海上風機基礎結構設計標準研究

（華電重工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

改革開放以來，我國大力發展經濟，陸上經濟的發展帶動了海上經濟的發展，海上風電場的發展和建設速度明顯加快，我國逐漸開始發展清潔能源。為了轉變能源結構，我國一步步增大了海上風力能源的開發規模。上海東海大橋是我國第一個符合各項標準并通過了國家發展和改革委員會要求的海上風電場，電力高達10萬kW，并正式開始了建造工作，至2010年已建成投產。隨著海上風機的不斷發展，對其的相關研究也逐漸深入，歐洲憑借得天獨厚的臨海條件和先進技術，對風能的運用已是十分成熟。當前，我國海上風機基礎結構的行業標準還未明確，研究整體處起步階段，所以本文研究海上風機的基礎結構，以期促進我國風能的開發和利用。

1 海上風力發電的發展現狀

我國當前風電行業處于中游，部分風力發電設備需要從國外進口，和世界風力先進發電水平相比仍然相差甚遠，技術方面存在一定缺陷，需要不斷地改進技術，擺脫對外依賴，即使風電新能源的成本已經有所減少，但相較火電還未能在成本方面產生差距，風電行業技術的不成熟對于風電行業發展來說是需要盡快解決的難題。我國頒布并實施了一系列風電法規，推動了風電的發展。2009年，我國已經成為世界上最大的風機市場，2012年底，裝機容量增加26.1 GW。同時，有了國家的大力扶持，預測到2020年，規模還將擴大到3 000萬kW，發展前景一片光明。和其他國家相比，我國在海上風電方面的建造經驗明顯不足，因此我國迫切需要建立和完善海上風電相關的設計標準或技術規范[1]。

2 研究海上風機的基礎設計標準

2.1 海上結構物的設計相關標準

陸上發電機經過多次研究并改進，人們取得豐富的經驗。這些經驗對風電行業整體發展有著極大的幫助，不僅有助于了解風機結構，還有助于了解基礎設計要求。陸上風電場已經取得了不小的成就和實踐經驗，而海上風電場還要面對許多難題。海洋環境問題和風機技術提升成為當前主要需要解決的問題，技術問題涵蓋了波浪、海流、冰等因素對支撐結構的作用。

我國海上風機研究時間較短，因此需要學習和借鑒其他國家的先進經驗。為了降低地理因素對海上風電工程項目的影響，國際電工委員會編制了《海上風力發電機設計要求》（IEC 61400-3—2016）。

現階段，我國海上結構物設計主要參考《海上固定平臺規劃、設計、建造推薦作法 工作應力設計法》（SY/T 10030—2004）[1]。墨西哥灣沿岸安裝了近萬個海上結構物，使得美國石油協會（API）的做法變得更準確，可以在世界范圍內運用。

2.1.1 美國石油協會（API）

1969年，美國石油協會發布了《海上固定平臺規劃、設計、建造推薦作法 工作應力設計法》（API RP 2A-WSD—1969）。從1969年至今，該標準不斷吸取整個行業的經驗和教訓，不斷完善，進一步適配工業生產的千變萬化。依賴該標準，人們設計生產出適配與多種情況的結構，涵蓋深水平臺和淺水平臺，以此來開發邊際油田。這種類型的結構可以適應各種惡劣天氣，如颶風、極端風暴、地震或海嘯等。所以，該標準的用處非常大，可以提供許多有價值的經驗，并且適用于惡劣海洋環境中。它可以為海洋石油天然氣平臺設計提供助力，指明設計方向，同時能準確運用公式算出桿件的受力和承受的載重。

2.1.2 國際電工技術委員會（IEC）

國際電工委員會風能發電系統（TC-88）編制了風機指南，即《海上風力發電機設計要求》（IEC 61400-3—2016），主要用來對風機進行設計評價。該標準涵蓋多個方面，設計面極廣，如設計需求、安全評價等。

2.1.3 挪威船級社（DNV）

挪威船級社全稱DET NORSKE VERITAS（簡稱DNV），于1864年成立，其總部位于挪威首都奧斯陸，歷史十分悠久，是一家專門管理風險的服務機構。宗旨是“捍衛生命與財產安全，保護環境”。2004年，DNV頒布了和海上風機相關的設計規范，涵蓋多個方面，有設計指導參考、設計技術要求以及風機安全知識。它可以運用于海上風力發電機的結構設計，也能運用于其他結構設計，如變電站和氣象桅桿等。

