15 MW级Spar漂浮式风电平台的设计方案及水动力性能研究

[目的]针对15 MW级浮式风机,提出一种新型的Spar漂浮式风电平台设计方案,并对平台性能进行分析。[方法]基于势流理论对平台进行频域水动力计算,对不同浪向下的平台波浪力和运动响应特性进行研究;应用叶素动量法计算叶轮气动载荷并将其等效为风力系数,从而计算不同工况风浪流联合作用下的平台时域响应,同时对系泊缆的受力情况进行分析。[结果]结果显示,平台垂荡和纵摇在平台运动固有频率处出现了峰值点,且发生的位置均远离波浪的主要能量区域;在风浪流作用下,相较于工作工况,极限工况下的平台最大纵摇角略小,而最大纵荡和垂荡响应幅值以及最大系泊张力更大。[结论]研究证明新型Spar漂浮式风电平台具有良好的稳性和水动力性能,在设计环境载荷下,平台响应和系泊力均能满足要求,能够保障风力发电机组的安全性和稳定性。

CT-Spar平台及其系泊与立管系统优化

以CT-Spar平台及其系泊与立管系统为对象,识别出平台垂荡板数目、张紧式系泊缆预张力、钢悬链线立管上浮子位置及浮力大小为CT-Spar平台-系泊-立管系统设计时的关键参数。基于SESAM运用频域分析、时域耦合分析等手段,以系统运动响应及受力为指标,对这些关键参数进行分析与优化,结果表明,垂荡板数目由4调整为3、张紧式系泊缆预张力为1800 kN、3600 kN的浮子安装在距钢悬链线立管距顶端悬垂长度段的60%处的参数设计是适应1500 m深海风-浪-流复杂动力环境的优选方案。对该方案在极端动力条件及平台系统部分破损状态下进行时域耦合分析,发现该方案也能满足石油平台安全相关规范要求,并显著改善系泊缆、立管受力状态。

Spar平台多自由度耦合的涡激运动数值模拟研究

为研究Spar平台在均匀流作用下多自由度耦合的涡激运动特性,本文基于STAR-CCM+求解器建立了考虑流固耦合的Spar平台涡激运动数值模型,探讨了纵荡、横荡、垂荡、纵摇和横摇五个自由度的耦合效应。结果表明:Spar平台在横荡、垂荡与横摇三个自由度发生明显“涡激共振”现象,并且垂荡与横摇自由度“涡激共振”现象发生的速度区间基本一致;横荡与横摇自由度保持着较高的耦合性,横荡共振时横荡与横摇的运动主频保持1:1的关系,横摇共振时横荡运动频谱的次峰频率等于横摇运动主频;纵荡、垂荡与纵摇三个自由度存在复杂的非线性耦合运动关系,不仅纵荡、垂荡的运动主频始终存在于纵摇频谱中,而且纵摇与纵荡、纵摇与垂荡的耦合程度在不同的折合速度范围内存在差异。

新型漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊研究

提出漂浮式风力机Spar平台安装螺旋布置扰流片的设计方法,通过对水动力学软件AQWA的二次开发,实现风波作用下浮式风力机动态响应的求解,对比研究扰流片螺旋布置高度对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响以及对扰流片平台安装系泊配重后对平台动态响应与系泊张力的影响。结果表明:扰流片平台的辐射阻尼较原平台在纵荡、垂荡、纵摇方向上均有所提升;扰流片平台的纵荡、垂荡、纵摇幅值响应算子较原平台均有所降低;随扰流片布置高度提升对平台纵摇方向运动响应抑制效果最好、垂荡方向次之。在风波耦合作用下,扰流片能够降低平台纵荡、纵摇响应,一定程度上抑制垂荡运动响应;安装扰流片可降低风力机转子推力、平台系泊张力有所上升;对系泊安装配重浮筒,在有效降低系泊张力的同时能够抑制平台纵荡、垂荡运动响应,对纵摇运动影响较小。

