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摘 要： 摘要：為研究風波聯合作用下系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應的影響，建立22陣列Barge平臺漂浮式風電場模型，基于葉素動量理論及輻射/繞射理論，對比分析惡劣海況下風電場迎風浪側、背風浪側及側向系泊失效前后漂浮式風電場平臺時頻響應特性。結果表明：
摘要：為研究風波聯合作用下系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應的影響，建立2×2陣列Barge平臺漂浮式風電場模型，基于葉素動量理論及輻射/繞射理論，對比分析惡劣海況下風電場迎風浪側、背風浪側及側向系泊失效前后漂浮式風電場平臺時頻響應特性。結果表明：惡劣海況下，漂浮式風電場平臺動態響應以波頻為主;系泊失效導致各平臺各自由度穩定性大幅降低，且對失效系泊所連接的平臺影響最大;迎風浪和背風浪側固定懸鏈線失效對漂浮式風電場平臺縱蕩響應影響最大，側向固定懸鏈線失效對漂浮式風電場平臺橫蕩響應影響最大;迎風浪側系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應影響最大，背風浪側其次，側向最小。
關鍵詞：惡劣海況;系泊失效;駁船式平臺;漂浮式風電場;動態響應
引言
較之海上固定式風力機，漂浮式風力機具有應用水深范圍廣、便于移動和拆卸等優點，適用于更廣闊的海域[1]。由固定基礎向漂浮式平臺發展是海上風電發展的必然趨勢[2]。
按平臺穩定性獲得方式，漂浮式平臺可以分為立柱式(Spar)、張力腿式(TensionLegPlatform，TLP)、半潛式(SemiSubmersible，SS)和駁船式(Barge)4種[3]。立柱式平臺通過在重心以下添加壓載獲得較高穩定性，但易與來流發生渦激震蕩，且其主尺度較長，不易于安裝和運輸;張力腿平臺通過對張力筋腱施加預張力有效限制了平臺運動，但惡劣海況下張力腿承受載荷較大，且張力筋腱成本隨海深急劇增加;半潛式平臺抗風浪能力強，但結構相對復雜，成本較高[4];駁船式平臺水線面慣性矩較大，穩定性高，且結構簡單，建造和維護方便，應用前景廣闊。風波聯合作用下，慢漂、低頻及波頻等響應對漂浮式風力機安全運行造成較大影響[5]。為此，需使用系泊系統為漂浮式風力機平臺提供定位和足夠的恢復力，以保證漂浮式風力機正常運行[6]。但在海水腐蝕、磨損和極端載荷沖擊下，系泊極易產生斷裂導致失效，從而影響漂浮式風力機正常運行，甚至威脅設備安全[7]。因此，研究系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應的影響十分重要。
Bae等人[8]基于氣動-水動-伺服-彈性-系泊耦合動力分析方法，對系泊失效下的半潛平臺進行了瞬態和穩態分析，發現系泊失效導致漂浮式風力機偏航，影響其正常運行。Li等人[9]建立耦合氣動-水動-彈性數值模型，對系泊失效下Spar平臺漂浮式風力機進行仿真，結果表明風力機停機將導致慢漂距離更遠。Chan等人[10]對張力腿平臺系泊失效進行瞬態分析，結果發現系泊失效導致系統力矩不平衡。文獻[11]對極限海況下半潛平臺系泊失效后的殘存系泊進行受力分析，發現殘存系泊拉力發生突變，數值急劇增大，致使系泊安全系數降低。文獻[12]研究了單根系泊失效對半潛平臺動態響應的影響，結果表明平臺縱蕩響應大幅增加，平臺可能因此失控。文獻[13]對一根或多根系泊失效下半潛平臺的動態響應進行分析，發現不同位置系泊失效對半潛平臺影響不同，其中迎風浪側系泊失效可能導致平臺傾覆。文獻[14-15]研究了基于系泊系統組建的漂浮式風電場平臺在環境載荷作用下動態響應，證明其具有良好穩定性及建設的可行性。
上述文獻多側重于張力腿和半潛式平臺，對駁船式平臺研究較少，且尚無系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應影響的研究。本文以Barge平臺為研究對象，建立2×2漂浮式風電場，分析部分固定系泊失效前后漂浮式風電場各平臺動態響應，探究不同位置固定系泊失效對漂浮式風電場平臺動態響應的影響。
