深海风电张力腿平台研究进展

陈波涛深海风电张力腿平台研究进展67深海风电张力腿平台研究进展陈波涛河海大学力学与材料学院。南京210098【摘要】深海区域具有发展风电的独特优势。对支撑风力机的张力腿平台的概念及形式进行简单回顾，并对该平台进展和特性研究。可知张力腿平台因稳定性好、风浪作用下动态响应小和造价相对较低而具有较强的发展潜力，对深海风电的发展具有重要的意义。【关键词】深海风电；张力腿平台；平台特性【中图分类号】TU3113【文献标识码】B【文章编号】10016864201312一OO6703RESEARCHONTLPWINDTURBINEOFDEEPRINECHENBOTAOCOLLEGEOFMECHANICSANDMATERIALS，HOHAIUNIVERSITY，NANJING210098，CHINAABSTRACTITHASUNIQUEADVANTAGEFORTHEWINDPOWERDEVELOPMENTINDE印一SEAILLCATHISPAPERREVIEWEDTHECONCEPTANDFORMOFTENSIONLEGPLATFORMTOSUPPORTWINDMACHINEBRIEFLY，ANDSTUDIEDTHEDEVELOPMENTANDCHARACTERISTICSOFTHEPLATFORMFORSTABILITYPERFORMANCEISBETTERUNDERWAVEACTION，THEDYNAMICRESPONSEISSMALLERANDTHECOSTISRELATIVELYLOWER，TLPHASASTRONGDEVELOPMENTPOTELATIAL，ANDITHASIMPORTANTMEANINGTOTHEDEVELOPMENTOFDEEPSEAWINDFARMKEYWORDSDEEPSEAWINDPOWER；TENSIONLEGPLATFORM；PLATFORMCHARACTERISTICS深水大于60M浮式风电是最具潜力的新兴绿色能源之一。目前深海浮体式海上风电尚处于概念和小容量示范阶段，其开发面临许多挑战，整机造价高，导致目标电量成本高于031KWH。为降低目标电量成本，需要对浮式基础进行优化设计，使其成本占整个系统成本的25左右J，而影响浮式基础成本的主要因素是海洋极端荷载对平台的动力响应。借鉴海洋石油天然气工业浮式平台设计分类原则，浮式风电平台有张力腿式、浮标式、半潜式、浮舟式、帆船式和舟式浮桥型等几种。张力腿平台TLPTENSIONLEGHAFFORM稳定性好，动力响应小，造价也较低；TLP的张力腿是竖向的，因此海洋空间占用量小，且对附近海域扰动小，从而对风场中相邻风机的影响也较小，对海洋风场的规模化和密集化构建具有重要的意义。1深海风电TLP概念及形式张力腿平台在20世纪八十年代就应用于海洋石油天然气工业，该平台由方形浮箱和柱形浮筒及上部的甲板组成。最早将IU，应用于深海风电的是马赛诸塞科技协会MIT。目前设计5MW张力腿风机浮式平台的单位主要有马塞诸管冷却和徐变应力的问题，重点模拟拱坝的动态浇筑过程，分析了拱坝采用实际工程浇筑方案后，坝体混凝土温度场和温度徐变应力场的分布情况。仿真计算结果表明，混凝土温度场与实际情况趋于一致，结果相符，开发的程序可以实现大体积混凝土浇筑过程温度场的仿真分析；但仿真过程中考虑的水管是平均意义上的，而实际水管周围具有温度梯度，即变温的，在这方面还待继续研究；同时本文中没有考虑到混凝土自生体积变形，为深入研究施工过程混凝土应力场，仍需对程序进行进一步开发。参考文献1朱伯芳大体积混凝土温度应力与温度控制M北京中国电力出版社，19992黄淑萍，等锦屏一级水电站大坝混凝土浇筑45M层厚关键技术研究报告J河海大学学报，2011，812173朱伯芳，王同生，丁宝瑛，等水工混凝土结构的温度应力与温度控制M北京水利电力出版社，19764廖功云，黄晓明ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用M南京东南大学出版社，200812收稿日期】20130922【作者简介】闫雪1988一，女，辽宁本溪人，硕士研究生，研究方向计算力学与工程仿真。68低温建筑技术2013年第12期总第186期塞科技协会意大利电力公司MITENE1、美国国家新能源实验室MITNREL等；所设计的支撑结构由排水量从846T级到12187T级的浮式平台和38根张力腿组成。根据张力腿锚泊系统及其布置方式的不同浮式平台的组合深海风电TLP可分为传统的TLP、混合型TLP和斜向张力腿的TIJP形式传统的TLP形式。