Truss-spar-buoy风机承载浮式平台的概念设计.pdf

Truss spar buoy 风机承载浮式平台的概念设计 朱航 1 2 欧进萍2 3 1船舶工艺研究所 上海200032 2哈尔滨工业大学 土木工程学院 哈尔滨150090 3大连理工大学 土木水利学院 辽宁 大连116023 摘要 参照truss spar平台的结构特点 设计了适用于风机发电的Truss spar buoy浮式平台 与现有的几种设计 方案相比 该平台有着更为合适的吃水深度 更优秀的稳性 以及更为便利的安装方式 通过数值方法 对比了平 台在几种海况下的风和浪载荷极值 并计算了平台在中国南海10年重现期自存海况下的时域运动响应 文中的 研究结果可以为浮式风力发电平台的设计提供参考 关键词 风机 浮式平台 运动响应 中图分类号 P751文献标识码 A Conceptual design of a Truss spar buoy support platform for offshore wind turbine ZHU Hang 1 2 OU Jin ping 2 3 1 Shipbuilding Technology Research Institute Shanghai 200032 China 2 School of Civil Engineering Harbin Institute of Technology Harbin 150090 China 3 School of Civil Hydraulic Engineering Dalian University of Technology Dalian 116023 China Abstract According to the structural features of the truss spar platform a Truss spar buoy platform was de鄄 signed for offshore wind turbine Comparing with other floating support platforms the truss spar buoy plat鄄 form has many advantages more suitable draft for power transmission better performance of stability and easi鄄 er to installation The maximum value of wind loads and wave forces of the platform under several sea condi鄄 tions are compared by numerical methods and the motion performance of the platform under 10 yr return peri鄄 od survival condition in South China Sea was calculated in time domain The results may serve as a reference on the design for offshore wind turbine platforms Key words wind turbine offshore platform motion performance 1引言 随着能源需求的增加与不可再生能源的消耗 可再生新能源的发展受到人们的日益重视 风能发 电是可再生能源的利用中技术成熟 具开发条件的发电方式之一 有着非常广阔的发展前景 据欧洲风 能协会报告预测 2020年时 全球风能发电将占发电总量的12 1 目前 风力发电设备主要用于陆上和近海地区 与陆上风相比 海风有着风速高 静风期少 风速随 文章编号 1007 7294 2012 11 1267 07 收稿日期 2012 05 20 作者简介 朱航 1983 男 博士 主要从事深水平台运动响应的研究工作 Email zhuhang00 欧进萍 1959 男 中国工程院院士 博士生导师 第16卷第11期船舶力学Vol 16 No 11 2012年11月Journal of Ship MechanicsNov 2012 1268船舶力学第16卷第11期 高度变化小 不必限制噪音 