1研究對象
研究對象為NREL5MW風力機，平臺為ITIEnergyBarge。平臺主要參數如表1所示，風力機主要參數如表2所示。
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漂浮式風電場系泊系統包括固定懸鏈線和鏈接懸鏈線，其參數如表3所示。Barge平臺漂浮式風力機整機模型如圖1所示，2×2陣列Barge平臺漂浮式風電場如圖2所示，圖中P1～P4表示4個平臺。
2控制方程及環境載荷
3結果與分析
3.1平臺時頻響應
因風電場各平臺處同一海況環境，故選取平臺穩定后600s內P4平臺縱蕩響應時頻數據進行分析。圖5為P4平臺縱蕩響應時頻曲線。在環境載荷作用下，P4產生縱向位移，平臺從未受載荷時靜止位置(即縱蕩響應為零位置)沿X軸負向運動，在系泊系統拉力作用下，最終平臺在平衡位置處做往復運動。惡劣海況下漂浮式風電場平臺縱蕩頻域響應集中在f<1.0rad/s區域，以波頻響應為主。
3.22×2陣列Barge平臺漂浮式風電場平臺動態響應
表4為惡劣海況下風電場平臺動態響應統計值。由表4可知，惡劣海況下，漂浮式風電場平臺仍具有良好穩定性。較之縱蕩響應，各平臺橫蕩和垂蕩響應較小。其中，最大橫蕩位移幅值為各平臺縱蕩位移幅值的16.3%，最大垂蕩位移幅值為縱蕩位移幅值的65.1%，橫蕩與垂蕩波動標準差明顯小于縱蕩。漂浮式風電場各平臺在橫搖和艏搖自由度上穩定性較好，平均橫搖偏轉角為2.7°，平均艏搖偏轉角為0.8°。縱搖自由度上，漂浮式風力機平臺縱搖偏轉角較大，平均縱搖偏轉角達19.9°，其波動幅因漂浮式風電場平臺關于X軸對稱(見圖2)，故僅對P2和P4上固定懸鏈線失效前后漂浮式風電場平臺各自由度動態響應進行分析。漂浮式風電場平臺系泊失效主要有以下3種情況：P4迎風浪側固定懸鏈線失效，P2背風浪側固定懸鏈線失效，P4側向固定懸鏈線失效。
3.3P4平臺迎風浪側懸鏈線失效
表5為P4迎風浪側固定懸鏈線失效前后的風電場平臺動態響應統計值，圖6為失效前后漂浮式風電場平臺動態響應對比。由表5與圖6可知，系泊失效致使漂浮式風電場平臺垂蕩和縱蕩響應產生明顯變化，而橫搖、縱搖及艏搖變化較小，但均不同程度增大，說明基于共用系泊系統的漂浮式風電場平臺動態響應相互聯系、相互影響，某一平臺受力改變造成該平臺動態響應變化，將影響其他平臺。以P1為例，P1與P4間無系泊連接，但P4前側系泊失效后P1各自由度上動態響應明顯增大，這是由于P4系泊失效導致與其直接相連的P2和P3平臺動態響應增大，兩平臺與P1間系泊拉力發生變化。P3縱蕩增大使P3與P1間系泊收縮，P1迎風浪側系泊回復力減小，P2響應增大，P1側向系泊拉力增大，因此P1各自由度上響應增加，P4前側系泊失效直接影響P2和P3，同時間接影響到P1動態響應。惡劣海況下，在縱蕩自由度上，P4迎風浪側系泊失效后該平臺縱蕩位移急劇增大，且增大幅度遠大于其余3個平臺，縱蕩波動幅值由14.6m增加至155.8m，為原平臺的10.7倍，但仍遠小于各平臺間距400m，平臺間沒有碰撞風險。P2與P4通過鏈接懸鏈線相連，隨著P4縱蕩波動幅值增大，懸鏈線收縮，P2在X方向回復力減小，P2縱蕩波動幅值增大至原平臺的4.1倍。與P2和P4處于不同側的P1和P3受影響較小，但波動幅值亦增加至原平臺的1.7倍和1.3倍。在橫蕩自由度上，隨著P4迎風浪側固定懸鏈線失效，各平臺橫蕩響應增大。由固定懸鏈線失效后各平臺橫蕩波動幅值可知，P4和P3增幅最為明顯，且P3橫蕩波動幅值最大。這是因為P4迎風浪側系泊失效，其縱蕩位移增大，使P4與P3之間距離增大，導致P4與P3之間鏈接懸鏈線張緊，從而系泊上拉力增大，進而導致P4和P3縱蕩波動幅值增加較P2和P1大。在垂蕩、橫搖及縱搖3個自由度上，P4迎風浪側系泊失效使各平臺波動幅值增加，且對P4影響最大，但相對縱蕩和橫蕩影響較小，較之原平臺僅分別增加了1.5%、4.3%和13.4%。橫搖和縱搖響應大小代表漂浮式風力機平臺做偏轉運動的劇烈程度，其大小可衡量平臺是否發生傾覆。P4迎風浪側系泊失效后，橫搖偏轉角較小，保守估計，以縱搖偏轉角為衡量對象。最大縱搖偏轉角發生于P2平臺，達22.4°，但仍小于中國船級社(CCS)關于非自航平臺作業下靜傾角小于22.5°的規定，且平臺傾覆角一般遠大于最大靜傾角，因此風電場平臺在P4平臺前側系泊失效情況下遇到惡劣海況仍能必免傾覆。在艏搖自由度上，隨著P4和P2縱蕩位移增大，與P3和P1相連的鏈接懸鏈線和固定懸鏈線水平方向上的分力差值逐漸增大，致使P1和P3產生扭轉作用，其波動幅值分別為原平臺的4.8倍和2.9倍。
