風(fēng)浪流中半潛式風(fēng)機系統(tǒng)動力響應(yīng)特性研究

毛 瑩，范 菊, 2，張新曙, 2，尤云祥, 2

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

風(fēng)浪流中半潛式風(fēng)機系統(tǒng)動力響應(yīng)特性研究

毛 瑩1，范 菊1, 2，張新曙1, 2，尤云祥1, 2

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

以三浮筒(Tri-floater)型半潛式風(fēng)機系統(tǒng)為對象，采用時域方法，考慮垂蕩板的黏性阻尼效應(yīng)，研究系泊纜直徑、長度、預(yù)張力和布置方式等參數(shù)對其在風(fēng)浪流中動力響應(yīng)特性的影響規(guī)律，提出了一種系泊參數(shù)優(yōu)化方法。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)東海和南海三個不同水深區(qū)域百年一遇海洋環(huán)境條件，通過調(diào)整Tri-floater型浮式基礎(chǔ)的吃水和垂蕩板等參數(shù)，有效地提高了其運動響應(yīng)周期，減小了其運動響應(yīng)幅值。同時，根據(jù)風(fēng)機浮式基礎(chǔ)運動幅值的設(shè)計規(guī)范要求，針對三個不同水深區(qū)域特點，設(shè)計了Tri-floater型浮式基礎(chǔ)的系泊系統(tǒng)。計算結(jié)果表明，改進后的Tri-floater型半潛式風(fēng)機系統(tǒng)能滿足百年一遇極端環(huán)境下的作業(yè)要求，適合于東海和南海海洋環(huán)境下海上風(fēng)能資源的開發(fā)。

半潛式風(fēng)機；時域計算；運動響應(yīng)；系泊張力

Abstract: By taking the effects of viscous damping into account, a time domain analysis is proposed for analyzing the effect of the mooring system parameters on the dynamic responses of the Tri-floater semi-submersible offshore wind turbine in wind, wave and current, and then an optimization scheme is presented for the mooring line diameter, length, pre-tension and arrangement. Meanwhile, based on once-in-a-century met ocean data in the East and South China Seas, a modification scheme is presented for the draft and heave plate diameter of the original Tri-floater wind turbine so that the motion periods are significantly increased, and the response performances are effectively improved for such a modified Tri-floater wind turbine. Moreover, based on the design standard for the floating wind turbine system, a design scheme is presented for the mooring system of such a modified Tri-floater wind turbine according to three different water depth conditions in the East and South China Seas. Results show that the modified Tri-floater wind turbine can meet the operation demand under once-in-a-century extreme conditions, and hence suitable for the exploitation of offshore wind resources in the East and South China Seas.

Keywords: semi-submersible wind turbine; time-domain simulation; motion response; mooring tension

海洋風(fēng)能是一種潔凈、儲量極為豐富的可再生資源，已日益成為新能源中最具發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[1]。我國近?？砷_發(fā)利用的風(fēng)力資源大約為7.5億千瓦，約為陸上風(fēng)能的3倍，遠(yuǎn)海風(fēng)能儲量則更為豐富,因此海洋風(fēng)能資源將是我國重要的新能源之一[2]。在海洋風(fēng)能開發(fā)中，風(fēng)機支撐基礎(chǔ)的選擇非常重要，對于水深小于50 m的海域，固定式基礎(chǔ)被認(rèn)為是一種最佳的風(fēng)機支撐基礎(chǔ)。當(dāng)水深大于50 m后，固定式基礎(chǔ)的安裝、維護難度會隨之增加，而且費用急劇增大，在這種情況下新型浮式支撐基礎(chǔ)應(yīng)運而生，包括半潛式、Spar式、TLP式和混合式等[3]。

