發(fā)布時(shí)間：2021-05-22所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為研究風(fēng)波聯(lián)合作用下系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，建立22陣列Barge平臺(tái)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)模型，基于葉素動(dòng)量理論及輻射/繞射理論，對(duì)比分析惡劣海況下風(fēng)電場(chǎng)迎風(fēng)浪側(cè)、背風(fēng)浪側(cè)及側(cè)向系泊失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)時(shí)頻響應(yīng)特性。結(jié)果表明：
摘要：為研究風(fēng)波聯(lián)合作用下系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，建立2×2陣列Barge平臺(tái)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)模型，基于葉素動(dòng)量理論及輻射/繞射理論，對(duì)比分析惡劣海況下風(fēng)電場(chǎng)迎風(fēng)浪側(cè)、背風(fēng)浪側(cè)及側(cè)向系泊失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)時(shí)頻響應(yīng)特性。結(jié)果表明：惡劣海況下，漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以波頻為主;系泊失效導(dǎo)致各平臺(tái)各自由度穩(wěn)定性大幅降低，且對(duì)失效系泊所連接的平臺(tái)影響最大;迎風(fēng)浪和背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)縱蕩響應(yīng)影響最大，側(cè)向固定懸鏈線失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)橫蕩響應(yīng)影響最大;迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響最大，背風(fēng)浪側(cè)其次，側(cè)向最小。
關(guān)鍵詞：惡劣海況;系泊失效;駁船式平臺(tái);漂浮式風(fēng)電場(chǎng);動(dòng)態(tài)響應(yīng)
引言
較之海上固定式風(fēng)力機(jī)，漂浮式風(fēng)力機(jī)具有應(yīng)用水深范圍廣、便于移動(dòng)和拆卸等優(yōu)點(diǎn)，適用于更廣闊的海域[1]。由固定基礎(chǔ)向漂浮式平臺(tái)發(fā)展是海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。
按平臺(tái)穩(wěn)定性獲得方式，漂浮式平臺(tái)可以分為立柱式(Spar)、張力腿式(TensionLegPlatform，TLP)、半潛式(SemiSubmersible，SS)和駁船式(Barge)4種[3]。立柱式平臺(tái)通過(guò)在重心以下添加壓載獲得較高穩(wěn)定性，但易與來(lái)流發(fā)生渦激震蕩，且其主尺度較長(zhǎng)，不易于安裝和運(yùn)輸;張力腿平臺(tái)通過(guò)對(duì)張力筋腱施加預(yù)張力有效限制了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，但惡劣海況下張力腿承受載荷較大，且張力筋腱成本隨海深急劇增加;半潛式平臺(tái)抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高[4];駁船式平臺(tái)水線面慣性矩較大，穩(wěn)定性高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建造和維護(hù)方便，應(yīng)用前景廣闊。風(fēng)波聯(lián)合作用下，慢漂、低頻及波頻等響應(yīng)對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行造成較大影響[5]。為此，需使用系泊系統(tǒng)為漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)提供定位和足夠的恢復(fù)力，以保證漂浮式風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行[6]。但在海水腐蝕、磨損和極端載荷沖擊下，系泊極易產(chǎn)生斷裂導(dǎo)致失效，從而影響漂浮式風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行，甚至威脅設(shè)備安全[7]。因此，研究系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響十分重要。
Bae等人[8]基于氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性-系泊耦合動(dòng)力分析方法，對(duì)系泊失效下的半潛平臺(tái)進(jìn)行了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)系泊失效導(dǎo)致漂浮式風(fēng)力機(jī)偏航，影響其正常運(yùn)行。Li等人[9]建立耦合氣動(dòng)-水動(dòng)-彈性數(shù)值模型，對(duì)系泊失效下Spar平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明風(fēng)力機(jī)停機(jī)將導(dǎo)致慢漂距離更遠(yuǎn)。Chan等人[10]對(duì)張力腿平臺(tái)系泊失效進(jìn)行瞬態(tài)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系泊失效導(dǎo)致系統(tǒng)力矩不平衡。