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導(dǎo)讀

隨著我國海上風(fēng)電大規(guī)模的投入使用，近海資源逐漸趨于飽和，海上風(fēng)電正逐漸走向“深藍(lán)”。與此同時，海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)形式也伴隨水深變化，從固定式支撐結(jié)構(gòu)到漂浮式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行演變。漂浮式海上風(fēng)電作為一種能夠開發(fā)更深、更遠(yuǎn)海上風(fēng)資源的技術(shù)，有助于擴(kuò)大對海上風(fēng)資源的利用范圍，突破水深對立柱式海上風(fēng)電施工帶來的限制，同時也能有效降低施工對海洋環(huán)境的負(fù)面影響。
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2021年7月，中國科協(xié)在第二十三屆中國科協(xié)年會閉幕式上發(fā)布了10個對科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用的前沿科學(xué)問題、10個對工程技術(shù)創(chuàng)新具有關(guān)鍵作用的工程技術(shù)難題，并首次發(fā)布10個對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有引領(lǐng)作用的產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。其中在產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題中，提到了“如何攻克漂浮式海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工程示范難題？”。開展深海漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)與樣機示范項目探索，有利于我國掌握技術(shù)制高點，在深遠(yuǎn)海海上風(fēng)能資源競爭中占據(jù)優(yōu)勢，有利于儲備研發(fā)力量，為將來大規(guī)模開發(fā)深遠(yuǎn)海資源奠定基礎(chǔ)，同時，也為“一帶一路”和“走出去”戰(zhàn)略打下基礎(chǔ)的良好契機。

漂浮式海上風(fēng)電的發(fā)展動力主要來自于發(fā)展需要、資源稟賦、政策激勵等多個方面。我國漂浮式基礎(chǔ)的研究已開展多年，目前行業(yè)內(nèi)也已呈現(xiàn)出越來越多企業(yè)開展研究的局面。立足于國際市場，著眼于未來5年，當(dāng)能源轉(zhuǎn)型、應(yīng)對氣候變化，或者戰(zhàn)略需要“能源島”建設(shè)時，積極布局漂浮式風(fēng)電的企業(yè)就會擁有良好的發(fā)展先機。因此本文綜合海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)和國內(nèi)外建成的漂浮式風(fēng)機案例進(jìn)行分析，以期為我國技術(shù)研發(fā)及工程示范帶來一些參考。

漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)形式

我國現(xiàn)有的海上風(fēng)電主要采用固定式基礎(chǔ)安裝在淺海區(qū)域(小于30m水深)，隨著水深增加導(dǎo)致固定式風(fēng)力機建造安裝費用急劇增加，水深大于50-60米以后，漂浮式風(fēng)機系統(tǒng)建造成本將大幅降低，因此，水深大于50米的海域一般采用漂浮式基礎(chǔ)作為風(fēng)機的支撐平臺。

1972年，美國馬薩諸塞大學(xué)安默斯特分校的Heronemus教授首次提出了海上漂浮式風(fēng)電的技術(shù)概念，但限于當(dāng)時的技術(shù)水平和高昂的建設(shè)成本，相關(guān)技術(shù)并未引起廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)發(fā)展至今，海上漂浮式風(fēng)機極大地拓展了海上風(fēng)電的應(yīng)用范圍，并且具有諸多的優(yōu)勢，例如：機位部署更加靈活、可在岸上完成整體組裝、海上施工安裝更加方便、可完全拆解與遷移、可搭載更大功率的風(fēng)電機組等。近年來隨著海上風(fēng)電單機功率大型化和海上風(fēng)場走向深遠(yuǎn)海，漂浮式風(fēng)機技術(shù)正成為熱點研究方向之一，不斷地涌現(xiàn)出新形式，但大體可按照其靜穩(wěn)性原理將之劃分為立柱式(Spar)、半潛式(Semi)、張力腿式(TLP)、駁船式(Barge)。

立柱式(Spar)：該類型平臺的重心設(shè)計遠(yuǎn)低于浮心。當(dāng)平臺發(fā)生傾斜時，重心和浮心之間形成回復(fù)力偶可抵抗平臺的傾斜運動；與此同時，較小的水線面設(shè)計，可減小平臺垂蕩運動，但較大的平臺吃水設(shè)計導(dǎo)致其對工作水深有特定的要求，通常要求大于100 m水深。

