朱江峰，曹宇光，崔富凱，劉媛媛

（中國石油大學(xué)（華東） 儲運與建筑工程學(xué)院//山東省油氣儲運安全重點試驗室，山東 青島 266580）

0 引言

浮式風(fēng)機基礎(chǔ)是保證海上風(fēng)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵，目前國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)機基礎(chǔ)形式的研究主要包括Spar式、半潛式、TLP式和組合式[1]風(fēng)機基礎(chǔ)。黃建華[2]針對大型風(fēng)機葉輪損毀事故原因展開分析，研究了海上風(fēng)機受各種海況和自身穩(wěn)性結(jié)構(gòu)規(guī)律影響下易發(fā)生的損毀事故研究。Goupee A J 等[3-4]依據(jù)美國可再生能源實驗室（NREL）設(shè)計的半潛型基礎(chǔ)OC4[5]進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬，驗證了OC4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的合理性。Dominique R 等[5]設(shè)計了半潛型基礎(chǔ)WindFloat，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、疲勞分析及試驗等方面進(jìn)行了研究和可行性分析，并總結(jié)歸納出了浮式基礎(chǔ)的設(shè)計依據(jù)與要求。宋琨等[6]通過對吊機主要結(jié)構(gòu)的評估分析以及液壓系統(tǒng)元器件的計算和重新設(shè)計升級，來實現(xiàn)吊機載荷的升級，通過分析，此項技術(shù)能夠達(dá)到吊載能力升級的目的，并且已成功應(yīng)用于海上平臺。Tomoaki Utsunomiya 等[7]設(shè)計并制作了一個Spar 型浮式風(fēng)機模型，通過實驗測得了在考慮冰載的極端環(huán)境條件下風(fēng)機的運動響應(yīng)，驗證了結(jié)構(gòu)的安全。曹函等[8]設(shè)計了一種半潛型基礎(chǔ)，并對基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗研究，驗證了其可行性。

現(xiàn)今對浮式風(fēng)機基礎(chǔ)研究和分析大多是針對單體式基礎(chǔ)，隨著海上風(fēng)電不斷向規(guī)?；?、系統(tǒng)化和深?；l(fā)展，連排式和多體式基礎(chǔ)逐漸成為未來海上風(fēng)電基礎(chǔ)的重要研究方向。本文以新型連排式基礎(chǔ)為研究對象，開展水動力分析和系泊系統(tǒng)極端工況的研究，通過與單體式基礎(chǔ)對比分析，探究連排式基礎(chǔ)的動力響應(yīng)規(guī)律和系統(tǒng)安全性和優(yōu)越性特點。

1 連排式風(fēng)機基礎(chǔ)建模分析

1.1 連排式風(fēng)機基礎(chǔ)模型參數(shù)

本文以5 架風(fēng)機連排式基礎(chǔ)為例，選用NREL 公布的5 MW 風(fēng)機，總功率為25 MW，其基本參數(shù)如表1 所示，其中葉片轉(zhuǎn)動直徑D=126 m。當(dāng)主風(fēng)向非常集中時，垂直于主風(fēng)向排列的相鄰機組之間的排布距離對風(fēng)場及風(fēng)機發(fā)電效率影響較小，而波浪流對風(fēng)機基礎(chǔ)的動力響應(yīng)作用對系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性影響較大，因此在主風(fēng)向集中海域，相鄰風(fēng)機間距可縮短至1.1D，這一間距已經(jīng)在WindSea 風(fēng)機[9]中實現(xiàn)，如圖1 所示。在中國南海海域，夏秋主風(fēng)向為西南風(fēng)，冬春主風(fēng)向為東北風(fēng)，主方向非常集中[10]，因此風(fēng)機間距定為140 m。

表1 5 MW風(fēng)機基本參數(shù)

圖1 連排式風(fēng)機基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)