等诸多优点 可以大幅度地 增加发电量和延长设备寿 命 随着近海地区风力发电 技术的成熟 如何利用深海 地区的风力发电 已成为学 者的研究热点 与陆上和近 海地区的风机下体固定式结 构不同的是 在深海地区 由 于水深的增加 风机需安置 于浮式平台上 以降低安装 成本 用于深海地区风力发电 的浮式平台 常见的有三种 结构形式 如图1所示 基于 各自的结构特点 三者的设 计概念也有很大不同 下面 将分别对这几种结构形式进 行介绍 第一种平台 左一 为spar buoy式平台 有着spar平台的结构特点 采用压载舱使得平台的浮心 高于重心 以此保证结构的稳性 并配以锚泊系统以控制平台的水平位移 这种平台需要很深的吃水 按文献 2 介绍 该平台整体的吃水在120m左右 第二种平台 左二 为TLP式平台 有着TLP的结构特点 平台的浮力大于重力 并通过张力腿系 统固定于海底 以此保证结构的稳性及控制水平位移 在结构完好时 这种平台的力学性能合理 但是 由于这种平台无自我回复刚度 如果张力腿发生意外断裂 平台有极大的可能发生倾覆 因此 这种平 台有着很大的安全隐患 第三种平台 右一 为barge式平台 有着巨大的水线面积 以此保证平台的稳性 并配以锚泊系统 以控制平台的水平位移 这种设计的理念是通过平台偏转时 两侧入水体积的变化所产生的浮力差来 提供弯矩 但是 这种平台的水线处面积过于庞大 平台所受到的波浪力也因此很大 会对锚泊系统的 性能有很大需求 因此 这个方法的经济性不好 此外一些学者通过将风机平台联合固接于一起的方法 3 4 增大各平台水线面到水线面形心的距 离 以此增大平台的水线面二阶矩 达到增大平台稳性的目的 但是 由于叶片较长 为避免叶片的互相 碰撞 各风机需间隔很远 将各风机平台刚接需要很高的成本 因此 这种方法的经济性也是不好的 本文在借鉴以上几种平台形式的基础上 参考了Truss spar平台的结构特点 设计了更适用于风 机发电的Truss spar buoy浮式平台结构 下文将对这种平台的结构特点及运动性能进行说明 2 Truss spar buoy平台参数说明 2 1风机参数 由于浮式平台结构为承载风机所用 首先对其上承载的风机参数进行说明 以NREL 5MW风机 为例 5 其详细参数如表1 图1风机浮式平台常见结构形式 Fig 1 Main structures of the floating wind turbine platforms 第11期朱航等 Truss spar buoy风机承载浮式 1269 表1 NREL 5MW风机参数 Tab 1 Parameters of the NREL 5MW wind turbine 5MW风机详细参数 转轮方向 配置 转轮直径 转轮中心高 转轮质量 控制室质量 塔身质量 塔身底部截面直径 壁厚 塔身顶部截面直径 壁厚 风机总质心位置 迎风向 3叶片 126m 90m 110 000kg 240 000kg 347 460kg 6m 0 027m 3 87m 0 019m 0 2m 0 0m 64 0m 2 2设计理念 2 2 1平台水下主体结构设计 从风力发电对浮式平台需求可知 适用于风力发电的浮式平台 需要有很好的稳性 即平台在风 的作用下发生偏转时 平台会有自我回复能力 也就是说 对平台结构的改进 首先要使平台具有正的 偏转静水回复刚度 平台的偏转静水回复刚度可表示为 K L BG V Iww 酌 1 其中 酌为海水容重 LBG为浮心与重心的高差 V为平台的吃水体积 Iww为平台的水线面二阶面积矩 由前面分析可知 完全通过增大平台水线面二阶面积矩的方法是不经济的 对平台的改进方案 应从 增大浮心与重心的高差 以及增大平台的吃水体积两方面考虑 如欲控制平台的偏转角度极值的大小 仅依靠平台自身结构提供的偏转静水回复刚度是不够的 因为这意味着巨大的水下体积 这样会大幅地增加平台的建造成本 设计时 应在平台保持自身稳性 的基础上 同时采用系泊系统来控制平台的偏转极值 下面借鉴truss spar平台的结构特点 设计出满足这种要求的Truss spar buoy浮式平台结构 该 结构通过靠近水线处的浮箱提供浮力 并通过水下深度较大的重箱提供压载 二者之间通过桁架结构 连接 并设置垂荡板结构以减小平台的垂荡响应 2 2 2水线面积 为了减小波浪对结构的作用 大多数的风力发电浮式平台 其水线面处面积都很小 仅满足结构 承重要求 