深海漂浮能源中心的风浪流联合试验的方式分析

　由于安装在深海漂浮式平台的风浪流一体化发电装置，即深海漂浮式能源中心（Floating Offshore Energy Center，FOEC），其安装运行的海域环境恶劣，所受各种载荷多且复杂，因此，为了降低开发风险与成本，海洋工程水池（Ocean Basin）试验已经广泛应用于其各项研究中.虽然国内外都拥有可模拟深海条件的水池，但多用于海上石油开发的钻井平台等复杂大型结构的研究，其试验费用高且针对性不强.因此需要开发一种适用于深海漂浮式能源中心的新型水池试验装置，以便更好地研究深海漂浮式能源中心.针对这一背景，本文提出了一种新型的风浪流联合试验系统以对深海漂浮式能源中心进行试验研究.
　　1关于深海漂浮式能源中心的设想
　　现有的各种可再生能源中，风能是除核能外，技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的发电方式，同时风能资源蕴藏量也特别巨大，远海风能储量则更多.
　　自20世纪90年代起，国外开始建设海上风电场.海上风电场以它独特的优势，正日益成为未来风力发电的发展方向.由于绝大部分海上风能集中于水深超过60 m的区域，所以海上风电场的建设由浅水的近海区域发展到深水的远海区域已成必然趋势，但是如果按照目前近海风电场采用各种固定在海底的贯穿桩结构（如重力基础、单桩基础或多脚架基础）的传统方法，整个风力机基础的制作成本将随着海水深度增加而急剧上升，这将会使深海风电场的建设在工程和经济两方面都变得不可行.
　　同时，由于漂浮式海洋工程平台造价高昂，因此在漂浮式风力机平台上集成海流和波浪发电，从而形成深海漂浮式能源中心将成为合理的选择，对此国外已有相关研究.
　综上所述，深海漂浮式能源中心是深海能源开发利用必需的装备，是深海风电场和大容量波流电站应用的基本核心，也是产品技术含量高的综合集成式成套发电设备.同时，深海漂浮式能源中心相关技术是新能源技术和海洋工程两大学科领域相结合的研究课题，可在一定程度上缓解我国能源分布与需求格局存在的巨大矛盾，因此也是一种具有战略意义的新能源形式.对其深入研究对于充分利用我国广阔的海洋国土，缓解我国东部发达地区能源严重紧缺的现状，均具有重大的理论、经济和社会意义.
　　2现有海洋工程水池及其不足
　　早期的试验水池都是为了满足船舶工业的需要，水池长而且狭窄，安装有拖曳模型和自行拖车.后来为了探究船舶操纵性，开始出现圆形水池.海洋工程平台一般为无航速装置，采用固定锚泊安装，波浪和海流无特别流向.因此原有船舶水池无法满足系泊系统测试，改变波浪入射角必须重新安装模型，这样会有较强的池壁效应，不再适合海洋工程构筑物的水池试验.自20世纪70年代起，开始出现了用于近海石油开发相关试验的水池，即海洋工程水池[5].在挪威、美国、荷兰、日本、加拿大等海洋科技发达国家，海洋工程水池作为发展海洋高新技术必不可少的配套基础研究设施，由国家投资建设.代表性的海洋工程水池概况如表1所示.
　　表1国外海洋工程水池概况[6]
　　Tab.1
　　Overview of foreign ocean basins
　　上述水池虽然可进行深海漂浮式风力机乃至深海漂浮式能源中心的水动力学试验，但因它们主要面向海上钻井平台等复杂深海结构的研究，故试验费用高且针对性不强.
　　目前没有可直接用于海上漂浮式能源中心的专用海洋水池，表2给出了类似的关于海上漂浮式风力机的试验技术参数.
　　表2漂浮式风力机模型试验技术参数[7]
　　Tab.2
　　Technical specifications of floating wind turbine hydrodynamic experiments
　　由表2可见，模型缩尺比在1∶20到1∶150不等，估计随着风力机和其它波流发电装置的发电功率的增大，未来的模型缩尺比将会超过1∶150.因此，小模型水池试验的研究将会是未来风力机水池试验的一个重要挑战.
　　针对深海漂浮式能源中心水动力试验这一背景，本文参照已有的研究和相应的国家标准[8]，提出了一种新型的风浪流联合试验装置，并对该装置的各子系统部件和测量控制系统进行了详细的探讨.