Spar钻井生产储卸油平台油水界面监测试验研究

新型深水立柱式Spar钻井生产储卸油平台油水界面监测技术是保证该工艺顺利进行的关键技术之一。针对前期小试试验提出的静压式方法油水界面监测方案,本文开展Spar钻井生产储卸油平台储油系统1∶15缩尺比中试试验,考察静压式方法在该超长立柱式储油舱内的可靠性及适用性。研究结果表明:静压式方法在常规海况静态置换及一年一遇海况动态置换中对油水界面监测均具有稳定、可靠的测量特性,可适用于Spar钻井生产储卸油平台超长立柱式储油系统。另外,在监测系统中需设置高位/低位定点监测装置及精准的Spar钻井生产储卸油平台吃水监测系统以分别消除斜率偏差及曲线偏移引起的误差。

浅吃水SPAR型浮式风力机断缆情况下的动力响应分析

随着风电开发逐渐走向深远海,漂浮式风力机优势更为显著,但当前国际上相对成熟的SPAR型浮式风力机吃水较深,受中国海域水深条件限制,该技术难以直接应用。为此,本文面向100 m深海域,提出一种浅吃水SPAR型基础,基于三维势流理论分析其水动力性能,在此基础上研究该浅吃水SPAR型浮式风力机在不同情况下断缆后的动力响应,在时域内分析浮式风力机单根系泊缆破断后的风力机运动响应及系泊缆张力的变化。进而分析了预张力与风力机作业状态对断缆后风力机运动状态的影响。研究结果表明该浮式风力机能适应在100 m水深海域的正常工作,但系泊缆断裂后浮式风力机将发生大幅漂移,严重影响风场内其他风力机的正常作业,并对一定范围内运行的船舶存在潜在威胁。

一种新型深海海洋平台——几何形Spar和集成浮力桶的试验研究

介绍了一种新型深海海洋平台———几何形Spar壳体概念和集成浮力桶立管支撑概念,并与常规Spar和桁架式Spar进行了比较。为测定多角形Spar和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应的总体性能,设计并完成了在海洋工程水池中的模型试验,此类试验在国内尚属首次。

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves,ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。

国外Spar平台研究现状及中国南海应用前景分析

Spar平台是1种新型深水平台,其吃水深,水线面积小,运动稳定性好,适合500～3 000 m水深的油气开发工程。文中详细介绍国外Spar平台及其关键技术研究和开发现状,分析中国南海深水油气开发的应用前景及南海环境条件下的新概念Spar平台。

银杏叶提取物神经保护作用中Snk-SPAR途径机制探讨

为观察银杏叶提取物EGb761的神经保护作用与突触活化过程中Snk(serum-induced kinase)-SPAR(spine-associated Rap guanosine triphosphatase(GTPase)activating protein)途径之间的相关性,本研究采用RT-PCR、蛋白质免疫印迹及免疫荧光双重标记方法观察了EGb761对谷氨酸刺激后诱导的体外培养海马神经元中Snk、SPAR表达水平及分布变化的影响。结果表明,无论在mRNA水平还是蛋白质水平,EGb761均能明显阻断突触活化后Snk-SPAR途径的激活,并对谷氨酸刺激后神经元突起上Snk分布增多及其所导致的SPAR分布减少有明显的干预作用。以上结果说明,对树突棘内结构蛋白的调节以及对树突棘结构的稳定作用是EGb761神经保护作用的一个重要靶点。

Spar平台垂荡板受迫振荡水动力特性研究

首先针对圆形实板以及不同透空率下垂荡板作受迫正弦振荡的水动力特性进行了数值模拟研究,得到垂荡板作正弦振荡的阻力和附加质量系数,进而分析得出透空率对垂荡板阻尼及附加质量的影响规律;其次比较了相同透空率情况下不同小孔数目对垂荡板水动力特性的影响,并比较了不同形状垂荡板的水动力特性;最后还对双板之间的间距进行了优化计算。在此基础上综合考虑垂荡板受迫振荡水动力特性,为深水Spar平台的垂荡板优化设计提供技术指导,使其能够有效地改善Spar平台的垂荡运动性能。

Spar平台垂荡板水动力系数计算与分析

Spar平台带有厚度很薄的垂荡板,使用边界元方法计算时存在着准奇异积分的数值计算问题。采用自适应高斯积分法对其准奇异积分问题进行处理,较少单元即可达到很高精度。在势流理论下对Spar平台垂荡板的水动力系数进行了计算,并与实验结果进行了对比,发现真实流体中垂荡板的附加质量约为势流理论下附加质量计算结果的1.1倍,而辐射阻尼在总阻尼中所占的百分比很小,此时粘性阻尼成为垂荡板的主要阻尼来源,在工程设计中不可忽略。

