《深海工程》翻译论文
波能转换器的系泊设计方法 L约翰宁.G`H史密斯和J沃尔弗拉姆 赫瑞瓦特大学建筑环境学院，英国爱丁堡市
本文是在2005年1月12日投稿，经修订后在2006年8月16日发表
DOI: 10.1243/14750902JEME54
摘要：为了保证有效,波浪能量转换器(WECs)必须安装在波能密度大的空旷地带。这样的设备更有可能安装在离岸位置和人们当前主要对海上漂浮设备感兴趣。自从波能源产业在部署WEC系统上几乎没有长期的实际经验，因此在制定合适的位置固定安排方面也没有历史经验可循。通用的定位装置即要求可靠而且划算,系泊系统提出了一个具有挑战性的任务。本文提出了相关问题的定位浮动WEC并讨论初步设计过程来确定合适的系泊设计。 关键词：浮式波能转换器，系泊设计方法 1.引言
自由浮动系统系泊的主要功能是即使是在风暴最严重的情况下也能保持WEC在固定位置。系统的成本将与满足这个需求，加载的疲劳和磨损直接相关, 疲劳和磨损发生在设计寿命之外。安装位置目前正在考虑浮动WEC设备，它处于50米深的暴露位置且具有相对较高的波的能量密度。这种位置的需求将增加锚和结构上的载荷,这些在设计时需要考虑。此外, 正如Johanning和Wolfram所讨论的那样，合适的安装位置可能位于潮汐流地区。可能由于系泊缆绳的涡旋脱落导致的附加载荷和动态响应也需要考虑,以及不利的海流载荷,这相对于入射波可能会导致设备的偏差。后者可能导致减少能源开采和结构荷载的增加。因此,潮汐流在设计的早期阶段需要仔细考虑达到一个合适的系泊设备。
一些设计参数类似海上浮油和天然气平台和系泊安排和安装标准可能会根据海外行在必要时做些修改。有关详细讨论现有的石油和天然气行业的系泊标准,以及它们在多大程度上可以应用到系泊浮动WEC装置，这可以参考约翰等著作。
在系泊装置之间的相似之处可以找到浮动WEC和石油系泊安排有几个关键的不同。首先, WEC需要永久锚安装以来将大大超过了五年,这是典型的由挪威船级社DNV-OS-E301定义的长期系泊装置系泊中标准。其次,由于许多波能源设备的功能需求,系泊系统将动态响应波或波群载荷,以及这项WEC及其系泊时关键是作为一个耦合系统。被记住而, WEC不铰接体的类型,它是海浪和物体之间的相对运动,允许提取,运动,这在一定程度上将取决于系泊系统。
为了在最低的电气连接长度和环境影响下提供高效和经济利益，WEC大多数安装在密集排列转换器的位置。由于安排的密集, 设备从平衡位置允许的水平运动旅行必须被限制以避免碰撞。同时为了避免系泊缆绳的互相磨损，足迹区域的海床上覆盖的每个系泊安排设备必须很小。这不同于典型的近海石油和天然气设施的足迹区域，他们大多是不受限制并定义最大允许偏移是容许油气立管的运动。
本文介绍了WEC系泊需求,然后提出了一个初步设计方法,它是用一个简单的示例所示。对于更精确的初步分析设计等问题,这在详细的WEC系泊设计过程中进行探讨。 2.螺旋式WEC系泊设计
为了建立浮式波能转换器系泊系统一个通用的设计方法,对现有的设备进行分类显得非常必要。哈里斯等人做过这方面工作。波浪能量转换器由安装位置分类,即(1)岸线,(2)近岸,和(3)离岸，按工作原理分为,即(1)振荡水柱(OWC),(2)高出设备(OTD),和(3)波激装(WAB)。此外,波浪能量转换器也按照方向特性进行分类即为(1)吸收器,(2)终结器和(3)衰减器,这主要是从波能捕获主方向描述的。哈里斯研究讨论这些类别和得出结论，他认为进一步分类识别系泊的需求是必要的。这是根据设备的功能需求和他们如何应对波场。这取决于提取能源的方式,这个问题的是“所需的设备保持不变就是平均水位,或应该自由响应波动共振的方式吗?”。因此,为了系泊分析方便,浮式WEC分为独立运动或非独立运动设备(即MDD或
