绷紧式系泊浮式风机动力响应及系泊优化

2020-01-01陈映宇张玉明刘海笑

中国海洋平台 2019年6期

陈映宇，张玉明，刘海笑

(天津大学建筑工程学院，天津 300072)

0 引言

近年来，随着能源需求的日渐增加及环境污染问题的日渐严重，以风能为代表的可再生能源利用技术取得了长足的发展。与陆上风机相比，海上风机有不占用土地资源、单体装机容量大、布置受限小等优点。其中，浮式风机因采用浮式基础，与传统固定式风机相比，有机动性强、受水深影响小等优势，在相对深的海域中有广泛的应用前景，是目前国内外研究的热点。浮式风机按基础类型可分为半潜式、Spar形式和TLP形式[1]，其中Spar形式因稳定性较好，在相对深的海域中有良好的应用前景。

系泊系统能够保证浮式风机输电稳定、运行安全。唐耀等[2]根据OC3-Hywind Spar式浮式风机的结构参数，计算浮式风机在时域内的运动响应和系缆张力。高巍等[3]研究OC3-Hywind Spar式浮式风机，得出湍流风模型下风机平台的运动响应。艾勇等[4]对OC3-Hywind Spar式浮式风机进行气动-水动-锚泊系统耦合分析，有效且准确地分析了浮式风机的动力性能。易乾等[5]使用WAMIT软件建立OC3-Hywind Spar式浮式风机模型, 阐述了在南海相应工况下浮式平台结构构型参数的变化对整体结构的运动影响。李嘉文等[6]模拟了一个叶片上变桨控制系统失效的情况,研究空气动力失衡对海上浮式风机系统运动响应的影响。目前，针对浮式风机系泊系统的研究主要集中在悬链式系泊上，关于绷紧式系泊的研究较少。

本文以OC3-Hywind Spar式浮式风机为研究对象，对比悬链式系泊平台与绷紧式系泊平台的运动响应，针对绷紧式系泊不同水平跨距和系泊点位置进行分析，为系泊方式设计提供建议。

1 风荷载计算及平台响应的相关原理

1.1 叶素动量理论

风机叶片沿展向分为许多微段，这些微段称为叶素。叶素动量理论[7]是将每个叶素上的力和弯矩沿展向积分叠加，得到作用于风轮上的力和弯矩的气动理论。作用在每个叶素上的推力及力矩为

(1)

(2)

式中：ρ为空气密度；v为叶片上的相对风速；B为叶片个数；c为叶片弦长；CL为升力系数；CD为阻力系数；φ为气流入流角；r为叶素距轮毂中心的距离；dr为每个叶素的展向长度。

根据API规范[8]计算作用于塔柱和叶片(停机状态)上的定常风压和风倾力矩为

(3)

(4)

在计算中，设计工况下采用FAST软件计算浮式风机受到的风荷载，生存工况下根据上述API规范计算风荷载。

1.2 频域动力响应计算

基于三维势流理论求解速度势。不考虑系泊的浮体运动频域响应方程为

[-ω2(Mf+A)+(-iωC+K)]u=Fw

(5)

式中：Mf为浮体系统的质量矩阵；A为附加质量矩阵；C为附加阻尼矩阵；K为附加水静力矩阵；u为复数形式的浮体运动响应；Fw为波浪激励力；ω为入射波浪频率。上述过程可由水动力软件ANSYS AQWA计算而得。对于系泊状态的RAO计算，需在K中加入线性化后的系泊刚度矩阵。

1.3 动力响应计算原理

海洋风机平台运动方程为

(6)

(7)

在时域计算中，风机平台运动方程为

(8)

式中：A∞为低频附加质量矩阵；R为速度脉冲函数矩阵。其中，缆绳张力可通过有限元模型迭代获得。

2 浮式风机平台计算模型及海况选择

图1 浮式风机整体模型

2.1 平台参数

图2 ANSYS AQWA水动力计算模型

选取NREL设计的OC3-Hywind Spar基础5 MW风机[9](见图1)为研究对象，该浮式风机叶轮直径为126 m，切入风速为5 m/s，切出风速为25 m/s，额定风速为11.4 m/s，其几何参数如表1所示。

表1 OC3-Hywind Spar式浮式风机平台基础参数

2.2 模型验证

为验证水动力分析的有效性，将ANSYS AQWA中建立的浮式基础模型(见图2)计算所得的RAO与KOO等[10]的1∶50波浪水池试验结果进行对比，如图3所示。

图3 数值模型运动响应RAO与模型试验结果比较

图4 系缆布置

从图3可以看出，使用水动力软件计算所得的RAO与波浪水池试验实测数据基本一致，表明水动力计算结果可靠。

2.3 系缆布置及缆绳参数

系泊系统分别采用悬链式和绷紧式两种方式，均由3根系泊缆绳组成，缆绳间夹角为120°，导缆孔在水线下70 m，系缆布置如图4所示。在悬链式系泊中，系缆为R4K4钢链。绷紧式系缆采用钢链-聚酯缆-钢链的组合形式，该组合形式可在降低系缆质量的同时减轻海底泥沙对缆绳的磨损，延长使用寿命。各系泊系统系缆参数[11]如表2所示。

