贾法勇1秦明1王建峰1吴永祥1唐友刚2
1.国电联合动力技术有限公司北京100039
2.天津大学天津300072
摘要：海上风电资源的开发，促进了世界各国深海风电浮式基础研究工作的深入开展。目前，风电浮式基础设计理论与技术已经成为海上风电领域研究的热点之一。本文针对典型海上风机浮式基础之一半潜式基础，探讨了海上风机半潜式基础的特点，分析了国内外在半潜式基础设计领域的研究现状，指出了海上风机半潜式基础设计中的关键技术问题，可供我国海上风机半潜式基础设计工作参考。国家干部
关键词：海上风机半潜式基础关键技术
s7520The Key Technology Discussion to Design for Semisubmersible
Foundation of Offshore Wind Turbine
Jia fayong1, Qinming1, Wang Jianfeng1, Wu Yongxiang1, Tang Yougang2
1. Guodian United Power Technology Company LTD, Beijing 100039
2. Tianjin University, Tianjin 300072
Abstract: The exploitation of offshore wind power has promoted the further development of research on deeper water offshore wind turbine floating foundation in the world. Nowadays, the design theory and technology of floating foundation has been one of the research focus on offshore wind power. In this paper, the character of offshore wind turbine semisubmersible foundation, a type of floating foundation, is discussed, the research status of semisubmersible foundation design in and abroad is analyzed and the key technology of design for semisubmersible foundation is presented, which offers the reference to design on offshore wind turbine semisubmersible foundation in our country.
扬州大学Key words: Offshore Wind Turbine, Semisubmersible Foundation, Key Technology
0 导语
海上风力资源丰富。通常离岸10 km 的海上风速要比沿岸陆上高出25 ％[1]，深海区域的风力资源比近海区域更为丰富。据统计，美国海域在水深60～900 m处的海上风力资源达到1 533 GW，而近海0～30 m的水域只有430 GW[2]。据国家发展和改革委员会能源研究所等机构的研究，中国近海10 m、20
m和30 m水深以内的海域风能资源分别约为1×108kW、3×108kW和4.9×108kW。按比例计算，深海60～900 m处的海上风能资源将约有l7.4×108 KW[3]。深海风力发电发展前景广阔。
目前，国内外对海上风电场的开发还限于浅海，基础结构均为固定式基础[4,5]。但随着海上风电开发的深入，深海风电开发将会是一个潜在的巨大市场，一种新型海上风机基础——浮动式基础将得到发展应用。
海上风电机组浮动式基础尚处于初步研究阶段。归纳起来主要有半潜式、Spar型、TLP 型等三大类型[4,5]，见图1。
图1 海上风电浮动式基础
我国目前对Spar型和TLP 型浮动式基础的研究，还有许多关键技术问题没有解决，而对半潜式基础研究较多，技术相对成熟；加之半潜式基础可以安装在相对较浅（50米水深以上）的海域，因此，我们应该首先针对海上风机半潜式基础设计技术开展研究，并在此基础上进行工程示范。
1 半潜式基础结构特点
半潜式基础具体的结构型式很多，目前较常见的半潜式基础结构型式如图2所示，主要由立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊线和锚固基础组成[6,7]，依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线系泊来保证整个风机系统的稳定。半潜式基础吃水少，水线面积大，在运输和安装时具有良好的稳性。