文獻(xiàn)[11]對(duì)極限海況下半潛平臺(tái)系泊失效后的殘存系泊進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)殘存系泊拉力發(fā)生突變，數(shù)值急劇增大，致使系泊安全系數(shù)降低。文獻(xiàn)[12]研究了單根系泊失效對(duì)半潛平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明平臺(tái)縱蕩響應(yīng)大幅增加，平臺(tái)可能因此失控。文獻(xiàn)[13]對(duì)一根或多根系泊失效下半潛平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同位置系泊失效對(duì)半潛平臺(tái)影響不同，其中迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效可能導(dǎo)致平臺(tái)傾覆。文獻(xiàn)[14-15]研究了基于系泊系統(tǒng)組建的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)，證明其具有良好穩(wěn)定性及建設(shè)的可行性。
上述文獻(xiàn)多側(cè)重于張力腿和半潛式平臺(tái)，對(duì)駁船式平臺(tái)研究較少，且尚無(wú)系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響的研究。本文以Barge平臺(tái)為研究對(duì)象，建立2×2漂浮式風(fēng)電場(chǎng)，分析部分固定系泊失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)各平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，探究不同位置固定系泊失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。
1研究對(duì)象
研究對(duì)象為NREL5MW風(fēng)力機(jī)，平臺(tái)為ITIEnergyBarge。平臺(tái)主要參數(shù)如表1所示，風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表2所示。
相關(guān)期刊推薦：《熱能動(dòng)力工程雜志》創(chuàng)刊于1986年，本刊為雙月刊。是七0三研究所主辦的學(xué)術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的期刊、主要是以軍轉(zhuǎn)民，軍民結(jié)合為報(bào)導(dǎo)方針，大力報(bào)導(dǎo)熱能動(dòng)力工程領(lǐng)域的科研成果，將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)為，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。熱能動(dòng)力工程雜志為雙月刊，每期112面，主要讀者對(duì)象為熱能動(dòng)力工程領(lǐng)域的工程技術(shù)人員，大專(zhuān)院校的師生。
漂浮式風(fēng)電場(chǎng)系泊系統(tǒng)包括固定懸鏈線和鏈接懸鏈線，其參數(shù)如表3所示。Barge平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型如圖1所示，2×2陣列Barge平臺(tái)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)如圖2所示，圖中P1～P4表示4個(gè)平臺(tái)。
2控制方程及環(huán)境載荷
3結(jié)果與分析
3.1平臺(tái)時(shí)頻響應(yīng)
因風(fēng)電場(chǎng)各平臺(tái)處同一海況環(huán)境，故選取平臺(tái)穩(wěn)定后600s內(nèi)P4平臺(tái)縱蕩響應(yīng)時(shí)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5為P4平臺(tái)縱蕩響應(yīng)時(shí)頻曲線。在環(huán)境載荷作用下，P4產(chǎn)生縱向位移，平臺(tái)從未受載荷時(shí)靜止位置(即縱蕩響應(yīng)為零位置)沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，在系泊系統(tǒng)拉力作用下，最終平臺(tái)在平衡位置處做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。惡劣海況下漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)縱蕩頻域響應(yīng)集中在f<1.0rad/s區(qū)域，以波頻響應(yīng)為主。
3.22×2陣列Barge平臺(tái)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)
表4為惡劣海況下風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。由表4可知，惡劣海況下，漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)仍具有良好穩(wěn)定性。較之縱蕩響應(yīng)，各平臺(tái)橫蕩和垂蕩響應(yīng)較小。其中，最大橫蕩位移幅值為各平臺(tái)縱蕩位移幅值的16.3%，最大垂蕩位移幅值為縱蕩位移幅值的65.1%，橫蕩與垂蕩波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于縱蕩。漂浮式風(fēng)電場(chǎng)各平臺(tái)在橫搖和艏搖自由度上穩(wěn)定性較好，平均橫搖偏轉(zhuǎn)角為2.7°，平均艏搖偏轉(zhuǎn)角為0.8°。縱搖自由度上，漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)縱搖偏轉(zhuǎn)角較大，平均縱搖偏轉(zhuǎn)角達(dá)19.9°，其波動(dòng)幅因漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)(見(jiàn)圖2)，故僅對(duì)P2和P4上固定懸鏈線失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)各自由度動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)系泊失效主要有以下3種情況：P4迎風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效，P2背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效，P4側(cè)向固定懸鏈線失效。
