李志川，張　理，張　琳，張　亮

（1.中海油研究總院，北京　100027；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江　哈爾濱　150001）

潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況研究

李志川1，張理1，張琳1，張亮2

（1.中海油研究總院，北京100027；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，潮流能開(kāi)發(fā)利用國(guó)際和國(guó)內(nèi)分別進(jìn)入了準(zhǔn)商業(yè)化和示范工程階段，但潮流能利用方面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究仍處于起步階段，潮流能發(fā)電裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，嚴(yán)重制約了潮流能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。以500 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目潮流能水輪機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，開(kāi)展潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況研究，從外部環(huán)境條件、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、載荷設(shè)計(jì)工況等幾方面進(jìn)行了分析研究，為今后水輪機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定奠定了基礎(chǔ)。

潮流能；水輪機(jī)；載荷；標(biāo)準(zhǔn)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)能源生產(chǎn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足消費(fèi)的需要，同時(shí)過(guò)度依賴(lài)化石能源的狀況不僅引起了對(duì)能源安全的擔(dān)憂(yōu)，而且對(duì)我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，諸如2013年1月在我國(guó)北方及東部沿海地區(qū)發(fā)生的長(zhǎng)達(dá)20余天的霧霾天氣。調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展清潔的可再生能源已迫在眉睫。我國(guó)沿海潮流能的年平均功率約為1.4×107kW，具備相當(dāng)可觀的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景[1-2]。

潮流能開(kāi)發(fā)利用始于20世紀(jì)70年代，近些年發(fā)展尤為迅速，世界上眾多研發(fā)機(jī)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)了許多潮流能發(fā)電裝置，國(guó)際先進(jìn)水平已經(jīng)進(jìn)入了準(zhǔn)商業(yè)化階段，我國(guó)也進(jìn)入潮流能開(kāi)發(fā)利用示范工程階段。然而隨著技術(shù)不斷發(fā)展，在潮流能利用方面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究還處于起步階段，國(guó)際上目前僅有歐洲海洋能研究中心（EMEC）于2009年發(fā)布了潮流能開(kāi)發(fā)的相關(guān)導(dǎo)則[3]。國(guó)內(nèi)潮流能利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚處于起步階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本空白。

對(duì)于潮流能開(kāi)發(fā)利用而言，在潮流能裝置設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，如果沒(méi)有對(duì)潮流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)基本流程、基本內(nèi)容和基本要求等的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，則無(wú)法保證采用相對(duì)統(tǒng)一的方法和衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潮流能裝置性能進(jìn)行評(píng)估，從而無(wú)法保證潮流能發(fā)電裝置性能指標(biāo)的可靠性，一定程度上制約了潮流能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

在潮流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)中潮流能水輪機(jī)是最關(guān)鍵部件之一，水輪機(jī)設(shè)計(jì)的好壞直接影響著能量轉(zhuǎn)換的效率高低、制造成本以及壽命。在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中必須確定水輪機(jī)所處的環(huán)境和各種運(yùn)行條件下所產(chǎn)生的各種載荷，其目是對(duì)潮流能發(fā)電機(jī)組零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析（包括靜強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析）、動(dòng)力學(xué)分析以及壽命計(jì)算，確保水輪機(jī)在其設(shè)計(jì)的壽命期內(nèi)能夠正常運(yùn)行。該項(xiàng)工作是水輪機(jī)設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)性工作，所有的后續(xù)工作都是以載荷計(jì)算為基礎(chǔ)的。

本文以500 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目潮流能水輪機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，開(kāi)展潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況研究，為今后水輪機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定奠定基礎(chǔ)。

1　潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)外部條件

潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)需要考慮的外部海洋條件包括流速條件、波浪、水位等。

從載荷和安全考慮，海洋條件可分為正常海洋條件和極端海洋條件。正常海洋條件指潮流能發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行期間，重現(xiàn)期小于1 a的海洋條件，極端海洋條件的重現(xiàn)期則為1 a或50 a。

1.1流速

海水流速是水輪機(jī)吸收能量的主要來(lái)源，也是水輪機(jī)載荷的主要來(lái)源。

從載荷和安全角度考慮，流速可分為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作期間重現(xiàn)期小于1 a的正常流速和1 a或50 a一遇的極端流速。

站址的流速分布對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在正常設(shè)計(jì)狀態(tài)，它決定各載荷情況出現(xiàn)的頻率。一般采用10 min周期內(nèi)的平均流速，來(lái)得到輪轂高度處平均流速Uhub(z)，它是由潮流流速Uc(z)、風(fēng)生流速Uc,wind(z)和波浪誘導(dǎo)流速分量Uc,wave(z)組成[4]。

