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海上风电场建设与海洋工程装备研发中若干水动力学关键技术问题(1)

北极星电力网技术频道    作者:缪国平,朱仁传,程建生,王景全   2013/2/17 11:21:17   

  所属频道:  风力发电    关键词:  海上风电 风电场 风电场建设

摘要:结合近年来在与海洋资源开发相关的水动力学方面开展的研究工作和对国内外研究进展的认识,以及海上

风电设备研制和风电场的建设,就海洋工程装备研发中水动力学关键技术及其可能的发展方向作了简要的评述,以期引起有关方面对海洋工程装备研发中的关键技术研究的重视。

Abstract: A brief state-of-the-art review is given on some key technological problems and their developing trends in hydrodynamics for the construction of offshore wind power plants and the developments of ocean engineering equipment, based on the survey on the recent research progress over the world and our own research activities in the specified field.The present review is aimed to arouse attentions to the research of the key technology in the research and development of the offshore engineering equipment.

1 落实科学发展观,提升海上风电场和海洋工程装备设计研发能力,推进我国海洋资源综合开发的全面发展当前,全球所消耗的油气中约有30%以上来自海底油田,未来人们对海洋油气资源的依赖程度越来越高。我国的能源形势总体来说十分严峻, 陆地和近海的石油资源有限,石油战略储备不足。尽管我国南海(主要在深海)有丰富的油气和碳氢水化物资源。石油地质储量约为230~300 亿t,但开发的难度相当大。目前我国油气资源开发仍主要集中在500m 水深以下的近海海域,尚缺乏有效的深海油气开发能力。因此,优化能源结构,提高能源效率,开发可再生能源,已成为我国贯彻落实科学发展观、实施能源可持续发展战略的重要内容。

风能作为一种清洁的可再生能源,具有相当广阔的应用前景。经过几十年的研发,陆地风能开发已经具备工业价值。近年来,海上风能开发也取得了令人瞩目的进展。

海上风电有其独特的优势。海上风速、风向相对稳定,风切变和湍流度较小,总体风况优于陆地。

将风电场建在海上,可利用海上得天独厚的广阔空间和风力资源,实现规模化效益,降低风力发电的成本。据估计,在年均风速9.5m/s 区域的装机容量为10 万kW 的海上风电场每年能生产3.6 亿kWh的电力。随着科技进步,可以预期海上风电产能将进一步增加。

海上风电有其特殊的技术难点。海上风能开发面临的环境条件十分复杂,我们必须要考虑风、浪、流等主要气象、水文要素对风电机设施的作用和载荷,对浮基风电机组还必须考虑其运动特性和定位要求。海床地质构造对固基风电机组和海底电缆网络铺设是十分重要的,包括基床冲刷、淘空等长期效应。冰区海域还应充分考虑海冰的因素。海上施工周期长、工艺复杂,对作业船舶的载荷和运动特性控制要求高。系统长期稳定运行中维护保养带来一系列的技术问题。

目前海上风电场大都位于水深20m 左右的近海海域,采用固基的着底式风电机塔。今后将逐步向水深100m 甚至几百米的海域发展,浮基海上风电场将是一种经济性和实用性兼顾的重要发展方向。

海上风电设备研制和风电场的建设是海洋工程装备设计研发的一个重要领域,或是海洋工程装备的重要拓展领域。从保证海上风电塔(固基或浮基)、锚碇系统有效运行的观点而言,除了其本身的特殊要求外,与传统的海洋工程装备(如各类海洋石油平台)有相当多的共性关键技术问题。本文结合我们近年来在海洋资源开发相关的水动力学方面开展的研究工作和对国内外研究进展的认识,结合海上风电设备研制和风电场的建设,就海洋工程装备研发中水动力学关键技术及其可能的发展方向作一简要的评述,以期引起有关方面对海洋工程装备研发中的关键技术研究的重视。

2 非线性水动力学关键技术问题研究是海洋资源综合开发中重要的共性研究领域

海上风电设施、海洋平台必须具备进入和驻定于特定海域、在恶劣的海洋环境下长期有效地稳定作业和运行的能力。水动力学问题的研究是近海、深海和超深海资源开发中的一个重要的前提性的共性关键技术领域。在海洋环境条件中,最重要的当首推海洋波浪,即水波;风、流等主要水文要素也须充分考虑。归纳起来,大致上有下列四大类问题:

2.1 非线性水波演化及其与其它环境条件的耦合影响

水波动力学研究的是以水波为中心的海洋环境条件本身的机理、理论与数值分析手段和实验模拟技术。理论上讲,水波动力学中边界条件和物理量间的关系是非线性的主要来源;尤其在自由面上,不仅自由面条件是非线性的,而且,满足条件的自由面边界形状也是事先未知的。“一波才动万波随”,可以毫不夸张地说,论研究的难度和表现的丰富多彩,水波动力学未必亚于湍流。

