兼具发电功能的新型浮式平台运动抑制系统的理论与实验研究

The floating platform will have great motion under the control of the environment loads and the variation of mooring tension and buoyancy, which will lead to the reduction of the safety and efficiency of the platform. However, there is still lack of study about the global motion suppression of the floating platform and using the kinetic energy from the great motion of the platform for power generation is also almost blank so far. The ocean wave energy independent power generation will be combined with the existing motion suppression devices in this program, to design a multi-functional optimized equipment which absorb the kinetic energy of the platform and convert it into electric energy. Firstly, the concept design of the new combined system will be carried out. Secondly, parameters optimization and control method will be studied to optimize the function of the new device. At last, theory method and model test will be carried out to study the power generation efficiency and applicability of the new system. The object of this research is to propose a multi-functional optimized equipment which can suppress the global motion of the platform effectively, and at the same time support sufficient power for the platform in the conventional sea condition. Results will be beneficial for floating platform’s survivability, and futher more provide a theoretical foundation and practical approaches to realize the unity of offshore engineering’s safety and economy.

海洋浮式平台在外部载荷环境、系索张力变化以及平台本体浮力变化的作用下会产生大幅整体运动，对平台的安全性与工作效率造成不利影响。目前业界还缺乏对于浮式平台整体运动抑制的研究，对于如何有效的转化平台大幅运动所产生的动能进行发电等利用更是研究空白。本项目拟将海洋波浪能独立发电与现有的浮式平台运动抑制系统相结合，设计出一种可利用减振装置所吸收的平台大量动能并将其转化为电能的多功能浮式平台优化装备。首先针对海洋结构运动控制与自发电系统相结合的新型系统开展概念设计；其次对加装发电机组后的调谐液柱型阻尼器进行参数优化及控制方法研究；最终通过理论和实验手段研究该新型减振系统的发电效率和适用性。本研究力求提出一种既能对恶劣海况下浮式平台运动提供全面、有效的整体运动抑制，又可为常规海况下运行的海洋平台提供充足电力供应的多功能结构优化系统，为实现海洋工程安全性与经济性的完美统一，提供理论依据与工程实用方法。

本项目提出了一种带内嵌式调谐液柱阻尼器张力腿平台概念设计，包括浮式平台子系统，吸能减振子系统，振荡发电子系统和控制子系统。多功能平台发电原理与传统的振荡水柱式波能发电装置类似：在波浪载荷作用下，TLP本体产生的运动会引起振荡液柱中流体往复运动，将增大或者减小气室体积，推动气室与外界大气进行气体交换，从而在气流通道内产生振荡气流。自整流涡轮适用于这样的往复振荡气流工况，能够将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，然后通过电机设备转化为电能，其结构构造简单，能量转换路径可靠，且不占用平台甲板空间，可行性高。. 针对振荡发电子系统，选取了威尔斯涡轮、冲击式透平和Savonius型水轮机三种形式的涡轮机，开展定常流和往复流模拟并分析了涡轮几何参数、流场参数等因素对输入系数、扭矩系数和效率等性能指标的影响，完成了调谐液柱阻尼器适用性分析和结构形式优选，提出了用于改造调谐液柱阻尼器的发电系统具体设计方案。然后针对目标海域完成带内嵌式调谐液柱阻尼器张力腿平台详细设计，确定了多功能平台的设计参数、调谐液柱阻尼器布置参数和尺寸参数、涡轮布置参数和几何参数。. 针对带内嵌式调谐液柱阻尼器张力腿平台，建立了TLP平台-调谐液柱-自整流涡轮的全耦合非线性力学模型，考虑了考虑平台本体有限位移、六自由度运动耦合以及气室空气压缩性等非线性因素，通过文献对比验证了水动力模型和计算程序的正确性；开展了目标海域多种海况条件下多功能平台运行状态模拟，研究改造后的TLCD与浮式平台的耦合系统的动力响应以及TLCD对浮式平台的运动抑制作用，提出了多功能平台水动力性能和发电效率分析方法，分析了不同浪向角、气室高度和节流孔板开孔率的影响，明确了平台动力响应满足油气生产作业要求和发电的可行性和适用性，为多功能浮式平台设计和海洋波浪能开发提供有意义的设计参考和指导。