单立柱式和驳船式海上浮式风机动态响应对比

陈晓东, 赵 洁, 周 枫

(1.北京京能清洁能源电力股份有限公司内蒙古分公司 生产管理部, 呼和浩特 010070;2.福氏新能源技术(上海)有限公司 技术部, 上海 201315)

近年来,我国风力发电行业发展迅速,在“双碳”目标下需要作出进一步创新。目前,我国风力发电的主要发展方向是海上风力发电,相较于陆地,海上拥有更好的风资源。我国对海上固定式风机的研究已经相对成熟,但当海上风力发电逐步向深海化发展[1],海上固定式风机的成本将大大提高,不再适用于深海区域[2],而海上浮式风机将在一定程度上减少成本[3]。常见的浮式平台有单立柱式、张力腿式、半潜式和驳船式[4]。

目前,国内外学者逐步对海上浮式风机动态响应开展了相关研究。郑建才等[5]发现垂荡板可减小单立柱式海上浮式风机的纵荡和垂荡等响应幅值,研究发现,圆形垂荡板的效果优于正方形。陈建兵等[6]以单立柱式海上浮式风机为研究对象,采用Copula方法建立风-浪联合概率分布模型,并引入概率密度演化理论对其可靠性进行了高效分析。刘丽丽等[7]基于Volterra模型,对单立柱式海上浮式风机的运动响应进行了预测,验证了该模型较好地预测了风机的运动响应。马远等[8]设计了一种新型单立柱式浮式平台,发现该浮式平台具有较好的运动表现。Uddin等[9]基于人工神经网络理论,对单立柱式海上浮式风机系泊缆的动力响应进行了预测,并证明了该方法的有效性。杨佳佳等[10]对驳船式海上浮式风机的调谐质量阻尼器进行了限位设计,验证了联合限位策略的减振效果更好。Liu等[11]建立了驳船式海上浮式风机阵列的风电场,结果表明该阵列具有一定的可靠性。董璐等[12]基于气动-水动耦合对驳船式海上浮式风机系泊系统的疲劳载荷进行了分析,得出在系泊系统设计阶段需要充分重视对系泊缆材质的选取的结论。

如今,国内对海上浮式风机动态响应的研究方法大多为改变不同风浪耦合工况,或是提出一种新型浮式平台并验证该平台的可靠性。此外,该类研究对单立柱式海上浮式风机和半潜式海上浮式风机研究较多,对驳船式海上浮式风机的研究相对较少。鉴于深海区域环境载荷复杂,安装在深海的海上浮式风机会受到湍流风和不规则波的不共线影响。基于此背景,在不考虑其他控制策略的情况下,通过改变湍流风的入流方向模拟风浪不共线,对比研究单立柱式海上浮式风机和驳船式海上浮式风机的动态响应和叶片1根部的平面外剪切力。通过本文设定工况下的仿真结果可知,单立柱式海上浮式风机的稳定性优于驳船式。

1 海上浮式风机动力学模型

1.1 空气动力学模型

OpenFAST采用叶素-动量理论模拟风机受到的气动载荷[13]。该理论假设将叶片切割成若干截面,每个截面称为叶素,根据该理论可计算海上浮式风机受到的气动载荷为

式中:T、Z为叶素推力和转矩;N为叶片数目;ρ为空气密度;v为风速;Ks、Kz为叶素的升力和阻力系数;θ为风向角;r为叶素半径;l为弦长。

1.2 水动力学模型

海上浮式风机共有6个方向的平台运动,其中包括纵荡(Surge)、横荡(Sway)、垂荡(Heave)、横摇(Roll)、纵摇(Pitch)和艏摇(Yaw)。图1为海上浮式风机6自由度运动图。

图1 海上浮式风机6自由度运动

鉴于波浪载荷对海上浮式风机的影响较大[14],本文仿真的波浪谱采用工程中常用的JONSWAP波浪谱,JONSWAP 波浪谱模型[15]:

式中:k=0.062 4/[0.023+0.336γ-0.185(1.9+γ)-1],γ为谱峰因子;H为有义波高;f为波浪频率;fp为谱峰频率;Tp为谱峰周期;α为波浪峰形参数。

1.3 时域运动方程

将海上浮式风机受到的空气动力学、水动力学等外界载荷耦合,得到时域下的海上浮式风机运动方程[16]:

