半潜式基础漂浮式风机拖带技术研究

随着海上风电的不断发展,漂浮式风机将逐步成为主流的海上风机形式。半潜式基础是漂浮式风机主要基础形式之一,具有适用性强、安装方便、部署灵活、整体风险较低的优点,拥有广阔的发展和应用前景,而漂浮式风机整体拖带是项目实施的重点、难点和主要风险点。本文以典型的半潜式基础漂浮式风机为例,开展了对半潜式基础漂浮式风机海上拖带浮运计算研究,制定拖带船队编组方案,并提出了拖带安全管控措施,解决了半潜式基础漂浮式风机拖带作业中诸多技术问题,为相关技术研发和工程项目实施提供参考。

海上风机半潜式基础概念设计与水动力性能分析

针对5 MW海上风机动力响应较大的问题,提出了半潜型浮式基础的概念设计,研究了半潜式浮式基础在不同风浪环境下的运动响应和生存能力。考虑叶片空气动力载荷及风浪载荷,以及浮式基础与系泊系统的耦合,建立风机结构系统及水动力模型,采用动量-叶素理论计算叶片空气动力载荷,在频域范围内计算了载荷传递函数。计算分析浮式基础风机系统不同风浪情况下的时域动力响应,评估了半潜型浮式基础在极限海况下的生存能力。结果显示,半潜型浮式基础运动性能良好,且在极端海况下,各系泊缆安全系数均大于1.67,破损状况下安全系数均大于1.33,该浮式基础及其系泊系统具有足够的抵抗极端海况的能力。

海上风电半潜式基础初步选型 Pareto⁃Optimal 评价

针对半潜漂浮式风电基础初步选型,采用Pareto⁃Optimal评价方法对不同吃水、平台立柱直径、立柱间距和垂荡板直径四个参数的不同组合进行分析比较。基于浮体动力学频域计算方法,采用我国阳江某海域极限波浪条件计算得到叶轮中心水平加速度,同时考虑完整稳性的计算结果。对比分析表明平台吃水和立柱直径宜选择适中的取值,较大的排水量和立柱总体积并不会显著减小叶轮中心水平加速度。垂荡板对于改善平台整体性能是较为敏感的,垂荡板与立柱的直径比存在一定的最佳范围。平台立柱间距是影响平台运动性能最大的因素,增大立柱间距可以有效地降低叶轮中心水平加速度,但立柱间距的增大对立柱间的撑杆结构强度以及平台整体的建造和下水提出了较大的挑战。

四浮筒半潜式海上风机基础水动力性能分析

参照三浮筒式OC4半潜式风机基础,设计了四浮筒式浮式风机基础。建立三浮筒式OC4半潜式风机基础与四浮筒式浮式风机基础水动力模型,利用AQWA软件分析四浮筒式浮式风机基础相关水动力参数,并将四浮筒式浮式风机基础与三浮筒式OC4半潜式风机基础进行不同工况下的时域分析对比,探究两者间性能差异。结果表明,四浮筒式浮式风机基础具有良好的水动力性能,相较于三浮筒式OC4半潜式风机基础,其在纵荡、横荡、纵摇、艏摇4个自由度方向上的运动响应以及缆绳张力方面存在优势。

深远海大兆瓦级半潜式风机基础运动特性数值模拟及试验研究

针对水深百米以上的深远海浮式风电开发需求,本文面向可搭载大兆瓦级(15 MW)风机的新型半潜式风机基础的运动特性展开研究。利用AQWA软件建立了该基础与系泊系统的数值模型,基于南海实际海况确定了风机塔筒的载荷,并开展了缩尺比为1∶64的水池模型试验,验证了数值模型计算的准确性;基于验证的数值模型分析了新型风机基础在南海恶劣海况下的运动特性及系泊张力,发现该新型风机基础的运动极值和系泊张力均满足规范要求。相同海况下,新型风机基础与经典半潜式风机基础OC4-DeepCwind(三浮筒平台)的运动性能及系泊缆张力对比结果表明:发电工况下,新型风机基础的垂荡和倾角的极值较三浮筒平台的分别下降62.8%和81.3%;停机工况下,垂荡和倾角的极值则分别下降46.1%和41.4%,充分说明该新型风机基础具有优越的运动性能;而在停机工况下1、2号缆系泊张力最大值分别下降17.4%和9.6%,大大降低了系泊系统的设计难度。研究结果为中国深远海浮式风电开发船型的选择提供了借鉴。

