风电基础的拖航影响因素分析

张 杰

(总后勤部司令部管理保障局，北京 100082)

风电基础的拖航影响因素分析

张 杰

(总后勤部司令部管理保障局，北京 100082)

以某气浮结构平台为研究对象，通过MOSES对某风电基础在不同波高下、不同吃水和不同航速下风电结构的运动响应及波浪力进行了研究分析，得到了各种荷载下对拖航系统影响的变化规律。

气浮结构，MOSES，水动力系数，拖航，水深

0 引言

随着经济的不断发展和社会的不断进步，对能源的需求也越来越多，造成的资源、环境等问题也陆续呈现。筒型基础，是近二十年 来应用于海洋工程的具有较好发展前景的基础型式。由于筒型基础施工简便，机动灵活，使用安全可靠，可实现回收复用等特点，被广泛的应用于各种海上结构设施，如船只系泊、浮筒定位、存储设施、灯塔、导管架和平台等[1]。气浮结构作为一种上部封闭、底部开口的结构形式，它是依靠内部气体提供的气压力支撑结构，传统浮体(如船舶、海洋平台)的漂浮主要依靠水压力差提供浮力支撑结构。换句话说，传统浮体的受力机理是结构支撑于底部的水弹簧，气浮结构的受力作用机理是结构支撑于由结构内部气弹簧和底部水弹簧构成的串联弹簧，由于内部气体的可压缩性，气浮结构稳性、响应等都比较复杂[2,3]。

气浮拖航作为该风电基础的关键技术之一，气浮指的是在船坞预制施工完毕的筒型基础依靠内部气体承载出坞，拖航是通过拖船—拖缆—基础构成拖航系统将基础拖至施工地点，提升了施工管理效率，省去了驳船运输和大型施工机具的费用。在浮运拖航中，必然涉及拖航系统和波浪、流、风等荷载的相互作用问题，所以，本文通过对拖航系统在耦合环境荷载下的响应进行分析，得到各种荷载下对拖航系统影响的变化规律。

1 MOSES模型建立及分析组合

如图1所示为通过MOSES建立的风电基础拖航的整体结构图，从图中可以看出，结构关于x轴、y轴呈双轴对称，所以通过研究结构拖缆拉力、垂荡、横荡以及纵摇方向的运动的变化规律可以对拖航系统的性能进行评估。在MOSES，对于拖船—系缆—复合风电基础构成的拖航系统在时域分析中不能按照一般的步骤进行，所以在分析中将拖船固定，而后将复合风电基础通过系缆连接到拖船上，而后施加与拖航速度大小相同而方向相反的海流来考虑荷载的影响，拖缆形式采用Y形拖缆，系缆点位置到风电基础中心点的水平距离为54 m。

施加的波浪为该地区12 km的南通洋口港1996年10月—1997年10月得到的50年一遇的波浪参数，见表1[4]。在时域分析中，选取N～NNE中的平均波高1.87 m，波周期8.09 s作为基本的波浪条件，计算所得的波长为48.48 m，结构D/L=0.62，按照三维势流理论进行结构水动力特性的计算，建立的模型符合分析的要求。不同波高、吃水、航速拖航组合表见表2～表4。

表1 50年一遇波浪参数

表2 不同波高拖航组合表

表3 不同吃水拖航组合表

表4 不同航速拖航组合表

2 模拟数据分析

2.1 不同波高对基础拖航的影响分析

图2～图5为不同波高下拖航稳定阶段的拉力、纵荡、垂荡以及纵摇的变化曲线。从图2可看出，在相同的波高状态下，拖缆力呈脉冲变化趋势，是因为在拖航运输中，初始阶段拖缆处于松弛状态，当拖缆被拉直时结构作用一个瞬时的拉力，出现一个脉冲，而后，结构由于惯性作用继续前行而后拖缆再次被拉直再产生一个瞬时的拉力，出现下一个脉冲；在不同的波高情况下，拖缆力的变化呈增大趋势。从图3～图5可以看出，和拖缆力的脉冲变化不同的是，结构在纵荡、纵摇和垂荡方向的运动呈现三角函数变化的趋势；随着波高的增大，结构变化的幅值呈增大的趋势。

