新式潮流电站载体概念设计及水动力性能分析*

关 超，张 亮，马 勇

（哈尔滨工程大学 海洋可再生能源研究所，哈尔滨 150001）

新式潮流电站载体概念设计及水动力性能分析*

关 超，张 亮†，马 勇

（哈尔滨工程大学 海洋可再生能源研究所，哈尔滨 150001）

为了实现潮流能和风能的互补利用，设计一种新式潮流电站载体平台，实现了对潮流水轮机和风能发电模块的搭载，构建了600 kW独立电力系统。基于新式潮流电站载体，考虑水轮机受力和环境的影响，分析发电装置的稳性，并应用有限元软件ANSYS对新式结构建模，分析了装置的耐波性。本研究将为多能互补潮流发电装置研究、开发和建设提供参考和借鉴。

潮流能；概念设计；稳性；耐波性

0 前 言

当今世界，“全球人口不断膨胀，陆地资源和能源日趋严峻”的危机日趋严重，随着能源危机和环境的不断恶化[1]，对海洋能开发利用的需求已越来越迫切，占地球总面积71%的海洋蕴藏的海洋能理论值达766亿kW，其中可利用的约为64亿kW[2-4]。1972年，Heronemus首次提出具有浮式基础的海上浮式风力机（floating offshore wind turbine, FOWT）概念[5]，并在近些年获得了快速发展；近年哈尔滨工程大学研发的70 kW浮式潮流电站“万向I”作为我国第一座浮式电站[6]，总体技术达到了世界先进水平。海洋中的浮体也不仅仅限于船舶、平台等形式。潮流电站对开发利用潮流能、给沿海和岛屿居民提供用电及满足国内日益增长的能源需求有着重要的意义。潮流能的开发已是大势所趋，稳定可靠的水轮机载体对水轮机正常工作及发挥其最大工作效率有着很大的影响。本文根据项目要求，设计一种新型的同时安装水轮机与风机互补的独立电力系统，由于风机与水轮机的双重作用，推测该载体的运动相应会与以往有所不同，所以研究载体的运动对整个系统的工作有着重要意义。

1 设计依据

在对载体进行设计时，必须要了解载体所处的环境，并根据其具体的环境参数选择相关的设计规范，之后制定载体的形状参数。

1.1 设计原则

（1）遵循国家有关法令、法规和标准以及CCS规范设计；

（2）考虑电站使用的安全性、方便性、先进性和可维护性；

（3）满足健康、安全、环保（HSE）的要求。

1.2 规范与标准

（1）入级：本电站不入级

（2）参照的规范、规则与标准

CCS《海上移动平台入级与建造规范》；CCS《国内航行海船法定检测技术规则》；CCS《材料与焊接规范》及其修改通报；《中国造船质量标准》（CSQS）；相关国标（GB）和船舶行业标准（CB）。

1.3 海洋环境

根据相关资料：长岛县猴矶岛海域海洋环境调查报告、山东岩土勘测设计研究院有限公司所做的“长岛县猴矶岛海域岩土工程勘测报告”以及“项目任务书”指标，确定本初步设计的海洋环境参数如表1所示。

表1 环境参数Table 1 The Environment Parameters

2 总体设计方案

用 ANSYS对载体水下部分进行建模，整体为“类四边形”结构（见图 1），主体由 8个浮筒及若干梁组成，效果图如图2，载体的主尺度见图3。

该“类四边形”浮式支撑平台为半潜式平台。平台总高度为8.5 m，红色部分是水下部分，高5.5 m，黄色部分是水上部分，高 3 m，太阳能电池板铺设面高出上层边梁上表面2.5 m。平台由立筒、上层边梁和下层边梁组成。立筒A、C、D、F不等截面，上、下部分均为两半圆加中间矩形延长孔形状，中间部分为锥面过渡段，主要用于提供浮力。载体采用该新型的半潜式箱梁组合结构，意在将此结构的水线面分布在各个浮筒上，浮筒的小水线面具有较好的抗风浪能力，在接下来的计算中将对该载体的稳定性与耐波性进行计算验证。

图1 水动力模型Fig. 1 Hydrodynamic model

图2 效果图Fig. 2 Design Sketch

图3 主尺度Fig. 3 The Principal Dimensions

3 载体水动力性能分析

3.1 稳性分析

稳性计算时，首先规定坐标系 OXYZ，坐标原点位于水线面上，沿流向方向规定为x轴的正方向，水面向上规定为z轴的正方向。坐标的平面表示如图4所示。

图4 坐标系Fig. 4 Coordinate system

平台稳性计算时主要计算平台绕不同倾斜轴的静稳心高、极限静倾角等数据，通过计算结果判断其稳性。

不同倾斜轴下水线面对各倾斜轴的惯性矩[7]如表2所示。

表2 水线面惯性矩Table 2 The Inertia Moment

由于：

其中，∇为排水量，BM为稳心半径。

其中，ZB为浮心高，ZG为重心高。计算得不同倾斜轴下的GM值如表3所示。

静倾角θs表示浮体在静力作用下的最大横倾角，在求解静倾角之前，首先要求解作用在浮体上的倾覆力矩。该平台所受到的倾覆力矩来自风力机、水轮机、上层建筑等，其中风力机的载荷为其中最大的力矩。取风流反向为沿x轴转动时最恶劣的状态，其他情况下仅有风为最恶劣状态，结果显示为仅有风时倾覆力矩为1 239 kN，风与流方向相反时为1 484 kN，计算得静倾角如表4所示。

