風(fēng)浪夾角變化對海上浮式風(fēng)機(jī)系泊的影響

鄧 露， 吳松熊， 鐘文杰， 宋曉萍

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082； 2. 湘電風(fēng)能有限公司， 湖南 湘潭 411102)

為了更好地開發(fā)深水海域豐富的風(fēng)能資源，近年來，研究人員對海上浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量研究[1,2]。不同于固定式海上風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺漂浮于海面，通過系泊來限制其位移，這造成其動力特性與固定式風(fēng)機(jī)有很大差異。因此，復(fù)雜的環(huán)境荷載對浮式風(fēng)機(jī)的影響仍然有待更深入的研究，這也是目前浮式風(fēng)機(jī)的研究中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一[3]。

風(fēng)浪聯(lián)合作用時，風(fēng)荷載與波浪荷載作用方向成一定夾角的工況稱為風(fēng)浪不共線工況。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，風(fēng)浪不共線工況普遍存在[4]。固定式海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，通常采用共線風(fēng)浪作為最不利工況進(jìn)行計(jì)算[5,6]；柱穩(wěn)式油氣平臺的系泊設(shè)計(jì)也只考慮風(fēng)浪共線的工況[7,8]。目前，浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時考慮的荷載工況仍采用固定式風(fēng)機(jī)規(guī)范中的設(shè)計(jì)荷載工況，但浮式風(fēng)機(jī)動力特性不同于固定式風(fēng)機(jī)，不共線風(fēng)浪對其結(jié)構(gòu)是否有不利影響，仍然有待深入研究。最新的DNV浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]中指出，風(fēng)浪作用夾角變化引起的氣動阻尼變化對平臺運(yùn)動響應(yīng)，尤其是對風(fēng)機(jī)的疲勞會產(chǎn)生不利影響，因此浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要慎重考慮不共線風(fēng)浪。

目前，已有學(xué)者研究了風(fēng)浪作用夾角變化對浮式風(fēng)機(jī)平臺及上部塔架的影響。Philippe等[9]發(fā)現(xiàn)在風(fēng)浪不共線時，駁船式風(fēng)機(jī)平臺某些自由度的運(yùn)動響應(yīng)會增大。Barj等[10]研究發(fā)現(xiàn)只考慮風(fēng)浪共線工況會低估單柱式風(fēng)機(jī)塔底的側(cè)向疲勞損傷，因此建議單柱式風(fēng)機(jī)塔架的設(shè)計(jì)至少要考慮風(fēng)浪共線與風(fēng)浪90度夾角的工況。美國船級社[3]以及Bachynski等[11]則認(rèn)為，雖然不共線風(fēng)浪會增大浮式風(fēng)機(jī)平臺的部分運(yùn)動響應(yīng)及塔底側(cè)向彎矩，但是其增值并不大。以上研究均以浮式風(fēng)機(jī)平臺及塔架為對象，而沒有考慮過風(fēng)浪作用夾角變化對系泊系統(tǒng)的影響。

基于以上研究背景，本文采用氣動-水動-伺服-彈性-系泊全耦合模擬工具FAST-Orcaflex[12]，建立了兩種典型的懸鏈?zhǔn)较挡锤∈斤L(fēng)機(jī)數(shù)值模型，采用某海域?qū)崪y風(fēng)浪聯(lián)合海況數(shù)據(jù)，考慮多種海況下風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)順槳的情況，研究了風(fēng)浪作用夾角改變時，風(fēng)機(jī)平臺的運(yùn)動響應(yīng)、系泊的張力及系泊疲勞損傷的變化情況。本文的研究結(jié)果將為海上浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中荷載工況的選取提供重要參考依據(jù)。

1 風(fēng)機(jī)模型

1.1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

采用懸鏈?zhǔn)较挡吹母∈斤L(fēng)機(jī)主要是半潛式和單柱式。風(fēng)機(jī)平臺模型采用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)的半潛式平臺OC4-DeepCwind[13]和單柱式平臺OC3-Hywind[14]，如圖1所示。平臺裝配NREL 5MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并采用OC3-Hywind控制系統(tǒng)[15]。風(fēng)機(jī)平臺與風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表1。半潛式風(fēng)機(jī)平臺的設(shè)計(jì)水深為200 m，邊浮筒上下部分直徑分別為12 ，24 m，中間浮筒直徑6.5 m。單柱式風(fēng)機(jī)平臺設(shè)計(jì)水深為320 m，上下立柱直徑分別為6.5，9.4 m，中間以圓臺連接過渡。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)模型