半潛式支撐基礎(chǔ)的吃水比較小，具有良好的穩(wěn)性，運輸和安裝便利，費用相對節(jié)省，屬于海上浮式風(fēng)機支撐基礎(chǔ)的首選結(jié)構(gòu)形式之一。三浮筒(Tri-floater)組合形式是目前主要的半潛式風(fēng)機的浮式基礎(chǔ)形式，其中風(fēng)機塔柱一般安裝于三角形浮筒的中心位置處[4]。研究表明，該種三浮筒組合形式為海上半潛式風(fēng)機的最優(yōu)方案之一[5]。其后，Roddier等[6-8]設(shè)計了WindFloat型半潛式風(fēng)力機，與Tri-floater型形式最大不同之處是其風(fēng)機塔柱安裝于三個柱體其中之一上，整個風(fēng)機系統(tǒng)采用壓載水循環(huán)系統(tǒng)來滿足穩(wěn)性要求，在三個柱體底部還安裝了阻尼板。研究表明，阻尼板可以減小浮式基礎(chǔ)的垂蕩響應(yīng)，但阻尼板形狀對附加阻尼的大小影響較大[9]。

Takeshi等[10-11]提出了載有三個風(fēng)力機的大型半潛浮式平臺，并將浮式基礎(chǔ)作為柔性體建立了系統(tǒng)動力學(xué)方程，研究表明風(fēng)載荷與浮體運動間存在較大的耦合作用，而且浮式基礎(chǔ)的彈性變形對其運動響應(yīng)影響較大。 曹菡等[12]針對120 m水深環(huán)境，提出了一種Tri-floater型浮式基礎(chǔ)主尺度和重量參數(shù)方案，研究了其完整穩(wěn)性和頻域運動響應(yīng)特性。吳海濤等[13]研究了風(fēng)機載荷對WindFloat型浮式風(fēng)機系統(tǒng)運動響應(yīng)特性的影響。

以Tri-floater型半潛式風(fēng)機系統(tǒng)為對象，利用商業(yè)軟件SESAM建立其在風(fēng)浪流中動力響應(yīng)特性的數(shù)值分析方法，重點研究系泊系統(tǒng)參數(shù)對浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)及其系泊張力特性的影響，提出對系泊系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計的方法。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)東海和南海不同水深區(qū)域百年一遇海洋環(huán)境條件，對Tri-floater型浮式基礎(chǔ)的主尺度參數(shù)進行改進，并設(shè)計了相關(guān)的系泊系統(tǒng)，對改進后的Tri-floater型浮式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)及其系泊張力特性進行了數(shù)值計算分析。

1 數(shù)值方法

半潛式風(fēng)機系統(tǒng)主要由發(fā)電機組系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等組成。發(fā)電機組系統(tǒng)包括發(fā)電機組、輪轂和葉片等，支撐系統(tǒng)包括上部的塔柱及其下部的浮式基礎(chǔ)，定位系統(tǒng)采用懸鏈線系泊定位方式，其中浮式基礎(chǔ)由立柱、垂蕩板、撐桿等組成。在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下, 系統(tǒng)的運動學(xué)方程可以表示為

根據(jù)線性波浪譜理論，海面波浪運動可以看作由很多簡諧波組成的平穩(wěn)隨機過程，對每一個諧波成分，采用線性繞射理論計算浮式基礎(chǔ)的一階波浪力。由一階波浪力的計算結(jié)果，采用遠(yuǎn)場積分方法，計算二階波浪力。利用在頻域內(nèi)得到的一階和二階波浪力，采用快速逆傅里葉變換,計算相應(yīng)的一階和二階脈沖響應(yīng)函數(shù)。然后，對給定時間歷程的波浪升高進行卷積積分，即可得到一階和二階波浪力的時間歷程[14]。

采用線性輻射理論計算附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)。根據(jù)頻域內(nèi)阻尼系數(shù)的計算結(jié)果,采用快速傅立葉逆變換,計算延遲函數(shù)。靜水恢復(fù)力矩陣C可由常規(guī)的靜力分析計算。浮式基礎(chǔ)的垂蕩板為整個系統(tǒng)的運動提供很大的黏性阻尼，會有效地抑制系統(tǒng)的共振運動。根據(jù)文獻[15]的實驗研究結(jié)果，垂蕩板的等效阻尼可取為臨界阻尼的10%，其中臨界阻尼矩陣定義為

浮式基礎(chǔ)的流載荷根據(jù)Morison公式計算。系泊力根據(jù)懸鏈線理論，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法計算。風(fēng)載荷包括風(fēng)對風(fēng)機系統(tǒng)靜水面以上部分的作用力以及風(fēng)機運行時產(chǎn)生的風(fēng)機推力，前者可由下式進行計算[16]：