基于正交试验的半潜式风力机基础参数敏感性分析

针对OO-Star型式的半潜式风力机基础,采用正交试验设计方法来分析吃水、浮筒高度、浮筒宽度、立柱间距和立柱直径5个设计参数的敏感性。基于频域短期预报方法,选用我国南海某海域50年一遇极端条件,从稳性和运动响应两方面评估5个参数的敏感程度。分析结果表明,浮筒宽度是对排水量、垂荡运动和横摇运动最敏感的参数;立柱直径是对初稳性高、面积比和机舱加速度最敏感的参数,对垂荡运动和横摇运动较敏感;立柱间距对横摇运动和机舱加速度最敏感的另一个参数,对初稳性高和面积比较敏感;吃水对所有性能都较敏感。总体来看,基础参数对稳性和运动响应的影响是相对的,参数取值需要综合判断。

基于水动力分析的15 MW级半潜式漂浮基础优化研究

半潜漂浮式基础是适合深远海风电资源开发的一种安全经济的基础形式,基础单位兆瓦用钢量是影响开发投资的重要因素,也是浮式基础先进性的技术指标之一。为此,以15 MW级三立柱半潜式基础为研究对象,减小边柱直径以降低用钢量,通过对比优化前后的浮式基础水动力性能,验证优化后的浮式基础设计可行性及合理性。结果表明,优化后的浮式基础水动力性能优异,运动及系泊载荷等响应特征满足设计目标,水动力性能基本与优化前一致,说明减小边立柱尺寸是可靠、可行的优化方向,为降低浮式基础用钢量提供了新的思路和路径,有利于推动深远海海上风电的商业应用。

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明:垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板基础,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。

海上风机半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析、

综合考虑海洋环境载荷及气动载荷,探讨了半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析方法。针对一座安装在120m水深海域的5MW海上风机,参考海洋结构设计的有关规范,设计了由三立柱、斜撑、水平撑等构件组成的浮式基础。应用SESAM软件,建立了风电浮式基础整体有限元模型;根据莫里森公式和势流理论分别计算构件及立柱的水动力载荷,并运用叶素理论计算风机叶片的空气动力载荷;综合施加水动力载荷及叶片气动载荷,计算浮式基础结构的应力分布和变形分布。根据ABS规范,综合考虑构件压应力和弯曲应力,校核了构件的压-弯强度。计算分析结果表明,连接塔柱与立柱斜撑的两端部位应力较大,属于结构的危险部位。

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核。考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性。结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升。波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大。垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区。此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大。

塔柱和风机位置对半潜式浮式风机系统动力性能的影响研究

研究塔柱和风机布置位置对半潜式浮式风机系统动力性能的影响。以OC4-deepCwind浮式风机参数为例,将塔柱和风机分别布置在半潜式浮式基础的中心和其三角形浮筒上,建立浮式风机系统动力学模型,计算不同工况下系统的动力响应。结果表明,塔柱和风机由基础中心调到其浮筒上后,浮式基础运动、机舱加速度、叶片气动力及系缆力的平均值变化不大,标准差有显著的增加;特别在极限工况,机舱X向加速度、叶片气动力的标准差增加近1倍,首摇超过5°,1号缆受力的标准差增加约30%。实际设计中,综合考虑浮式风机系统动力性能、安装和运输过程的便利性及结构强度等设计塔柱和风机位置。

3种典型半潜式浮式风机基础水动力性能比较

以现阶段3种典型半潜式浮式风机基础(OC4、Windfloat、Ideol)为研究对象,根据3种浮式风机基础的主要特征,采用AQWA软件建立水动力模型。基于三维势流理论,比较这3种浮式风机基础的水动力性能,在南海不同风、浪、流联合作用下的时域运动响应以及在不同水深下的适应性。得出结论:3种基础的纵荡性能相近;OC4基础在垂荡方向的时域响应统计均值和峰值最小,具有更好的综合性能;Windfloat基础的纵摇幅值响应算子(Response Amplitude Operator,RAO)最小,在垂荡方向的时域响应均值和峰值均最大,垂荡性能较差;阻尼池型基础在低频的垂荡RAO较小,纵摇RAO远大于OC4和Windfloat,在时域响应的纵摇均值最小,但峰值最大,表现出不稳定性;OC4基础和Windfloat基础在浅水区域的RAO均出现明显的放大现象,OC4基础在深水的适应性优良,Windfloat基础在中等水深水深适应性较好,阻尼池型基础的垂荡、纵摇RAO随水深增加变化不明显,在浅水中的适应性较好。分析结果可为南海海况下浮式风机基础的选型设计提供一定的参考。

