卿啟忠

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

隨著世界油氣資源供應(yīng)日趨緊張，世界各國(guó)均將目光投向了蘊(yùn)含豐富風(fēng)能資源的廣袤海洋。為了加大對(duì)海上風(fēng)能的利用，探索開(kāi)發(fā)利用海上風(fēng)能也成為當(dāng)前我國(guó)在新能源領(lǐng)域的主要研究方向[1]。作為海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的“心臟”，海上升壓站擔(dān)負(fù)著電力集中、電力送出、設(shè)備保護(hù)、監(jiān)視控制等重任，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。

2 工程概況

大連市莊河海上風(fēng)電場(chǎng)址Ⅳ1(350 MW)項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)中心離岸35.2 km，原泥面標(biāo)高-28.5 m，水深達(dá)30 m，風(fēng)電場(chǎng)配套建設(shè)一座220 kV海上升壓站。施工海域地質(zhì)條件較復(fù)雜，且受潮汐、波浪等惡劣海況影響較為嚴(yán)重。本文結(jié)合開(kāi)闊海域各種工況對(duì)升壓站進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)施工階段及正常運(yùn)行階段進(jìn)行受力分析，確保升壓站在整個(gè)使用壽命周期的運(yùn)行安全。

3 海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 海上升壓站上部組塊選型(見(jiàn)表1)

由表1可知，在施工環(huán)境條件、船機(jī)設(shè)備、工期均需滿足的前提下，擬采用整體式海上升壓站[2]。

3.2 海上升壓站基礎(chǔ)選型(見(jiàn)表2)

表2 海上升壓站基礎(chǔ)對(duì)比

由表2可知，導(dǎo)管架式作為本工程海上升壓站的基礎(chǔ)方案[3]。

3.3 海上升壓站總體方案

220 kV海上升壓站結(jié)構(gòu)共由3部分組成:樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、上部組塊，其中樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架套筒采用灌漿連接，上部組塊與導(dǎo)管架采用焊接連接。

導(dǎo)管架頂標(biāo)高+15.0 m，底標(biāo)高-29.0 m。主導(dǎo)管采用φ1.5-1.8 m鋼管，在標(biāo)高+11.0 m及-27.0 m處設(shè)水平拉筋 φ1.0 m鋼管及斜拉筋φ1.0 m鋼管，導(dǎo)管架局部節(jié)點(diǎn)用鋼材EH36-Z35加強(qiáng)。導(dǎo)管架上設(shè)靠船構(gòu)件、登船平臺(tái)等附屬構(gòu)件，導(dǎo)管架約重1 354.4 t。

鋼管樁采用4根φ2.8 m鋼管樁，壁厚45～60 mm，樁長(zhǎng)52.75 m，樁頂高程-16.75 m，樁底高程-69.5 m，泥面標(biāo)高約-28.5 m，樁入泥約41.0 m，以粉砂層為樁基持力層。

海上升壓站上部組塊共3層，第一層布置消防泵房、水箱間、臨時(shí)休息室、油罐室等設(shè)備，根據(jù)設(shè)備高度要求及電纜敷設(shè)要求，層高6.5 m；第二層布置主變、開(kāi)關(guān)室、低壓配電室、應(yīng)急配電室、GIS室、高壓電抗器室和二次設(shè)備室，層高5.5 m；第三層為暖通機(jī)房、通信繼保室、中控室、蓄電池室和柴油機(jī)房，層高5.0 m；屋頂層設(shè)置空調(diào)室外機(jī)、氣象觀測(cè)站、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、避雷針、通訊天線及主變檢修孔，設(shè)有直升機(jī)平臺(tái)，布置額定吊重5 t的懸臂吊。上部組塊整體尺寸為58.2 m×52.2 m×21.5 m，重約 3 650.8 t，升壓站結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

圖1 升壓站結(jié)構(gòu)

3.4 海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 海上升壓站防潮高程確定[4]

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 31115—2017)第4.0.12條，海上升壓站底板甲板上表面高程應(yīng)符合式(1):

式中，H為極端高潮位，取3.57 m；Hb為極端高潮位的最大波高，取11.65 m；D為安全氣隙高度，取2.67 m；Hl為底層甲板高度，取1 m。

T＝3.57+2/3×11.65+2.67+1＝15 m

故升壓站底板上表面高程定位+15 m。

3.4.2 各工況下升壓站適應(yīng)能力分析[5]

海上升壓站結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件，鋼管樁、導(dǎo)管架和上部結(jié)構(gòu)的支柱、撐桿和梁采用梁?jiǎn)卧?，鋼管樁和地基土采用p-y曲線法，對(duì)結(jié)構(gòu)受力、變形及地基土屈服特性進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析。

(1)樁基承載力驗(yàn)算[6]

軸向抗壓極限承載力API規(guī)范建議，單樁軸向抗壓極限承載力Qd可按式(2)估算，并應(yīng)考慮樁內(nèi)土芯閉塞效應(yīng)的影響。

式中，Qf為樁側(cè)摩阻力(kN)；Qp為樁端總承載力(kN)；f為單位樁側(cè)摩阻力(kPa)；As為樁側(cè)表面積(m2)；q為單位樁端承載力(kPa)；Ap為樁端總面積(m2)。

樁基正常工況容許承載力為0.7倍的極限承載力，極端工況和地震工況容許承載力為0.8倍的極限承載力，同時(shí)地震工況時(shí)考慮液化土的折減。升壓站基礎(chǔ)鋼管樁外徑2.8 m，壁厚40～60 mm，長(zhǎng)度52.75 m，樁端進(jìn)入粉砂層，進(jìn)行海上升壓站樁基承載力計(jì)算[7]，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 樁基承載力計(jì)算結(jié)果[8]

