前言

張力腿風(fēng)電平臺(tái)在面外運(yùn)動(dòng)的幅值很小，具有漂浮式風(fēng)電平臺(tái)中最出色的運(yùn)動(dòng)性能。然而，其穩(wěn)定性完全由作為系泊系統(tǒng)的筋腱來(lái)提供，因此選擇合適的筋腱材料對(duì)張力腿風(fēng)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1. 張力腿風(fēng)電平臺(tái)

張力腿式風(fēng)電平臺(tái)(Tension Leg Platform , TLP)是指采用張緊的系泊系統(tǒng)來(lái)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一種浮式風(fēng)電平臺(tái)。

張力腿平臺(tái)概念在中等水深(40m-100m)下很有前景，主要由以下幾方面原因：

◆在平臺(tái)系統(tǒng)占海方面，它采用的垂向張緊系泊系統(tǒng)占海面積小，可以節(jié)約用海面積，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)，有望降低總體開(kāi)發(fā)成本;

◆在平臺(tái)自身運(yùn)動(dòng)方面，它本身的垂蕩/橫搖/縱搖運(yùn)動(dòng)很小，可以降低風(fēng)機(jī)塔架和葉片上的結(jié)構(gòu)荷載，為風(fēng)機(jī)提供更安全的運(yùn)行環(huán)境;

◆在平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量方面，由于平臺(tái)的穩(wěn)定性是由筋腱系統(tǒng)的預(yù)張力而不是平臺(tái)本身的重量提供，平臺(tái)結(jié)構(gòu)可以采用輕量化設(shè)計(jì)，因此具有顯著降低成本的潛力。

目前，已經(jīng)有多家企業(yè)、機(jī)構(gòu)和大學(xué)等針對(duì)風(fēng)電平臺(tái)提出了多種張力腿平臺(tái)方案，設(shè)計(jì)的平臺(tái)主體排水量從大幾百噸到上萬(wàn)噸不等，但是這些概念主要聚焦于對(duì)平臺(tái)形狀的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，很少給出筋腱設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

2. 張力腿風(fēng)電平臺(tái)的新進(jìn)展

2023年10月，法國(guó)普羅旺斯風(fēng)電場(chǎng)的三臺(tái)張力腿浮式風(fēng)電平臺(tái)安裝就位，這也是世界上第一個(gè)商業(yè)化的張力腿浮式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目所處水深約100米，平均風(fēng)速10m/s。張力腿平臺(tái)主體設(shè)計(jì)由SBM Offshore完成，風(fēng)機(jī)采用了西門子歌美颯提供的8.4MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該項(xiàng)目的建成標(biāo)志著主流的三種浮式平臺(tái)：半潛式平臺(tái)、單立柱式平臺(tái)以及張力腿式平臺(tái)均已商業(yè)化應(yīng)用在深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電行業(yè)中。

3. 張力腿系泊系統(tǒng)

張力腿平臺(tái)至海底基礎(chǔ)之間的垂向系泊系統(tǒng)稱為筋鍵。張力腿平臺(tái)的穩(wěn)性完全是由筋腱系統(tǒng)提供的，在設(shè)計(jì)中筋腱必須滿足以下要求：

◆在所有設(shè)計(jì)極端條件下保持正張力;

◆在設(shè)計(jì)極端條件下的最大應(yīng)力必須小于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力;

◆必須具有足夠的軸向剛度，以防止過(guò)度的垂向共振響應(yīng)(垂蕩/縱搖/橫搖);

◆在其壽命期間由于動(dòng)態(tài)荷載引起的疲勞壽命必須滿足適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

目前，張力腿平臺(tái)筋腱采用的材料主要包括：鋼管、錨鏈、鋼纜和合成纖維纜等。

3.1 鋼管

鋼管筋腱加工工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，可靠性、安全性高。筋腱單元通常由4到5個(gè)管道單元焊接在一起，并在兩端焊接接頭連接件。筋腱在水中的重量一般設(shè)計(jì)為中性浮力狀態(tài)。

鋼管筋腱示意圖

鋼管筋腱優(yōu)勢(shì)比較明顯，其強(qiáng)度高，疲勞壽命長(zhǎng);易進(jìn)行防腐措施可以滿足長(zhǎng)壽命要求。迄今為止，油氣行業(yè)中張力腿平臺(tái)筋腱的首選材料主要是鋼管(屈服強(qiáng)度為485MPa)。

但是鋼管筋腱兩端連接件以及鋼管與平臺(tái)、鋼管與錨端的連接件國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品，國(guó)外供應(yīng)商也很少且價(jià)格昂貴。

