波浪能装置抗台风恒张力系泊系统的数值模拟

黄硕， 盛松伟， 王凯， 张天宇， 初岳峰， 刘伟琪

(1.中山大学 海洋工程与技术学院，广东 珠海 519000； 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519000； 3.中国科学院 广州能源研究所，广东 广州 510640； 4.新疆金风科技股份有限公司，北京 100176)

浮式波浪能发电装置长期系留在海洋中工作，我国海域台风频发，成功的波浪能装置不仅要有较高的能量转换效率，还必须在极端天气条件下生存。浮式波浪能装置的生存能力已被列为海洋可再生能源领域面临的主要挑战之一[1-3]。浮式波浪能装置的系泊系统不仅提供定位功能，也可能是动力输出(power take off，PTO)系统的一部分，并影响某些装置的转换效率[4-5]，为系泊系统设计增加了更多的挑战。由于浮式波浪能装置的系泊系统占项目总投资成本的10%～30%[4,6]，而海上石油和天然气平台仅占2%[7]，为推进浮式波浪能装置的商业化，优化其系泊系统至关重要。现有海上油气平台系泊设计指南或规范应用于波浪能领域并非一个简单的过程，可能导致过于保守和昂贵的设计[8]。二者差异主要有投放水深、设计固有频率、结构规模、允许运动幅度、系泊系统轨迹和系泊缆数量等[9-10]。尽管系泊系统的故障可能导致浮式波浪能装置的灾难性损失，但波浪能(wave energy converter,WEC)无人值守，不会造成人员伤亡安装和维护期除外)，通常后果不如油气平台严重[11-12]。

海工装备常用的系泊方式是悬链线系泊，但在浅水台风海况下，传统悬链线系泊系统的悬链很快被拉直，如果浮体仍在随浪后退而锚链已被拉直，浮体运动产生的巨大动能无法被消耗，产生的后果是走锚或断链，紧随的就是失控、灾难发生。通过增大锚链链径、加大锚链配置、改进锚结构，进而增大系泊力，这种方案以巨大的系泊成本提高了系泊系统的能力，但不能根本改变在风暴甚至台风中被摧毁的可能[13-15]。部分非航行浮式平台通过增加具有较大弹性的绳索系泊，或在系泊系统中加重块和浮筒[16]，增大系泊系统中的弹性环节，缓解弹性不足的状况，但随着浮体运动距离的加大，其弹性环节的有效缓冲能力被消耗，最终达到刚性状态，系泊系统仍旧面临走锚和断链的威胁。并且系泊力和浮式平台的收链方向相反，大小相等，不断增大的系泊力，使浮式结构受力也不断增大，结构自身的安全性也受到巨大的威胁。因此，采取何种系泊方案使浮式波浪能装置能够在风暴甚至台风中生存的问题尚未有效解决也是工程上的设计难点，在保持经济可行和可靠的前提下，需要实施新的系泊系统设计策略。

本文以鹰式波浪能装置为例[17]，从工程实际出发对锚链尺寸、锚链舱结构、系泊系统布置开展设计研究。并对浮体与系泊系统时域耦合运动、系泊线张力等进行分析，提出一种恒张力系泊系统，使系泊系统在台风中保持基本恒定的张力。

1 波浪能装置系泊系统设计策略

基于浮体的运动规律和受力分析可知，浮体主要受基本恒定的风力、海流力和振荡特性的波浪力。其中风力、流力和二阶波漂力一般为定常力，在浮体形状基本确定的情况下，系泊系统只能抵抗，无法缓解。考虑到波浪是一种振荡运动，海洋中组成波浪的水质点在围绕其中心做类椭圆轨迹运动，处于波浪之中的浮体跟随波浪能做振荡运动。不同形式的浮式结构虽然在波浪中振幅不同，但运动形式基本不变。在一阶波频力作用下，浮体虽然会顺浪大幅运动，当从一个完整的波浪周期看，浮体还会基本恢复至原始位置，浮体类似水质点在波浪中产生振荡运动。系泊系统难以抵抗瞬时增大的一阶波浪力(如系泊线悬链线效应或弹性耗尽，只能通过材料本身塑性变形消耗这部分动能，同时系泊线张力瞬时增大)。因此可行的策略是用运动距离释放动能，建立一种有效的系泊收放方案使系泊线在台风等恶劣海况下始终保持恒定的张力，保障系泊系统和浮体的安全。