朝鲜日报中文版在立柱内设计压载舱，以降低基础重心和提高基础稳性；在立柱下缘设计大尺度的压水板，以增加风电系统的附加质量和阻尼，抑制基础的运动。
系泊线选用锚链悬链线或锚链-钢缆-锚链型式，三角型基础一般采用9根系泊线，采用辐射状形式，从各个方向为基础提供回复力，见图3。
图2 半潜式基础结构型式图3 系泊线布置
2 国内外半潜式基础研究现状
国外对浮式基础的研究起步较早，提出了许多半潜式基础概念模型，见图4。上世纪90年代，WS Atkins公司、伦敦大学与荷兰能源研究基金会共同设计了一种浮筒式风机基础(MUFO)[8]，用一个下部浮筒作为浮体支撑多个风电机组。2003年，荷兰多家公司研究开发了三角平台基础(Triple floater)、四边平台基础(Quadruple floater)、圆台浮体基础(Pill box) [9]。
2006年，挪威开发了三角平台基础（Windsea），在每个立柱上安装一台风机，美国Thomas Zambrano提出了一种三浮体基础Minifloat[10]。2008年，美国海洋创新和技术研究所，联合其他公司，提出了一种叫做Windfloat的海上风机基础型式[11]，进行了模型试验。在2009年欧洲海上风能大会上，Takeshi Ishihara 提出了支撑单个风机的三立柱基础型式，并在日本国家海洋研究所进行了模型试验[12]。
理论研究方面，主要是应用线性波浪理论，预报波流载荷和计算浮式基础运动，而综合考虑气动弹性力和非线性水动力耦合建模的研究还很缺乏。2003年，Henderson 等通过计算叶片的气动弹性荷载和惯性荷载，分析了浮式基础结构运动对风电机组的影响[13]。2006 熊文修年，Nielsen等人采用线性波浪理论和气动弹性力学方法，发展了耦合动力分析程序[14]。2007年，Paul等针对5MW 风机，采用数值方法模拟风机转动荷载，综合考虑系泊系统、浮式基础和风电机，研究了浮式风电系统的静态和动态性能，计算浮式基础运动和系泊张力[15]。2009年，Roddier 等根据风机浮式基础的特点，分析了风机浮式基础的设计标准和规范，指出未来重点是考虑气动弹性力与水动力的耦合建立分析模型[16]。美国可再生能源中心和麻省理工大学对现有的浮式基础进行了总结，
建立了一个空气——波浪——控制——弹性全耦合分析程序，但是没有考虑涡激振动、慢漂的非线性、高阶波的运动激励的影响[17]。
国内对浮动式基础的研究虽然起步较晚，但是很多高校、研究机构以及大型企业都已经在投入人力、物力进行海上风机浮动式基础的研究，天津大学等设计了适应60米水深的发电功率600kW的浮式半潜基础，综合考虑风浪流及气动载荷，分析了浮式基础的波频运动特性[18]。目前的风电浮式基础的开发主要研究集中在半潜型式。
3 半潜式基础设计关键技术
就我国海域而言，仅海南省管辖的海域约有200万平方公里，南海海域平均深度为1212 米，大陆架平均水深为55 米，且海南岛的海岸类型以基岩海岸为主，海岸较陡，离海岸几公里，水深即达50 米以上，对于风力发电机来说最有利于采用半潜式基础。
海上风机半潜式基础所处的环境，与海洋平台十分相似，半潜式基础设计可以借鉴半潜式海洋平台的设计理论和经验。半潜式基础承受的载荷种类包括：重力载荷、环境载荷、风机运行荷载、浮动式基础运动诱导的惯性载荷、系泊系统的恢复力、漂流物撞击以及船舶碰撞等偶然载荷。与海洋平台不同之处在于基础上部载荷、基础运动响应是实时变化而且是相互影响的，这也是海上风机半潜式基础设计中的难点之一。
海上风机半潜式基础涉及到基础主体结构、系泊系统以及锚固基础等方面，需要进行时域分析、频域分析、幅频响应分析等计算，需要评估强度、稳性、屈曲、疲劳等指标。归纳起来，半潜式基础设计中的关键技术有以下几个方面：
(1)海上风机半潜式基础设计衡准的确定。这是设计计算的依据。由于目前还没有海上风机半潜式基础设计标准、规范，所以，在借鉴目前国内外海上风机半潜式基础研究成果和半潜式海洋平台的设计标准、规范的基础上，进行海上风机半潜式基础规范标准的适用性研究，制定合理的设计衡准，对海上风机半潜式基础的设计具有指导性作用。其中，稳性衡准的确定尤为重要。
(2)惯性和重力载荷—气动弹性载荷—风机运行载荷—水动力载荷非线性全耦合分析
技术。这是设计计算的基础。海上风力发电机组承受了包括惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷、流体动力载荷等多种载荷的耦合作用，通过对载荷全耦合分析技术的研究，建立高精度动态响应模型的载荷评估方法，计算不同海况下半潜式浮动基础结构及整机的载荷，在此基础上对基础结构和响应进行一系列分析计算。
