超大型半潛浮式風力機動力特性分析

2019-10-23 05:30:32趙志新王文華

水力發電 2019年7期

趙志新，李昕，施偉，王文華

(1.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.大連理工大學水利工程學院，遼寧大連116024；3. 大連理工大學深海工程研究中心，遼寧大連116024；4. 大連理工大學海洋可再生能源研究中心，遼寧大連116024)

0 引言

我國海上風能資源儲量為陸上的3倍，且海上風能具有風速高、風況穩定、選址不受空間限制等優勢，使得浮式海上風力機成為開發利用風能的必然選擇。然而，浮式海上風力機是剛柔混合強非線性的多體系統，其動力特性分析異常復雜。Jonkman等[1]開發了嵌入FAST的水動力學計算模塊HydroDyn，建立了浮式風力機氣動-水動-伺服-彈性全耦合計算模型，對5 MW駁船式浮式風力機風浪組合工況下的動力特性進行了分析。Bachynski等[2]利用非線性氣動-水動耦合程序Simo-Riflex-AeroDyn，分析了故障工況下TLP、Spar和半潛三種典型浮式風力機的動力特性。Karimirad等[3]設計了張力腿與Spar相結合的新型浮式風力機支撐平臺，并使用HAWC2和USFOS/vpOne對其動力特性進行了對比分析。馬鈺等[4]使用FAST對OC3-Hywind Spar式浮式風力機在不同海況下的動力特性進行分析，并研究了風力機系統各運動模態之間的耦合效應。

考慮到深海風能開發的成本和效益，浮式海上風力機大型化是必然趨勢。目前丹麥科技大學和維斯塔斯風力技術公司聯合提出的DTU 10 MW風力機[5]成為國內外學者廣泛接受的樣本風力機。Islam[6]、Xue[7]和Tian[8]采用DTU 10 MW風力機，分別針對半潛、Spar式和TLP 3種典型浮式平臺結構，運用簡化耦合時域分析方法，對比研究了3種典型浮式風力機在工作和極端海況下的動力特性。然而，浮式風力機大型化后，除面臨更為復雜的海洋環境荷載外，其巨型柔性葉片的氣彈性效應、下部支撐平臺的大幅、強非線性運動響應以及與系泊系統之間的強非線性耦合作用還有待深入研究。

以DTU 10 MW風力機為研究對象，設計了無撐桿的半潛浮式風力機支撐平臺，基于“氣動-水動-控制-彈性”全耦合計算模型，使用FAST軟件對超大型浮式風力機系統在典型海況下的動力特性進行了分析，并與NREL 5 MW無撐桿的半潛浮式風力機的動力特性進行了對比分析。

1 浮式海上風力機結構系統設計

以DTU 10 MW風力機為研究對象，參照Luan等[9]提出的NREL 5 MW無撐桿的半潛風力機支撐平臺，基于海洋工程普遍采用的Froude數相似準則進行放大[10]，完成了DTU 10 MW浮式風力機支撐平臺的設計。半潛浮式風力機整體設計方案如圖1所示，系泊系統布置如圖2所示，其中DTU 10 MW風力機轉子為逆風向、3葉片；控制方式為變速變槳調節；切入、額定、切出風速分別為4、11.4、25 m·s-1；切入、額定轉速分別為6、9.6 r·min-1；轉子、輪轂直徑分別為178.3、5.6 m；輪轂中心高度為119 m；額定葉尖速比為90 r·min-1；轉子、機艙、塔架的質量分別為227.962、446.036、527.362 t，更為詳細的參數請參考文獻[11]。平臺設計水深為100 m；平臺吃水為36.9 m；中心柱、邊柱直徑為8 m；中心柱和邊柱高度分別為41.82、54.12 m；底部浮筒的長、寬、高分別為55.965、11.07、7.38 m；平臺重心位置為(0 m，0 m，-30.092 m)；平臺正浮時排水體積為19 257.13 m3；平臺質量(包括壓艙水)為17 942.21 t。此外，系泊系統選用懸鏈線式錨鏈；錨鏈數目為3 根，且相鄰錨鏈之間的夾角為120°。

圖1 浮式風力機整體輪廓

圖2 系泊系統布置

2 浮式風力機系統運動分析理論

2.1 系統運動方程

基于風力機空氣動力學、水動力學及多體動力學基本理論，浮式風力機系統時域耦合運動方程為：

(1)

2.2 波浪荷載

使用ANSYS-AQWA軟件，基于三維勢流理論計算浮式風力機支撐平臺的水動力系數和波浪激勵力，以生成FAST-HydroDyn模塊的水動力輸入文件；并在浮式海上風力機的水動力計算過程中，依據Morison公式的二次阻尼項考慮水體粘性，其中ANSYS-AQWA所建立平臺的面源模型如圖3所示。

圖3 ANSYS-AQWA水動力計算模型

圖4 縱蕩衰減運動時程曲線

2.3 風荷載

使用FAST-Aerodyn模塊計算風力機的氣動荷載，其計算方法基于經典的葉素動量理論(BEM)。依據葉素理論，單個葉素上的氣動荷載可由下式得出：

dQ=dLcosφ+dDsinφ=

(2)

dT=dLsinφ-dDcosφ=

(3)

式中，dL和dT為葉素上的氣動升力和氣動阻力；CL和CD為葉素翼型的升力系數和阻力系數；ρa為空氣密度；c為葉素弦長；W為相對入流風速；r為葉素到輪轂中心的距離；φ為入流角。

