一種具有能量吸收特性的非線性錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬與分析

崔 琳，欒富剛，段云棋

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津　300112）

一種具有能量吸收特性的非線性錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬與分析

崔 琳，欒富剛，段云棋

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

錨泊系統(tǒng)是離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備的核心部分，其應(yīng)對(duì)極端環(huán)境載荷的能力直接影響裝置浮式安裝基礎(chǔ)的可靠性與安全性。文中討論了一種具有能量吸收特性的新型錨泊系統(tǒng)，詳細(xì)分析了該錨泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，通過建立數(shù)值模型進(jìn)行仿真計(jì)算和分析，得出不同錨系配置方案和極端環(huán)境條件下的計(jì)算結(jié)果，證明這種新型錨泊系統(tǒng)具有良好的非線性載荷響應(yīng)特性，可提高離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備的可靠性和極端海況條件下的生存性。

新型錨泊系統(tǒng)；能量吸收；彈性纜；抗壓組件；非線性載荷響應(yīng)

離岸可再生能源是近年來國(guó)際上海洋工程領(lǐng)域和可再生能源領(lǐng)域的交叉熱點(diǎn)問題，主要以海上風(fēng)能、波浪能和潮流能的發(fā)電或利用技術(shù)為主，在海洋資源開發(fā)和能源利用方面占有舉足輕重的地位。

我國(guó)海上風(fēng)能資源十分豐富，僅在水深50 m以淺海域70 m高度上的海上風(fēng)電資源開發(fā)潛力就有500 GW[1]，而平均水深超過50 m的東海和南海地區(qū)海面上的年平均風(fēng)速超過7 m/s[2]，蘊(yùn)藏的風(fēng)能更是不可估量。我國(guó)沿海地區(qū)也蘊(yùn)藏著良好的波浪能和潮流能資源，據(jù)估計(jì)我國(guó)僅沿岸地區(qū)可利用的波浪能和潮流能資源就超過了27 GW[3]，離岸的波浪能資源開發(fā)潛力更加巨大。但我國(guó)人口眾多、沿海地區(qū)各種海洋活動(dòng)異常頻繁，海域使用爭(zhēng)奪十分激烈，沿海或近岸的海上風(fēng)能和海洋可再生能源開發(fā)受到海域使用的限制，而離岸的海上可再生能源因涉及的海域離岸線較遠(yuǎn)、水深較大、可利用空間開闊，開發(fā)前景十分可觀。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、電力需求不斷增加以及海洋發(fā)展戰(zhàn)略的全面實(shí)施，離岸可再生能源開發(fā)利用必將會(huì)成為我國(guó)大力發(fā)展的一項(xiàng)重要新能源產(chǎn)業(yè)。

離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備大多情況下都處在水深超過50 m的深水區(qū)域，考慮經(jīng)濟(jì)性通常采用漂浮式基礎(chǔ)或載體的結(jié)構(gòu)形式。錨泊系統(tǒng)是發(fā)電設(shè)備漂浮式基礎(chǔ)的核心部分，錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造與布放安裝費(fèi)用可占到整個(gè)浮式安裝基礎(chǔ)造價(jià)的1/3左右。錨系的安全性和可靠性直接影響整個(gè)浮式基礎(chǔ)的生存能力和設(shè)計(jì)壽命。

圖1　漂浮式離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備

從離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備的商業(yè)化角度來看，對(duì)于浮式海上風(fēng)機(jī)或漂浮式的波浪能、潮流能裝置，開發(fā)高性能、高可靠性、低風(fēng)險(xiǎn)的錨泊系統(tǒng)可有效降低發(fā)電設(shè)備的綜合成本。雖然復(fù)雜的錨泊系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致錨系部分的投入增加，但通過對(duì)設(shè)備整體可靠性與壽命的提升，最終仍能實(shí)現(xiàn)均化發(fā)電成本的下降，顯著提升離岸能源技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和商業(yè)化前景。

目前離岸可再生能源利用技術(shù)的主要瓶頸是高昂的浮式基礎(chǔ)造價(jià)和海上發(fā)電設(shè)備高風(fēng)險(xiǎn)、低可靠性之間的矛盾，國(guó)際上正在研究開發(fā)的具有能量吸收特性的新型錨泊技術(shù)可以有效解決離岸能源發(fā)電設(shè)備應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境條件和極端海況時(shí)的錨泊系統(tǒng)失效問題，大幅提升海上浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的生存能力和安全性，為推動(dòng)離岸可再生能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1　彈性錨泊系統(tǒng)研究歷史

