关于国内外海上风电机组基础结构设计标准的探讨

2017-01-20路伟

中国设备工程 2017年21期

关键词：风电风机结构设计

路伟

(河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄 050031)

关于国内外海上风电机组基础结构设计标准的探讨

路伟

(河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄 050031)

20世纪90年代,欧洲国家开始研发海上风电机,并在装机容量方面取得了十分显著的成就.但在海上风电机组基础结构的研究方面,各国均处在初级探索阶段,故该领域的研究成果较少.文章主要对国内外海上风电机组的基础结构设计标准进行了探讨.

海上风电机;基础结构;设计标准;美国石油协会

国际上特别是很多欧洲国家,在海上风电机的开发领域,目前已形成了较为成熟的标准和规范,我国近年来也进行了大量的研究工作,但从当前的风电机组基础结构设计的现状来看,仍存在设计上的不合理、不规范等问题,故需在今后加大研究力度.

1 海上风电机组基础结构设计的现状

相对于国外,我国对于风电机组基础结构设计的门槛要求较低,故各领域的设计单位均有机会参与到实际设计中.从发展现状看,目前国内的风电机组基础机构设计仍存在较多技术问题,原因主要包括以下几个方面:第一,设计单位常在专业领域范围内进行设计,并未从根本上掌握风电机组中所包含的实质性内容,导致设计方案存在片面性.第二,该工作涉及领域众多,包括岩土工程、港口工程设计、结构设计、港口水文计算、海洋波况统计、风电机组承载计算等方面的专业知识,故很难进行集中把控.第三,常用设计方法包括概率极限设计、安全系数等,实践应用过程中,由于人员对各设计理论理的解不透彻,故在进行交叉使用时,难免会出现不一致、不协调的问题.

纵观各类设计规范,结构物设计应包含抗力设计体系和荷载计算体系,从而保证设计安全余度的一致性.另外,国内设计中常出现套用国外设计体系的问题,风电机组荷载也是使用国际通用软件进行计算,故虽数值合理,但由于国内外体系不同,因此盲目套用势必会出现不匹配的问题,致使结构物的安全性得不到保障.

建筑规范体系包括基桩承载力特征值以及荷载效应组合的配套设计,在港口工程中,设计荷载一般均采用乘以分项系数的组合;海洋平台体系中,基桩通常都采用安全系数设计概念,可针对实际情况的不同,采取适宜的安全系数.

2 国内外海上风电机组结构物设计的标准

陆地风电场的发电机已具备多年的使用、安装和设计经验,有这些实践经验作保证,使整个行业对基础设计、支撑结构、风机以及风荷载均有了一个详细的了解.在陆地风电场取得显著成效的同时,海上风电场的发展却一度陷入僵局,并受到多种因素的制约和影响.陆地风电机组基础结构的设计标准一般都用于解决海洋问题,包括冰荷载、海洋荷载等.早期欧洲国家的海上风电系统,主要关注风电场经济、结构以及规模的最优化,近年来开始重视海上风电机组的设计与规范问题.

海洋结构和海上风机的设计仍以经验为主.丹麦初次试图将相关技术和经验进行结合,之后又由德国等国家提出了更加成熟的指导方针.为保证今后的工程项目都能够按照国际认可的标准进行设计,IEC(国际电工委员会)也在该领域进行了研究,最终形成了《海上风力发电机设计要求》.

海上风电机基础结构设计分析如下:美国石油协会(API)的API RP-2A工作应力法,在目前的海上结构物设计中应用得最为广泛.在阿拉斯加、加利福尼亚海域以及墨西哥湾等地区,已有超过7000个海上结构物的安装经验,这些经验使得该标准迅速推广,除可应用在美国联邦海域上,还可被广泛应用于世界各国的海洋平台.API RP-2A标准为遭遇地震、强风、波浪荷载的海上结构物设计提供了基础和保障,但其却尚未列出风电机支撑结构设计中所需的工况.DNV(挪威船级社)和GL(德国船级社)是一直致力于海上风电基础设计标准研究的两大船级社,ISO在此过程中,也做出了大量的努力,以下是各相关标准规定的详细介绍.