3.4P2背風浪側懸鏈線失效
表6為P2背風浪側固定懸鏈線失效后漂浮式風電場平臺動態響應統計值，圖7為失效前后漂浮式風電場平臺動態響應對比。由圖7可知，較之原風電場平臺，P2背風浪側固定懸鏈線失效亦造成漂浮式風電場平臺在各自由度上響應波動幅值明顯增大，不僅使與其直接相連的P4和P1動態響應增加，還通過系泊系統影響與其不直接相連的P3。P2背風浪側固定懸鏈線失效后，P2平臺縱蕩波動幅值急劇增大，為失效前的4.2倍;因P2與P4通過鏈接懸鏈線連接，P1與P2懸鏈線系泊上拉力隨P2縱蕩的增大而迅速增加，P4受其影響縱蕩波動幅值增大至失效前的2.5倍;P1和P3受固定懸鏈線失效影響較小，其波動幅值分別為原平臺的1.4倍和1.1倍。P2橫蕩和橫搖波動幅值因懸鏈線失效分別增加至失效前的1.4倍和1.2倍。P2產生的縱蕩使P2與P1間鏈接懸鏈線張緊，P1受力增大，其橫蕩和橫搖波動幅值分別增加至失效前的2.1倍和1.7倍。對平臺垂蕩和縱搖自由度影響較小。P1、P2、P3及P4垂蕩波動幅值分別增加了1.8%、0.7%、0.2%和0.5%，縱搖波動幅值分別增加了1.0%、5.1%、0.2%和6.8%。此時，最大縱搖偏轉角發生在P1平臺，達21.8°，仍小于CCS規定的最大靜傾角，平臺不會發生傾覆。艏搖自由度上，P1和P3艏搖波動幅值增加至失效前的3.2倍和2.8倍。
3.5P4平臺側向固定懸鏈線失效
表7為P4側向懸鏈線失效后漂浮式風電場平臺動態響應統計值，圖8為失效前后漂浮式風電場平臺動態響應對比。較之原平臺，P4側向固定懸鏈線失效亦使漂浮式風電場平臺動態響應增大。但與上述兩種情況不同：漂浮式風電場平臺在縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖自由度上動態響應所受影響不大，波動幅值增加較小，僅橫蕩和艏搖自由度上動態響應波動幅值成倍增加。在縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖4個自由度上，P1波動幅值分別增加了29.2%、0.5%、2.6%和0.5%;P2分別增加了1.9%、0.9%、1.0%和0.5%;P3分別增加了17.4%、0.2%、4.9%和2.3%;P4分別增加了3.5%、1.2%、9.8%和6.7%。由此可得，漂浮式風電場平臺縱蕩、垂蕩、橫搖及縱搖動態響應受懸鏈線失效影響較小。此時，最大縱搖偏轉角發生在P1平臺，達21.8°，仍滿足CCS規定，平臺安全。在橫蕩和艏搖自由度上，P1波動幅值分別為失效前的3.3倍和2.2倍;P2波動幅值分別為失效前的3.8倍和4.6倍;P3波動幅值為失效前的13.2倍和2.9倍;P4波動幅值為失效前的4.7倍和3.0倍。因此，P4側向懸鏈線失效后漂浮式風電場平臺橫蕩和艏搖動態響應大幅增加，各平臺波動幅值較系泊失效前均增加至2倍以上，穩定性急劇降低。
4結論
(1)該平臺系泊失效極大降低穩定性，其動態響應急劇增大。
(2)該平臺當某一懸鏈線失效時，不僅穩定性降低，動態響應增大，還對漂浮式風電場中其他平臺產生影響，致使所有平臺在各自由度上動態響應不同程度增加。
(3)迎風浪側和背風浪側固定懸鏈線失效對漂浮式風電場平臺縱蕩響應的影響最大，側向固定懸鏈線失效對漂浮式風電場平臺橫蕩響應的影響最大。
(4)惡劣海況下，不同位置處固定懸鏈線失效后，對比漂浮式風電場平臺動態響應可知：迎風浪側固定懸鏈線失效對漂浮式風電場平臺穩定性影響最大，背風浪側其次，側向失效影響最小。平臺水平漂移距離仍遠小于各平臺間距，且平臺偏轉角仍在安全范圍內，不會發生碰撞和傾覆。——論文作者：李蜀軍，李春，王博，張萬福
