海上漂浮式风机子系统技术特点浅析

2022-07-02肖然

能源与环境 2022年3期

肖然

（大唐三亚未来能源研究所有限公司海南三亚 572025）

为了解决能源利用和社会整体效益的矛盾，人们聚焦于可再生能源。我国电力能源的负荷中心分布于沿海地区，海上风能可以更经济地支撑电力供应，其中，深远海地区因为蕴含着丰富的风力资源，逐渐成为全球开发的新方向。因为固定式海上风机的经济竞争力会随水深的增加而下降，在水深60 m以上时会被成本更低的漂浮式风机取代。

海上漂浮式基础风机主要由4 个子系统组成，即基础平台，安装于基础平台上的风电机组，水下固定漂浮式基础的系泊系统以及将风机发出的电能传输至升压站或者陆地的海洋电缆系统。这4 个系统的功能相对独立但是物理上相互连接组成一体，在海洋和空气的载荷影响下互相影响、各自的特征又会影响其他子系统的性能，各子系统的设计不断相互影响，循环迭代，最终达到一个满足自然条件和各个子系统服役性能要求的形态。

1 漂浮式基础平台

漂浮式基础平台主要作用是作为一个有较好稳性的漂浮式海洋平台，为风电机组提供支撑基础，为所有的其他子系统包括电缆系统和系泊系统提供浮力。目前，主流的漂浮式基础平台分为立柱式、半潜式和张力腿式，如图1［1-3］，其各自的优缺点参考表1。

表1 漂浮式基础平台方式设计特点［2］

图1 主流的漂浮式基础平台形式

立柱式外形为1 个大吃水、浅干舷的圆柱体，通过压载水来保持重心低于浮心。基础平台一般由悬链线状或张紧的系泊缆链连接平台和海底的抓力锚/吸力锚来保持在海洋中的位置。

半潜式由数个被水下浮体连接的大型支柱形成的结构平台。支柱提供静水力稳性，浮体提供额外浮力。基础平台一般由悬链线状或张紧的系泊缆链连接平台和海底的抓力锚/吸力锚来保持在海洋中的位置。

张力腿式具有较大浮力的平台，中央立柱体和结构臂连接至绷紧的肌腱缆，并通过肌腱缆链接海底的抓力锚/吸力锚来保持在海洋中的位置。

作为漂浮式海洋风机的最主要的子系统，漂浮式基础主要的性能要求有2 个：①为整个漂浮式风机提供足够的浮力以及稳性；②保证在其20 a～25 a 的生命周期内自身的结构强度足以应付各种海洋载荷。稳性指的是海洋工程结构物在外力作用下发生倾斜而不致倾覆、外力作用消失后仍能回复到原来平衡位置的能力［4］，即其在拖航、安装和使用过程中，结构物所具有的抗倾覆能力，以保障其在服役的各阶段中不发生倾覆性后果。

在设计初期，需要针对生产场地、其他子系统要求、水文地质条件、成本等多方面进行考虑，关注整个系统可以承受最大极限以及周期性运动中的疲劳极限等，避免和载荷的共振、疲劳、屈曲等强度问题，确定设计形式和得到初步主尺寸设计。在得出初步设计后，基础平台和其他子系统的初步设计形成一个整体结构，重新计算整个浮式风机系统的固有频率，验证整个系统对载荷的动态响应，校核结构强度，并利用水池进行模型水池试验验证。漂浮式风机基础设计决定了整个浮式风机的成败，是一个不间断连续循环迭代的设计过程，要耗费大量的设计时间才能给出一个各方都能接受的方案。经过多方循环优化，最终才能确定完整的设计方案。

2 系泊系统

漂浮式风机作为海上浮式结构物，需要通过系泊系统进行位置和运动的约束。其力学作用机理主要通过系泊材料的变形或悬空重量的改变来提供约束张力。常见的系泊形式可参考图1。悬链线状系泊线型的回复力在平台运动较小时依靠其悬空段本身的重量提供，平台响应运动较大时可能将趟泥段拉起悬空，由锚提供回复力。该形式下一般采用抓力锚、吸力锚和桩锚，系泊线采用锚链、聚酯缆或钢缆的单一或者混合形式。预张紧形式的系泊线形在平台进行响应运动时，其回复力直接由锚提供，且附带很大的垂向上拔力，因此一般采用桩锚或者吸力锚，系泊线采用张力腱。

