中国南海浮式风电基础的水动力性能和服役安全研究

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中国南海浮式风电基础的水动力性能和服役安全研究为应对全球气候变化和发展清洁能源,挪威、英国、丹麦、德国、美国和日本等国较早地研究开发了海上风电技术。

目录

一、课题来源与背景

2000 年，丹麦建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场，先进的国家电网成为其大力发展风电的网络基础。得益于独特的地理位置,英国在发展海上风能一直处于全球领先地位,并不断着力于加强对外合作以及促进本土产业链发展。德国政府规划到2030年全国用电量的65％来自于可再生能源,德国在北海、波罗的海拥有着优质的海上风电资源，发展海上风电是未来德国能源转型计划的重要战略组成部分。截至2018年年底,美国进入规划阶段的海上风电项目总计约25GW,美国发展可再生能源的速度在近几年显著加快。据日本风电协会称，为支持本国海上风电的发展,日本政府选取了11 处海域作为未来海上风电建设潜在场址，其中四处海域先行开发；日本第一次海上风电竞标有望在2020 年初开展，第一个商业化项目有望于2030 年投产运营。挪威目前虽然没有海上风电场，但在海工领域经验丰富，并在全球范围内涉足了大量的海上风电项目,包括应用了浮式风机的英国苏格兰Hywind 风电场;挪威致力于发展海上浮式风机,让海上风电从近海走向深远海。

我国陆上风机技术较为成熟，但海上风机起步较晚，尤其对浮式风电技术研究较少。2006 年,海上风电被正式列入我国可再生能源板块,但初期进展缓慢;2010 年东海大桥项目的投产实现了我国海上风电零突破，此后，又进一步开展了试验示范。但至目前为止,我国尚无海上浮式风电示范性工程项目和针对工业生产的专门研究和设计。

二、成果简介

对浮式风机气动响应特性进行了研究，将梁理论研究中的最新成果——几何精确梁理（MBBT）与叶素-动量理论相结合,考虑叶片结构的非线性特征和气动弹性，耦合求解风机叶片的气动荷载，对风机空气动力学分析模型进行有效修正，提高模型计算精度和可靠度。分析比较了定常风、湍流风、不同风谱以及不同湍流强度等因素对浮式风机气动特性响应的影响，对数值模拟中气动载荷分析参数的选取具有借鉴指导作用。

对浮式风机水动力载荷进行了深入研究，研究了波浪粘性力对风机基础动力响应的影响；对于浮式风机系泊系统，研究了锚泊静回复力、锚泊阻尼和系泊缆布置方式对浮式风机运动响应的影响，并分析比较了悬链线和张紧式系泊对浮式基础运动响应和系泊张力的影响;针对spar型浮式风机基础,设计了一种能改善浮式风机运动性能的新式系泊系统。

研究了耦合方法对浮式风机动力响应的影响，结合试验，验证了一体化全耦合方法建模的准确性，比较了全耦合方法和限制性耦合方法对数值结果计算的影响。在实际工程中，由于产商不公开转子结构数据，因而建立一体化整机模型较为困难，上部风机和下部基础可能无法做到实时数据交互传递。限制性耦合方法计算结果可能偏于安全，不利于提高经济性。

对典型的Spar式和半潜式风机的水动力以及运动性能进行了比较分析。在南海特定海况下，研究了三种典型的半潜式浮式风机的水动力和运动性能，并针对不同半潜式风机在不同水深的适应性进行了比较分析；提出了三种不同型式的小水线改进式半潜风机基础，并研究了新型浮式基础的水动力性能。

根据上述研究内容，最终提出了南海浮式风机基础的选型建议。 基于断裂力学的基本理论,开展某半潜式基础结构损伤和破坏机理研究,建立其疲劳寿命估计模型以及安全评定模型，并对复杂环境下浮式基础的疲劳裂纹评估进行研究；以OC4 DeepCwind浮式风机基础型式为研究对象，建立其结构分析的有限元计算模型，分析风机基础结构的应力以及应变分布规律，并进行浮式基础结构强度校核和基础支撑结构局部强度分析；研究系泊张力特性、系泊系统阻尼对浮式风机疲劳寿命的影响，对系泊点处基础支撑结构局部进行了疲劳寿命分析；基于谱分析方法对浮式基础结构进行了疲劳分析。通过上述研究工作，为海上浮式风机基础的设计和改进提供理论基础，有助于达到缩减海上风机系统建设成本的目的。

