路偉

(河北省電力勘測設(shè)計研究院,河北 石家莊 050031)

關(guān)于國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的探討

路偉

(河北省電力勘測設(shè)計研究院,河北 石家莊 050031)

20世紀(jì)90年代,歐洲國家開始研發(fā)海上風(fēng)電機(jī),并在裝機(jī)容量方面取得了十分顯著的成就.但在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究方面,各國均處在初級探索階段,故該領(lǐng)域的研究成果較少.文章主要對國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討.

海上風(fēng)電機(jī);基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);美國石油協(xié)會

國際上特別是很多歐洲國家,在海上風(fēng)電機(jī)的開發(fā)領(lǐng)域,目前已形成了較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,我國近年來也進(jìn)行了大量的研究工作,但從當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀來看,仍存在設(shè)計上的不合理、不規(guī)范等問題,故需在今后加大研究力度.

1 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀

相對于國外,我國對于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的門檻要求較低,故各領(lǐng)域的設(shè)計單位均有機(jī)會參與到實(shí)際設(shè)計中.從發(fā)展現(xiàn)狀看,目前國內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)設(shè)計仍存在較多技術(shù)問題,原因主要包括以下幾個方面:第一,設(shè)計單位常在專業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計,并未從根本上掌握風(fēng)電機(jī)組中所包含的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容,導(dǎo)致設(shè)計方案存在片面性.第二,該工作涉及領(lǐng)域眾多,包括巖土工程、港口工程設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、港口水文計算、海洋波況統(tǒng)計、風(fēng)電機(jī)組承載計算等方面的專業(yè)知識,故很難進(jìn)行集中把控.第三,常用設(shè)計方法包括概率極限設(shè)計、安全系數(shù)等,實(shí)踐應(yīng)用過程中,由于人員對各設(shè)計理論理的解不透徹,故在進(jìn)行交叉使用時,難免會出現(xiàn)不一致、不協(xié)調(diào)的問題.

縱觀各類設(shè)計規(guī)范,結(jié)構(gòu)物設(shè)計應(yīng)包含抗力設(shè)計體系和荷載計算體系,從而保證設(shè)計安全余度的一致性.另外,國內(nèi)設(shè)計中常出現(xiàn)套用國外設(shè)計體系的問題,風(fēng)電機(jī)組荷載也是使用國際通用軟件進(jìn)行計算,故雖數(shù)值合理,但由于國內(nèi)外體系不同,因此盲目套用勢必會出現(xiàn)不匹配的問題,致使結(jié)構(gòu)物的安全性得不到保障.

建筑規(guī)范體系包括基樁承載力特征值以及荷載效應(yīng)組合的配套設(shè)計,在港口工程中,設(shè)計荷載一般均采用乘以分項(xiàng)系數(shù)的組合;海洋平臺體系中,基樁通常都采用安全系數(shù)設(shè)計概念,可針對實(shí)際情況的不同,采取適宜的安全系數(shù).

2 國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)物設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)

陸地風(fēng)電場的發(fā)電機(jī)已具備多年的使用、安裝和設(shè)計經(jīng)驗(yàn),有這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作保證,使整個行業(yè)對基礎(chǔ)設(shè)計、支撐結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)以及風(fēng)荷載均有了一個詳細(xì)的了解.在陸地風(fēng)電場取得顯著成效的同時,海上風(fēng)電場的發(fā)展卻一度陷入僵局,并受到多種因素的制約和影響.陸地風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般都用于解決海洋問題,包括冰荷載、海洋荷載等.早期歐洲國家的海上風(fēng)電系統(tǒng),主要關(guān)注風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)以及規(guī)模的最優(yōu)化,近年來開始重視海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計與規(guī)范問題.

海洋結(jié)構(gòu)和海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計仍以經(jīng)驗(yàn)為主.丹麥初次試圖將相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合,之后又由德國等國家提出了更加成熟的指導(dǎo)方針.為保證今后的工程項(xiàng)目都能夠按照國際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,IEC(國際電工委員會)也在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究,最終形成了《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計要求》.

海上風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析如下:美國石油協(xié)會(API)的API RP-2A工作應(yīng)力法,在目前的海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計中應(yīng)用得最為廣泛.在阿拉斯加、加利福尼亞海域以及墨西哥灣等地區(qū),已有超過7000個海上結(jié)構(gòu)物的安裝經(jīng)驗(yàn),這些經(jīng)驗(yàn)使得該標(biāo)準(zhǔn)迅速推廣,除可應(yīng)用在美國聯(lián)邦海域上,還可被廣泛應(yīng)用于世界各國的海洋平臺.API RP-2A標(biāo)準(zhǔn)為遭遇地震、強(qiáng)風(fēng)、波浪荷載的海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計提供了基礎(chǔ)和保障,但其卻尚未列出風(fēng)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計中所需的工況.DNV(挪威船級社)和GL(德國船級社)是一直致力于海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)研究的兩大船級社,ISO在此過程中,也做出了大量的努力,以下是各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的詳細(xì)介紹.

2.1 美國石油協(xié)會

API RP-2A標(biāo)準(zhǔn)自1969年發(fā)布以來,就進(jìn)行了全面整改,并充分吸取了行業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn).根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)后來設(shè)計出的結(jié)構(gòu)物橫跨海冰、地震、颶風(fēng)、極端風(fēng)暴等多個領(lǐng)域,其應(yīng)用價值毋庸置疑.目前,還將該標(biāo)準(zhǔn)用于惡劣海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)物設(shè)計中,成效顯著.

