新型连排式风机基础水动力分析及可靠性研究*

朱江峰，曹宇光，崔富凯，刘媛媛

（中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院//山东省油气储运安全重点试验室，山东 青岛 266580）

0 引言

浮式风机基础是保证海上风电系统运行稳定性和可靠性的关键，目前国内外关于风机基础形式的研究主要包括Spar式、半潜式、TLP式和组合式[1]风机基础。黄建华[2]针对大型风机叶轮损毁事故原因展开分析，研究了海上风机受各种海况和自身稳性结构规律影响下易发生的损毁事故研究。Goupee A J 等[3-4]依据美国可再生能源实验室（NREL）设计的半潜型基础OC4[5]进行了实验研究和数值模拟，验证了OC4 基础结构的合理性。Dominique R 等[5]设计了半潜型基础WindFloat，在结构设计、强度分析、疲劳分析及试验等方面进行了研究和可行性分析，并总结归纳出了浮式基础的设计依据与要求。宋琨等[6]通过对吊机主要结构的评估分析以及液压系统元器件的计算和重新设计升级，来实现吊机载荷的升级，通过分析，此项技术能够达到吊载能力升级的目的，并且已成功应用于海上平台。Tomoaki Utsunomiya 等[7]设计并制作了一个Spar 型浮式风机模型，通过实验测得了在考虑冰载的极端环境条件下风机的运动响应，验证了结构的安全。曹函等[8]设计了一种半潜型基础，并对基础进行了数值模拟和实验研究，验证了其可行性。

现今对浮式风机基础研究和分析大多是针对单体式基础，随着海上风电不断向规模化、系统化和深海化发展，连排式和多体式基础逐渐成为未来海上风电基础的重要研究方向。本文以新型连排式基础为研究对象，开展水动力分析和系泊系统极端工况的研究，通过与单体式基础对比分析，探究连排式基础的动力响应规律和系统安全性和优越性特点。

1 连排式风机基础建模分析

1.1 连排式风机基础模型参数

本文以5 架风机连排式基础为例，选用NREL 公布的5 MW 风机，总功率为25 MW，其基本参数如表1 所示，其中叶片转动直径D=126 m。当主风向非常集中时，垂直于主风向排列的相邻机组之间的排布距离对风场及风机发电效率影响较小，而波浪流对风机基础的动力响应作用对系统稳定性、安全性影响较大，因此在主风向集中海域，相邻风机间距可缩短至1.1D，这一间距已经在WindSea 风机[9]中实现，如图1 所示。在中国南海海域，夏秋主风向为西南风，冬春主风向为东北风，主方向非常集中[10]，因此风机间距定为140 m。

表1 5 MW风机基本参数

图1 连排式风机基础整体结构

连排式浮式风机基础吃水高度20 m，重5.85×107kg，总长700 m。相同装机容量25 MW 时，5 架5 MW 的OC4基础重6.74×107kg，相邻风机间距1 km，因此该连排式基础单位质量相比于OC4 基础减小了13.2%，同时极大程度缩减了单位海域占用面积。

连排式基础的排水体积与初稳心高度相关，令G为重心位置，B为浮心位置，M为稳心位置，则初稳心高度表达式为：

式中：GM为稳心到重心的距离，m；BM为浮心到重心的距离，m；BG为重心到浮心的距离，m。

在静水条件下，由定常风产生的稳定风压作用使得浮体发生倾斜，复原力矩随倾斜角度增加而不断增大，当风倾力矩和复原力矩相等时，浮体不再倾斜，此状态称为静平衡状态，此时对应的倾角为静平衡角[10]，表达式如下：

式中：MH为风倾力矩，N·m；MR为回复力矩，N·m；ρ为海水密度，1 025 kg/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2；φs为静平衡角，rad。

