近年来，随着全球海上风电逐步向深海、远海进发，浮式海上风电技术作为新一代海上风电技术，获得了业内的广泛关注。虽然当前的浮式风机平台采用了海工平台的基本形式，但其设计并不能完全复制海工平台的设计经验及方法。由于海上风电机组属于高耸结构，水平载荷数量级较高，风轮受到的推力会产生巨大的倾覆力矩，因此在对浮式风机进行设计时，应将稳性计算和校核作为重点关注的内容，以保障平台在全生命周期内不发生倾覆性后果。
浮式风机平台的四种基本类型
目前的漂浮式风机基础平台型式，按照静稳性原理，主要可分为四种，半潜式(Semi)、单立柱式(Spar)、张力腿式(TLP)和驳船式(Barge)，其中半潜式平台是目前漂浮式风机最主要采用的基础型式。
半潜式平台一般由立柱、横梁、垂荡板和系泊系统等结构组成。平台在半潜状态时，利用间距较大的立柱产生较大的惯性矩，使平台具有良好的稳性。采用半潜式基础的漂浮式风机适用的海域范围较广，水深通常认为大于40米。
单立柱式平台包含浮力舱、压载舱和系泊系统。基础具有自稳特性，由于结构整体的重心远低于浮心，在水平荷载作用下发生倾斜时，浮力对重心产生较大的回复力矩。其稳定性较好，但对工作水深有特定要求，通常需100米左右。
张力腿式平台的设计浮力大于自身重力，利用始终处于绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台剩余浮力相平衡。当平台在水平荷载作用下发生倾斜后，一侧张力腱的张力增大，另一侧张力腱的张力减小，张力腱的张力差对重心产生回复力矩。张力腿式平台适用水深通常大于40米。
驳船式平台类似于船型，利用平台浮力抵消重力，具有结构大、浮力分布均匀、稳定性好的特点，该类型基础平台适应水深通常大于30米，但对所在海域环境非常敏感。
图1 四种基本的浮式风机平台型式
浮式风机平台稳性校核
漂浮式风机平台虽然与海洋石油平台有诸多共同之处，但同样也具备自身的一些特点，有必要针对浮式风机平台的基本结构和功能特点，专门研究其在不同工况下的稳性校核计算和衡准要求。
依据不同的阶段，可将海上浮式风机平台的稳性划分为迁移、安装和在位过程中的稳性。此外，可根据平台是否发生破舱事故，又可以分为完整稳性和破损稳性。
1、分析工况
目前，风电机组载荷计算大部分采用IEC61400-3-1和IEC TS 61400-3-2标准。其中IEC61400-3-1是针对固定式海上风电机组，IEC TS 61400-3-2针对漂浮式海上风电机组做了要求上的进一步补充。IEC标准共有8种设计载荷工况，包括正常发电、正常发电兼故障、启动、正常停机、紧急停机、停机(静止或空转)、停机兼故障以及运输、安装、维护和维修。IEC TS 61400-3-2对漂浮式风机的稳性分析提出了原则性要求：稳性分析需考虑各种运行条件下叶轮机舱组件的准静态效应(设计载荷工况表中所建议的任意正常运行或极端设计工况下所产生的等效倾覆力矩)。中国船级社(CCS)《海上浮式风机平台指南(2021)》中规定了倾覆力矩计算至少应考虑三种典型控制工况：发电、停机和停机兼故障工况。
2、倾覆力矩计算
浮式风机倾覆力矩的准确计算是稳性校核中的关键，其中风轮叶片上的推力计算是难点。受大气湍流、风剪切、风向变化和塔影效应等的影响，叶片受到非常复杂的气动载荷的作用。风轮所受推力的初步评估可采用等效圆盘的方法，采用公式(1)进行计算：
其中ρ为空气密度，Arotor为风轮扫掠面积，U10为轮毂高度处的10分钟平均风速，CT为推力系数，该系数与风力发电机的类型和控制策略等有关。
