浮式风机聚酯系泊系统动力响应及优化

陈瑞祥,张火明,陆萍蓝,管卫兵

(1.中国计量大学 计量测试工程学院 浙江省流量计量技术研究重点实验室,浙江 杭州 310018;2.中国计量大学 工程训练中心,浙江 杭州 310018;3.国家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

随着社会不断地发展,人口数量逐年递增,非可再生资源日渐枯竭,因此,可再生资源以及洁净能源的开发及利用成为我国解决资源短缺的首要任务[1]。“由陆向海、由浅向深、由固定式基础向浮式平台”是未来风能产业发展的必然趋势[2]。

海上风力发电相较于陆地风力发电有以下优势:1)海上的风况相较于陆地上要好很多;2)在海上发电,可以不考虑输送的制约,可以使用超大型风力发电装置,这样能提高规模效率;3)不像陆上风力发电需要考虑远离住宅、噪音等因素;4)海上风速较高,这样使得设备的利用率提高;5)在海上可以大规模开发[3]。

国内外学者针对海上浮式风机系泊系统进行了相关研究。阮胜福[4]对半潜式风电平台以及系泊系统进行运动特性研究。李彦娥[5]探究了系泊系统对于潜式浮式风机动力响应的影响。刘中柏[6]制作了1∶50缩尺比半潜型浮式风机的模型以及1∶62缩尺比Spar浮式风机的模型,并对两种模型进行试验,对两者进行比较分析。易乾[7]分别设计了适用于320 m水深的Spar式浮式风机,适用于150 m水深的Barge式浮式风机以及适用于200 m水深的半潜式浮式风机,分析各平台参数对其动力响应的影响。杨家溢[8]针对50～200 m水深设计了一种新型潜式浮式风机,并制作了1∶80缩尺比的模型,进行时域的位移以及系泊缆张力分析。Jeon S H[9]针对200 m的水深,参考Spar式浮式风机,研究系泊缆参数对浮式风机动力响应的的影响。Takeshi Ishihara[10]开发了使用Morison方程来进行耦合的非线性仿真软件,用来预测海上浮式风机的动力响应。

国内外学者对浮式风机做了大量研究,系泊系统都是设计中的重点,甚至还有研究证明其稳定性甚至能影响到浮式风机的发电效率。因此,设计并分析浮式风机的系泊系统就具有极其重大的意义。

1 模型参数

本文的风机平台模型参考NREL的5 MW OC04-DeepCwind半潜式风力发电机结构,并选用张紧式系泊方案。

图1 半潜式浮式风机设计图Figure 1 Design drawing of semi-submersible floating fan

风机的整体构型设计如图1所示。在本文的设计下,该风机的使用环境是基于200 m水深的南海海域。浮式风机由风机系统、塔架、平台和系泊系统组成。在实际的使用中,当浮式风机遇到极端环境时,会改变风机的转向来保护扇叶,但是AQWA软件对于扇叶的分析不够准确。因此,本文的分析重点是分析在环境载荷作用下浮式风机平台以及系泊系统的动力特性,只考虑风载荷对于平台的作用,忽略对扇叶的作用。故只介绍浮式风机平台以及系泊系统相关参数。

a)平台参数

该浮式风机平台是由4个空心立柱组成,中心的支撑立柱与风机塔架相连,其直径与塔架下部相同;而在外部呈等边三角形分布的三根主要立柱则分为上下两部分,导缆点固定在主要立柱的下部。主要平台参数见表1。

表1 浮式风机平台主要参数

b)系泊参数

平台由三根系泊缆固定,每根系泊缆之间的夹角为120°。本文选取两种系泊系统进行对比分析:1)采用钢链-聚酯缆-钢链式张紧式;2)采用钢缆悬链线。其中第二种为现有大多数浮式风机系泊系统所采用的钢缆悬链线式,另一种设计使用聚酯缆作为主要系泊缆,并以钢缆作为顶缆与底缆的方案。使用聚酯缆的系泊系统大多是张紧式的系泊方式,意图为通过减轻系泊缆的整体重量来降低系泊缆对浮式风机动力响应的影响。

