极端海况下漂浮式风力发电机组创新集成阻尼系泊技术研究

本研究针对极端海况下漂浮式海上风力发电机（FOWT）系泊系统失效风险，提出了一种集成Seaflex阻尼器的创新集成阻尼系泊系统。通过动态仿真发现，在ULS条件下，该系统能显著降低平台纵荡位移59%、纵摇角47%和系泊线张力72%；在ALS条件下，可减少60%漂移位移并提升50%安全系数。该技术为恶劣海洋环境下FOWT的安全性和耐久性提供了创新解决方案，对推动大规模海上风电发展具有重要意义。

　　

随着《巴黎协定》全球减排目标的推进，可再生能源技术迎来快速发展。国际能源署预测，到2035年漂浮式海上风力发电机（FOWT）将占全球海上风电容量的15%-20%。与传统固定式风机相比，FOWT可部署在60米以上深水区域，捕获更稳定强劲的风能资源，且对海床干扰小，特别适合生态敏感海域。然而，其结构安全仍面临严峻挑战，尤其在台风等极端天气下，系泊系统瞬态失效可能导致断缆、漂移等严重后果。

系泊系统的终极极限状态（ULS）和偶然极限状态（ALS）是评估FOWT安全性的关键指标。ULS关注50年一遇风暴等极端载荷下的结构失效，ALS则评估单根系泊线断裂等事故工况下的系统抗灾能力。研究表明，在50年一遇海况下，巨大的波浪力和长周期波会显著放大平台纵荡、纵摇等运动，加剧系泊线张力峰值风险。

为解决这一难题，奥尔堡大学的研究团队在《Marine Structures》发表了创新性研究成果。他们开发了一种集成阻尼系泊技术，通过在水下系泊线中嵌入Seaflex阻尼器，有效抑制FOWT在极端海况下的动态响应。该技术无需改变平台浮力结构，即可实现宽频带阻尼效果，为深海风电开发提供了新思路。

关键技术方法包括：基于OC4项目的5MW半潜式风机数值模型，采用OrcaFlex软件进行系泊动力学仿真；通过Cummins方程描述平台与波浪的相互作用；运用DNVGL-OS-E301标准进行极限状态校验；对比分析尼龙绳、聚酯纤维绳、钢缆和链条等不同连接材料的性能差异。

研究结果

1. 1.
   常规海况下的性能表现
   在1年一遇海况下，钢缆系泊系统表现最优，纵荡位移降低48.02%，纵摇角减少46.87%，系泊张力下降72%。链条系泊系统同样出色，纵荡位移减少44.15%。而聚酯和尼龙材料系泊系统动态稳定性较差，位移响应反而大于传统系统。
2. 2.
   极端海况下的阻尼效果
   在50年一遇海况仿真中，集成阻尼系统的优势更加显著。频率域分析显示，在0.015Hz（纵荡特征频率）处，波浪谱密度显著增高，传统系统纵荡位移达4.69米，而链条和钢缆系统分别降至2.68米和1.94米，降幅达42.9%-58.6%。在纵摇控制方面，链条系统将最大纵摇角从4.98°降至3.80°，降幅23.7%。
3. 3.
   事故工况下的安全冗余
   模拟单根系泊线断裂的ALS工况时，传统系统在50年一遇海况下最大漂移达8.4米。而集成阻尼系统将漂移距离控制在2.83-6.60米范围内，降幅55%-60%。系泊张力方面，钢缆系统将最大张力从4288.79kN降至1978.69kN，降幅达79.5%。
4. 4.
   安全系数量化评估
   根据DNV标准计算的安全系数（u值）显示，在50年一遇海况下，传统系统u值增至0.570，而钢缆系统仅0.289。在ALS工况下，集成阻尼系统各系泊点的u值均显著低于传统系统，证明其具有更高的安全冗余。

本研究通过系统验证表明，集成阻尼系泊技术能有效提升FOWT在极端海况下的稳定性。特别是钢缆和链条配置的系泊系统，在ULS和ALS工况下均表现出优异的载荷抑制能力。Seaflex阻尼器的宽频带特性和轻量化优势，使其在不影响平台浮力状态下即可实现显著阻尼效果。该技术为深海风电开发提供了可靠的技术路径，对推动海上风电向深水化、大型化发展具有重要工程价值。未来研究可进一步优化阻尼器参数，结合智能材料与主动控制技术，持续提升FOWT的抗极端载荷能力。