水深對海上風電機組載荷的影響研究

郭進勇+張彥南

【摘 要】根據海上風電機組安裝地點的環境條件，利用GH-blade軟件建立了海上風電機組模型，仿真計算并且分析了不同水深對整機極限、疲勞載荷的影響，為進一步開發和利用近海乃至深海風能資源提供必要的理論參考。

【關鍵詞】水深；風-波浪；海上風機；載荷

【Abstract】According to the offshore wind turbine installation site environmental conditions， built up the model of offshore wind turbine by GH-blade software， simulate and analyze the extreme and fatigue load by different water depth， in order to provide the necessary theoretical reference for further development and utilization of offshore and the deep sea wind energy resources.

【Key words】Water depth；Wind-wave；Offshore wind turbine；Load

0 目的意義

海上風電場原則上應建立在離岸距離不少于10公里、灘涂寬度超過10公里時海域水深不得少于10米的近海海域。我國近海風能資源十分豐富，10—30m水深的風能資源約在1到4.9億千瓦之間，應用前景廣闊。

海上風電機組除風作用之外，還受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋環境因素的綜合影響。一般來說，風速越大，波高、周期和波速隨之增大，水位則會使波高受到深度限制，進而影響波浪載荷；海流也僅隨著水深而變化。由此可見，水深作為海上風電機組的標志和先決條件，對其的研究顯得尤為緊迫和重要。近幾年，我國擬開工的近海風電項目主要集中在河北、江蘇、山東、浙江等省份，渤海、黃海以及東海海域，平均水深在5—30m之間。因此，探索不同水深對機組載荷的變化影響規律，不僅對海上風電機組設計和研發具有積極意義，也可為今后更深海域的風電場開發提供借鑒[1]。

1 海洋條件

1.1 波浪

海浪包括風浪、涌浪和近岸浪。從我國海區來看，渤海風浪浪高最小，黃海的比渤海略大，東海的大于黃海，南海風浪最大。就季節而言，秋季風浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。風浪的周期與波高是匹配的，兩者呈正比關系。涌浪季節變化和海區特點和風浪分布趨勢相同，總體上講，涌浪波高和周期，比風浪的要大，但在沿岸海域和封閉性較強的海域，這種差異較小[1]。

設計海況一般用波譜S？濁、有義波高HS、譜峰周期TP和平均波向？茲wm來描述，海浪譜通常采用單一方向傳播的長峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡稱P-M譜），Bretschneider雙參數譜，Jonswap 譜[2]；

海上風力發電機組設計中，根據平均風速（V）、有義波高（HS）、譜峰周期（TP）的長期聯合概率分布來考慮風況和波浪的相互關系。上述參數的聯合概率分布受到安裝場地條件（如風區、水深、海底地形等）的影響。

1.2 海流

理論上海流在空間和時間上不斷變化，但一般認為海流是定常速度和方向的水平均勻流場，僅隨著深度而變化。海流速度應考慮下列成分[2]：

潮汐、風暴潮和大氣壓力變化等引起的次表層流；

風生近表層流；

近岸波浪生成的與海岸平行的表層流。

1.2.1 次表層流

另外，海冰、海生物對海上風力發電機組的支撐結構產生的載荷，在進行支撐結構詳細設計時予以考慮。

2 仿真模型建立

綜合考慮5MW樣機如東現場的風、波浪、海流等實際數據，采用多體支撐結構，將上部風電機組模型和下部支撐結構模型整合到一起進行仿真分析。根據施工地質條件繪制土壤剛度P-Y曲線[3]，建立整體模型如下圖：

3 典型工況選擇

根據GL2012海上風電規范[5]，在GH-blade中按照公式（2）、（3）計算，有義波高（HS）5.6m，譜峰周期（TP）10.6s。將生成的空氣動力載荷和波浪載荷加載到整機模型，進行仿真分析。考慮到風速、水深與波浪等之間的關系，這里風速取切出風速25m/s。對于疲勞分析，風速生成采用NTM正常湍流模型，極限則采用ETM極端湍流模型，水深在0-30m之間，每間隔5m進行仿真。

4 仿真數據對比及結果分析

經過計算，以海平面水深高度的載荷值作為參考，得到0-30m水深范圍內風電機組各零部件主導方向疲勞、極限載荷比值變化關系見圖4、圖5。可以看出，除塔基載荷隨水深增加而顯著增加外，塔架頂部各零部件疲勞載荷變化不明顯，均在2%左右。就極限載荷而言，10m水深處塔架頂部各零部件的載荷增幅在5%左右，隨后增幅逐漸減小，30m水深時增幅基本接近零。塔基載荷總體趨勢隨水深增加而增加。

一般情況下，海浪的生成，取決于風力強弱、風區大小和風時長短。浪高受到水位的限制，即在特定風速下，所能產生的浪高要比水深小一些。當水位超過一定程度時，浪高僅與風速相關，海流速度也隨著水深的增加逐漸減小[4]。

可以看出，隨著水深的增加，塔筒的頻率有所降低，是造成塔筒變形和受力增大的主要原因，因此在進行塔架和基礎設計時，需要根據具體情況調整剛度。

5 結論

以5MW海上風力發電機組為研究對象，應用專業計算軟件GH-blade，考慮風、海浪、海流等環境條件，建立了近海風力發電機組性能仿真模型，得到以下結論：

1）不同水深條件下，風、浪和海流的相互耦合作用，整機載荷變化在2%左右，在設計余量范圍內，機組零部件安全可以保證。塔基載荷變化基本都超過5%，需要根據安裝地條件，進行重新設計。

2）隨著水深的變化，波浪、海流在深度上的影響按一定規律衰減。

3）水深10m時，對整機零部件的極限、疲勞載荷影響最大，在5%范圍內。

【參考文獻】

[1]孫湘平.中國近海區域海洋[M].北京：海洋出版社，2006：168-178.

[2]海上風力發電機組認證規范[M].北京：中國船級社，2012：13-15.

[3]樁基工程手冊[M].

[4]海港水文規范[JTJ213-98].北京：中華人民共和國交通部.

[5]Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines Edition 2012[M].Germany：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH.

[責任編輯：田吉捷]