自进入21世纪以来,能源危机日益突出,传统能源日渐枯竭且化石能源对环境污染程度也日渐加剧,使得人们开始寻找一种能替代传统化石能源且储备丰富的清洁能源。其中,风能作为空气流动所产生的动能,储量大,分布广,是人类解决生产和生活能源的一种可靠途径。风能利用主要分为陆上风能利用和海上风能利用,相比于陆上风电,海上风电具有不占用土地资源,风能资源稳定,无消纳等不可替代的优势,人们越来越多地将目光放在了海洋风能资源利用方面
[1-3]。目前,常见的海上风电基础以固定式为主,包括三脚架基础、筒型基础、单柱基础、重力式基础和导管架基础等
[4-7]。但随着海洋资源开发利用走向深远海推进
[8],固定式基础在适应性、经济性及地质要求上的局限性逐渐凸显。相较于固定式基础,漂浮式基础环境适应性更强,经济性更高,对海床地质要求低,漂浮式基础作为漂浮式风机的重要组成部分,保证了风电机组在恶劣的海洋环境条件下的工作能力,因此漂浮式基础结构设计的合理性和可靠性显得尤为重要
[9-10],其在复杂海洋环境中的应用成为各沿海主要国家的研究热点
[11]。
国内外众多学者对漂浮式风电基础结构方面开展了诸多研究。Ferri等
[12]通过使用遗传算法,对10 MW级风电机组的漂浮式基础结构进行了相应的优化设计,以达到降本增效的目的,同时减少极端恶劣海洋环境对结构运动响应的影响。Zhang等
[13]设计了一种新型倾斜立柱全潜式,并对其进行了参数分析和优化,通过数值模拟对比研究了单柱式和漂浮式平台的成本以及运动响应,验证了新型漂浮式平台的优越性。Zhou等
[14]采用全局灵敏度分析的办法,得出了立柱半径和间距以及平台吃水都会影响结构的运动响应。乐丛欢等
[15]针对中等水深海域的环境参数,提出了一种新型浮式平台,该平台综合了单柱式、张力腿式以及半潜式平台的优点,并针对该结构对不同的环境参数进行了敏感性分析。赵业彬等
[16]针对威海乳山市某海域环境条件,通过数值仿真计算进行了新型柔性漂浮式基础方案设计、水动力计算及优化。司朝善等
[17]基于研制的新型6 MW浮式风电机组缩尺模型,采用滑移网格结合重叠网格的方法,研究了不同叶尖速比下漂浮式风机气动力特性的网格与时间步长收敛性以及湍流模型适用性,并将数值仿真结果与风洞试验测试结果进行对比,以明晰复杂环境下漂浮式风机气动载荷特性及影响规律。
基于上述研究成果,现针对15 MW大容量海上风机,设计一种新型大容量漂浮式风机基础结构,该基础结构型式简单,建造强度低且稳定性较高,抵抗恶劣海洋环境能力强。并对该结构进行敏感度分析,探究环境参数的变化对其六自由度的运动响应和系泊缆张力的变化规律,为未来面向深远海大容量风电机组漂浮式基础结构设计提供参考。
1 漂浮式基础结构及数值模型
1.1 漂浮式基础结构介绍
以漂浮式海上风电基础结构为研究对象,针对水深为70 m的某海域环境条件,设计了一种新型漂浮式基础结构用以支撑10 MW及以上的大容量风机机组。
漂浮式基础由漂浮式平台和系泊系统两部分组成。漂浮式平台如
图1和
图2所示,考虑风机塔筒后其总高为186.89 m,结构下部呈正六边形分布,六边形顶端与底端中心处皆为半径为7.5 m的浮球,底端中心处浮球上方28.87 m的连接处也设计为直径7.5 m的球体状,浮球之间通过直径5 m的钢管连接,整个漂浮式结构均为刚性连接,漂浮式平台总质量为6 212.13 t,平台的结构参数如
表1所示,浮体主体采用钢结构材料,密度为7 850 kg/m
3,弹性模量为2.06×10
11 Pa,泊松比为0.3。系泊缆材料为R5等级的系泊链,链径为180mm,内设预张力1 500 t。