半潛式(Semi)：該類型平臺在風(fēng)機傾斜時，可通過分布式的浮筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水線面變化，進(jìn)而產(chǎn)生抵抗平臺傾斜運動的回復(fù)力矩；適用水深通常大于40 m，適用水深范圍較廣；平臺的各方向運動適中，但對低頻波浪二階力較為敏感；可采用濕拖法運輸，部署靈活，技術(shù)較為成熟。

張力腿式(TLP)：該類型平臺通過垂向下的系泊張力平衡浮體向上的超額浮力，類似“上下繃緊”的結(jié)構(gòu)；因此，具有較好的平臺垂向運動性能，但是其安裝過程較為復(fù)雜，且張力腱結(jié)構(gòu)造價較高，目前國內(nèi)缺乏相關(guān)的制造和施工安裝經(jīng)驗；適用水深通常大于40 m，對高頻波浪二階力敏感。

駁船式(Barge)：該類型平臺類似于船型，利用平臺浮力抵消重力，適應(yīng)水深通常大于30 m，垂向運動固有頻率在一階波浪頻率范圍內(nèi)，故波頻響應(yīng)較為敏感，設(shè)計時需要進(jìn)行平臺運動頻率優(yōu)化；結(jié)構(gòu)形式簡單，容易制造，穩(wěn)性較好，可采用濕拖法整體運輸，部署靈活且成本較低。

漂浮式風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)

1穩(wěn)性校核研究

海洋工程結(jié)構(gòu)物穩(wěn)性指的是在其在拖航、安裝和使用過程中，結(jié)構(gòu)物所具有的抗傾覆和抗滑移的能力。在海上漂浮式風(fēng)機的設(shè)計工作中，首要的目標(biāo)是能夠保證其漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)性，以保障其在服役的各階段不發(fā)生傾覆性后果。因此，海上漂浮式風(fēng)機設(shè)計的首要步驟是進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)性計算與校核，可依據(jù)不同階段，劃分為拖航、安裝和使用過程的穩(wěn)性校核。另外，根據(jù)浮體是否發(fā)生破艙（壓載艙）事故，又可以分為完整穩(wěn)性校核和破艙穩(wěn)性校核；其中，破艙穩(wěn)性校核作為事故工況中較危險的情況，設(shè)計時需要格外注意。

當(dāng)前海上漂浮式風(fēng)機還沒有成熟完善的規(guī)范指導(dǎo)其穩(wěn)性計算與校核工作，國內(nèi)外研究者主要以海洋油氣平臺的相關(guān)規(guī)范作為漂浮式風(fēng)機穩(wěn)性校核參考；根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范要求，浮體搖擺角度和力矩關(guān)系如圖3所示。

浮體擺角與力矩關(guān)系圖

當(dāng)浮體受到外部傾覆力矩時，從正浮狀態(tài)逐漸傾斜至第二交點或進(jìn)水角處的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應(yīng)比至同一限定角處的風(fēng)傾力矩曲線下的面積大30%，且復(fù)原力臂在上述的范圍內(nèi)要保持正值和回復(fù)力消失角（回復(fù)力矩曲線與傾斜軸的第二個交點）大于36度。依據(jù)現(xiàn)有的船舶與油氣平臺設(shè)計經(jīng)驗，提高漂浮式風(fēng)機穩(wěn)性的措施主要有降低浮體的重心、增加浮體的干舷、增加浮體的寬度、注意浮體水線以上的開口位置和風(fēng)雨密性及水密性等。

2系泊系統(tǒng)的研究

漂浮式風(fēng)機作為海上浮式結(jié)構(gòu)物，需要通過系泊系統(tǒng)進(jìn)行位置和運動的約束，其力學(xué)作用機理主要通過系泊材料的變形或懸空重量改變來提供約束張力。系泊系統(tǒng)通常包含絞車、導(dǎo)纜設(shè)備、系泊線、錨、重力和浮力套件等組成。