其中，n為受風(fēng)構(gòu)件數(shù)量，i為受風(fēng)構(gòu)件序號，Ch為受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)，Cs為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，Ai為風(fēng)向角為α?xí)r第i個受風(fēng)構(gòu)件在風(fēng)向上的投影面積，V為風(fēng)和結(jié)構(gòu)物的相對速度。

風(fēng)機推力分操作和極端兩種工況進行計算[16]。在操作工況下，風(fēng)機推力可由下式計算

其中，ρa為空氣密度，CFB的取值依據(jù)為最大能量輸出時的貝茲動量理論(Betz momentum theory)，A為葉片掃掠面積，U為風(fēng)速。

在極端工況下，風(fēng)機推力可由下式計算

其中，CD1和CD2分別為風(fēng)輪和塔架的風(fēng)阻力系數(shù)，Umax為極限風(fēng)速，Aw為風(fēng)機風(fēng)輪的迎風(fēng)面積，H為風(fēng)機輪轂高度，fh是高度h處的塔柱截面直徑。

在對運動方程求解之前，首先對風(fēng)機系統(tǒng)進行頻域水動力分析，獲得附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，確定延遲函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，基于Newmark 動態(tài)時間積分方法數(shù)值求解方程(1)，每個時間步中的內(nèi)外力平衡迭代采用 Newton Raphson法。在每個時間步，將風(fēng)機系統(tǒng)地運動及其系泊動力響應(yīng)作為結(jié)果輸出，并作為下一個時刻的輸入進行下一個時刻的計算。

2 結(jié)果與分析

以Tri-floater型半潛式風(fēng)機系統(tǒng)為對象，研究其在風(fēng)浪流中的動力響應(yīng)特性，如圖1所示。該系統(tǒng)支撐桿連接三根平衡立柱，構(gòu)成穩(wěn)定的等邊三角形式的浮體基礎(chǔ)，每根平衡立柱下端安裝一個垂蕩板，風(fēng)機塔柱位于三角形浮體中心位置處[4]。建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點o位于系統(tǒng)重心，oxy平面平行于靜水面，oz軸垂直向上為正。該浮式風(fēng)機系統(tǒng)原型的設(shè)計水深為50 m，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 Tri-floater型風(fēng)機系統(tǒng)及其坐標(biāo)系Fig. 1 Tri-floater configuration and coordinate system

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值立柱中心距/m68風(fēng)機額定功率/MW5立柱直徑/m8槳葉直徑/m115立柱高度/m24槳葉數(shù)3立柱吃水/m12風(fēng)機固定位置(距靜水面)/m83垂蕩板直徑/m18塔柱長度/m65浮體整體質(zhì)量/t2479浮體垂向重心高度(距平臺底部)/m27．6浮體慣性半徑/m(40，40，29)浮體垂向浮心高度(距平臺底部)/m5．3

2.1數(shù)值方法驗證

首先對沒有系泊時該風(fēng)機系統(tǒng)的浮式基礎(chǔ)在周期波浪中的響應(yīng)特性進行計算分析。其中，波浪周期為3.14～62.8 s，波高為2 m；考慮到對稱性，來波方向選為0°、30°、60°和90°。結(jié)果表明，浮式基礎(chǔ)的縱搖RAOs最大值出現(xiàn)在浪向角0°的情況，橫搖RAOs最大值出現(xiàn)在浪向角90°的情況，而垂蕩RAOs最大值隨浪向角的變化較小。在表2中，給出了本文與文獻[4]計算結(jié)果的比較，文獻[4]的計算沒有考慮垂蕩板的阻尼，本文在驗證部分的計算去除了垂蕩板阻尼效應(yīng)。由表可看出，本文的計算結(jié)果與文獻[4]的結(jié)果符合，相對誤差在合理范圍內(nèi)。

表2 Tri-floater型浮式基礎(chǔ)響應(yīng)計算結(jié)果與文獻[4]計算結(jié)果的比較Tab. 2 Comparison of motion responses of tension Tri-floater with results in the reference[4]

圖2 系泊纜布置(6根) Fig. 2 Mooring arrangement(6 lines)

