开题报告：基于Spar浮式风电支撑结构及系泊系统设计.doc

中国海洋大学 本科毕业论文（设计） 开题报告 题 目 基于Spar浮式风电支撑结构及 系泊系统设计 院、 系 工程学院海洋工程系 专业年级 船舶与海洋工程2010级 学生姓名 学 号 指导教师 教授 教务处制表 2014年3月7日 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 课题来源、背景情况: 随着全球经济的发展，能源问题越来越受到各国的重视。在目前的能源结构中，煤、天然气、石油及核能等非再生能源占据着世界能源供应的主要形式。但其所带来的环境问题（大气污染、核残料辐射污染等）却不容乐观。而风能作为一种清洁的可再生绿色能源，开发效率好，具有大规模开发条件和商业化前景，越来越受到世界各国的重视。近几年，全球风电市场每年都在快速增长，预计未来20-25年，世界风能市场每年将递增25%。相比于传统的陆上风电海上风电有着明显的各项优势：1：海上空间大，风速大，且风力稳定,可利用时间长；2：我国沿海地区商业发达,用电量需求巨大,相比于传统的陆上发电,沿海地区的近海发电可通过较短的距离运输到企业用户，减少经济成本3：海上有大片广阔平坦的区域,风电产业的发展空间不受限制,允许风电场建设更为大型化和产业化。 自从1991年丹麦建立第一座海上风电场Vindeby以来，海上风电产业得到了快速的发展，特别是丹麦、英国、德国等欧洲国家成为了海上发电的主力，随着2010年上海东海大桥海上风电场并网发电，中国也逐步加入了海上风电开发的行列。2010年英国建成的Thanet海上风电场,总装机容量300MW，安装了100台功率为3MW的vestas风力涡轮机，电厂的发电量相当于20多万英国家庭的年用电量，成为目前（2012年6月）最大的已建成的海上风电场。而未来海上风电更是朝着更大型化发展，除了已经完成建设和正在建设的海上风电场外，各个国家提出了多项大型海上风电项目，其中最为引人注目的就是英国Dogger Bank海上风电项目，总装机容量达到9000兆瓦。2012年初，全球共有200多台涡轮机组在几个风电场实现了并网，总容量达到近900兆瓦。目前，全球正在建设近6000兆瓦容量的海上风电，其中有17兆瓦的容量建设已经获批。预期在未来海上风电容量将增加十倍。欧洲风能协会估计到2020年40000兆瓦的海上风电每年可供电148000000兆瓦时，足以满足超过欧洲电量总需求的4%，可减少二氧化碳排放8700万公顷]。所以近年来，近海风力发电技术成为国内外学者的研究的热点。我国近海风能资源预计可达7. 5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电必将成为未来发展的重点，而远海的浮式风电必将成为风电发展的重中之重。 课题研究目的、学术价值或实际应用价值: 由于近海资源的有限：1近海风电场的建设不利于其它近海资源的开发以及船舶的航行。2随着生活品质的提高，人们对环境要求也越发苛刻，在国外有相关环境保护者已经提出海上风电场的建设，应该远离海岸线，建造在离岸30-50公里以外的海域的要求,也受到了相关部门的重视。这就使得风电场的建设将越来越深海化。深海化带来的问题使得固定式的风电基础随着水深的加深越发不经济，海上浮式风电的发展日益成为人们关注的对象。对于传统的海上浮式采油结构，国内外已有大量学者对其做个系统的研究，然而与传统的海洋油气产业相比，浮式风电有着其独特的特点，主要表现在：1浮式基础上的载荷小很多。风机连同支撑立柱的重量在数百吨而油气开发平台的重量在几千吨到数万吨。2投资回收期长、收益较油气开发低。3风电机组的收益远低于油气开发，受投资、收益限制，需开发适合（水深50-200米）的浮式风电基础结构及相应的系泊系统和安装装备。4浮式系统的运动响应控制更为严格。5所需要的数量远大于油气开采装置数量，要求大规模制造生产。而风电产业带来的经济效益不够明显造成的经济限制依旧海上浮式风电的产业化所面临的重大问题。