新型三浮筒Windsea式半潜浮式风电基础结构数值研究

【摘要】：风电经多年发展已经形成了重要的社会、经济效益，然而陆地资源是有限的，风电由陆上向海上发展是一个必然的趋势。我国海上风电的研究起步较晚，目前研究和应用集中于近海的固定式海上风电，对于科技含量最高的浮式风电的研究比较少。本文针对我国南海海域海况条件设计了一种装机容量达到3×（3~3.6）MW的新型半潜浮式风电基础，在传统的半潜浮式基础底部增加了三个浮筒的设计用以增大排水体积和加强整体结构强度。浮式基础的水动力性能、环境运动响应、锚泊系统设计、装机容量及完整稳性和破舱稳性是本文的重要研究内容，具体开展了以下工作： 1.参考挪威最新研究的新型海上浮式风电基础结构Windsea，基于国内某型号风机算出的上部气动荷载及风机塔筒质量等基本要素，详细设计了三浮筒半潜式浮式基础结构的主要的浮筒、立柱排水尺寸和整体结构形式，通过GeniE建立完成浮式风电模型，并导出多种类型的有限元模型用于频域、时域分析。 2.文中利用HydroD分析浮式基础的水动力性能，通过对整体结构形式、尺寸的调整以及压水板的设计，能够使本文所设计的新型半潜浮式平台水动力性能明显优于传统半潜浮式风电平台，浮式基础的纵摇、横摇及垂荡周期要远离南海波浪能量集中区，具有良好的耐波性，适宜在南海海域工作。 3.通过DeepC模块完成浮式风电系统在设计的系泊系统约束下的时域分析，要求在短时预报周期内浮式风电系统六自由度位移、偏转响应符合国内外规范要求，设计的系泊系统钢缆强度满足海上风机安全运营要求。针对文中设计的浮式基础进行极限装机容量研究，分析出其最大承载能力。 4.稳性是平台性能指标的重要衡量标准，直接关系到造价昂贵的海上风机运行安全和对风资源的利用效率，文中针对浮式平台在各种海况下的整体稳性及破舱稳性展开研究，要求保证风机在工作海况下平稳运行，在极端海况、破舱条件下能够生存。 本文所设计的三风机一体的新型半潜浮式结构平台，相对于国内半潜浮式风电平台的研究是一种创新，研究结果表明，文中设计平台水动力性能优越，耐波性能良好，3×3MW风电系统能够在有义波高不大于4.5m时安全发电，平台最大装机容量可达3×3.6MW，在50年一遇海况及任意两压载舱破损的情况依然能够保证风电系统的生存。这对我国近海乃至深海风电开发具有重要的参考价值。 【关键词】：半潜浮式平台 水动力性能 频域 时域分析 破舱稳性 系泊系统
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU476
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1.绪论11-22
• 1.1 研究的背景及意义11-12
• 1.2 国内外发展现状12-18
• 1.3 国内外海上浮式风电平台设计的关键因素以及研究进展18-20
• 1.4 本文的研究目的与研究内容20-22
• 1.4.1 课题来源20
• 1.4.2 主要研究工作20-22
• 2. 基本理论22-35
• 2.1 风荷载计算22-25
• 2.1.1 风速的描述22-23
• 2.1.2 风荷载计算23-25
• 2.2 波浪荷载计算25-33
• 2.2.1 Airy 波浪理论25
• 2.2.2 随机波浪理论25-29
• 2.2.3 小尺度构件上的波浪荷载计算29-30
• 2.2.4 三维线性势流理论30-33
• 2.3 海流荷载计算33-34
• 2.3.1 海流流速33
• 2.3.2 海流荷载计算33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3. 浮式平台的设计和模型建立35-43
• 3.1 装机容量 3×3MW 浮式平台基础结构设计35-38
• 3.1.1 3MW 水平轴风机介绍35-37
• 3.1.2 浮式基础结构37-38
• 3.2 SESAM 软件分析过程38-40
• 3.3. 结构模型与有限元模型建立40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 4. 频域分析43-55
• 4.1 结构物所受波浪荷载的组成43
• 4.2 结构物在波浪运动中的组成43-44
• 4.3 频域运动方程44
• 4.4 传递函数与响应谱44-45
• 4.5 SESAM 在频域分析中的应用45-46
• 4.6 水动力计算的有限元模型46
• 4.7 浮式风电系统频域响应计算46-47
• 4.8 频域响应计算结果47-53
• 4.9 本章小结53-55
• 5. 时域分析55-74
• 5.1 浮式结构物的系泊系统55-58
• 5.1.1 系泊系统的机理和分类55-56
• 5.1.2 系泊系统的静力分析与动力分析56-58
• 5.2 系泊结构物响应的时域分析理论58-61
• 5.2.1 波浪力的傅氏变换58-59
• 5.2.2 附加质量与辐射阻尼的傅氏变换以及迟滞函数59-60
• 5.2.3 时域运动方程60-61
• 5.3 SESAM 在时域计算时的应用61
• 5.4 浮式风电系统时域响应计算61-70
• 5.5 浮式基础装机容量研究70-73
• 5.6 本章小结73-74
• 6. 稳性分析74-87
• 6.1 浮式风机平台完整稳性计算原理74-78
• 6.1.1 初稳性计算方法74-76
• 6.1.2 大倾角稳性计算方法76-78
• 6.2 浮式风机平台破损稳性计算原理78-79
• 6.3 稳性分析结果79-85
• 6.3.1 完整稳性分析结果81-82
• 6.3.2 破舱稳性分析结果82-85
• 6.4 本章小结85-87
• 7.总结与展望87-89
• 7.1 主要结论87-88
• 7.2 主要创新点88
• 7.3 研究展望88-89
• 参考文献89-92
• 致谢92-93
• 个人简历93
• 攻读硕士学位期间参与发表的学术论文、专利及参与的科研项目93-94

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