關于國內外海上風電機組基礎結構設計標準的探討

路偉

(河北省電力勘測設計研究院,河北 石家莊 050031)

關于國內外海上風電機組基礎結構設計標準的探討

路偉

(河北省電力勘測設計研究院,河北 石家莊 050031)

20世紀90年代,歐洲國家開始研發海上風電機,并在裝機容量方面取得了十分顯著的成就.但在海上風電機組基礎結構的研究方面,各國均處在初級探索階段,故該領域的研究成果較少.文章主要對國內外海上風電機組的基礎結構設計標準進行了探討.

海上風電機;基礎結構;設計標準;美國石油協會

國際上特別是很多歐洲國家,在海上風電機的開發領域,目前已形成了較為成熟的標準和規范,我國近年來也進行了大量的研究工作,但從當前的風電機組基礎結構設計的現狀來看,仍存在設計上的不合理、不規范等問題,故需在今后加大研究力度.

1 海上風電機組基礎結構設計的現狀

相對于國外,我國對于風電機組基礎結構設計的門檻要求較低,故各領域的設計單位均有機會參與到實際設計中.從發展現狀看,目前國內的風電機組基礎機構設計仍存在較多技術問題,原因主要包括以下幾個方面:第一,設計單位常在專業領域范圍內進行設計,并未從根本上掌握風電機組中所包含的實質性內容,導致設計方案存在片面性.第二,該工作涉及領域眾多,包括巖土工程、港口工程設計、結構設計、港口水文計算、海洋波況統計、風電機組承載計算等方面的專業知識,故很難進行集中把控.第三,常用設計方法包括概率極限設計、安全系數等,實踐應用過程中,由于人員對各設計理論理的解不透徹,故在進行交叉使用時,難免會出現不一致、不協調的問題.

縱觀各類設計規范,結構物設計應包含抗力設計體系和荷載計算體系,從而保證設計安全余度的一致性.另外,國內設計中常出現套用國外設計體系的問題,風電機組荷載也是使用國際通用軟件進行計算,故雖數值合理,但由于國內外體系不同,因此盲目套用勢必會出現不匹配的問題,致使結構物的安全性得不到保障.

建筑規范體系包括基樁承載力特征值以及荷載效應組合的配套設計,在港口工程中,設計荷載一般均采用乘以分項系數的組合;海洋平臺體系中,基樁通常都采用安全系數設計概念,可針對實際情況的不同,采取適宜的安全系數.

2 國內外海上風電機組結構物設計的標準

陸地風電場的發電機已具備多年的使用、安裝和設計經驗,有這些實踐經驗作保證,使整個行業對基礎設計、支撐結構、風機以及風荷載均有了一個詳細的了解.在陸地風電場取得顯著成效的同時,海上風電場的發展卻一度陷入僵局,并受到多種因素的制約和影響.陸地風電機組基礎結構的設計標準一般都用于解決海洋問題,包括冰荷載、海洋荷載等.早期歐洲國家的海上風電系統,主要關注風電場經濟、結構以及規模的最優化,近年來開始重視海上風電機組的設計與規范問題.

海洋結構和海上風機的設計仍以經驗為主.丹麥初次試圖將相關技術和經驗進行結合,之后又由德國等國家提出了更加成熟的指導方針.為保證今后的工程項目都能夠按照國際認可的標準進行設計,IEC(國際電工委員會)也在該領域進行了研究,最終形成了《海上風力發電機設計要求》.

海上風電機基礎結構設計分析如下:美國石油協會(API)的API RP-2A工作應力法,在目前的海上結構物設計中應用得最為廣泛.在阿拉斯加、加利福尼亞海域以及墨西哥灣等地區,已有超過7000個海上結構物的安裝經驗,這些經驗使得該標準迅速推廣,除可應用在美國聯邦海域上,還可被廣泛應用于世界各國的海洋平臺.API RP-2A標準為遭遇地震、強風、波浪荷載的海上結構物設計提供了基礎和保障,但其卻尚未列出風電機支撐結構設計中所需的工況.DNV(挪威船級社)和GL(德國船級社)是一直致力于海上風電基礎設計標準研究的兩大船級社,ISO在此過程中,也做出了大量的努力,以下是各相關標準規定的詳細介紹.

2.1 美國石油協會

API RP-2A標準自1969年發布以來,就進行了全面整改,并充分吸取了行業發展的經驗教訓.根據該標準后來設計出的結構物橫跨海冰、地震、颶風、極端風暴等多個領域,其應用價值毋庸置疑.目前,還將該標準用于惡劣海洋環境的結構物設計中,成效顯著.