潮流流速分量，由于潮流流速沿水深不斷變化，一般采用潮流廓線(xiàn)模型表示，潮流廓線(xiàn)Uc(z)可表示成平均流速隨水深z的變化函數(shù)，如式（2）所示：

式中：Uc為靜水位流速，m/s；d為水深，m；z為輪轂到靜水位的距離，m。

風(fēng)生流可用速度Uc,wind(z)計(jì)算如下：

式中：z為到靜水位的距離，m，在靜水位之下取負(fù)值。

d0一般取20 m，在水深小于20 m的場(chǎng)地，海底的風(fēng)生流速為非零。

海表層風(fēng)生流速度可假定與風(fēng)向一致，并可按式（5）估算：

式中：V1-hour(z=10 m)在靜水位以上10 m高度處風(fēng)速的1 h平均值，m/s。

波浪能生成的表層流，在考慮波浪和潮流全耦合運(yùn)動(dòng)學(xué)情況下，可運(yùn)用適合的數(shù)值模型（如Boussinesq）來(lái)確定波生成的表層流值。對(duì)于方向與海岸線(xiàn)平行的近岸表層流，Uc,wave(z)可按式（6）估算：

式中：Hb為破碎波波高，m；α為海底坡度，(°)；g為重力加速度，m/s2。

1.2水位

計(jì)算潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力載荷時(shí)，站址的水位變化范圍對(duì)計(jì)算載荷的影響應(yīng)考慮在內(nèi)。

(1)正常水位范圍(normal water level range, NWLR)

正常水位范圍應(yīng)取為重現(xiàn)期為1 a的水位變化范圍。缺少特定場(chǎng)地水位長(zhǎng)期概率分布特征數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)取正常水位范圍等于最高天文潮（highest astronomical tide，HAT） 和最低天文潮（lowest astronomical tide，LAT）之間的變化范圍。

極限載荷計(jì)算應(yīng)基于正常水位范圍內(nèi)產(chǎn)生最大載荷的水位，或?qū)φＫ环秶鷥?nèi)水位概率分布的合理考慮。

對(duì)于水動(dòng)力疲勞載荷計(jì)算，在某些工況下，設(shè)計(jì)者可通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治鰜?lái)證明水位變化對(duì)疲勞載荷的影響可忽略，或者通過(guò)保守的方式，即采用大于或等于平均海平面的恒定水位來(lái)說(shuō)明。

(2)極端水位范圍（extreme water level range, EWLR）

對(duì)于與重現(xiàn)期為50 a的波況相聯(lián)合的極限載荷情況，應(yīng)采用極端水位范圍。在此范圍內(nèi)，載荷計(jì)算應(yīng)基于對(duì)潮流能水輪機(jī)產(chǎn)生最大載荷的水位。

1.3波浪

波浪也是潮流能水輪機(jī)主要載荷的來(lái)源之一。隨機(jī)波浪模型是反映真實(shí)海洋狀態(tài)特征的最好描述。該模型把實(shí)際海況描述為無(wú)限多個(gè)頻率不等、方向不同，振幅變化及相位隨機(jī)的微幅簡(jiǎn)諧波疊加而成的不規(guī)則波系，其波面位移服從均值為零的正態(tài)過(guò)程，該過(guò)程具有平穩(wěn)性和各態(tài)歷經(jīng)性。

設(shè)計(jì)海況一般用波譜Sη、有義波高Hs、譜峰周期Tp和平均波向θwm來(lái)描述，其中，適當(dāng)?shù)脑?huà)，波譜可用方向擴(kuò)展函數(shù)來(lái)補(bǔ)充。海浪譜通常有兩種形式[5-6]：

（1）單一方向傳播的長(zhǎng)峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡(jiǎn)稱(chēng)P-M譜），Bretschneider雙參數(shù)譜，Jonswap譜；

（2）各方向傳播的短峰波譜，通常通過(guò)在單方向傳播長(zhǎng)峰譜中引入方向擴(kuò)展函數(shù)的形式來(lái)表達(dá)。

設(shè)計(jì)中，可用周期波或規(guī)則波來(lái)模擬真實(shí)海況。確定性設(shè)計(jì)波應(yīng)定義其高度、周期和方向。

在潮流能發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)平均流速（U）、有義波高（Hs）、譜峰周期（Tp）的長(zhǎng)期聯(lián)合概率分布來(lái)考慮流速和波浪的相互關(guān)系。上述參數(shù)的聯(lián)合概率分布受到安裝場(chǎng)地條件（如站址、水深、海底地形等）的影響，因此應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)期測(cè)量（如適用），并運(yùn)用數(shù)值后報(bào)技術(shù)來(lái)得到概率分布。正常流速和波浪的相互關(guān)系應(yīng)考慮平均流向和平均波向，當(dāng)流向和波向偏離時(shí)，應(yīng)確保方向數(shù)據(jù)和潮流能發(fā)電機(jī)組的仿真技術(shù)是可靠的。

