上海綠色環(huán)保能源有限公司 ■ 任浩翰 顧李凌

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0 引言

深遠(yuǎn)海域風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)性好。漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組不僅能適應(yīng)深遠(yuǎn)海域的水深條件，彌補(bǔ)了固定式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)因水深不足而造成經(jīng)濟(jì)性差這一缺點(diǎn)，而且對(duì)遠(yuǎn)海孤立島嶼的開(kāi)發(fā)有著重大意義。張力腿(Tension Leg Platform，TLP)基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電漂浮式基礎(chǔ)最重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，研究其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響因素具有重大意義。

現(xiàn)有的TLP式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要有經(jīng)典TLP式、海之星TLP式和賽莫斯TLP式[1]，如圖1所示。由于TLP式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是由TLP式海上石油基礎(chǔ)演變而來(lái)，且目前建成的TLP式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的工作水深基本達(dá)百米深，張力筋長(zhǎng)度足夠。但對(duì)于我國(guó)東海海域而言，水深條件較差，張力筋長(zhǎng)度的縮短會(huì)大幅增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固有頻率，對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能有不利影響。本文的研究基于一種延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)，如圖2所示，研究結(jié)合上海周邊水文測(cè)站及已建風(fēng)電場(chǎng)的水文、風(fēng)資源數(shù)據(jù)，建立與上海市外海環(huán)境荷載相適宜的數(shù)學(xué)模型。

圖1 3種TLP式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)

圖2 延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)

1 荷載條件

1.1 波浪荷載

波浪數(shù)據(jù)利用東海海域大戢山海洋測(cè)站的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到用于數(shù)值模擬的風(fēng)電場(chǎng)波浪數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 波浪條件

1.2 海流荷載

海流數(shù)據(jù)參考大戢山海洋測(cè)站4個(gè)站點(diǎn)E1～E4的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到用于數(shù)值模擬的風(fēng)電場(chǎng)海流數(shù)據(jù)，如表2所示。其中，H代表水深；V代表海流流速；D代表海流的流向角度。

表2 最大海流流速

1.3 風(fēng)電機(jī)組荷載

風(fēng)電機(jī)組荷載包含風(fēng)荷載因素，參照已建海上風(fēng)電場(chǎng)的同等量級(jí)發(fā)電量的風(fēng)電機(jī)組荷載參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算使用對(duì)應(yīng)工況的風(fēng)電機(jī)組荷載時(shí)程曲線進(jìn)行加載。

2 數(shù)值分析

本研究以6 MW海上風(fēng)電機(jī)組作為目標(biāo)基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組，建立延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)模型，如圖3所示。圖4為傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)模型，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)頻域分析

RAO(Response Amplitude Operator)為幅值響應(yīng)算子，是波浪波幅到漂浮式基礎(chǔ)各位置參數(shù)的傳遞函數(shù)，反映單位波浪作用下漂浮式基礎(chǔ)自由狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況。

圖3 延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)模型

圖4 傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)模型

表3 傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

從圖5～圖8的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自由運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO可以看出，該基礎(chǔ)縱蕩自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO隨著頻率數(shù)值的增大而減小，并隨波浪入射角的增大而減小；對(duì)于基礎(chǔ)垂蕩自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，不隨波浪入射角的改變而改變，在頻率為0.33°/s時(shí)有最大值，即對(duì)應(yīng)波浪周期為19 s時(shí)，其自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有最大值，考慮TLP基礎(chǔ)對(duì)垂蕩方向的約束較為嚴(yán)格且其在垂蕩方向上會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，因此其頻率值較安全；該基礎(chǔ)橫搖自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO隨著波浪入射角的增大而增大，在頻率為0.3°/s時(shí)有最大值；該基礎(chǔ)艏搖自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO數(shù)值較小，隨波浪入射角的增大先增大后減小，在入射角為45°時(shí)有最大值，在頻率為0.7°/s時(shí)有最小值，在頻率為1.48°/s時(shí)處有最大值。

圖5 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)縱蕩自由運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

圖6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)垂蕩自由運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

圖7 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)橫搖自由運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

圖8 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)艏搖自由運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)域分析

基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析結(jié)果是基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)特性的直觀反映。首先可以通過(guò)模擬靜水衰減實(shí)驗(yàn)得到基礎(chǔ)的固有頻率；然后選取正常使用狀態(tài)極限工況和承載力極限狀態(tài)工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析，通過(guò)得到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)縱蕩(橫蕩)、垂蕩、橫搖(縱搖)和艏搖自由度上的基礎(chǔ)位移和加速度變化，可以直觀反映出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性；同時(shí)還可以通過(guò)得到的張力筋腱的拉力曲線來(lái)判斷張力筋的受力情況。