　　3风浪流联合试验装置及其控制系统
　　3.1风浪流联合试验装置
　　风浪流联合试验装置主要用来模拟深海漂浮式风力机的工作状态，如模拟海上的风、浪、流等[9]，因此，可将其分为四个部分，即：水深调节系统、造波-消波系统、造流系统和造风系统，如图1所示.
　　图1风浪流联合试验装置示意图
　　Fig.1
　　Schematic diagram of the test equipment
　　3.1.1水深调节系统
　　水深是指海洋静水面至海底的垂直距离，通常称为海洋平台的工作水深.该装置为了满足不同水深的模拟要求，为2 m深的深水池配备4 m深的假底.假底由混凝土浮箱连接组合而成.在假底下部安装多根钢缆，通过安装在池边的多个空压卷扬机装置调节钢缆长度来实现假底的上下移动，从而达到调节水深的目的.对于一般水池试验，模型缩尺比通常为1∶50～1∶70，水池模拟海水深度可达300～420 m；若采用小尺度模型试验，模型缩尺比最小可至1∶150，水池模拟海水深度最大为900 m，均满足深海漂浮式风力机的要求[10].同时，可在假底加装振动装置，用于模拟海底地震.
　　3.1.2造波-消波系统
　　水池内尺寸为15 m×2.5 m×3 m（水深2～2.5 m），整个造波-消波的过程都在水池内完成，具体可分为造波系统和消波设施两部分.
　　（1） 造波系统
　　海洋工 程水池造波系统的核心装置是造波机.我国在造波方面的研究工作从20世纪50年代起步，最初使用的造波装置主要是简单的电气装置.到70年代中期，开始逐渐采用模拟信号控制.随着科技的发展，如今已完全采用计算机进行造波控制.目前，主要的造波机类型可分为摇板式、推板式、冲箱式、空气式以及多单元（也称蛇形）造波机.该试验装置拟采用简单可靠的摇板式造波机.
　　摇板式造波机的主体部分是一框架式板块结构，其下缘与固定支座采用铰接的连接方式.在驱动机构带动下，造波板绕支座上的铰接点作往复摆动，使板面前方的水抬高或下降，在水面上形成波浪.调节或控制摇板的摆幅和周期（频率），可产生不同波高和波长的波浪.摇板式造波机结构简单，质量较小.采用液压传动机构，既可调频又能调幅，用于制造不规则波，比较方便.
　　（2） 消波设施
　　消波设施的原理是通过消波构造装置击碎或破坏波浪形状从而达到消除波能和减少回波的效果.试验水池的消波设施主要有消波器和消波滩（岸）两大类，有网格式和筒阵式等形式.消波器的特点是体积较小，可方便拆卸，但消波效果一般；消波滩体积大，消波效果较好，但需要占用较大的水池空间，建造成本相应较高.国内外大多数水池均采用消波滩形式.本文试验装置亦采用这种消波方式[11].常见的消波滩是抛物线形斜面消波滩，其斜面坡度大小直接影响消波效果，坡度越平缓，反射回波越少，但占用的平面尺寸较大，因此，可在满足消波效果的基础上把坡度取得适当陡一些，使消波滩下缘延伸到水中一定深度即可终止，如图1所示.
　　消波滩的消波过程是一个复杂的非线性过程，无法通过数学手段解决.荷兰水池的消波滩是通过在高速水池中针对不同坡度、不同吃水深度、不同表面阻尼系数和不同长度进行试验而最终确定形成的.即使如此，也很难保证达到100%的消波效果，而且它也无法解决水池侧壁和模型的反射回波问题[12].
　3.1.3造流系统
　　每个海洋工程水池都要配备造流系统.该系统的造流能力是决定海洋工程水池先进性的重要方面.目前常用的造流系统有池内循环、假底循环与池外循环三种形式[9].在该试验装置中由于需要模拟深海海流，需要将漩涡、回流等扰动消除在水池外，以保证试验区域流场的均匀度和湍流强度等特性满足模型试验要求，故而选用池外循环[13].其工作循环为：水流由水池外大功率水泵驱动后，经过管路和进水廊道进入水池，再经过水池对面的出水廊道返回到管路中，形成一个完整的循环过程.在深水池外的进水和出水廊道内，设置有多种整流设备，以使高速水流进行整流后进入水池，因而具有较为均匀的流速分布，且水流的湍流强度也能满足试验要求.