海上漂浮式风力机Spar平台波频与慢漂响应性能分析

建立OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型,采用基于辐射绕射理论的面元法和完整的二阶传递函数(QTF)计算一阶与二阶波浪载荷,并利用叶素-动量理论对叶片气动载荷进行计算.对一阶与二阶波浪载荷以及由其引起的波频与慢漂响应进行对比分析,并分别讨论风、浪联合作用和不同海况下风、浪、流联合作用时的波频与慢漂响应.结果表明:一阶波浪载荷比二阶波浪载荷至少大1个量级,但两者引起的动态响应幅值在同一个量级;气动载荷不仅影响慢漂响应,而且对波频响应也有一定影响;波频响应主要受海浪影响,慢漂响应主要受气动载荷影响.

均匀流中深水系泊Truss Spar平台涡激运动试验研究

在工程中广泛应用的Truss Spar平台自诞生之初就为涡激运动问题所困扰,对其运动特性及抑制方法的机理性研究始终都在进行。采用截断系泊系统水池模型试验对设计中的Truss Spar平台在均匀流中的涡激运动响应进行了研究,分析了有无侧板平台的运动轨迹以及不同速度及流向角来流对平台运动的平衡位置的影响。在影响平台涡激运动特性的重要因素中,选取折合速度及流向角分别加以研究,分析了幅值在锁定区间中的变化规律,验证了减涡侧板对涡激运动良好的抑制作用,并对"热点"问题进行了探讨。为进一步研究Spar平台的涡激运动特性奠定了基础。

Truss Spar平台滑移装船研究

Truss Spar平台是当今Spar平台的主流形式。由于Truss Spar平台主体结构的特殊性,致使其滑移装船工程设计具有一定的特殊性。该文依据NOBLE DENTON指导性文件,从Truss Spar结构特点出发,对与平台装船相关的船舶滑道设计、滑靴设计、系泊设计、调载方案设计、泵和拖拉设备的选型等进行了研究,提出了需要关注的关键性技术问题,为今后Truss Spar平台主体结构的滑移装船设计提供参考。

Spar式风力机平台设计及水动力影响因素研究

针对NREL5MW风力机设计Spar式风力机平台并采用频域分析方法对该平台的水动力性能进行分析,研究纵荡板、平台工作水深以及重心高度对其水动力性能的影响。研究表明,垂荡板可将Spar平台的垂荡响应峰值降低至无垂荡板时峰值的1/3。当水深大于设计吃水的4倍时,水深对垂荡运动影响很小,这说明Spar风力机平台适合工作在水深大于4倍平台设计吃水的海域。当加压载后,平台重心低于设计重心的距离在0!0.8倍的设计重浮心距离范围内时,Spar风力机平台实际重心位置的偏离对平台的水动力性能影响较小。分析结果将为海上浮式风力机支撑平台的设计以及水动力性能研究提供参考。

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。

Spar平台垂荡—纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。

Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动模型试验研究

针对Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动问题,采用模型试验的方法进行了研究。设计了可拆卸的月池底部挡板及垂荡板,通过静水中自由衰减试验及波浪中强迫运动试验,分析了月池流体对平台主体垂荡运动的影响。结果表明:月池流体显著增加了平台垂荡阻尼;当波浪周期接近平台垂荡固有周期时,月池流体对平台主体垂荡有抑制效应,且抑制程度与月池开孔面积有关;对于较大的底部挡板开孔率,平台主体垂荡RAO有2个峰,当波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时,也会激起平台主体较大的垂荡运动。实际中采用半开口月池时,应考虑月池流体对平台主体垂荡运动的影响。

传统Spar平台垂荡-纵摇耦合内共振响应

本文中研究规则波浪下经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动内共振动力特性.考虑垂荡频率与纵摇频率的2∶1的内共振关系,在无系泊状态下建立了平台非线性耦合运动微分方程.应用MOSES软件建立了平台模型,计算了不同波浪周期下的一阶波浪激励力.采用多尺度方法求解垂荡-纵摇耦合运动响应的定常解并进行数值验证.计算结果表明,当波浪频率接近垂荡固有频率且波高达到某一极限时,平台垂荡运动的能量达到饱和;当波高继续增加时,垂荡能量开始向纵摇运动转移,导致平台发生大幅纵摇运动.