海上風力發(fā)電復合筒型基礎拖航穩(wěn)性研究

2021-12-27 11:47:20倪道俊肖瑤瑤

南方能源建設 2021年4期

倪道俊，肖瑤瑤

（三峽新能源陽江發(fā)電有限公司，廣東陽江 529599）

海上風電機組制造技術日漸成熟，制造成本和安裝水深成為人們考慮的兩個重要因素［1-2］。風電機組基礎建造和安裝的費用在總造價中占很大的比重，并且隨著工作水域水深的增加，海上風電基礎結構的制造和安裝也面臨著很大的困難，這同樣會增加基礎結構的造價［3-5］。大尺度復合筒型基礎可以實現(xiàn)高效益、低成本的建造理念，包含設計、運輸及安裝等一系列完整的技術方案。復合筒型基礎為寬淺式設計，頂板上接弧形過渡段［6-7］，如圖1。該基礎通過拖船進行拖航浮運，在安裝及拖航過程中，為保證施工的安全可靠性，必須對復合筒型基礎在安裝以及拖航過程中的穩(wěn)性進行檢測研究。

圖1 復合筒型基礎Fig.1 Composite bucket foundation

THIAGARAJAN通過模型試驗與理論分析的方式對氣浮結構在淺水中的運動響應做了對比，得出實驗趨勢與理論值相吻合，氣墊的存在增加了浮體的縱搖響應，但是對垂蕩響應影響很小的結論［8］；LEE研究了帶有氣墊的大型浮運結構的動力響應，導出了剛體運動和廣義模態(tài)的運動方程［9］；別社安建立了分析氣浮結構靜穩(wěn)性的理論方法，對氣浮結構的小傾角穩(wěn)性進行了分析［10］；劉憲慶通過對氣浮結構的不同狀態(tài)進行受力分析，提出了單個氣浮結構進行分艙會增加浮穩(wěn)性的作用機理［1］；閔巧玲通過對復合筒型基礎拖航浮穩(wěn)性的研究，得出復合筒型基礎的縱搖固有周期、壓載會隨著基礎吃水深度的增加而變大的結論［6］。

綜上所述，復合筒型基礎在安裝及拖航過程中的穩(wěn)性至關重要。因此，對江蘇響水風電場25#機位復合筒型基礎的安裝與運輸進行了檢測。25#機位復合筒型基礎與安裝船綁扎連接后，在碼頭采用650 t履帶吊依次吊裝三節(jié)塔筒，于2017年6月8日上午9時啟程離岸，經(jīng)海上浮運至設計機位，于2017年6月12日晚間8點30分開始沉放作業(yè)。整個拖航過程持續(xù)約108 h。在這一過程中，對風機塔筒吊裝時復合筒型基礎傾角進行檢測，對拖航過程中船筒間相互作用力、安裝船傾角、復合筒型基礎筒內液面進行監(jiān)測。

1 實驗設備

1.1 一體化運輸安裝船介紹

復合筒型基礎通過一體化運輸安裝船進行運輸。風電機組可在一體化運輸安裝船上進行吊裝以及測試，該船船頭、船尾呈凹型，便于安裝復合筒型基礎，船體中間則是桁架結構，保持安裝風機塔筒運輸過程中的穩(wěn)定性，如圖2。整體結構參數(shù)見表1。

表1 整體結構參數(shù)表Tab.1 Overall structuralparameters

圖2 一步式運輸安裝船F(xiàn)ig.2 One-step transport installation ship

1.2 傳感器安裝

在塔筒頂端安裝一個三向加速度傳感器，以檢測葉片吊裝時基礎的傾角；在復合筒型基礎的上翼緣安裝一個雙軸傾斜儀，以監(jiān)測結構運輸過程中的橫搖和縱搖角度；在七個艙室的頂部、船筒之間分別安裝壓力傳感器，用來檢測內部空氣壓力以及船筒間相互作用力；在拖航過程中，運輸船中心安裝加速度傳感器，筒內安裝雷達液位計，分別用來測拖航過程中船體的運動特性以及筒內液面高度。傳感器具體安裝布置方式見圖3。

圖3 傳感器布置形式Fig.3 Sensor layout

2 結果及分析

2.1 塔筒吊裝過程中復合筒型基礎的運動特性研究

風電整機塔筒的吊裝是風電整機施工的重要環(huán)節(jié)之一，也是風電整機浮運之前的最后一個環(huán)節(jié)，風電整機吊裝的穩(wěn)定程度決定后續(xù)拖航過程中整機的穩(wěn)定性、拖航是否能順利進行，所以要對吊裝過程中復合筒型基礎的穩(wěn)性進行監(jiān)測。

塔筒吊裝施工在碼頭進行，采用650 t履帶吊依此吊裝三節(jié)塔筒以及葉片，吊裝期間，對復合筒型基礎的傾角進行檢測。監(jiān)測結果如圖4。

圖4 三節(jié)塔筒及葉片吊裝時復合筒型基礎傾角Fig.4 Inclination angle of composite cylinder foundation when lifting three tower cylinders and blades