下面對系泊狀態(tài)下浮式基礎(chǔ)在風(fēng)浪流中的響應(yīng)特性進行計算分析。其中，海況數(shù)據(jù)來源于荷蘭Meetpost Noordwijk K13海域，浮式基礎(chǔ)通過3組懸鏈線系泊纜進行定位，每組系泊纜之間按照120°的角度進行分布，環(huán)境數(shù)據(jù)及系泊參數(shù)如表3和表4所示[4]，系泊方式如圖2所示。

在表5中，給出了本文和文獻[4]計算結(jié)果的比較，其中工況1、工況2和工況3分別為最大工作工況、極端工況和破損工況。破損工況是指在極端海況下一根錨鏈斷裂的狀況，其中x向破損系泊纜為3號系泊纜，y向破損系泊纜為1號系泊纜。由表可知，本文計算結(jié)果與文獻結(jié)果一致，各工況下系泊纜張力值均在其容許范圍內(nèi)，即該浮式風(fēng)機系統(tǒng)適合于Meetpost Noordwijk K13海域的海況。

表3 Meetpost Noordwijk K13海域的海況數(shù)據(jù)Tab. 3 Environmental condition of Meetpost Noordwijk K13

表4 系泊參數(shù)Tab. 4 Properties of the mooring system

表5 系泊纜張力計算結(jié)果與文獻[4]計算結(jié)果的比較Tab. 5 Comparison of tension with results in the reference[4]

2.2系泊參數(shù)的影響

系泊系統(tǒng)是影響浮式風(fēng)機系統(tǒng)運動響應(yīng)的關(guān)鍵性因素之一。這里考察系泊纜預(yù)張力、直徑、長度和布置形式等對浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)及系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響規(guī)律。其中，風(fēng)浪流參數(shù)如表3所示，風(fēng)浪流方向均取為0°。

1) 系泊預(yù)張力的影響：系泊布置形式如圖2所示，鋼纜長度和直徑分別為225 m和160 mm，錨鏈長度和直徑分別為225 m和150 mm，計算結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)張力T0從300 kN增大到500 kN時，浮式基礎(chǔ)縱蕩運動的極大值和平均值明顯地減小，而其標(biāo)準(zhǔn)差則略有減小，系泊纜錨鏈頂端張力的極大值和平均值略有增大，而其標(biāo)準(zhǔn)差則變化很?。划?dāng)預(yù)張力T0從500 kN增大到1 000 kN時，浮式基礎(chǔ)縱蕩運動的極大值和平均值略有減小，而標(biāo)準(zhǔn)差則變化較小，系泊纜錨鏈頂端張力的極大值和平均值明顯增大，而其標(biāo)準(zhǔn)差則略有增大。

圖3 系泊預(yù)張力對浮式基礎(chǔ)縱蕩運動及錨鏈頂端張力的影響Tab. 3 Effect of the pretension of mooring lines on surge and top tension

2) 系泊直徑的影響：系泊布置形式如圖2所示，鋼纜和錨鏈長度均為225 m，預(yù)張力為300 kN，計算結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，當(dāng)鋼纜直徑D從160 mm減小到146.5 mm,而錨鏈直徑d從150 mm減小到137 mm時，浮式基礎(chǔ)縱蕩運動的極大值略有增大，系泊纜錨鏈頂端張力的極大值則略有減小，而縱蕩運動和錨鏈頂端張力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化很小。

圖4 系泊直徑對浮式基礎(chǔ)縱蕩運動及錨鏈頂端張力的影響Tab. 4 Effect of the diameter of mooring lines on surge and top tension

3) 系泊長度的影響：系泊布置形式如圖2所示，鋼纜直徑為160 mm,錨鏈直徑為150 mm，預(yù)張力300 kN，計算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)鋼纜長度L及錨鏈長度l均從225 m減小到175 m時，浮式基礎(chǔ)縱蕩運動的極大值和平均值略有減小，而其標(biāo)準(zhǔn)差則變化很小，系泊纜錨鏈頂端張力的極大值略有增大，而其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差則變化很小。

圖5 系泊長度對浮式基礎(chǔ)縱蕩運動及錨鏈頂端張力的影響Tab. 5 Effect of the length of mooring lines on surge and top tension

