海上浮式风力机平台选型与结构设计

海上浮式风力机平台选型与结构设计

王海亮

博迈科海洋工程股份有限公司 天津 300457

摘要：随着经济社会的持续快速发展，海上风力发电事业迎来了前所未有的重大发展机遇，如何采取有效方法与技术措施，切实优化海上浮式风力机平台选型与结构设计效果，成为海上风力发电行业的焦点课题之一。基于此，本文首先介绍了海上浮式风力机平台的相关内容，分析了海上风力机浮式平台概念设计问题，并结合相关实践经验，分别从立柱结构有限元分析等多个角度与方面，就海上浮式风力机平台选型与结构设计问题展开了探讨，阐述了个人对此的几点浅见。

关键词：海上发电；浮式风力机；平台选型；结构设计

引言：

当今社会，国家能源结构持续调整，风电能源在国家能源体系中开始发挥越来越重要的作用。海上浮式风力机的应用面临着崭新的发展局面，对其平台结构设计提出了更高要求，有必要对其设计方法与设计理念等进行深入探讨与分析，提高海上风力发电成效。本文就此展开了探讨。

1海上浮式风力机平台简述

随着全球能源枯竭问题的日益凸显，全国多个国家和地区均在探索开发利用可再生能源与清洁能源，提高了风能、潮汐能、地热能的开发与利用力度。在海洋风力能源开发方面，同样在相应技术方法的支持下实现了快速发展。作为海上风力发电系统的关键构成要素之一，海上浮式风力机平台的关键应用地位不言而喻，对于提高海上风力发电效率，优化海上风力发电整体效能具有关键作用。长期以来，国家相关部门高度重视海上浮式风力机平台的应用与创新发展，在设计方法标准、工艺过程优化、综合效益评价等方面制定并实施了一系列重要政策，为高质高效地开展海上浮式风力机平台设计提供了基本遵循与方向引导，在海上浮式风力机平台应用领域取得了令人瞩目的现实成就，积累了丰富而宝贵的实践经验，为新时期深化推进海上风电能源开发注入了强大动力与活力。同时，广大风电能源企业与科研机构同样在创新海上浮式风力机平台设计理念，优化平台设计步骤等方面进行了大量有益探索与研究，效果显著。尽管如此，受多方面要素制约，海上浮式风力机平台结构选择与设计方面依旧存在诸多短板与不足，阻碍着海上风电能源开发效益的持续优化提升^[1]。

2海上风力机浮式平台概念设计

2.1浮式平台的设计方法

对于现代海上浮式风力机平台而言，其所面临的运行环境日趋复杂，所承担的海洋风力发电强度更高，在设计方法上面临着诸多技术挑战与现实困难。在海上浮式风力机平台设计中，通常需要采取的方法包括理论分析法、环境模拟法、试验验证法等，上述不同的设计方法与过程具有不同的适用条件与设计要求，所参考的设计标准存在不同，所形成的海上浮式风力机平台设计效果差异显著，必须根据海洋风电能源开发的实际需求，择优采用。以环境模拟法为例，其分析结果相对准确，可对极端条件下的海上浮式风力机平台环境进行充分模拟，并对平台总体结构荷载做出优化分析^[2]。

2.2浮式平台概念设计

在浮式平台概念设计中，应首先对风力机进行优化选型。风力机选型的具体要求与参考标准为：海洋风力环境、历史条件下的海洋风力强度、周边电力能源转换环境等，并需科学处理与优化风力机气动荷载与海面风速之间的关系。在塔架设计方面，可采用薄壁圆柱空心结构，根据风力机平台的预期运行轻度设计其底部直径、壁厚等，优化处理其杨氏模量及剪切模量，以充分提高风力机平台塔架的整体性，并以纵坐标Z代表流域深度，横坐标U代表剪切流（如图1所示）。同时，对于浮式基础设计环节，则应充分考量中央立柱所遭遇的风载荷，将其细化分为多个不同舱室，实现平台纵摇和垂荡运动荷载状态的分散化处理。

图1 海上浮式风力机剪切流示意图

2.3浮式平台静态分析

静态分析是海上风力机浮式平台概念设计的关键环节与重点步骤。在静态分析过程中，应充分考虑浮式平台在静态环境下的受力荷载状况。一般情况下，浮式平台静态分析主要考虑平台重力与浮力等两个技术参数指标，必须具备充足的浮力用以支撑浮式平台发电系统的自身结构性重力。浮式平台静态分析可忽略旁通结构产生的排水量，构建基于平台持水量、浮体结构的张力函数模型。从相关基础理论研究可知，浮式平台静态荷载状态的变化与平台张力腿的应力变化呈正相关关系，因此应对风力机平台所承担的预张力、弯矩力、微小转角等作出优化处理。

