宋雨澤,王項(xiàng)南,王 鑫,路 寬,楊 寧,韓林生

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

潮流能發(fā)電裝置測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析*

宋雨澤,王項(xiàng)南,王 鑫,路 寬,楊 寧,韓林生

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

目前我國已研制出潮流能發(fā)電裝置,實(shí)海況試驗(yàn)是潮流能發(fā)電裝置從工程樣機(jī)走向規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),為此迫切需要建設(shè)發(fā)電裝置試驗(yàn)測試平臺以試驗(yàn)測試發(fā)電裝置發(fā)電效率。文章就潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計做進(jìn)一步研究,以期為今后該類平臺設(shè)計提供有益的參考。

潮流能;海上平臺;結(jié)構(gòu);設(shè)計

隨著海洋能的戰(zhàn)略地位日益顯現(xiàn),世界各國都在力爭占據(jù)海洋能開發(fā)利用的技術(shù)高地。我國作為最大的發(fā)展中國家,面臨著巨大的減排壓力,這為海洋能開發(fā)利用提出了更緊迫的要求。目前我國設(shè)立專項(xiàng)資金支持潮流能裝置研發(fā),波浪能、潮流能海上試驗(yàn)與測試場的建設(shè)工作也在有序的進(jìn)行,波浪能、潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在一定的特殊性,不同于普通海洋石油平臺和海洋氣象平臺,為此本文就該類平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計做進(jìn)一步探討,為今后此類的平臺工程提供有益的設(shè)計參考。

1 平臺選型

為保證潮流能發(fā)電裝置實(shí)海況試驗(yàn)測試并排除其他因素對試驗(yàn)測試的影響,平臺型式應(yīng)采用固定式平臺型式,從而以滿足發(fā)電裝置海上試驗(yàn)測試的需求。固定平臺是延伸至水面以上,通過打樁、擴(kuò)展底座或其他方式支承于海底,并在一定時期內(nèi)保持固定的平臺。這類平臺結(jié)構(gòu)主要由以下部分組成:① 完全支撐、冗余焊接管型空間框架,從海底或臨近海底延伸到水面以上,作為將水平和垂直力傳到基礎(chǔ)上的主要構(gòu)件;② 將平臺永久錨固在海底,并承受水平和垂直荷載的樁或者其他基礎(chǔ)構(gòu)件;③ 為支撐操作和其他荷載提供甲板空間的上部結(jié)構(gòu)。固定式平臺的主要結(jié)構(gòu)形式是樁式結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)。樁式結(jié)構(gòu)是依靠樁柱來抵抗環(huán)境荷載的結(jié)構(gòu),重力式結(jié)構(gòu)則是依靠結(jié)構(gòu)的自身重量抵抗環(huán)境荷載的結(jié)構(gòu)。

潮流能發(fā)電裝置實(shí)海況測試檢驗(yàn)平臺具有一定的特殊性,潮流能發(fā)電裝置面積較小,可設(shè)計為300～500 m2之間,平臺主體主要由平臺支撐系統(tǒng)、發(fā)電裝置搭載平臺、維修平臺、發(fā)電裝置電氣輸出測試系統(tǒng)、平臺電力控制間、避雷系統(tǒng)等組成。下面就各系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖1 重力式平臺

(1)平臺支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)是平臺在環(huán)境荷載 (風(fēng)、浪流、潮汐、海冰、地震)情況下穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要保障,由基礎(chǔ)和樁柱支撐結(jié)構(gòu)組成?；A(chǔ)可采用重力式沉箱 (圖1)或管樁嵌巖形式 (圖2),重力式沉箱基礎(chǔ)是依靠結(jié)構(gòu)的自身重量抵抗環(huán)境荷載產(chǎn)生的影響;鋼管樁嵌巖基礎(chǔ)則是依靠樁柱嵌入海底基巖抵抗環(huán)境荷載產(chǎn)生的影響。在重力式沉箱基礎(chǔ)中,樁柱用做連接上部結(jié)構(gòu)和重力式基礎(chǔ),在管樁嵌巖基礎(chǔ)中樁柱即管樁?；趯⒂绊懤肆鞯囊蛩亟档阶畹?在這兩類平臺選型中管樁數(shù)量越少為宜。平臺支撐系統(tǒng)基礎(chǔ)形式宜綜合海底地形地質(zhì)、環(huán)境荷載、施工、經(jīng)濟(jì)、發(fā)電裝置測試需求等多方面因素綜合選型。

