海上浮式风机平台的系泊系统研究

论文摘要

随着陆基风力发电机的迅速发展,可用土地资源有限、噪音、视觉污染、政策限制等诸多问题逐渐暴露,为解决这一问题,风电场选址正逐步由陆上向海洋发展,固定形式逐渐由固定式向漂浮式方向发展,随着水深的加深固定式海上风机的生产制造成本随之增加,有必要采用更加经济可行的锚链进行定位;而系泊系统作为牵引定位浮式风机的重要组成部分,合理的系泊布置关系到浮式风力发电机组的稳定性和安全性,更会影响到风力发电机组的发电效率;过去国内外学者多是通过优化海上浮式平台的结构改善风机性能,而对占海上浮式风机总投入成本20%的系泊系统的研究较少,仍有很多问题亟待解决,因此设计一种安全可靠的系泊系统性具有重要的意义。(1)简要介绍了海上风机的发展历程及现状,参阅漂浮式海上风机系泊系统的国内外研究现状,比较了海上浮动基础的各项性能和经济性,根据明阳智慧能源要开发的海洋浮式风机采用的半潜式风机结构为研究对象。(2)介绍了海洋环境中的风、浪、流各种环境载荷,并利用三维势流理论、Morison理论进行相关载荷计算,用FAST软件对OC4 Deep Cwind风机平台参数进行建模,后续研究都是依据该平台进行;并对该模型进行的仿真结果与风机专用仿真软件Bladed进行对比,验证FAST仿真结果的可靠性。(3)以降低锚链在复杂海洋环境中系泊导缆孔处张力以及浮式平台的运动响应为目的,用FAST仿真软件分别从不同锚链个数、系泊布置夹角及导缆孔位置等参数出发,分析了上述不同参数对浮式平台的运动响应及系泊张力的影响,将仿真计算得到的平台位移、张力与设计规范进行对比,校核锚链设计满足设计要求;并对该系泊设计方案的浮式风机,在作业工况中受力最大锚链破损情况下仍能能正常工作,以及对与之相邻的锚链强度进行校核,进一步研究了一组锚链失效后的情况。最终设计出一种更加经济安全的系泊设计方案,为日后浮式海上风机工程设计和实际安装应用提供一定参考依据。(4)海上风机处于复杂的环境中锚链很容易产生疲劳损伤,为保证海上浮式风机的能够在服役期限正常工作,锚链的疲劳损伤分析也是必不可少的;分别从湍流(5)风强度、风浪不同向、波浪周期分析疲劳损;结果表明,稳态风状态下锚链的疲劳寿命远大于湍流风状态下的疲劳寿命;当风波夹角为0°时,锚链疲劳损伤最大,随着波浪周期的增加,各系缆疲劳损伤程度先增大后减小的趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 海上风机基础发展历程
•     1.2.1 固定式海上风机
•     1.2.2 漂浮式海上风机
•   1.3 海上浮式风机系统研究进展
•     1.3.1 海上浮式风机的发展
•     1.3.2 国内外系泊系统研究现状及不足
•   1.4 课题来源及主要研究内容
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 主要研究内容
• 第二章 半潜式风机建模及其环境载荷计算理论
•   2.1 半潜式风机整体建模
•     2.1.1 风力发电机组模型
•     2.1.2 浮式基础
•     2.1.3 系泊系统
•   2.2 三维势流理论计算方法
•   2.3 Morison理论计算方法
•   2.4 环境荷载计算
•     2.4.1 风荷载计算
•     2.4.2 波浪荷载计算
•     2.4.3 海流载荷计算
•   2.5 半潜式浮式风机平台运动的时域分析方法
•     2.5.1 时域与频域的转换
•     2.5.2 波浪力的傅氏变换
•     2.5.3 时域运动方程
•   2.6 本章小结
• 第三章 半潜式风机系泊系统计算及设计标准
•   3.1 系泊系统计算方法
•     3.1.1 悬链线系泊方式
•     3.1.2 系缆张力的计算
•   3.2 系泊系统设计标准
•     3.2.1 浮体允许位移和俯仰要求
•     3.2.2 浮体锚链允许张力要求
•   3.3 系泊形式算例分析
•     3.3.1 系泊系统布置形式
•     3.3.2 风机平台运动响应
•     3.3.3 仿真结果对比
•   3.4 本章小结
• 第四章 半潜式风机平台系泊系统的方案设计
•   4.1 软件介绍
•     4.1.1 FAST仿真软件框架
•   4.2 系泊系统的优化设计与选择
•     4.2.1 改变锚链索数目的影响
•     4.2.2 改变锚链索布置角度的影响
•     4.2.3 改变导缆孔位置的影响
•   4.3 浮式海上风力发电机组锚链断裂后的性能变化
•     4.3.1 一根锚链破损条件下性能变化
•     4.3.2 某组锚链完全失效条件下性能变化
•   4.4 本章小结
• 第五章 半潜式风机系泊系统疲劳寿命分析
•   5.1 系泊疲劳寿命分析方法
•   5.2 湍流风对系泊系统疲劳寿命的影响
•     5.2.1 环境参数
•     5.2.2 系泊疲劳寿命计算
•   5.3 风浪异向时对海上浮式风机系泊的影响
•   5.4 不同波浪周期对疲劳寿命的影响
•   5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵争兵

导师: 肖体兵,赵春雨

关键词: 半潜式平台,系泊系统,运动响应,疲劳损伤

来源: 广东工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,电力工业

单位: 广东工业大学

基金: 明阳智慧能源集团载荷强度室“海上漂浮式风机的动力学建模及仿真分析研究”

分类号: TM315;P742

DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.001377

总页数: 94

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