传统的TLP形式图1是由传统的迷你型TLP海洋石油平台演变而来，它是由张力腿预张力和立筒浮力获得稳定；混合型的TLP形式。由竖向张力腿锚泊系统和浮标式或半潜式平台结合组成混合式TLP4J，该形式浮式风力机依靠张力腿张力、平台浮力和压载来维持稳定图2；斜向张力腿的TLP形式为了限制水平向运动和竖向运动，MITENEL设计出45。斜向布置的张力腿和浮式平台组成的TLP形式，主要依靠张力腿张力和回复力及平台浮力保持稳定。；37F简45图1传统的TLP风力机形式【3图2混合式TLP形式【剞现有的RLP浮式平台一般采用单立筒的形式图1；为了限制涡激振动和减小波浪荷载，COPPLE等5提出了几种有附加立筒的平台形式。张力腿锚泊系统多采用钢缆、链状系泊线、钢索缆、人造纤维和钢管内附钢缆作为张力腿。2深海风电RRLP研究进展为了了解张力腿风电浮式平台在海洋严苛环境下的运动及正常工作特性，从数值模拟、实验和设计等方面已开展了一些研究工作。21数值模拟方面JONERIKLONCYLYGREN采用GENIE，HYDRODWADAM对平台建立数值计算模型并进行时域模拟，研究表明和频波浪力对时域模拟的影响很小，一阶波浪力和慢漂力对非时域模拟部分有影响。HUANGH和ZHANG【73用流固耦合模态法结合TLP风力机工作机理研究不同水深和不同材料参数的TLP的动态特性，结果表明TLP可适应不同水深，张力腿长度和水深对平台的自振特性的影响很小，通过改变TLP尺寸和其他参数可以改善其动态特性，可降低由荷载引起的TLP的振动。由上可知，数值模拟主要侧重在对张力腿平台进行全耦合动态分析，用时域理论精确；频域理论需要做大量简化，主要应用于初始设计阶段；二阶波浪慢漂力、差频与和频对平台的影响较大。22实验方面STEWART等在造波池中对海洋大学根据弗鲁德缩放比例设计的150的TLP模型进行静态荷载测试、自由衰减测试和波浪及风荷载测试，获得对全尺度仿真模型进行校准的数据。REN和QU_9对基于NREL的传统的和附有链状物的新型TLP的160的两个5MW离岸风力机实验模型进行测试。实验结果和数值模拟结果吻合的很好，附有链状物的新型TLP能很好的减小平台的纵荡位移，纵荡加速度和肌腱张力对整个系统的影响，对确保整个系统的安全性及良好的运转性具有重要的意义。这些实验表明，在风浪情况下，风荷载对浮体纵摇和减小锚白线振动方面是有益的，塔柱和风力机在一定程度上会阻滞平台的运动。23设计方面ZHAOYS等设计了一种多立筒新型TLP，可支持5MW风力机，所用的环境参数和NREL的OC3一HYWIND的一样。整个系统通过转子的转动避免共振，用数值模拟工具FAST对气一水一弹性伺服时域耦合分析并和MITNREL的TLP的数据进行比较。结果表明，该平台满足安全性要求，在极端风良情况下具有良好的运动特性，很有发展潜力。由上可知，现阶段对平台的设计主要侧重于对平台结构形状和尺寸的优化，还有张力腿的初始应力设计。而事实上，对于平台除了进行形状和尺寸优化外，还需对平台结构进行拓扑优化；对于张力腿的设计，除需合适的材料外，还需对张力腿的布置及数目做出研究。除此之外，还需对TIJP风力机进行使用寿命的评估，耐腐蚀特性和疲劳特性等方面仍需进一步的研究。3深海风电TLP特性研究通过对深海风电TLP设计挑战的评估和对钢结构TIJP及钢筋混凝土TLP这两种材料的TLP进行对比，从而能够对深海风电TLP特性进行研究。31深海风电TLP设计挑战评估I设计工具和方法。系统自由度增加和风力机及平台之间的耦合会引起TLP在风浪荷载状况下较大的运动及响应，开发精确的模型工具的难度较大。对TLP所受波浪荷载的预测需要新的分析工具，尽可能的减小波浪荷载对TIJP引起的响应。2浮箱造价及复杂性。TLP浮箱是对排水量要求最低的浮式平台形式，但浮箱结构的强度设计需要满足来自张力腿的张力及水压力的作用。3张力腿系统造价及复杂性。一般的锚泊系统的造价随水深的增加而增加，TLP的锚泊系统大多都是竖向的张力腿，对张力腿进行设计时不仅要求张力腿能够承受较大的荷载，还需避免发生松弛现象以免浮箱发生倾斜。陈波涛深海风电张力腿平台研究进展4锚锭造价及复杂性。TLP需要把绷紧的张力腿锚固在高性能的锚锭上，从而抵消浮箱提供的浮力和阻止极端环境下张力腿的松弛，锚锭设计对TLP的稳定非常重要。5现场安装难易性。对于较稳定的TLP风力机，可以把锚锭设计成和浮式平台一起漂浮的箱体，拖到网点后向箱体投放压载物，锚锭和浮式平台分离，简化现场安装。6退役和维护。