废弃导管架海洋平台潮流发电的力学分析

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1、第27卷第3期水电能源科学Vo1．27No．32009年6月WaterResourcesandPowerJune．2009文章编号：1000—7709(2009)03—0215—04废弃导管架海洋平台潮流发电的力学分析康海贵陈超郇彩云李玉刚(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：针对海洋平台采油完毕后失去原有价值、拆除需耗费大量资金问题，重点研究了利用废弃平台进行潮流发电，并采用ANSYS软件对海洋平台进行静力和动力模态分析计算。结果表明，利用该法有效可行。关键词：海洋平台；

2、潮流发电；ANSYs；静力分析；动力模态分析中图分类号：TV211．14；P74；TV13文献标志码：A海洋平台作为在海上钻井、采油、集运、观测、将直叶片水轮机的竖直轴定位于海洋平台的中心导航，施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，位置，根据海洋平台四桩的布置，设叶片距水轮机当海洋平台寿命或采油等活动完毕时就失去了原中心R一2．2m、长度(沿水深方向)8m，则水轮有价值，而荒废平台的基础结构设施等尚具有利机功率[1为：用价值，若从海上拆除需投人大量资金。目前，能P=0．SpAV。(1)源消耗剧增、环境污染加

3、剧，能源日趋影响着世界式中，P为海水密度；A为水轮机的横截面积；V经济的发展，能源丰富、可再生、无污染的海洋能为水流速度。经计算，水轮机的理论功率为源受到日益广泛的关注。利用现有海洋平台进行19．7kW。根据竖轴变攻角潮流发电水轮机的海洋能发电可变废为宝，暂缓目前能源危机，同时性能引，当水轮机叶片诱导速比．=l一1时，其能量为未来进一步开发利用海洋能源做出贡献。鉴利用率仅约占2O[3]，即水轮机发电功率约为4此，本文以已废弃的某油田单井采油平台为研究kW。对象，采用ANSYS软件对其结构进行分析计算，将水轮

4、机加载至海洋平台上，结构平面形式以验证利用废弃海洋平台进行潮流发电的可见图1，图中四周为四桩导管架的水平撑和斜撑。行性。采用单盘面一单流管模型(SDST)，设来流方向的诱导速度U在整个水轮机盘面上均匀分1废弃平台及潮流水轮机概况某油田平台为固定式单井采油平台，结构为四腿导管架式，设计具有抵御50a一遇海况的能力，井位处工作水深约lO．5m，设计风速28m／s、设计最大波高5．7m、波浪周期8．6S、设计流速1．03m／s。由该油田关于海冰分析研究报告计算求得50a一遇的海冰设计冰厚为0．314m。目前，哈尔

5、滨工程大学已研建了75kW的潮流电站，采用直叶片摆线式双转子潮流水轮机。本文借用其试验结果，利用研究的海洋平台周围图1水轮机布置结构俯视图海域进行潮流发电，要求潮流来向垂直于叶片转Fig．1Topviewofarragementconstruction动面，以带动水轮机运转，将机械能转化为电能。ofhydraulicturbine收稿日期：2009—03—17，修回日期：2009—04—06作者简介：康海贵(1945一)，男，教授、博导，研究方向为海岸工程、海洋水文学、环境与灾害，E-mail：hgkang

6、@dlut．edu．cn·216·水电能源科学布。水流经盘面时推动盘面转动，水流损失能量形桩Bo为B+l或1．5B+0．5，圆形桩B。为即为盘面吸收能量。水流通过流管的动量变化0．9(D+1)或0．9(1．5B+O．5)。率为：废弃平台ANSYS有限元模型见图2。一2pDbu(V+u)(2)其中D一2R式中，b为桩柱直径；D为直径；R为半径。2个叶片对水流方向的平均作用力即为叶片受力的反作用力：一一一一r(0)dO(3)由动量定理可得：一T即：f詈[CLCOS(0+a+图2CB244导管架平台有限元模型Fi

7、g．2FiniteelementmodtlofCB2441Cosin(+口+)]一一(4)jacketoffshoreplatformi一2c／(TrD)其中=Rw／V3环境荷载计算式中，为密实度；c为叶片弦长；CC。分别为翼剖面的升力、阻力系数；a为叶片水动力攻角；叫3．1波浪荷载计算为水轮机转速。海洋平台设计时波浪荷载按《海港水文规范》[中波流共同作用计算：2ANSYS有限元建模fP(，X，￡)-0．5C'DpDV~IVl+0．25CMpTrDVx利用ANsYs中的PIPE16模拟平台结构中{P(z，z

8、，￡)一o．5C'DpDIVl+0．25C'MpTrDV的管单元、SHELL63模拟平台甲板、BEAM188【P(z，X，￡)一O．5C'DpDV~IVI+0．25C'Mp~DV：模拟甲板下的纵横梁]，将桩基模拟为一系列(6)的离散单元，并假设桩周围的土作为一系列弹式中，P、P、P：分别为管件在X、Y、方向的波浪簧连接于桩和远场土(通常假定为刚性)之间。力；、厂为水质点速度；D为管直径；c，D、c，M分别为ANS