聶焱

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434)

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求日益旺盛。以煤碳為代表傳統(tǒng)能源在給人們生活帶來便利的同時(shí)，也給生態(tài)環(huán)境帶來了非常嚴(yán)重的破壞。清潔能源的開發(fā)和研究變的越來越迫切,以風(fēng)電為代表的可再生能源迎來歷史性的發(fā)展機(jī)遇。

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，陸地風(fēng)能和海上可開發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量巨大，其中以海上風(fēng)能為主。隨著近岸資源的開發(fā)趨于飽和，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐步向深遠(yuǎn)海發(fā)展。隨著水深的增加，傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)漸漸無法滿足需求，漂浮式風(fēng)機(jī)將成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。漂浮式結(jié)構(gòu)在海洋油氣行業(yè)已經(jīng)非常成熟，但是在風(fēng)電領(lǐng)域運(yùn)用還不多。漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的重量和排水量都遠(yuǎn)小于石油平臺(tái)，但是在設(shè)計(jì)難度上甚至要比油氣平臺(tái)難度更大，風(fēng)載會(huì)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)很大的風(fēng)傾力矩，使整個(gè)系統(tǒng)處于一個(gè)不平衡的狀態(tài)，需要靠錨泊系統(tǒng)來平衡，這就對(duì)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更加復(fù)雜，風(fēng)機(jī)本身運(yùn)行條件的限制也對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能提出了更大挑戰(zhàn)。

深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)：風(fēng)資源豐富，離岸遠(yuǎn)，減少噪聲污染，對(duì)海洋環(huán)境影響小。但是由于離岸較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)后期的運(yùn)維成本也會(huì)比較高，這就對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的類型

漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為單柱式、半潛式和張力腿[1]。

單柱式(spar)吃水很深，垂向波浪激勵(lì)力小、垂蕩運(yùn)動(dòng)小，因此單柱式基礎(chǔ)有較好的垂蕩性能，但是由于單柱式基礎(chǔ)水線面對(duì)穩(wěn)性的貢獻(xiàn)小，所以它橫搖和縱搖值較大。

圖1漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式

半潛式(semi-submersible)基礎(chǔ)是目前技術(shù)相對(duì)成熟的海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)通常由甲板箱，立柱以及浮箱等組成。風(fēng)機(jī)通常安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的幾何中心或者其中一個(gè)立柱上。支柱內(nèi)部通常被劃分成多個(gè)艙室，方便布置壓載并調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)平衡。處于漂浮狀態(tài)時(shí)，立柱較大的水線面積可以提供風(fēng)機(jī)系統(tǒng)需要的穩(wěn)性。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般由一定數(shù)量的懸鏈線錨泊系統(tǒng)來防止結(jié)構(gòu)水平漂移。半潛式基礎(chǔ)吃水小，在運(yùn)輸和安裝時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，移動(dòng)靈活，運(yùn)行可靠，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

張力腿平臺(tái)與其他浮式平臺(tái)相比，最大特點(diǎn)是張力腿平臺(tái)排水量大于平臺(tái)自身重量，需要通過張緊系泊的筋腱提供張力保持平衡。這樣的設(shè)計(jì)使得張力腿平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)固有周期小于5 s，在典型波浪頻率范圍之外。另一方面，張力腿平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)固有周期與傳統(tǒng)半潛平臺(tái)類似，大約100 s。

以上幾種漂浮式結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，單柱式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，波浪和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)小，由于吃水很深，所以不能用在淺水區(qū)域，對(duì)于國(guó)內(nèi)這種大陸架延伸范圍廣、坡度緩的海域，適用性并不太好；張力腿平臺(tái)固有頻率容易與風(fēng)機(jī)發(fā)生共振，系泊設(shè)計(jì)難度大，涉及到新技術(shù)較多，成本較高；本文以最成熟的,也是適用范圍最廣的半潛式平臺(tái)為例，來討論漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2半潛式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)概述

目前國(guó)外主流的半潛式漂浮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是三立柱式，不同點(diǎn)在于三立柱之間的連接形式。一種是通過橫撐和斜撐連接三個(gè)立柱，另一種是通過一個(gè)較強(qiáng)的甲板箱體連接三個(gè)立柱而取消斜撐。考慮到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在投入使用之后會(huì)持續(xù)服役幾十年，所以結(jié)構(gòu)的疲勞壽命至關(guān)重要。多斜撐的結(jié)構(gòu)在斜撐與立柱、斜撐之間的連接點(diǎn)處會(huì)形成疲勞敏感區(qū)，所以盡可能的減少斜撐的數(shù)量會(huì)減輕結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的壓力。立柱間的斜撐系統(tǒng)的主要目的是為了限制立柱的相對(duì)變形，而相應(yīng)的增加甲板箱體的剛度，同樣可以實(shí)現(xiàn)這一目的。所以本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式只包含立柱間的水平橫撐，如圖2所示。模型坐標(biāo)系如圖3所示，z軸豎直向上?；A(chǔ)主尺度見表1。