但由于浮式风电基础相比于传统的海洋工程浮式结构，体积小，重量轻，相对水深较浅使得对浮式结构的优化，在一定范围内减少成本投入，使其能够得到大规模产业化生产提供了可行性。 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 随着海洋资源开发越来越受到各国的重视，对于海上平台，海上风电的研究也日益成为人们研究的热点，目前国内外对海上浮式风电、深海采油平台系泊系统的研究现状为： 2008年张素侠,唐友刚等人采用针对海洋平台的Spar结构系泊系统，应用应力波理论分析了缆绳内水平张力、波数、缆索坐标等参数对缆绳内应力波传播特性的影响,并且计算得到了缆绳在松弛、松弛-张紧和张紧三种状态下缆绳的运动和张力，比较分析了缆绳三种运动状态的区别，发现三种状态下，缆绳结构的运动特点、最大张力以及对结构的破坏程度均有所不同。在此基础上对平台浮体和系泊系统进行了耦合分析，得到了缆绳的力与外界环境荷载的部分关系并通过实验验证了系缆张力随端点激励频率和激励幅值、缆绳刚度、缆绳直径、缆绳弹性模量的增大而增大，随缆绳长度的增大而减小的结论，且通过模型实验对系缆的冲击张力进行了部分研究[1]。 2010年阮胜福、唐友刚等人以一座 600KW 水平轴风电机为模型，从减小浮式基础运动的角度出发，详细设计了塔柱、半潜式基础以及系泊系统。利用SESAM软件建立了纤细的有限元模型，借鉴深海平台计算风力的方法，应用 Morison 公式和线性势流理论计算基础的波浪力，充分考虑电机-塔柱-浮式基础与细缆之间的耦合作用，计算了浮式风电系统在紊动风，定常流以及不规则波浪联合作用下的动力响应，分析浮式风电系统的动态运动和系缆张力，并提出了优化建议，对海上风机系统进行了频域分析和时域分析[2]。 2011年李溢涵、唐友刚等人以NREL的海上5MW风机为基础，综合驳船和Spar平台的特点，概念性地设计了一种海上风机Spar型浮式基础，并且考虑风机与基础的整体模型、系泊系统与基础之间的耦合作用，研究了结构在规则波中的运动响应，分别分析了系泊系统的回复力和波面升高对垂荡和纵摇耦合运动的影响，运用SESAM 中Deep C模块对海上风机的整体模型进行了时域分析[3]。 2011年张亮，吴海涛等人在哈尔滨工程大学船模水池以5MW风力机为模型按照不同模型缩尺比设计了三种类型的浮式基础结构，采用定常载荷模拟风机气动荷载，弹簧悬链线模拟系泊系统的研究方法，分别对三种结构类型进行了实验和仿真计算，分别对比了不同结构在不同波浪形式作用下结构的垂荡纵荡等动力响应[4]。 2012年林诚鑫，黄维等人研究了在循环载荷作用下，合成纤维系缆的应力应变关系，指出了非线性特性系泊缆绳的动力响应的影响。得到一个粘弹性粘塑性模型来描述合成纤维系缆的应力应变关系，能够反映合成纤维缆绳的时间变化特性以及在整个加载—卸载过程中的刚度变化；提出了明确的参数确定方法及步骤，基于简单的蠕变实验可以确定模型的各个参数。且通过将两种载荷条件下聚酯缆绳的实验结果与模型结果进行对比，证明了模型的有效性和可靠性[5]。 2012年杨建明等人以NREL的5MW风机的环境条件为基础，设计了一种新型的TLP基础结构（Windstar TLP），依照IEC-61400-3的要求参照aero-hydro-servo-elastic的耦合条件对结构进行了时域分析，证实了设计的可行性，但此次实验并没有对系泊系统进行验证，没有对结构的强度进行计算，数值实验结果没有进行实验对比验证[6]。 2009年美国加州大学伯克利分校的Dominique Roddier 等人针对美国的Windfloat结构的进行了可行性研究分析，对海上风电浮式基础的典型形式进行了总结，列出了浮式基础的设计依据、规范要求等，并提出未来的研究重点需要放在空气动力学与水动力学的耦合分析以及塔柱与浮式基础的连接方式等问题上[7]。 