黃宇同，蔡繼峰，符鵬程，王丹丹

（北京鑒衡認(rèn)證中心，北京 100013）

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)豎直向水動(dòng)力載荷研究

黃宇同，蔡繼峰，符鵬程，王丹丹

（北京鑒衡認(rèn)證中心，北京 100013）

本文基于OC4項(xiàng)目的第二階段研究，利用Bladed for Windows 4.3建立了三支柱半潛式浮動(dòng)平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組模型，并采用Morison方程建立水動(dòng)力載荷。對(duì)比分析了平臺(tái)在4種不同的初始狀態(tài)下，豎直方向的水動(dòng)力載荷對(duì)半潛式浮動(dòng)平臺(tái)自由振動(dòng)的影響。

Morison方程；半潛式浮動(dòng)平臺(tái)；水動(dòng)力載荷

0 引言

相比陸地，風(fēng)資源在海面上更為豐富、穩(wěn)定性更高，而且湍流度更小，可減少風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷。加之海上風(fēng)電所受空間限制少，負(fù)荷中心大多沿海分布等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)許多國(guó)家將目光投向了海上風(fēng)電。截至2012年年底，中國(guó)已建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)389.6MW，是除英國(guó)、丹麥以外海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)最多的國(guó)家[1]。據(jù)估計(jì)，截至2015年，中國(guó)的海上風(fēng)電項(xiàng)目將達(dá)到總裝機(jī)量5GW[2]。支撐結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電最大的區(qū)別，它關(guān)系到海上風(fēng)電機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性，是海上風(fēng)電最重要的結(jié)構(gòu)之一。目前主要的支撐結(jié)構(gòu)為固定支撐結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于近海區(qū)域，受到水深和海床土壤條件的影響很大。

為了使風(fēng)電場(chǎng)的選址不受水深和海床條件的限制，從而使風(fēng)電場(chǎng)的建立能夠更好地利用風(fēng)資源，漂浮式基礎(chǔ)的概念和設(shè)計(jì)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。IEA（International Energy Agency） 的OC3（Offshore Code Comparison Collaboration）項(xiàng)目中的Hywind風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)采用了類似于倒立擺的spar-buoy的漂浮式平臺(tái)概念[3]；在后續(xù)的項(xiàng)目中，OC4①（Offshore Code Comparison Collaboration Continuation, IEA TASK30）第二階段采用了三支柱半潛式的浮動(dòng)平臺(tái)，目前只進(jìn)行到仿真結(jié)果對(duì)比的階段?？傮w來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)漂浮式基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和研究還十分有限。對(duì)于傳統(tǒng)的采用固定支撐結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不受豎直方向水動(dòng)力載荷影響，而對(duì)于漂浮式基礎(chǔ)，其豎直方向上的水動(dòng)力載荷對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)的影響不可忽略。本文基于OC4項(xiàng)目的第二階段研究，對(duì)比分析了豎直方向的水動(dòng)力載荷對(duì)半潛式浮動(dòng)平臺(tái)自由振動(dòng)的影響。

1 浮動(dòng)平臺(tái)建模

OC4項(xiàng)目中的浮動(dòng)平臺(tái)主要由三根半潛式支柱和一根主柱組成，風(fēng)電機(jī)組搭載在位于中心的主柱上，為NREL（National Renewable Energy Laboratory）5MW的風(fēng)電機(jī)組，原點(diǎn)位于海平面和平臺(tái)中心交點(diǎn)，x軸指向南，z軸沿塔架中心指向上，x－y－z成右手坐標(biāo)系，如圖1所示。

側(cè)面支柱高出水平面12m，吃水深度為20m，塔底與中心主柱相連，高出水平面10m，塔架凈高度為77.6m。為保持平臺(tái)的穩(wěn)定性，側(cè)面3根支柱均注水。整個(gè)平臺(tái)通過(guò)固定在海底的3條纜繩系泊，水深為200m。

圖1 半潛式海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

表1 半潛式浮動(dòng)平臺(tái)幾何尺寸

本文采用Bladed 4.3版本對(duì)該海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模，梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)模型示意圖如圖2所示。

Morison方程在水動(dòng)力載荷建模中有廣泛的應(yīng)用，本文采用Morison方程對(duì)平臺(tái)的水平方向和豎直方向加載水動(dòng)力載荷。根據(jù)Morison方程，對(duì)于一個(gè)處于橫向來(lái)流中的圓柱體，其單位長(zhǎng)度上所受載荷可以表示為

其中，D是圓柱體直徑，u和 分別為波浪和圓柱體的速度，Ca和Cb分別為附加質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)。Cb的確定可以通過(guò)求解勢(shì)流問(wèn)題得到，平臺(tái)所受外力可以表達(dá)為[4]：

圖2 半潛式浮動(dòng)平臺(tái)模型

表2 半潛式浮動(dòng)平臺(tái)阻力系數(shù)

Morison公式廣泛應(yīng)用于固定支撐結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電機(jī)組受力分析，但是對(duì)于漂浮式支撐結(jié)構(gòu)，垂蕩方向上的水動(dòng)力載荷不能忽略。對(duì)于本文研究的半潛式浮動(dòng)平臺(tái)，為了保持整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定性，側(cè)面三個(gè)支柱的底部直徑被設(shè)計(jì)得很大，水動(dòng)力載荷的作用對(duì)其垂蕩運(yùn)動(dòng)行為的影響尤為重要，在建模時(shí)必須考慮。與處于橫向來(lái)流的圓柱體受力相比，在豎直方向上Morison公式的表示是類似的，而附加質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)的選取則需重新計(jì)算。IEA TASK30小組給出了豎直方向的Morison公式：