该漂浮式平台通过系泊系统进行固定,系泊点设置在浮球底部中心处,系泊方式为多点系泊,共设置6根系泊缆,锚泊系统设计为张力腿系泊,该种系泊方式使得结构更能抵御不同方向的较大环境力,仍能在较为恶劣的海洋环境下保持较高的定位精度,改善基础的运动稳定性
[18]。设背浪向系泊缆为1号系泊缆,按逆时针方向布置系泊缆,缆绳布置如
图3所示,系泊缆参数如
表2所示,在SESAM的Riflex模块中建立系泊缆,进行系泊缆参数的设置,Mass coeff设置为199.76,Ext.Area 设置为0.025 447,Gyrational Radius设置为0.01。
1.2 数值模型建立
SESAM软件为挪威船级社研发的大型有限元分析软件,包含多个不同功能的计算模块,在Genie模块中建立新型漂浮式平台的实体模型并进行网格划分,网格划分间隔为0.1 m,在Genie中得到的结构网格图如
图4所示;在Hydrod模块中使用Wadam进行水动力参数计算,用以计算结构的响应幅度谱(response amplitude operator, RAO)的波浪入射角覆盖0°~360°范围,步长取15°,波浪频率选取为0.05~5 rad/s,步长间隔取为0.05 rad/s,新型漂浮式基础结构的作业海域水深为70 m,结构吃水为45 m;在Reflex模块中进行结构敏感性分析,对比分析波高、波周期、风速对新型漂浮式结构六自由度运动和系泊缆张力的影响。在Reflex中建立的模型如
图5所示。
2 漂浮式结构频域水动力特性分析
在RIFLEX中进行新型漂浮式结构的时域水动力计算前,需要先在Hydrod模块中的Wadam程序中基于势流理论进行结构的频域水动力参数的计算,在阻尼设置方面,系统考虑了流体辐射阻尼与结构固有阻尼部分,其中结构阻尼采用瑞利阻尼模型,质量与刚度比例系数分别取
α=0.2、
β=0.000 5;流体阻尼由HydroD模块自动计算得到,根据文献
[19]选取临界阻尼的10%作为结构的黏性阻尼来修正计算结果。边界条件方面,浮体自由度设置为六自由度(6 degrees of freedom,6DOF),系泊缆下端固定于海床底部,不考虑底部滑移;海床边界采用固定约束条件。计算工况中波浪以JONSWAP不规则波形式输入,在计算中将浪向角范围设置为0°~360°,长取15°,波浪频率选取为0.05~5 rad/s,步长间隔取为0.05 rad/s。设置计算水深70 m,漂浮式平台在张力腿的作用下吃水为45 m。计算过程中的环境浪向角规定为如
图6所示。
漂浮式基础的幅值响应算子(RAOs)的定义为在单位波幅的规则波作用下,浮体对应的自由度的运动幅值,用来表征浮体在线性波浪作用下的运动响应特征。现主要针对在不同角度的不规则波入射作用下,该新型漂浮式平台的垂荡、横摇和纵摇方向上对应的RAO曲线进行分析,重点分析波浪周期和波浪入射角对结构三个方向上的运动响应的影响。如
图7所示为设计的新型漂浮式平台在垂荡、纵摇和横摇三个自由度上的RAO曲线,从
图7中可以看出,平台垂荡的RAO曲线在波浪周期为7 s时会达到一个小高峰,当波浪周期为15 s时,曲线达到垂荡方向上运动响应的峰值,波浪入射角对结构垂荡RAO影响较小,曲线接近重合;平台横摇与纵摇受波浪入射角作用明显,该新型漂浮式平台呈对称设计,因此横摇RAO与纵摇RAO曲线受波浪入射角的影响也呈对称分布,当波浪入射角为0°和180°时,平台无横摇运动,纵摇方向上的激励作用最大,波浪入射角从0°变化到90°时,横摇会随着角度的增加而增加,当90°时横摇方向上的激励作用达到峰值,纵摇则与之相反,会随着角度的增加运动响应反而逐渐减小,当入射角为90°时几乎无纵摇运动,横摇与纵摇的固有周期都接近21 s。
3 漂浮式结构水动力计算
3.1 不同有义波高