根據(jù)隨機(jī)海況和規(guī)則設(shè)計(jì)波的表述，將波浪模型定義如下：

（1）正常海況(normal sea state，NSS)

對(duì)于每個(gè)正常海況，應(yīng)在適合于預(yù)期場(chǎng)地的海洋氣象參數(shù)的長(zhǎng)期聯(lián)合概率分布的基礎(chǔ)上，選擇有義波高、譜峰周期和方向以及相關(guān)的平均流速。

計(jì)算疲勞載荷時(shí)，應(yīng)確保所考慮的正常海況的數(shù)目和分辨率能充分說(shuō)明疲勞損傷，其與海洋氣象參數(shù)的整個(gè)長(zhǎng)期分布有關(guān)。

計(jì)算極限載荷時(shí)，正常海況應(yīng)在平均流速給定值的條件下，以有義波高Hs的預(yù)期值為特征。應(yīng)對(duì)各個(gè)有義波高考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。

設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)基于導(dǎo)致潮流能水輪機(jī)上作用有最大載荷的譜峰周期值。

（2）惡劣海況(scurviness sea state，SSS)

對(duì)于潮流能發(fā)電機(jī)組發(fā)電期間的極限載荷計(jì)算，應(yīng)考慮惡劣的隨機(jī)海況模型與流速的組合。惡劣海況模型將惡劣海況與發(fā)電工況相應(yīng)流速范圍內(nèi)的每個(gè)流速相關(guān)聯(lián)。各個(gè)惡劣海況的有義波高Hs，SSS(V)通常應(yīng)由合適的特定場(chǎng)地的海洋氣象數(shù)據(jù)外推確定，其有義波高和平均流速組合的重現(xiàn)期為50 a。對(duì)所有平均流速，重現(xiàn)期為50 a的絕對(duì)極值有義波高Hs50可作為Hs，SSS(V)的保守值。

應(yīng)對(duì)各個(gè)有義波高考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。在此范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)基于導(dǎo)致潮流能發(fā)電機(jī)組上作用有最大載荷的譜峰周期值。

（3）極端海況(extreme sea state,ESS)

對(duì)于極端隨機(jī)海況模型，應(yīng)考慮重現(xiàn)期為50 a的極值有義波高Hs50和重現(xiàn)期為1 a的極值有義波高Hs1。Hs50和Hs1的值應(yīng)通過(guò)對(duì)潮流能發(fā)電機(jī)組站址的適當(dāng)測(cè)量或后報(bào)數(shù)據(jù)的分析來(lái)確定。應(yīng)對(duì)Hs50和Hs1分別考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)基于導(dǎo)致潮流能發(fā)電機(jī)組上作用有最大載荷的譜峰周期值。

2　潮流能水輪機(jī)載荷計(jì)算工況

為了實(shí)現(xiàn)載荷計(jì)算目的，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水平軸水輪機(jī)的載荷計(jì)算是以機(jī)組將要承受的包含各重要條件的設(shè)計(jì)工況來(lái)體現(xiàn)的。計(jì)算工況的確定應(yīng)將外界條件、水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生的概率與控制和保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作等的組合方式放在一起考慮，水輪機(jī)載荷計(jì)算過(guò)程如圖1所示，由于水輪機(jī)和風(fēng)力機(jī)原理和結(jié)構(gòu)類(lèi)似，因此水輪機(jī)設(shè)計(jì)工況可以借鑒風(fēng)電風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)工況來(lái)制定。

圖1　水輪機(jī)載荷計(jì)算過(guò)程

2.1潮流能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)

潮流能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可以分為正常運(yùn)行狀態(tài)、極端狀態(tài)、故障狀態(tài)以及安裝維護(hù)狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　潮流能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)

正常運(yùn)行狀態(tài)又分為發(fā)電、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)三種狀態(tài)。

2.2潮流能水輪機(jī)載荷

潮流能水輪機(jī)運(yùn)行在非常復(fù)雜的載荷情況下，所受載荷既有周期性成分又有隨機(jī)成分。按照來(lái)源分類(lèi)，一般把作用在水輪機(jī)上的載荷分為五類(lèi)：即穩(wěn)定載荷、周期載荷、隨機(jī)載荷、瞬態(tài)載荷、諧振載荷。而在機(jī)組零部件的設(shè)計(jì)中，需考慮兩種載荷，它們是疲勞載荷和極限載荷。