連排式浮式風(fēng)機基礎(chǔ)吃水高度20 m，重5.85×107kg，總長700 m。相同裝機容量25 MW 時，5 架5 MW 的OC4基礎(chǔ)重6.74×107kg，相鄰風(fēng)機間距1 km，因此該連排式基礎(chǔ)單位質(zhì)量相比于OC4 基礎(chǔ)減小了13.2%，同時極大程度縮減了單位海域占用面積。

連排式基礎(chǔ)的排水體積與初穩(wěn)心高度相關(guān)，令G為重心位置，B為浮心位置，M為穩(wěn)心位置，則初穩(wěn)心高度表達(dá)式為：

式中：GM為穩(wěn)心到重心的距離，m；BM為浮心到重心的距離，m；BG為重心到浮心的距離，m。

在靜水條件下，由定常風(fēng)產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓作用使得浮體發(fā)生傾斜，復(fù)原力矩隨傾斜角度增加而不斷增大，當(dāng)風(fēng)傾力矩和復(fù)原力矩相等時，浮體不再傾斜，此狀態(tài)稱為靜平衡狀態(tài)，此時對應(yīng)的傾角為靜平衡角[10]，表達(dá)式如下：

式中：MH為風(fēng)傾力矩，N·m；MR為回復(fù)力矩，N·m；ρ為海水密度，1 025 kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；φs為靜平衡角，rad。

對于浮式風(fēng)機平臺，其最大靜平衡角φmax一般取為10°[11]，所以可推導(dǎo)得到GM的下限公式為：

參照船級社對船舶和浮體的初穩(wěn)心高度要求，其中DNV-OS-J103 規(guī)定深吃水浮體初穩(wěn)心高度不小于1.0 m，CCS 規(guī)定船舶初穩(wěn)心高度不小于0.15 m。通過式（3）計算得到連排式基礎(chǔ)GM最小值為4.59 m。

1.2 系泊系統(tǒng)參數(shù)

風(fēng)機作業(yè)水深200 m，作業(yè)海域為南海海域，選定系泊方式為張緊式系泊，材料為鋼纜-聚酯纜-鋼纜三段式的系泊系統(tǒng)，系泊纜最小直徑為0.146 m，軸向剛度364 MN，最小破斷力18 200 kN，系泊布置方案如圖2所示。

圖2 不同方式的風(fēng)機系泊方案

1.3 基礎(chǔ)水動力對比分析

（1）水動力模型

利用AQWA 建立連排式基礎(chǔ)模型，坐標(biāo)系依據(jù)右手坐標(biāo)準(zhǔn)則，設(shè)定沿風(fēng)力機支撐浮筒方向為Y軸，垂直于風(fēng)力機支撐浮筒方向為X軸，豎直向上為Z軸。對基礎(chǔ)進(jìn)行頻域分析，考慮波浪頻率為0.1～1.6 rad/s，頻率間隔0.1 rad/s，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，考慮載荷方向為0°～-90°，間隔30°。

其中近場法通過濕表面積分的方法求解定常力，依賴于計算網(wǎng)格情況，遠(yuǎn)場法通過動量理論來求解定常力，與網(wǎng)格無關(guān)，當(dāng)兩種方法計算結(jié)果趨勢一致且誤差不大時，可認(rèn)為水動力計算網(wǎng)格滿足要求。提取0°載荷方向下，近場法和遠(yuǎn)場法定常力的計算結(jié)果如圖3所示，可得網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。

