恶劣海况下系泊失效对漂浮式风电场平台影响

发布时间：2021-05-22所属分类：农业论文浏览：1250次

摘 要： 摘要：为研究风波联合作用下系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应的影响，建立22阵列Barge平台漂浮式风电场模型，基于叶素动量理论及辐射/绕射理论，对比分析恶劣海况下风电场迎风浪侧、背风浪侧及侧向系泊失效前后漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：

　　摘要：为研究风波联合作用下系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应的影响，建立2×2阵列Barge平台漂浮式风电场模型，基于叶素动量理论及辐射/绕射理论，对比分析恶劣海况下风电场迎风浪侧、背风浪侧及侧向系泊失效前后漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：恶劣海况下，漂浮式风电场平台动态响应以波频为主;系泊失效导致各平台各自由度稳定性大幅降低，且对失效系泊所连接的平台影响最大;迎风浪和背风浪侧固定悬链线失效对漂浮式风电场平台纵荡响应影响最大，侧向固定悬链线失效对漂浮式风电场平台横荡响应影响最大;迎风浪侧系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应影响最大，背风浪侧其次，侧向最小。

　　关键词：恶劣海况;系泊失效;驳船式平台;漂浮式风电场;动态响应

　　引言

　　较之海上固定式风力机，漂浮式风力机具有应用水深范围广、便于移动和拆卸等优点，适用于更广阔的海域[1]。由固定基础向漂浮式平台发展是海上风电发展的必然趋势[2]。

　　按平台稳定性获得方式，漂浮式平台可以分为立柱式(Spar)、张力腿式(TensionLegPlatform，TLP)、半潜式(SemiSubmersible，SS)和驳船式(Barge)4种[3]。立柱式平台通过在重心以下添加压载获得较高稳定性，但易与来流发生涡激震荡，且其主尺度较长，不易于安装和运输;张力腿平台通过对张力筋腱施加预张力有效限制了平台运动，但恶劣海况下张力腿承受载荷较大，且张力筋腱成本随海深急剧增加;半潜式平台抗风浪能力强，但结构相对复杂，成本较高[4];驳船式平台水线面惯性矩较大，稳定性高，且结构简单，建造和维护方便，应用前景广阔。风波联合作用下，慢漂、低频及波频等响应对漂浮式风力机安全运行造成较大影响[5]。为此，需使用系泊系统为漂浮式风力机平台提供定位和足够的恢复力，以保证漂浮式风力机正常运行[6]。但在海水腐蚀、磨损和极端载荷冲击下，系泊极易产生断裂导致失效，从而影响漂浮式风力机正常运行，甚至威胁设备安全[7]。因此，研究系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应的影响十分重要。

　　Bae等人[8]基于气动-水动-伺服-弹性-系泊耦合动力分析方法，对系泊失效下的半潜平台进行了瞬态和稳态分析，发现系泊失效导致漂浮式风力机偏航，影响其正常运行。Li等人[9]建立耦合气动-水动-弹性数值模型，对系泊失效下Spar平台漂浮式风力机进行仿真，结果表明风力机停机将导致慢漂距离更远。Chan等人[10]对张力腿平台系泊失效进行瞬态分析，结果发现系泊失效导致系统力矩不平衡。文献[11]对极限海况下半潜平台系泊失效后的残存系泊进行受力分析，发现残存系泊拉力发生突变，数值急剧增大，致使系泊安全系数降低。文献[12]研究了单根系泊失效对半潜平台动态响应的影响，结果表明平台纵荡响应大幅增加，平台可能因此失控。文献[13]对一根或多根系泊失效下半潜平台的动态响应进行分析，发现不同位置系泊失效对半潜平台影响不同，其中迎风浪侧系泊失效可能导致平台倾覆。文献[14-15]研究了基于系泊系统组建的漂浮式风电场平台在环境载荷作用下动态响应，证明其具有良好稳定性及建设的可行性。

　　上述文献多侧重于张力腿和半潜式平台，对驳船式平台研究较少，且尚无系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应影响的研究。本文以Barge平台为研究对象，建立2×2漂浮式风电场，分析部分固定系泊失效前后漂浮式风电场各平台动态响应，探究不同位置固定系泊失效对漂浮式风电场平台动态响应的影响。

　　1研究对象

　　研究对象为NREL5MW风力机，平台为ITIEnergyBarge。平台主要参数如表1所示，风力机主要参数如表2所示。

　　相关期刊推荐：《热能动力工程杂志》创刊于1986年，本刊为双月刊。是七0三研究所主办的学术与技术相结合的期刊、主要是以军转民，军民结合为报导方针，大力报导热能动力工程领域的科研成果，将科学技术转化为生产为，为科学技术的发展起到推动作用。热能动力工程杂志为双月刊，每期112面，主要读者对象为热能动力工程领域的工程技术人员，大专院校的师生。