疲勞載荷主要是在正常運(yùn)行狀態(tài)水輪機(jī)機(jī)組零部件長(zhǎng)期經(jīng)受動(dòng)載荷而產(chǎn)生的。在這種載荷的作用下，水輪機(jī)的許多零部件都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，引起疲勞損傷，疲勞斷裂是水輪機(jī)零部件的主要失效形式之一

極限載荷在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)測(cè)是至關(guān)重要的，在水輪機(jī)的整個(gè)壽命期內(nèi)很可能會(huì)經(jīng)受若干次極限載荷，通常是以確定性的載荷情況為基礎(chǔ)來(lái)預(yù)測(cè)極限載荷，水輪機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，必須考慮隨機(jī)和確定性載荷成分組合的概率分布。

2.3潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況

根據(jù)潮流能水輪機(jī)的原理和運(yùn)行環(huán)境，水輪機(jī)設(shè)計(jì)可以參考和借鑒海上風(fēng)電、船舶螺旋槳和海上導(dǎo)管架的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。從結(jié)構(gòu)和原理來(lái)看潮流能水輪機(jī)載荷工況與海上風(fēng)電最為相似，但是也存在著不同之處，如下：

（1）潮流和波浪會(huì)同時(shí)直接作用在水輪機(jī)上，而海上風(fēng)電潮流和波浪是作用在基礎(chǔ)平臺(tái)上，工況考慮潮流和波浪耦合的影響；

（2）考慮潮流穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，去除流速、流向極端變化相關(guān)工況；

（3）潮流和潮汐變化相關(guān)性強(qiáng)，計(jì)算疲勞載荷水位應(yīng)與流速對(duì)應(yīng)考慮。

根據(jù)外部條件和潮流能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)制定的潮流能水輪機(jī)載荷設(shè)計(jì)工況如表1所示。

表中：DLC表示設(shè)計(jì)載荷工況；Uin表示切入流速，Uout表示切出流速；F表示疲勞載荷，UL表示極限載荷；流向和波浪方向同向表示流速和波浪作用在同一方向，偏向表示不在同一方向，單向表示載荷計(jì)算流速和波浪從最不利的方向作用，多向表示從多個(gè)方向組合作用。

表1　設(shè)計(jì)載荷工況表

3　總結(jié)

本文以500 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目潮流能水輪機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，開(kāi)展潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況研究，從外部環(huán)境條件、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、載荷設(shè)計(jì)工況等幾方面進(jìn)行了分析研究。給出了在潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)考慮的外部環(huán)境條件，制定了潮流能水輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷工況。為今后水輪機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定奠定了基礎(chǔ)。但本文所制定的工況只是一個(gè)基本工況情況，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需根據(jù)實(shí)際情況，完善設(shè)計(jì)載荷工況，例如對(duì)于漂浮式載體潮流能發(fā)電裝置，水輪機(jī)載荷還需要考慮載體運(yùn)動(dòng)的影響工況情況。對(duì)于座底式支撐結(jié)構(gòu)潮流能發(fā)電裝置，水輪機(jī)載荷還需考慮漁網(wǎng)拖掛等影響。

[1]王傳崑，盧葦.海洋能資源分析方法及儲(chǔ)量評(píng)價(jià)[M].北京:海洋出版社,2009：15-17.

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[4]Garrad Hassan.Tidal Bladed Theory Manual[M].Garrad Hassan,2013.

[5]Germanischer Lloyd WindEnergie.Rules for Classification and Construction,IV Industrial Services,Part 2-Offshore Wind Energy, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines,Germanischer Lloyd WindEnergie[M].2005:18-19.

[6]DNV.DNV Offshore Standard:DNV-OS-J101.Design of Offshore Wind Turbine Structures[S].Det Norske Veritas.2010:38-42.

Study on the Load Conditions of the Tidal Current Energy Turbine Design

LI Zhi-chuan1,ZHANG Li1,ZHANG Lin1,ZHANG Liang2
1.CNOOC Research Institute,Beijng 100027,China; 2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China

With continuous technological progress,the development and utilization of tidal current energy has entered the stage of quasi commercialization abroad and the stage of demonstration at home.But the study on standard-setting for tidal current energy utilization is still in the initial stage.The industrialization of tidal current energy device has been seriously restricted by the lacking of relevant standards for the design of tidal current energy devices.In this paper,the load conditions are studied for the tidal current turbine design,based on the design experience acquired in the demonstration project of 500 kW ocean energy isolated power system.The aspects of the external environment,the operate condition of the turbine and load conditions are analyzed and studied in this paper,laying a foundation for future standard-setting for tidal current energy turbine design.

tidal current energy,turbine,load conditions,standards

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0090-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.018

2016-03-06

李志川（1982-），男，博士，主要從事海洋能利用方面研究。E-mail：lizhichuan77@163.com