漂浮式海上风力机（FOWTs）系泊缆张力降低创新技术

《Journal of Marine Science and Engineering》：Innovative Mooring Line Tension Reduction Technique for FOWTs

　　

由风暴条件下极端峰值张力导致的高昂系泊系统成本，仍然是漂浮式海上风力机（FOWTs）商业化的重要障碍。本文提出了一种用于FOWT系泊缆的创新主动张力调节接头（TRJ）。TRJ由嵌套缸体和主动控制的蓄能器组成，设计在高张力下释放额外缆长，并在低张力下回收缆长，从而降低极端动态峰值。研究人员还开发了一种有限元方案，用于高效的缆索动力学分析。TRJ概念应用于100 m水深、50年重现期环境条件下的基准IEA 15-MW半潜式FOWT。仿真结果表明，TRJ将最大系泊缆张力降低了约53%，最大悬空缆长降低了超过23%。这种主动控制技术能够实现系泊部件的小型化和显著的成本降低。

随着海上风电向水深超过70 m的深远海发展，固定式基础在经济上不再可行，漂浮式海上风力机（FOWTs）成为开发深水风能资源的主要方案。然而，系泊系统成本过高仍是制约其大规模商业化的重要因素，据估计系泊系统占漂浮式基础成本的20%以上。在50年重现期极端风暴条件下，系泊缆动态张力可达平均张力的2至5倍，甚至更高，导致系泊缆规格和长度由罕见的极端峰值决定，进而推高系统成本。现有张力控制技术多采用被动方式，对瞬态极端载荷适应性有限，难以有效兼顾复杂浮体运动下的张力调节。针对上述问题，研究人员在《Journal of Marine Science and Engineering》上提出并验证了一种创新的主动张力调节接头（TRJ），以实现系泊缆峰值张力的主动抑制，填补主动控制方法在FOWT系泊系统中的应用空白。

研究人员开展了系统的数值研究：首先设计了由嵌套缸体和主动控制蓄能器组成的TRJ，并建立其数学模型；其次开发了一套用于系泊缆动力分析的有限元方案；随后将TRJ应用于100 m水深下IEA 15-MW半潜式FOWT基准模型，在50年重现期环境条件（DLC 6.1）下进行时域仿真，验证其效果。研究结果表明，TRJ可将最大系泊缆张力降低约53.5%，悬空缆长缩短23%以上，并使系泊链直径从120 mm减小至78 mm，显著降低系泊系统成本；优化后的TRJ设计更可将最大张力进一步降至5582 kN（降低58%）。同时，平台纵荡和纵摇增大分别仅为14.3%和8%，处于可接受范围。该技术为深水浮式风电的系泊系统设计提供了一种高效的主动控制方案，具有显著的经济效益。

本研究采用数值模拟与仿真验证相结合的方法，主要关键技术方法包括：（1）TRJ系统数学建模：基于静态力平衡、等温压力-体积关系、控制阀亚临界流动方程和缸体伸长动力学方程，描述TRJ的三阶段刚度特性（刚体段、刚性伸长段、柔性伸长段）；（2）主动控制器设计：采用Ziegler-Nichols整定规则设计比例-积分-微分（PID）反馈控制器，控制阀采样频率为100 Hz，最大流量0.01 m³/s；（3）有限元缆索动力分析：将悬空缆索离散为集中质量-弹簧单元，同时考虑材料刚度和由悬链线形状变化引起的几何刚度，并在频域内求解，利用商业软件AQWA进行验证（最大差异约7%）；（4）水动力与系泊耦合仿真：基于IEA 15-MW参考机组和半潜式平台模型，利用AQWA进行波频衍射分析（平台外表面离散为5984个面板），生成3 h随机波浪时历，截取包含最大波峰（12.9 m）的300 s段进行时域仿真，模拟DLC 6.1极端工况。该基准模型的目标场址位于苏格兰Barra岛西部，水深100 m，采用6根120 mm R5无档链和拖曳锚，系泊缆长度880 m。

研究结果：

**TRJ动态特性与反馈控制**：通过单位阶跃响应分析发现，未加反馈时，低阀流量会导致上升时间和稳定时间超过10 s，高阀流量则产生超过30%的超调。采用PID反馈控制后，TRJ的上升时间和稳定时间均小于0.2 s，且无超调，表明所设计的主动控制系统能够快速、稳定地调节缆索伸长量。

**有限元缆索动力模型验证**：以50 m水深、67.5 m长的R5无档链为对象，在顶角7.5°、静态张力7.6 kN、垂荡幅值0.5 m、周期2~15 s条件下，将所提有限元结果与AQWA对比，最大差异约7%（出现在最短周期2 s），验证了模型对缆索顶端动态张力预报的有效性。进一步在12 s周期水平纵荡幅值1~5 m条件下，发现动态张力与静态张力之比从14.7%增长到140%，且在高偏移处TRJ激活后动态张力趋于零，说明TRJ能有效抑制运动诱导的动态张力。

**基准FOWT与DLC 6.1工况**：研究人员设计了100 m水深的四柱半潜式FOWT（排水量约14603 t），6根系泊缆沿周向60°布置，长度880 m，名义预张力600 kN，悬垂角50°。在50年重现期波浪（有效波高15.6 m，峰值周期12~18 s）下，选取最不利的12 s峰值周期进行DLC 6.1仿真。结果显示，最大系泊缆张力为13213 kN，动态张力达平均张力的4.7倍，最大悬空缆长872 m，印证了极端峰值主导系泊设计的判断。

**TRJ集成效果**：在每根系泊缆距离导缆孔约2 m处安装TRJ后，最大缆索张力从13213 kN降至6146 kN，降低约53.5%；最大悬空缆长从872 m降至668 m，减少23%以上；同时系泊链直径可从120 mm降至78 mm（减少35%）。代价是最大纵荡增加14.3%（36.9 m至42.2 m），最大纵摇增加8%（6.2°至6.7°），但极端风暴下风机停机，运动准则相对宽松，影响可控。

**设计域与TRJ优化**：为了工程实用，研究人员通过参数化研究建立了以张力降低比和TRJ伸长比界定设计域的方法，并以尽可能减小TRJ长度为原则选取优化设计（伸长比3.2、张力比0.42）。仿真表明，优化后的TRJ将最大张力进一步降低至5582 kN，相比无TRJ的简单悬链线方案降低58%，同时悬空缆长和平台运动保持在可接受范围。

讨论部分指出，TRJ通过释放/回收缆长主动改变系泊系统的有效刚度，从而削平极端峰值，但代价是平台运动略有增大。此外，本文的结论仅基于极限状态下的张力降低效果，未涉及安全系数、疲劳、腐蚀、TRJ可靠性及传感器失效等设计问题。未来需要开展疲劳分析、控制系统的鲁棒性验证以及波浪水池物理模型试验，并针对不同水深和浮式基础形式优化三阶段刚度阈值。

研究结论翻译：本文提出了一种用于降低FOWT系泊缆峰值张力的创新主动张力调节接头，并在100 m水深下的基准IEA 15-MW半潜式FOWT上进行了应用。主要结论如下：主动张力调节可行且高效；在50年重现期极端海况（DLC 6.1）下，TRJ使最大张力降低约53.5%，系泊链规格减小35%，显著节省成本；峰值动态张力是系泊设计的主导因素，其最大值达到平均张力的4.7倍；TRJ将最大悬空缆长减少20%以上，降低了锚的上拔风险；TRJ对平台运动有轻微不利影响，但处于可管理范围；建立的设计域为TRJ实际尺寸选择提供了实用框架。该技术有望显著降低浮式风电成本，加速深水场址商业化进程。