海上风电浮式运输装备研究
2021-01-10段斐
段斐
摘要——本文提出了一种海上风电浮式运输装备,阐述了其基本设计及其主要运输方法。从初稳性高、静稳性特性、响应幅值算子(RAO)等方面全面研究了浮云平台-基础整体结构的水动力特性及动力学特性,验证了浮运平台作为助浮装备针对筒型基础浮运提供稳性的能力。
关键词-海上风电;浮运平台;稳性; 响应幅值算子
1背景介绍
风能作为清洁可再生能源,成为近年来发展最快的新能源之一。海风与陆风不同,海上风力远远大于陆地,海上风电远离人群,又不占用耕地,发展空间巨大,完全有能力担任绿色可再生电力主力军角色,大力发展海上风电,战略价值巨大。海上风电近年来正在世界各地飞速发展。海上风机建设中基础结构最常见的是桩基础、重力式基础以及近年来发展较快的筒形基础。负压吸力筒型基础以其刚度大、抗倾覆能力强、总体造价低等优势被大量地运用于受台风影响以及岩层埋深较浅的海上风电场。但筒型基础体型较大、重量较大,底部筒裙分仓板等均为薄壁结构,无法直接承受筒型基础的大重量,因此无法放置在平板驳上直接运输,只能通过浮运方式进行运输。筒型基础底部筒裙为开口结构,浮运过程中的稳定性和抗倾覆能力弱于船舶或海工等闭口结构型式,因此需要大型辅助装备对其进行运输作业。由于筒型基础为新型的海上风电基础结构,目前并不存在一种成熟的浮运装置,因此需要研究一种能够为其提供足够稳性、实现安全运输的浮运装备及其运输方法。
2海上风电吸力筒型基础与浮运装备
海上风电六边形筒型基础如Fig.1所示。基础主体为上部全钢结构+下部钢包混凝土六边形筒体的复合结构。基础筒裙为六边形开口结构,筒裙高度14m,筒裙边对边的距离为32m,筒裙厚度0.3m。筒裙内部设计有六边形的内舱板,六边形内舱板和外筒壁之间设计有6块分舱板,为整个筒裙加强支撑、提高刚度。筒裙舱室因此分割为7个独立舱室,为筒裙提供支撑、增强刚度。安装时将首先利用基础自重产生一定下沉量,同时筒裙内部气体被海底泥面封闭在筒裙内部。自沉结束后将筒裙内部气体抽走形成负压,基础在负压作用下继续下沉,直至整个筒裙嵌入到泥面内部。筒裙顶部设计由径向梁与环向梁构成的筒顶梁系,以增强筒顶刚度。筒顶梁系上部设计有单柱和斜撑,单柱-斜撑-筒顶梁系三者形成联合受力体系,以更好地传递顶部弯矩。
筒型基础的浮式运输通过浮运平台来实现。浮运平台长88.2m,宽65m,型深6m,设计吃水3.5m,将圆形筒裙完全包裹夹持,如Fig.2所示。如此筒型基础和浮运平台在运输过程中形成运动整体,基础的运动,尤其是对倾覆起关键作用的纵摇、横摇,将传到给浮运平台,两者共同运动。利用浮运平台的大水线面为基础在运输过程中提供足够稳性。
浮运平台由两个浮体模块拼装而成,一个嵌入型模块(浅蓝色)、一个为被嵌入型模块(深蓝色)。浮运平台是组装式非自航浮运平台,为钢质结构,提前在船厂进行制造,制造完成后托运至筒型基础制造现场。浮运平台拼装时,在两个模块接触面附近的甲板上,利用两台卷扬机将嵌入型模块导向限位条沿被嵌入型模块导向限位槽向前拉动,使嵌入型模块前端与基础筒裙紧密接触,拼装到位后将筒裙完全包裹匹配,两个模块被纵向拉紧固定,两个浮体模块与风机基础连接成能共同运动的稳定结构形式。浮运平台将筒型基础夹持完成后,由拖船拖至场区安装位置,如图Fig.5所示。
3基础浮运静稳性分析
浮运平台和筒型基础作为一个整体,其主要参数如Table 1所示。整体坐标系坐标原点建立在筒裙底部,X轴指向航行前进方向,Z轴竖直向上,整体坐标系如Fig.6所示,浮运平台和基础静稳性计算结果如Fig.7所示。
从Fig.7所示的结果中可以看出,一方面可以得到浮运平台和基础的初稳性高度为159.53m,满足交通运输部海事局关于《海上移动平台法定检验技术规则》以及中国船级社《海上移动平台入级规范》中“自由液面修正后初稳性高不少于0.15m”的要求;另一方面,从Fig.8所示中可以看出,回复力曲线和风倾曲线在第2交点处,复原力矩曲线下的面积与风倾力矩的面积比为17.6,满足交通运输部海事局关于《海上移动平台法定检验技术规则》以及中国船级社《海上移动平台入级规范》中“复原力矩曲线至第二交点或进水角(取小者)以下的面积至少应比风压倾侧力矩至同一限定角下的面积大40%”的要求。综上所述,稳性校核结果表明,浮运平台带基础满足稳性校核的规范要求。
4基础浮运时域计算及运动特性分析
以广东珠海桂山海域为例,如Table 2 所示。从表中可以看出,桂山海域全年出现概率最大的波浪周期为2~4s,小于2s周期的波浪累计频率仅为1%。
建立浮运平台与筒形基础的动稳性分析模型,浮体的运动响应可由幅值响应算子(RAO)來描述,在0°、45°、90°、135°、180°的波浪入射角下,横摇响应和纵摇响应如下图所示。根据Table 2所示的波浪参数,桂山海域全年出现概率最大的波浪周期为2~4s,而横摇和纵摇的RAOs结果表明,浮式系统的固有周期集中在10~13s,远离波浪周期。
从Fig.8和Fig.9中可以看出,横摇RAO在90度浪向角下达到最大,而纵摇RAO在0度或180度浪向角下达到最大。此外,从图中可以看出,不用浪向角下其RAO的响应是不用的,采取合理的浪向角可以显著减小浮式系统的响应。在浮运过程中,当波浪周期接近共振周期10s时,横摇纵摇会在此激励下达到最大值,浮式系统会开始共振。然而,由于共振的发生需要一定时间激励的累积,在预判到有大波高共振风险时将提前停止运输,采取调整船艏迎浪角及调整舱内气压等安全措施,避免振荡过大保证安全;另外,运输前将提前2-3天预判好海况,在未来2-3天波浪很小时才会开始浮运。
结论
(1) 浮式系统初稳性高度为143.78m,满足规范/标准不少于0.15m的要求
(2) 浮式系統静稳性校核结果表明,静稳性曲线特性满足稳性校核的规范要求
(3) 合理调整浮式系统的迎浪角将有效减小波浪激励下的运动响应,当遭遇到共振波浪时,应合理调整浪向角保证浮式系统安全
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