为研究不同的波浪高度对新型漂浮式基础在位使用时平台的水动力特性以及系泊缆张力的影响,共设置了三种不同波高工况,有义波浪高度分别为3、5、7 m,三种工况对应的波浪周期均为9 s,波浪谱选取Jonswap谱,考虑随机波浪种子,风速为22 m/s,环境参数设置详如
表3所示。为确保计算结果的准确性,选取3 600 s计算时程进行规律对比分析。
3.1.1 运动响应
如
图8所示为新型漂浮式平台在不同波高工况下的六自由度运动时程曲线,从中可知,波高的变化对结构横荡的变化影响较大,当波高增加,其他环境条件不变时,横荡最大值和最小值的绝对值都会随着波高的增加而增大,但对平均值的影响较小;结构纵荡在受到波浪作用的初期,会有一个较为明显的波动,因而初期增幅较大,总体来看,波高的变化引起的纵荡增幅较小,当波高增加时,不同工况下平台纵荡的最大值、最小值以及平均值变化相差不大;该结构的垂荡多为方向向下的移动,当波高增大时,结构的垂荡增幅较为明显,最大值、最小值和平均值呈现显著的差异性;波高的增加对结构纵摇和艏摇的影响较小,最大值、最小值和平均值相接近,但当波高增加时,结构的横摇有显著的变化,最大值和最小值的绝对值都随着波高的增加而增大,但平均值基本保持不变,因此结构在运行使用时,应警惕恶劣波浪对平台造成的瞬时影响。
进一步对不同波浪高度下的新型漂浮式平台的六自由度运动响应进行频率谱分析,经过快速傅里叶变化(fast Fourier transform,FFT)变换得到的六自由度的功率谱密度图如
图9所示。功率谱密度峰值对应结构的主要振动频率,反映共振现象。从
图9中可以看出,波高较小时,平台的运动响应仍为结构固有频率主导,功率谱密度峰值在固有频率附近;随着波高的增大,波浪能量输入增大也导致各自由度方向上的功率谱也随之增加,运动响应幅度更大,但功率谱密度峰值仍停留在固有频率附近。
3.1.2 系泊缆张力计算结果
如
图10所示为新型漂浮式基础在不同波高工况下的系缆张力统计值,从中可以看出,随着波高的增加,结构的六根系泊缆张力均有所增加,当波高为3 m时,四号系泊缆的张力最大,为1 753 t;当波高为7 m时,同样为四号系泊缆的张力值最大,为1 900 t。
3.2 不同波浪周期
为研究波浪周期对新型漂浮式平台运动响应的影响,设置了三种不同的波浪工况,其中波高均为5 m,波浪入射角均为180°,波浪周期分别为5、10、15 s,工况设计如
表4所示。
对新型漂浮式基础在不同谱峰周期下的六自由度方向上的运动响应以及六根系泊缆张力进行研究,为确保计算结果的准确性,选取3 600 s计算时程进行规律对比和分析。
3.2.1 运动响应
如
图11所示为漂浮式平台在不同周期波浪环境下的六自由度方向上的运动时程曲线,可知,在波浪的入射角度不变,不改变波浪高度的条件下,随着波浪周期的增加,结构的横荡、垂荡和横摇也随之增加,是因为15 s接近结构的横荡、垂荡以及横摇的固有周期,流体附加质量与辐射阻尼共同作用下的系统等效刚度降低,使得响应能量积聚,最终导致其运动响应增大,从而引起响应峰值,在大振幅或非线性的影响下,会进一步导致结构的固有频率偏移或者阻尼发生变化;当周期增加时,结构的纵荡、纵摇和艏摇经历一个先减少后增加的趋势,当波浪周期为15 s时,其入射波频率接近系统的固有频率,最终导致基础在纵荡、纵摇和艏摇三个自由度上有着显著的运动响应。由分析可知,在实际海域中,短周期波浪对平台的影响更大,但考虑到该基础的固有周期,基础在位悬浮使用时,应避开谱峰周期为15 s 的波浪,以避免基础共振导致的基础剧烈运动响应。
3.2.2 系泊缆张力计算结果
如