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MID)。motion-independent设备(MID)被定义为一个系泊在传统行事方式让设备保持在平衡位置(一个例子是一个浮动的振荡水柱(油水界面))。在这种情况下,系泊的需要将类似于一个传统的石油和天然气浮动安装。特别是,系泊的共振周期将设计超出波强迫周期范围,离岸工业喜欢浮式结构进行生产储存和卸载。
而另一类设备,可以定义为motion-dependent。对这些设备的动力学及其能源开采的主要模式需要一个交互式的系泊系统的应用——系泊设备和系泊系统的共振周期要匹配，必须设计可行的波周期。motion-dependent装置系泊系统的设计必须考虑振幅响应,或接近波的周期。对于这样的系统,将有效波频率交变载荷和主要要求必须确保安全性和可靠性在疲劳载荷。在许多情况下,这将涉及紧系泊(张力腿)系统, 它侧重于悬链线系泊系统，在此本文不考虑。
图1中的流程图显示了基于石油和天然气行业的标准初步设计方法和性能分析。初步设计方法的主要结果将是建立的足迹,远足和固有频率在允许的范围内选择能源设备或农场的要求。正如上面所讨论的,不同的需求将申请不同WEC设备和系泊系统必须单独为特定设备设计和它的位置。一旦选择了一个系泊系统配置,环境载荷(风、波浪、潮汐变化,电流)的安装位置估计,初步可以执行系泊设计计算使用形成的下面描述的设计/分析方法。这首先涉及到一个迭代过程选择一个系泊设备导致最优占用面积,远足和固有频率。一旦完成了,第二个迭代过程是用来考虑结构的充足率从极限和疲劳载荷的角度提出了系泊系统完整和破损条件(后者通常会涉及看着性能如果一个系缆失败)。第二个改编自石油和天然气行业迭代过程涉及的性能分析提出设计工业标准, 这是约翰宁等人所讨论过的。[2],用准静态或动态分析方法。如果这种分析未能产生可接受的值,这个过程必须重新在第一个迭代过程开始计算。
图1初步设计方法流程图
举个例子,一个小面积的要求和一个小偏移WEC将结果最有可能在重系泊缆绳的使用一个简单的悬链线安排。因此,这样的安排会变得僵硬,导致更高的固有频率。初步系泊设计侧重于选择合适的共同形变线的长度,材料,大小,和行数,以达到最优的组合海床位的占用面积,表面偏移,和自然频率,同时保证足够的系泊在极端载荷谱线强度。
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3系缆的材料选取
初步设计流程图所示(图1), 一旦建立了三个安装属性必须选择合适的系泊线。典型的系缆材料在石油和天然气工业链,线和合成纤维绳索。更详细的信息关于他们的应用程序可以在dnv - os - 301和API RP 2 sk[5]中发现,或系泊的概述材料可以在Baltrop[6]和哈里斯等人著作中发现[4]。在这里为了能够确定一个合适的系缆，我们将讨论材料设计属性。 表1系泊线材料设计性能；CBS =断裂强度，UTS=抗拉强度，重量=淹没单位长度的重量，每单位长度的单位长度，CD和CM=轴向刚度;惯性系数（D和D在毫米毫米）；系泊线特性
表1提供了系泊线链属性,钢丝绳和纤维绳索的断裂强度(CBS)、极限抗拉强度(生产资料),单位长度重量(w),每单位长度的轴向刚度(EA)和阻力和惯性系数(CD和厘米)。链的单位长度重量和钢丝绳的淹没情况。需要特殊考虑纤维绳索的使用,可以发现在美国石油学会API RP 2 sm标准[7]。直径定义用于计算为典型的链和钢丝绳结构设计属性在2 a和2 b介绍。
图2（a）无钉和有钉链条（D mm）。（b）六股及螺旋股绳（d mm）
因为它有必要选择一个系缆和安排在设计的早期阶段,进行系泊设计迭代,它是设计者在一开始选择合理的系缆的关键属性和安排。图3展示了典型的系缆断裂负载/直径线直径的函数链,钢丝绳,合成绳索。更详细的讨论在系缆材料可以参阅哈里斯等人著作[4]。
图3不同直径的链,金属和合成绳索破坏载荷/直径关系曲线