常見的系泊形式包括懸鏈線式系泊、傘型張緊式系泊、垂向張力腿系泊。對于立柱式、半潛式和駁船式海上漂浮式風(fēng)機，常采用的是懸鏈線式系泊，系泊線通常為鋼鏈結(jié)構(gòu)；鋼鏈由許多鏈環(huán)連接而成，鏈環(huán)分為有檔環(huán)和無檔鏈環(huán)兩種，鋼鏈因其制造成本低、工序簡單、強度高等優(yōu)點，成為運用廣泛的系泊材料。系泊線的預(yù)張力主要取決于錨鏈的懸空段，錨鏈的回復(fù)力主要通過錨鏈懸空段的變化來實現(xiàn)；但是這種系泊方式存在較長的海床平躺段，因此所占據(jù)的海床空間較大，重量隨著水深增加而急劇增大。為了克服上述問題，有時可采用傘型張緊式系泊，該系泊線采用鋼纜或者其他復(fù)合材料，鋼纜由鋼絲組成，其常見的形式有六股式、螺旋股式、多股式等；同等斷裂強度下，鋼纜的重量僅為錨鏈的20%，因此深水系泊系統(tǒng)為了降低系泊重量常采用鋼纜系泊；此時系泊線的約束張力主要依賴于纜索的拉伸變形而非懸空段自重，所搭配的海床錨固裝置需要承受水平張力之外，還需要承受較大的垂向張力。鋼纜成本較鋼鏈高，且材料呈現(xiàn)非線性的力學(xué)特征，系泊松弛后重新張緊時，會帶來跳躍性的沖擊載荷，對纜索強度和疲勞問題帶來了較大的威脅；因此，在設(shè)計時可結(jié)合鋼鏈和鋼纜特性進(jìn)行分段設(shè)計，以獲得更優(yōu)的系泊動力性能。

對于張力腿式海上漂浮式風(fēng)機而言，常采用垂向張力腿系泊，該類型的系泊線常采用合成材料。合成材料在系泊系統(tǒng)上的使用日益頻繁，合成纖維材料通常有尼龍（聚酰胺）、聚酯、聚丙烯和聚乙烯等。在同等規(guī)格下，合成材料制成的纜繩比重小，耐磨性好，有較大的回復(fù)力；但以合成纖維為組成成分的纜繩也有其弊端，如纜繩的軸向剛度隨軸向張力作用時間發(fā)生變化，容易偏移，也容易打滑而產(chǎn)生蠕變，因此每隔幾年需要重新張緊調(diào)整。該類型系泊與海床的錨固裝置需要承受較大的垂向張力，頂部預(yù)張力可通到絞盤進(jìn)行微調(diào)節(jié)；由于張緊狀態(tài)使得張力腿的固有頻率較高，當(dāng)在外界激勵作用下，如流體引起的渦激振動和二階和頻波浪力等，都有可能引起張力腿發(fā)生高頻彈振和顫振問題，繼而發(fā)生疲勞損傷。

浮體的系泊線需要通過錨固裝置與海床進(jìn)行連接，根據(jù)錨固裝置的形式和力學(xué)特性，可大致將其劃分抓力錨、重力錨、樁錨、吸力錨四種。

抓力錨(拖曳嵌入式錨)是目前使用廣泛的一種錨固結(jié)構(gòu)，其部分或全部嵌入海底，主要靠錨的前部結(jié)構(gòu)與土壤的摩擦力來抵抗外力，能承受較大的水平力，但垂向力承受能力不強，常與懸鏈線系泊的錨鏈搭配使用。

重力錨主要通過壓載與海床表面的摩擦力來抵抗錨鏈的水平張力，通過壓載重量來抵抗錨鏈的垂向張力；隨著錨鏈的垂向張力水平要求的提高，設(shè)計的重力錨需要更大的壓載體積，而且水平張力通常難以單純通過壓載和海床之間的摩擦力進(jìn)行平衡，其性能與海床息息相關(guān)，限制了其使用范圍。

樁錨通過向海床打入樁基，通過樁基與土壤之間的作用力來提供錨鏈的水平張力和垂向張力；但是在深水區(qū)域作業(yè)時，施工費用較高。

吸力錨類似于樁錨，通過安裝于鋼筒頂部的人工泵使鋼筒內(nèi)外出現(xiàn)壓力差，當(dāng)鋼筒內(nèi)壓力小于鋼筒外時，鋼筒隨即被吸入海底，然后將泵撤走，能夠承受系泊線的水平張力和垂向張力。