參數(shù)OC4-DeepCwindOC3-Hywind水深/m200320平臺質(zhì)量/t134737466吃水深度/m20120橫蕩縱蕩周期/s113.643垂蕩周期/s17.228橫搖縱搖周期/s2732艏搖周期/s825.2風(fēng)輪直徑/m128128輪轂高度/m9090機(jī)艙轉(zhuǎn)子質(zhì)量/t350350塔架質(zhì)量/t347.5347.5額定風(fēng)速/(m/s)11.411.4

兩種形式的風(fēng)機(jī)均采用多點(diǎn)懸鏈系泊，如圖2所示，詳細(xì)參數(shù)可參見文獻(xiàn)[13,14]。為了增大平臺艏搖剛度，單柱式風(fēng)機(jī)導(dǎo)纜孔處采用了系泊三角連接結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模擬中，通過添加艏搖自由度上的彈簧進(jìn)行模擬[14]。

圖2 系泊系統(tǒng)布置/m

1.2 風(fēng)機(jī)耦合模型

風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬采用FAST-Orcaflex耦合軟件。FAST為美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的開源風(fēng)機(jī)仿真軟件，用于模擬風(fēng)力機(jī)及風(fēng)機(jī)塔架，不同的模塊分別用于計(jì)算空氣動力、彈性動力以及模擬風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)等。Orcaflex則采用集中質(zhì)量法模擬系泊系統(tǒng)，其模型的平臺水動力參數(shù)由以WAMIT為核心程序的HydroD軟件計(jì)算得到。FAST與Orcaflex之間通過動態(tài)鏈接庫FASTLink傳遞數(shù)據(jù)。國際能源署(International Energy Association, IEA)的風(fēng)能項(xiàng)目Offshore Code Comparison Collaboration Continuation (OC4)驗(yàn)證了FAST-Orcaflex耦合工具的可靠性[12]。

浮式風(fēng)機(jī)可分為上部風(fēng)力機(jī)、浮式平臺和系泊系統(tǒng)三部分。浮式平臺的水動力模型同時考慮了勢流理論與莫里森方程，采用HydroD軟件計(jì)算得到平臺的一階水動力幅頻響應(yīng)算子(RAOs)、二階傳遞函數(shù)(QTF)、附加質(zhì)量與附加阻尼等水動力參數(shù)，并輸入Orcaflex中進(jìn)行參數(shù)化建模，海水黏性則通過在Orcaflex中添加各構(gòu)件的拖曳力系數(shù)來近似模擬[13,14]。風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)由Orcaflex采用集中質(zhì)量法模擬，在Orcaflex中，隨機(jī)波浪采用JONSWAP譜生成，采用莫里森方程計(jì)算系泊的水動力荷載。

風(fēng)力機(jī)及風(fēng)機(jī)塔架則采用FAST的不同模塊進(jìn)行模擬。湍流風(fēng)場采用IEC規(guī)范中的正常湍流風(fēng)模型(NTW)。湍流風(fēng)可分解為平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分。其中平均風(fēng)速部分采用冪定律風(fēng)廓線描述，冪律指數(shù)α取0.14；脈動部分則用模擬目標(biāo)風(fēng)譜的辦法采用Turbsim[16]生成，目標(biāo)風(fēng)譜選取IEC-61400-3規(guī)范中的Kaimal風(fēng)譜，根據(jù)IEC規(guī)范取湍流強(qiáng)度為0.12。風(fēng)機(jī)葉片受到的空氣動力荷載則通過葉素動量理論計(jì)算獲得。

2 工況設(shè)置

選取4種具有代表性的海況進(jìn)行研究，如表2所示。海況1～3分別代表風(fēng)速小于額定風(fēng)速、等于額定風(fēng)速和大于額定風(fēng)速的海況，考慮風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和風(fēng)機(jī)停機(jī)順槳2種狀態(tài)；海況4為風(fēng)機(jī)自存工況，風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。海況1～3的模擬結(jié)果用于分析系泊受到的疲勞損傷情況，海況2～4的模擬結(jié)果用于對比分析系泊最大張力的變化情況。各海況參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[17]得到的Buoy Cabo Silleiro海域風(fēng)浪聯(lián)合分布數(shù)據(jù)選取。

表2 環(huán)境海況

兩種形式的風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)均由3根懸鏈線系泊組成。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，選取其中的系泊線2為研究對象。如圖3所示，對于不同的環(huán)境海況，考慮兩種風(fēng)浪夾角變化情況。一種為波浪荷載作用方向和系泊線2共線，從0°～90°改變風(fēng)荷載的作用方向；另一種為風(fēng)荷載作用方向與系泊線2共線，從0°～90°改變波浪荷載的作用方向。對于更大的風(fēng)浪夾角，由于其發(fā)生的概率非常小，因此不予考慮。

