浮式風機聚酯系泊系統(tǒng)動力響應及優(yōu)化

陳瑞祥,張火明,陸萍藍,管衛(wèi)兵

(1.中國計量大學 計量測試工程學院 浙江省流量計量技術研究重點實驗室,浙江 杭州 310018;2.中國計量大學 工程訓練中心,浙江 杭州 310018;3.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

隨著社會不斷地發(fā)展,人口數(shù)量逐年遞增,非可再生資源日漸枯竭,因此,可再生資源以及潔凈能源的開發(fā)及利用成為我國解決資源短缺的首要任務[1]?！坝申懴蚝！⒂蓽\向深、由固定式基礎向浮式平臺”是未來風能產業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。

海上風力發(fā)電相較于陸地風力發(fā)電有以下優(yōu)勢:1)海上的風況相較于陸地上要好很多;2)在海上發(fā)電,可以不考慮輸送的制約,可以使用超大型風力發(fā)電裝置,這樣能提高規(guī)模效率;3)不像陸上風力發(fā)電需要考慮遠離住宅、噪音等因素;4)海上風速較高,這樣使得設備的利用率提高;5)在海上可以大規(guī)模開發(fā)[3]。

國內外學者針對海上浮式風機系泊系統(tǒng)進行了相關研究。阮勝福[4]對半潛式風電平臺以及系泊系統(tǒng)進行運動特性研究。李彥娥[5]探究了系泊系統(tǒng)對于潛式浮式風機動力響應的影響。劉中柏[6]制作了1∶50縮尺比半潛型浮式風機的模型以及1∶62縮尺比Spar浮式風機的模型,并對兩種模型進行試驗,對兩者進行比較分析。易乾[7]分別設計了適用于320 m水深的Spar式浮式風機,適用于150 m水深的Barge式浮式風機以及適用于200 m水深的半潛式浮式風機,分析各平臺參數(shù)對其動力響應的影響。楊家溢[8]針對50～200 m水深設計了一種新型潛式浮式風機,并制作了1∶80縮尺比的模型,進行時域的位移以及系泊纜張力分析。Jeon S H[9]針對200 m的水深,參考Spar式浮式風機,研究系泊纜參數(shù)對浮式風機動力響應的的影響。Takeshi Ishihara[10]開發(fā)了使用Morison方程來進行耦合的非線性仿真軟件,用來預測海上浮式風機的動力響應。

國內外學者對浮式風機做了大量研究,系泊系統(tǒng)都是設計中的重點,甚至還有研究證明其穩(wěn)定性甚至能影響到浮式風機的發(fā)電效率。因此,設計并分析浮式風機的系泊系統(tǒng)就具有極其重大的意義。

1 模型參數(shù)

本文的風機平臺模型參考NREL的5 MW OC04-DeepCwind半潛式風力發(fā)電機結構,并選用張緊式系泊方案。

圖1 半潛式浮式風機設計圖Figure 1 Design drawing of semi-submersible floating fan

風機的整體構型設計如圖1所示。在本文的設計下,該風機的使用環(huán)境是基于200 m水深的南海海域。浮式風機由風機系統(tǒng)、塔架、平臺和系泊系統(tǒng)組成。在實際的使用中,當浮式風機遇到極端環(huán)境時,會改變風機的轉向來保護扇葉,但是AQWA軟件對于扇葉的分析不夠準確。因此,本文的分析重點是分析在環(huán)境載荷作用下浮式風機平臺以及系泊系統(tǒng)的動力特性,只考慮風載荷對于平臺的作用,忽略對扇葉的作用。故只介紹浮式風機平臺以及系泊系統(tǒng)相關參數(shù)。

a)平臺參數(shù)

該浮式風機平臺是由4個空心立柱組成,中心的支撐立柱與風機塔架相連,其直徑與塔架下部相同;而在外部呈等邊三角形分布的三根主要立柱則分為上下兩部分,導纜點固定在主要立柱的下部。主要平臺參數(shù)見表1。

表1 浮式風機平臺主要參數(shù)

b)系泊參數(shù)

平臺由三根系泊纜固定,每根系泊纜之間的夾角為120°。本文選取兩種系泊系統(tǒng)進行對比分析:1)采用鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈式張緊式;2)采用鋼纜懸鏈線。其中第二種為現(xiàn)有大多數(shù)浮式風機系泊系統(tǒng)所采用的鋼纜懸鏈線式,另一種設計使用聚酯纜作為主要系泊纜,并以鋼纜作為頂纜與底纜的方案。使用聚酯纜的系泊系統(tǒng)大多是張緊式的系泊方式,意圖為通過減輕系泊纜的整體重量來降低系泊纜對浮式風機動力響應的影響。

