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海上风电浮式基础设计关键技术介绍(上)

北极星风力发电网  来源:千尧科技    2021/1/6 9:08:56  我要投稿  

北极星风力发电网讯:海上风电浮式基础设计关键技术介绍(上)

导读

与固定式基础相比,海上风机浮式基础可以移动,并且便于拆除,可安装在风能更丰富的较深海域,不一定局限在面积有限的浅水大陆架,适用海域范围远大于浅海地区。同时,海上风机浮式基础远离海岸线的水域安装,便于消除视觉的影响,并可大大降低噪声、电磁波对环境的不利影响。此外,在经济性方面,海上风机浮式基础未来也有一定的提升潜力。例如可采用集成结构,便于海上安装程序简化、降低费用。

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浮式基础主要特点

近年来国际上提出了多种浮式风机基础的概念设计方案,主要有单立柱型基础(Spar)、半潜式型基础(Semi-sub)和张力腿型基础(TLP)等。

对于主要浮式风机基础的特点,分述如下:

(1)单立柱型基础包含浮力舱、压载舱和系泊系统。浮力舱提供浮力支撑上部结构,压载舱装水、碎石或高密度混凝土进行压载使系统重心位于浮心之下,由系泊固定其位置,使平台在水中形成“不倒翁”式结构以保证结构的稳定性。单立柱型基础的吃水深,所受垂向波浪激励力小,因此,其垂荡性能好。但单立柱型基础的水线面积小,其横摇和纵摇运动较大。

(2)半潜型基础一般由立柱、横梁、垂荡板和系泊系统等结构组成。立柱之间通过横梁和斜支撑连接形成整体平台,平台由系泊链固定。立柱内通常分隔成众多舱室,底部一般安装有大直径的垂荡板以减缓基础的垂荡运动。当基础处于漂浮状态时,较大的水线面积为系统提供足够大的复原力矩,使平台有良好的稳性。

(3)张力腿型基础由浮式平台、系泊和上部结构组成。平台由垂直张力腿连接至海底基座模板、吸力沉箱锚或桩基锚,平台的设计浮力大于自身重力,多余的浮力由始终处于张紧状态的张力腿抵消。张紧的系泊能够有效地控制平台的位移,因此,该基础具有良好的垂荡和摇摆运动特性。但系泊系统的安装费用高,且其张力受海流影响大,上部结构和系泊系统的频率耦合易发生共振运动。

(4)其他型式基础主要有驳船型、混合型等。驳船型基础具有结构大、浮力分布均匀、稳定性好的特点,但对所在海域环境非常敏感,如美国的NREL/MIT风机和日本的NMRI风机。混合型浮式基础一般由典型浮式风机组合而成,如Nautica Wind power公司研发的AFT和挪威的Sway都是结合了Spar和TLP浮式基础的特点。

海上风电系统属于高耸结构物,水平载荷和垂向载荷数量级相当,水平倾覆力矩作用将会引起浮式基础大幅摇摆运动甚至倾覆。因此风力发电浮式基础运行中的主要风险有:

浮式基础的运动,诱导作用在风轮机上的风速波动将引起风机较大的谐振响应;

海上风机浮式基础结构的纵摇和横摇运动,需要控制浮式基础的摇摆运动;

浮式基础由系缆定位,极端海洋环境下系泊系统失效;

随机波浪引起浮式风电系统基础-塔柱的共振,导致基础结构或者塔柱疲劳;

冲刷与渗流引起的锚固基础失效。

通过对风机浮式基础结构型式的分析和新型浮式基础结构的概念研究,风机浮式基础设计步骤应包括:

主尺度设计;

稳性设计;

总布置设计;

水动力分析:包括模型实验、透平机和船体的水-空气耦合分析;

系泊锚固系统设计;

结构设计:构件尺寸、桁架和塔柱的强度及疲劳分析等;

施工方案设计。

基于海上风电浮式基础特点、存在的主要风险及设计步骤,浮式风机基础有以下需要深入研究的关键技术问题。

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关于规范与标准

为了改善海上的安全性,包括海上人员的生命安全、海上结构物的安全,以及平台工作海域的环境保护。船级社对海洋构造物的设计、建造和检验制订了一系列的标准、准则和规范。不论是总体尺寸规划、稳性分析还是强度校核,都需要规范与标准的指导,可以说,规范与标准贯穿整个设计过程,甚至在设计之前就需要考虑参考哪种规范。

目前,对于深海风电开发目前还处于方案验证和小规模开发阶段,所以相关研究相对较少,国外在海上风电浮式基础方面的研究相对多一些,但投入生产的也不多,所以对海上风电浮式基础还需要更进一步的研究。目前国内海上风机系统设计的相关规范与标准还不成熟,考虑到海上风电浮式基础与半潜式海洋平台所处海洋环境相近,而后者在实际工程中已有很多经验。同时,在风力发电技术和塔架设计方面,陆上风电技术成熟且经验丰富,因此在海上风电基础结构设计时大多参考海上固定平台与陆上风电的相关规范。

但从集中式到分散式海洋浮式平台不是简单的相似或者缩尺,目前来说浮式基础风机排水量约两千吨,而海洋平台至少2万吨,所以从海洋平台到浮式基础不是一个从大到小简单的缩尺,而且很多条件比如海洋环境条件没有缩尺,如果没有较好的把控会带来灾难性的设计后果。所以我们可以用模型试验与数值模拟相结合的方法加以验证,以减少工程方面的损失。

由于海上浮式风电研究理论尚不成熟,模型试验研究更是没有公认的标准规则可循,已经开展的试验都是参考海洋工程试验进行简化模拟,主要研究风力机和浮体相互影响,测量风浪同向条件下系统的三自由度(纵荡、垂荡、纵摇)运动响应,某些试验还测量了塔架和叶片受力。虽然试验的数量比较有限,且有很多简化和不足之处,但是每项试验都在前人研究的基础上进行了独特的创新和探索,取得了许多有价值的结果,见下表。

表1 典型海上浮式风机创新点与不足点对比分析表

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总之,海上风电浮式基础的设计可以参照海上固定平台与陆上风电规范与标准,但它们与浮式基础还是有所差别。因此尽早制定浮式基础相关方面的规则标准,不仅有利于浮式基础的安全设计,也有利于其商业化的运用。而试验能够有效的减少工程上不必要的损失,并为规范的制定提供参考。

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