　　3.1.4造风系统
　　风是影响海洋工程的重要环境因素之一.在对深海漂浮式风力机的工作过程模拟中，造风系统是必不可少的.该系统包括变频风机、整流器、风速仪以及计算机数据采集和控制系统.风机悬挂在一个可旋转的吊架上，可使风向与浪向成任意夹角.整流器放置在风机前方，目的是使流至风力机的风是均匀的.通过风速仪与测控系统可调节风速大小，模拟不同风速下风力机工作状态.
　　3.2测控系统及其主要仪器
　　测控系统是该试验装置最重要的部分.对于深海漂浮式风力机水池试验，主要目的为测量某固定风速、流速以及波浪条件下的风力机浮台的响应特性.因此，需要配备风速测控系统、流速测控系统、浪高仪、非接触式光学六自由度测量仪器以及其它仪器.
　　3.2.1风速测控系统
　　该系统用于调整、控制风速.其作用原理为：首先选定试验所需模拟风速的大小，然后通过风扇造风，并在整流器后放置风速仪，测量入流风速，最后根据实测结果调整造流风扇的变频器，使风速始终稳定在要求的范围内[14].风速测量拟采用AR846型风速测量仪.该仪器与计算机直接连接记录反射时间过程.风速仪量程范围为0.3～45 m·s-1，解析度为0.001，测试相对误差小于3%.
　　3.2.2流速测控系统
　　该系统用于调整、控制海流速度.其作用原理与风速测控系统基本相同，即：首先选定试验所需模拟海流的速度大小，然后通过流速仪测量海水的平均流速，最后根据实测结果调整造流水泵的功率，使流速始终稳定在要求值.流速仪拟采用挪威Nortek公司生产的ADV超声波三维流速仪.该仪器流速测量范围为0.005 ～1.0 m·s-1，它在水中含有足够微小粒子的条件下测试相对误差小于1%，足以保证测量所需大小与精度.
　　3.2.3波浪测量仪器
　　为了确定波浪条件，需要已知波浪的波谱、浪高和频率.由造波机可得到波谱，而浪高和频率则需要通过波浪测量仪器得到.波浪测量拟采用DS30型浪高水位测量系统.采集仪内置模/数转换器，巡回采集各通道数据，单点采样时间间隔为0.001 5 s （约666 Hz ）.该系统可同步测量多点波面过程并进行数据分析，每次试验前进行标定，标定线性度均大于0.999.为了测量频率，并考虑到浮台对波浪的影响，需要多个浪高仪，最多时需要12个.
　　3.2.4光学六自由度测量仪器
　　该仪器是本文试验装置中最为重要的测量仪器.该仪器主要利用图像处理和立体视觉技术对试验平台进行非接触式测量，实时得到平台的六自由度，即纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇及首摇的运动轨迹，且对浮体的移动没有任何影响.根据其测量结果可对浮台进行RAO频域分析.本文试验拟采用HU型船运动量（六分量）测量系统，它由采集仪、2台摄像机和船标组成.船标上安装有4个红灯、2个蓝灯，固定于平台上.1号摄像机安放于平台的正上方，观测4个红灯的移动变化.由软件计算出平台的纵荡、横荡、纵摇、横摇和首摇5个分量.2号摄像机安放在平台尾部延长线上，观测2个蓝灯的移动变化，计算出平台的升沉.
　　传感器的量程是可变的，可通过调节摄像机的变焦来改变量程.因为6个灯的空间尺寸是固定不变的，因此量程改变无需标定.
　　3.3其它仪器
　　3.3.1系泊拉力测量系统
　　系泊拉力的测量拟采用2008型缆力测量系统（32通道）.该系统通过USB接口与计算机相连，采样时间最小间隔为0.001 s （1 000 Hz ），采用LA2型拉力传感器测量系泊拉力.该系统可同步测量多组缆绳拉力.LA2型拉力传感器是应变式的，使用350 Ω应变计，组成全桥电路，具有良好的温度特性.LA2型拉力传感器的量程为19.6 N （2 kg ）.
　　3.3. 2波高测量系统
　　目的在于提供一种能快速、多点检测波高，并对采集的信号进行实时分析控制的波高测量系统.波高测量系统包括若干波高传感器、与各波高传感器对应的检出电路、放大电路、A/D转换电路、稳压电源和计算机；波高传感器的信号输入到检出电路，经放大电路、A/D转换电路输入计算机.