图12所示为新型漂浮式基础系泊缆张力的时程曲线,从中可以看出,随着波浪周期的增加,系泊缆的张力值也随之增加,当波浪周期为5 s时,1号、3号和6号的系泊缆张力明显小于2号、4号和5号系泊缆的张力,4号系泊缆的张力最大,系缆力最大值为1 761 t,当波浪周期增加到10 s时,六根系泊缆张力间的差异值减小,4号系泊缆的张力最大,为1 918 t;当波周期为15 s时,六根系泊缆张力差异进一步缩小,系缆力最大值出现在2号系泊缆上,系缆张力最大值为6 132 t。从振动理论和流体-结构耦合机理的角度分析,系泊缆张力峰值的产生主要与平台的耦合振动响应有关。当波浪激励频率接近平台在相应自由度下的固有频率时,系统发生共振或近共振现象,附加质量与辐射阻尼的频率相关性导致系统等效刚度减小,外部激励能量在结构中积累,从而引起系泊缆张力显著放大。随着波浪周期的增加,波浪能量的输入频率逐渐偏离系统主振模态,响应幅值及缆力差异相应减弱。此外,系泊缆自身的几何非线性和滞回阻尼效应对平台运动具有一定的约束作用,可在一定程度上调节响应幅值与力谱分布,体现出典型的流体-结构-系泊多场耦合特性。
3.3 不同风速
为研究风速对新型漂浮式平台运动响应的影响,设置了三种不同的风速工况,分别是16、20、24 m/s,波高均设置为5 m,波浪入射角均为180°,波浪周期为10 s,工况设计详如
表5所示。
3.3.1 运动响应
如
图13所示为风速下平台的六自由度上的运动响应时程曲线与统计值,可知,风速对平台的横摇影响值较小,随着风速的增加,平台横荡、纵荡、横摇和纵摇的平均值反而呈下降趋势,推测风速的增加可能导致平台倾斜增大,迎风面积增大,部分系泊缆张力值增大,抑制了平台在上述几个自由度方向上的运动,因此出现随着风速增加,结构运动响应的最大值虽然有所增加,但整体均值反而减小的现象;因风速设置为横向作用,风速的改变对结构垂荡的影响较小,当风速增加时,结构的垂荡最大值、最小值和均值相接近;而当风速增加时,结构的艏摇运动发生了明显的变化,增幅随着风速的增加而增大。
3.3.2 系泊缆增张力计算结果
如
图14所示为不同风速下新型漂浮式基础系泊缆的张力时程曲线,随着风速的增加,结构的系泊缆张力值最大值随之减小,当风速为16 m/s时,系泊张力最大值出现在4号系泊缆上,为1 966 t,当风速为20 m/s时,系泊缆张力最大同样出现在4号系泊缆上,张力最大为1 928 t;当风速为24 m/s时,系泊缆张力最大值同样出现在4号系泊缆,系泊缆张力最大值为3 371.5 t。
4 结论
设计了一种新型漂浮式基础,通过对其进行数值模拟,研究了平台的水动力参数,并针对其在位漂浮过程中平台的运动响应和系泊缆张力特性就环境参数进行了敏感性分析,得出主要结论如下。
(1)波高影响着新型漂浮式基础在使用时的平台运动响应和系泊缆张力特性,随着波高的增加,平台的垂荡、横摇、纵摇以及系泊缆张力都有所增加,但影响程度有所不同,对垂荡和纵摇影响较小,对横摇影响较大;系缆力会随着波高的增加而增大,波浪高度的增加会导致结构张力最大值的增加,因此基础在在位过程中应尽量避免大波浪,以免导致系泊缆的断裂。
(2)周期对平台运动响应的影响主要表现在短周期波会明显增大平台的运动响应,当波浪周期为15 s时会接近平台的固有周期,使得平台产生剧烈的运动响应,因此在平台的服役过程中应尽量避免周期为15 s的波浪。
(3)改变风速大小,发现随着风速的增加,结构横荡、纵荡、横摇和纵摇的平均值以及系泊缆张力值反而呈下降趋势,水平方向的风速改变对结构垂荡影响较小,对结构艏摇的影响较大,结构艏摇方向上的运动会随着风速的增加而增大。
综上所述,对新型漂浮式结构在漂浮式状态的运动响应的敏感性分析做了相应研究,验证了其可靠性和安全性,强度同时符合设计要求,具有一定的工程使用价值。
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