3.3P4平臺(tái)迎風(fēng)浪側(cè)懸鏈線失效
表5為P4迎風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效前后的風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值，圖6為失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比。由表5與圖6可知，系泊失效致使漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)垂蕩和縱蕩響應(yīng)產(chǎn)生明顯變化，而橫搖、縱搖及艏搖變化較小，但均不同程度增大，說(shuō)明基于共用系泊系統(tǒng)的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相互聯(lián)系、相互影響，某一平臺(tái)受力改變?cè)斐稍撈脚_(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，將影響其他平臺(tái)。以P1為例，P1與P4間無(wú)系泊連接，但P4前側(cè)系泊失效后P1各自由度上動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯增大，這是由于P4系泊失效導(dǎo)致與其直接相連的P2和P3平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大，兩平臺(tái)與P1間系泊拉力發(fā)生變化。P3縱蕩增大使P3與P1間系泊收縮，P1迎風(fēng)浪側(cè)系泊回復(fù)力減小，P2響應(yīng)增大，P1側(cè)向系泊拉力增大，因此P1各自由度上響應(yīng)增加，P4前側(cè)系泊失效直接影響P2和P3，同時(shí)間接影響到P1動(dòng)態(tài)響應(yīng)。惡劣海況下，在縱蕩自由度上，P4迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效后該平臺(tái)縱蕩位移急劇增大，且增大幅度遠(yuǎn)大于其余3個(gè)平臺(tái)，縱蕩波動(dòng)幅值由14.6m增加至155.8m，為原平臺(tái)的10.7倍，但仍遠(yuǎn)小于各平臺(tái)間距400m，平臺(tái)間沒(méi)有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。P2與P4通過(guò)鏈接懸鏈線相連，隨著P4縱蕩波動(dòng)幅值增大，懸鏈線收縮，P2在X方向回復(fù)力減小，P2縱蕩波動(dòng)幅值增大至原平臺(tái)的4.1倍。與P2和P4處于不同側(cè)的P1和P3受影響較小，但波動(dòng)幅值亦增加至原平臺(tái)的1.7倍和1.3倍。在橫蕩自由度上，隨著P4迎風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效，各平臺(tái)橫蕩響應(yīng)增大。由固定懸鏈線失效后各平臺(tái)橫蕩波動(dòng)幅值可知，P4和P3增幅最為明顯，且P3橫蕩波動(dòng)幅值最大。這是因?yàn)镻4迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效，其縱蕩位移增大，使P4與P3之間距離增大，導(dǎo)致P4與P3之間鏈接懸鏈線張緊，從而系泊上拉力增大，進(jìn)而導(dǎo)致P4和P3縱蕩波動(dòng)幅值增加較P2和P1大。在垂蕩、橫搖及縱搖3個(gè)自由度上，P4迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效使各平臺(tái)波動(dòng)幅值增加，且對(duì)P4影響最大，但相對(duì)縱蕩和橫蕩影響較小，較之原平臺(tái)僅分別增加了1.5%、4.3%和13.4%。橫搖和縱搖響應(yīng)大小代表漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其大小可衡量平臺(tái)是否發(fā)生傾覆。P4迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效后，橫搖偏轉(zhuǎn)角較小，保守估計(jì)，以縱搖偏轉(zhuǎn)角為衡量對(duì)象。最大縱搖偏轉(zhuǎn)角發(fā)生于P2平臺(tái)，達(dá)22.4°，但仍小于中國(guó)船級(jí)社(CCS)關(guān)于非自航平臺(tái)作業(yè)下靜傾角小于22.5°的規(guī)定，且平臺(tái)傾覆角一般遠(yuǎn)大于最大靜傾角，因此風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)在P4平臺(tái)前側(cè)系泊失效情況下遇到惡劣海況仍能必免傾覆。在艏搖自由度上，隨著P4和P2縱蕩位移增大，與P3和P1相連的鏈接懸鏈線和固定懸鏈線水平方向上的分力差值逐漸增大，致使P1和P3產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，其波動(dòng)幅值分別為原平臺(tái)的4.8倍和2.9倍。
3.4P2背風(fēng)浪側(cè)懸鏈線失效