　　漂浮式风电场系泊系统包括固定悬链线和链接悬链线，其参数如表3所示。Barge平台漂浮式风力机整机模型如图1所示，2×2阵列Barge平台漂浮式风电场如图2所示，图中P1～P4表示4个平台。

　　2控制方程及环境载荷

　　3结果与分析

　　3.1平台时频响应

　　因风电场各平台处同一海况环境，故选取平台稳定后600s内P4平台纵荡响应时频数据进行分析。图5为P4平台纵荡响应时频曲线。在环境载荷作用下，P4产生纵向位移，平台从未受载荷时静止位置(即纵荡响应为零位置)沿X轴负向运动，在系泊系统拉力作用下，最终平台在平衡位置处做往复运动。恶劣海况下漂浮式风电场平台纵荡频域响应集中在f<1.0rad/s区域，以波频响应为主。

　　3.22×2阵列Barge平台漂浮式风电场平台动态响应

　　表4为恶劣海况下风电场平台动态响应统计值。由表4可知，恶劣海况下，漂浮式风电场平台仍具有良好稳定性。较之纵荡响应，各平台横荡和垂荡响应较小。其中，最大横荡位移幅值为各平台纵荡位移幅值的16.3%，最大垂荡位移幅值为纵荡位移幅值的65.1%，横荡与垂荡波动标准差明显小于纵荡。漂浮式风电场各平台在横摇和艏摇自由度上稳定性较好，平均横摇偏转角为2.7°，平均艏摇偏转角为0.8°。纵摇自由度上，漂浮式风力机平台纵摇偏转角较大，平均纵摇偏转角达19.9°，其波动幅因漂浮式风电场平台关于X轴对称(见图2)，故仅对P2和P4上固定悬链线失效前后漂浮式风电场平台各自由度动态响应进行分析。漂浮式风电场平台系泊失效主要有以下3种情况：P4迎风浪侧固定悬链线失效，P2背风浪侧固定悬链线失效，P4侧向固定悬链线失效。

　　3.3P4平台迎风浪侧悬链线失效

　　表5为P4迎风浪侧固定悬链线失效前后的风电场平台动态响应统计值，图6为失效前后漂浮式风电场平台动态响应对比。由表5与图6可知，系泊失效致使漂浮式风电场平台垂荡和纵荡响应产生明显变化，而横摇、纵摇及艏摇变化较小，但均不同程度增大，说明基于共用系泊系统的漂浮式风电场平台动态响应相互联系、相互影响，某一平台受力改变造成该平台动态响应变化，将影响其他平台。以P1为例，P1与P4间无系泊连接，但P4前侧系泊失效后P1各自由度上动态响应明显增大，这是由于P4系泊失效导致与其直接相连的P2和P3平台动态响应增大，两平台与P1间系泊拉力发生变化。P3纵荡增大使P3与P1间系泊收缩，P1迎风浪侧系泊回复力减小，P2响应增大，P1侧向系泊拉力增大，因此P1各自由度上响应增加，P4前侧系泊失效直接影响P2和P3，同时间接影响到P1动态响应。恶劣海况下，在纵荡自由度上，P4迎风浪侧系泊失效后该平台纵荡位移急剧增大，且增大幅度远大于其余3个平台，纵荡波动幅值由14.6m增加至155.8m，为原平台的10.7倍，但仍远小于各平台间距400m，平台间没有碰撞风险。P2与P4通过链接悬链线相连，随着P4纵荡波动幅值增大，悬链线收缩，P2在X方向回复力减小，P2纵荡波动幅值增大至原平台的4.1倍。与P2和P4处于不同侧的P1和P3受影响较小，但波动幅值亦增加至原平台的1.7倍和1.3倍。在横荡自由度上，随着P4迎风浪侧固定悬链线失效，各平台横荡响应增大。由固定悬链线失效后各平台横荡波动幅值可知，P4和P3增幅最为明显，且P3横荡波动幅值最大。这是因为P4迎风浪侧系泊失效，其纵荡位移增大，使P4与P3之间距离增大，导致P4与P3之间链接悬链线张紧，从而系泊上拉力增大，进而导致P4和P3纵荡波动幅值增加较P2和P1大。在垂荡、横摇及纵摇3个自由度上，P4迎风浪侧系泊失效使各平台波动幅值增加，且对P4影响最大，但相对纵荡和横荡影响较小，较之原平台仅分别增加了1.5%、4.3%和13.4%。横摇和纵摇响应大小代表漂浮式风力机平台做偏转运动的剧烈程度，其大小可衡量平台是否发生倾覆。P4迎风浪侧系泊失效后，横摇偏转角较小，保守估计，以纵摇偏转角为衡量对象。最大纵摇偏转角发生于P2平台，达22.4°，但仍小于中国船级社(CCS)关于非自航平台作业下静倾角小于22.5°的规定，且平台倾覆角一般远大于最大静倾角，因此风电场平台在P4平台前侧系泊失效情况下遇到恶劣海况仍能必免倾覆。在艏摇自由度上，随着P4和P2纵荡位移增大，与P3和P1相连的链接悬链线和固定悬链线水平方向上的分力差值逐渐增大，致使P1和P3产生扭转作用，其波动幅值分别为原平台的4.8倍和2.9倍。