　　3.3.3摄像机
　　主要用于模型试验过程中的摄像.
　　4试验装置功能
　　该试验装置可模拟深海条件下的风、浪、流，从而进行风力机浮台响应特性的测量与系泊拉力特性的研究，也可进行浮台倾覆试验.对于某些海上作业平台等简单对象，也可进行一些模拟分析.
　　4.1不同载荷条件下海洋平台响应与系泊拉力特性
　　可采用不同类型浮台结构（如单柱平台、驳船平台、Spar平台等）测量平台的六自由度响应特性以及系泊的拉力特性；也可调整工况，测量在风流、风浪、浪流乃至静水影响下，浮台的六自由度响应特性与系泊拉力特性；还可测量在极限工况，如百年一遇的海况下，浮台的六自由度响应特性与系泊拉力特性[12].
　　4.2海洋平台大载荷倾覆试验和破仓试验
　　在一定条件下，对平台模型逐渐加大风速，可测出随着风速的增加浮台动态响应的变化.通过不断加大风速，最终可得到浮台所能承受的最大风速，即倾覆风速.也可将平台部分舱体注水，研究平台的破仓水动力特性.
4.3深海漂浮式能源中心的性能试验
　　该试验系统可模拟深海条件下，进行不同形式风力机、振荡水柱波力发电机和海流发电机的性能试验；也可模拟单一或叠加极端载荷条件下，进行深海漂浮式能源中心的整机动力学特性试验.
　　4.4其它水动力学试验
　　由于试验装置可调节试验水深、模拟海底地震，故可进行变水深平台水动力或系泊特性试验，以及海底地震的平台水动力或系泊特性试验.
　　5结论
　　本文提出了一种新型简单实用的风浪流联合试验装置，并详细阐述了其结构组成及测控系统与测量仪器，同时介绍了该装置所能进行的各种试验项目.该试验系统可用于模拟深海条件下的风、浪、流，从而进行风力机浮台响应特性的测量与系泊拉力特性的研究；用于测量不同载荷条件下海洋平台响应与系泊拉力特性；可进行海洋平台大载荷倾覆试验和破仓试验；可模拟深海条件下，单一或叠加极端载荷条件时深海漂浮式能源中心的整机动力学特性；也可进行变水深平台水动力或系泊特性试验以及海底地震的平台水动力或系泊特性试验.该试验装置对于深海漂浮式能源中心的研究具有非常重要的作用.
　　参考文献：
　　[1]刘全，高伟 ，李春.兆瓦级海上风力机叶片设计与模态分析[J].能源研究与信息，2012，28（2）：111-115.
　　[2]薛桁，朱瑞兆，杨振斌，等.中国风能资源贮量估算[J].太阳能学报，2001，22（2）：167-170.
　　.Glasgow：Universities of Glasgow and Strathclyde，2006.
　　[4]丁大伟.海洋能开发潜力巨大[N].人民日报，2010-10-19（15）.
　　[5]莫兰.海洋工程水动力学[M].刘水庚，译.北京：国防工业出版社.2012.
　　[6]马玉麟，孙永明，王帅军.水池造波技术及发展概况[J].科技资讯，2012（10）：55.
　　[7]赵静，张亮，叶小嵘，等.模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用[J].中国电力，2011，44（9）：55-60.
　　[8]南京水利科学研究院.中华人民共和国波浪模型试验规程[S].北京：人民交通出版社，2001.
　　[9]李春，叶舟，高伟，等.现代陆海风力机计算与仿真[M].上海：上海科学技术出版社，2012.
　　[10]杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学试验研究[M].上海：上海交通大学出版社，2008.
　　[11]刘月琴，尹尚生.实验室造波设备及波浪模拟技术的探讨[J].华南理工大学学报（自然科学版），2000，28（6）：105-109.
　　[12]杨志国.国内外水池造波设备及造波技术的发展现状[J].黑龙江科技信息，2003（9）：99-99.
　　[13]许剑.试论海洋工程水池工艺设计的基本原理[J].造船技术，2008（1）：32-35.
　　[14]张帆.深海立柱式平台概念设计及水动力性能研究[D].上海：上海交通大学，2008.