API RP-2A的應(yīng)用,可滿足海洋石油天然氣平臺幾乎所有的設(shè)計要求,并提供了詳細(xì)的可計算出桿件承載能力和受力的計算公式,如桿件的組合應(yīng)力、壓縮、拉伸、彎曲以及疲勞強(qiáng)度等.

2.2 國際電工委員會

IEC 61400是TC-88經(jīng)過長時間的發(fā)展演變而來,主要用于風(fēng)機(jī)評估和設(shè)計,其涵蓋的內(nèi)容較多,包括風(fēng)機(jī)性能評估、設(shè)計要求、安全等主題.其中61400-1和61400-3分別是"設(shè)計要求"和"海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)計要求",兩者對設(shè)計的貢獻(xiàn)較為突出.目前,IEC61400-3正在完善和發(fā)展當(dāng)中.

2.3 德國船級社

GL2005版為海上風(fēng)電場和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的認(rèn)證提供了相對完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),涵蓋了葉片、發(fā)電機(jī)以及支撐結(jié)構(gòu)的各種要求.該標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于海上環(huán)境,更適用于一些常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計,其充分借鑒和參考了DIN和IEC的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),故在實(shí)踐應(yīng)用中更加具有時效性.

2.4 挪威船級社

2004年的DNV明確了海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、設(shè)計指南、技術(shù)要求及準(zhǔn)則等規(guī)定,可將其應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計中,同時也可用于風(fēng)電場中其它部件支撐和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計,例如強(qiáng)項(xiàng)桅桿、變電站等.

2.5 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織

該組織成立于1947年,由157個國家共同構(gòu)成.ISO為很多國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提供了世界級的框架參考,涵蓋技術(shù)、工業(yè)、商業(yè)等相關(guān)信息.ISO16177標(biāo)準(zhǔn)更是包括了通信技術(shù)到服務(wù)業(yè)、生產(chǎn)制造到運(yùn)輸醫(yī)學(xué)、建筑到機(jī)械工程以及農(nóng)業(yè)的各類標(biāo)準(zhǔn).其中,關(guān)于海洋技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn),并非專注于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī),而更多的是給出了海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計的整體思路,尤其注重其完整性.

3 國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)

API RP2A-LRFD和API RP 2A-WAD一直被作為美國海上結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn),后者是由前者發(fā)展而來.德國船級社一般使用ISO標(biāo)準(zhǔn).上述標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為各類相關(guān)操作極限載荷、疲勞載荷等,對于海上風(fēng)機(jī)設(shè)計的影響至關(guān)重要.

在荷載及其組合上,API標(biāo)準(zhǔn)中并未對風(fēng)機(jī)荷載進(jìn)行專門考慮,更未涉及到環(huán)境荷載和風(fēng)機(jī)荷載的組合.大型海上平臺極易受到外部因素的干擾和影響,波浪對于平臺設(shè)計的影響較大,而風(fēng)荷載的影響比重僅占10%.平臺的剛度和結(jié)構(gòu)決定了極端荷載的響應(yīng)基本呈靜態(tài),為此,API可使用線形響應(yīng)算法作為主要核對方式,一般可使用頻域分析法進(jìn)行計算,但對于非線性動態(tài)分析卻未作出明確要求.風(fēng)荷載對海上平臺的設(shè)計影響較大,GL、IEC、DNV等規(guī)范中,均對環(huán)境荷載、風(fēng)機(jī)荷載以及其他荷載組合進(jìn)行了明確規(guī)定.

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法上,API包括荷載系數(shù)法和容許應(yīng)力法,海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計一般選用容許應(yīng)力法;GL、IEC的結(jié)構(gòu)校核一般需采用其他的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),例如API RP 2A、ISO19902等;DNV則需遵循其內(nèi)部的一些特殊要求,明確規(guī)定了抗力系數(shù)和荷載分項(xiàng)系數(shù).

關(guān)于極限載荷的規(guī)定,API RP-2A明確了海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的環(huán)境,如波浪、風(fēng)等的重復(fù)周期為100年;ISO19902同樣規(guī)定了海上結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下外部條件的回歸周期;IEC 61400-1還假設(shè)了風(fēng)機(jī)可承受幾十年一遇的極端自然環(huán)境.因此,很多人們認(rèn)為,海上風(fēng)機(jī)設(shè)計無需更高標(biāo)準(zhǔn),只需在原有陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上,通過周期條件進(jìn)行設(shè)計即可.IEC61400-3規(guī)定波浪荷載和風(fēng)荷載共同作用下的極限環(huán)境重現(xiàn)周期為50年,DNV和GL中的規(guī)定也較為類似,故足以看出,API在極限荷載條件下要比GL、IEC以及DNV更加保守,但重現(xiàn)周期差異卻并非可靠性指標(biāo),故可進(jìn)行任意選擇,通過荷載系數(shù)的調(diào)整,從而滿足抗力可靠性和安全因子的實(shí)際要求.

4 結(jié)語

綜上所述,海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計將直接關(guān)系著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展,不管是現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計,還是新的結(jié)構(gòu)形式,都應(yīng)以節(jié)約成本為基礎(chǔ),為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),需對其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考.在今后發(fā)展中,可充分借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn),選擇符合我國國情的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),為海上風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展提供保障.

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