在迄今为止的海洋工程实践中,应用最为普遍和直接的还是基于永形波的波浪理论。大多数确定性的深水波理论本质上是通过对速度势或流函数(仅对二维平面波)求解建立起来的,其主要差别在于如何处理自由面条件和处理中引进的基本假设。风、浪、流等环境条件之间的非线性耦合导致的水波弱非线性演化,包括水波调制、边带不稳定性,一直是水波动力学的传统研究领域[1, 2]。近年来,CFD在自由面追踪方面出现了很多技术,如VOF法、Level Set方法、SPH方法等,为水波非线性演化的研究注入了新的活力[3]。

2.2 海洋环境条件(风、浪、流、内波)作用下海上风电场结构物运动响应及受力分析

依水深不同,海上风电机组的基础大致上可分为固基和浮基两类。固基有重力式结构和支柱式结构两种。浮基则由浮体及锚泊系统构成。从力学或结构特性上看,它与相应的海洋石油平台是类似的。准确地预报结构物在海洋环境条件(风、浪、流、内波)联合作用下的运动响应及受力分析研究则可为海上风电设施等海洋资源开发装备设计提供直接的指导,具有重要的工程实际意义。

与波浪特征长度相比,除 SPAR 平台和支柱式固基外,大部分海洋平台都可归类为大尺度海洋结构物。与小尺度管柱(缆索、立管)情况不同,大尺度海洋结构物的存在和运动对波流场的影响(即绕射和辐射)不可忽略。然而,一般而言,除局部区域外,流体的粘性影响倒是可以略去的。在海洋工程崛起之际,水波与大物体相互作用的势流理论和计算方法在船舶工程中已经有了成功的发展,包括频域线性理论范畴中的切片理论(或各种细长体理论)、有速或零速三维源汇分布理论等[4]。1990 年代,在弱非线性假定下,精确到波陡的二阶量,频域理论已经拓展来研究船舶和海洋结构物所受的二阶定常力和二阶低频慢漂力,应该说,这方面的理论问题当时已经基本上得到解决[5];近年来,由于浮式深海平台系统的自振频率越来越低,低频慢漂力引起系统共振的危险性也越来越大,二阶低频慢漂力的准确估计又重新受到关注。频域分析法通常只适用于稳态问题;对瞬态或强非线性问题,必须发展直接时域分析法。时域分析法有很大的自由度,原则上可处理全非线性和物体任意运动的问题。按问题的性质和要求,时域法可以有不同层次的处理方法,如时域线性理论、物体大幅度运动理论和全非线性理论等等。这些方法目前正在发展之中[6]。

随着计算机速度提高和容量的不断扩充,用CFD技术直接求解粘性流场中水波与结构物的相互作用也日益受到重视,特别在甲板上浪、船首砰击、液舱晃荡等强非线性现象的模拟上已经取得了可喜的进展,但离工程要求的实用化和反应的快速化仍然有很大的距离[7]。在深海域,密度分层海洋可以在外界因素的诱导下产生内波。工程界已经有内波造成海上直接经济损失的报道。内波水动力学问题无论是机理上还是分析手段上,人们的认识还远不够充分,都有待于深入的研究[8]。

当今,非线性水波动力学理论研究及其在工程中的应用已经成为国内外学术界和工程界极为重视的前沿研究领域之一。可以预料,在未来的若干年中,以直接时域法和CFD 技术研究深海结构物在风、浪、流和内波作用下的受力和运动特性,包括极端海况下海洋结构物运动响应预报、强非线性现象、大型海洋结构物水弹性分析,将会受到国际学术界和工程界的极大重视。

2.3 海上风电场建设中水动力学关键技术问题

(1) 海上施工作业的水动力学关键技术

海洋石油平台海上施工建造技术对海上风电场建设可提供借鉴。按风电机组平台形式不同,要寻求最为可靠、方便、安全和经济的施工方案。按平台构型,海上施工除传统的吊装工艺外,大多采用半潜式安装(Semi-Submersible Installation)与漂浮式安装(Float-Over Installation)技术。半潜式安装:基座定位安置后,用半潜驳将上层设施一次浮运就位于基座,然后半潜驳撤离安装位。漂浮式安装:上层设施直接浮式拖运,通过压载调整浮态,使之就位于基座。

海上风电场施工周期长,定位要求高,工艺复杂,对作业船舶的载荷和运动特性控制要求高(系统长期稳定运行中维护保养有类似的技术问题)。这中间的关键技术问题大致有:风浪中施工船舶的定位、风浪中作业时施工船舶的运动特性与控制、风浪中多体的水动力耦合和干扰、定位缆索受力的确定、特殊作业工况(如下水、扶正、吊装、浮式就位等)下的流体动力特性与工艺流程确定等。

(2) 海上风电设施部件或整体海上驳运和拖运的水动力学关键技术

无论是固基还是浮基海上风电设施,都有海上运输问题。大致有两种选择:① 部件驳运或拖运至设置现场,就位组装;② 设施整体(或基础结构整体)驳运或拖运至设置现场,就位组装。海上驳运和拖运都有很多水动力学关键技术需要解决,包括拖船选型与拖运时拖船布置、多体的水动力耦合和干扰、风浪中的稳性与操纵性、风浪中拖船(队)与拖体的运动特性与控制、风浪中拖体的航行稳定性、拖缆受力的确定、承载物体受力与固定、甲板上浪及其冲击载荷等重要方面。

来源:上海造船
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