风浪流作用下半潜基础动态响应分析

海上风机系统属于高耸结构,平台的稳定对于保证海上风力机的安全运行具有重要作用,为保证风力机的安全运行,文中以美国NREL公布的5MW海上风力机的半潜式漂浮式基础OC4为研究对象,以辐射/衍射理论为依据,采用ANSYS workbench软件,对风、浪、流荷载联合作用下平台的动态响应进行数值模拟,得到荷载作用方向、波浪频率对平台6个自由度运动的影响和波浪频率对波浪力的影响。结果表明漂浮式基础的运动相应主要集中在低频率波浪阶段;浪向的改变对纵摇、横摇、纵荡和横荡的影响较大,而对垂荡和艏摇的影响较小;基础在纵荡、垂荡和纵摇方向所受阻尼力、阻尼力矩、一阶波浪力和波浪力矩均随着波浪频率的增大而先增大后减小;对基础影响最大的时域响应值是纵荡、横荡与艏摇。

半潜式海上风电平台运动特性研究

海上风电场的设计水深逐渐增加,风机功率不断提高,传统的固定式基础不再适用,性能优良的浮式基础已成为研究的热点。针对60m水深,为600kW水平轴风机设计半潜式基础和系泊系统。运用SESAM软件建立半潜式风电平台的有限元模型,分别计算其频域和时域运动响应,分析其运动性能和系泊缆张力,对海上浮式风电场的开发具有一定的指导意义。

基于空气动力-水动力耦合的新型半潜式海上风机动力响应分析

本文概念性地设计一种新型半潜式海上风机基础,分析基础的水动力系数和幅频运动特性。提出一种基于SESAM-FAST-ORCAFLEX软件的风机-基础-系泊系统全耦合模拟方法,考虑二阶波浪力和粘性阻尼的作用,对风机系统进行空气动力-水动力时域耦合分析,并研究风浪入射角对运动响应和系泊力的影响。结果表明:新型半潜式风机基础具有良好的运动性能,在横荡、垂荡、横摇和纵摇方向上较现有型式有大幅的提升;风浪入射角对运动响应和系泊力有明显影响,在纵荡、横荡、横摇和首摇方向上动力响应受入射角的影响较大;同一工况下,系泊力随着入射角度的增大而增大,极端工况下系泊力最大值是工作工况的2.5倍,在系泊系统设计时需要重点关注。

风浪夹角对浮式风机水动力及发电效率的影响

【目的】研究不共线风浪对于浮式风机基础水动力性能的影响。【方法】利用OrcaFlex软件搭建10 MW风力机、半潜式浮式风机基础和系泊系统的全耦合模型,针对不同风浪夹角下的浮式风机进行数值模拟。【结果与结论】风向角变化对浮式风机基础运动影响较大,浪流角度的变化对风力机运动影响较小。风向角由0°变化到30°、60°、90°,风机发电效率分别降低11.61%、58.27%、81.69%;浪流角由0°变化到30°、60°、90°,风机发电效率分别降低0.23%、0.69%、0.91%,表明风向角变化会导致浮式风机发电效率明显减弱。

环境荷载作用下海上浮式风电结构动力响应研究

针对半潜式海上浮式风电结构,建立结构整体有限元模型,通过对其进行水动力分析以及风浪作用下整体结构时域动力响应分析,研究不同结构参数,如立柱间距、立柱直径、结构吃水以及是否有压水板对结构动力响应的影响。分析结果表明:立柱间距与压水板对于结构水动力影响较大,结构时域响应受立柱间距、立柱直径及压水板影响明显。

15MW级大型漂浮式风力机运动特性

为了研究不同湍流模型、湍流度及不同风速作用下漂浮式风力机(FOWT)基础的运动特性,以国际能源署(IEA)公开的15MW级大型半潜式浮式风机为研究对象,采用OPENFAST软件对浮式风机进行全耦合时域仿真模拟,对平台的纵荡、纵摇和垂荡运动特性进行研究分析。研究发现:在正常湍流作用下,风速高于额定条件时,平台在压载水主动调节作用下使得纵荡更加稳定,但伴随着风速增大,其对平台纵摇和艏摇的影响越剧烈;在极端湍流作用下,风速低于额定条件时,风机运行效率低,而在高于额定条件时,艏摇运动幅值增大,纵摇和垂荡运动表现得更加稳定。