图2 系泊缆设计Figure 2 Mooring line design

图2为系泊缆布置示意图,统一的参数如表2。其中第一个方案的系泊缆总长度为810 m,第二种系泊缆总长度为835 m。从毛莹[11]的研究中我们不难发现,系泊缆的直径改变与系泊缆的长度改变对于浮式平台的影响相对较小,而预张力对其影响较大,但也在超过500 kN后进入平缓阶段,变化趋于平缓。所以,在系泊相关参数的设定中,两种方案的预张力均在500 kN以上。

表2 系泊系统参数

各材料的具体参数如表3所示。

表3 系泊缆材料参数

2 环境参数

a)环境载荷参数

浮式风机在海上工作的时候,往往受到多种不同环境的联合作用,而为了保证浮式风机的使用安全,在设计中需要考虑环境载荷对其造成的影响。模拟接近真实的环境载荷将是准确研究浮式风机相关实验的基础。表4～6为南海海域一年一遇以及百年一遇的海况。其中百年一遇海况为在总结文献中关于一年一遇海况以及十年一遇海况的基础上对百年一遇的海况进行合理推测。

表4 波浪载荷参数

表5 风载荷参数

表6 流载荷参数

b)风力、流力系数

根据中国船级社编写的海上移动平台入级规范[19]所规定,风力FW见式(1):

FW=0.613ChCsSv2。

(1)

其中Ch为受风构件的高度系数,具体值根据构件高度(型心到水面的垂直距离)由表7选取;CS为受风构件形状系数,具体值根据构件形状由表8选取,由于该原表数量过多,只选取几种较为常用的;S为受风构件的正投影面积;v为设计风速。

表7 高度系数Ch

表8 形状系数CS

风力系数CW的定义为风力与风速平方的比值,即

(2)

同样为中国船级社的海上移动平台入级规范[19]所规定,海流载荷按照式(3)计算。

(3)

其中,CD为曳力系数,对圆形构件,可取CD=0.6～1.2,非圆截面构件可按工人的文献选取,必要时还可由实验确定;ρW为海水密度;v为设计海流流速;A为构件在与流速垂直平面上的投影面积。

流力系数CC定义为海流载荷与流速平方的比值,即

(4)

3 仿真分析

a)模型验证

在对浮式风机进行仿真得到动力响应以及系泊缆的张力前,为了验证模型建立的准确性,需要对比计算所得的频域幅值响应算子(RAO),只有得到相对较准确的幅值响应算子,才能说明下列对浮式风机动力响应特性研究的准确性。

本文通过与范浩[20]得到的数据进行对比来证明所建立模型的准确性,该论文与本文的设计基础均为5MW-OC04型风机。在使用其设定的环境条件后,计算得到0°、30°、60°的浮式风机纵荡、纵摇以及垂荡的幅值响应算子,见图3。

图3 浮式风机纵摇、纵荡、垂荡RAOFigure 3 Floating fan pitch, surge, heave Rao

将本模型采用范浩[20]所使用的模拟环境来进行模拟仿真并与范浩[20]所得数据进行对比发现,所得数据在幅值响应曲线上与其所得曲线基本相似,而在曲线数值上,由于其在论文中存在部分未表明的数据,故存在些许差距,但是差距也在可接受范围之内,故已能够证明该模型具有较高的准确性,可以使用该模型参与仿真,仿真的结果也具有一定的参考价值。

b)仿真及分析

仿真主要分为两个部分,第一部分为基于一年一遇的海况对浮式风机的平台进行动力响应对比,第二部分为基于百年一遇的海况对系泊系统进行优化。模拟总时间为10 800 s。

图4为浮式风机平台的动力响应,由曲线我们可以看出在平衡后系泊方案2的纵荡平衡位置距离要大于系泊方案1,而且系泊方案1更为稳定;系泊方案1的垂荡平衡位置要稍高于方案2,方案1和方案2均在经历接近500 s后曲线趋于稳定,振幅稳定在0.2 m左右,但可以看出在未稳定时方案2的波动幅度较大;方案2的纵摇振幅较大;张力只取受力最大的1号系泊缆进行对比,方案1的响应要大于方案2,但是安全系数仍能保持在2以上。