4) 系泊布置形式的影響：將系泊從6根增加到9根，鋼纜長度和直徑分別為225 m和160 mm，錨鏈長度和直徑分別為225 m和150 mm，預(yù)張力300 kN，系泊布置形式如圖6所示，計算結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，當(dāng)系泊從6根增加到9根后，錨鏈頂端張力明顯減小，而浮式基礎(chǔ)縱蕩運動幅值略有減小。

圖6 系泊纜布置(9根)Fig. 6 Mooring arrangement(9 lines)

系泊數(shù)系泊纜極大值平均值標(biāo)準(zhǔn)差6根錨鏈頂端張力/kN4248．71771．83549．48平臺縱蕩運動/m5．582．911．0449根錨鏈頂端張力/kN3741．37622．15401．33平臺縱蕩運動/m5．072．540．96

另外系泊纜分段方式對浮式風(fēng)機系統(tǒng)動力響應(yīng)特性也會產(chǎn)生影響。鋼纜長度仍為225 m，而將錨鏈改為兩段，長度分別為25 m和200 m,鋼纜和錨鏈直徑分別為160 mm和150 mm，預(yù)張力300 kN，系泊布置形式如圖2所示，計算結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，系泊纜分段方式對浮式基礎(chǔ)縱蕩及其系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響很大，對于三段式系泊纜，錨鏈端最大張力明顯變小，但浮式基礎(chǔ)縱蕩運動的極大值卻明顯增大。

表7 系泊纜分段方式對浮式基礎(chǔ)縱蕩運動及錨鏈頂端張力影響Tab. 7 Effect of segmented form of mooring lines on surge and top tension

對于半潛式風(fēng)機系統(tǒng)，目前并沒有明確的規(guī)范對其系泊系統(tǒng)性能作出規(guī)定。由于風(fēng)機在正常作業(yè)及自存情況下不必考慮由于平臺運動位移過大而造成設(shè)備損壞的情況，故其水平位移限制一般要求額定工況下為水深的2%～5%，自存工況下為水深的8%～15%[17]；對于風(fēng)機電力系統(tǒng)來說，葉片俯仰運動對發(fā)電功率影響較大， Zambrano等[18]指出，在正常作業(yè)狀態(tài)下，浮式風(fēng)電系統(tǒng)平均俯仰角應(yīng)小于5°，最大俯仰角應(yīng)小于15°。浮式風(fēng)機平臺系泊系統(tǒng)中系泊張力的安全因子規(guī)定如下[16]：作業(yè)工況下最大錨泊張力安全因子取為2.7；自存工況下最大錨泊張力的安全因子取為1.8。對于破損狀態(tài)下的系泊系統(tǒng)，作業(yè)工況下最大錨泊張力安全因子取為1.8，自存工況下最大錨泊張力安全因子取為1.25。

根據(jù)前面對系泊參數(shù)影響規(guī)律的分析結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求，對Tri-floater型半潛式風(fēng)機系統(tǒng)的原系泊系統(tǒng)進行改進，提出一種相對成本更低的懸鏈線式系泊設(shè)計方案，其中仍然采用6根系泊纜對稱布置的方式，但縮短錨鏈長度，減小其直徑，同時增加鋼纜長度，但減小其直徑，具體參數(shù)如表8所示，計算結(jié)果如表9所示。

表8 優(yōu)化后的系泊參數(shù)Tab. 8 Properties of the mooring system after optimization

表9 優(yōu)化系泊參數(shù)后Tri-floater系統(tǒng)動力響應(yīng)特性計算

由表9可知，在最大作業(yè)工況下，兩個方向下浮式基礎(chǔ)縱(橫)蕩、縱(橫)搖及垂蕩運動最大幅值均滿足相關(guān)規(guī)范要求，系泊纜張力安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的2.7。在極端工況下，兩個方向的浮式基礎(chǔ)的縱(橫)蕩最大偏移值均在±7.5 m之內(nèi)，縱(橫)搖幅值也在±15°范圍內(nèi)，系泊纜張力安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.8。同時，在破損工況下，系泊纜張力的安全系數(shù)均大于1.25。由此可見，在保持系泊纜總長不變的情況下，增加鋼纜長度，減小錨鏈長度，并采用更細(xì)的系泊纜，同樣能使浮式風(fēng)機系統(tǒng)的運動及其系泊動力響應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求，同時還能減小系泊纜重量和相應(yīng)的成本。