2.2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有周期

結(jié)構(gòu)的固有周期影響著結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)疲勞。通過(guò)模擬靜水衰減實(shí)驗(yàn)，得到如表4所示的結(jié)構(gòu)固有周期。從圖4可以看出，相比于傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)，延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)橫蕩、縱蕩自由度上的固有周期有了顯著提高。由于延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在垂向抑制、水平向自由的特點(diǎn)，其垂蕩固有周期較小，為0.4 s；橫搖、縱搖自由度上固有周期受到結(jié)構(gòu)垂向位移的限制，其固有周期較自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下大幅減小，為0.8 s；而在水平面內(nèi)，由于沒(méi)有約束作用，其橫蕩、縱蕩周期均為24 s；基礎(chǔ)艏搖周期為3.2 s，相比傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)有所減小，這與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)延伸腿的提高改變了基礎(chǔ)重心和浮心的相對(duì)位置有關(guān)。延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)的6自由度固有周期均避開(kāi)海浪能量集中區(qū)域周期5～15 s，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能良好。

表4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有周期

2.2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

在時(shí)域分析中，選取正常使用狀態(tài)極限工況和承載力極限狀態(tài)工況；波浪荷載采用1年一遇和50年一遇的Jonswap譜，海流作用方向與波浪荷載方向一致；風(fēng)荷載使用對(duì)應(yīng)工況的風(fēng)電機(jī)組荷載時(shí)程曲線進(jìn)行加載，風(fēng)向與波流方向夾角從0°～45°不等，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均值，如表5所示。

表5 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均值

由風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果可以看出，在縱蕩和橫蕩自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨風(fēng)浪流夾角的增大而減小，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值較大；極端工況中，風(fēng)浪流同向時(shí)基礎(chǔ)最大平均漂移為2.0 m，這是由于結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)約束自由，風(fēng)浪流同向作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)會(huì)加劇結(jié)構(gòu)在該方向上的運(yùn)動(dòng)偏移?；A(chǔ)垂蕩自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受風(fēng)浪流夾角影響較小，垂蕩運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，這與TLP基礎(chǔ)系泊方式有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足TLP基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要求。基礎(chǔ)橫搖、縱搖和艏搖自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受荷載作用影響較小，符合TLP基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)，滿足運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要求[2]。

通過(guò)水動(dòng)力特性時(shí)域計(jì)算，得到正常使用狀態(tài)極限工況和承載力極限狀態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)加速度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，如表6所示。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)加速度對(duì)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和維護(hù)有著重要的意義，一般要求滿足相關(guān)風(fēng)電機(jī)組廠家提出的需用加速度即可。計(jì)算得出本基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的加速度滿足要求。

該結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)由4根張力筋組成，通過(guò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析，得到正常使用狀態(tài)極限工況和承載力極限狀態(tài)工況下的4根張力筋Tether1～ Tether4各自的受力情況，如表7所示。

表6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加速度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由不同工況下風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)張力筋的受力情況可以看出，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)張力筋受到的最大拉力和平均拉力較為接近，小于張力筋斷破強(qiáng)度，張力筋受力均勻，且無(wú)松弛現(xiàn)象產(chǎn)生；對(duì)于傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水深限制，張力筋長(zhǎng)度較短，張力筋受力不均勻，常有松弛現(xiàn)象產(chǎn)生，不能滿足張力筋工作要求。延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)較傳統(tǒng)延伸腿式TLP基礎(chǔ)的張力筋受力性能優(yōu)。

表7 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種海上風(fēng)電機(jī)組延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)，并研究了其頻域和時(shí)域的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，采用實(shí)測(cè)波浪荷載，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析，得到如下結(jié)論：

1)延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)有助于提高結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)自由度的固有周期，結(jié)構(gòu)的縱搖、橫搖有較好周期。

2)延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)增加了張力筋長(zhǎng)度，有利于張力筋腱均勻受力。3)延伸腿上移式TLP基礎(chǔ)在目標(biāo)海況下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能良好，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]衛(wèi)濤.基于TLP原理的海上風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)研究[D].鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2014.

[2]Casale C, Lembo E, Serri L, et al.Preliminary Design of a Floating Wind Turbine Support Structure and Relevant System Cost Assessment[J].Wind Engineering, 2010, 34(1):29－50.