圖2 系泊纜設計Figure 2 Mooring line design

圖2為系泊纜布置示意圖,統(tǒng)一的參數(shù)如表2。其中第一個方案的系泊纜總長度為810 m,第二種系泊纜總長度為835 m。從毛瑩[11]的研究中我們不難發(fā)現(xiàn),系泊纜的直徑改變與系泊纜的長度改變對于浮式平臺的影響相對較小,而預張力對其影響較大,但也在超過500 kN后進入平緩階段,變化趨于平緩。所以,在系泊相關參數(shù)的設定中,兩種方案的預張力均在500 kN以上。

表2 系泊系統(tǒng)參數(shù)

各材料的具體參數(shù)如表3所示。

表3 系泊纜材料參數(shù)

2 環(huán)境參數(shù)

a)環(huán)境載荷參數(shù)

浮式風機在海上工作的時候,往往受到多種不同環(huán)境的聯(lián)合作用,而為了保證浮式風機的使用安全,在設計中需要考慮環(huán)境載荷對其造成的影響。模擬接近真實的環(huán)境載荷將是準確研究浮式風機相關實驗的基礎。表4～6為南海海域一年一遇以及百年一遇的海況。其中百年一遇海況為在總結文獻中關于一年一遇海況以及十年一遇海況的基礎上對百年一遇的海況進行合理推測。

表4 波浪載荷參數(shù)

表5 風載荷參數(shù)

表6 流載荷參數(shù)

b)風力、流力系數(shù)

根據中國船級社編寫的海上移動平臺入級規(guī)范[19]所規(guī)定,風力FW見式(1):

FW=0.613ChCsSv2。

(1)

其中Ch為受風構件的高度系數(shù),具體值根據構件高度(型心到水面的垂直距離)由表7選取;CS為受風構件形狀系數(shù),具體值根據構件形狀由表8選取,由于該原表數(shù)量過多,只選取幾種較為常用的;S為受風構件的正投影面積;v為設計風速。

表7 高度系數(shù)Ch

表8 形狀系數(shù)CS

風力系數(shù)CW的定義為風力與風速平方的比值,即

(2)

同樣為中國船級社的海上移動平臺入級規(guī)范[19]所規(guī)定,海流載荷按照式(3)計算。

(3)

其中,CD為曳力系數(shù),對圓形構件,可取CD=0.6～1.2,非圓截面構件可按工人的文獻選取,必要時還可由實驗確定;ρW為海水密度;v為設計海流流速;A為構件在與流速垂直平面上的投影面積。

流力系數(shù)CC定義為海流載荷與流速平方的比值,即

(4)

3 仿真分析

a)模型驗證

在對浮式風機進行仿真得到動力響應以及系泊纜的張力前,為了驗證模型建立的準確性,需要對比計算所得的頻域幅值響應算子(RAO),只有得到相對較準確的幅值響應算子,才能說明下列對浮式風機動力響應特性研究的準確性。

本文通過與范浩[20]得到的數(shù)據進行對比來證明所建立模型的準確性,該論文與本文的設計基礎均為5MW-OC04型風機。在使用其設定的環(huán)境條件后,計算得到0°、30°、60°的浮式風機縱蕩、縱搖以及垂蕩的幅值響應算子,見圖3。

圖3 浮式風機縱搖、縱蕩、垂蕩RAOFigure 3 Floating fan pitch, surge, heave Rao

將本模型采用范浩[20]所使用的模擬環(huán)境來進行模擬仿真并與范浩[20]所得數(shù)據進行對比發(fā)現(xiàn),所得數(shù)據在幅值響應曲線上與其所得曲線基本相似,而在曲線數(shù)值上,由于其在論文中存在部分未表明的數(shù)據,故存在些許差距,但是差距也在可接受范圍之內,故已能夠證明該模型具有較高的準確性,可以使用該模型參與仿真,仿真的結果也具有一定的參考價值。

b)仿真及分析

仿真主要分為兩個部分,第一部分為基于一年一遇的海況對浮式風機的平臺進行動力響應對比,第二部分為基于百年一遇的海況對系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化。模擬總時間為10 800 s。

圖4為浮式風機平臺的動力響應,由曲線我們可以看出在平衡后系泊方案2的縱蕩平衡位置距離要大于系泊方案1,而且系泊方案1更為穩(wěn)定;系泊方案1的垂蕩平衡位置要稍高于方案2,方案1和方案2均在經歷接近500 s后曲線趨于穩(wěn)定,振幅穩(wěn)定在0.2 m左右,但可以看出在未穩(wěn)定時方案2的波動幅度較大;方案2的縱搖振幅較大;張力只取受力最大的1號系泊纜進行對比,方案1的響應要大于方案2,但是安全系數(shù)仍能保持在2以上。