2.1 美国石油协会

API RP-2A标准自1969年发布以来,就进行了全面整改,并充分吸取了行业发展的经验教训.根据该标准后来设计出的结构物横跨海冰、地震、飓风、极端风暴等多个领域,其应用价值毋庸置疑.目前,还将该标准用于恶劣海洋环境的结构物设计中,成效显著.

API RP-2A的应用,可满足海洋石油天然气平台几乎所有的设计要求,并提供了详细的可计算出杆件承载能力和受力的计算公式,如杆件的组合应力、压缩、拉伸、弯曲以及疲劳强度等.

2.2 国际电工委员会

IEC 61400是TC-88经过长时间的发展演变而来,主要用于风机评估和设计,其涵盖的内容较多,包括风机性能评估、设计要求、安全等主题.其中61400-1和61400-3分别是"设计要求"和"海上风力发电设计要求",两者对设计的贡献较为突出.目前,IEC61400-3正在完善和发展当中.

2.3 德国船级社

GL2005版为海上风电场和海上风力发电机的认证提供了相对完善的规范标准,涵盖了叶片、发电机以及支撑结构的各种要求.该标准不仅适用于海上环境,更适用于一些常规风力发电机的基础设计,其充分借鉴和参考了DIN和IEC的规范标准,故在实践应用中更加具有时效性.

2.4 挪威船级社

2004年的DNV明确了海上风力发电基础结构、设计指南、技术要求及准则等规定,可将其应用于海上风力发电的基础结构设计和支撑结构设计中,同时也可用于风电场中其它部件支撑和基础结构的设计,例如强项桅杆、变电站等.

2.5 国际标准化组织

该组织成立于1947年,由157个国家共同构成.ISO为很多国际标准化发展提供了世界级的框架参考,涵盖技术、工业、商业等相关信息.ISO16177标准更是包括了通信技术到服务业、生产制造到运输医学、建筑到机械工程以及农业的各类标准.其中,关于海洋技术的标准,并非专注于海上风力发电机,而更多的是给出了海上结构物设计的整体思路,尤其注重其完整性.

3 国内外海上风电机组基础结构设计的标准

API RP2A-LRFD和API RP 2A-WAD一直被作为美国海上结构设计的主要标准,后者是由前者发展而来.德国船级社一般使用ISO标准.上述标准均认为各类相关操作极限载荷、疲劳载荷等,对于海上风机设计的影响至关重要.

在荷载及其组合上,API标准中并未对风机荷载进行专门考虑,更未涉及到环境荷载和风机荷载的组合.大型海上平台极易受到外部因素的干扰和影响,波浪对于平台设计的影响较大,而风荷载的影响比重仅占10%.平台的刚度和结构决定了极端荷载的响应基本呈静态,为此,API可使用线形响应算法作为主要核对方式,一般可使用频域分析法进行计算,但对于非线性动态分析却未作出明确要求.风荷载对海上平台的设计影响较大,GL、IEC、DNV等规范中,均对环境荷载、风机荷载以及其他荷载组合进行了明确规定.

基础结构设计方法上,API包括荷载系数法和容许应力法,海上结构物设计一般选用容许应力法;GL、IEC的结构校核一般需采用其他的规范标准,例如API RP 2A、ISO19902等;DNV则需遵循其内部的一些特殊要求,明确规定了抗力系数和荷载分项系数.

关于极限载荷的规定,API RP-2A明确了海上基础结构设计的环境,如波浪、风等的重复周期为100年;ISO19902同样规定了海上结构在极限状态下外部条件的回归周期;IEC 61400-1还假设了风机可承受几十年一遇的极端自然环境.因此,很多人们认为,海上风机设计无需更高标准,只需在原有陆地风机基础上,通过周期条件进行设计即可.IEC61400-3规定波浪荷载和风荷载共同作用下的极限环境重现周期为50年,DNV和GL中的规定也较为类似,故足以看出,API在极限荷载条件下要比GL、IEC以及DNV更加保守,但重现周期差异却并非可靠性指标,故可进行任意选择,通过荷载系数的调整,从而满足抗力可靠性和安全因子的实际要求.