(3)海上风机半潜式基础特殊工况动力特性研究。特殊工况包括：风电系统的临界作业
条件确定和风暴自存状态下基础的运动特性分析。临界作业条件确定，即通过分析风电系统的半潜式
浮动基础-风机系统全耦合动力学模型，给出最不利载荷组合下风电系统动态响应的特性，确定风电系统的临界作业条件；风暴自存状态下的运动特性分析，即考虑随机波浪和风的联合作用，研究极端海洋条件下浮动基础运动特性，揭示极端荷载作用下的动力失效过程及风电系统动力响应极值的分析方法。这对保证风机系统运行安全至关重要。
(4) 海上风机半潜式基础疲劳特性研究。在全耦合建模及载荷计算的基础上，针对目标海域的海浪频谱特性及风谱特性，计算基础结构的随机应力大小及分布，确定结构的应力谱，计算分析疲劳寿命。疲劳S-N曲线的选择是个关键问题，现有的风机疲劳S-N曲线和半潜式海洋平台疲劳S-N曲线是否适用值得研究。
4 结语
随着海上风电开发的深入，研究深海风电开发技术势在必行。国外已经在海上风机半潜式基础方面进行了相当多的研究，我国应该尽快在该领域展开技术攻关，攻克关键技术，开发出具有自主知识产权的半潜式基础设计技术，为深海风电资源开发打下基础。
参考文献：
[1] 姚兴佳，隋红霞，刘颖明，海上风电技术的发展与现状[J]. 上海电力，2007,20(2):111-118.
[2] Jonkman J M, Buhl M L. Load analysis of a floating offshore wind turbine using fully coupled simulation[C].
Proceedings of the Wind Power 2007 Conference & Exhibition. Los Angeles, Califor-nia: MRI Press, 2007: 2-4.
[3] 段金辉，李峰，王景全，程建生，漂浮式风电场的基础形式和发展趋势[J].中国科学工程，2010,12(11):66-70.
[4] 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，2009,36(9):6-10.
[5] 黄维平，刘建军，赵战华，海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J].海洋工程，2009,27(2):130-134.
危机管理理论[6] 阮胜福，海上风电浮式基础动力响应研究[D].天津大学，2010.
[7] 邓慧静，海上浮式风机平台稳性及锚泊系统性能研究[D].哈尔滨工程大学，2011.
[8] Baltrop N. Multiple Unit Floating Offshore Windfarm(MUFOW) [J]. Wind Engineering, 1993,17(4):183-188.
[9] Andrew R. Henderson, Bernard Bulder, Rene Huijsmans. Feasibility Study of Floating Windfarms in Shallow
offshore sites[J]. Wind Engineering, 2003,27(5):405-418.
[10] Thomas Zambrano, Tyler Maccready, etc. Dynamic Modeling of Deepwater Offshore Wind Turbine
Structures in Gulf of Mexico Storm Conditions, Proceeding of 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2006.
[11] Christian Cermelli, A Floating Foundation for Offshore wind turbines, Proceeding of the 28th International
Conference on Ocean Offshore and Arctic Engineering, 2009.
[12] Takeshi Ishihara, A Study on Influence of Heave Palte on Dynamic Response of Floating Offshore Wind
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议