漂浮式風機基礎結構強度設計

聶焱

(上海勘測設計研究院有限公司，上海200434)

隨著社會的發展，能源需求日益旺盛。以煤碳為代表傳統能源在給人們生活帶來便利的同時，也給生態環境帶來了非常嚴重的破壞。清潔能源的開發和研究變的越來越迫切,以風電為代表的可再生能源迎來歷史性的發展機遇。

我國風能資源豐富，陸地風能和海上可開發風能儲量巨大，其中以海上風能為主。隨著近岸資源的開發趨于飽和，海上風電產業逐步向深遠海發展。隨著水深的增加，傳統的固定式風機基礎漸漸無法滿足需求，漂浮式風機將成為風電產業發展的主要方向。漂浮式結構在海洋油氣行業已經非常成熟，但是在風電領域運用還不多。漂浮式風機基礎的重量和排水量都遠小于石油平臺，但是在設計難度上甚至要比油氣平臺難度更大，風載會對基礎結構產生一個很大的風傾力矩，使整個系統處于一個不平衡的狀態，需要靠錨泊系統來平衡，這就對錨泊系統的設計要求更加復雜，風機本身運行條件的限制也對基礎結構的運動性能提出了更大挑戰。

深遠海風電場具有以下優勢：風資源豐富，離岸遠，減少噪聲污染，對海洋環境影響小。但是由于離岸較遠，風機后期的運維成本也會比較高，這就對風機基礎結構的設計提出了更高的要求。

1浮式風機基礎的類型

漂浮式風機基礎結構主要分為單柱式、半潛式和張力腿[1]。

單柱式(spar)吃水很深，垂向波浪激勵力小、垂蕩運動小，因此單柱式基礎有較好的垂蕩性能，但是由于單柱式基礎水線面對穩性的貢獻小，所以它橫搖和縱搖值較大。

圖1漂浮式風機基礎形式

半潛式(semi-submersible)基礎是目前技術相對成熟的海上風電浮式基礎，基礎通常由甲板箱，立柱以及浮箱等組成。風機通常安裝在基礎結構的幾何中心或者其中一個立柱上。支柱內部通常被劃分成多個艙室，方便布置壓載并調節結構平衡。處于漂浮狀態時，立柱較大的水線面積可以提供風機系統需要的穩性。基礎結構一般由一定數量的懸鏈線錨泊系統來防止結構水平漂移。半潛式基礎吃水小，在運輸和安裝時具有良好的穩定性，移動靈活，運行可靠，具有較強的經濟性。

張力腿平臺與其他浮式平臺相比，最大特點是張力腿平臺排水量大于平臺自身重量，需要通過張緊系泊的筋腱提供張力保持平衡。這樣的設計使得張力腿平臺垂向運動固有周期小于5 s，在典型波浪頻率范圍之外。另一方面，張力腿平臺水平運動固有周期與傳統半潛平臺類似，大約100 s。

以上幾種漂浮式結構各有特點，單柱式結構簡單，波浪和結構動力響應小，由于吃水很深，所以不能用在淺水區域，對于國內這種大陸架延伸范圍廣、坡度緩的海域，適用性并不太好；張力腿平臺固有頻率容易與風機發生共振，系泊設計難度大，涉及到新技術較多，成本較高；本文以最成熟的,也是適用范圍最廣的半潛式平臺為例，來討論漂浮式風機基礎的結構強度設計。

2半潛式風機基礎概述

目前國外主流的半潛式漂浮風機基礎結構是三立柱式，不同點在于三立柱之間的連接形式。一種是通過橫撐和斜撐連接三個立柱，另一種是通過一個較強的甲板箱體連接三個立柱而取消斜撐。考慮到風機基礎在投入使用之后會持續服役幾十年，所以結構的疲勞壽命至關重要。多斜撐的結構在斜撐與立柱、斜撐之間的連接點處會形成疲勞敏感區，所以盡可能的減少斜撐的數量會減輕結構疲勞設計的壓力。立柱間的斜撐系統的主要目的是為了限制立柱的相對變形，而相應的增加甲板箱體的剛度，同樣可以實現這一目的。所以本文設計的結構形式只包含立柱間的水平橫撐，如圖2所示。模型坐標系如圖3所示，z軸豎直向上。基礎主尺度見表1。