表2 系缆参数及布置方案

2.4 海况

选取中国南海某海域320 m水深作为工作水深。海况如表3所示，波浪谱采用JONSWAP(Joint Noth Sea Wave Project)谱，波浪入射角度为180°(与x轴负向重合)，风的方向与x轴负向重合呈180°。

表3 浮式风机的环境条件

依据DNV规范[12]，考虑极端响应情况，选取每个海况时长为3 h来分析系泊系统动力响应。

3 绷紧式系泊运动响应影响因素及优化方案

3.1 绷紧式系泊浮式风机在风浪作用下运动响应分析

浮式风机在风浪作用下的运动响应由水动力软件ANSYS AQWA计算得出，时间步长设为0.1 s。由风浪方向和系缆布置可知，在系泊系统中3号缆绳张力最大。针对绷紧式方案，计算4种海况下浮式风机系统的时域响应，统计各海况下浮式基础运动响应及3号缆绳最大张力，如表4所示。

表4 风浪联合作用下浮式基础运动及3号缆绳最大张力

由表4可知：在海况3和海况4下，绷紧式系泊安全因数分别为2.74和2.04，两者均大于1.67，满足API RP 2SK[13]的要求，即完整状态的系泊系统在工作服役时需维持的安全因数在1.67以上。同时，采用绷紧式方案的浮式风机在3个方向上的运动均较小，有良好的运动性能。

3.2 绷紧式与悬链式系泊方式下风机运动响应比较

在海况1下绷紧式和悬链式两种系泊方式的动力响应如图5所示。当t=0时，由于突然加入风机荷载，系泊系统的平衡位置产生变化，动力响应幅值在该阶段较大；之后，由于阻尼作用，动力响应幅值趋于稳定。对比两种系泊方式动力响应可知：绷紧式系泊在纵荡、垂荡方向上的响应略优于悬链式系泊系统；在纵摇方向上的响应与悬链式接近；在3号缆绳的张力方面，绷紧式系泊系统响应略高于悬链式。

图5 风机运动响应及缆绳张力

3.3 绷紧式系泊中水平跨距对运动响应的影响

出于经济性考虑，需在一定范围内减小风机间距。由经验可知，绷紧式系泊系统可有效减小系泊的水平跨距，因而此处考察绷紧式系泊浮式风机系统的动力响应随水平跨距缩小时的变化规律。在海况4，导缆孔布置于水面线以下70 m处，缆绳预张力为2.9547 MN(即锚链最小破断荷载的30%)的情况下，绷紧式系泊中水平跨距对浮式风机运动响应的影响和系泊布置如表5所示。

表5 系泊方案

对4种不同方案进行时域分析，运动响应如表6所示，当水平跨距在一定范围内减小时，可得如下结论：

(1) 水平跨距直接影响浮式基础的运动响应。

(2) 随着水平跨距的减小，浮式基础纵荡平均值逐渐减小，垂荡平均值逐渐增大，纵摇平均值逐渐减小；缆绳张力平均值变化较小，最大张力逐渐增大，张力安全性随之降低。

(3) 综合考虑运动响应及缆绳张力响应的影响，方案3为最优方案。

表6 运动响应

3.4 绷紧式系泊中系泊点对运动响应的影响

系泊点位置是系泊系统设计中的重要部分，设置缆绳预张力为2.954 7 MN(即锚链最小破断荷载的30%)，分析系泊点位置对运动响应的影响，优化方案3(水平跨距为702 m)的系泊点位置。系泊点选取水面线下50 m、60 m、70 m、80 m、90 m 等5个点，经计算可得其运动响应如表7所示。

表7 运动响应及缆绳张力

由表7可知：

(1) 系泊点位置在水面下70 m时，张力安全因数为1.73、大于1.67，满足规范使用要求，其余各点张力安全因数均小于1.67，不符合API规范使用要求。

(2) 系泊点位置在水面下70 m时，浮式风机纵摇峰值较小，纵荡和垂荡在合适的范围内。

由于浮式风机对结构纵摇方向上的稳定性要求较高，大角度的摇动易使上部风机失效，此系泊点位置处的浮式风机纵摇峰值较小，能更好地保证风机正常工作,因此选择绷紧式系泊方式下的OC3-Hywind Spar式浮式风机的最优系泊位置为水面下70 m处。

3.5 优化方案

选择海况4作为环境条件,综合分析系泊系统对运动响应的影响。为防止合成纤维缆绳磨损，在系缆上下垂向范围内设置钢链，长度设定为海底面上50 m及系缆点下50 m。设置系缆预张力为锚链最小破断荷载的30%、25%、20%、15%，分别对应方案1～方案10、方案11～方案20、方案21～方案30、方案31～方案40。系泊系统布置及计算结果如表8所示。