3海上浮式风力机平台选型与结构设计

3.1浮式平台结构设计

在当前技术条件下，海上浮式风力机平台结构设计可分为立柱结构设计及旁通结构设计两个部分，该两个部分在设计技术工艺、理念过程方法等方面存在显著差异与不同，所参照的技术标准与规范各不相同。在立柱结构设计中，可采用母型分析法，选择与当前浮式风力机平台具有相同属性的模型平台，在综合分析平台主尺度及特性参数等基本技术资料的基础上，对结构基本尺度及荷载做出优化分析，得出相应的板架纵横比、外板厚度、型材强度、舱壁壁厚等数据指标。在旁通结构设计中，应首先在浮式风力机结构布置状态的基础上确定纵骨间距、横骨间距、肋骨框架等参数

^[3]。在旁通结构重量上应充分校核结构整体强度是否可满足技术标准与要求，以免浮式风力机平台出现结构性失效而导致灾难性后果。

3.2立柱结构有限元分析

现代科学技术的快速发展，为海上浮式风力机立柱结构有限元分析提供了更为先进的技术手段，使传统环境下难以完成的有限元分析发展任务具备了更大的可行性。在立柱结构有限元分析中，通常可采用现代化软件系统对平台重力荷载状态进行仿真模拟，直观形象地展现风力机、塔架、附属设备、结构系统、压载重量等方面的受力荷载状态。为有效辨识与处理立柱结构的荷载效果，必须对浮式风力机的重力荷载、静力水荷载、风荷载、动力水荷载等技术参数进行分别处理。立柱结构静力分析应首先进行网格化收敛模拟，确定整体网格的受力状态及安全系数，而对于立柱结构的屈曲分析而言，则必须将风荷载、波浪荷载、静止荷载的协同化作用全部考虑在内，对于发生失效现象的临界值做出精准评估。

3.3旁通结构有限元分析

重力载荷主要来自于浮式风力机平台自身结构产生的重量载荷，包括旁通结构的重量和压载重量等等。在旁通结构有限元分析中，应假定立柱与旁通的连接刚性保持在特定范围以上，应在旁通与立柱叠加处施加固定支撑约束条件，将立柱与旁通连接处节点约束在不同轴向坐标范围内。在现代基础理论研究日趋成熟的背景下，载荷步分析中已经开始陆续采用相同的边界条件^[4]。依据ABS规范建立的模型通过有限元分析显示实际的安全系数会超出相关约束要求，因此应对加强筋的型号及大小进行优化处理，得出不同静态工况下各结构构件的最大应力，包括旁通整体结构和舱壁结构等。旁通结构的屈曲分析应相对均衡地施加静水力载荷，施加区域分别位于旁通结构侧部、底部、顶部和前表面，分别得出相对独立的屈曲载荷。

3.4浮式平台时域耦合计算

浮式平台的运动由一阶微幅和二阶低频运动组成，即浮式风力机平台的荷载可由波频运动和低频运动交叉得到。在大型浮式系泊结构物的多种不同的荷载周期范围内，一阶波浪谱能量相对较小，浮式风力机平台结构不会出现波浪激励运动。浮式结构物慢漂共振运动则处于纵向震荡及横向震荡状态之中。小水线面面积的自由漂浮式结构物，在垂荡、纵摇和横摇运动中也会出现二阶慢漂运动。但是浮式平台垂荡、横摇及纵摇运动的固有周期处于波浪激励范围内，因此应将一阶波浪载荷作为耦合计算的重点^[5]。

4结语

综上所述，受技术方法、平台工艺、设计理念等方面要素的影响，当前海上浮式风力机平台选型与结构设计实践中依旧存在诸多方面的薄弱环节与不足之处，阻碍着海上风力能源的有效应用与转换。因此，技术人员应该从当前海上浮式风力机平台应用的客观实际需求出发，充分遵循平台选型与结构设计基本规律，创新设计方法，提高平台结构设计总体成效，为促进海上风力发电事业持续健康稳定发展贡献力量。

参考文献

[1]张建民，梁书秀.不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性[J].西北工业大学学报（自然科学版），2019，30（11）：144-149.

[2]廖明夫，沈晓鹏.双馈风力深海漂浮式风力机的概念设计与气动水动力耦合特性评述[J].电力系统保护与控制，2019，27（22）：168-173.

[3]李伟春，姜久春.基于PID方法的变速变距风力发电机组整机协调控制策略研究[J].中国海洋平台，2019，30（02）：112-113.

[4]唐友刚，薛小倩，李宗荣，等.基于改进的直接转矩控制的风力机模拟系统[J].福建电力与电工（下旬刊），2019，38（18）：225-226.

[5]郭永丽，董艳秋.海上风电深海漂浮式风力机的概念设计与气动水动力耦合特性评述[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2019，27（11）：336-338.