该系泊系统作业海况时与悬链线系泊系统工作原理一致。极端海况时，在台风长波作用下浮体大幅牵引系泊系统顺浪运动时，系泊力逐步增大，在系泊力达到设定值后，系泊系统自动释放存储在浮体上的负载重物，允许浮体在基本恒定的系泊力下，顺浪运动，通过加大浮体运动距离，释放能量，减轻系泊系统和浮体受力；在波浪运动后半个周期，浮体跟随波浪回撤，系泊系统由张紧趋于松弛，系泊系统受力变小，当系泊系统受力小于设定值时，系泊系统在负载重物的重力作用下自动收回部分锚链，使锚链长度变短，并基本保持恒定受力。即波浪往复振荡，系泊系统时放时收，始终保持基本恒定的张紧力。

1.1 系泊系统布置

如图1所示，系泊系统由2锚、3锚链、4锚机、5牵引索(钢缆)、6负载重物、7掣链器构成如图1 所示。1浮体(波浪能装置)中设有5牵引索及6负载重物的容置空间，在1浮体上设有投放6负载重物的投放开关；4锚机设置在1浮体上，3锚链一端连接2锚，另一端通过4锚机的滚轮后与5牵引索的一端连接，5牵引索另一端与6负载重物连接，7掣链器设在1浮体上，位于4锚机朝向2锚的一侧(迎波方向)用于掣住或夹住3锚链。

图1 恒张力系泊系统布置形式Fig.1 The layout of the constant tension mooring system

作业海况时，5牵引索与重物存放在容置空间中，2锚、3锚链、4锚机实现正常的系泊作业，3锚链放下后通过7掣链器对3锚链进行固定。极端海况时，取消7掣链器对3锚链的固定并通过打开投放开关将6负载重物向下投放至海底之上，通过5牵引索对3锚链进行缓冲。容置空间为设置在1浮体内部的8舱体，投放开关为连通海底与容置空间的9闸门。

2 波浪能装置数值模型

2.1 数学模型

基于三维势流理论，采用AQWA和OrcaFlex软件，开展频域水动力计算和时域船体/系泊缆耦合数值分析。浮体在各种环境载荷作用下的动力学方程为：

(1)

(2)

式中：F(1)为一阶波浪力；F(2)为二阶波浪力；Fmoor为系泊线张力；Fw和Fc为风载荷与流载荷以气动系数分别为[16]：

(3)

式中：ρair和ρω为空气和海水密度；Vw和Vc为风速与流速；Cw和Cc为风力和流力系数；St、LBP和Td分别为装置受风面积、垂线间长和吃水。

采用间接时域分析法，即先在频域计算中应用面元法求解边界积分方程，得到每个面元上的速度势，根据伯努利方程，计算每个面元上的水动压力，沿浮体表面积分，得到浮体水动力参数，如附加质量、阻尼、一阶波浪激励力和二阶波浪激励力包括平均漂移力和低频力。采用全QTF法计算低频波浪载荷，通过IFFT方法将计算结果从频域变为时域[10]。时域运动方程为：

(4)

式中h(t-τ)为系统的延迟函数。

2.2 水动力模型

浮体坐标系原点位于装置基线上，与中纵剖面及中横剖面相交，X轴-正向指向装置北侧。0°和90°浪向分别定义为波浪沿X轴和Y轴正向传播。系泊对象为260 kW鹰式波浪能装置[17]如图2，该装置采用一基多体式设计，即在一个波浪能半潜母船(支撑基体)上安装双向4个吸波浮体，装置前后完全对称。质量矩阵按表1选取，波浪周期4～35 s，取35个波浪周期。浪向90°～180°均匀取7个浪向。极端海况下，装置处于自存状态停止工作，吸波浮体位于向下的极限位置，因此水动力计算不考虑吸波浮体与支撑基体的相对运动，水动力模型如图3。

图2 260 kW鹰式波浪能装置“万山号”Fig.2 Eagle sharp wave energy device 260 kW “Wanshan”

表1 浮体装置重量重心及转动惯量

图3 鹰式波浪能装置水动力模型Fig.3 The hydrodynamic model of Sharp Eagle WEC

3 恒张力系泊系统数值模拟

3.1 环境条件

环境条件基于极限波浪及其对应的风和流，为中国南海(珠海市万山海域)50年一遇的风浪，对应海况环境如表2所示，其中风速为海平面以上10 m位置的1 h平均风速，水深28 m。海浪谱采用JONSWAP谱。

表2 极端海况环境参数Table 2 The extreme environmental conditions

3.2 系泊系统布置

基于运动原理一致原则，对系泊系统进行数值仿真，数值模型如图4所示。系泊设计布置为单点系泊，系泊线采用锚链，重块锚链系统中，锚链通过装置顶端定滑轮与重块连接，由重块及锚链重量共同提供系泊系统的回复力。导缆孔及锚点位置坐标如表3。