对于浮式风机平台，其最大静平衡角φmax一般取为10°[11]，所以可推导得到GM的下限公式为：

参照船级社对船舶和浮体的初稳心高度要求，其中DNV-OS-J103 规定深吃水浮体初稳心高度不小于1.0 m，CCS 规定船舶初稳心高度不小于0.15 m。通过式（3）计算得到连排式基础GM最小值为4.59 m。

1.2 系泊系统参数

风机作业水深200 m，作业海域为南海海域，选定系泊方式为张紧式系泊，材料为钢缆-聚酯缆-钢缆三段式的系泊系统，系泊缆最小直径为0.146 m，轴向刚度364 MN，最小破断力18 200 kN，系泊布置方案如图2所示。

图2 不同方式的风机系泊方案

1.3 基础水动力对比分析

（1）水动力模型

利用AQWA 建立连排式基础模型，坐标系依据右手坐标准则，设定沿风力机支撑浮筒方向为Y轴，垂直于风力机支撑浮筒方向为X轴，竖直向上为Z轴。对基础进行频域分析，考虑波浪频率为0.1～1.6 rad/s，频率间隔0.1 rad/s，由于结构的对称性，考虑载荷方向为0°～-90°，间隔30°。

其中近场法通过湿表面积分的方法求解定常力，依赖于计算网格情况，远场法通过动量理论来求解定常力，与网格无关，当两种方法计算结果趋势一致且误差不大时，可认为水动力计算网格满足要求。提取0°载荷方向下，近场法和远场法定常力的计算结果如图3所示，可得网格质量满足计算要求。

图3 0°方向近场法与远场法二阶定常力

（2）水动力特性研究

运动响应一般用运动响应幅值RAO 进行描述，表达式为如式（4）所示。

式中：x（i）为浮体在自由度i的运动幅值，m 或°；A为波浪高度幅值，m。

通过频域计算的到基础的6 个自由度的RAO 如图4所示。可得基础的纵荡与横荡响应随着波浪频率增大而减小，同时波浪入射角度对RAO 影响剧烈；垂荡响应受波浪入射方向的影响较大，在0.4 rad/s 附近达到峰值，在-60°浪向下，垂荡响应最为剧烈，最大值为4.2；基础的横摇运动响应在0°载荷方向下最小，当频率超过0.8 rad/s 后，RAO 趋于零；横摇和艏摇响应较为温和，横摇RAO 随着波浪频率的增大而先增后减；纵摇在0°浪向下运动响应最为剧烈，最大值不超过0.85 m/( ° )，在-90°浪向下，基础纵摇方向基本无运动响应。

图4 连排式基础RAO

（3）固有周期对比分析

单体式与连排式基础在垂荡、横摇和纵摇3 个方向上基础的固有周期如表2 所示。波浪谱能量集中范围在3～8 s波浪周期内，垂荡、横摇和纵摇的固有周期均远离波浪能量范围，与单体式基础相比，连排式基础固有周期在稳定性、安全性突出其优越性特点，运动温和，基础不会发生共振，安全可靠性更高。

表2 基础固有周期

2 时域动力响应对比分析

2.1 环境参数

参照NREL的5 MW 风机的额定海况，选择作业海况风速为11 m/s，表面流速0.39 m/s，波浪采用JONSWAP谱，波高5.49 m，谱峰周期11.3 s，风浪流同向为180°。

2.2 时域计算结果

根据API RP 2SK 要求，在作业海况下基础水平偏移不超过水深的10%，即20 m。得到基础运动响应如表5所示，并在同样海况下与OC4 的运动响应进行对比。由表3 可得，在作业海况下，连排式基础纵荡和垂荡自由度方向运动幅值均小于单体式基础，验证了连排式基础系统稳定性和优越性，但横荡方向上的运动响应幅值大于单体式基础，也说明连排式基础细长结构在应对垂直风浪流载荷作用时自身局限性，后期可针对此问题展开进一步研究。

