNV规范。

F=0.5CSCHρV2A

(3)

式中：CS为受风构件的形状系数；CH为受风构件的高度系数；ρ为空气密度；V为风速；A为所有暴露面的投影面积。

采用NAPA软件建立机舱、塔筒和基础的受风模型(见图4)，计算作用在基础上的风倾力矩。

图4 机舱、塔筒和基础受风模型

4 稳性计算

算例采用专业软件进行稳性计算，包括静水力模型建立、舱室划分、典型装载工况、完整稳性计算、破损稳性计算，最终得到各典型工况下的许用重心高度[8]。

4.1 完整稳性计算

完整稳性主要研究风机在外力作用下是否具备抗倾覆能力。自存工况下完整稳性计算结果见图5，其中静平衡角为13.3°，满足15°限值的要求；从正浮到进水角范围内的面积比为1.33，满足1.3限值的要求；复原力臂从0至进水角范围内均为正值，满足规范要求。对于拖航与作业工况，完整稳性同样满足规范与风机正常运行要求。

图5 自存工况完整稳性计算结果

4.2 破损稳性计算

破损稳性主要研究风机基础某一舱室发生破损进水后，在50 kn风速作用下，风机不会倾覆或沉没，仍具备一定浮性和稳性的能力。对于算例，只计算单舱破损稳性。

浮体破损稳性与舱室划分密不可分，舱室划分过少，舱室破损进水将导致平台失稳倾覆；舱室划分过多，会引起额外的质量增加，经济性降低[9]。综合考虑破损稳性要求、舱室布置优化及经济性，浮式风机基础主要舱室划分见图6。

图6 舱室划分

作业工况下舱室发生破损后的浮态及稳性计算结果分别见图7、8。

图7 立柱舱室破损后浮态

图8 作业工况破损稳性计算结果

结果表明，立柱第三层压载舱(水面处)发生破损时为最临界情况，稳性储备最差。此时基础静倾角为15.2°，满足17°限值要求；所有风雨密开口、非保护性开口都在破损静水面之上，满足规范开口布置要求；从第一交点至非保护性开口位置(风雨密角度范围)为24.6°，满足7°限值的要求。拖航工况下，破损稳性同样满足规范要求。

4.3 许用重心高度(AVCG)

许用重心高度是指平台恰能满足稳性衡准要求时的重心高度。平台实际运营过程中的重心高度不得超过此极限值，否则便会造成稳性不足，因此许用重心高度为实际操作运营时的最大重心高度[10]。经稳性计算获得各工况吃水下的许用重心高度后，后续只需进行各工况吃水下的装载计算，校核此装载下的重心高度是否满足许用值，而不必对具体装载工况再进行稳性计算，提高稳性核算效率[11]。

根据完整稳性和破损稳性计算，分别获得风机在完整和破损状态下的许用重心高度值，进一步求解综合许用重心高度，用于实际装载指导与稳性校核。风暴工况下各可能性吃水下的许用重心高度(AVCG)变化见图9。