深水浮式风电平台系泊系统优化设计

陈旭东,孔国照

(招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100)

浮式风电是未来离岸风电的重要发展方向,一直被视作最具潜力的可再生能源开发领域。但海上浮式风电产业投资规模巨大、风险成本较近海固定式风电项目更高,因此对设备的性能及可靠性有着极高的要求。已有的项目经验表明,三浮体半潜式平台基础具有较好的运动响应特性与经济性,系泊系统的设计与优化,是影响深水浮式风电平台运行安全与发电效能的关键因素。考虑以10 MW深水浮式风电平台采用的多点系泊系统为对象,对系泊缆数量,系泊点位置,系泊线夹角及预张紧力等参数进行不同组合,并充分考虑环境载荷中风、浪、流成分对平台运动响应与风电主机发电效能的影响,采用全时域耦合分析方法[1],确定系泊系统设计的关键参数与优化方向,对系泊系统方案进行优选设计,探寻成本效费比最优的系泊系统布置方案。

1 深水浮式风电平台技术参数

10 MW级浮式风电平台由3个主要部分构成,其中主机位于高度约110 m的塔筒立柱顶端,平台本体由3立柱式浮筒及底部水平横撑结构组成;系泊系统由沿着纵向对称布置的8点式悬链线锚泊定位组件构成。其工作吃水为20 m,此时总排水量超过13 000 t,平台顶部箱梁具有可观的内部容积,保证了平台的破舱稳性,同时未来可以朝着风电-绿色制氢的方向拓展浮式风电平台的功能。其主要技术参数见表1。

表1 10 MW浮式风电平台主要技术参数

表2 R4S有档电焊锚链技术规格

10 MW级浮式风电平台的外形见图1。

图1 10 MW级浮式风电平台外形示意

2 系泊系统布置

10 MW级浮式风电平台的系泊系统由8根钢制有档锚链组成,其中每2根锚链组成1组,沿着X,Y方向呈4×2型式对称布置。8点悬链线式锚泊系统采用4组系泊点与平台浮筒下部的制荡舱顶板相连,每个系泊点连接2根锚链。每组锚链与X轴呈38°夹角,每组中2根锚链之间夹角为4°。平台系泊系统布置见图2。

图2 浮式风电平台系泊布置示意

单根锚链采用R4S级有档电焊锚链,直径为114 mm,总长度840 m,在100 m水深下单根锚链静态躺底长度约600 m,锚链技术规格见表格2。

3 时域全耦合分析方法

风电主机与叶片系统布置在高度超过100 m的塔筒顶部,其叶片尖端线速度可达90 m/s[2],与平台系统10～40 s的典型运动周期具有较大的差异。为了准确评估浮式风电系统的发电效能以及系泊系统有效性,需要在分析过程中同时计入以下效应。

1)风机叶片的气动弹性耦合效应。

2)平台浮体与系泊锚链系统的耦合效应。

3)风机塔筒结构与平台浮体的耦合效应。

4)风电主机控制系统操纵叶片变矩调桨过程与平台浮体运动的耦合效应。

10 MW级浮式风电平台的设计工作引入了全时域耦合分析的分析方法。通过将风电主机、叶片系统、平台浮体及系泊锚链的运动特征及载荷输入进行数字化建模,从而构成一套综合性运动分析系统,对于采用多点系泊系统的浮式风电平台,其在时域下的运动方程可以描述为

(1)

式中:i为带系泊系统的浮式风电平台运动自由度;aij为平台的惯性质量矩阵;mij(t)为平台的附加质量矩阵;Kij(t)为阻尼函数矩阵;Cij为静水恢复力矩阵;Fi(t)为波浪激励载荷矩阵;Xj(t)为平台的位移矩阵。

分析过程是首先对浮式风电平台进行频域下的运动响应分析,计算平台浮体在不同浪向、频率的波浪成分作用下的附加质量以及运动响应RAO。选择波浪频率范围为0.1～1.8 rad/s,波浪频率步长为0.05 rad/s。波浪方向自0°～180°,方向递增步长为15°。时域分析的时间步长设置为0.01 s,分析总时长从3 600～10 800 s不等。针对多次时域分析结果,通过概率预报方法,预报浮式风电平台的运动响应极值,系泊锚链张力极值[4],风电主机的有效发电时长等设计目标参数。浮式风电平台风暴自存工况下3 h内的水平运动轨迹见图3。

图3 浮式风电平台水平位移轨迹时程曲线

4 系泊系统优化设计

悬链线式系泊系统在平台浮力、波浪拖曳力和重力的相互作用下呈现出高度的非线性特征[5]。10 MW级浮式风电平台在设计过程中建立以系泊缆数量、系泊线夹角、系泊点位置、预张紧力大小等为变量的系泊系统效能分析模型,通过分析单一因变量对浮式平台系泊性能的影响趋势,筛选能够得到最优系泊性能结果的变量值,直至得到整个系泊布置方案的最后参数组合。

分析结果显示,增加系泊锚链的数量,可以减小浮式风电平台的运动响应极值,但单一方向上的系泊锚链布置超过一定数量时,单根锚链的效率大幅降低,成本快速上升。同时沿X、Y轴双向对称4×2形式布置的系泊锚链相比呈中心对称3×3形式布置的系泊锚链在风暴自存工况下张力极值更小,动态载荷变化幅值更低,具有更好的安全性。见表3,风速为36 m/s,波高为4.75 m。