三、推广应用前景与措施

为应对全球气候变化和发展清洁能源，挪威、英国、丹麦、德国、美国和日本等国较早地研究开发了海上风电技术。

2000年,丹麦建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场,先进的国家电网成为其大力发展风电的网络基础。得益于独特的地理位置,英国在发展海上风能一直处于全球领先地位，并不断着力于加强对外合作以及促进本土产业链发展。德国政府规划到2030年全国用电量的65％来自于可再生能源,德国在北海、波罗的海拥有着优质的海上风电资源，发展海上风电是未来德国能源转型计划的重要战略组成部分。

截至2018 年年底,美国进入规划阶段的海上风电项目总计约25GW,美国发展可再生能源的速度在近几年显著加快。据日本风电协会称,为支持本国海上风电的发展,日本政府选取了11 处海域作为未来海上风电建设潜在场址,其中四处海域先行开发；日本第一次海上风电竞标有望在2020 年初开展,第一个商业化项目有望于2030 年投产运营。挪威目前虽然没有海上风电场,但在海工领域经验丰富,并在全球范围内涉足了大量的海上风电项目,包括应用了浮式风机的英国苏格兰Hywind 风电场；挪威致力于发展海上浮式风机，让海上风电从近海走向深远海。我国陆上风机技术较为成熟,但海上风机起步较晚,尤其对浮式风电技术研究较少。2006年,海上风电被正式列入我国可再生能源板块，但初期进展缓慢；2010年东海大桥项目的投产实现了我国海上风电零突破,此后,又进一步开展了试验示范。但至目前为止，我国尚无海上浮式风电示范性工程项目和针对工业生产的专门研究和设计。

海上浮式风电发展前景广阔，深水区域风资源丰富，无遮蔽效应，对陆上无噪音影响，目前深水区域的海上浮式风电技术研发是世界的发展趋势和科研最前沿。欧洲海上浮式风电领先于其他地区，我国尚无示范工程建设。本项目通过对我国南海区域环境特点，对海上浮式风机的全耦合计算分析方法、水动力性能以及服役安全进行了系统的研究工作。

本项目对浮式风机气动响应特性进行了研究，将梁理论研究中的最新成果——几何精确梁理(MBBT)与叶素-动量理论相结合,考虑叶片结构的非线性特征和气动弹性，耦合求解风机叶片的气动荷载，对风机空气动力学分析模型进行有效修正,提高模型计算精度和可靠度。分析比较了定常风、湍流风、不同风谱以及不同湍流强度等因素对浮式风机气动特性响应的影响，对数值模拟中气动载荷分析参数的选取具有借鉴指导作用。

对浮式风机水动力载荷进行了深入研究，研究了波浪粘性力对风机基础动力响应的影响；对于浮式风机系泊系统,研究了锚泊静回复力、锚泊阻尼和系泊缆布置方式对浮式风机运动响应的影响，并分析比较了悬链线和张紧式系泊对浮式基础运动响应和系泊张力的影响；针对spar 型浮式风机基础，设计了一种能改善浮式风机运动性能的新式系泊系统。

研究了耦合方法对浮式风机动力响应的影响，结合试验，验证了一体化全耦合方法建模的准确性，比较了全耦合方法和限制性耦合方法对数值结果计算的影响。在实际工程中，由于产商不公开转子结构数据，因而建立一体化整机模型较为困难，上部风机和下部基础可能无法做到实时数据交互传递。限制性耦合方法计算结果可能偏于安全，不利于提高经济性。

对典型的Spar 式和半潜式风机的水动力以及运动性能进行了比较分析。在南海特定海况下，研究了三种典型的半潜式浮式风机的水动力和运动性能,并针对不同半潜式风机在不同水深的适应性进行了比较分析；提出了三种不同型式的小水线改进式半潜风机基础，并研究了新型浮式基础的水动力性能。根据上述研究内容，最终提出了南海浮式风机基础的选型建议。

基于断裂力学的基本理论，开展某半潜式基础结构损伤和破坏机理研究，建立其疲劳寿命估计模型以及安全评定模型,并对复杂环境下浮式基础的疲劳裂纹评估进行研究;以OC4 Deep Cwind 浮式风机基础型式为研究对象，建立其结构分析的有限元计算模型，分析风机基础结构的应力以及应变分布规律，并进行浮式基础结构强度校核和基础支撑结构局部强度分析；研究系泊张力特性、系泊系统阻尼对浮式风机疲劳寿命的影响，对系泊点处基础支撑结构局部进行了疲劳寿命分析；基于谱分析方法对浮式基础结构进行了疲劳分析。通过上述研究工作，为海上浮式风机基础的设计和改进提供理论基础，有助于达到缩减海上风机系统建设成本的目的。