圖2三立柱半潛式風機基礎模型

圖3坐標系及波浪方向

表1風機基礎結構主尺度

3載荷工況

漂浮式風機所承受的載荷主要包括風，浪，流和船舶撞擊等。本文主要針對風機基礎的初步設計進行討論，所以載荷工況將進行如下簡化：

1)為簡便計算，風載荷只取風機塔底的極限載荷以點載荷的形式施加在風機與基礎結構的連接點,本例選取某廠商5.5 MW的風機所產生的載荷；

2)流載荷主要使平臺產生水平漂移，是錨泊系統設計時主要考慮的因素，在本文中將不做討論；

3)船舶撞擊載荷是考慮風電場運維檢修船只的靠泊載荷。載荷的大小依據運維船只的排水量和規定的靠泊速度來決定。該載荷在詳細設計階段予以考慮，如果局部結構強度不夠，可以通過局部加強的方式來解決。

4)波浪載荷。波浪載荷[2]的選取參考半潛式石油平臺的設計波法。通過頻域計算，在一系列浪向和周期的組合中搜索使結構產生最大特征載荷的波浪工況，用于結構強度分析。特征載荷通常包括橫向撕裂力，縱向剪力，最大扭矩以及平臺在x、y、z方向上的慣性力[3]。這六個特征載荷的短期預報圖譜見圖4，最終的設計波表格見表2，圖譜與表格內數據按順序一一對應。

圖4短期預報圖譜

表2短期預報特征載荷

4邊界條件

在錨鏈和結構相連的位置施加彈簧約束，彈簧約束的剛度等于錨泊系統的剛度，以此來平衡風機載荷，并在此基礎上對整個結構慣性釋放。

5基礎結構設計方法

基礎結構設計依照DNVGL-ST-0119規范執行，采用載荷抗力系數法，計算工況只考慮極限載荷工況(ULS)。工況組合的載荷系數按照表3選取。

表3載荷系數

極限工況下，結構名義應力應滿足以下要求：

其中[σ]通過材料屈服極限應力除以材料系數得到，極限工況下材料系數取1.15。本例中選用極限載荷為355 MPa的鋼材。

6計算結果

風機基礎結構強度分析結果見表4和圖5。可見除了局部應力超限以外，整體結構強度滿足規范要求。局部的應力超限是由于用于計算分析的模型沒有考慮局部加強產生的，在詳細設計時對風機和基礎連接的高應力區做足夠的加強方案即可。

表4圖示熱點位置應力極值

7結語

本文以三柱式風機基礎結構為研究對象，參考半潛式油氣平臺的整體結構強度分析方法，聯合風機載荷，對半潛式風機基礎做了整體結構強度分析。由于風機參數都是商業機密，所以風機和基礎結構的一體式載荷仿真無法完成。本文采用的是風機和基礎結構分離式計算方法，即先由風機廠商提出塔底與基礎結構連接處的載荷，然后施加在基礎結構上，再考慮基礎結構所承受的波浪載荷、錨泊系統剛度等因素來進行分析。這種分析方法無法考慮風和浪的耦合效應，只能用最大風載和基礎結構所承受的其他載荷線性疊加，對于極限強度校核來說是偏保守的。從計算結果可見本文選取的結構形式的極限強度基本滿足規范要求。

本文只討論了極限強度的計算方法，但是對漂浮式風機來說疲勞壽命也至關重要。本文選取的結構形式減少了斜撐的數量，相應的減少了斜撐連接帶來的疲勞敏感區，為后期的疲勞設計減輕了壓力。

圖5極限強度應力極值(0～300 MPa)

對于漂浮式結構設計來說，還應該考慮氣隙[4]，波浪抨擊[5]等因素，這里不做詳細討論。