一种海上风电漂浮平台主尺寸设计方法与流程

本发明属于海洋可再生能源，涉及了一种海上风电漂浮平台的参数化主尺寸设计和建模方法。

背景技术：

1、海上风电是一种可再生风能源利用的重要装备，近年来随着近海海域的不断开发，海上风电的发展开始逐渐走向深远海。传统的固定式基础受海水深度，海床条件等客观因素的约束，发展潜力受限，利用漂浮式技术开发深远海资源成为海上风电发展主流。漂浮平台主尺寸设计是海上风电机组整个设计周期中的重要环节，决定了机组主要的操作性能、功率性能和经济性能，是开展详细设计的前提。基于我国离岸中等水深特征，半潜式浮动平台由于吃水小、适用水深范围广、便于拖航等优点，成为浮式风机支撑结构主流类型。

2、但浮式风电仍处于早期开发阶段，设计方法及相应标准尚不成熟。当前浮式风机平台主尺寸设计主要基于油气平台设计经验和知识积累，但海上油气平台和浮式风机存在明显不同，主要体现在以下两个方面：1)油气平台需要有较大的甲板面积，其主要承受甲板负载和波浪载荷，但很少承受风载。相比之下，浮式风机平台因为重心和受风处都很高，除了承受风轮、塔筒重力载荷及波浪载荷之外，还需要承受较大的风载导致的倾覆力矩。2)海洋油气平台和浮式风机的失效后果不同。浮式风机在运行过程中不需要人员操作，因此风机的失效仅仅会造成经济损失，而油气平台失效会导致人员伤亡和环境污染。海上油气平台和浮式风机在受载、载荷响应特征及失效后果方面存在巨大差异，使得用于油气平台设计的流程、方法和准则不能直接用于浮式风机平台设计。

3、如何高效开展浮式平台主尺寸设计，现有研究成果尚没有完备的解决方案。主流浮式风机平台主尺寸设计基于莫里森方法计算水动力载荷，但该方法仅适用于细长体结构，针对大型半潜式平台计算精度不足。因此，发明一种针对浮式风机半潜平台高效、精确的主尺寸设计方法用来指导工程实践，对实现平台安全性、经济性设计性能提供重要支撑，且可有效缩短海上漂浮式风电机组开发周期，节省大量成本。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种浮式风机半潜平台主尺寸高效、准确设计的方法。提高建模效率，快速、准确获得平台主尺寸设计参数及响应。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

3、一种海上风电半潜式漂浮平台参数化主尺寸设计方法，包括以下步骤：

4、s1、选择漂浮平台基本构型：通过综合分析风场环境数据(水深、风力和海洋气象条件、岩土条件等)，风电机组参数(结构、重量，性能参数等)，参考工业和学术领域现有半潜式平台结构特点(三立柱/四立柱，有/无横撑、斜撑，钢/混凝土结构)，选择合适的漂浮平台基本布局；基于现有基准模型，确定平台初始主尺寸参数，建立结构和水动力模型，并选择重要的主尺寸参数设计变量用于后续敏感性分析；

5、s2、确定平台主尺寸设计初始范围：基于所建立的半潜式漂浮平台结构及水动力模型和风电机组参数，利用海洋工程领域主流水动力计算软件，计算得到附加质量、静水回复刚度等水动力系数，综合平台倾覆力矩，风机结构总质量、转动惯量、质心及浮心等参数，计算得到平台静态倾覆角度(静倾角)、运动固有周期等重要响应；基于平台主尺寸参数敏感性分析，得到平台响应相对不同主尺寸参数变化的变化规律，找出重要的主尺寸变量，综合初始设计准则校核，确定平台主尺寸设计初始参数范围，包括立柱间距、侧柱半径等；

6、s3、缩小平台主尺寸设计范围：利用水动力软件计算平台不同倾覆方向回复力矩曲线，结合倾覆力矩，开展平台完整稳性校核分析，包括校核初始位置稳心，校核水密完整性，校核平台由正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比，校核倾覆力矩/恢复力矩第一交点前恢复力矩正负值，找出满足以上所有四个条件的主尺寸参数，进一步缩小设计范围；

7、s4、确定最终平台的构型、总体尺寸、质量和水动力等属性：对满足步骤s3的四个条件的平台分别通过水动力学计算软件，施加上简化锚链和不同周期及不同方向的单位正弦波，进行频域分析，计算平台运动及结构内部载荷响应幅值算子。评估s3中获取的不同平台波频激励范围内运动及载荷响应特性，确定最终平台的主尺寸、质量和水动力参数。