目前计算叶片气动载荷较为精确的方法主要有叶素动量理论和计算流体动力学(CFD)等方法。叶素动量理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，这些微段为叶素。在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩。其形式相对简单，计算量小，精度可以接受，目前应用比较广泛。
对于机舱、塔筒和基础部分的载荷，则不需要考虑气动力效应，可参考海工结构物常用的风载荷计算公式进行计算。
对于发电工况，应注意使风轮叶片转动产生最大推力的风速通常发生在额定风速，且风机整体的推力绝大部分来自风轮所受到的推力。在小于额定风速时，风轮轴向推力随风速的增加而增大；在额定风速附近达到峰值；而当风速大于额定风速后，风轮轴向推力随风速的增加反而锐减。推力减小是由于风机会采取变桨策略实现功率的稳定输出，使叶片的攻角减小，迎风面积减小，从而风轮的推力减小。这一点区别于传统海工平台风倾力矩与风速平方成正比的规律。典型的风轮推力与风速关系曲线如图2所示。
图2 典型风轮轴向推力与风速关系曲线
此外，当进行发电工况，相对于某一倾斜轴下不同倾角的倾覆力矩计算时，如倾角超过一定数值时有控制策略引发停机，应注意倾覆力矩在该倾角处的不连续性，如图3所示。
图3 典型发电工况下完整状态静水力曲线图
对于停机工况，在大于切出风速时，风电机组进行顺桨动作，此时桨距角变到90度，机组停机保护。虽然此时叶片的迎风面积减小到最小，但由于风速较大，需要对此工况下的风倾力矩进行计算分析。
3、破损稳性
考虑到浮式风机平台处于风场内，且日常风电运维船尺寸较小，发生碰撞破损的概率较低；风机平台无人驻守，其失稳倾斜不会造成人员伤亡及石油泄漏的风险，同海洋石油平台的破损稳性衡准相比，建议可降低要求，免除碰撞破损部分的要求，可仅对单舱进水工况进行破损稳性分析。这些舱室可以是泵舱、设有海水冷却系统机械的舱室或与海水相邻的舱室。对于张力腿式平台，还应包括任何单个张力筋腱舱室。
在计算在位工况下的破损稳性时，参照IEC TS 61400-3-2标准，需将其载荷工况表中所列的DLC9.3(发电)和DLC 10.3(停机)作为设计状况和载荷工况。
对于拖航工况下的稳性，应满足主管机关的要求。如果湿拖过程中平台上无人员值守，且不会对海洋环境及拖航过程中的临近海上结构物造成损害威胁，可考虑允许不做拖航工况下的破损稳性分析。
4、静倾角的规定
为保证风电机组关键设备正常运行，浮式风机平台的静倾角不宜过大。针对完整稳性和破损稳性，一般规范并无对静倾角极值的规定，但为了保证风机关键设备在发电工况下正常运行及提高发电效率，设计者有必要考虑静倾角最大限值。具体静倾角限值应综合考虑风机设备运行倾角要求及风轮与风向的夹角要求等进行合理设定。
稳性衡准要求
CCS《海上浮式风机平台指南(2021)》在借鉴海上油气平台相关规范的基础上，对不同型式的浮式风机平台的稳性衡准做出了规定。现以半潜式、张力腿式、驳船式平台为例，对其在位状态时的完整稳性和破损稳性衡准要求进行梳理，梳理情况如表1和表2所示。
表1 完整稳性衡准要求
表2 破损稳性衡准要求
目前，国内外对于深海浮式风电开发还处于方案验证和小规模开发阶段，所以相关研究相对较少。其稳性校核及衡准要求主要还是参考海上油气平台的经验，但两者的结构形式、功能要求和安全等级存在诸多差异，因此浮式风机平台的稳性校核及衡准还需要进一步深入研究。
来源：中国船检