API RP-2A的應用,可滿足海洋石油天然氣平臺幾乎所有的設計要求,并提供了詳細的可計算出桿件承載能力和受力的計算公式,如桿件的組合應力、壓縮、拉伸、彎曲以及疲勞強度等.

2.2 國際電工委員會

IEC 61400是TC-88經過長時間的發展演變而來,主要用于風機評估和設計,其涵蓋的內容較多,包括風機性能評估、設計要求、安全等主題.其中61400-1和61400-3分別是"設計要求"和"海上風力發電設計要求",兩者對設計的貢獻較為突出.目前,IEC61400-3正在完善和發展當中.

2.3 德國船級社

GL2005版為海上風電場和海上風力發電機的認證提供了相對完善的規范標準,涵蓋了葉片、發電機以及支撐結構的各種要求.該標準不僅適用于海上環境,更適用于一些常規風力發電機的基礎設計,其充分借鑒和參考了DIN和IEC的規范標準,故在實踐應用中更加具有時效性.

2.4 挪威船級社

2004年的DNV明確了海上風力發電基礎結構、設計指南、技術要求及準則等規定,可將其應用于海上風力發電的基礎結構設計和支撐結構設計中,同時也可用于風電場中其它部件支撐和基礎結構的設計,例如強項桅桿、變電站等.

2.5 國際標準化組織

該組織成立于1947年,由157個國家共同構成.ISO為很多國際標準化發展提供了世界級的框架參考,涵蓋技術、工業、商業等相關信息.ISO16177標準更是包括了通信技術到服務業、生產制造到運輸醫學、建筑到機械工程以及農業的各類標準.其中,關于海洋技術的標準,并非專注于海上風力發電機,而更多的是給出了海上結構物設計的整體思路,尤其注重其完整性.

3 國內外海上風電機組基礎結構設計的標準

API RP2A-LRFD和API RP 2A-WAD一直被作為美國海上結構設計的主要標準,后者是由前者發展而來.德國船級社一般使用ISO標準.上述標準均認為各類相關操作極限載荷、疲勞載荷等,對于海上風機設計的影響至關重要.

在荷載及其組合上,API標準中并未對風機荷載進行專門考慮,更未涉及到環境荷載和風機荷載的組合.大型海上平臺極易受到外部因素的干擾和影響,波浪對于平臺設計的影響較大,而風荷載的影響比重僅占10%.平臺的剛度和結構決定了極端荷載的響應基本呈靜態,為此,API可使用線形響應算法作為主要核對方式,一般可使用頻域分析法進行計算,但對于非線性動態分析卻未作出明確要求.風荷載對海上平臺的設計影響較大,GL、IEC、DNV等規范中,均對環境荷載、風機荷載以及其他荷載組合進行了明確規定.

基礎結構設計方法上,API包括荷載系數法和容許應力法,海上結構物設計一般選用容許應力法;GL、IEC的結構校核一般需采用其他的規范標準,例如API RP 2A、ISO19902等;DNV則需遵循其內部的一些特殊要求,明確規定了抗力系數和荷載分項系數.

關于極限載荷的規定,API RP-2A明確了海上基礎結構設計的環境,如波浪、風等的重復周期為100年;ISO19902同樣規定了海上結構在極限狀態下外部條件的回歸周期;IEC 61400-1還假設了風機可承受幾十年一遇的極端自然環境.因此,很多人們認為,海上風機設計無需更高標準,只需在原有陸地風機基礎上,通過周期條件進行設計即可.IEC61400-3規定波浪荷載和風荷載共同作用下的極限環境重現周期為50年,DNV和GL中的規定也較為類似,故足以看出,API在極限荷載條件下要比GL、IEC以及DNV更加保守,但重現周期差異卻并非可靠性指標,故可進行任意選擇,通過荷載系數的調整,從而滿足抗力可靠性和安全因子的實際要求.

4 結語

綜上所述,海上風電機組基礎結構設計將直接關系著海上風電產業的健康、穩定發展,不管是現有的結構設計,還是新的結構形式,都應以節約成本為基礎,為實現該目標,需對其設計標準進行參考.在今后發展中,可充分借鑒國內外研究經驗,選擇符合我國國情的設計標準,為海上風電行業的健康發展提供保障.

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