從圖中可以看出，風機塔筒及葉片吊裝時，復合筒型基礎呈現(xiàn)不規(guī)則搖擺，其中第二節(jié)塔筒吊裝時復合筒型基礎搖擺幅度最大，最大傾角達到了0.03°，而葉片吊裝時復合筒型基礎搖擺幅度最小，最大值也僅為0.012°?？梢姷跹b的部件越大越重，復合筒型基礎搖擺幅度也就越大。而三節(jié)塔筒與葉片吊裝期間，復合筒型基礎傾角始終小于0.04°，因此可以說明復合筒型基礎在吊裝過程中具有較好的穩(wěn)定性。

2.2 拖航過程中船筒間相互作用力研究

拖航過程是風電整機浮運的核心過程，在期間會遇到不同程度的波浪力等外荷載，從而影響運輸船、復合筒型基礎的穩(wěn)定性，要保證風電整機的一體化運輸，確保拖航過程中運輸船，筒型基礎緊密貼合不分離，運輸船和筒型基礎之間必須保持一定的作用力。船筒間相互作用是保證一體化運輸?shù)闹匾笜恕?/p>

25#復合筒型基礎拖航時，根據(jù)拖航經(jīng)驗，采取500 t船筒間作用力作為控制標準。監(jiān)測結果如圖5。

由圖5可以看出，在拖航過程中，船筒之間的作用力隨著波浪的變化而變化。整個的時間歷程中，船筒之間仍有490 t以上的結合力，說明船筒之間結合得足夠緊密，且船筒間作用力波動不超過30 t，說明兩者之間的接觸穩(wěn)定。

圖5 拖航過程中船筒間作用力Fig.5 Interbarrelforce during towing

綜上，復合筒型基礎一步式安裝法能夠滿足拖航過程中船筒不脫開的要求，保證了一體化運輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3 拖航過程中船體運動特性研究

拖航過程中，風電整機的浮運特性也是研究的重點。不僅要保證復合筒型基礎拖航過程中的穩(wěn)定性，也要確保拖航期間運輸船也具有相應的運動特性，上一節(jié)的分析可以看出，在拖航過程中，復合筒型基礎與安裝船之間始終保持500 t左右的相互作用力，因此可認為船筒運動同步。

為了避免現(xiàn)場施工工況復雜的現(xiàn)象，通過控制航速，在不同時間測得不同風速，選取了三種不同工況，見表2。利用傾角儀對安裝船傾角進行檢測。監(jiān)測結果見圖6。

表2 設計工況表Tab.2 Design condition table

從圖6中可以看出，在拖航過程中，安裝船橫、縱搖角度隨著波浪周期振蕩，工況一下橫搖角最大幅值為0.144°，縱搖角最大幅值為0.094°；工況二下橫搖角最大幅值為0.161°，縱搖角最大幅值為0.248°；工況三下橫搖角最大幅值為0.2°，縱搖角最大幅值為0.48°。風速和航速對安裝船的橫搖角度影響均不明顯，而對縱搖角影響明顯，其中，工況三相比工況一，風速減小到工況一的1/4，航速僅增大了32.3%，而安裝船的縱搖角最大幅值增大了410.6%，可以推斷航速的增大對船縱搖角的增大起著明顯作用。三種工況相比而言，工況一的運輸過程最為穩(wěn)定，即適中的風速和適中的航速條件為理想拖航環(huán)境，風速、航速單一因素的增加均會導致運輸過程穩(wěn)性很大程度降低。安裝船在三種工況下的搖擺角度始終不大于0.5°，而由于船筒運動同步，復合筒型基礎也與安裝船有著相同的傾角，說明復合筒型基礎及安裝船在拖航過程中具有較好的穩(wěn)定性。

圖6 船體運動特性監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of ship motion characteristics

2.4 拖航過程中筒型基礎內液位研究

復合筒型基礎是一種氣浮結構，具有自浮穩(wěn)性的優(yōu)點，在拖航過程中，筒內的液面是不斷變化的。除了保證船筒的一體化運輸和船筒的穩(wěn)定性以外，要保證復合筒型基礎提供比較穩(wěn)定的浮力，這就必須保證復合筒型基礎內部具有一定的液封高度。因此，對復合筒型基礎的筒內液封高度的監(jiān)測也至關重要。監(jiān)測結果如圖7。

由圖7可以看出，復合筒型基礎在拖航過程中，筒內各個艙的液封高度不同，但是均隨著波浪在原始液封高度附近呈現(xiàn)周期性變化，筒內液封高度始終大于250 cm，能夠保證筒內氣體不逸出。且筒內液面波動始終在10～20 cm以內，能夠提供比較穩(wěn)定的浮力，說明復合筒型基礎在拖航過程中具有較好的穩(wěn)定性。