帶有彈性效應(yīng)的錨系纜一直以來是海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域致力于發(fā)展的核心技術(shù)。從20世紀(jì)60年代開始，Wyman[4]在表面浮標(biāo)上使用天然橡膠材料的系泊纜，增加錨系對(duì)浮體由于表面波浪運(yùn)動(dòng)或潮流變化受到的附加力的吸收。Paul等[5]對(duì)人造橡膠系泊纜與懸鏈?zhǔn)较挡吹闹苯有阅懿町愡M(jìn)行了對(duì)比，并指出前者能夠在惡劣海況下降低約1/3的錨系動(dòng)態(tài)張緊力，有效增加錨泊系統(tǒng)的安全性，Wood和Joosten[6-7]將該研究結(jié)論應(yīng)用到了實(shí)際的波浪浮標(biāo)系統(tǒng)上。荷蘭Datawell公司的測(cè)波浮標(biāo)產(chǎn)品Waverider就使用了完全的天然橡膠繩作為錨泊纜。Brown等[8]從1981年開始在錨泊系統(tǒng)上增加減震器或緩沖性部件，并成功在安裝有水下觀測(cè)系統(tǒng)的浮標(biāo)上使用保護(hù)光電復(fù)合水下傳輸纜。2012年Bowie[9]最早提出將柔性系泊系統(tǒng)應(yīng)用在浮式的海洋能發(fā)電裝置上，但漂浮式的海上發(fā)電裝置要求系泊纜的彈性特性在有限延展范圍內(nèi)具有較強(qiáng)非線性剛度響應(yīng)特性，特別是在錨系張緊力已超出彈性允許范圍時(shí)，這與海洋環(huán)境觀測(cè)的表面浮標(biāo)需要的錨系特性是截然不同的。目前世界范圍內(nèi)能夠具備上述性能的錨系技術(shù)主要有挪威的Seaflex[10]、美國(guó)的TFI[11]和英國(guó)埃克塞特大學(xué)開發(fā)的Exeter Tether錨泊系統(tǒng)[12-13]。

2　具有能量吸收特性的彈性錨泊系統(tǒng)

錨泊系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是其可靠性和剛度特性的有效組合和最佳性能配置[14]。埃克塞特大學(xué)基于美國(guó)TFI錨系技術(shù)在OPT公司波浪能發(fā)電浮標(biāo)設(shè)備上的應(yīng)用設(shè)計(jì)和測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種新型具有能量吸收特性的彈性錨泊系統(tǒng)。該錨泊系統(tǒng)是將軟彈性材料和剛性的熱塑性材料元件整合在一套系泊纜內(nèi)。這種設(shè)計(jì)可以使錨系纜在工作條件下具有比較柔和的彈性響應(yīng)，同時(shí)在極端海況下具有能夠承載更大載荷的剛性非線性響應(yīng)。圖2展示了這種錨系纜的設(shè)計(jì)方案，圖2（a）為設(shè)計(jì)圖、（b）為裝配好的樣機(jī)。在這種新型錨泊系統(tǒng)中，彈性材料作為主要的系泊纜組件連接在兩個(gè)端板的中心位置，在端板外側(cè)是兩根鋼絲繩連接，用于束縛住3個(gè)抗壓元件。在正常載荷條件下由彈性纜提供系泊力和載荷響應(yīng)，鋼絲繩和抗壓元件上沒有載荷；一旦彈性纜被拉伸到鋼絲繩接合和拉緊處時(shí)，抗壓元件將以非線性方式阻止彈性纜的繼續(xù)拉伸。

圖2　結(jié)合彈性纜和熱塑性抗壓元件的新型能量吸收錨泊系統(tǒng)

這種配置組合的潛力是能夠顯著降低普通錨泊系統(tǒng)配置方案的峰值載荷，并提供更好的載荷響應(yīng)特性，在研究的模型配置方案中錨系纜承受的最大張力減少達(dá)到了90%[15]。而通過OPT公司采用錨系產(chǎn)品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)，使用這種設(shè)計(jì)的錨系性能曲線能夠減少約70%的載荷[11]。本文中的后續(xù)內(nèi)容是針對(duì)在離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備上采用這種錨泊系統(tǒng)開展的數(shù)值模擬，目的是確認(rèn)能夠設(shè)計(jì)出具有較好載荷響應(yīng)曲線的錨泊系統(tǒng)以制造實(shí)際的試驗(yàn)樣機(jī)，并為試驗(yàn)測(cè)試評(píng)估新型錨泊系統(tǒng)在不同工作條件下載荷特性和元件性能提供計(jì)算依據(jù)。

3　錨泊系統(tǒng)數(shù)值模型

離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備的錨泊系統(tǒng)應(yīng)滿足4項(xiàng)主要設(shè)計(jì)要求：