barge平台除外 但是 这样设计的平台 会造成运输和安装过程的很多不便 为了施工上 的方便 本文设计的新型平台 其水线面处的面积将大于风机底面面积 运输时可分为两段 第一段为 风机结构 第二段则为除风机外的其余结构 在安装时 将第二段通过锚泊系统固定于水底后 第一段 吊装插入第一段固定即可 2 3尺寸参数 图2为Truss spar buoy平台风机之下结构的示意图 表2为相应的尺寸参数 这些参数可以根 据不同的海况或需求而调整 表2 Truss spar buoy平台尺寸参数 Tab 2 Parameters of the Truss spar buoy platform 平台详细参数 浮箱截面直径 顶面高程 底面高程 桁架直径 数量 垂荡板直径 顶面高程 底面高程 压载舱截面直径 顶面高程 底面高程 风机平台整体重心位置 纵摇 或横摇 回转半径 16m 5m 40m 2m 4根 16m 55m 56m 16m 70m 85m 0m 0m 55m 45m 图2 Truss spar buoy平台水下结构示意图图3锚链水平投影示意图 Fig 2 Truss spar buoy platformFig 3 Mooring line system 2 4锚泊系统 平台的锚泊系统由12根锚链组成 每3根为一组 均匀地分布于平台四周 相邻的两组中心线夹 角为45 同组相邻锚链的夹角为3 其水平投影图如图3所示 锚泊系统的详细参数如表3 该参数 将用于200m水深的海况条件 锚缆与平台的连接点设置于水线面下 高程 10m的位置 同样 这些参 数也可以根据不同的海况或需求而调整 表3锚链参数 Tab 3 Parameters of the mooring line 材料直径 m轴向刚度 t破断载荷 t长度 m K4 chain0 09072 600841450 3风机对平台的影响 3 1风机转轮与塔架的水平风力对比 风机对结构的影响 可分为转轮和塔身的水平风力 以及二者对平台所造成的弯矩 其中 塔身的 水平风力Ftower 其计算方法为 Ftower H 0Fwind h H 00 5籽CdAhv 2 h 2 其中 H为转轮中心距水面高度 Fwind h为 塔身上高度h处的风载荷 籽为空气密 度 Ah为塔身上高度h处风的作用面积 vh为塔身上高度h处的风速 Cd为风力系 数 6 对于转轮的水平风力 由于变桨距 技术 7 的存在 当风速超过其临界值时 风机叶片的角度会发生变化 以达到降 低风载荷 并保护风机的目的 这说明当 风速超过临界值时 Cd的值会逐渐减小 此外 对于不同的风机而言 其风力系数 的变化规律也并不一致 图4风机转轮与塔架的水平风力对比 Fig 4 Comparison between the rotor and hub wind loads 1270船舶力学第16卷第11期 文献 5 给出了NREL 5MW风机转轮的水平风力 将根据 2 式计算所得的塔架的水平风力与风 机转轮的水平风力进行对比 其结果如图4所示 对比结果表明 在不考虑遮蔽效应的情况下 风机转 轮的水平风力值远大于塔架的水平风力 因此 下面的计算中将忽略塔架的水平风力 以及它所造成 的弯矩 图4的结果同样表明 转轮的水平风力极值出现于风速为11 5m s时 此时对应的水平风力值为 0 81MN 出于安全考虑 风机对浮体的影响 将按转轮的水平风力极值 作为定常力作用于控制室位 置 即有 Fwind 0 81MN 3 这样 风对平台的弯矩极值Mwind可以表达为 Mwind h c hg Fwind 4 其中 hc和hg分别为转轮中心与平台整体的重心高度 3 2波浪载荷与风载荷的比较 本段对平台风和浪载荷对比 包括水平力极值 以及会造成平台纵摇或横摇响应的弯矩极值的对 比 载荷计算过程中 设定水平风力及风弯矩为定常力 而波浪对平台作用的数值模拟中波浪谱选为 Jonswap谱 并取时域结果中3h时长内波浪载荷的极值作用比较所用载荷 表4为不同重现期时平台 的风 浪载荷极值的对比结果 计算表明 水平风力极值不到水平波浪力极值的5 可以忽略不计 但 是风弯矩的极值可占波浪弯矩极值的11 以上 需要得到足够的重视 表4平台风和浪载荷极值比较 Tab 4 Comparison between platform wind loads and wave force 重现期 y 151025 1min平均风速极值 m s 波浪谱峰周期 