為了改善系泊線的動力性能，有時需要增設(shè)塊重和浮力器件進(jìn)行調(diào)節(jié)；塊重的形式有集中式和分布式。通常而言，安裝集中式塊重的錨泊的靜態(tài)響應(yīng)較佳，而安裝分布式的塊重的錨泊的動力響應(yīng)較佳。錨泊線上的浮力器件主要有浮筒、浮球和浮箱等；在懸鏈線錨泊上設(shè)置浮力器件可以有效地降低錨泊線的動張力，但通常會降低錨泊的水平剛度。在張力腿上設(shè)置浮力器件可抵消錨泊自重，使其成為完全的張力部件。

3動態(tài)海纜的研究

海上風(fēng)電需要通過海底電纜送出電能，相比固定式風(fēng)機而言，漂浮式風(fēng)機由于支撐平臺運動具有一定范圍，因此電纜近端需要采用動態(tài)海纜技術(shù)，并且需要利用浮力單元將海纜懸掛，呈現(xiàn)“S”形態(tài)，以使得海纜在一定的擺動范圍內(nèi)可隨平臺運動，起到緩沖的作用。動態(tài)海纜跟隨浮體運動的過程中，會受到相對運動的海流作用，因此承受較大的彎矩、剪切和扭矩的綜合作用，受力特性復(fù)雜。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對于漂浮式風(fēng)機的動態(tài)海纜研究缺乏系統(tǒng)性和深入性。在漂浮式風(fēng)機一體化計算過程中，絕大多數(shù)采用分離的做法，即浮體運動不考慮海纜的存在，忽略海纜與浮體之間的耦合約束。海纜的設(shè)計存在極限長度和極限彎曲角度限制，這對浮體的運動，尤其是極端工況下的運動提出了限制性需求。

4水動力特性的研究

與固定式的海上風(fēng)機相似，漂浮式風(fēng)機服役的海洋環(huán)境中同時受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用；但漂浮式風(fēng)機支撐平臺的結(jié)構(gòu)尺寸相比于固定式風(fēng)機更大，因此其水動力荷載不能完全采用Morison經(jīng)驗公式進(jìn)行簡化計算，而需要采用勢流理論甚至計算流體力學(xué)的方法。

對于立柱型漂浮式風(fēng)機，其重心設(shè)計低于浮心，浮體具有自穩(wěn)特性，水線面較小，因此所受到的波浪荷載也較��；但由于頂部風(fēng)輪高程較高，在額定風(fēng)速下，風(fēng)傾力矩容易導(dǎo)致較大的平臺縱搖。通過合理的設(shè)計，其平臺運動固有周期可以避開一階波浪力周期范圍，也對二階波浪力不敏感。立柱型漂浮式平臺不同方向的運動之間會有耦合響應(yīng)，相關(guān)的數(shù)值和試驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)立柱型漂浮式平臺的垂蕩周期大約為縱搖周期2倍關(guān)系時，會出現(xiàn)明顯的垂蕩-縱搖耦合效應(yīng)，繼而誘發(fā)較大的垂向運動，影響立柱型漂浮式平臺的性能，這種現(xiàn)象稱為“Mathieu instability (馬修不穩(wěn)定)”，設(shè)計時需要格外注意。另外，由于立柱型漂浮式風(fēng)機通常由單立柱構(gòu)成，因此在海流載荷的作用下容易在立柱主體兩側(cè)產(chǎn)生交替性漩渦，使得結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)周期性的脈動壓力，繼而引發(fā)渦激運動。由于渦激運動共振時存在“鎖頻”（Lock-in）現(xiàn)象，其共振的流速范圍可能較大，對立柱型漂浮式風(fēng)機設(shè)計而言，也是需要格外注意。

對于半潛型漂浮式風(fēng)機，其六自由度運動的耐波性適中，通過合理的漂浮式支撐平臺設(shè)計，能使得平臺運動固有頻率避開一階波浪力峰值頻率范圍，因此半潛型漂浮式風(fēng)機適用的海域和水深范圍較廣。由于通常的半潛型漂浮式風(fēng)電設(shè)計中，重心位于浮心之上，且間距并不大，穩(wěn)性校核時具有極限傾斜角限制。其縱蕩/橫蕩運動固有頻率取決于系泊剛度，通常較小，因此可能對二階差頻波浪力敏感。同時，差頻波浪力會產(chǎn)生定常的平均波浪拖曳力，使得浮體受到非周期的拖曳載荷作用，繼而發(fā)生平均位置的偏移，這些都需要格外注意。

