基于风速预估的换流阀导管架海洋平台特性分析

2022-07-18熊湘趣

内蒙古科技与经济 2022年10期

熊湘趣

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)

电力资源的及时运输尤其是特高压直流输电技术(UHVDC)的大规模实施，能快速地将电量通过以换流阀为主特高压直流输电系统为主的设备输送到电能需求量大的地区。换流站是中国电网特高压直流输电工程的组成部分，其中换流阀阀厅是换流站结构设计最为重要的地方。换流阀阀厅建设所需要的场所范围大，高度高，工艺要求比较复杂。阀厅中主要设置的是换流阀和防火墙安排，满足安全生产要求[1]。同时导管架海洋平台作为海上生产生活的主体工具，对于其结构设计安全性评价尤为重要。对于海洋工程来说考虑风荷载是结构设计过程中必不可少的阶段。目前，许多研究者都对海洋平台所受的风荷载进行了研究，对于风速的选取一般是采取的某些地区的统计数据，没有去考虑未来出现的极限情况。

风荷载的计算需要得到海洋平台所处海域的风速，但是未来的风速是不确定的，直接运用过去收集的数据作为计算依据可能使最后的计算结果偏保守。文中虽然未来的具体极限风速无法通过计算得到，但是海风在未来一定时间里的极限风速出现的概率还是可以通过过去收集保存的大量数据通过概率统计进行计算得到结果，然后由此得出的极限风速进行海洋平台的极限工况的风荷载计算，将极限工况作为边界条件，在保证减少成本的情况下满足导管架安全设计要求，对于海洋平台结构的设计有非常重要的意义[2]。

1 风速预估

1.1 资料来源

风速资料来源于中国气象局国家气象信息中心的中国气象科学数据共享服务网。

1.2 风速计算

在工程设计过程中，从安全性和经济性综合考虑，便需要进行科学的计算和预估极限荷载，但是对于风荷载，浪荷载以及地震荷载来说，用实测极值来作为设计依据显然是不合理的。所以，在考虑实际极值的时候，通常采用概率分布描述极端极值，这是因为气候要素极值出现的概率是稳定的[3]。所以，通过概率统计来计算满足概率条件为P的最大风速。

选取1963年—2010年东海某海域台站受台风影响的频次如表1所示，选取1963年—2010年期间达到影响条件的风速样本，并保证选取的风速样本之间的独立性。设置一个风速阈值在所有的年份风速样本中选取大于这个阈值的风速样本，同时也要让所有的数据样本中有的年份风速样本没有大于阈值标准的风速，并且要求全年风速没有达到阈值的年份不超过所选取年份的1/10，选取的样本数据建立台站最大风速序列[4]。

表1 1963年—2010年东海某海域极端风速拟合检验

首先检验极端风速出现的频次是否符合泊松分布，根据公式：

(1)

(2)

式中Q为风速样本中被极端天气影响总次数，M为风速样本中气候观察的总年数，Pk为式(1)中计算的分布频数，k为分组数，q为每年发生极端天气影响的次数。

然后根据公式：

(3)

样本中极端风速出现频次分布函数记为：

G(v)=exp{-exp[-α(v-δ)]}

(4)

由式(3)计算可知，风速样本中极端风速出现的频次是符合泊松分布的，所以可以将极端风速出现频次分布函数改写为：

(5)

将式(5)两边取对数，

(6)

将式(4)代入(6)得到，

(7)

将式(7)两边取两次对数可得，

(8)

式中参数α和δ可以通过有限样本(N)分布函数代替极端风速出现频次分布函数。

(9)

(10)

(11)

将式(11)代入式(8)计算可以得出概率为P的大风极限速度为：

(12)

2 模型实例计算

2.1 换流阀导管架海洋平台结构模型

换流阀导管架平台结构主要分为甲板上换流站结构和导管架结构。文中设计阀厅采取密封设计，保证阀厅内部工作环境。换流阀阀厅的结构设计为长65.0 m，宽38.0 m，高为35.0 m，密闭箱体，工业生产面积为2 470 m2。换流阀的尺寸为长10.0 m，宽6.0 m，高13.3 m，重量为7.8 t，在阀厅内安装的数量为18台，换流阀荷载的分布如图1所示。

图1 换流阀荷载分布

换流阀导管架平台处于水深为79 m，高出水面的部分为55 m，导管架平台水面以下桩腿长度为120 m，其中泥面以上的桩腿长度为72 m，泥面以下的桩腿长度为48 m。平台包括有3层甲板，上面2个甲板组成换流阀阀厅，下甲板为货物运输甲板，用来运输停靠船的货物。各层甲板高度为EL+15.3 m、EL+20.0 m、EL+55.0 m，整体结构模型如图2所示。

图2 导管架平台整体结构模型

2.2 环境荷载设定

主要研究的环境荷载为风荷载对换流阀导管架平台的影响。经过式(12)可得重现期为50年的极端工况风速为38.56 m/s，一年一遇的操作工况风速为26.58 m/s。同时，导管架平台有深入地下48.5 m，海底土层信息需采用相应海域实测数据编辑文件。

2.3 仿真计算结果

图3 导管架平台计算仿真云图

在8个角度(0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°)环境荷载计算的过程中得到对应角度上承受的风荷载，然后分别进行仿真模拟计算并进行对比，选择出导管架平台应力结果最大的方向。经过计算结果如下，在极端工况下导管架平台最大偏移量为1.217 m，杆件与节点的UC值都在安全范围以内，满足设计要求。