漂浮式海上風電機組基礎豎直向水動力載荷研究

黃宇同，蔡繼峰，符鵬程，王丹丹

（北京鑒衡認證中心，北京 100013）

漂浮式海上風電機組基礎豎直向水動力載荷研究

黃宇同，蔡繼峰，符鵬程，王丹丹

（北京鑒衡認證中心，北京 100013）

本文基于OC4項目的第二階段研究，利用Bladed for Windows 4.3建立了三支柱半潛式浮動平臺的風電機組模型，并采用Morison方程建立水動力載荷。對比分析了平臺在4種不同的初始狀態(tài)下，豎直方向的水動力載荷對半潛式浮動平臺自由振動的影響。

Morison方程；半潛式浮動平臺；水動力載荷

0 引言

相比陸地，風資源在海面上更為豐富、穩(wěn)定性更高，而且湍流度更小，可減少風電機組的疲勞載荷。加之海上風電所受空間限制少，負荷中心大多沿海分布等優(yōu)勢，近年來許多國家將目光投向了海上風電。截至2012年年底，中國已建成的海上風電項目共計389.6MW，是除英國、丹麥以外海上風電機組裝機最多的國家[1]。據(jù)估計，截至2015年，中國的海上風電項目將達到總裝機量5GW[2]。支撐結(jié)構(gòu)是海上風電和陸上風電最大的區(qū)別，它關(guān)系到海上風電機組的安全性和穩(wěn)定性，是海上風電最重要的結(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。

為了使風電場的選址不受水深和海床條件的限制，從而使風電場的建立能夠更好地利用風資源，漂浮式基礎的概念和設計獲得了越來越多的關(guān)注。IEA（International Energy Agency） 的OC3（Offshore Code Comparison Collaboration）項目中的Hywind風電機組系統(tǒng)采用了類似于倒立擺的spar-buoy的漂浮式平臺概念[3]；在后續(xù)的項目中，OC4①（Offshore Code Comparison Collaboration Continuation, IEA TASK30）第二階段采用了三支柱半潛式的浮動平臺，目前只進行到仿真結(jié)果對比的階段。總體來說，目前針對漂浮式基礎的海上風電機組的設計和研究還十分有限。對于傳統(tǒng)的采用固定支撐結(jié)構(gòu)的風電機組，平臺運動不受豎直方向水動力載荷影響，而對于漂浮式基礎，其豎直方向上的水動力載荷對風電機組運動的影響不可忽略。本文基于OC4項目的第二階段研究，對比分析了豎直方向的水動力載荷對半潛式浮動平臺自由振動的影響。

1 浮動平臺建模

OC4項目中的浮動平臺主要由三根半潛式支柱和一根主柱組成，風電機組搭載在位于中心的主柱上，為NREL（National Renewable Energy Laboratory）5MW的風電機組，原點位于海平面和平臺中心交點，x軸指向南，z軸沿塔架中心指向上，x－y－z成右手坐標系，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。為保持平臺的穩(wěn)定性，側(cè)面3根支柱均注水。整個平臺通過固定在海底的3條纜繩系泊，水深為200m。

圖1 半潛式海上風電機組結(jié)構(gòu)圖

表1 半潛式浮動平臺幾何尺寸

本文采用Bladed 4.3版本對該海上風電機組進行建模，梁單元結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖2所示。

Morison方程在水動力載荷建模中有廣泛的應用，本文采用Morison方程對平臺的水平方向和豎直方向加載水動力載荷。根據(jù)Morison方程，對于一個處于橫向來流中的圓柱體，其單位長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的確定可以通過求解勢流問題得到，平臺所受外力可以表達為[4]：

圖2 半潛式浮動平臺模型

表2 半潛式浮動平臺阻力系數(shù)