圖3 風(fēng)浪夾角示意

為獲得各種工況下系泊的疲勞損傷情況，根據(jù)API-RP-2SK規(guī)范建議，每種工況選取不同的隨機(jī)種子生成湍流風(fēng)場與隨機(jī)波浪，進(jìn)行10次3 h時域模擬，并將10次模擬得到的系泊每小時疲勞損傷取平均值進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果分析

3.1 平臺運(yùn)動響應(yīng)分析

平臺的運(yùn)動響應(yīng)對系泊張力的影響十分關(guān)鍵。以半潛式風(fēng)機(jī)在海況2下的縱蕩運(yùn)動響應(yīng)為例進(jìn)行頻域分析并進(jìn)行說明。當(dāng)波浪方向不變而風(fēng)向變化時各工況下的縱蕩響應(yīng)功率譜如圖4所示；風(fēng)向不變而波浪方向改變時各工況下的結(jié)果與圖4類似，此處不再贅述。圖4a所示風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)向角度從0°度到90°變化時，平臺縱蕩自振頻率0.0087 Hz附近響應(yīng)峰值增大；圖4b所示風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，縱蕩運(yùn)動的功率譜則隨風(fēng)向的改變基本保持不變。這說明風(fēng)機(jī)停機(jī)順槳時，縱蕩方向的氣動阻尼隨風(fēng)向的變化無明顯變化；而風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，隨風(fēng)向角度增大，縱蕩方向的氣動阻尼減小，從而導(dǎo)致縱蕩運(yùn)動響應(yīng)峰值增大。

圖4 風(fēng)向變化時半潛式風(fēng)機(jī)平臺縱蕩頻域分析

此外，隨風(fēng)向角度增大，縱蕩響應(yīng)譜中0.05～0.15 Hz的波頻部分基本不變。這是因?yàn)樽枘嶂饕獙Y(jié)構(gòu)自振頻率附近的振動有較大影響[18]，而波頻運(yùn)動的頻率區(qū)間遠(yuǎn)大于縱蕩自振頻率，故氣動阻尼對其影響很小[19]。

圖5所示為各工況下風(fēng)浪夾角變化時，平臺縱蕩與艏搖運(yùn)動響應(yīng)最大值的變化情況。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)浪夾角增大時，以及風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，風(fēng)向固定而波浪作用方向角度增大時，風(fēng)機(jī)平臺的縱蕩運(yùn)動響應(yīng)最大值均減??；風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，波浪作用方向固定而風(fēng)向角度增大時，平臺的縱蕩響應(yīng)最大值則基本保持不變。平臺的縱搖運(yùn)動變化趨勢與縱蕩運(yùn)動變化趨勢相似。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)樵陲L(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，隨風(fēng)浪夾角增大，縱蕩與縱搖方向上氣動阻尼減小，但是同時風(fēng)荷載激勵也減小，因此縱蕩與縱搖響應(yīng)仍然減小。風(fēng)機(jī)停機(jī)順槳時，氣動荷載較小，平臺受到的荷載主要是波浪荷載，縱蕩與縱搖運(yùn)動只隨波浪荷載作用方向變化而變化。

半潛式浮式風(fēng)機(jī)的艏搖運(yùn)動在風(fēng)向?yàn)?°，波浪作用方向?yàn)?0°與90°時達(dá)到最大，且在風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，艏搖運(yùn)動響應(yīng)對波浪荷載作用方向的變化更敏感。這是因?yàn)轸紦u方向上的氣動阻尼在風(fēng)機(jī)停機(jī)時較小，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時較大，因此風(fēng)機(jī)停機(jī)時，艏搖運(yùn)動對風(fēng)浪夾角變化更敏感。而單柱式風(fēng)機(jī)因?yàn)椴捎昧讼挡慈沁B接結(jié)構(gòu)，艏搖剛度很大，不同工況下的艏搖響應(yīng)都較小。此外，平臺的垂蕩運(yùn)動主要是波頻運(yùn)動，受風(fēng)浪夾角變化的影響較小，風(fēng)浪夾角變化時，垂蕩運(yùn)動無顯著變化，此處不再給出其變化趨勢圖。

圖5 風(fēng)機(jī)平臺運(yùn)動響應(yīng)

3.2 系泊最大張力與疲勞損傷

通過耦合模擬并提取結(jié)果，得到各工況下系泊線2的最大張力，圖6為其變化曲線?？梢钥吹剑L(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，對于兩種形式的浮式風(fēng)機(jī)，系泊的最大張力都在風(fēng)浪共線時最大；在風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，風(fēng)向固定而波浪作用方向角度增大時，風(fēng)機(jī)系泊的最大張力減小，波浪作用方向固定而風(fēng)向變化時，系泊的最大張力則基本保持不變。