圖2三立柱半潛式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型

圖3坐標(biāo)系及波浪方向

表1風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主尺度

3載荷工況

漂浮式風(fēng)機(jī)所承受的載荷主要包括風(fēng)，浪，流和船舶撞擊等。本文主要針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，所以載荷工況將進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1)為簡(jiǎn)便計(jì)算，風(fēng)載荷只取風(fēng)機(jī)塔底的極限載荷以點(diǎn)載荷的形式施加在風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn),本例選取某廠商5.5 MW的風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的載荷；

2)流載荷主要使平臺(tái)產(chǎn)生水平漂移，是錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素，在本文中將不做討論；

3)船舶撞擊載荷是考慮風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維檢修船只的靠泊載荷。載荷的大小依據(jù)運(yùn)維船只的排水量和規(guī)定的靠泊速度來決定。該載荷在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段予以考慮，如果局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，可以通過局部加強(qiáng)的方式來解決。

4)波浪載荷。波浪載荷[2]的選取參考半潛式石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)波法。通過頻域計(jì)算，在一系列浪向和周期的組合中搜索使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大特征載荷的波浪工況，用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。特征載荷通常包括橫向撕裂力，縱向剪力，最大扭矩以及平臺(tái)在x、y、z方向上的慣性力[3]。這六個(gè)特征載荷的短期預(yù)報(bào)圖譜見圖4，最終的設(shè)計(jì)波表格見表2，圖譜與表格內(nèi)數(shù)據(jù)按順序一一對(duì)應(yīng)。

圖4短期預(yù)報(bào)圖譜

表2短期預(yù)報(bào)特征載荷

4邊界條件

在錨鏈和結(jié)構(gòu)相連的位置施加彈簧約束，彈簧約束的剛度等于錨泊系統(tǒng)的剛度，以此來平衡風(fēng)機(jī)載荷，并在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)慣性釋放。

5基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依照DNVGL-ST-0119規(guī)范執(zhí)行，采用載荷抗力系數(shù)法，計(jì)算工況只考慮極限載荷工況(ULS)。工況組合的載荷系數(shù)按照表3選取。

表3載荷系數(shù)

極限工況下，結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：

其中[σ]通過材料屈服極限應(yīng)力除以材料系數(shù)得到，極限工況下材料系數(shù)取1.15。本例中選用極限載荷為355 MPa的鋼材。

6計(jì)算結(jié)果

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果見表4和圖5。可見除了局部應(yīng)力超限以外，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。局部的應(yīng)力超限是由于用于計(jì)算分析的模型沒有考慮局部加強(qiáng)產(chǎn)生的，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)連接的高應(yīng)力區(qū)做足夠的加強(qiáng)方案即可。

表4圖示熱點(diǎn)位置應(yīng)力極值

7結(jié)語(yǔ)

本文以三柱式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，參考半潛式油氣平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，聯(lián)合風(fēng)機(jī)載荷，對(duì)半潛式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)做了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。由于風(fēng)機(jī)參數(shù)都是商業(yè)機(jī)密，所以風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一體式載荷仿真無法完成。本文采用的是風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分離式計(jì)算方法，即先由風(fēng)機(jī)廠商提出塔底與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接處的載荷，然后施加在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，再考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所承受的波浪載荷、錨泊系統(tǒng)剛度等因素來進(jìn)行分析。這種分析方法無法考慮風(fēng)和浪的耦合效應(yīng)，只能用最大風(fēng)載和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所承受的其他載荷線性疊加，對(duì)于極限強(qiáng)度校核來說是偏保守的。從計(jì)算結(jié)果可見本文選取的結(jié)構(gòu)形式的極限強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求。

本文只討論了極限強(qiáng)度的計(jì)算方法，但是對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)來說疲勞壽命也至關(guān)重要。本文選取的結(jié)構(gòu)形式減少了斜撐的數(shù)量，相應(yīng)的減少了斜撐連接帶來的疲勞敏感區(qū)，為后期的疲勞設(shè)計(jì)減輕了壓力。

圖5極限強(qiáng)度應(yīng)力極值(0～300 MPa)

對(duì)于漂浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，還應(yīng)該考慮氣隙[4]，波浪抨擊[5]等因素，這里不做詳細(xì)討論。