式中:m为结构质量矩阵;A∞为附加质量矩阵;c为线性阻尼矩阵;c2为二阶阻尼矩阵;z为刚度矩阵;x为各自由度的运动矩阵;x·为速度矩阵;x¨为加速度矩阵;F为载荷矩阵;h(τ)为延迟函数。

2 仿真及结果分析

以NREL-5 MW 单立柱式和驳船式两种不同的海上浮式风机为研究对象,模拟风浪不共线下,各海上浮式风机的动态响应。仿真中的湍流风由Turbsim 软件生成,风谱采用IEC Kaimal风谱,湍流度为10%。平均风速为9.3 m/s,有义波高为1.57 m,通过改变湍流风的入流方向模拟风浪不共线,风浪夹角分别为0°、30°和60°。不规则波的波浪谱采用JONSWAP 波浪谱,谱峰周期10 s。仿真时间为2 000 s,取0～500 s为瞬态部分,仿真图和数值计算时均不考虑该部分。图2为风浪夹角示意图,表1为NREL-5 MW 风机基本参数,表2为两种海上浮式风机基本参数,表3为仿真工况。

表2 两种海上浮式风机基本参数

表3 仿真工况

图2 风浪夹角示意图

表1 NREL-5 MW 风机基本参数

在同一工况下将两种不同类型的海上浮式风机进行对比研究,分析风机的动态响应和叶片1根部的平面外剪切力。图3、图4分别为平均风速9.3 m/s和有义波高1.57 m 曲线,图5～图7为LC1～LC3工况下的对比分析图。

图3 平均风速9.3 m/s曲线

图4 有义波高1.57 m曲线

图5 LC1工况下对比分析图

图7 LC3工况下对比分析图

由图5可知,在风浪夹角为0°时,由于两种浮式平台各自的特性不同,单立柱式海上浮式风机的运动表现总体上优于驳船式。虽然该工况下单立柱式海上浮式风机的平台纵摇角度较大,但稳定性优于驳船式。各机组叶片1根部受到的平面外剪切力基本一致。

由图6可知,在风浪夹角为30°时,相较于风浪夹角为0°时,两种海上浮式风机的平台纵荡振荡变小,一定程度上表明风浪不共线对平台纵荡运动影响较大,各平台的纵荡变化趋势基本相同,但单立柱式海上浮式风机纵荡变化幅值小于驳船式。与风浪夹角为30°时相同,单立柱式海上浮式风机的平台纵摇角度较大,但振荡幅值小于驳船式。总体上单立柱式海上浮式风机的运动表现仍优于驳船式。各机组叶片1根部受到的平面外剪切力的变化趋势和范围基本一致。

图6 LC2工况下对比分析图

由图7可知,当风浪夹角呈60°时,平台纵荡运动相较于0°和30°时振荡更小,单立柱式海上浮式风机的垂荡和纵摇运动更稳定。驳船式海上浮式风机的平台艏摇角度总体上小于单立柱式,但振荡较明显。单立柱式海上浮式风机的平台垂荡位移几乎为0。各机组叶片1根部受到的平面外剪切力基本一致,振荡更小。

表4为各工况下研究参数的数值分析表,计算了各参数的均值和标准差。

表4 数值分析表

由表4可知,单立柱式海上浮式风机的平台动态响应和叶片1根部的平面外剪切力的标准差总体上小于驳船式,在一定程度上反映出:在本文设定的工况下,单立柱式海上浮式风机的平台运动表现比驳船式更好。

3 结 论

本文以5 MW 单立柱式和驳船式海上浮式风机为研究对象,采用OpenFAST 软件模拟了同一风浪大小下,3种不同风浪夹角的仿真工况,研究了各工况下两种浮式风机的平台动态响应和叶片1根部平面外剪切力,得到以下结论:

(1) 在风浪不共线作用下,相较于驳船式海上浮式风机,单立柱式海上浮式风机的平台振荡总体上更小,运动表现更好。

(2) 平台纵摇角度和叶片1根部平面外剪切力随风浪夹角的增大而减小,且风浪夹角的变化对平台垂荡运动的影响较小。

(3) 风浪夹角越大,单立柱式海上浮式风机和驳船式海上浮式风机的平台纵荡运动的变化趋势越趋于相同,但各平台纵荡和横荡的幅值仍有一定差距。