對于張力腿型漂浮式風(fēng)機，該類型平臺通過系泊垂向張力平衡浮體的超額浮力；因此，具有較好的垂向運動性能；但是在水平方向，如縱蕩、橫蕩和首搖運動較為柔軟，在受到風(fēng)輪氣動推力荷載時，水平運動幅度可能較大，繼而會導(dǎo)致各個張力腿受力不均勻而產(chǎn)生耦合垂向運動。另外，由于張力腿型漂浮式風(fēng)機的垂向運動固有頻率高于一階波浪力頻率區(qū)域，但容易發(fā)生波浪二階和頻的高頻共振。

海上漂浮式風(fēng)機的水動力計算主要借鑒于海洋工程結(jié)構(gòu)物水動力計算方法，主要有半經(jīng)驗方法，如莫里森法(Morison) ；勢流計算方法，如弗汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov）力計算方法、邊界元法和三維面元法；計算流體動力學(xué)方法等。

5氣動力特性的研究

與傳統(tǒng)的固定式海上風(fēng)機相比，漂浮式風(fēng)機的平臺基礎(chǔ)約束較弱，導(dǎo)致風(fēng)輪的氣動載荷存在明顯的非線性特征。單個海上漂浮式風(fēng)機的氣動特性研究可大致劃分為三方面，一是浮式平臺基礎(chǔ)對頂部風(fēng)輪的氣動性能的影響；二是風(fēng)輪氣動載荷對平臺基礎(chǔ)運動的影響；三是氣動載荷與結(jié)構(gòu)振動等動力響應(yīng)的耦合，即氣彈性問題。

氣動載荷對漂浮式風(fēng)機運動的影響主要可以分為氣動激勵載荷和氣動阻尼載荷；氣動激勵載荷，如氣動推力會使得漂浮式風(fēng)機的支撐平臺發(fā)生較大的縱蕩和縱搖運動。

氣彈性問題一直都是風(fēng)力設(shè)備研究的重點考慮因素，相比于固定式風(fēng)機，漂浮式風(fēng)機的平臺運動更明顯，導(dǎo)致氣動載荷波動更大，結(jié)構(gòu)慣性載荷更大，導(dǎo)致更加明顯的槳葉和塔筒結(jié)構(gòu)振動，甚至引發(fā)平臺基礎(chǔ)的高頻運動。

6結(jié)構(gòu)安全性的研究

結(jié)構(gòu)安全性研究主要分為結(jié)構(gòu)極限載荷，結(jié)構(gòu)共振，疲勞分析等方面。

結(jié)構(gòu)極限載荷:漂浮式風(fēng)機與固定式風(fēng)機的主要區(qū)別是浮式平臺的波頻運動(位移、速度和加速度)將引起額外的結(jié)構(gòu)載荷、振動、疲勞。

結(jié)構(gòu)共振:需要分析結(jié)構(gòu)的振動自然周期與波浪周期的關(guān)系，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

疲勞分析:需要依據(jù)波浪長期散布圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析。

7經(jīng)濟(jì)性的研究

經(jīng)濟(jì)性主要考慮建設(shè)風(fēng)機時的風(fēng)機功率及平臺用鋼量、建造難度，系泊形式、系泊纜材質(zhì)和數(shù)量，錨固基礎(chǔ)形式及數(shù)量，運輸安裝費用，可靠性及運維費用等方面，綜合多方考慮，以經(jīng)濟(jì)的方式建設(shè)風(fēng)場。

結(jié)語

近年來，海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)伴隨全球海上風(fēng)電商業(yè)化開發(fā)熱潮而日趨成熟，并處于商業(yè)化起始階段。對于中國海上風(fēng)電行業(yè)而言，開展漂浮式風(fēng)電技術(shù)研究和工程化實踐，有助于拓展海上風(fēng)電空間范圍，是海上風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，也是我國未來保持海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢的重要抓手。

本文綜述了海上漂浮式風(fēng)機基本形式，關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，相關(guān)工程挑戰(zhàn)，對我國現(xiàn)階段的漂浮式技術(shù)研究和相關(guān)工程項目開展提供了較為全面的技術(shù)參考。