郭進(jìn)勇+張彥南

【摘 要】根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件，利用GH-blade軟件建立了海上風(fēng)電機(jī)組模型，仿真計(jì)算并且分析了不同水深對(duì)整機(jī)極限、疲勞載荷的影響，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用近海乃至深海風(fēng)能資源提供必要的理論參考。

【關(guān)鍵詞】水深；風(fēng)-波浪；海上風(fēng)機(jī)；載荷

【Abstract】According to the offshore wind turbine installation site environmental conditions， built up the model of offshore wind turbine by GH-blade software， simulate and analyze the extreme and fatigue load by different water depth， in order to provide the necessary theoretical reference for further development and utilization of offshore and the deep sea wind energy resources.

【Key words】Water depth；Wind-wave；Offshore wind turbine；Load

0 目的意義

海上風(fēng)電場(chǎng)原則上應(yīng)建立在離岸距離不少于10公里、灘涂寬度超過(guò)10公里時(shí)海域水深不得少于10米的近海海域。我國(guó)近海風(fēng)能資源十分豐富，10—30m水深的風(fēng)能資源約在1到4.9億千瓦之間，應(yīng)用前景廣闊。

海上風(fēng)電機(jī)組除風(fēng)作用之外，還受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋環(huán)境因素的綜合影響。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)速越大，波高、周期和波速隨之增大，水位則會(huì)使波高受到深度限制，進(jìn)而影響波浪載荷；海流也僅隨著水深而變化。由此可見(jiàn)，水深作為海上風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)志和先決條件，對(duì)其的研究顯得尤為緊迫和重要。近幾年，我國(guó)擬開(kāi)工的近海風(fēng)電項(xiàng)目主要集中在河北、江蘇、山東、浙江等省份，渤海、黃海以及東海海域，平均水深在5—30m之間。因此，探索不同水深對(duì)機(jī)組載荷的變化影響規(guī)律，不僅對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和研發(fā)具有積極意義，也可為今后更深海域的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)提供借鑒[1]。

1 海洋條件

1.1 波浪

海浪包括風(fēng)浪、涌浪和近岸浪。從我國(guó)海區(qū)來(lái)看，渤海風(fēng)浪浪高最小，黃海的比渤海略大，東海的大于黃海，南海風(fēng)浪最大。就季節(jié)而言，秋季風(fēng)浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。風(fēng)浪的周期與波高是匹配的，兩者呈正比關(guān)系。涌浪季節(jié)變化和海區(qū)特點(diǎn)和風(fēng)浪分布趨勢(shì)相同，總體上講，涌浪波高和周期，比風(fēng)浪的要大，但在沿岸海域和封閉性較強(qiáng)的海域，這種差異較小[1]。

設(shè)計(jì)海況一般用波譜S？濁、有義波高HS、譜峰周期TP和平均波向？茲wm來(lái)描述，海浪譜通常采用單一方向傳播的長(zhǎng)峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡(jiǎn)稱P-M譜），Bretschneider雙參數(shù)譜，Jonswap 譜[2]；

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，根據(jù)平均風(fēng)速（V）、有義波高（HS）、譜峰周期（TP）的長(zhǎng)期聯(lián)合概率分布來(lái)考慮風(fēng)況和波浪的相互關(guān)系。上述參數(shù)的聯(lián)合概率分布受到安裝場(chǎng)地條件（如風(fēng)區(qū)、水深、海底地形等）的影響。

1.2 海流

理論上海流在空間和時(shí)間上不斷變化，但一般認(rèn)為海流是定常速度和方向的水平均勻流場(chǎng)，僅隨著深度而變化。海流速度應(yīng)考慮下列成分[2]：

潮汐、風(fēng)暴潮和大氣壓力變化等引起的次表層流；

風(fēng)生近表層流；

近岸波浪生成的與海岸平行的表層流。

1.2.1 次表層流

另外，海冰、海生物對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷，在進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。

2 仿真模型建立

綜合考慮5MW樣機(jī)如東現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)、波浪、海流等實(shí)際數(shù)據(jù)，采用多體支撐結(jié)構(gòu)，將上部風(fēng)電機(jī)組模型和下部支撐結(jié)構(gòu)模型整合到一起進(jìn)行仿真分析。根據(jù)施工地質(zhì)條件繪制土壤剛度P-Y曲線[3]，建立整體模型如下圖：

3 典型工況選擇

根據(jù)GL2012海上風(fēng)電規(guī)范[5]，在GH-blade中按照公式（2）、（3）計(jì)算，有義波高（HS）5.6m，譜峰周期（TP）10.6s。將生成的空氣動(dòng)力載荷和波浪載荷加載到整機(jī)模型，進(jìn)行仿真分析?？紤]到風(fēng)速、水深與波浪等之間的關(guān)系，這里風(fēng)速取切出風(fēng)速25m/s。對(duì)于疲勞分析，風(fēng)速生成采用NTM正常湍流模型，極限則采用ETM極端湍流模型，水深在0-30m之間，每間隔5m進(jìn)行仿真。

4 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比及結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，以海平面水深高度的載荷值作為參考，得到0-30m水深范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組各零部件主導(dǎo)方向疲勞、極限載荷比值變化關(guān)系見(jiàn)圖4、圖5。可以看出，除塔基載荷隨水深增加而顯著增加外，塔架頂部各零部件疲勞載荷變化不明顯，均在2%左右。就極限載荷而言，10m水深處塔架頂部各零部件的載荷增幅在5%左右，隨后增幅逐漸減小，30m水深時(shí)增幅基本接近零。塔基載荷總體趨勢(shì)隨水深增加而增加。

一般情況下，海浪的生成，取決于風(fēng)力強(qiáng)弱、風(fēng)區(qū)大小和風(fēng)時(shí)長(zhǎng)短。浪高受到水位的限制，即在特定風(fēng)速下，所能產(chǎn)生的浪高要比水深小一些。當(dāng)水位超過(guò)一定程度時(shí)，浪高僅與風(fēng)速相關(guān)，海流速度也隨著水深的增加逐漸減小[4]。

可以看出，隨著水深的增加，塔筒的頻率有所降低，是造成塔筒變形和受力增大的主要原因，因此在進(jìn)行塔架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體情況調(diào)整剛度。

5 結(jié)論

以5MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，應(yīng)用專業(yè)計(jì)算軟件GH-blade，考慮風(fēng)、海浪、海流等環(huán)境條件，建立了近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能仿真模型，得到以下結(jié)論：

1）不同水深條件下，風(fēng)、浪和海流的相互耦合作用，整機(jī)載荷變化在2%左右，在設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，機(jī)組零部件安全可以保證。塔基載荷變化基本都超過(guò)5%，需要根據(jù)安裝地條件，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2）隨著水深的變化，波浪、海流在深度上的影響按一定規(guī)律衰減。

3）水深10m時(shí)，對(duì)整機(jī)零部件的極限、疲勞載荷影響最大，在5%范圍內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫湘平.中國(guó)近海區(qū)域海洋[M].北京：海洋出版社，2006：168-178.

[2]海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證規(guī)范[M].北京：中國(guó)船級(jí)社，2012：13-15.

[3]樁基工程手冊(cè)[M].

[4]海港水文規(guī)范[JTJ213-98].北京：中華人民共和國(guó)交通部.

[5]Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines Edition 2012[M].Germany：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH.

[責(zé)任編輯：田吉捷]