（1）生存能力：在極端載荷條件下保持系統(tǒng)完整性；

（2）可靠性：在特定的生命周期保持完整性和功能性；

（3）持續(xù)維持設(shè)計(jì)的封裝和柔性特性；

（4）性價(jià)比。

離岸可再生能源能源發(fā)電設(shè)備的錨泊系統(tǒng)通常從近海的海洋石油和天然氣工業(yè)衍生出來[16-17]，但是需要考慮特定的設(shè)計(jì)因素。為有效確保錨泊系統(tǒng)的生存性和可靠性，通常需要采取較大的最小斷裂載荷（MBL）并維持較高的安全系數(shù)（SOF）。對(duì)于傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)或使用更大的錨系封裝，或考慮有限的柔性特性。鑒于錨系成本與最小斷裂載荷的額定值成正比[18]，如果峰值載荷可以通過采用新型錨系方案來減少，錨系的成本將顯著降低，同時(shí)最小斷裂載荷的減少也將降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接器及安裝布放的成本。

決定設(shè)計(jì)載荷的錨泊系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)是錨系纜的剛度，剛度特性對(duì)減少最小斷裂載荷的影響非常重要。本文引入一種具有代表性的非線性載荷響應(yīng)曲線來評(píng)估在工作條件及極端環(huán)境載荷（臺(tái)風(fēng)條件）下新型錨泊系統(tǒng)解決方案的可行性及剛度特性。本文使用Orcina的海洋動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件OrcaFlex對(duì)錨泊系統(tǒng)的載荷進(jìn)行建模和計(jì)算分析。該軟件采用三維非線性時(shí)域有限元方法解決線性物體的動(dòng)態(tài)特性，并采用集總質(zhì)量單元法描述錨泊系統(tǒng)的質(zhì)量分布。

3.1計(jì)算模型建立

建立初始的數(shù)值模型是為保證第一次模擬計(jì)算的可行性。

計(jì)算模型包括以下部分：

（1）6D SPAR式浮體：具有六自由度運(yùn)動(dòng)及相關(guān)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。流體動(dòng)力載荷計(jì)算基于莫里森方程，即對(duì)浮標(biāo)的水下部分進(jìn)行附加質(zhì)量和拖曳力計(jì)算，見表1；

（2）三條總長(zhǎng)為57 m的系泊纜（見圖3和圖4）；圖5為給定的新型錨系纜的載荷響應(yīng)曲線；

（3）與6D自由運(yùn)動(dòng)浮標(biāo)的錨系連接點(diǎn)；

（4）纜繩的錨點(diǎn)。

表1　六自由度浮體計(jì)算模型的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3　錨系配置（俯視圖）：入射波與纜繩I（Line 1）共線

圖4　錨系配置：50 m水深拉緊式錨定配置、7 m部分非線性特性錨系纜

為評(píng)估新型錨泊系統(tǒng)的效果，在同樣環(huán)境條件下進(jìn)行了兩種方案的建模：

（1）參考案例：7 m部分采用普通的懸鏈纜；

（2）新型錨泊系統(tǒng)：7 m部分采用具有圖5所示的非線性載荷響應(yīng)特性的系泊纜。

圖5　用于數(shù)值模型計(jì)算、具有非線性軸向剛性的錨系纜載荷-伸長(zhǎng)率曲線

3.2計(jì)算結(jié)果

初步計(jì)算結(jié)果可歸納為以下兩點(diǎn)：（1）系泊纜I（Line 1）在承受最高負(fù)載下有最大有效張力；（2）垂蕩位移與有效動(dòng)力輸出（PTO）相關(guān)。下圖是系泊纜I在Hs=7m，T=10 s條件下的有效張力。圖示結(jié)果表示在給定的張力下，新型錨泊系統(tǒng)的系泊纜繩最大張力由833 kN降低為663 kN，降低了20%，并沿纜繩長(zhǎng)度方向逐漸輕微減少，而平均張力降低了約10%。

圖6　纜繩I（Line 1）的最大和平均張力

圖7為系泊I的頂端在Hs=7 m，T=10 s條件下的有效張力和垂蕩位移的時(shí)序圖。圖中給出了預(yù)估力的直接對(duì)比，并描繪出了非線性系泊系統(tǒng)對(duì)最大峰值力的緩解效果。對(duì)于點(diǎn)吸收式的波浪能發(fā)電裝置來說，錨系的垂蕩運(yùn)動(dòng)是不應(yīng)該受到限制的，應(yīng)能夠保持其固有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，位移的時(shí)序結(jié)果顯示其運(yùn)動(dòng)并未受到影響。