結(jié)果分析表明:樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)海上升壓站模態(tài)分析[9]

海上升壓站一階頻率考慮避開(kāi)波浪頻率范圍，以有限元對(duì)海上升壓站整體系統(tǒng)進(jìn)行瞬時(shí)模態(tài)動(dòng)態(tài)分析，經(jīng)計(jì)算其整體系統(tǒng)一階頻率為0.678 Hz。其中模態(tài)分析首先進(jìn)行海上升壓站結(jié)構(gòu)樁基線性化，然后以升壓站結(jié)構(gòu)重量、附加重量、設(shè)備重量和活荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，最后進(jìn)行模態(tài)分析[10]，海上升壓站1～6階振型圖如圖2所示。

圖2 海上升壓站1～6階振型圖

本工程海上升壓站海域波浪重現(xiàn)期5～100年一遇的波浪波峰周期為6.04～8.87 s，相應(yīng)波浪振動(dòng)頻率為0.113～0.166 Hz。從成果看出，系統(tǒng)固有頻率與波浪振動(dòng)頻率相差較大，故海上升壓站運(yùn)行時(shí)不會(huì)與波浪荷載發(fā)生共振。

(3)海上升壓站應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

①正常工況應(yīng)力

正常工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數(shù)后，各主要桿件的材料應(yīng)力如圖3所示。

圖3 正常工況UC云圖

結(jié)果分析:樁基礎(chǔ)最大UC值0.381；導(dǎo)管架立桿最大UC值0.436，水平桿最大UC值0.186，斜撐最大UC值2.245；上部結(jié)構(gòu)立桿最大UC值0.410，斜撐最大UC值0.559，主梁最大UC值0.714，均滿足設(shè)計(jì)要求。

②極端工況應(yīng)力

極端控制工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數(shù)后，各主要桿件的材料應(yīng)力如圖4所示。

圖4 極端工況UC云圖

結(jié)果分析:樁基礎(chǔ)最大UC值0.551；導(dǎo)管架立桿最大UC值0.548，水平桿最大UC值0.226，斜撐最大UC值0.326；上部結(jié)構(gòu)立桿最大UC值0.596，斜撐最大UC值0.711，主梁最大UC值0.913，均滿足設(shè)計(jì)要求。

③地震工況應(yīng)力

地震工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數(shù)后，各主要桿件的材料應(yīng)力如圖5所示。

圖5 地震工況UC云圖

結(jié)果分析:導(dǎo)管架立桿最大UC值0.506，水平桿最大UC值0.213，斜撐最大UC值0.276；上部結(jié)構(gòu)立桿最大UC值0.462，斜撐最大UC值0.574，主梁最大UC值0.869，均滿足設(shè)計(jì)要求。

④安裝工況應(yīng)力

上部組塊安裝工況假定在四個(gè)主柱子上各設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn)，吊繩與垂直夾角小于 5°。安裝工況(海上或陸上整體吊裝)下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數(shù)后，各主要桿件的材料應(yīng)力如圖6所示。

圖6 安裝工況UC云圖

結(jié)果分析:上部結(jié)構(gòu)立桿最大UC值0.70，斜撐最大UC值0.86，主梁最大UC值0.98，均滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)海上升壓站結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

正常工況下，海上升壓站各主要桿件的位移和允許變形如表4所示。

表4 正常工況結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

結(jié)果分析:樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、上部結(jié)構(gòu)的各桿件的位移和允許變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)疲勞計(jì)算結(jié)果

海上升壓站空間鋼結(jié)構(gòu)型式難免在管節(jié)點(diǎn)處存在較高的應(yīng)力集中情況，在設(shè)備荷載、波浪、海流等循環(huán)往復(fù)荷載作用下，管節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響到接頭的疲勞強(qiáng)度，本工程海上升壓站結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的壽命年限為28年[11]，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 海上升壓站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

從整體疲勞分析計(jì)算結(jié)果來(lái)看，升壓站樁基礎(chǔ)-泥面處、導(dǎo)管架-撐桿和上部組塊-立柱處的疲勞壽命均大于280年(28×10)。綜上所述，海上升壓站結(jié)構(gòu)滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。

(6)冰荷載影響計(jì)算結(jié)果[12]

根據(jù)莊河海域冰荷載數(shù)據(jù)情況，建立有限元模型，對(duì)升壓站平臺(tái)進(jìn)行整體分析。

①靜冰力作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)

從表6可以看出，在四種工況下的極值靜冰力的作用，結(jié)構(gòu)的最大位移、應(yīng)力較小，滿足要求。

表6 極值冰力作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

②動(dòng)冰力作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)(見(jiàn)表7)

表7 動(dòng)冰力作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)

從表7可以看出，動(dòng)冰力作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為全球最為熱門(mén)的可再生清潔能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步都具有舉足輕重的作用。本文設(shè)計(jì)研究的外海超大型海上升壓站更是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中的核心技術(shù)，目前已成功在華能大連市莊河海上風(fēng)電場(chǎng)址Ⅳ1(350 MW)項(xiàng)目實(shí)施。該設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用對(duì)后續(xù)海上升壓站提供了可靠的技術(shù)支持，在保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的前提下，提高了經(jīng)濟(jì)效益，為發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作出一定的貢獻(xiàn)。