表3 基础运动响应幅值

3 极端海况下基础生存能力对比分析

3.1 极端海况参数

根据IEC 61400-1:2005 的规定，风电机组极限载荷取决于50年一遇最大10 min平均风速和极大3S风速，为验证连排式基础结构应对极端海况安全性，选择南海百年一遇的超强台风为极端海况，风级为16 级，风速为58 m/s，有义波高10.6 m，海洋流速2.3 m/s，风波浪谱采用JONSWAP谱，载荷方向为180°方向，风浪流同向。

3.2 完整状态时域分析结果

以极端海况为参数条件，分别对单体式和连排式基础及其系泊系统完整状态下进行水动力分析，为保证分析结果的准确性和可对比性，设置二者海况条件保持一致，分析得到单体式和连排式基础的运动响应幅值与张力安全系数如表4和图5所示。

表4 基础运动响应幅值

结合表3 和表4 对比分析得，单体式和连排式基础在极端海况下的运动响应幅值较正常作业海况下均有较大提高，系统稳定性降低，但仍满足极端海况下基础最大偏移不超过水深的20%的合理范围内。极端海况条件下，连排式基础在纵荡、横荡和垂荡3 个自由度方向稳定性均高于单体式基础。

由图5 得，连排式基础系泊缆的最大张力和安全系数均优于单体式基础，基础运动响应幅值均不超过10 m，不会对其他海上结构物产生影响，安全系数均大于1.25，有效保证系统安全，说明了连排式基础在极端海况作用下的优越性更加明显。

图5 系泊缆最大张力和安全系数

3.3 破损状态时域分析结果

系泊链长期受到波浪和海流的联合作用，同时还伴随着疲劳和磨蚀等，系泊链很可能会发生断裂，此时需要确保单根断裂时的系泊系统能确保整体结构的安全性。由于基础与系泊系统同时关于X轴和Y轴对称，因此分别考虑连排式基础的系泊链12、系泊链13以及系泊链14单根断裂状态和单体式基础系泊链2断裂状态下的系统水动力分析，得到表5所示的两种基础运动响应幅值对比数据。

表5 系泊缆破损状态下基础运动响应幅值

对比表4 和表5 得，连排式基础在发生系泊断裂时，系统在纵荡、横荡和垂荡3个自由度方向稳定性较系泊完整状态时基本保持不变，对于单体式基础，当发生上风向系泊缆断裂时，基础运动响应幅值与完整系泊时稳定性相比大大降低；连排式基础在单根系泊断裂条件下，系泊最大张力为12 550 kN，最小安全系数为1.48，仍能满足极端风载环境的最大张力和安全性要求，验证了连排式基础在单根断裂情况应对极端海况的系统可靠性和优越性。

4 结束语

本文考虑南海海况和风机建造成本，针对连排式浮式风机基础及其系泊系统进行设计分析和优越性研究，结合单体式基础及其系泊系统在风浪流耦合作用下的动力响应结果。得到如下结论。

（1）连排式基础垂荡、横摇、纵荡方向的固有周期分别为15.76 s、16.20 s 和17.58 s，而波浪密度能量范围在3～8 s周期内，远离基础固有周期，运动温和，基础不会发生共振。

（2）完整状态下，连排式基础在纵荡和垂荡两个自由度运动响应幅值均小于单体式基础，其中纵荡稳定性较单体式基础增强了2倍，垂荡稳定性提高了3倍，但横荡自由度稳定性较单体式基础有所下降，结果一方面验证了连排式基础整体系统稳定性和结构优越性，但又同时说明连排式基础由于细长结构特点，在横荡自由度稳定性方面存在一定缺陷，后期研究可着重从此方面展开。

（3）在极端风载作用下，当系泊系统出现单根破损时，连排式基础优越性更为明显，系统整体稳定性较完整状态下基本保持不变，安全系数均在1.25 以上，有效降低极端风载自存海况的系统倾覆风险，为适应极端海况的风机基础研究提供了借鉴和参考。