表3 风暴自存工况下不同布置型式的锚链张力极值比较

另一方面,当系泊锚链间的夹角增大时,每根锚链上的载荷差异将增大,平台在水平面内各个方向上的运动幅值将逐渐增加,水平运动的固有周期将增加,平台的稳定性会降低。

系泊锚链的预张紧力指风电平台在静水环境下通过张紧系泊锚链对系泊系统施加的初始刚度。预张紧力可以为浮式风电平台提供水平及垂直方向的回复力,将浮式风电平台遭遇的不同频率的风浪流载荷转化为系泊锚链变形带来的低频载荷,增加平台的稳定性。过小的预张紧力会导致平台的水平运动范围加大,同时升沉及横纵摇角度增加,同时过大的预张紧力将提高平台及系泊系统的建造与安装难度,提升建设成本,降低浮式风电平台的经济性。

目前10 MW级浮式风电平台的4×2型多点系泊系统在满足强度要求的同时兼具了良好的经济性,达到了设计目标。

5 发电作业状态系泊能力验证

10 MW级浮式风电平台的系泊系统的设计须满足以下条件。

1)在低风速条件下系泊线上的张力对平台漂浮状态的扰动最小,提高风电主机对低速风能的捕捉效率,提升风电主机的发电能效。

2)在中等风速条件下,风机叶片的攻角与桨矩可以维持在稳定状态,风电主机的发电效率达到最佳,此时平台浮体保持周期稳定的振荡运动,不会出现频繁的大幅度升沉运动或摆动,以避免风机叶片尖端出现失速,降低发电效率。

3)在高风速环境条件下,波浪及涌浪将对平台浮体产生显著的波频力与漂移力,此时系泊系统应对平台浮体提供较大的刚度约束,将平台运动对风机控制系统的影响周期尽可能拉长。

针对上述技术要求,在设计过程中预设了风电主机启动过程、风电主机正常停机过程及风电主机持续发电3种性能验证场景。以0.005 s为时间步长,连续分析2 400 s的平台运动与系泊系统动力响应情况,以平台的运动响应幅值与系泊线的张力结果极值为考察目标,评价系泊系统的安全性与有效性。

对于风电主机持续发电工况,则采用0.01 s为时间步长,持续分析7 200 s时间历程内的平台浮体运动响应、系泊锚链的张力极值、风电主机的功率输出。在分析过程中采用表4所示的风速与波高的联合分布数据。

表4 发电能力分析采用的风速与波浪联合分布参数

3种状态的分析结果显示,10 MW级浮式风电平台能够从设计要求的任何风速条件下正常启动并持续稳定运行,发电功率与发电效率满足设计要求,系泊锚链的张力满足规范设计要求,不会出现锚链破断或走锚的风险。

6 风暴自存状态系泊能力验证

选择36 m/s的风速及相应的海浪及涌流数据作为输入条件,模拟风速从25增加到36 m/s的风暴发展过程。风电主机的控制系统自风速达到25 m/s时开始停止发电,改变风机叶片的攻角以减小叶片上的风力载荷,并保持风机叶片空转以减小浮式风电平台系统受到的风载荷,当风速增大至36 m/s时,风电主机控制系统开始发出风机叶片刹车指令,风机叶片将逐渐降低转速直至停止。

分析过程采用0.01 s时间步长,分析过程总时长10 800 s,结果显示8点系泊系统为10 MW级浮式风电平台提供了稳定可靠的定位能力,保证了浮体平台的运动响应的频率与幅值满足风电主机的安全性要求,系泊锚链上的张力极值满足规范[3]要求,锚链远端与海底接触良好,不会出现走锚移位的风险。风暴自存工况下平台在水平面内的位移极值见表5,风速为36 m/s,波高为4.75 m,流速为2.0 m/s。

表5 风暴自存工况平台运动响应极值结果

分析结果显示,系泊锚链在各个方向风、浪、流载荷作用下的张力极值满足规范要求,锚链的张力曲线在时间上峰值分布均匀,典型的系泊锚链张力时程曲线见图4。

图4 风暴自存工况锚链张力时程曲线

7 结论

针对10 MW级浮式风平台设计了1套8点系泊系统,应用全耦合时域分析方法,对系泊系统设计参数进行优化分析,实现了系泊定位能力、抵抗环境载荷能力与建造成本的良好平衡。

1)非对称布置的系泊缆绳可能导致平台与风机对特定方向下的风浪流载荷产生突变的运动响应,表现为平台横摇加大,风机叶片扫风面积不稳定,桨矩变化剧烈,发电效率下降。

2)系泊系统自身的弹性与刚度显著影响平台浮体在水平面及垂直面内振荡运动的频率与幅值。当系泊系统布置型式不佳或系统刚度不足时,可能会导致浮体平台不规律的产生低频摇摆运动,从而导致位于塔筒顶端的风电主机由于叶片攻角不良而引起发电功率降低甚至停机。

3)对称布置8点式系泊系统较传统的系泊布置型式具有更好的系泊定位能力,不但降低了系泊系统全寿命周期下的建设与维护成本,还为多风机共用系泊系统,进一步降低系泊系统布置与建造难度提供了可能。