s 有义波高 m 水平风力极值 水平波浪力极值 风弯矩极值 波浪弯矩极值 33 5 11 3 7 6 4 68 16 43 44 8 13 0 10 2 3 71 13 6 48 3 13 6 11 1 3 31 12 5 51 6 14 4 12 1 3 23 11 9 4平台运动响应的数值计算 根据前文所列参数 采用aqwa5 7A软件 采用时域方法计算了平台在10年重现期 自存海况和 风浪联合作用下的运动响应 计算过程中不考虑海流对平台的影响 数值计算过程中平台的运动方程 及求解方法可参考文献 8 图5平台垂荡响应RAO的数值结果图6平台纵摇响应RAO的数值结果 Fig 5 Heave motion RAO of the platformFig 6 Pitch motion RAO of the platform 第11期朱航等 Truss spar buoy风机承载浮式 1271 4 1平台运动响应的频域结果 首先通过频域方法对平台的运动响应进行研究 考虑平台的对称性 只针对平台的垂荡和纵摇响 应RAO进行分析 计算结果如图5和图6所示 计算结果表明 平台垂荡响应的共振频率段在0 2 0 35rad s 纵摇响应的共振频率段在0 25 0 35rad s 二者都避开了南海波浪的主要频率段 这表明 设 计的平台在中国南海海域有着很好的耐波性能 4 2平台的运动响应的时域计算 下面计算平台在10年重现期自存海况 风浪联合作用下的时域响应 以得到对平台运动性能更 全面的认识 考虑平台的对称性 只对风浪同向 入射角均为180 时的海况进行模拟 计算结果如下 文 图7 9分别是平台的纵荡 垂荡和纵摇运动响应时程曲线 计算结果表明 平台的纵荡响应最大 位移在15m左右 垂荡响应最大位移在4m左右 这两个位移都很小 不会影响电力的输送 但是 平 台的纵摇响应极值在33 左右 这个角度可能偏大 必要的话 可以通过增加平台的水下体积 即增大 浮箱即压载体积 的方法 进一步减小平台的纵摇响应 但这个改造方案同时也会增加平台的建造成 本 图7平台纵荡响应时程曲线图8平台垂荡响应时程曲线 Fig 7 Surge motion response of the platform in time domainFig 8 Heave motion response of the platform in time domain 图9平台纵摇响应时程曲线图10点O的水平运动响应时程曲线 Fig 9 Pitch motion response of the platformFig 10 Horizontal motion response of Point O in time domainin time domain 在得到平台各自由度运动响应之后 平台上各点的运动响应也可以随之得出 图10为水线面的 平台上 与平台固接的点O 0 0 0 的运动响应 计算结果表明 水线面上点的水平位移其最大值可达到 30m 这说明在平台30m范围之内 不宜有其余海洋结构物存在 以避免撞击对平台所造成的破坏 1272船舶力学第16卷第11期 平台纵荡响应时程曲线 平台纵荡响应 m 时间 s 平台垂荡响应时程曲线 平台垂荡响应 m 时间 s 时间 s 时间 s 平台纵摇响应时程曲线点O的水平位移时程曲线 平台纵摇响应 点O的水平位移 m 5结论 本文参考truss spar平台 设计了适用于承载风机的Truss spar buoy浮式平台结构 通过对该平 台结构的研究 得到结论如下 1 Truss spar buoy平台的吃水为85m 这表示该平台可以用于一些水深较浅的区域 这样可以 降低电力的输运成本 2 在安装NREL 5MW风机后 对该平台的风 浪载荷极值进行了对比 对比结果表明 水平风 力极值不到水平波浪力极值的5 而风弯矩的极值可达到波浪弯矩极值的11 以上 3 在中国南海10年重现期自存海况 风浪联合作用下 该平台的纵荡 垂荡和纵摇响应极值分 别为15m 4m和33 这表明平台的位移很小 不会对电力输送造成不利影响 但是偏转较大 如欲降 低平台的偏转响应 可进一步增大平台水下结构的体积 但是这样会增加平台的建造成本 4 平台水线面上点的水平位移极值可达30m 在这个范围内不宜有其余海洋结构物的存在 以 避免撞击对平台的破坏 参 考 文 献 1 赵洪杰 马春宁 风力发电的发展状况与发展趋势 J 水利科技与经济 2