2.2 不同吃水对基础拖航的影响分析

图6～图9为不同吃水情况下拖航稳定阶段的拖缆力和结构在纵荡、垂荡以及纵摇方向的变化曲线。图6中拖缆力的幅值随着吃水的增加，拖缆力脉冲变化的幅值呈增大的趋势，原因在于吃水直接决定了结构的迎浪面积，作用在结构上的力和吃水呈正比；从图7～图9可以看出，结构的摇荡运动都呈规则的变化，且可以得到，在吃水从5.5 m变化到6.0 m，从6.0 m变化到6.5 m时，纵荡变化为0.15 m和0.35 m；而垂荡、纵摇和Hw(压力水头)变化分别为0.1 m和0.11 m，0.61°和0.85°，0.18 m和0.19 m，原因在于吃水的增加，支撑结构的气弹簧的高度降低，气弹簧刚度增大，对于气弹簧和水弹簧组成的串联弹簧，气弹簧承担的位移降低，而吃水的增加，重心位置下移，结构摇摆刚度降低，在相同的波浪条件下拖航，结构摇摆幅值增加。

2.3 不同航速对基础拖航的影响分析

图10～图13为不同航速情况下拖航稳定阶段的拖缆力、1号舱室压力水头变化曲线和结构在纵荡、垂荡以及纵摇方向的变化曲线。航速主要影响结构拖缆力的大小和拖航中结构摇荡的频率。从图10可以看出，随着航速的增加，拖缆力的脉冲变化的趋势变得明显，航速从2节变化到4节，从4节变化到6节，拖缆力增加分别为84.2 kN和129.9 kN；从图11～图13可以看出，随着航速的增加，结构摇荡幅值呈降低的趋势，原因在于航速增加，拖缆承受的拉力持续作用于结构，由拖船—拖缆—基础构成的拖航系统以遭遇频率振动，结构的航向稳定性较好，所以在拖航中必须保持一定的拖航速度。

3 结语

本文通过MOSES软件的计算分析，对波浪荷载下的风电基础拖航的拖缆力、摇荡运动的变化规律进行了研究，得到如下结论：结构摇荡运动的幅值随着波高的增加而增加；航速主要影响结构拖缆力的大小和拖航中结构摇荡的频率，随着航速的增加，结构摇荡幅值呈降低的趋势；由于吃水的增加，支撑结构的气弹簧的高度降低，气弹簧刚度增大，对于气弹簧和水弹簧组成的串联弹簧，气弹簧承担的位移降低，而吃水的增加，重心位置下移，结构摇摆刚度降低，在相同的波浪条件下拖航，结构摇摆幅值增加。

[1] 吕 娜.海上风机钢混组合筒型基础研究[D].天津：天津大学,2010.

[2] 徐继祖，王翎羽.吸力锚到筒型基础平台——关于近海吸力式基础的工程经验和技术思考[J].中国海上油气(工程)，2002，14(1)：2-5.

[3] 刘宪庆.气浮筒型基础拖航稳性和动力响应研究[D].天津：天津大学，2012.

[4] 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.江苏龙源如东潮间带风电场一期工程预可行性研究报告[R].2009.

Analysis on towing effect factors influence of wind power base

Zhang Jie

(GeneralLogisticsDepartmentHeadquartersManagementSecurityBureau,Beijing100082,China)

Taking a flotation platform structure as the research object, through the research and analysis on motion response and wave forces of wind structure of MOSES to a wind power base in different wave height, different draft and different speed, obtained the change law under various loads influence to towing system.

air float structure, MOSES, dynamic water wash, towing, water depth

2015-01-17

张 杰(1975- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0037-03

P752

A