圖7　纜繩I頂端有效張力時(shí)序圖

圖8　垂蕩運(yùn)動(dòng)位移時(shí)序圖

基于初步計(jì)算結(jié)果，整合計(jì)算數(shù)據(jù)可進(jìn)行極端環(huán)境（臺(tái)風(fēng)條件）下的浮體和錨系的環(huán)境適應(yīng)性分析。由于新型錨泊系統(tǒng)的特點(diǎn)是組件的非線性負(fù)載響應(yīng)，因此將一個(gè)起伏運(yùn)動(dòng)的浮體和錨泊系統(tǒng)模型作為統(tǒng)一的基礎(chǔ)考慮。對(duì)于普通的系泊系統(tǒng)和新型系泊，可通過測(cè)試最大載荷下系泊系統(tǒng)纜繩的峰值載荷減少程度來分析新型錨泊系統(tǒng)的效果。計(jì)算過程忽略了波浪能發(fā)電裝置動(dòng)力輸出系統(tǒng)的能量傳遞機(jī)制對(duì)系泊纜的影響。

圖9　浮體與系泊系統(tǒng)風(fēng)、浪、流非共線條件示意圖

表2　極端環(huán)境條件下（非臺(tái)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)）的主要環(huán)境數(shù)據(jù)

進(jìn)一步計(jì)算是考慮系泊系統(tǒng)系繩在兩種環(huán)境下的載荷響應(yīng)。計(jì)算目的是減少錨泊系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下受到的有效張力，同時(shí)不限制波浪能發(fā)電裝置的升沉運(yùn)動(dòng)。圖10是計(jì)算模型在圖9的3個(gè)受力方向上軸向力的剛度變化曲線。

圖10　錨泊系統(tǒng)纜繩的剛度特性對(duì)比

圖11　極端環(huán)境（臺(tái)風(fēng)）條件下新型錨泊系統(tǒng)的纜繩有效拉力與普通纜繩的數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖中可看出，在相同纜繩形變長(zhǎng)度下，新型系繩減少了最大負(fù)載方向（Line 3）上30%的峰值載荷，纜繩I和III承受的最大負(fù)載隨纜繩的長(zhǎng)度變化都有所減少，纜繩II也有一定的負(fù)載減少效果。在浮體的垂蕩運(yùn)動(dòng)方面，對(duì)點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)并沒有產(chǎn)生太大的影響，如圖12所示。

圖12　新型系泊纜與普通纜繩的垂蕩運(yùn)動(dòng)比較

4　結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，這種新型能量吸收錨泊系統(tǒng)具有良好的載荷特性，可有效降低錨系纜在最大負(fù)載方向的峰值載荷，同時(shí)對(duì)浮體的垂蕩運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生額外影響，適合作為離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備的錨泊系統(tǒng)，提高離岸可再生能源發(fā)電設(shè)備在極端海況環(huán)境下的生存性和可靠性，進(jìn)而加速離岸可再生能源技術(shù)的應(yīng)用與商業(yè)化過程。下一步將結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果評(píng)估新型錨泊系統(tǒng)在各種工況下的真實(shí)載荷特性及組件性能。

致謝：感謝英國(guó)研究理事會(huì)以及英國(guó)工程與物理學(xué)研究基金會(huì)對(duì)項(xiàng)目管理的投入與支持。另外感謝項(xiàng)目合作方——英國(guó)埃克賽特大學(xué)在項(xiàng)目執(zhí)行過程中的密切合作與通力配合。

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Numerical Modeling and Analysis of a Novel Non-linear Mooring System with Energy Absorption Characteristics

CUI Lin,LUAN Fu-gang,DUAN Yun-qi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Mooring system is the core part of the offshore renewable energy device,for its ability to bear extreme environmental loads directly influences the reliability and survivability of floating installation structure for the renewable energy device.This paper introduces a novel mooring system with energy absorption characteristics and gives detailed analysis for the structure composition of the mooring system.Different mooring system configuration schemes and calculation results in extreme environmental conditions are derived through numerical model establishment and simulation,which proves that the novel mooring system has good non-linear load response characteristics and can improve the reliability and survivability of offshore renewable energy generation devices under extreme sea conditions.

novel mooring system;energy absorption characteristics;flexible mooring cable,compressive component,non-linear load response

P743

A

1003-2029（2016）05-0045-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.009

2016-07-10

中英合作牛頓基金項(xiàng)目資助（EP/M019942/1）

崔琳（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)椴ɡ四苻D(zhuǎn)換與海洋能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。E-mail：cuilin_oceanenergy@126.com