CN117763649A - 一种海上风电漂浮平台主尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电漂浮平台主尺寸设计方法，将主尺寸设计流程分为了1)确定基准模型；2)开展主尺寸参数敏感性分析，确定设计初始范围；3)开展完整稳性校核，缩小设计范围；4)开展RAO分析，确定最终平台的主尺寸、质量和水动力参数。利用参数化建模方法，高效建立半潜平台结构和水动力模型，大大提高了建模效率和设计周期。基于势流理论方法计算平台水动力载荷，解决了传统简化方法计算精度不足的难题，可合理用于大型半潜式平台设计。本设计流程可以广泛应用于浮式风机不同半潜平台构型，适用性好，使用范围广，对我国半潜式风机安全、经济性部署具有积极促进作用。

Description

一种海上风电漂浮平台主尺寸设计方法

技术领域

本发明属于海洋可再生能源技术领域，涉及了一种海上风电漂浮平台的参数化主尺寸设计和建模方法。

背景技术

海上风电是一种可再生风能源利用的重要装备，近年来随着近海海域的不断开发，海上风电的发展开始逐渐走向深远海。传统的固定式基础受海水深度，海床条件等客观因素的约束，发展潜力受限，利用漂浮式技术开发深远海资源成为海上风电发展主流。漂浮平台主尺寸设计是海上风电机组整个设计周期中的重要环节，决定了机组主要的操作性能、功率性能和经济性能，是开展详细设计的前提。基于我国离岸中等水深特征，半潜式浮动平台由于吃水小、适用水深范围广、便于拖航等优点，成为浮式风机支撑结构主流类型。

但浮式风电仍处于早期开发阶段，设计方法及相应标准尚不成熟。当前浮式风机平台主尺寸设计主要基于油气平台设计经验和知识积累，但海上油气平台和浮式风机存在明显不同，主要体现在以下两个方面：1)油气平台需要有较大的甲板面积，其主要承受甲板负载和波浪载荷，但很少承受风载。相比之下，浮式风机平台因为重心和受风处都很高，除了承受风轮、塔筒重力载荷及波浪载荷之外，还需要承受较大的风载导致的倾覆力矩。2)海洋油气平台和浮式风机的失效后果不同。浮式风机在运行过程中不需要人员操作，因此风机的失效仅仅会造成经济损失，而油气平台失效会导致人员伤亡和环境污染。海上油气平台和浮式风机在受载、载荷响应特征及失效后果方面存在巨大差异，使得用于油气平台设计的流程、方法和准则不能直接用于浮式风机平台设计。

如何高效开展浮式平台主尺寸设计，现有研究成果尚没有完备的解决方案。主流浮式风机平台主尺寸设计基于莫里森方法计算水动力载荷，但该方法仅适用于细长体结构，针对大型半潜式平台计算精度不足。因此，发明一种针对浮式风机半潜平台高效、精确的主尺寸设计方法用来指导工程实践，对实现平台安全性、经济性设计性能提供重要支撑，且可有效缩短海上漂浮式风电机组开发周期，节省大量成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种浮式风机半潜平台主尺寸高效、准确设计的方法。提高建模效率，快速、准确获得平台主尺寸设计参数及响应。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，包括以下步骤：

S1、选择漂浮平台基本构型：通过综合分析风场环境数据(水深、风力和海洋气象条件、岩土条件等)，风电机组参数(结构、重量，性能参数等)，参考工业和学术领域现有半潜式平台结构特点(三立柱/四立柱，有/无横撑、斜撑，钢/混凝土结构)，选择合适的漂浮平台基本布局；基于现有基准模型，确定平台初始主尺寸参数，建立结构和水动力模型，并选择重要的主尺寸参数设计变量用于后续敏感性分析；

S2、确定平台主尺寸设计初始范围：基于所建立的半潜式漂浮平台结构及水动力模型和风电机组参数，利用海洋工程领域主流水动力计算软件，计算得到附加质量、静水回复刚度等水动力系数，综合平台倾覆力矩，风机结构总质量、转动惯量、质心及浮心等参数，计算得到平台静态倾覆角度(静倾角)、运动固有周期等重要响应；基于平台主尺寸参数敏感性分析，得到平台响应相对不同主尺寸参数变化的变化规律，找出重要的主尺寸变量，综合初始设计准则校核，确定平台主尺寸设计初始参数范围，包括立柱间距、侧柱半径等；

S3、缩小平台主尺寸设计范围：利用水动力软件计算平台不同倾覆方向回复力矩曲线，结合倾覆力矩，开展平台完整稳性校核分析，包括校核初始位置稳心，校核水密完整性，校核平台由正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比，校核倾覆力矩/恢复力矩第一交点前恢复力矩正负值，找出满足以上所有四个条件的主尺寸参数，进一步缩小设计范围；

