《海洋工程》文章：海上风电半潜式基础初步选型Pareto-Optimal评价

漂浮式海上风电通常可按浮式基础的型式进行分类，可分为半潜式、驳船式、张力腿式和Spar式漂浮式基础。由于技术成熟度的原因，半潜式基础目前成为我国及国外应用最为广泛的漂浮式风电的基础选型型式，我国首座漂浮式风电示范项目也是采用了半潜式基础的技术路线。与半潜式石油平台不同，漂浮式风机的半潜式基础设计往往更加简洁，取消了浮筒结构，平台的主体结构为立柱和将立柱互连的撑杆结构，立柱提供浮力和甲板承台，撑杆将立柱互联为一体保证平台的整体强度。

虽然与半潜式钻井平台相比漂浮式风电的半潜式基础设计较为简洁，但在基础设计中依然需要确定相当多的参数，如吃水、排水量、立柱直径、立柱体积、立柱间距、垂荡板尺寸等。这些参数使得浮式基础的选型变得复杂，参数的选择往往涉及多个参数之间的相互妥协。因此，部分研究会选择采用Pareto-Optimal分析方法进行漂浮式风机基础初步选型阶段的参数比选。Pareto-Optimal评价方法常用于社会科学和经济学领域，通过对一组统计样本按照某种给定的评价标准进行排序，选取其中最优的样本，该样本即为Pareto-Optimal。当给定的评价标准不止一种时，往往需要结合各种策略来确定Pareto-Optimal。在漂浮式风电领域，通过人为设定多个可变参数改变其基本设计，进而形成一个用于评价最优样本的样本空间。之后，通过设定一定的限制条件来确定Pareto-Optimal，该Pareto-Optimal所对应的参数也即是设计的最优解。在海洋工程领域，将通过参数调整得到的不同设计组合进行横向对比以确定最优设计的技术路线被广泛采用。在漂浮式风电研究中，很多学者都采用过Pareto-Optimal评价方法对最优漂浮式风机基础型式进行了研究。Hall等对浮式平台的浮体形状和系泊缆绳进行了优化研究，其Pareto-Optimal设计为一种多腿张紧式系泊平台。Brommundt等采用频域分析的方法对漂浮式风机的系泊系统进行优化研究。Karimi等提出一套优化算法，采用动力学模型对平台设计最优解进行研究。Myhr和Nygaard采用时域仿真的方法对张力腿平台进行优化设计，并发现若采用桁架式结构作为桩腿，可以有效地降低波浪荷载。Hegseth等基于开源软件OpenMDAO对立柱漂浮式风机的最优设计进行了研究，以最低平准化成本作为优化目标，并采用疲劳、板屈曲以及柱屈曲等规范指标作为限制条件。

国内海上风电的研究方面，李志伟等采用Pareto-Optimal评价方法对风电—水电联合运行方面进行了研究；刘吉成等将Pareto-Optimal评价方法应用到风电项目工期、成本和质量的均衡优化方面；另外在风电的消纳、调度等方面，也存在基于Pareto-Optimal评价方法应用得出最优解的尝试。然而，在漂浮式基础设计方面尚无采用Pareto-Optimal评价方法结合国内海域环境特点计算得到最优型式的尝试，在漂浮式基础研究方面主要围绕给定主尺度的漂浮式风机基础进行性能方面的计算。

通过对3立柱和4立柱漂浮式风电半潜式基础的Pareto-Optimal评价，采用平台稳性和叶轮中心加速度两项限制条件对采用不同参数的浮式基础总体性能进行了对比，提出了适用于我国阳江某海域海上风电场极限波浪条件的基础参数选型原则。

图2三立柱与四立柱

总结与展望

针对漂浮式风电的半潜式基础采用Pareto-Optimal评价方法对影响平台设计的各项参数进行了研究。

研究表明，增大占据平台建造成本较大成分的立柱结构的总体积和排水量对于改善平台性能并不明显。因此，从降低材料成本的角度，宜选择相对适中的排水量和立柱总体积。同样，平台的吃水和立柱直径也可选择较为适中的尺度，特别是吃水，过大的吃水反而会降低平台的整体性能，因此可以选择在10～14 m范围内。而在立柱直径方面可以考虑15 m左右的立柱直径。垂荡板对于改善平台整体性能是较为敏感的，垂荡板与立柱的直径比宜设置在1.2～1.4倍之间，对于4立柱半潜式平台存在更大的最佳比值的可能。增大立柱间距对改善平台运动性能作用很大，但需要关注增大立柱间距所带来的副作用，对于3立柱平台来说具有相同总体性能的平台设计排水量会较4立柱平台更低，但其立柱间距也远高于4立柱平台。

来源：海洋工程