系泊系统通常包含绞车、导缆设备、锚链、钢缆、聚酯缆、张力腱、锚、桩锚、重力块和浮力配件等组成。在设计系泊线形式、组成和长度时，重要的边界条件是水深。采用悬链线形式时，水深如果太浅，则需要水平延伸较长的锚链悬空段提供回复力并考虑加装配重块以避免系泊线过长；如果水深很大，则会考虑增加聚酯缆或钢缆长度占比并添加浮力配件，以避免过长的锚链带来的高昂成本以及过大过沉的锚腿预张力和无效载重。设计系泊线时的其他因素还包括应避免系泊系统的响应周期和海洋载荷的周期过于接近发生共振，考虑海域周围的情况以及用海面积等等边界条件，具体的设计流程可参考图2。

图2 系泊系统设计流程

在系泊系统设计中，锚的形式以及系泊线的长度和水中的形态往往是相互影响、决定的，并会进一步决定整个系泊系统的成本。目前锚的主流形式分为抓力锚、吸力锚和桩锚。

抓力锚一般只能承受水平力，因此在确定使用抓力锚时，后续设计要确保抓力锚不会受到垂向拉力。在倾斜的系泊悬链线设计上，由抓力锚提供为漂浮式平台提供所需水平回复力，而垂向上的分力由系泊悬链线的重力提供，因此该重力需要足够大。安装中，抓力锚需要三用工作船（Anchor Handling Vessel，AHV）将锚线拖拽至设计拉力进行预张紧进行验证，之后才能回接至平台或者海洋漂浮物，这对施工船只的系柱力有一定要求。

吸力锚的形式是一个中空的圆柱结构物，下端开放，上端封闭并带有阀门，可以承受相当的垂向力，因此其系泊线允许出现一定程度的张紧。安装中，一般吸力锚通过自重垂直插入海床一定深度，届时水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）会将水泵的水管连接至吸力锚并关闭吸力锚的上端阀门，水泵进行抽水，海底的巨大水压会将其进一步压入泥土中，完成吸力锚的安装。不同于抓力锚，吸力锚不需要预张紧。另外，屈曲是安装过程中需要考虑的因素。如果一次安装失败，则可以通过向锚体内反向泵入水来抽出吸力锚进行二次安装。在设计允许的情况下，不同的浮式风机平台可以共享吸力锚装。在漂浮式风电进入大规模商业化之后，风机平台合理共享桩锚，形成锚矩阵，可以大幅降低系泊成本。

桩锚是开放式的空心圆柱结构物。在安装上，一般桩锚的安装需要导向支架和水下打桩锤作为施工资源，通过支架维持其方向位置，利用打桩锤将其打入岩土深处。桩锚的安装和使用在我国国内海洋油气行业中较为普遍。由于浮式风机一般处于较深的水深，水下打桩锤装备数量较少，若需采用水下打桩锤时需要考虑施工资源问题。

在系泊系统中，系泊线也有多种类型和形式。从类型上，可以分为锚链、钢缆和张力腱。立柱式和半潜式通常采用锚链或锚缆，形式上为悬链线型。锚链的密度比锚缆大，成本高。张力腿式的平台通常采用张力缆，呈预张紧的形态。张力腱通常采用合成材料，较轻，伸缩性较好，造价昂贵并且安装复杂。顶部预张力一般通过平台上的绞盘进行微调节。由于张紧状态使得张力腿基础的固有频率较高，张力腿基础对涡激振动和高频波浪力等都很敏感，有引起张力腿发生高频弹振和颤振问题，继而发生疲劳损伤的风险。而悬链线形式的系统固有频率较低，对颤振不敏感，但是仍需考虑涡激振动产生的疲劳损伤。

3 电缆传输系统

海上风机需要通过海底电缆送出电能。相比于固定式风机，漂浮式机组基础在波浪和风的联合作用下不断有水平和升沉运动。如果直接将电缆以悬链线的形式直铺至海底，那么电缆会随着海洋平台不断运动，进而带动电缆海底触泥点部分不断提升和下降，导致触泥点部分的电缆会很快因为疲劳和屈曲而发生结构性失效。

为了避免这种周期性的运动，参考传统海洋油气行业的设计思路，一般会在电缆特定部位安装浮子或者浮筒，让电缆在海里的悬空段呈现“S”形，这段漂浮在水中的电缆一般被称为“动态缆”。“动态缆”避免了触泥点部分的不断运动，并且使海洋平台的周期性运动可以在整个漂浮段吸收，避免了局部疲劳和整体屈曲。由于电缆细长的尺寸特征，容易形成涡激振动，在设计动态缆的形态时也需要考虑规避涡激振动引发的共振。