　　3.4P2背风浪侧悬链线失效

　　表6为P2背风浪侧固定悬链线失效后漂浮式风电场平台动态响应统计值，图7为失效前后漂浮式风电场平台动态响应对比。由图7可知，较之原风电场平台，P2背风浪侧固定悬链线失效亦造成漂浮式风电场平台在各自由度上响应波动幅值明显增大，不仅使与其直接相连的P4和P1动态响应增加，还通过系泊系统影响与其不直接相连的P3。P2背风浪侧固定悬链线失效后，P2平台纵荡波动幅值急剧增大，为失效前的4.2倍;因P2与P4通过链接悬链线连接，P1与P2悬链线系泊上拉力随P2纵荡的增大而迅速增加，P4受其影响纵荡波动幅值增大至失效前的2.5倍;P1和P3受固定悬链线失效影响较小，其波动幅值分别为原平台的1.4倍和1.1倍。P2横荡和横摇波动幅值因悬链线失效分别增加至失效前的1.4倍和1.2倍。P2产生的纵荡使P2与P1间链接悬链线张紧，P1受力增大，其横荡和横摇波动幅值分别增加至失效前的2.1倍和1.7倍。对平台垂荡和纵摇自由度影响较小。P1、P2、P3及P4垂荡波动幅值分别增加了1.8%、0.7%、0.2%和0.5%，纵摇波动幅值分别增加了1.0%、5.1%、0.2%和6.8%。此时，最大纵摇偏转角发生在P1平台，达21.8°，仍小于CCS规定的最大静倾角，平台不会发生倾覆。艏摇自由度上，P1和P3艏摇波动幅值增加至失效前的3.2倍和2.8倍。

　　3.5P4平台侧向固定悬链线失效

　　表7为P4侧向悬链线失效后漂浮式风电场平台动态响应统计值，图8为失效前后漂浮式风电场平台动态响应对比。较之原平台，P4侧向固定悬链线失效亦使漂浮式风电场平台动态响应增大。但与上述两种情况不同：漂浮式风电场平台在纵荡、垂荡、横摇及纵摇自由度上动态响应所受影响不大，波动幅值增加较小，仅横荡和艏摇自由度上动态响应波动幅值成倍增加。在纵荡、垂荡、横摇及纵摇4个自由度上，P1波动幅值分别增加了29.2%、0.5%、2.6%和0.5%;P2分别增加了1.9%、0.9%、1.0%和0.5%;P3分别增加了17.4%、0.2%、4.9%和2.3%;P4分别增加了3.5%、1.2%、9.8%和6.7%。由此可得，漂浮式风电场平台纵荡、垂荡、横摇及纵摇动态响应受悬链线失效影响较小。此时，最大纵摇偏转角发生在P1平台，达21.8°，仍满足CCS规定，平台安全。在横荡和艏摇自由度上，P1波动幅值分别为失效前的3.3倍和2.2倍;P2波动幅值分别为失效前的3.8倍和4.6倍;P3波动幅值为失效前的13.2倍和2.9倍;P4波动幅值为失效前的4.7倍和3.0倍。因此，P4侧向悬链线失效后漂浮式风电场平台横荡和艏摇动态响应大幅增加，各平台波动幅值较系泊失效前均增加至2倍以上，稳定性急剧降低。

　　4结论

　　(1)该平台系泊失效极大降低稳定性，其动态响应急剧增大。

　　(2)该平台当某一悬链线失效时，不仅稳定性降低，动态响应增大，还对漂浮式风电场中其他平台产生影响，致使所有平台在各自由度上动态响应不同程度增加。

　　(3)迎风浪侧和背风浪侧固定悬链线失效对漂浮式风电场平台纵荡响应的影响最大，侧向固定悬链线失效对漂浮式风电场平台横荡响应的影响最大。

　　(4)恶劣海况下，不同位置处固定悬链线失效后，对比漂浮式风电场平台动态响应可知：迎风浪侧固定悬链线失效对漂浮式风电场平台稳定性影响最大，背风浪侧其次，侧向失效影响最小。平台水平漂移距离仍远小于各平台间距，且平台偏转角仍在安全范围内，不会发生碰撞和倾覆。——论文作者：李蜀军，李春，王博，张万福

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