2 結(jié)果對(duì)比和分析

相比固定支撐結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電機(jī)組，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組在豎直方向上所受水動(dòng)力載荷會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性造成更大的影響。因此，本文針對(duì)平臺(tái)處于不同的初始位置，對(duì)比分析了豎直方向上水動(dòng)力載荷對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。仿真結(jié)果的計(jì)算均設(shè)定為無(wú)風(fēng)，風(fēng)輪鎖定的park狀態(tài)。

2.1 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置x=22m

以下結(jié)果中藍(lán)線和紅線分別代表未加載豎直方向水動(dòng)力載荷和加載豎直方向水動(dòng)力載荷的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)行為，(a)－(f)分別為平臺(tái)的縱蕩（surge）、橫蕩（sway）、垂蕩（heave）、橫搖（roll）、縱搖（pitch）和偏蕩（yaw）。

從圖4（a）結(jié)果可以看到，對(duì)于平臺(tái)的縱蕩，兩種情況的模擬結(jié)果是一致的，這是因?yàn)槎际且韵嗤绞郊虞d的水動(dòng)力載荷。而對(duì)于平臺(tái)的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，圖4（c）和圖4（e）表明水動(dòng)力載荷主要起到阻礙作用，使得平臺(tái)的振動(dòng)快速衰減，而且振動(dòng)頻率變緩。其余方向上兩種情況下的振動(dòng)幅度都很小，不做考慮。

圖3 豎直方向的水動(dòng)力載荷加載

圖4 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置x=22m

圖5 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置z=6m

2.2浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置z=6m

從圖5(c)中可以看出，在平臺(tái)做垂蕩自由振動(dòng)時(shí)，在豎直方向水動(dòng)力載荷作用下，平臺(tái)振動(dòng)的振幅衰減速度大幅增加，而且振動(dòng)頻率變緩。其余方向上兩種情況下的振動(dòng)幅度都很小，不做考慮。

2.3 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置pitch=8°

從圖6（a）可以看出平臺(tái)的縱蕩在兩種情況下的模擬結(jié)果相似。平臺(tái)的縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的載荷會(huì)產(chǎn)生很大影響，圖6（e）的結(jié)果表明考慮豎直方向的水動(dòng)力載荷可以使這種傾覆運(yùn)動(dòng)迅速衰減。其余方向上兩種情況下的振動(dòng)幅度都很小，不做考慮。

2.4 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置yaw=8°

對(duì)于繞豎直軸的自由振動(dòng)，從圖7的結(jié)果可以看出兩種情況下，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行為差異不大。

圖6 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置pitch=8°

3 總結(jié)

①OC4項(xiàng)目介紹：IEA TASK 30∶ OC4是Offshore Code Comparison Collaboration Continuation的簡(jiǎn)稱，是OC3(Offshore Code Comparison Collaboration, IEA TASK 23)的延續(xù)，目前有18個(gè)國(guó)家的47個(gè)機(jī)構(gòu)參與（中方機(jī)構(gòu)有中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)和金風(fēng)科技有限公司），其目的主要是檢驗(yàn)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的軟件建模和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

本文基于OC4項(xiàng)目的第二階段研究，對(duì)比了大直徑立柱加載豎直方向的水動(dòng)力載荷對(duì)半潛式浮動(dòng)平臺(tái)自由振動(dòng)的影響。發(fā)現(xiàn)在考慮了豎直方向的水動(dòng)力載荷后，在橫搖、縱搖和偏蕩運(yùn)動(dòng)上，起到阻尼作用，使這三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)得以迅速衰減，從而降低基礎(chǔ)以及風(fēng)電機(jī)組的載荷。隨著海上風(fēng)電機(jī)組的日趨規(guī)模化，在進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，漂浮式的基礎(chǔ)將逐步得以應(yīng)用。而對(duì)于這種基礎(chǔ)，特別是含有大直徑立柱的基礎(chǔ)平臺(tái)，豎直方向的水動(dòng)力載荷在很大程度上降低了基礎(chǔ)和機(jī)組的載荷，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)該影響尤為重視，可大大減少風(fēng)電機(jī)組的建造成本。

圖7 浮動(dòng)平臺(tái)偏離平衡位置yaw=8°

[1] 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì). 2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[R], 2013.

[2] Choong, Y. S. The Current Status and Prospects of Offshore Wind Power in Asia [J] ,WWEA Quarterly Bulletin, 2012( 2): 40-46.

[3] Jonkman, J. M. Definition of the Floating System for Phase IV of OC3[R]. Technical Report NERL/TP-500-47535, 2010.

[4] J. M.Jonkman. Dynamics Modeling and Loads Analysis of an Offshore Floating Wind Turbine[M].National Renewable Energy Laboratory of the US,2007.

[5] Catalano, P., Wang, M., Iaccarino, G., Moin. Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high Reynolds numbers[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2003(24):463-469.

Hydrodynamic Analysis for A Semisubmersible Floating Platform in Heave Motion

Huang Yutong, Cai Jifeng, Fu Pengcheng, Wang Dandan
(China General Certification Center, Beijing 100013, China)

This paper modeled a semisubmersible floating offshore wind system based on the research of OC4 project phaseⅡ by Bladed for Windows 4.3, and used Morison equation to simulate the hydrodynamic load on the semisubmersible. Then a comparison and analysis of the effect of hydrodynamic load in the heave direction of the semisubmersible were given for 4 different initial states of the platform.

Morison equation; semisubmersible; hydrodynamic load

TM614

A

1674-9219(2013)08-0088-07

2013-07-10。

黃宇同（1985-），男，碩士，主要從事風(fēng)電機(jī)組載荷評(píng)估工作。