表3 不同夹角下的GM值Table 3 GMunder different angles

表4 静倾角Table 4 The Statical Inclination Angle

由上表知，两工况下稳性均良好。实际海况下，风机可能在任意角度下迎风，可视为横倾与纵倾的耦合，稳性优于以上两种工况。

3.2 耐波性分析

频域内的运动响应计算通过AQWA软件完成。首先建立模型（湿表面），其中水下管型结构使用莫里森单元进行模拟，然后在湿表面上划分水动力网格，由于计算需要括梁在内的单元都以四边形面元网格进行划分[8]，如图5所示。

图5 有限元模型Fig. 5 Finite Element Model

设定水深为25 m，输入重心、水线等相关参数，得到纵摇、垂荡与横摇三个自由度（Degree of freedom, DOF）的运动响应（Response amplitude operator, RAO）如图6、图7和图8所示，表5为提取的三个自由度响应的最大值。

图6 垂荡RAOFig. 6 Heave RAO

图7 纵摇RAOFig. 7 Pitch RAO

图8 横摇RAOFig. 8 Roll RAO

表5 运动响应幅值Table 5 The Motion Responses

由计算结果知，平台整体运动较为剧烈，在规则波中三个主要自由度的运动幅值如表5所示。平台在危险频率下自由运动时可能会产生甲板上浪与水轮机叶片出水等现象，从而对整个电站的性能与设备的安全性造成影响；但考虑到系泊的约束，载体的水动力性能会有所改善，但工作工况下仍需避开危险的波浪频率。

4 结 论

本文根据项目的要求，针对特定海域的海况与工程需求，设计了一种新型的浮式电站载体结构形式。首先对其稳性及静倾角进行了校核，计算过程中考虑了水轮机与风机在工作状态下产生的力矩影响，发现载体结构在最恶劣的外载荷下，仍然具有良好的稳性，接着从耐波性的结算结果来看，三个主要自由度的运动在规则波下较为剧烈，可能会对整个电站的水动力性能造成影响。本文在计算中没有考虑系泊系统，所以相信在后继计算中加入系泊约束后会有所改善，并且实际生产中可以加入减摇鳍、阻尼板等结构来加强稳性，但是仍需注意改进设计避开共振区来增强整体结构的稳定。

[1] Richard Brooks, David Rodger. the world offshore renewable energy report 2004-2008[R]. UK: 2010 Business Development, 2010.

[2] 张亮, 李新仲, 耿静, 等. 潮流能研究现状2013[J]. 新能源进展, 2013, 1(1): 53-68.

[3] 张亮. 垂直轴潮流能水轮机研究与利用现状[J]. 应用能源技术, 2011, (9): 1-7.

[4] 张焕芬. 海洋能——未来的能源[C]//中国能源情报网第四次全网大会. 成都, 中国, 1987.

[5] Heronemus W E. Pollution-free energy from offshore winds[C]//Proceedings of Annual Conference and Exposition Marine Technology Society. Washington DC: Marine Technology Society, 1972: 21-25.

[6] 朱典明, 李凤来, 张亮. 70 kW潮流实验电站[R]. 2002.

[7] 盛振邦、杨尚荣、陈雪深. 船舶静力学[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 1992.

[8] 孙丽萍. 船舶结构有限元分析[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2004.

The Concept Design and Hydrodynamic Performance Analysis of New Tidal Current Power Station Carrier

GUAN Chao, ZHANG Liang, MA Yong
(Institute of Ocean Renewable Energy System, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To achieve the complementary use of tidal current and wind power, a new type of carrier platform is designed. The module of tidal turbine and wind power is successful constructed, and then a “600 kW autocephalous electric system”is built. Based on the new carrier and take the effects of turbine force and environment into consideration, the stability of the system is investigated, and its seakeeping is analyzed by finite element software ANSYS. This work may provide some suggestions for the development and construction of multi-energy complementary power stations.

tidal current power; structure design; stability; seakeeping

TK71；U661.1

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.04.007

2095-560X（2014）04-0282-04

关 超（1988-），男，硕士研究生，主要从事潮流能利用及海上浮式风电开发技术研究。

2014-04-23

2014-06-10

国家自然科学基金资助项目（51309069）；多体船技术国防重点学科重点实验室开放基金资助项目（HEUDTC1407）；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目（RC2014QN001008）

† 通信作者：张 亮，E-mail：191886522@qq.com

张 亮（1959-），男，教授，博士生导师，主要从事潮流能利用及海上浮式风电开发技术研究。

马 勇（1980-），男，博士，讲师，主要从事流体力学测试技术、潮流能利用技术及海上浮式风电开发技术研究。