任政儒及其合作者在漂浮式风机一体化安装领域取得新进展

走向深远海是海上风电发展的必然趋势。深远海动力环境严酷，漂浮式风机结构复杂且安装运维成本高昂，是制约其降本增效的重要因素。此外，随着风机单机功率的不断提升，一方面单位电价成本显著降低，另一方面基于漂浮式运维平台的高空作业面临巨大的挑战。风机上层结构在港内或干船坞内装配完成后，与操锚供应拖轮用柔性拉索相连。拖轮负责将风电机组浮运至海上风力发电厂，并完成锚接，拖轮兼顾拖航和锚接的功能，该方案可显著降低离岸吊装作业次数，从而提高整体安装效率。然而，湿拖过程速度慢、对作业海况要求高，导致作业窗口期短。

为此，清华大学深圳国际研究生院任政儒助理教授及其合作者提出一种采用双体船和低高度塔架吊装系统的漂浮式风机一体化安装方案（如图1所示）。通过双体船干拖的方式将在岸预装风机上部组块运输至装配地点，通过多组柔索将塔架与吊装负载相连，基于反向动力学原理，通过控制缆绳长度便可调控负载位姿，从而实现高精度自动化的整机一体化快速装配。本系统最大的优势是可以有效控制吊装系统的高度，吊装系统无需高于吊装负载，极大地提高安装系统的适配性。

图1.基于双体船和低高度塔架吊装系统的漂浮式海上风电一体化安装示意图

由于系统的复杂性，研究人员已经采用数值模拟的方法对该吊装系统进行了系统性多体多场耦合运动响应研究。在研究过程中，研究人员将吊装复杂和双体船作为刚体（见图2左），考虑到风机上层结构重量可高达上千吨，针对吊装系统结构柔性对整体动力特性规律影响进行了深入的研究，充分考虑吊装系统结构柔性（见图2右）。

图2.缆绳张力变化

低高度塔架吊装系统通过有限元方法建模，分析其在各向拉力作用下的变形。根据此结果，在多体运动学软件中构建等效简化beam模型，从而提升双体船-吊装系统-吊装负载耦合系统的计算速度。在多海况下进行多体动力学模拟，采用基于响应的分析方法进行分析。漂浮式风机上层建筑和下部基础的时域运动响应如图3所示，其相对运动越小越有利实现快速对接。多海况模拟后的统计结果如图4所示，研究发现结构柔性会影响对接过程的整体动力响应特性，且对吊装负载对接角度影响更为显著。因此，在较高海况下进行风机等大尺度结构物的重载吊装作业建议考虑结构柔性带来的必要影响。

图3.吊装风机底部和spar平台顶部之间的相对运动（时域）

图4. 不同海况下结构柔性对吊装风机底部和spar平台顶部之间相对运动的影响

相关研究成果以“低高度塔架吊装系统结构柔性对海上风机安装系统动力特性的影响”(Effects of structural flexibility on the dynamic responses of low-height lifting mechanism for offshore wind turbine installation)为题发表于《海洋结构物》(Marine Structures)上，论文第一作者为挪威科技大学博士生Behfar Ataei，通讯作者为清华大学深圳国际研究生院任政儒助理教授。其他合作者包括挪威科技大学博士后研究员原帅博士和挪威科技大学Karl Henning Halse教授。该研究得到挪威研究理事会SFI MOVE的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0951833923000321

文/图：任政儒

编辑：彭锦涛

审核：任政儒