海上風(fēng)電浮式運輸裝備研究

段斐

摘要——本文提出了一種海上風(fēng)電浮式運輸裝備，闡述了其基本設(shè)計及其主要運輸方法。從初穩(wěn)性高、靜穩(wěn)性特性、響應(yīng)幅值算子（RAO）等方面全面研究了浮云平臺-基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的水動力特性及動力學(xué)特性，驗證了浮運平臺作為助浮裝備針對筒型基礎(chǔ)浮運提供穩(wěn)性的能力。

關(guān)鍵詞-海上風(fēng)電;浮運平臺;穩(wěn)性; 響應(yīng)幅值算子

1背景介紹

風(fēng)能作為清潔可再生能源，成為近年來發(fā)展最快的新能源之一。海風(fēng)與陸風(fēng)不同，海上風(fēng)力遠遠大于陸地，海上風(fēng)電遠離人群，又不占用耕地，發(fā)展空間巨大，完全有能力擔(dān)任綠色可再生電力主力軍角色，大力發(fā)展海上風(fēng)電，戰(zhàn)略價值巨大。海上風(fēng)電近年來正在世界各地飛速發(fā)展。海上風(fēng)機建設(shè)中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最常見的是樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)以及近年來發(fā)展較快的筒形基礎(chǔ)。負壓吸力筒型基礎(chǔ)以其剛度大、抗傾覆能力強、總體造價低等優(yōu)勢被大量地運用于受臺風(fēng)影響以及巖層埋深較淺的海上風(fēng)電場。但筒型基礎(chǔ)體型較大、重量較大，底部筒裙分倉板等均為薄壁結(jié)構(gòu)，無法直接承受筒型基礎(chǔ)的大重量，因此無法放置在平板駁上直接運輸，只能通過浮運方式進行運輸。筒型基礎(chǔ)底部筒裙為開口結(jié)構(gòu)，浮運過程中的穩(wěn)定性和抗傾覆能力弱于船舶或海工等閉口結(jié)構(gòu)型式，因此需要大型輔助裝備對其進行運輸作業(yè)。由于筒型基礎(chǔ)為新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，目前并不存在一種成熟的浮運裝置，因此需要研究一種能夠為其提供足夠穩(wěn)性、實現(xiàn)安全運輸?shù)母∵\裝備及其運輸方法。

2海上風(fēng)電吸力筒型基礎(chǔ)與浮運裝備

海上風(fēng)電六邊形筒型基礎(chǔ)如Fig.1所示?；A(chǔ)主體為上部全鋼結(jié)構(gòu)+下部鋼包混凝土六邊形筒體的復(fù)合結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)筒裙為六邊形開口結(jié)構(gòu)，筒裙高度14m，筒裙邊對邊的距離為32m，筒裙厚度0.3m。筒裙內(nèi)部設(shè)計有六邊形的內(nèi)艙板，六邊形內(nèi)艙板和外筒壁之間設(shè)計有6塊分艙板，為整個筒裙加強支撐、提高剛度。筒裙艙室因此分割為7個獨立艙室，為筒裙提供支撐、增強剛度。安裝時將首先利用基礎(chǔ)自重產(chǎn)生一定下沉量，同時筒裙內(nèi)部氣體被海底泥面封閉在筒裙內(nèi)部。自沉結(jié)束后將筒裙內(nèi)部氣體抽走形成負壓，基礎(chǔ)在負壓作用下繼續(xù)下沉，直至整個筒裙嵌入到泥面內(nèi)部。筒裙頂部設(shè)計由徑向梁與環(huán)向梁構(gòu)成的筒頂梁系，以增強筒頂剛度。筒頂梁系上部設(shè)計有單柱和斜撐，單柱-斜撐-筒頂梁系三者形成聯(lián)合受力體系，以更好地傳遞頂部彎矩。

筒型基礎(chǔ)的浮式運輸通過浮運平臺來實現(xiàn)。浮運平臺長88.2m，寬65m，型深6m，設(shè)計吃水3.5m，將圓形筒裙完全包裹夾持，如Fig.2所示。如此筒型基礎(chǔ)和浮運平臺在運輸過程中形成運動整體，基礎(chǔ)的運動，尤其是對傾覆起關(guān)鍵作用的縱搖、橫搖，將傳到給浮運平臺，兩者共同運動。利用浮運平臺的大水線面為基礎(chǔ)在運輸過程中提供足夠穩(wěn)性。