2.3海洋環(huán)境參數(shù)的影響

我國東海和南海風(fēng)電資源豐富，半潛式風(fēng)機系統(tǒng)是首先風(fēng)電資源開發(fā)裝置之一，但東海和南海海洋環(huán)境與Meetpost Noordwijk海域的海洋環(huán)境有很大差異，Tri-floater系統(tǒng)能否適用于東海和南海將是需要研究的關(guān)鍵之一。表10第一列為東海某100 m水深海域的百年一遇風(fēng)浪流數(shù)據(jù)，而第二和第三列為南海某189.5 m及340 m水深海域的百年一遇風(fēng)浪流數(shù)據(jù)。

表10 東海和南海某海域百年一遇海洋環(huán)境條件Tab. 10 Environmental condition of the East and South China Seas

由表10可知，三個海域百年一遇波浪的譜峰周期均在15～16 s之間，而由表12可知，Tri-floater系統(tǒng)在100 m、189.5 m和340 m三個海域水深下的垂蕩固有周期為17 s左右，與該三個海域百年一遇波浪的譜峰周期接近。因此，不可避免地會出現(xiàn)垂蕩共振現(xiàn)象，進而影響浮式風(fēng)機系統(tǒng)的安全性。如何有效地提高Tri-floater浮式基礎(chǔ)的垂蕩固有周期，使其遠(yuǎn)離波浪的譜峰周期，將是Tri-floater系統(tǒng)能否適用于東海和南海需要解決的關(guān)鍵問題之一。為此，本文對Tri-floater的浮式基礎(chǔ)參數(shù)提出一種改進方案，將其吃水從12 m增至14 m，同時將垂蕩板直徑從18 m增至24 m，此時Tri-floater浮式基礎(chǔ)的浮力有所增加，重心有所下降，如表11所示。

表11 Tri-floater原型浮式基礎(chǔ)主要參數(shù)的改進Tab. 11 Parameters of Tri-floater after modification

首先對改進前后Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在周期波浪中的響應(yīng)特性進行計算分析，結(jié)果如表12和13所示。其中，波浪周期為3.14～62.8 s，波高為2 m，來波方向選為0°、30°、60°和90°。結(jié)果表明，改進Tri-floater型浮式基礎(chǔ)后，其垂蕩、縱搖和橫搖運動周期明顯增大，縱(橫)搖周期從25.12 s增加至34 s，而垂蕩周期從17 s增加至22 s附近，已避開東海和南海百年一遇波浪譜峰周期，而且垂蕩、縱搖和橫搖響應(yīng)RAOs均有所減小。

水深和海洋環(huán)境發(fā)生變化后，系泊系統(tǒng)的合理設(shè)計是Tri-floater系統(tǒng)能否適用于東海和南海的另一個需要解決關(guān)鍵問題。根據(jù)表10中所列的東海和南海三種水深下的海況條件，依據(jù)API等規(guī)范，Tri-floater系統(tǒng)的系泊進行設(shè)計。根據(jù)Tri-floater型浮式基礎(chǔ)的對稱性，仍然采用將系泊纜固定在三根立柱底部的方法，考慮到東海和南海百年一遇海洋環(huán)境較為惡劣，采用如圖6所示的9根錨鏈的布置方式。依照API規(guī)范，結(jié)合勞維奇方法等，根據(jù)不同水深設(shè)計系泊纜長度。依照DNV錨鏈設(shè)計規(guī)范，選取系泊纜直徑、破斷強度等參數(shù)。表14為東海和南海3種不同水深下系泊設(shè)計參數(shù)。

表12 Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在不同水深下的響應(yīng)Tab. 12 Response of Tri-floater in different water depths

表13 改進后Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在不同水深下的響應(yīng)Tab. 13 Response of Tri-floater after modification

表14 三種不同水深下改進后Tri-floater系統(tǒng)的系泊纜參數(shù)Tab. 14 Properties of the mooring system after modification in different water depths

