海上浮式风力机平台选型与结构设计

发布时间：2020-04-02 19:51

【摘要】：随着经济的高速发展，我国对能源的需求量日益增加。大力发展可再生能源利用技术，已成为保障国民经济持续高速发展的重要战略举措。海上风能是海洋可再生能源的重要组成部分。目前，海上风能的研究仅局限于浅水固定式平台。然而在水深30m以上的海域，海上风力资源更为丰富和平稳，传统固定式平台的自重和工程造价随着水深大幅度增加，难以满足深海风能开发的要求。浮式风力机锚泊系统的成本相对低廉，因此浮式风电场更具有市场前景。 海上浮式风力机系统（OWT）主要由风力机、浮式平台基础和系泊系统组成。海上浮式风力机系统在整个运行寿命周期内，除承受极限工况下的波浪载荷作用外，在正常发电工况下风轮和塔架结构还承受极大的风载荷。在复杂多变的恶劣环境中，很难保证浮式平台的稳性、耐波性和风力机的发电效率。因此有必要设计与选择一种较好的平台形式以保证平台的性能和风力机的发电效能。同时，海上浮式风力机系泊系统与平台之间可能发生强烈的非线性耦合响应，必须设计出可靠的系泊系统以保障平台的定位性能。本文基于三维势流理论，采用数值模拟方法，研究了海上风力机、浮式平台和系泊系统耦合作用下的水动力特性。 本论文首先介绍了海上浮式风力机系统的研究现状。根据海域环境和设计要求，提出三种浮式平台设计方案，其中包括半潜式平台（SEMI）、深吃水单立柱平台（SPAR）和张力腿平台（TLP）的总布置、总体尺度及其系泊系统。文中对TLP平台进行静态分析，推导出平台及张力腿在六自由度方向的回复刚度。基于三维势流理论，，在时域内建立三种浮式平台、系泊系统及风力机的数值模型，对系泊系统-平台耦合、风力机-平台-系泊系统耦合及非耦合三种模型进行风力机额定风速、切出风速和极限风速工况下的时域对比仿真研究。研究得到系泊系统和平台的动力响应结果以及塔架加速度时历曲线。通过分析时历统计结果，综合各方面因素，确定在给定水深下张力腿平台（TLP）性能最好。 最后以“Sea Star”张力腿平台作为母型，参考ABS规范和API推荐准则完成了TLP平台的结构设计。基于API推荐准则就平台立柱结构尺寸编制了优化程序，通过该程序优化了立柱结构布置和尺寸，提高了平台的经济性能。应用有限元软件分别分析平台立柱和旁通结构的屈服和屈曲性能，分析结果证明结构设计是合理可靠的。
【图文】：

猊〗峁褂胁煌嘈男问胶筒贾茫囹畛＜鉨慕峁剐问郊鉤?1.1 及图1.1-1.4。迄今为止，海上风电场中应用最广泛的是单桩（Monopiles）基础结构，其次是混凝土重力式基础结构。随着风力机应用水深的增加，浮式基础结构有望成为更具发展前景的基础结构形式。表 1.1 基础结构形式表基础结构 典型案例 适用水深 特点备注单桩MonopileUtgrunden(SE),Blyth(UK),HornsRev(DK),North Hoyle(UK),ScrobySands(UK),Arklow(IE) Ireland,Barrow(UK), Kentish Flats(UK),OWEZ(NL), Pricess Amalia(NL)浅水-中等水深 钢管制成，直径通常为 4-6 米 使用潜水打桩方法安装 桩顶采用灌浆转换装置导管架JacketBeatrice (UK),Alpha Ventus (DE)中等水深-深水 通常由 0.5-1.5m 直径的钢管焊接而成 由直径 0.8-2.5m 桩基锚定三脚架TripodAlpha Ventus (DE)中等水深-深水 通常由 1.0-5.0m 直径的钢管焊接而成 采用过渡段衔接至塔架 由直径 0.8-2.5m 桩基锚定重力式基础Gravity baseVindeby (DK), Tuno Knob (DK),Middlegrunden (DK), Nysted (DK

图 1.1 单桩基础（Monopile） 图 1.2 重力式基础（Gravity base）图 1.3 导管架基础（Jacket） 图 1.4 三脚架基础（Tripod）1.3 海上风力机浮式基础研究现状
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

【参考文献】

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1 童波;半潜式平台系泊系统型式及其动力特性研究[D];上海交通大学;2009年

本文编号：2612371