浮運平臺由兩個浮體模塊拼裝而成，一個嵌入型模塊（淺藍色）、一個為被嵌入型模塊（深藍色）。浮運平臺是組裝式非自航浮運平臺，為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，提前在船廠進行制造，制造完成后托運至筒型基礎(chǔ)制造現(xiàn)場。浮運平臺拼裝時，在兩個模塊接觸面附近的甲板上，利用兩臺卷揚機將嵌入型模塊導(dǎo)向限位條沿被嵌入型模塊導(dǎo)向限位槽向前拉動，使嵌入型模塊前端與基礎(chǔ)筒裙緊密接觸，拼裝到位后將筒裙完全包裹匹配，兩個模塊被縱向拉緊固定，兩個浮體模塊與風(fēng)機基礎(chǔ)連接成能共同運動的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。浮運平臺將筒型基礎(chǔ)夾持完成后，由拖船拖至場區(qū)安裝位置，如圖Fig.5所示。

3基礎(chǔ)浮運靜穩(wěn)性分析

浮運平臺和筒型基礎(chǔ)作為一個整體，其主要參數(shù)如Table 1所示。整體坐標系坐標原點建立在筒裙底部，X軸指向航行前進方向，Z軸豎直向上，整體坐標系如Fig.6所示，浮運平臺和基礎(chǔ)靜穩(wěn)性計算結(jié)果如Fig.7所示。

從Fig.7所示的結(jié)果中可以看出，一方面可以得到浮運平臺和基礎(chǔ)的初穩(wěn)性高度為159.53m，滿足交通運輸部海事局關(guān)于《海上移動平臺法定檢驗技術(shù)規(guī)則》以及中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中“自由液面修正后初穩(wěn)性高不少于0.15m”的要求;另一方面，從Fig.8所示中可以看出，回復(fù)力曲線和風(fēng)傾曲線在第2交點處，復(fù)原力矩曲線下的面積與風(fēng)傾力矩的面積比為17.6，滿足交通運輸部海事局關(guān)于《海上移動平臺法定檢驗技術(shù)規(guī)則》以及中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中“復(fù)原力矩曲線至第二交點或進水角（取小者）以下的面積至少應(yīng)比風(fēng)壓傾側(cè)力矩至同一限定角下的面積大40%”的要求。綜上所述，穩(wěn)性校核結(jié)果表明，浮運平臺帶基礎(chǔ)滿足穩(wěn)性校核的規(guī)范要求。

4基礎(chǔ)浮運時域計算及運動特性分析

以廣東珠海桂山海域為例，如Table 2 ?所示。從表中可以看出，桂山海域全年出現(xiàn)概率最大的波浪周期為2～4s，小于2s周期的波浪累計頻率僅為1%。

建立浮運平臺與筒形基礎(chǔ)的動穩(wěn)性分析模型，浮體的運動響應(yīng)可由幅值響應(yīng)算子（RAO）來描述，在0°、45°、90°、135°、180°的波浪入射角下，橫搖響應(yīng)和縱搖響應(yīng)如下圖所示。根據(jù)Table 2所示的波浪參數(shù)，桂山海域全年出現(xiàn)概率最大的波浪周期為2～4s，而橫搖和縱搖的RAOs結(jié)果表明，浮式系統(tǒng)的固有周期集中在10～13s，遠離波浪周期。

從Fig.8和Fig.9中可以看出，橫搖RAO在90度浪向角下達到最大，而縱搖RAO在0度或180度浪向角下達到最大。此外，從圖中可以看出，不用浪向角下其RAO的響應(yīng)是不用的，采取合理的浪向角可以顯著減小浮式系統(tǒng)的響應(yīng)。在浮運過程中，當波浪周期接近共振周期10s時，橫搖縱搖會在此激勵下達到最大值，浮式系統(tǒng)會開始共振。然而，由于共振的發(fā)生需要一定時間激勵的累積，在預(yù)判到有大波高共振風(fēng)險時將提前停止運輸，采取調(diào)整船艏迎浪角及調(diào)整艙內(nèi)氣壓等安全措施，避免振蕩過大保證安全;另外，運輸前將提前2-3天預(yù)判好海況，在未來2-3天波浪很小時才會開始浮運。

結(jié)論

（1） 浮式系統(tǒng)初穩(wěn)性高度為143.78m，滿足規(guī)范/標準不少于0.15m的要求

（2） 浮式系統(tǒng)靜穩(wěn)性校核結(jié)果表明，靜穩(wěn)性曲線特性滿足穩(wěn)性校核的規(guī)范要求

（3） 合理調(diào)整浮式系統(tǒng)的迎浪角將有效減小波浪激勵下的運動響應(yīng)，當遭遇到共振波浪時，應(yīng)合理調(diào)整浪向角保證浮式系統(tǒng)安全

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