(2)發(fā)電裝置搭載平臺。該平臺即為水下升降機(jī),可搭載發(fā)電裝置沿平臺支撐結(jié)構(gòu)升降,為此平臺樁柱平面應(yīng)垂直于波浪、潮流最大統(tǒng)計方向以配合發(fā)電裝置達(dá)到最大發(fā)電量的測試需求。

(3)維修平臺。維修平臺用于發(fā)電裝置的簡單維修、組裝和臨時放置。

(4)發(fā)電裝置電氣輸出測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是發(fā)電裝置與岸基電氣檢測系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站。

(5)平臺電力控制間?？偪仄脚_供電系統(tǒng)。

(6)避雷系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)位于海上且周圍無高大物體的建筑上,雷電防護(hù)對平臺的安全使用、電氣設(shè)備正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。電氣設(shè)計需配置外部避雷器并接地、內(nèi)部電氣系統(tǒng)配置保護(hù)器等避雷設(shè)施。

圖2 樁基礎(chǔ)平臺

2 環(huán)境荷載

平臺所在海域內(nèi)氣象、水文要素是重要的設(shè)計依據(jù)。下面就風(fēng)、波浪、潮汐、流、冰等一系列環(huán)境荷載做簡要說明。

(1)風(fēng)。風(fēng)力作用在水面以上的結(jié)構(gòu)部分和位于平臺上的發(fā)電裝置、工作間上。重點(diǎn)應(yīng)考慮風(fēng)或季風(fēng)規(guī)定的持續(xù)風(fēng)速在不同方向的出現(xiàn)頻率。

(2)波浪。波浪是海洋平臺環(huán)境力的主要來源。這樣的波浪在形狀上是不規(guī)則的,波高和波長是變化的,可能從一個方向或幾個方向同時接近平臺。鑒于波浪大小和分布的不確定性,在平臺設(shè)計時則應(yīng)考慮與有經(jīng)驗(yàn)的精通氣象學(xué)、海洋學(xué)和流體力學(xué)方面的專家進(jìn)行協(xié)商[1]。

對以前的海洋水文資料不充分的區(qū)域,在確定與波浪有關(guān)的設(shè)計參數(shù)時,至少應(yīng)包括下列步驟:①研究所有必要的氣象資料;② 推算海面風(fēng)場;③ 使用分析模型,沿著風(fēng)暴路徑,推算一般海況;④ 相應(yīng)于地理限制條件,確定可能的最大海況;⑤對深水海況劃定等深效應(yīng);⑥ 使用概率技術(shù),相對于各種基本時間預(yù)報平臺現(xiàn)場的海況概率;⑦ 通過實(shí)體和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險評價,確定設(shè)計波浪參數(shù)。

(3)潮汐。在平臺設(shè)計中潮汐是重要的考慮因素。潮汐可分為天文潮、風(fēng)成潮、壓差潮。后兩者經(jīng)常組合在一起,并叫做風(fēng)暴涌,三者組合稱為風(fēng)暴潮。在平臺設(shè)計中,風(fēng)暴潮的高程是基準(zhǔn)面,風(fēng)暴波浪疊加在它的上面。

(4)流。在固定平臺設(shè)計中,流主要影響靠船平臺和護(hù)舷的位置、方位和平臺上的力。在可能的情況下靠船平臺和護(hù)舷的設(shè)置應(yīng)使船只能頂流靠到平臺上。最常用的海流分為潮流(天文潮)、環(huán)流 (大洋環(huán)流)、風(fēng)暴生成的流。這3種流的矢量和就是總的海流。應(yīng)用于平臺設(shè)計,應(yīng)確定相應(yīng)于極端波浪的海況的總的流剖圖。在不同深度上,總流流速和方向月或季的出現(xiàn)頻率對操作的規(guī)劃可能是有用的。

(5)冰。近年來,黃渤海海域冬季存在海冰的現(xiàn)象嚴(yán)重危害船只安全,同樣也危害海洋平臺安全,由冰引起的荷載已成為設(shè)計海洋平臺時必須考慮的重要因素。

(6)地震。我國處于太平洋火山地震帶,板塊交界地帶,因此對于海洋平臺設(shè)計需考慮地震作用。應(yīng)參照中國科學(xué)院編制的 《中國地震區(qū)域劃分圖》,確定平臺所在海域烈度以及加速度參數(shù)。關(guān)于地震的考慮應(yīng)包括:平臺現(xiàn)場地表以下土由于液化而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性、地震活動造成的海底滑移、場地到斷層的距離、平臺壽命期間預(yù)計的地面運(yùn)動的特性以及預(yù)計的作業(yè)形式可能接受的地震風(fēng)險等。