表3 恒张力系泊系统布置Table 3 Layout scheme of constant tension mooring system

图4 系泊系统数值系统Fig.4 The numerical model of mooring system

动力分析时，重块水中净重如果大于风浪流引起定常力(风力、流力、二阶波浪漂移力)，重块将沉入海底，重块一部分重量由海底支持，一部分由锚链承担。在波浪作用下，装置水平运动引起重块上下起伏运动，从而提供系泊回复力。

3.3 恒张力系泊系统时域动态分析

系泊系统为单点系泊，本文只需考虑0°浪向的完整工况进行系泊分析。系泊系统首先要抵抗定常环境力，即重块湿重必须大于水平定常环境力。但如重块湿重大于环境定常力过多则会增加经济成本，过小则无法抵抗瞬时增大的波浪力导致重块与装置相撞。因此考虑不同长度的锚链与重块重量组合，在安全范围内，选取最小锚链长度和重块重量，通过系泊时域分析得到最优的系泊系统。

通过静力计算可知，装置0°方向受到的水平定常环境力为37 t，因此重块湿重拟定40～80 t，采用链径60 mm有档锚链，其破断力为3 147 kN。动力分析中，每种工况下，执行5个不同随机种子数的随机波浪，每个随机波浪模拟时间为3 h，取每次计算的统计最大极值响应的平均值作为系泊张力及运动的响应极值。重块与装置底部最小间距L0，如为负值，表示两者发生碰撞，计算结果如表4所示。当锚链长300 m，重块湿重80 t，锚链躺底35 m(工况3)是满足规范(根据API 规范，锚链安全系数可取1.67)优化的系泊系统配置。特别是在相同重块下，增长锚链对系泊张力影响较小，这主要由于重块的重力势能对系泊系统回复能力起到了决定性作用，这使得恒张力系泊系统的经济性更为突出。

表4 恒张力系泊系统不同设计方案系泊线张力对比

3.4 与传统悬链线系泊系统的比较分析

采用传统的悬链线式单点系泊系统作为对比方案，系泊线分别采用单根和双根锚链配置。从表5、6计算结果看，采用单根锚链，增大锚链长度和链径(锚链最长2 500 m，链径最大90 mm)均无法满足有义波高9.07 m台风海况的系泊设计要求。而采用2根系泊系统，则每根锚链需要至少长1 200 m，链径70 mm。浅水中锚链的悬链线效应非常弱，因此系泊系统主要由锚链轴向弹性提供系泊回复力，导致锚链过长。

表5 悬链线系泊系统系泊线张力动态结果(单根锚链)

表6 悬链线系泊系统系泊线张力动态结果(双根锚链)

对恒张力锚链系泊系统和悬链线系泊成本分析(表7)可以看出，如采用70 mm链径锚链，双锚链系统单根锚链需1 200 m长，为恒张力系泊系统的4倍，锚链最大张力约为恒张力系泊系统的1.5倍。考虑恒张力系泊系统的重块，其材料用量约为传统悬链线系泊系统的1/3，从整体造价(初步考虑施工成本)来看，恒张力系泊系统更具有优势。

表7 恒张力系泊与悬链线系泊系统成本分析

4 结论

1)与采用传统悬链线系泊设计相比，恒张力系泊设计形式能够显著降低系泊线的最大张力，进而大大减小系泊线长度和锚链链径，降低普通锚链的用量，减轻系泊系统重量，更适用于经常遭遇台风的浅水环境。

2)对于本文研究的鹰式波浪能装置而言，恒张力锚泊系统锚链长300 m，重块湿重80 t，锚链躺底35 m，是满足API规范要求下的最优化系泊系统配置。此外，系泊系统的回复能力主要由重块的重力势能决定，因此在重块相同的情况下，增长锚链对系泊张力影响较小，这使得恒张力系泊系统的经济性更为突出。

3)通过与悬链线系泊系统的对比分析发现，恒张力系泊系统材料用量约为传统悬链线系泊系统的1/3，从整体造价(初步考虑施工成本)来看，恒张力系泊系统更具有优势。

数值分析和初步成本分析中恒张力系泊系统具备相当优势，为浮式波浪能装置等漂浮式海工结构物在台风中安全生存提供一种有效解决途径，今后还需进一步开展模型试验研究，验证在实际工程和在其他类型浮式结构物上的适用性。