对T【JP维护时需要把浮箱从水下上升到水面，拖回港口进行维护，困难之处在于浮箱上升过程中如何把浮箱和张力腿分开而不发生倾斜。7耐腐蚀及抗冰能力。TLP的浮箱通常都在水下，因此抗冰能力强，但需使用耐腐蚀材料或进行阴极防护，这无疑会增加成本。一8水深依赖性。11LP的锚泊系统造价随水深的增加而增加，但增加幅度不大。9海底土壤敏感性。而TLP多用吸力桩锚，对海底土壤条件适用性强。10空间尺寸占用量。TIJP的张力腿都是直线式部署，占用海洋空间小，对其它海洋活动影响小。11对波浪敏感性。TLP的浮箱处于水下，很容易避开极端波况，当浮箱所处水深不小于最大波长的一半时，波浪荷载对浮箱的作用可忽略。32深海风电两种材料TLP对比目前多数的1LP都采用钢结构，考虑到钢材价格高昂，耐腐蚀性差及产量有限，不能满足海上风电单机大容量浮式平台的批量生产要求。与其相比，TLP混凝土浮式风机平台的造价相对较低、平台底部平坦有利于降低流体对平台底部摩阻力的影响；混凝土平台耐腐蚀性比钢结构好，可以增加使用寿命。但是，钢管和混凝土平台接触处理较复杂，和预埋件的焊接及防腐处理会比较困难。33深海风电1I特性TIP稳定性较好，在设计工具的开发和分析方法的难易程度、浮箱造价及复杂性、锚链线造价及复杂性、海洋空间占用量、对风机控制系统复杂性的影响和对风机最大横倾角的影响方面占有绝对优势；但由于TLP的张力腿大多是竖向布置，其锚锭不仅要抵消浮力还要能够避免肌腱在严苛环境下发生松弛现象6】，因此锚碇的造价高且较复杂。为减小波浪的影响，浮式平台完全浸没在海水中，虽减小了波浪荷载的作用，但加大了潜在负荷成本和退役及维护的困难性，对水深依赖性较强，对海底岩土环境适应性强。4结语深海风电TLP的主要功能是支撑、维稳和漂浮。对TLP在地震荷载下进行时域响应分析以确定其对地震的反应特性，确定在地震荷载作用下TLP的张力腿的安全因子，使平台稳定性更好，动力响应更小，最终控制平台造价以降低总体造价，使其对海洋风电的发展更具发展潜力。参考文献IMUSIALW，BUTTERFIELDSFUTUREFOROFFSHOREWINDENERGYINTHEUNITEDSTATESCENERGYOCEAN2004CONFERENCE，2004462尚景宏，罗锐，张亮海上风电基础结构选型与施工工艺J应用科技，2009，36961O3BACH3RNSKIEE，MOANTDESIGNCONSIDERATIONSFORTENSIONLEGPLATFORMWINDTURBINESJMARINESTRUCTURES，2012，291891144BOTTAG，CASALEC，LEMBOE，ETA1RESOURCEANDTECHNOLOGYASSESSMENTFOREVALUATINGITALYOFFSHOREWINDENERGYPOTENTIALCCLEANELECTRICALPOWER，2009INTERNATIONALCONFERENCEONIEEE，20095075135COPPLERWANDCUNEYTCAPANOGIUTENSIONLEGWINDTURBINECONCEPTUALDESIGNSUITABLEFORAWIDERANGEOFWATERDEPTHSCPROCEEDINGSOFTHETWENTYSECOND2012INTERNATIONALOFFSHOREANDPOLARENGINEERINGCONFERENCERHODES，GREECE，2012，613966LYGRENJELDYNAMICRESPONSEANALYSISOFATENSIONLEGFLOATINGWINDTURBINEDNORWEGIANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTEEHNOLOGY，20117ENGCODYNAMICANALYSISOFTENSIONLEGPLATFORMFOROFFSHOREWINDTURBINESUPPORTASFLUIDSTRUCTUREINTERACTIONJCHINA0CEANENG，2011，2511231318STEWARTGM，LACKNERMA，ROBERTSONA，ETA1CALIBRATIONANDVALIDATIONOFAFASTFLOATINGWINDTURBINEMODELOFTHEDEEPCWINDSCALEDTENSIONLEGPLATFORMCPRO22NDINTEMATIONALOFFSHOREANDPOLARENGINEERINGCONFERENCE，20123803879RENN，LIY，OUJ