圖4 浮式風機動力響應Figure 4 Dynamic response of floating fan

c)水平跨距對動力響應的影響

出于經濟方面的考慮需要減少風機間距,而由以前的文獻可知使用張緊式系泊纜的方案可有效減少系泊纜的水平跨距,因此在此探究張緊式系泊系統(tǒng)的動力響應在水平跨距減小時的變化規(guī)律。該實驗保證每種方案的系泊纜預張力在錨鏈最小破斷荷載30%以下,即3.837 MN以下,系泊點在水下-14 m處,保持上下兩段鋼纜的長度以及材料不變,只探究聚酯纜對其的影響,表9是系泊纜的水平跨距設計方案。圖5為5種檔案的縱蕩、縱搖、垂蕩以及張力部分的動力響應。

表9 系泊方案

圖5 系泊系統(tǒng)動力響應Figure 5 Dynamic response of mooring system

對5種系泊方案進行時域的動力響應分析如圖5,可得到如下結論。

1)水平跨距的變化對浮式風機系泊系統(tǒng)動力響應影響較大。

2)隨著水平跨距的減小,縱蕩以及垂蕩平均值呈現(xiàn)相似的減小趨勢;縱搖的搖擺幅度在逐漸增大;最大張力逐漸增大,且在方案5時安全系數(shù)跌破1.67。

3)綜合考慮動力響應的影響,方案3為最優(yōu)方案。

d)系泊點對動力響應的影響

在采用方案3的基礎上對系泊點進行優(yōu)化,仍保持每種方案的系泊纜預張力在錨鏈最小破斷荷載30%以下,經過計算動力響應如圖6所示。系泊點分別取點為-14 m,-16 m,-18 m,-21 m。

圖6 動力響應Figure 6 Dynamic response

從圖6可得以下結論:隨著系泊點的下降,其縱蕩、垂蕩等動力響應均在一定范圍內波動,但是所受張力逐漸減小,以縱搖振幅減少較為明顯。故最優(yōu)系泊點為水下-21 m處。

e)系泊纜預張力對動力響應的影響

采用設定系泊點在水下-21 m處,水平跨距為746 m的方案的基礎上,分別設置預張力為聚酯纜最小破斷載荷的30%、25%、20%、15%,動力響應如表10。

表10 動力響應

由表10可知,隨著系泊纜預張力的減小,系泊纜所受張力明顯減小,安全系數(shù)也一并減少,且無論哪種方案安全系數(shù)均大于1.67[21];在25%以上時其縱蕩、縱搖變化不明顯,縱蕩均在水深的8%以內,縱搖最大擺角均在±15°之間;垂蕩均值隨著預張力逐漸增大,最大幅值也均滿足規(guī)范的要求[11]。綜合考慮預張力為25%時為最優(yōu)方案。

4 結 論

針對5MW-OC04半潛式浮式風機,分析其在張緊式系泊方案和懸鏈式系泊方案兩種條件下,基于最近10年的南海海域環(huán)境,和設計工作工況以及自存工況下的動力響應特性以及水平跨級、系泊點和預張力對系泊性能的影響,可得到以下結論。

1)當懸鏈式與張緊式系泊方案處于相同的環(huán)境條件下,張緊式系泊方案的縱蕩以及縱搖更小,且系泊纜頂端所受張力保持安全系數(shù)1.67以上。在一定范圍內減小系泊纜水平跨距,縱蕩及垂蕩的變化較小,而縱搖和頂端張力隨著水平跨距減小而增大,在580 m的水平跨距時安全系數(shù)低于1.67。系泊點對于縱蕩、垂蕩以及頂端張力的影響較小,隨著系泊點的下降能有效的減小縱搖。預張力對頂端最大張力影響較大,隨著預張力減小,張力也隨之減小,其縱蕩、垂蕩等動力響應在一定范圍內少量減小。

2)考慮到實際的海上環(huán)境更為復雜,張緊式系泊纜具有更優(yōu)的動力響應特性,且張力響應的安全系數(shù)一直能保持在安全值以上。因此浮式風機平臺選用張緊式系泊方案能增大安全性,具有更大的優(yōu)勢。

3)由于目前采用的三根系泊纜的系泊方案在系泊纜斷裂之后浮式風機平臺將會產生較大距離的位移,尚未進行聚酯系泊纜斷裂之后的動力響應研究,后續(xù)可以討論展開實驗。