Morison公式廣泛應用于固定支撐結(jié)構(gòu)的海上風電機組受力分析，但是對于漂浮式支撐結(jié)構(gòu)，垂蕩方向上的水動力載荷不能忽略。對于本文研究的半潛式浮動平臺，為了保持整個機組的穩(wěn)定性，側(cè)面三個支柱的底部直徑被設計得很大，水動力載荷的作用對其垂蕩運動行為的影響尤為重要，在建模時必須考慮。與處于橫向來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)的選取則需重新計算。IEA TASK30小組給出了豎直方向的Morison公式：

2 結(jié)果對比和分析

相比固定支撐結(jié)構(gòu)的海上風電機組，漂浮式海上風電機組在豎直方向上所受水動力載荷會對整個風電機組的穩(wěn)定性造成更大的影響。因此，本文針對平臺處于不同的初始位置，對比分析了豎直方向上水動力載荷對平臺運動的影響。仿真結(jié)果的計算均設定為無風，風輪鎖定的park狀態(tài)。

2.1 浮動平臺偏離平衡位置x=22m

以下結(jié)果中藍線和紅線分別代表未加載豎直方向水動力載荷和加載豎直方向水動力載荷的平臺運動行為，(a)－(f)分別為平臺的縱蕩（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，對于平臺的縱蕩，兩種情況的模擬結(jié)果是一致的，這是因為都是以相同方式加載的水動力載荷。而對于平臺的垂蕩和縱搖運動，圖4（c）和圖4（e）表明水動力載荷主要起到阻礙作用，使得平臺的振動快速衰減，而且振動頻率變緩。其余方向上兩種情況下的振動幅度都很小，不做考慮。

圖3 豎直方向的水動力載荷加載

圖4 浮動平臺偏離平衡位置x=22m

圖5 浮動平臺偏離平衡位置z=6m

2.2浮動平臺偏離平衡位置z=6m

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

2.3 浮動平臺偏離平衡位置pitch=8°

從圖6（a）可以看出平臺的縱蕩在兩種情況下的模擬結(jié)果相似。平臺的縱搖運動對整個風電機組的載荷會產(chǎn)生很大影響，圖6（e）的結(jié)果表明考慮豎直方向的水動力載荷可以使這種傾覆運動迅速衰減。其余方向上兩種情況下的振動幅度都很小，不做考慮。

2.4 浮動平臺偏離平衡位置yaw=8°

對于繞豎直軸的自由振動，從圖7的結(jié)果可以看出兩種情況下，平臺的運動行為差異不大。

圖6 浮動平臺偏離平衡位置pitch=8°

3 總結(jié)

①OC4項目介紹：IEA TASK 30∶ OC4是Offshore Code Comparison Collaboration Continuation的簡稱，是OC3(Offshore Code Comparison Collaboration, IEA TASK 23)的延續(xù)，目前有18個國家的47個機構(gòu)參與（中方機構(gòu)有中國風能協(xié)會和金風科技有限公司），其目的主要是檢驗海上風力發(fā)電機組支撐結(jié)構(gòu)的軟件建模和相關(guān)標準的制定。

本文基于OC4項目的第二階段研究，對比了大直徑立柱加載豎直方向的水動力載荷對半潛式浮動平臺自由振動的影響。發(fā)現(xiàn)在考慮了豎直方向的水動力載荷后，在橫搖、縱搖和偏蕩運動上，起到阻尼作用，使這三個方向的運動得以迅速衰減，從而降低基礎以及風電機組的載荷。隨著海上風電機組的日趨規(guī)模化，在進行海上風電機組設計時，漂浮式的基礎將逐步得以應用。而對于這種基礎，特別是含有大直徑立柱的基礎平臺，豎直方向的水動力載荷在很大程度上降低了基礎和機組的載荷，因此在設計時需對該影響尤為重視，可大大減少風電機組的建造成本。

圖7 浮動平臺偏離平衡位置yaw=8°

[1] 中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會. 2012年中國風電裝機容量統(tǒng)計[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，主要從事風電機組載荷評估工作。