S4、确定最终平台的构型、总体尺寸、质量和水动力等属性：对满足步骤S3的四个 条件的平台分别通过水动力学计算软件，施加上简化锚链和不同周期及不同方向的单位正弦波，进行频域分析，计算平台运动及结构内部载荷响应幅值算子。评估S3中获取的不同平台波频激励范围内运动及载荷响应特性，确定最终平台的主尺寸、质量和水动力参数。

进一步的，在步骤S2平台主尺寸参数敏感性分析中，利用参数化建模方式通过定义不同输入变量高效快速建立结构及水动力模型，建模输入变量为重要主尺寸参数变量，如吃水深度，立柱间距，立柱半径，浮筒长度/宽度等。

进一步的，在步骤S2中，所述静横倾角须处于5°～10°之间，所述垂荡方向上的固有周期须大于等于20s，所述纵摇方向上的固有周期须大于等于25s。

进一步的，在步骤S2中，所述静态倾覆角度的确定包括根据倾覆力矩和纵摇方向上的静水刚度系数，具体如下：

其一，将风轮推力和风作用在塔筒上的阻力通过计算公式转化为作用在平台上的倾覆力矩，其中：F_T为风轮推力，H_h为风轮中心到漂心的高度，n为塔筒的分段数，F_i为每段塔筒上风作用的阻力，H_i为每段塔筒中心到漂心的高度。

通过计算公式C₅₅＝ρg(I₅₅+V_WZ_B)-mgZ_G可以得到在纵摇方向上的静水刚度系数，其中：ρ为海水密度，g为重力加速度，I₅₅为纵摇方向上水线面惯性矩，V_W为排水体积，Z_B为浮心的垂向坐标，Z_G为重心的垂向坐标，m为整机的结构质量(包括风轮质量、机舱质量、塔筒质量、漂浮平台及压舱物的重量)。

进一步的，所述静态倾覆角度可以通过公式θ＝M/C₅₅得到。

进一步的，在步骤S2中，所述垂荡方向上的固有周期的确定根据结构质量、平台在垂荡方向上附加质量和静水刚度系数计算，具体如下：

通过计算公式C₃₃＝ρgA_w可得到垂荡方向上的静水刚度系数，其中：A_w为水线面积。

进一步的，所述垂荡方向上的固有周期可以通过公式T₃₃＝2π((M₃₃+A₃₃)/C₃₃)^0.5得到，其中：M₃₃为整机质量，A₃₃为垂荡方向上的附加质量。

进一步的，在步骤S2中，所述纵摇方向上的固有周期的确定根据结构在纵摇方向上的转动惯量、附加质量和静水刚度系数计算，具体如下：

通过公式T₅₅＝2π((M₅₅+A₅₅)/C₅₅)^0.5可得到纵摇方向上的固有周期，其中：M₅₅为绕y轴的转动惯量，A₅₅为纵摇方向上的附加质量。

进一步的，在步骤S3中，所述初稳心高度GM须大于等于1m，所述从正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比大于等于1.3，所述回复力矩的值在正浮至第二交点之间须为正值，平台在第一交点前需保证水密完整性。

进一步的，在步骤S3中，所述初稳性高度的确定根据静水刚度系数和排水重量得到，具体如下：

通过公式GM＝C₅₅/Δ可得到初稳性高度，其中：Δ为排水重量。

进一步的，在步骤S4中，所述简化锚链为弹簧系统，单根弹簧由预紧力，水平和垂向刚度组成。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)创新性的建立了一套用于浮式风机主流半潜式平台概念设计的完整高效的方法和流程，结合海工领域主流商业软件，开发了半潜式平台参数化设计、建模，稳性分析及运动固有周期分析程序，综合平台概念设计可操作性、稳性和运动性能准则，实现了半潜式平台合理的结构选型和高效的主尺寸设计。

(2)克服了传统基于莫里森方程或形状预估附加质量等水动力系数的精度不足，保证了针对大型半潜式平台计算响应的精度，并能够理解平台主尺寸参数和重要响应之间的关系，揭示出主尺寸参数变化对平台倾覆角度及完整稳性等的影响规律。

(3)流程与海上油气平台设计有明显区别，主要由于海上油气平台和浮式风机在受载、载荷响应特征及失效后果方面存在巨大差异。本方案流程和方法可以广泛应用于浮式风机不同半潜平台构型，适用性好，使用范围广。