表6為P2背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值，圖7為失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比。由圖7可知，較之原風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)，P2背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效亦造成漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)在各自由度上響應(yīng)波動(dòng)幅值明顯增大，不僅使與其直接相連的P4和P1動(dòng)態(tài)響應(yīng)增加，還通過(guò)系泊系統(tǒng)影響與其不直接相連的P3。P2背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效后，P2平臺(tái)縱蕩波動(dòng)幅值急劇增大，為失效前的4.2倍;因P2與P4通過(guò)鏈接懸鏈線連接，P1與P2懸鏈線系泊上拉力隨P2縱蕩的增大而迅速增加，P4受其影響縱蕩波動(dòng)幅值增大至失效前的2.5倍;P1和P3受固定懸鏈線失效影響較小，其波動(dòng)幅值分別為原平臺(tái)的1.4倍和1.1倍。P2橫蕩和橫搖波動(dòng)幅值因懸鏈線失效分別增加至失效前的1.4倍和1.2倍。P2產(chǎn)生的縱蕩使P2與P1間鏈接懸鏈線張緊，P1受力增大，其橫蕩和橫搖波動(dòng)幅值分別增加至失效前的2.1倍和1.7倍。對(duì)平臺(tái)垂蕩和縱搖自由度影響較小。P1、P2、P3及P4垂蕩波動(dòng)幅值分別增加了1.8%、0.7%、0.2%和0.5%，縱搖波動(dòng)幅值分別增加了1.0%、5.1%、0.2%和6.8%。此時(shí)，最大縱搖偏轉(zhuǎn)角發(fā)生在P1平臺(tái)，達(dá)21.8°，仍小于CCS規(guī)定的最大靜傾角，平臺(tái)不會(huì)發(fā)生傾覆。艏搖自由度上，P1和P3艏搖波動(dòng)幅值增加至失效前的3.2倍和2.8倍。
3.5P4平臺(tái)側(cè)向固定懸鏈線失效
表7為P4側(cè)向懸鏈線失效后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值，圖8為失效前后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比。較之原平臺(tái)，P4側(cè)向固定懸鏈線失效亦使漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大。但與上述兩種情況不同：漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)在縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖自由度上動(dòng)態(tài)響應(yīng)所受影響不大，波動(dòng)幅值增加較小，僅橫蕩和艏搖自由度上動(dòng)態(tài)響應(yīng)波動(dòng)幅值成倍增加。在縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖4個(gè)自由度上，P1波動(dòng)幅值分別增加了29.2%、0.5%、2.6%和0.5%;P2分別增加了1.9%、0.9%、1.0%和0.5%;P3分別增加了17.4%、0.2%、4.9%和2.3%;P4分別增加了3.5%、1.2%、9.8%和6.7%。由此可得，漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖動(dòng)態(tài)響應(yīng)受懸鏈線失效影響較小。此時(shí)，最大縱搖偏轉(zhuǎn)角發(fā)生在P1平臺(tái)，達(dá)21.8°，仍滿足CCS規(guī)定，平臺(tái)安全。在橫蕩和艏搖自由度上，P1波動(dòng)幅值分別為失效前的3.3倍和2.2倍;P2波動(dòng)幅值分別為失效前的3.8倍和4.6倍;P3波動(dòng)幅值為失效前的13.2倍和2.9倍;P4波動(dòng)幅值為失效前的4.7倍和3.0倍。因此，P4側(cè)向懸鏈線失效后漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)橫蕩和艏搖動(dòng)態(tài)響應(yīng)大幅增加，各平臺(tái)波動(dòng)幅值較系泊失效前均增加至2倍以上，穩(wěn)定性急劇降低。
4結(jié)論
(1)該平臺(tái)系泊失效極大降低穩(wěn)定性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)急劇增大。
(2)該平臺(tái)當(dāng)某一懸鏈線失效時(shí)，不僅穩(wěn)定性降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大，還對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)中其他平臺(tái)產(chǎn)生影響，致使所有平臺(tái)在各自由度上動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同程度增加。
(3)迎風(fēng)浪側(cè)和背風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)縱蕩響應(yīng)的影響最大，側(cè)向固定懸鏈線失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)橫蕩響應(yīng)的影響最大。
(4)惡劣海況下，不同位置處固定懸鏈線失效后，對(duì)比漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)可知：迎風(fēng)浪側(cè)固定懸鏈線失效對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)穩(wěn)定性影響最大，背風(fēng)浪側(cè)其次，側(cè)向失效影響最小。平臺(tái)水平漂移距離仍遠(yuǎn)小于各平臺(tái)間距，且平臺(tái)偏轉(zhuǎn)角仍在安全范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生碰撞和傾覆。——論文作者：李蜀軍，李春，王博，張萬(wàn)福