8、进一步的，在步骤s2平台主尺寸参数敏感性分析中，利用参数化建模方式通过定义不同输入变量高效快速建立结构及水动力模型，建模输入变量为重要主尺寸参数变量，如吃水深度，立柱间距，立柱半径，浮筒长度/宽度等。

9、进一步的，在步骤s2中，所述静横倾角须处于5°～10°之间，所述垂荡方向上的固有周期须大于等于20s，所述纵摇方向上的固有周期须大于等于25s。

10、进一步的，在步骤s2中，所述静态倾覆角度的确定包括根据倾覆力矩和纵摇方向上的静水刚度系数，具体如下：

11、其一，将风轮推力和风作用在塔筒上的阻力通过计算公式转化为作用在平台上的倾覆力矩，其中：ft为风轮推力，hh为风轮中心到漂心的高度，n为塔筒的分段数，fi为每段塔筒上风作用的阻力，hi为每段塔筒中心到漂心的高度。

12、通过计算公式c55＝ρg(i55+vwzb)-mgzg可以得到在纵摇方向上的静水刚度系数，其中：ρ为海水密度，g为重力加速度，i55为纵摇方向上水线面惯性矩，vw为排水体积，zb为浮心的垂向坐标，zg为重心的垂向坐标，m为整机的结构质量(包括风轮质量、机舱质量、塔筒质量、漂浮平台及压舱物的重量)。

13、进一步的，所述静态倾覆角度可以通过公式θ＝m/c55得到。

14、进一步的，在步骤s2中，所述垂荡方向上的固有周期的确定根据结构质量、平台在垂荡方向上附加质量和静水刚度系数计算，具体如下：

15、通过计算公式c33＝ρgaw可得到垂荡方向上的静水刚度系数，其中：aw为水线面积。

16、进一步的，所述垂荡方向上的固有周期可以通过公式t33＝2π((m33+a33)/c33)0.5得到，其中：m33为整机质量，a33为垂荡方向上的附加质量。

17、进一步的，在步骤s2中，所述纵摇方向上的固有周期的确定根据结构在纵摇方向上的转动惯量、附加质量和静水刚度系数计算，具体如下：

18、通过公式t55＝2π((m55+a55)/c55)0.5可得到纵摇方向上的固有周期，其中：m55为绕y轴的转动惯量，a55为纵摇方向上的附加质量。

19、进一步的，在步骤s3中，所述初稳心高度gm须大于等于1m，所述从正浮状态逐渐倾斜至第二交点处的回复力矩曲线下的面积和同一角度处的倾覆力矩曲线下的面积之比大于等于1.3，所述回复力矩的值在正浮至第二交点之间须为正值，平台在第一交点前需保证水密完整性。

20、进一步的，在步骤s3中，所述初稳性高度的确定根据静水刚度系数和排水重量得到，具体如下：

21、通过公式gm＝c55/δ可得到初稳性高度，其中：δ为排水重量。

22、进一步的，在步骤s4中，所述简化锚链为弹簧系统，单根弹簧由预紧力，水平和垂向刚度组成。

23、相比于现有技术，本发明的优点在于：

24、(1)创新性的建立了一套用于浮式风机主流半潜式平台概念设计的完整高效的方法和流程，结合海工领域主流商业软件，开发了半潜式平台参数化设计、建模，稳性分析及运动固有周期分析程序，综合平台概念设计可操作性、稳性和运动性能准则，实现了半潜式平台合理的结构选型和高效的主尺寸设计。

25、(2)克服了传统基于莫里森方程或形状预估附加质量等水动力系数的精度不足，保证了针对大型半潜式平台计算响应的精度，并能够理解平台主尺寸参数和重要响应之间的关系，揭示出主尺寸参数变化对平台倾覆角度及完整稳性等的影响规律。

26、(3)流程与海上油气平台设计有明显区别，主要由于海上油气平台和浮式风机在受载、载荷响应特征及失效后果方面存在巨大差异。本方案流程和方法可以广泛应用于浮式风机不同半潜平台构型，适用性好，使用范围广。

27、综上，本发明通过提出平台主尺寸设计的静态倾角、完整稳性及运动性能设计准则，开发主尺寸参数化建模程序，高效建立半潜平台结构和水动力模型，大大提高了建模效率。利用势流理论和频域方法计算水动力系数，考虑重要环境工况下风轮推力和塔筒阻力，快速、准确计算平台静态、动态响应。提出参数敏感性分析方法，找出重要的主尺寸设计变量，综合风机可操作性及安全性设计准则，确定平台主尺寸设计方案及参数。该新型设计方法成功应用于某mw级浮式风机半潜平台设计，快速、准确获得了平台主尺寸设计参数及响应。