综上，本发明通过提出平台主尺寸设计的静态倾角、完整稳性及运动性能设计准则，开发主尺寸参数化建模程序，高效建立半潜平台结构和水动力模型，大大提高了建模效率。利用势流理论和频域方法计算水动力系数，考虑重要环境工况下风轮推力和塔筒阻力，快速、准确计算平台静态、动态响应。提出参数敏感性分析方法，找出重要的主尺寸设计变量，综合风机可操作性及安全性设计准则，确定平台主尺寸设计方案及参数。该新型设计方法成功应用于某MW级浮式风机半潜平台设计，快速、准确获得了平台主尺寸设计参数及响应。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例涉及的整机结构示意图；

图3为本发明的半潜平台结构示意图；

图4为本发明完整稳性分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的所述海上风电漂浮式平台的参数化主尺寸设计方法应用于一款某MW级浮式风机半潜平台主尺寸设计，包括以下步骤：

S1、选择漂浮平台基本构型：选择中国某海域地点作为风机安装选址，其水深约为100米，固定式风机安装成本过高，因此选择漂浮式风机方案。由于半潜式平台具有适应水深范围大，能够船坞制造，可在港口吊装风机，便于拖航等优点，因此选择选定为平台设计布局。参考目前国内主流半潜平台构型特点，考虑到有横撑/斜撑结构应力集中等弊端，选择构型简单的四立柱平台构型，三个侧立柱位于等边三角形的三个顶点上，中央立柱位于三角形的中心上，风机安装在中央立柱之上(如图2所示)，四个立柱均为空心立柱，内部设置可调节荷载的水密舱，三个侧立柱的底端设置侧浮筒，侧浮筒与中央立柱间通过底部浮筒连接。参考国内外现有同样构型的基准模型，确定平台初始主尺寸参数，简化风轮和机舱为质量点，建立整机结构模型(如图2所示)及平台水动力模型，并选择侧柱半径、立柱间距、浮筒宽度、高度等重要参数变量(如图3所示)用于后续敏感性分析。

S2、确定平台主尺寸设计初始范围：基于所建立的半潜式风机结构及水动力模型，利用海洋工程领域主流水动力计算软件，计算得到附加质量、静水回复刚度等水动力系数，基于公式计算风机不同工况下最大倾覆力矩。综合风机结构总质量、转动惯量、质心及浮心等参数，根据公式θ＝M/C₅₅，T₃₃＝2π((M₃₃+A₃₃)/C₃₃)^0.5，T₅₅＝2π((M₅₅+A₅₅)/C₅₅)^0.5计算得到平台静态倾覆角度、垂荡和纵摇固有周期。

基于S1中选定的主尺寸重要参数变量，开展参数敏感性分析。为了提高建模效率，利用参数化建模方式，将参数变量作为输入变量，快速生成平台结构模型和水动力模型用于计算平台静态倾覆角度、垂荡和纵摇固有周期。分析不同主尺寸参数变化对平台以上响应的影响规律，找出重要的主尺寸变量，并基于S2中初始设计准则校核，确定平台主尺寸初始参数范围。

本实施例选取的初始设计准则的静态倾角须处于5°～10°之间，所述垂荡方向上的固有周期须大于等于20s，所述横摇、纵摇方向上的固有周期须大于等于25s。

S3、缩小平台主尺寸设计范围：基于S2中选定的主尺寸参数范围，建立不同主尺寸平台模型，开展平台完整稳性校核分析。首先，利用水动力分析软件，计算平台恢复力矩曲线，并结合倾覆力矩曲线，绘制完整稳性分析图(如图4所示)。通过公式GM＝C₅₅/Δ计算初初稳心高度GM。基于完整稳性分析图，计算正浮状态到第二交点之间恢复力矩与倾覆力矩区域面积之比。基于S3中完整稳性设计准则校核，进一步缩小平台主尺寸参数范围并确定主尺寸设计方案。

本实施例选取的初始设计准则的初稳心高度GM须大于等于1m，所述从正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比大于等于1.3。此外，回复力矩的值在正浮至第二交点之间须为正值，平台在第一交点前需保证水密完整性。

在步骤S3中，如果没有满足条件的平台方案，需要重复步骤S1和S2，重新确定模型主尺寸参数范围。

S4、确定最终平台的构型、总体尺寸、质量和水动力等属性：对S3中筛选的设计方案进行动态响应分析，利用水动力分析软件建立计算模型，施加简化锚链及不同周期和不同方向单位正弦波，计算波浪频域范围内平台垂荡、横摇和纵摇运动及平台浮筒截面载荷响应幅值算子，选择波浪范围内无共振响应作为主尺寸设计最终方案，确定平台主尺寸参数、质量和水动力参数。

如果在步骤S4中，没有满足条件的平台方案，需要重复步骤S1、S2和S3，重新确定模型主尺寸参数范围。

因此，针对不同的风场环境数据和风机特点，只需要根据本发明中的计算流程和计算公式进行计算，就可以得到对应的仿真数据和设计结果，所以本发明具有较广地适用性，可应用于不同构型大型风机浮式平台主尺寸设计。