3.2 錨鏈

錨鏈?zhǔn)呛Ｑ蠊こ虘?yīng)用最早的系泊材料。錨鏈由于其制造成本低、工序簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在海洋工程系泊系統(tǒng)中。目前，海工用的錨鏈等級(jí)最高為R6級(jí)，材料抗拉強(qiáng)度為1100MPa，直徑最大尺寸可達(dá)208mm。

海工用無(wú)檔系泊鏈 海工用有檔系泊鏈

但是錨鏈材料的缺點(diǎn)也是比較明顯的，它是所有材料中疲勞壽命最短的;水中重量很大，同樣預(yù)張力條件下平臺(tái)需要更多的排水量來(lái)支撐;整體彈性較差，不易吸收沖擊載荷;較大的預(yù)張力下鏈環(huán)間易發(fā)生磨損。

目前法國(guó)的張力腿風(fēng)電項(xiàng)目采用的筋腱就是錨鏈材料，平臺(tái)由中央浮筒和支撐結(jié)構(gòu)上的三個(gè)側(cè)浮筒組成，每個(gè)側(cè)浮筒有兩條系泊筋腱，總共為六根筋腱(2×3)。

3.3 鋼纜

鋼纜也是海洋工程應(yīng)用很廣的系泊材料。在同等斷裂強(qiáng)度下，鋼纜的重量?jī)H為錨鏈的20%，但是鋼纜的制造工藝較為復(fù)雜，鋼絲一般采用鍍鋅工藝來(lái)進(jìn)行防腐，因此總體成本較鋼鏈高一些。典型海工用帶護(hù)套的螺旋單股鋼纜截面如下圖所示。

帶護(hù)套的螺旋單股鋼纜截面(©Bridon-Bekaert)

鋼纜的疲勞壽命要比錨鏈好很多，在實(shí)際深水應(yīng)用中一般和錨鏈組合使用，以減輕系泊系統(tǒng)的重量。

鋼纜的缺點(diǎn)主要是易被劃傷(如施工作業(yè)、漁網(wǎng)等)導(dǎo)致鋼纜斷絲，強(qiáng)度降低，而且?guī)ёo(hù)套的鋼纜在水下也無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部狀況。

3.4 合成纖維纜

合成纖維纜是深水浮式平臺(tái)中應(yīng)用最廣泛的系泊材料，它主要包括三種高分子材料：聚酯纜，高分子聚乙烯(HMPE)和芳綸(芳香族聚酰胺)。高分子合成材料制成的纜繩比重小，不易被海水腐蝕，疲勞性能好，而且相比純錨鏈或鋼纜的系泊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。典型海工用聚酯纜截面如下圖所示。

聚酯纜截面(©Bridon-Bekaert)

以最小破斷載荷10000kN為例，三種高分子材料和鋼纜的重量和尺寸對(duì)比見(jiàn)下表所示?？梢钥闯?，高分子材料的自重較輕，能夠降低對(duì)平臺(tái)排水量的要求。

表 1 典型纖維纜重量和尺寸

(以最小破斷強(qiáng)度10000kN為例)

合成纖維纜的缺點(diǎn)主要是在長(zhǎng)期大張力條件下存在蠕變問(wèn)題，需要定期預(yù)張緊;材料本身高彈性易受垂蕩共振影響等。

目前，美國(guó)Glosten Associates公司的PelaStar TLP平臺(tái)概念、荷蘭SBM公司的Float4Wind TLP平臺(tái)概念等均采用了合成纖維纜的方案設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了張力腿風(fēng)電平臺(tái)的特點(diǎn)，并重點(diǎn)對(duì)比了幾種可能應(yīng)用于張力腿風(fēng)電平臺(tái)筋腱的材料。張力腿風(fēng)電平臺(tái)的筋腱系統(tǒng)在維持平臺(tái)穩(wěn)定性和正常運(yùn)行中扮演者至關(guān)重要的角色。在實(shí)際應(yīng)用中，筋腱的選擇要綜合考慮平臺(tái)特點(diǎn)、安裝施工和后期運(yùn)維成本等因素，以選擇具有優(yōu)異力學(xué)性能、優(yōu)良耐腐蝕性能、使用壽命長(zhǎng)久的高效系泊材料，從而提高張力腿風(fēng)電平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)其在新能源領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

公司簡(jiǎn)介

龍?jiān)?北京)新能源工程設(shè)計(jì)研究院有限公司是目前國(guó)內(nèi)最早從事新能源發(fā)電咨詢、設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)的專業(yè)化公司，作為龍?jiān)措娏?nèi)部唯一從事設(shè)計(jì)咨詢等業(yè)務(wù)的企業(yè)，為國(guó)家能源投資集團(tuán)、龍?jiān)措娏瘓F(tuán)及新能源行業(yè)提供項(xiàng)目全過(guò)程技術(shù)咨詢服務(wù)。