海上浮式风机系统在波浪上的运动响应分析

发布时间：2020-06-05 16:27

【摘要】：随着煤、石油、天然气等常规能源的日益短缺,以及环境污染的不断加重,调整能源结构已成为当务之急。风能作为一种安全、清洁、储量丰富的可再生能源,已成为国际可再生能源开发的主要方向。目前对风能的主要利用形式为风能发电,由于陆地适于安装风电机组的地域有限,同时会侵占宝贵的土地资源,带来一定视觉和噪声污染,且考虑到海洋风能比陆上风能储量更加丰富,因此海洋风能已成为风能开发的新趋势。考虑到近岸区域海岸线利用的限制以及深海区域丰富的风能储量,海上风电逐渐向深海发展。在水深超过60m的海域,使用固定式风机会大幅增加建造成本,而采用浮式风机可以有效解决这一问题。目前常见的浮式风机主要包括半潜型、Spar型、TLP型和混合型等。浮式风机系统由风机、浮式基础、系泊系统等几部分组成,在作业过程中受到空气动力、波浪力和系泊系统系泊力的共同作用,受力非常复杂。同时深海海域的海况比较恶劣,系统在运动过程中可能会出现失稳、倾覆等问题,需要对系统进行耦合分析。耦合分析可以充分考虑系统各部分间的相互影响,对浮式风机的运动响应做出更准确的预报,为风机平台和系泊系统的设计提供一定的参考依据。本文建立了一种时域耦合分析方法对浮式风机系统进行全耦合运动响应分析,主要包括空气动力模块、水动力模块和系泊系统模块。空气动力模块采用CFD方法模拟风机叶轮受到的风载荷,并通过NARMAX理论建立风载荷模型;水动力模块采用势流理论,通过自由面GREEN函数法计算浮体的频域水动力系数,再将结果转换到时域;系泊系统模块采用锚泊线理论,用三维有限元方法对挠性部件进行分析;系统的运动采用Newmark-β方法求解。在此基础上,针对一深海Spar型浮式风机系统在不同工况下建立耦合模型并进行计算,得出风载荷模型、浮式基础的水动力系数以及系统运动响应和系泊缆索张力响应。该耦合模型的计算结果可为风机和系泊系统的设计提供一定的参考依据。
【图文】：

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风电虽然起步较晚，但得益于丰富的海上风能资源和政策扶持展，我国海上风电产业已初具规模。以东海大桥海上风电示范项欧洲之外的第一个海上风电并网项目，也是中国第一个国家级，共布置 34 台华锐风电 3MW 风机，总装机容量达 102MW，正式并网发电[4]。未来几年，我国海上风电还将保持快速发展的上风电产业也面临一定的难题：海上风电成本高、投资风险大持；规划困难，管理制度不健全；技术相对落后，无论是海上生产还是安装、维护，与世界先进水平还存在较大的差距，无速发展的步伐。因此，在海上风电领域，中国还有很长的路要风机主要分固定式和浮式两种。在浅水区域（水深小于 50m），式的风机，因为固定式基础结构相对简单，成本较低。但由于，随着海上风电场规模的扩大、机组数量的增加，近海区域逐上风机不可避免地向深水区域发展。随着水深的增加，固定式著增加，而浮式风机的系泊系统相比固定式基础成本低，且适深海风能开发中得到广泛应用。

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上海交通大学硕士学位论文供恢复力。随着水深的增加，躺底式系泊缆的长度和重量相应增大，需要平外提供更大的浮力，因此平台的主尺度增加，增加了建造难度和成本；此外据悬链线方程，水深越深系泊系统在水平方向会覆盖越大的水域，严重影响域的通航情况，同时给海底管线的铺设增加难度。张紧式系泊主要应用于深域，系泊缆在预张力的作用下呈绷紧状态，，依靠系泊缆张力提供恢复力，由根系泊缆在下端点处与海底呈一定角度的相交，因此该点同时受到水平方向竖直方向力。张紧式系泊的优点是覆盖水域范围小，而且系泊缆可以采用高的合成材料，从而有效减少整个系泊系统的重量。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM614;TK83;P752

【参考文献】