图4 浮式风机动力响应Figure 4 Dynamic response of floating fan

c)水平跨距对动力响应的影响

出于经济方面的考虑需要减少风机间距,而由以前的文献可知使用张紧式系泊缆的方案可有效减少系泊缆的水平跨距,因此在此探究张紧式系泊系统的动力响应在水平跨距减小时的变化规律。该实验保证每种方案的系泊缆预张力在锚链最小破断荷载30%以下,即3.837 MN以下,系泊点在水下-14 m处,保持上下两段钢缆的长度以及材料不变,只探究聚酯缆对其的影响,表9是系泊缆的水平跨距设计方案。图5为5种档案的纵荡、纵摇、垂荡以及张力部分的动力响应。

表9 系泊方案

图5 系泊系统动力响应Figure 5 Dynamic response of mooring system

对5种系泊方案进行时域的动力响应分析如图5,可得到如下结论。

1)水平跨距的变化对浮式风机系泊系统动力响应影响较大。

2)随着水平跨距的减小,纵荡以及垂荡平均值呈现相似的减小趋势;纵摇的摇摆幅度在逐渐增大;最大张力逐渐增大,且在方案5时安全系数跌破1.67。

3)综合考虑动力响应的影响,方案3为最优方案。

d)系泊点对动力响应的影响

在采用方案3的基础上对系泊点进行优化,仍保持每种方案的系泊缆预张力在锚链最小破断荷载30%以下,经过计算动力响应如图6所示。系泊点分别取点为-14 m,-16 m,-18 m,-21 m。

图6 动力响应Figure 6 Dynamic response

从图6可得以下结论:随着系泊点的下降,其纵荡、垂荡等动力响应均在一定范围内波动,但是所受张力逐渐减小,以纵摇振幅减少较为明显。故最优系泊点为水下-21 m处。

e)系泊缆预张力对动力响应的影响

采用设定系泊点在水下-21 m处,水平跨距为746 m的方案的基础上,分别设置预张力为聚酯缆最小破断载荷的30%、25%、20%、15%,动力响应如表10。

表10 动力响应

由表10可知,随着系泊缆预张力的减小,系泊缆所受张力明显减小,安全系数也一并减少,且无论哪种方案安全系数均大于1.67[21];在25%以上时其纵荡、纵摇变化不明显,纵荡均在水深的8%以内,纵摇最大摆角均在±15°之间;垂荡均值随着预张力逐渐增大,最大幅值也均满足规范的要求[11]。综合考虑预张力为25%时为最优方案。

4 结 论

针对5MW-OC04半潜式浮式风机,分析其在张紧式系泊方案和悬链式系泊方案两种条件下,基于最近10年的南海海域环境,和设计工作工况以及自存工况下的动力响应特性以及水平跨级、系泊点和预张力对系泊性能的影响,可得到以下结论。

1)当悬链式与张紧式系泊方案处于相同的环境条件下,张紧式系泊方案的纵荡以及纵摇更小,且系泊缆顶端所受张力保持安全系数1.67以上。在一定范围内减小系泊缆水平跨距,纵荡及垂荡的变化较小,而纵摇和顶端张力随着水平跨距减小而增大,在580 m的水平跨距时安全系数低于1.67。系泊点对于纵荡、垂荡以及顶端张力的影响较小,随着系泊点的下降能有效的减小纵摇。预张力对顶端最大张力影响较大,随着预张力减小,张力也随之减小,其纵荡、垂荡等动力响应在一定范围内少量减小。

2)考虑到实际的海上环境更为复杂,张紧式系泊缆具有更优的动力响应特性,且张力响应的安全系数一直能保持在安全值以上。因此浮式风机平台选用张紧式系泊方案能增大安全性,具有更大的优势。

3)由于目前采用的三根系泊缆的系泊方案在系泊缆断裂之后浮式风机平台将会产生较大距离的位移,尚未进行聚酯系泊缆断裂之后的动力响应研究,后续可以讨论展开实验。