3 設(shè)計環(huán)境條件的選擇

出于對潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)測試平臺的特殊性考慮,潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)測試平臺要求位于浪、流等環(huán)境荷載密集集中、較大的位置,設(shè)計環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)由環(huán)境荷載的各項(xiàng)荷載確定,且設(shè)計環(huán)境標(biāo)志還應(yīng)包括危險性分析,危險性分析主要包括歷史經(jīng)驗(yàn)、平臺的規(guī)劃使用壽命 (50年為宜)、防污染、對一些預(yù)計的平均重現(xiàn)期的環(huán)境條件設(shè)計的平臺造價評估、在遭受各種重現(xiàn)期的環(huán)境條件時平臺損壞或喪失的概率等因素。

4 場地情況探查

在臨近平臺建設(shè)區(qū)域進(jìn)行海底勘查主要目的是為地基土和可能影響現(xiàn)場的周圍區(qū)域的地質(zhì)評價提供資料。地球物理資料應(yīng)提供有關(guān)塌陷、陡坡、不規(guī)則或規(guī)則地貌、火山泥漿、泥團(tuán)、坍塌形態(tài)、沙坡、滑坡、斷層、擠入構(gòu)造、沖刷表面、沉積土中的氣泡、氣體滲漏、覆蓋的峽溝、土層厚度側(cè)向變化的存在證據(jù)等。

5 荷載組合

設(shè)計環(huán)境荷載條件是指以選擇的設(shè)計工況作用到平臺上的那些力;而作業(yè)環(huán)境荷載條件是由操作者規(guī)定的較小的工況下作用到結(jié)構(gòu)上的那些力,這些工況并沒有惡劣到足以影響正常的操作。平臺應(yīng)按對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最惡劣影響的適當(dāng)?shù)暮奢d條件進(jìn)行設(shè)計。

荷載條件應(yīng)包括固定荷載和活荷載按照如下形式組合的環(huán)境條件:① 固定荷載和相應(yīng)于平臺正常工作的最大活荷載相結(jié)合的作業(yè)環(huán)境條件;② 固定荷載和相應(yīng)于平臺正常操作的最小活荷載相結(jié)合的作業(yè)環(huán)境條件;③ 固定荷載和相應(yīng)于極端條件相組合的最大活荷載組合的設(shè)計環(huán)境條件;④ 固定荷載和相應(yīng)于極端條件相組合的最小活荷載組合的設(shè)計環(huán)境條件。

除了地震荷載外的環(huán)境荷載,應(yīng)以在所考慮的荷載條件期間同時出現(xiàn)的概率形式相組合。在適用的場合,地震荷載應(yīng)作為單獨(dú)的環(huán)境荷載條件作用在平臺上。

6 建模分析

常規(guī)的民用建筑基礎(chǔ)埋藏于土中,上部計算時假定基礎(chǔ)頂為嵌固端,因此我們會將平臺頂作為嵌固點(diǎn)計算上部結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)計算時需考慮上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載和反力。對于此模型存在樁頂平臺標(biāo)高以上的結(jié)構(gòu)受到樁頂平臺位移的影響程度如何,以及上部結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震荷載作用下對樁頂平臺的大小如何,這些問題都需要樁頂平臺和上部結(jié)構(gòu)整體分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[2]。結(jié)構(gòu)受力分析是研究平臺在外部荷載條件下的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移的基礎(chǔ),通過對浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)受力分析可以從理論上保證浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[3]。隨著電子科技的發(fā)展,很多公司已經(jīng)開發(fā)出了有一定影響力的港工、平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件,平臺的設(shè)計只需要在相應(yīng)軟件中建立立體模型,輸入相關(guān)環(huán)境變量、地質(zhì)條件、設(shè)計使用年限等諸多保證平臺安全運(yùn)行的有效參數(shù),即可合理的分析出平臺的在位強(qiáng)度、疲勞情況、系泊動力情況、吊裝、裝船固定、運(yùn)輸計算、重控計算等各種設(shè)計參數(shù)。

7 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們向海洋要能源的需求越來越迫切,波浪能、潮流能更是重要的海洋可再生能源,其發(fā)電裝置試驗(yàn)測試平臺的設(shè)計建設(shè)工作也會迅速展開,但是目前關(guān)于此類海洋平臺的設(shè)計及施工資料較少,本文希望為今后此類工程設(shè)計及研究提供參考。

[1] 趙英杰.海上民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].工業(yè)設(shè)計,2011(11):119-121.

[2] 國家發(fā)展和改革委員會.海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦做法工作應(yīng)力設(shè)計法SY/T 14905-2004[S].2004.

[3] 龍馭球.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 1999.

海洋可再生能源專項(xiàng)“波浪能、潮流能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)論證及工程設(shè)計”(GHME2010ZC10).