對改進后Tri-floater系統(tǒng)在系泊狀態(tài)下的響應(yīng)特性進行計算分析，結(jié)果如表15-17所示。其中，風(fēng)浪流參數(shù)如表10所示，x向(0°)破損系泊纜為3號系泊纜，y向(90°)破損系泊纜為1號系泊纜。結(jié)果表明，在三個不同海域海洋環(huán)境條件下，完整極端工況的系泊纜張力安全系數(shù)均大于1.8，在某一根系泊纜破損工況下余下系泊纜的張力安全系數(shù)均大于1.25；三個不同海域的極端工況下，浮式基礎(chǔ)縱(橫)蕩運動最大偏移量均在各自水深的8%以內(nèi)，縱(橫)搖運動最大搖擺角均在±15°之間，垂蕩運動最大幅值分別為3.75 m、3.58 m、3.69 m，均滿足規(guī)范所要求；在某一根系泊纜破損工況下，對三個不同海域海洋環(huán)境條件，浮式基礎(chǔ)縱(橫)蕩運動最大偏移量均控制在各自水深的10%左右，縱(橫)搖運動最大搖擺角在±15°間，垂蕩運動最大幅值與完整工況下相比變化較小，均能達(dá)到系泊規(guī)范要求。由此可見，在改進Tri-floater的浮式基礎(chǔ)參數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)計其系泊系統(tǒng)后，該半潛式風(fēng)機系統(tǒng)可以適用于東海和南海海上風(fēng)能資源的開發(fā)利用。

表15 東海海域100 m水深下改進后Tri-floater系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性Tab. 15 Statistic characteristics of Tri-floater after modification in 100 m water depth

表16 南海海域189.5 m水深下改進后Tri-floater系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性Tab. 16 Statistic characteristics of Tri-floater after modification in 189.5 m water depth

表17 南海海域340 m水深下改進后Tri-floater系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性Tab. 17 Statistic characteristics of Tri-floater after modification in 340 m water depth

3 結(jié) 語

采用時域分析方法，考慮垂蕩板阻尼效應(yīng)，在極端和破損等工況下，對系泊Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在風(fēng)浪流中的運動響應(yīng)及其系泊張力特性進行了數(shù)值計算分析，主要結(jié)果如下：

當(dāng)不考慮垂蕩板阻尼效應(yīng)時，對無系泊Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在波浪中運動周期和RAOs的計算結(jié)果與文獻計算結(jié)果一致；當(dāng)考慮垂蕩板阻尼效應(yīng)時，運動周期的變化并不明顯，但RAOs值明顯減小。在最大工作工況、極端工況和破損工況下，對系泊Tri-floater型浮式基礎(chǔ)在風(fēng)浪流中系泊張力的計算結(jié)果也與文獻計算結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上，獲得了系泊纜直徑、長度、預(yù)張力和布置方式等參數(shù)對其在風(fēng)浪流中動力特性的影響規(guī)律，提出了一種動力響應(yīng)性能更好的系泊系統(tǒng)設(shè)計方案。

Tri-floater原型浮式基礎(chǔ)在波浪中的垂蕩周期與東海及南海海域百年一遇波浪譜周期接近，易發(fā)生垂蕩共振問題。對Tri-floater原型浮式基礎(chǔ)的吃水和垂蕩板等參數(shù)進行了改進，有效地提高了其運動周期，明顯減小了其運動響應(yīng)幅值。同時，針對東海和南海三個不同水深海域的海洋環(huán)境條件，設(shè)計了三種新的系泊方案，結(jié)果表明改進后的Tri-floater型浮式基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)能滿足東海和南海百年一遇極端和破損工況下發(fā)電作業(yè)的要求。

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Dynamic response analysis of a semi-submersible wind turbine system in wind, wave & current environments

MAO Ying1, FAN Ju1, 2, ZHANG Xinshu1, 2, YOU Yunxiang1, 2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advance Ship and Deep-Sea Exporation, Shanghai 200240, China)

P752

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.007

1005-9865(2017)01-0060-11

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51479117)

毛 瑩(1990-)，女，湖北人，碩士研究生，主要從事海洋工程水動力學(xué)研究。E-mail：maoying18@163.com

范 菊(1969-)，女，沈陽人，博士，副教授，主要從事海洋工程水動力學(xué)研究。E-mail: fanju@sjtu.edu.cn