本发明提供了一种针对海上风电大型半潜式漂浮平台的主尺寸设计方法，创新性地将主尺寸设计流程分为了1)确定基准模型及重要参数变量；2)开展主尺寸参数敏感性分析，基于初始校核准则，确定平台主尺寸设计初始范围；3)开展完整稳性校核，缩小平台主尺寸设计范围；4)开展平台运动及结构响应幅值算子分析，确定最终平台的主尺寸、质量和水动力参数。利用参数化建模方法可高效、快速的建立平台结构及水动力模型，大大提高了建模效率，节省了主尺寸设计时间。特别的，基于势流理论方法计算平台水动力载荷，解决了莫里森模型方法水动力载荷计算精度不足的问题，可合理应用于大型半潜式平台设计，准确、高效的获取平台主尺寸参数及重要响应，为后续详细设计奠定基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种海上风电漂浮平台主尺寸设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选择漂浮平台基本构型：通过综合分析风场环境数据，风电机组参数，参考工业和学术领域现有半潜式平台结构特点，选择合适的漂浮平台基本布局；基于现有基准模型，确定平台初始主尺寸参数，建立结构和水动力模型，并选择重要的主尺寸参数设计变量用于后续敏感性分析；

S2、确定平台主尺寸设计初始范围：基于所建立的半潜式漂浮平台结构及水动力模型及风电机组参数，利用海洋工程领域水动力计算软件，计算得到水动力系数、综合平台倾覆力矩，风机结构总质量、转动惯量、质心及浮心参数，所述水动力系数包括附加质量、静水回复刚度，计算得到重要响应，包括平台静态倾覆角度、运动固有周期；基于平台主尺寸参数敏感性分析，得到平台响应相对不同主尺寸参数变化的变化规律，找出重要的主尺寸变量，综合初始设计准则校核，确定平台主尺寸设计初始参数范围，包括立柱间距、侧柱半径；

S3、缩小平台主尺寸设计范围：利用水动力软件计算平台不同倾覆方向回复力矩曲线，结合倾覆力矩，开展平台完整稳性校核分析，包括校核初始位置稳心、校核水密完整性、校核平台由正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比，校核倾覆力矩和恢复力矩第一交点前恢复力矩正负值，找出满足以上所有四个条件的主尺寸参数，进一步缩小设计范围；

S4、确定最终平台的构型、总体尺寸、质量和水动力属性：对满足步骤S3的四个条件的海上风电漂浮平台分别通过水动力学计算软件，施加上简化锚链和不同周期及不同方向的单位正弦波，进行频域分析，计算平台运动及结构内部载荷响应幅值算子；评估S3中获取的不同平台波频激励范围内运动及载荷响应特性，确定最终平台的主尺寸、质量和水动力参数。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S2平台主尺寸参数敏感性分析中，利用参数化建模方式通过定义不同输入变量高效快速建立结构及水动力模型，建模输入变量为重要主尺寸参数变量，包括吃水深度，立柱间距，立柱半径，浮筒长度、浮筒宽度。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S2中，利用水动力分析得到水动力系数、综合平台倾覆力矩、风机结构总质量、转动惯量、质心及浮心参数，所述水动力系数包括附加质量、静水回复刚度，计算得到重要响应，包括平台静态倾覆角度也即静倾角、运动固有周期；基于初始设计准则确定主尺度的范围。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S2中，所述静态倾覆角度通过公式θ＝M/C₅₅得到，其中M和C₅₅分别为作用于风机平台上倾覆力矩和风机纵摇方向上的静水刚度系数。

5.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S2中，垂荡方向上的固有周期通过公式T₃₃＝2π((M₃₃+A₃₃)/C₃₃)^0.5得到，其中：M₃₃为整机质量，A₃₃为垂荡方向上的附加质量,C₃₃为垂荡方向上的静水刚度系数。

6.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S2中，纵摇方向上的固有周期通过公式T₅₅＝2π((M₅₅+A₅₅)/C₅₅)^0.5得到，其中：M₅₅为绕纵摇方向上的转动惯量，A₅₅为纵摇方向上的附加质量。

7.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S3中，初稳心高度GM须大于等于1m，所述从正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比大于等于1.3，所述回复力矩的值在正浮至第二交点之间须为正值，平台在第一交点前需保证水密完整性。

8.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S3中，所述初稳性高度通过公式GM＝C₅₅/Δ确定，其中Δ为排水重量。

9.根据权利要求1所述的一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，其特征在于：在步骤S4中，所述简化锚链为弹簧系统，单根弹簧由预紧力，水平和垂向刚度组成。