2009年英国纽卡斯尔大学 Kurt Delpeche 等人针对一个用于风力发电和波浪发电的环形浮式结构，设计了一个实体模型,并且在规则波作用下两种不同工作状态下测点结构的动力参数和系泊力。并且理论推导了环形结构的附加质量和阻尼，建立了系统运动方程，对结构进行了数值计算，进而与实验测得数据进行对比,分析了系统在风浪流作用下的运动响应和系缆张力[8]。 2011年日本国家海洋研究所的Toshiki 等人以小比例的 Spar 模型为基础在有水池的风洞中测试了两种生存状况下，结构的动力响应，并且测试了系泊点位置对模型运动响应的影响。最后以一大比例模型，试验了纵摇控制器对控制模型纵摇的响应、系泊点位置对首摇运动的影响[9]。 2012年挪威的Madjid Karimirad, Torgeir Moan等人以Hywind为模型，研究了一种空气动力的简化方法用以保证计算准确度的前提下减小计算时间。且指出了悬链线系泊系统的预张力特性和系泊的一般设计原则：应当使浮体运动和变形频率避开风浪的激励频率，指出了系泊系统的刚度与导缆孔的位置，水深，锚链长度，锚链弹性，悬挂重量以及浮体的浮力的关系。并且通过时域分析的方法计算了两种不同水深SPAR结构在各种环境载荷作用下基础结构的响应情况，指出了中浅水Spar的优势和可行性[10][11]。 2012年英国的Simon Lefebvre, Maurizio Collu等人介绍悬链线，绷紧式，压载式三种不同系泊方式的优缺点，指出浅水区域绷紧式系泊系统是最佳方式。比较三根系缆和九根系缆的在三浮体框架式结构中的系缆张力和基础运动情况，指出在性能上后者稍优于前者，但造价几乎是前者的两倍。指出一般的浮式风电适合三根系缆的锚泊方式。最后文章对详细的介绍了浮式风机的七种设计，通过计算回复力矩和和结构自振频率，选出了最适合的设计，并且针对其进行了水静力和水动力计算，进行了结构优化[12]。 2012年挪威的Matthias Brommundt，Ludwig Krause等人对悬链线系泊系统的设计进行了详细的介绍，并指出了一种一般的设计准则，然后在规定的条件下，采用频域法分析计算，在保证结构安全的前提下，通过对锚链的水平长度，总长度，锚链尺寸，锚链之间的角度等参数的改变对系泊系统的进行了优化设计，达到减少系泊长度和系泊系统的成本的[13]。 从上面的介绍可以看出国内外学者对于海洋采油平台和固定式海上风电均已经做了相当的研究取得了大量成果，但相比较于采油平台和固定式风电，海上浮式风电的发展则相对较晚，近几年国内学者的研究主要着重于基础结构的选择和优化，对于系泊系统的研究相对较少。而对于系泊系统的研究也只是着重于对于传统的海洋工程浮式平台的系泊系统。然而不同于海洋采油平台，浮式风电体积小，重量轻，水深相对较浅，而且系泊系统与结构之间的耦合作用更强，系缆对结构的响应作用更加明显，对设计的经济要求更敏感。目前虽然国外已有部分学者对其做了一定的研究，但研究的内容不够全面，而国内对于海上浮式风电系泊系统的研究则仍处于初步阶段。因此研究浮式风电系泊系统的优化是一个新的课题，为以后海上浮式风电系泊系统的建设具有现实的指导意义。 参考文献： [1]张素侠，唐友刚.深海系泊系统松弛-张紧过程缆绳的冲击张力研究[M]；天津：天津大学，2008 [2]阮胜福，唐友刚．海上风电浮式基础动力响应研究[M]；天津：天津大学，2010 [3]李溢涵，唐友刚. 海上风机 Spar 型浮式基础的运动特性研究[M]；天津：天津大学，2011 [4]张亮，吴海涛. 哈尔滨工程大学海上浮式风力机研究工作介绍.哈尔滨[C]；哈尔滨工程大学，2012 [5]林诚鑫，黄维. 循环荷载作用下合成纤维系缆粘弹塑性应力应变关系[J]；海洋工程，2012 [6]yongsheng-Zhao ,jianmin-yang. Concept design of a multi-column TLP for a 5MW offshore wind turbine[C]. Proceedings of the ASME 2012 31th Internati