對于系泊在各工況下受到的疲勞損傷，通過10次隨機(jī)模擬得到系泊線2的張力時程，采用雨流計(jì)數(shù)法對系泊線張力時程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到應(yīng)力幅譜，再根據(jù)Palmgren-Miner線性損傷累積理論得到系泊的每小時疲勞損傷，并與系泊的T-N曲線對比。系泊的T-N曲線根據(jù)API-RP-2SK規(guī)范選取參數(shù)：

NRM=K

(1)

式中：N為循環(huán)次數(shù)；R為張力范圍T與斷裂強(qiáng)度的比值；M、K為T-N曲線參數(shù)，根據(jù)規(guī)范取M=3，K=1000。

圖6 系泊線2最大張力

圖7所示為不同工況下系泊線2的每小時疲勞損傷。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，各海況下的系泊疲勞損傷均隨風(fēng)浪夾角的增大而減?。伙L(fēng)機(jī)停機(jī)時，波浪作用方向固定而風(fēng)向角度增大，海況1和海況2下系泊的疲勞損傷也隨之增大，海況3下系泊的疲勞損傷則略有減小。

圖7 不同工況下系泊的疲勞損傷

表3列出了風(fēng)機(jī)停機(jī)時，對比風(fēng)浪共線工況，風(fēng)浪不共線工況造成的系泊張力標(biāo)準(zhǔn)差與系泊疲勞損傷增大的百分比。可以看到，海況1與海況2下，系泊張力標(biāo)準(zhǔn)差隨風(fēng)向角度的增大而增大。這說明風(fēng)向角度增大時，系泊張力幅值增大，從而導(dǎo)致了系泊疲勞損傷增大。從海況1～3，海況越惡劣，系泊疲勞損傷在風(fēng)浪不共線工況下增大的百分比越小，說明溫和海況下，不共線風(fēng)浪對系泊疲勞損傷的影響更大。海況1中，風(fēng)浪夾角為90°的工況對半潛式風(fēng)機(jī)系泊疲勞損傷的增加可達(dá)到5.9%，對單柱式風(fēng)機(jī)系泊疲勞損傷的增加可達(dá)到9.8%。參考規(guī)范DNV-RP-C205中提供的用于疲勞壽命評估的海況散布表，波浪波高小于海況1中波高(Hs=2 m)的溫和海況出現(xiàn)概率可達(dá)到25%以上。部分溫和海況下，風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速，風(fēng)輪不轉(zhuǎn)動；風(fēng)速大于切入風(fēng)速時，由于電網(wǎng)調(diào)峰等緣故，風(fēng)機(jī)也可能處于停機(jī)狀態(tài)?？梢娫谶M(jìn)行系泊疲勞損傷分析時，不共線風(fēng)浪造成的系泊疲勞損傷增加不容忽視。

表3 不共線風(fēng)浪造成的疲勞損傷增大情況 %

4 結(jié) 論

本文研究了在風(fēng)浪聯(lián)合作用情況下，風(fēng)浪夾角變化對海上浮式風(fēng)機(jī)平臺的運(yùn)動響應(yīng)、系泊的最大張力和系泊疲勞損傷的影響。通過對4種具有代表性的海況進(jìn)行時域模擬，獲得了半潛式與單柱式浮式風(fēng)機(jī)的動力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)風(fēng)浪共線作用下，風(fēng)機(jī)平臺除艏搖外其他自由度上的響應(yīng)均達(dá)到最大，系泊張力也達(dá)到最大；而在溫和海況下，風(fēng)機(jī)停機(jī)時不共線風(fēng)浪會造成更大的系泊疲勞損傷，尤其風(fēng)浪夾角為90°時，系泊的疲勞損傷增大顯著。

(2)基于研究結(jié)果，建議對于采用懸鏈?zhǔn)较挡吹陌霛撌脚c單柱式浮式風(fēng)機(jī)，在計(jì)算除艏搖外的平臺運(yùn)動響應(yīng)以及進(jìn)行系泊的極限承載力設(shè)計(jì)時，可以只考慮風(fēng)浪共線的工況；在評估溫和海況下系泊的疲勞損傷時，至少考慮風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下風(fēng)浪夾角為0°,90°兩種工況；在系泊的疲勞壽命評估中，應(yīng)結(jié)合風(fēng)浪作用方向散布圖，考慮溫和海況下的風(fēng)浪不共線工況。

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