2.4 錨鏈張力

使用FAST-MoorDyn模塊來模擬系泊線，以考慮錨鏈慣性力和阻尼力等動態效應，其主要基于梁理論，將錨鏈抽象為離散的動力學模型，并根據動力學平衡條件在時域內對錨鏈的運動進行模型[12]。

3 環境條件

參考IEC 61400—3規范設定的典型工況如表1所示。主要針對海上浮式風力機所受的風和波浪荷載來研究10 MW浮式海上風力機在不同海洋環境條件下的動力特性，其中穩態風速為風力機額定風速11.4 m·s-1，波浪譜選取JONSWAP譜，且風浪作用同向，如圖2所示。

表1 環境參數

4 計算結果分析

4.1 單自由度自由衰減運動結果

對支撐平臺剛體運動6自由度以及塔架順風向和側向兩個方向的自由衰減運動分別進行了數值模擬，得到縱蕩衰減運動時程曲線如圖4所示，并通過傅里葉變換計算得到支撐平臺縱蕩(橫蕩)、垂蕩、橫搖(縱搖)及艏搖固有頻率分別為0.013、0.036、0.039、0.011 Hz；塔架順風向和側向固有頻率分別為0.368 Hz和0.379 Hz。

4.2 風力機運動響應分析

基于浮式風力機“氣動-水動-控制-彈性”全耦合計算模型，依據表2中的環境參數，使用FAST對DTU10 MW浮式風力機系統進行全耦合分析，計算總時長為4 200 s。為消除在數值計算初始階段瞬態反應對計算結果的影響，僅截取3 200 s到4 200 s時段的穩態反應進行分析。因縱蕩、垂蕩、縱搖運動對半潛浮式風力機而言較為關鍵，故本文僅研究縱蕩、垂蕩、縱搖運動響應。

表2 不同工況下計算結果統計

比較表2中浮式風力機在3種工況下的縱蕩運動統計值：在單獨風作用時，風力機系統運動達到準平衡狀態后，縱蕩運動沿縱蕩方向平衡在7.75 m處；在單獨波浪作用時，風力機系統在初始位置以小幅度做振蕩運動；在風浪聯合作用下，風力機系統在縱蕩運動平均位置7.76 m處振蕩。故對于浮式風力機而言，風荷載決定縱蕩運動的平衡位置，而波浪荷載主要引起縱蕩運動的振蕩，決定縱蕩運動的幅值。同樣比較風力機系統垂蕩和縱搖運動統計值也具有與縱蕩運動相同的規律。

由圖5縱蕩、垂蕩和縱搖運動響應頻譜圖可知：在風浪聯合作用下，平臺縱蕩和縱搖運動響在縱蕩固有頻率0.013 Hz處和縱搖固有頻率0.039 Hz處均出現較大峰值，而平臺垂蕩運動在垂蕩固有頻率0.036 Hz處也出現較大峰值，這表明風力機系統的運動包括風荷載激勵產生的低頻共振響應以及波浪荷載激勵產生的波頻運動響應，且縱蕩和縱搖運動之間存在耦合效應。此外，單獨波浪荷載激勵產生的平臺波頻運動反應幅值顯著高于風浪聯合作用下平臺波頻運動反應的幅值，這表明風力機氣動荷載產生的氣動阻尼能夠削弱平臺波頻運動反應。

圖5 響應頻譜

4.3 風力機錨鏈張力反應分析

在工況M3下，由圖6錨鏈張力反應頻譜圖可知：浮式風力機系泊系統在海洋環境中主要受到低頻、波頻和高頻成分的激勵作用。低頻成分與半潛浮式風力機支撐平臺的低頻運動相關，主要包括平臺的縱蕩和縱搖運動，同時這也說明錨鏈張力反應與支撐平臺的低頻運動之間存在耦合效應；波頻成分主要由于波浪荷載的波頻激勵作用；而高頻成分主要是由塔架彈性反應、轉子旋轉(3P)引起。

圖6 錨鏈張力反應頻譜

圖7 5 MW與10 MW風力機縱蕩運動響應頻譜對比

5 10 MW與5 MW浮式風力機動力特性對比

在工況M3下，使用FAST對NREL 5 MW無撐桿的半潛海上浮式風力機[10]進行全耦合分析，并與同工況下DTU 10 MW風力機支撐平臺運動反應和結構受力對比如表3和表4所示。通過對比可知：10 MW浮式風力機系統的受力與5 MW浮式風力機相比均增加2倍以上，但10 MW浮式風力機縱蕩運動響應的平均值比5 MW浮式風力機的僅增大了2%，這表明10 MW浮式風力機需要錨鏈提供較大的縱蕩回復力剛度來降低縱蕩運動響應的均值。此外，盡管10 MW浮式風力機因其大的結構自重和浮力可為縱搖運動和垂蕩運動提供較大的回復力和力矩，但同時也遭受更大的風和波浪荷載，導致10 MW浮式風力機縱搖和縱蕩運動響應的平均值有所增大，但10 MW浮式風力機整體運動性能良好，適合未來超大型浮式風力機的應用。

比較圖7中5 MW和10 MW浮式風力機縱蕩運動響應頻譜可知：10 MW浮式風力機由風荷載所激勵的低頻縱蕩運動的幅值明顯高于5 MW浮式風力機低頻縱蕩運動幅值；而5 MW浮式風力機由波浪荷載所激勵的波頻運動的幅值高于10 MW浮式風力機波頻運動的幅值。故10 MW浮式風力機的縱蕩運動以風荷載激勵所產生的低頻運動為主，而5 MW浮式風力機的縱蕩運動以波浪荷載激勵所產生的波頻運動為主。因此可預測：浮式海上風力機大型化后，風荷載對風力機系統運動的低頻激勵作用更突出。