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提供合适的指示大小正常的系泊线，已收集的数据从用于系泊链的海洋工业单锚腿系泊浮标（SALM浮筒）和悬链锚腿系泊浮标（CALM浮标）。平静的浮标装置是最接近的浮动系统正常，当谈到系泊设计，海洋产业员工。水深处冷静的浮标已从15变化到90米，与具有显著的环境生存条件波的高度，房协= 12.5至2米，风速15至100米/秒，和表面电流的加州大学= 0.52.8米/秒（FMC技术，sofeca浮动生产系统[ 8 ]）。链线直径对于这些浮标安装了图4对浮标的水线面面积。的系泊装置需要SALM浮筒只有一个链，而平静使用3，4，6和8系泊链的布置。使用的更多的链通常会导致更小的使用为特定的系泊条件的直径，和对安装变得更加重要没有优势的天气方向的位置。从图4，它可以被识别的链直径用于镇静浮标是从d = 60的范围内120毫米，与SALM浮标从D = 90170毫米。为全面提高SALM直径浮标应被视为一个结果的使用单系泊缆，但也会受到影响为特定的环境条件安装位置。作为第一个估计，该行可以考虑类似于直径一个平静或SALM浮标类似水线面面积。
图4链锚线的各种CALM与SALM浮筒。一个使用不同链数的平静浮标装置
4锚系初步设计方法
这里,我们认为,首先,一个悬链线的情况下系泊线之前移动到更一般情况下的多个悬链线可能会采用最WEC系泊。preliminar设计方法,下面描述,不需要使用计算机程序。然而一个准静态分析,当然一个完整的动态分析,提出的设计通常会承担行业标准软件包。各种商业计划可用OrcalFlex, MIMOSA 和 ZENMOOR软件。
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4.1单链锚线
仅供初步静态方法,水平位移上升(摇摆)需要考虑在美国人石油机构API RP 2 sk讨论了 [5]。然而,它应该是认识到胀和潮汐变化的反应会改变的系泊张力特性配置。这对wec更为重要在相对较浅的水和严厉的波气候比一个典型的更深的水单。第一次尝试占张力的变化由于胀特点,不同水深处可以认为,最大的水深度有大潮和最小水深现小潮。
水平位移主要是依赖系泊系统的刚度和静态外部力量。静位移需要考虑风、浪和流的影响,系泊系统的刚度可以改变了系泊配置,通过改变路线拉伸,或系泊线材料。它是显而易见的使用一个非常沉重的系泊配置减少设备提供的干扰力,但这将导致更高的内部系统载荷,特别是在系泊附件点WEC和频率反应会更高。“软”停泊系统可以使用，将导致较低频率的内部系统负荷响应激增，但这将允许更广泛的短途旅行。应该认识到一个柔软的系泊系统可以让?浮体保持相对水表面的固定。波—骑手浮标是用来测量波高在这种方式。然而，正如已被证明在水池试验[ 1 ]，一些正常时效果最好受限于最小的浪涌和摇摆给予相对于波浪的最大运动表面。为了确定坚硬性一个系泊系统，以及相关的短途旅行和初步系泊频率响应分析，下面的安装性能需求被称为：
表2 非弹性接触式接触网方程
该装置是系泊体（质量、尺寸等）
位置属性（水深，潮汐变化，海底条件，允许偏移和足迹区域内的位置） 当地环境负荷特性
鉴于平均环境条件在特定的位置将是固定的，对于任何给定的设计WEC，它是系泊系统，通常必须设计/调整以确保最大能量提取。通常情况下，初步的系泊设计/分析需要以迭代的方式重复确定组合的参数提供最佳的系泊布置。 简化悬线方程
电缆线路的静态分析在Berteaux[ 9 ] 和 Faltinsen [ 10 ]两人已经介绍过。本文主要介绍非弹性接触网方程解的唯一性，如表2。这些都是适用于链条和钢丝比例的合成绳。
垂直距离Z可以认为总水深H和自由表面之间的距离，在fairrider附着点ZC。如果附着在水面上，则水平距离变成了Z=H每单位长度的线从表1所示的经验公式可以找到重量不同线路材料，以及轴向拉力的线从水平和垂直导缆孔传出。
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