圖3 0°方向近場法與遠(yuǎn)場法二階定常力

（2）水動力特性研究

運動響應(yīng)一般用運動響應(yīng)幅值RAO 進(jìn)行描述，表達(dá)式為如式（4）所示。

式中：x（i）為浮體在自由度i的運動幅值，m 或°；A為波浪高度幅值，m。

通過頻域計算的到基礎(chǔ)的6 個自由度的RAO 如圖4所示?？傻没A(chǔ)的縱蕩與橫蕩響應(yīng)隨著波浪頻率增大而減小，同時波浪入射角度對RAO 影響劇烈；垂蕩響應(yīng)受波浪入射方向的影響較大，在0.4 rad/s 附近達(dá)到峰值，在-60°浪向下，垂蕩響應(yīng)最為劇烈，最大值為4.2；基礎(chǔ)的橫搖運動響應(yīng)在0°載荷方向下最小，當(dāng)頻率超過0.8 rad/s 后，RAO 趨于零；橫搖和艏搖響應(yīng)較為溫和，橫搖RAO 隨著波浪頻率的增大而先增后減；縱搖在0°浪向下運動響應(yīng)最為劇烈，最大值不超過0.85 m/( ° )，在-90°浪向下，基礎(chǔ)縱搖方向基本無運動響應(yīng)。

圖4 連排式基礎(chǔ)RAO

（3）固有周期對比分析

單體式與連排式基礎(chǔ)在垂蕩、橫搖和縱搖3 個方向上基礎(chǔ)的固有周期如表2 所示。波浪譜能量集中范圍在3～8 s波浪周期內(nèi)，垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均遠(yuǎn)離波浪能量范圍，與單體式基礎(chǔ)相比，連排式基礎(chǔ)固有周期在穩(wěn)定性、安全性突出其優(yōu)越性特點，運動溫和，基礎(chǔ)不會發(fā)生共振，安全可靠性更高。

表2 基礎(chǔ)固有周期

2 時域動力響應(yīng)對比分析

2.1 環(huán)境參數(shù)

參照NREL的5 MW 風(fēng)機的額定海況，選擇作業(yè)海況風(fēng)速為11 m/s，表面流速0.39 m/s，波浪采用JONSWAP譜，波高5.49 m，譜峰周期11.3 s，風(fēng)浪流同向為180°。

2.2 時域計算結(jié)果

根據(jù)API RP 2SK 要求，在作業(yè)海況下基礎(chǔ)水平偏移不超過水深的10%，即20 m。得到基礎(chǔ)運動響應(yīng)如表5所示，并在同樣海況下與OC4 的運動響應(yīng)進(jìn)行對比。由表3 可得，在作業(yè)海況下，連排式基礎(chǔ)縱蕩和垂蕩自由度方向運動幅值均小于單體式基礎(chǔ)，驗證了連排式基礎(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定性和優(yōu)越性，但橫蕩方向上的運動響應(yīng)幅值大于單體式基礎(chǔ)，也說明連排式基礎(chǔ)細(xì)長結(jié)構(gòu)在應(yīng)對垂直風(fēng)浪流載荷作用時自身局限性，后期可針對此問題展開進(jìn)一步研究。

表3 基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值

3 極端海況下基礎(chǔ)生存能力對比分析

3.1 極端海況參數(shù)

根據(jù)IEC 61400-1:2005 的規(guī)定，風(fēng)電機組極限載荷取決于50年一遇最大10 min平均風(fēng)速和極大3S風(fēng)速，為驗證連排式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)對極端海況安全性，選擇南海百年一遇的超強臺風(fēng)為極端海況，風(fēng)級為16 級，風(fēng)速為58 m/s，有義波高10.6 m，海洋流速2.3 m/s，風(fēng)波浪譜采用JONSWAP譜，載荷方向為180°方向，風(fēng)浪流同向。

3.2 完整狀態(tài)時域分析結(jié)果

以極端海況為參數(shù)條件，分別對單體式和連排式基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下進(jìn)行水動力分析，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對比性，設(shè)置二者海況條件保持一致，分析得到單體式和連排式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)幅值與張力安全系數(shù)如表4和圖5所示。

表4 基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值

結(jié)合表3 和表4 對比分析得，單體式和連排式基礎(chǔ)在極端海況下的運動響應(yīng)幅值較正常作業(yè)海況下均有較大提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，但仍滿足極端海況下基礎(chǔ)最大偏移不超過水深的20%的合理范圍內(nèi)。極端海況條件下，連排式基礎(chǔ)在縱蕩、橫蕩和垂蕩3 個自由度方向穩(wěn)定性均高于單體式基礎(chǔ)。

