海上浮式风电装备已经逐步成为深远海新能源开发的热点。但浮式风电商业化开发仍面临一系列技术难点和挑战。本文系统梳理了海上浮式风电装备设计分析关键技术,从总体性能分析、结构整体强度、系泊系统设计、疲劳强度分析、稳性校核、动态电缆设计6个方面,提出了解决思路和分析方法;结合国内浮式风电平台的实际工程案例,给出有益结论和建议。对我国浮式风电装备开发进行了很好的工程探索和实践,以期为我国漂浮式风电技术的发展壮大提供有益参考。 

关键词 海上浮式风电装备;总体性能;结构整体强度;系泊系统;疲劳强度;动态电缆

浮式风电设施浮体型式源于传统海上油气浮式结构物类型,可分为单立柱式、半潜式、张力腿式和驳船式4种类型如图1所示。

图1 浮式风机基础类型

Fig.1 PlatformtypeofFloatingwindturbine    

随着浮式风机技术的快速发展,其他创新 型浮式结构形式也在不断涌现,如阻尼池式浮式基础、双头机浮式基础等,如图2和图3所示。

图2 法国“DampingPool”浮式风机

Fig.2 France“DampingPoolFloatingwindturbine    

图3 瑞 典 Hexicon 公 司“TwinWind”浮式风机

Fig.3 Sweden Hexicon “TwinWind”float windturbine

海上浮式风电装备总体性能分析主要计算平 台在外部载荷作用下的各种响应,主要包括运动性 能、气隙预报、系泊系统张力响应等。

图4 某浮式风机一体化耦合分析模型

Fig.4 Integratedcouplinganalysismodelofafloating windturbine    

           图5 某浮式风机六自由度运动响应

Fig.5 SixDofmotionresponsesofafloatingwindturbine

海上浮式风电装备结构整体强度主要分析平台在各种载荷作用下的强度表现是否满足要求,主 要包括结构的屈服和屈曲强度。    

图6 有限元模型

Fig.6 FEMmodel

图7 特征剖面示意图

Fig.7 Schematicdiagramofcharacteristicsection

图8 横向分离力的各浪向RAO

Fig.8 Lateral force RAO in different wave direction

图9 有限元模型应力分布

Fig.9 StressdistributionofFEMmodel

海上浮式风电装备锚泊系统分析主要校核系 泊系统强度是否满足要求,包括极限强度和疲劳强度。    

图10 系泊索拉力变化

Fig.10 Mooringlinetensionresponses

图11 系泊索疲劳计算点

Fig.11 Fatiguecalculationpointofthemooringline

海上浮式风电装备疲劳强度分析主要对由波 浪载荷和风机载荷等循环载荷引起的疲劳敏感点 进行寿命预报,判定是否满足设计寿命要求。本文建议采用半耦合时域分析方法,即风机载荷引起的时域疲劳与波浪载荷引起的时域疲劳叠加的方式。    

图12 时域疲劳计算方法

Fig.12 Timedomainfatiguecalculationmethod

海上浮式风电装备稳性校核主要分析平台在 拖航、安装、作业和停机状态下,抗倾覆能力是否满 足要求,一般应包括完整稳性和破损稳性分析。    

图13 旁通和斜撑连接处

Fig.13 Jointofpontoonandbrace

图14 风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时程

Fig.14Stresstimehistoryundercombinedactionofwindturbineloadandwaveload    

图15 应力循环幅值和频次分布

Fig.15 Distributionofstresscycleamplitudeandfrequency

图16 发电工况下稳性校核标准

Fig.16 Stability check standard under power production condition    

图17 静水力模型三维视图

 Fig.17 Hydrostatic model 3D view

国内浮式风电技术发展很快,已经有多台浮式 风电装备陆续进入示范应用阶段,也在逐步探索商 业化应用。目前浮式风电平台以立柱半潜式结构型式为主,几个已建和在建的平台相关性能参数如表1所示。

表1 国内浮式风电装备性能参数

Tab.1 Parameters of domestic floating wind turbine equipment

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文章引自“李红涛,杨林林,曲晓奇,等. 海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践[J]. 海洋工程装备与技术,2023,10(2):79-88. DOI:10.12087/oeet.2095-7297.2023.02.13.”，著作权及知识产权均归属原创作者及权利方所有。建议读者学术研究请务必查阅原始文献。改编内容仅用于非营利性知识传播、行业技术科普交流、公众教育目的、绝不作商业用途或不当牟利。如存在无意侵权情形，请权利人通过公众号联系作者，作者将在24小时内处理。