2.1.4 國際標準化組織（ISO）

1947年，國際標準化組織（ISO）成立。ISO給國際標準化發展供給了世界范圍的架構，它涉及商業工業、技術等方面的信息。2006年8月，國際標準化組織發布了一系列標準，涉及傳統農業建筑、機械化工程、生產制造、運輸醫學等方面。其中包含和海洋技術相關的條款，但這些標準并不是針對海上風力發電機，主要是為海上結構物的設計提供指導，特別關注結構物是否完整。

2.1.5 德國船級社（GL）

德國船級社（Germanischer Lloyd，簡稱GL）成立于1867年，歷史十分悠久，它是世界上最大的船級社之一，在測試、研究、改善安全等方面都處于世界領先地位。GL于1995年頒布了首版和海上風機設計相關標準，并進行多次修訂[2]。

2.2 研究海上風機相關的設計標準

美國設計海上結構的主要標準是API RP 2A-WSD和《海上固定平臺規劃、設計、建造推薦作法 載荷與抗力系數法》（API RP 2A-LRFD—1993），IEC 61400-3參考了《石油和天然氣工業固定式海上鋼結構》《ISO 19902—2007》。而ISO 19902是依靠API RP 2A-LRFD發展的，而API RP 2A-LRFD是由API RP 2A-WSD的20版本發展而來的。GL主要引用ISO標準以及德國船級社的規范和指南。

總的來說，上述標準皆認為海上風機與疲勞荷載、許多操作極限荷載和極端環境下的極限荷載息息相關。人們要根據不同的荷載、荷載組合、結構設計方法、極限荷載條件，明確設計標準。

在荷載和荷載組合內，API規范并未對風機荷載這一因素進行詳細考量，同時未考慮風機荷載和環境荷載的結合。海洋資源固然豐富，同時存在許多極端的外部因素，對風電設備存在不利影響，海洋波浪對平臺設計影響極大。海上風力發電不只需要考慮風載荷，還需要考慮海洋影響。相對海上風機結構來說，風力的載荷影響整個平臺設計。風機荷載、環境荷載和其他荷載都需要結合規定予以確定，保證結構平穩。

在結構設計方法上，API分為容許應力法和荷載系數法，但是對海上結構物設計來說，容許應力法是最普遍的方法。DNV、IEC和GL均采用荷載系數法。在校核IEC和GL的結構時，要引用其他標準方法，遵守DNV內部規定，這些規定在荷載分項系數和抗力系數方面都是十分明顯的[3]。

極限荷載要求較高，極限環境包含風、浪、流等，API RP-2A標準設計的海上結構外部在同一段時間可能會同時遭遇各種極限環境。ISO 19902標準明確了極限環境下海上鋼制固定結構的標準回歸周期。IEC 61400-1是一項已經完成的陸上風機設計標準，它能達到最大程度的兼容。其中，IEC 61400-1要求風機能抵御50年一遇的極限外部條件。因此，海上風機實際上并不需要過度注重設計標準，可以重選目標，如選擇陸上風機，它以自身設計標準為基礎，再考慮重現周期，設計IEC 61400-3指南中的海上風力發電機，同樣，IEC 61400-1的陸上電機安全系數沒有特殊差別。IEC 61400-3約定的再現時間為50年，但前提是極限環境，包含極限風或波浪等惡劣環境。GL和DNV共同推理極限外部條件的再現時間是50年。因此，相較DNV、IEC以及GL，API對于極限荷載方面要求更加穩定。但無法通過重現周期的差異決定相對參數，因此可以選擇任意的再現周期，再通過荷載系數調整，達到提升安全性和穩定性的目標，最大限度地降低抗力影響。

3 選擇海上風電的基礎設計標準

海上風機的每個標準都有特別的要求，導致不一樣的設計基礎。API設計固定式結構的標準不包含風機設計，IEC以及GL更側重于這一部分，DNV規范更強調對海上風機基礎設計的約束。未來，我國更傾向于DNV規范，會將DNV作為我國設計海上風機結構的標準。

當前，人們應當按照結構的可靠性，開展海上風機設計，進行精確評估，全面分析諸多因素，如荷載狀態、結構種類和自然環境條件。與此同時，風、浪、流的作用也不容忽視，人們要明確我國海洋環境，滿足風機設計要求，推動我國風電的發展。新時代，我國仍需要不斷地提升自身影響力，積極扶持和發展海上風電行業，推動新能源的發展，有效促進沿海地區經濟發展。