由圖5 得，連排式基礎(chǔ)系泊纜的最大張力和安全系數(shù)均優(yōu)于單體式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值均不超過10 m，不會對其他海上結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響，安全系數(shù)均大于1.25，有效保證系統(tǒng)安全，說明了連排式基礎(chǔ)在極端海況作用下的優(yōu)越性更加明顯。

圖5 系泊纜最大張力和安全系數(shù)

3.3 破損狀態(tài)時域分析結(jié)果

系泊鏈長期受到波浪和海流的聯(lián)合作用，同時還伴隨著疲勞和磨蝕等，系泊鏈很可能會發(fā)生斷裂，此時需要確保單根斷裂時的系泊系統(tǒng)能確保整體結(jié)構(gòu)的安全性。由于基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng)同時關(guān)于X軸和Y軸對稱，因此分別考慮連排式基礎(chǔ)的系泊鏈12、系泊鏈13以及系泊鏈14單根斷裂狀態(tài)和單體式基礎(chǔ)系泊鏈2斷裂狀態(tài)下的系統(tǒng)水動力分析，得到表5所示的兩種基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值對比數(shù)據(jù)。

表5 系泊纜破損狀態(tài)下基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值

對比表4 和表5 得，連排式基礎(chǔ)在發(fā)生系泊斷裂時，系統(tǒng)在縱蕩、橫蕩和垂蕩3個自由度方向穩(wěn)定性較系泊完整狀態(tài)時基本保持不變，對于單體式基礎(chǔ)，當(dāng)發(fā)生上風(fēng)向系泊纜斷裂時，基礎(chǔ)運動響應(yīng)幅值與完整系泊時穩(wěn)定性相比大大降低；連排式基礎(chǔ)在單根系泊斷裂條件下，系泊最大張力為12 550 kN，最小安全系數(shù)為1.48，仍能滿足極端風(fēng)載環(huán)境的最大張力和安全性要求，驗證了連排式基礎(chǔ)在單根斷裂情況應(yīng)對極端海況的系統(tǒng)可靠性和優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

本文考慮南海海況和風(fēng)機建造成本，針對連排式浮式風(fēng)機基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析和優(yōu)越性研究，結(jié)合單體式基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)在風(fēng)浪流耦合作用下的動力響應(yīng)結(jié)果。得到如下結(jié)論。

（1）連排式基礎(chǔ)垂蕩、橫搖、縱蕩方向的固有周期分別為15.76 s、16.20 s 和17.58 s，而波浪密度能量范圍在3～8 s周期內(nèi)，遠(yuǎn)離基礎(chǔ)固有周期，運動溫和，基礎(chǔ)不會發(fā)生共振。

（2）完整狀態(tài)下，連排式基礎(chǔ)在縱蕩和垂蕩兩個自由度運動響應(yīng)幅值均小于單體式基礎(chǔ)，其中縱蕩穩(wěn)定性較單體式基礎(chǔ)增強了2倍，垂蕩穩(wěn)定性提高了3倍，但橫蕩自由度穩(wěn)定性較單體式基礎(chǔ)有所下降，結(jié)果一方面驗證了連排式基礎(chǔ)整體系統(tǒng)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，但又同時說明連排式基礎(chǔ)由于細(xì)長結(jié)構(gòu)特點，在橫蕩自由度穩(wěn)定性方面存在一定缺陷，后期研究可著重從此方面展開。

（3）在極端風(fēng)載作用下，當(dāng)系泊系統(tǒng)出現(xiàn)單根破損時，連排式基礎(chǔ)優(yōu)越性更為明顯，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較完整狀態(tài)下基本保持不變，安全系數(shù)均在1.25 以上，有效降低極端風(fēng)載自存海況的系統(tǒng)傾覆風(fēng)險，為適應(yīng)極端海況的風(fēng)機基礎(chǔ)研究提供了借鑒和參考。