海洋电缆因为需要面对海底水压和侵蚀，其内外有多层防护结构，这使得电缆存在最小弯曲半径（MBR）。当电缆的弯曲半径小于MBR 时，电缆的内部结构和强度就会收到损伤引起产品失效。同时MBR 存在动态MBR 和静态MBR，使得设计和安装时，需要针对不同部位的电缆考虑不同的半径限制，并且在受力热点部分安装限弯器来对电缆进行保护。静态电缆由于铺设在海床绵延几十甚至上百公里，渔业作业和船只抛锚对电缆的威胁非常大，并且在其路径一般都会存在悬空段，因此，设计和施工方会对电缆静态段采用埋沟、抛石、安装水泥保护件，并对其悬空段进行处理和保护，如加垫水泥垫等方式。由于风电电缆功能及设计思路和海洋油气行业非常相似，而后者已经有多年的积累和成熟的理解，漂浮式风机海缆的设计、建造和施工目前基本都参考海洋油气平台的规范和要求。

4 风机系统

与传统的固定式海上风机相比，漂浮式风机的平台基础约束较弱，导致风轮的气动载荷存在明显的非线性特征。单个海上漂浮式风机的气动特性研究可大致划分为3 方面：①浮式平台基础对顶部风轮的气动性能的影响；②风轮气动载荷对平台基础运动的影响；③气动载荷与结构振动等动力响应的耦合。

海上漂浮式风机常受到波浪的作用导致平台发生运动，因此基础平台的运动主要由浪流载荷激发，包含波浪频率成分，继而导致浮式风机的气动载荷和功率波动明显包含了波浪频率成分。浮式平台运动对风轮的影响多样而复杂。举例来说，浮式平台的运动通过塔筒传递到机舱以及叶片，平台的纵摇运动会改变叶轮入流风风速，并且让叶片周期性处于尾流之中，对风电机组的发电功率稳定性和结构强度都提出了挑战。在设计浮式风机和控制系统时，必须要将浮式平台的运动考虑在内。

气动载荷对浮式风机运动的影响主要可以分为气动激励载荷和气动阻尼载荷。气动激励载荷，如气动推力使得浮式风机的支撑平台发生较大的纵荡和纵摇运动。刘中柏［5］、李嘉文［6］进行了半潜式和小水线面立柱式浮式基础风机的试验和研究，将实验数据换算到实际海况下表明，气动载荷引起的纵摇运动可高达20%～40%［5］。气动扭矩使得浮式风机发生横摇和首摇运动；有学者对模型试验结果进行频域分析，发现激发的浮式风机的平台基础运动带有湍流风的低频成分。气动阻尼力定义为气动载荷作用力变化与受载结构物运动变化关系的描述。通过数值计算发现，海上浮式风机的气动阻尼力对其机舱纵荡运动有着显著的影响，并且气动阻尼效应在某些工况下甚至比水动力阻尼的作用效果还明显。目前研究发现传统的固定式风机的控制器并不完全适用于海上浮式风机，如果按照固定式风机的控制器参数，海上浮式风机的气动阻尼甚至会出现“负阻尼”效应，可能会导致平台运动不断加剧。

气动载荷与结构振动等动力响应的耦合问题一直都是风力设备研究的重点考虑因素，相比于固定式风机，浮式风机的平台运动更明显，导致气动载荷波动更大，结构惯性载荷更大，桨叶和塔筒结构振动更加明显，甚至引发平台基础的高频运动。考虑浮式基础结构组成的特点，风机叶片、系泊线、塔筒等属于柔性体，相对而言，浮式基础、机舱等属于刚体，整个风机系统构成了刚体和柔性体耦合的多体动力学系统。风机系统固有特性分析应包括整体固有特性和局部结构固有特性。每个“子体”部件都有其固有周期，在作业和生存状态下，整体风机系统的固有周期可能避开载荷卓越周期，但局部结构的固有周期可能遭遇风载的激励而发生谐振。例如，对于立柱和半潜式平台，紊流风的激振频率可能在浮式基础的水平面内固有长周期运动的频率带范围，加剧浮式基础的纵荡慢漂运动［5］。简而言之，海上漂浮式风机的风轮气动特性、桨叶振动与平台运动存在耦合效应，可能会影响结构的振动状态。