海上風力發(fā)電機組抗臺風概念設(shè)計

賀廣零，田景奎，常德生

(1.中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市100120;2.大唐國際發(fā)電股份有限公司，北京市100033)

0 引言

在經(jīng)歷較長時間儲備之后，我國即將邁入大規(guī)模的海上風電場建設(shè)階段。我國東海、南海風能資源豐富，適宜進行風能開發(fā)。然而，在這2個海域，臺風頻頻發(fā)生，抗臺風設(shè)計成為海上風力發(fā)電機組設(shè)計的重要內(nèi)容。我國抗臺風設(shè)計參考的規(guī)范(或標準)大多以歐洲的氣候環(huán)境特征為主要背景，未考慮熱帶氣旋的影響，不適合我國國情。當然，在不計成本的前提下完成海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計并非難事，困難的是如何實現(xiàn)海上風力發(fā)電機組精細化抗臺風設(shè)計。為此，本文立足于臺風的基本特征，結(jié)合海上風力發(fā)電機組在臺風作用下的失效模式，對抗臺風設(shè)計進行探索。

1 臺風基本特征

臺風對我國東南沿海影響廣泛(見圖1)。氣象統(tǒng)計結(jié)果表明，1949—2012年熱帶氣旋登陸我國大陸共531次，其中臺風153次，強臺風38次，超強臺風6次。由于臺風具有影響區(qū)域廣、風向變化率大、風切變大、持續(xù)時間長、伴隨強流巨浪等諸多特點，對風電場的破壞力驚人:基礎(chǔ)傾覆、塔筒折斷、葉片撕裂、機艙罩損壞等，經(jīng)濟損失巨大。為了抵御臺風的破壞，降低經(jīng)濟損失，需要進行海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計。

圖1 我國近海臺風統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 Statistics of offshore typhoons in China

1.1 極值風速大

超大的極值風速則是臺風的突出特征。2003年9月2日，13號臺風“杜鵑”在汕尾登陸，登陸時中心附近最大風力達到12級，附近某風電場測得極值風速為57 m/s。2004年8月12日，14號“云娜”臺風登陸浙江，最高風速達58.7 m/s，為1956年以來登陸中國大陸的最強臺風［1］。2006年5月18日，1號強臺風“珍珠”穿過南澳島，在廣東澄海登陸，登錄時中心附近最大風力為12級，南澳某風電場測得瞬時風速高達到56.5 m/s。2006年8月10日，第8號超強臺風“桑美”在浙江蒼南沿海登陸，登陸時中心附近最大風力為17級(60 m/s)，中心氣壓為92 kPa，浙江蒼南霞關(guān)觀測到的極值風速為68.0 m/s，福建福鼎合掌巖觀測到的極值風速為75.8 m/s。理論上，風電場測得的極值風速要比實際情況小，因為測風系統(tǒng)在遭遇臺風時通常就損壞了，無法捕捉之后更大的瞬時風速。

迄今，海上風力發(fā)電機組多依據(jù)IEC規(guī)范或者GL規(guī)范進行抗臺風設(shè)計。其中，IEC 61400—1標準“Wind Turbine Generator Systems– Part 1:Safety Requirements”［2］將風力發(fā)電機組設(shè)計等級分為4級，分別對應(yīng)的參考風速為 50、43.5、37.5、30 m/s。GL規(guī)范“Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines”［3］亦將風力發(fā)電機組設(shè)計等級分為4級，分別對應(yīng)的參考風速為50、42.5、37.5 m/s和S(依據(jù)現(xiàn)場確定)。不難發(fā)現(xiàn)，盡管GL規(guī)范提出了第4種參考風速(即依據(jù)現(xiàn)場確定極值風速)，大大提高了規(guī)范的權(quán)威性，但總體上這2種規(guī)范對于臺風風速的規(guī)定與我國實際情況有較大出入，并不適合我國具體國情。因此，在我國海域進行海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計時，有必要提出適合我國國情的臺風極值風速模型。目前，國內(nèi)已有部分科研機構(gòu)正在進行這方面的研究，并取得了一定的成果［4-5］。

我國各海域的極值風速各不相同，但總體布局有一定的規(guī)律性。一般，我國海域50年一遇最大風速的規(guī)律為:東海和黃海風速由南向北遞減，其中東海風速為35.0～55.0 m/s;北黃海和渤海海域由于受臺風影響次數(shù)較少，不作詳細分析;南海風速由西向東遞增，風速變化于35.0～70.0 m/s;江蘇近海風速為25.0～35.0 m/s，杭州灣和長江口風速為30.0～40.0 m/s;浙江中南部、福建北部近海，熱帶氣旋引起的大風最強，風速達45.0～50.0 m/s;福建中南部近海，由于臺灣島對臺風的阻擋和削減作用，其受臺風影響程度明顯比其南北相鄰海域小，風速為40.0～45.0 m/s;海南省東南海域、廣東東部近海，受臺風影響程度較其他海域大，風速大于45.0 m/s;由于雷州半島和海南島對臺風的削弱作用，北部灣海域風速小于40.0 m/s。

由于極值風速隨著時間的推移、氣候的調(diào)整而變化，故而如何準確預(yù)測將來要發(fā)生的極值風速是一大難題。倘若單純地以過去的實測極值風速作為現(xiàn)今的設(shè)計風速，即忽略極值風速的時間效應(yīng)，則很有可能低估極值風速，從而留下安全隱患。比較合理的方法是認為極值風速是一個隨機變量，滿足某種概率分布模型，并依據(jù)實測極值風速確定模型中的各項待定參數(shù)。在給定超越概率的條件下，即可根據(jù)該概率分布模型預(yù)測將來可能出現(xiàn)的極值風速。由于熱帶氣旋出現(xiàn)的隨機性很大，對于某一具體地點而言，有些年份可能遭遇多次，有些年份可能1次都沒有，因此常規(guī)的極值分布模型(如極值Ⅰ型分布、Weibull分布等)未必適用，需要建立能夠全面描述這種風速序列特征的極值分布模型。為此，文獻［4］提出了Poisson－Gumbel聯(lián)合分布模型，能夠較為客觀地預(yù)測未來可能出現(xiàn)的極值風速。進一步地，借助分形特征分析，文獻［6］能夠從更長的時間尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)極值風速分析與預(yù)測，以滿足實際工程需要。

1.2 非平穩(wěn)性強

假如隨機過程的隨機特征隨時間變化，則稱該隨機過程是非平穩(wěn)的［7］。風速是一種典型的隨機過程，具有一定的非平穩(wěn)性，而臺風風速的非平穩(wěn)性要遠勝于一般風速。眾所周知，風速可分為平均風速和脈動風速，風速的非平穩(wěn)性通常是指其脈動性，可通過脈動風速來體現(xiàn)。然而，對于臺風風速而言，其非平穩(wěn)性不僅體現(xiàn)在風速的脈動性，而且也包括平均風速自身強烈的非平穩(wěn)性。若將臺風中的平均風速部分提取出來，發(fā)現(xiàn)其不再是一條直線(即平均風速不再是一個常數(shù))，而是一條類似于墨西哥帽形狀的曲線(見圖2)。臺風風速的強非平穩(wěn)性可以通過湍流強度(定義為10 min脈動風速的標準差與平均風速的比值)來衡量。實測數(shù)據(jù)表明，臺風中心的湍流強度可達到0.6～0.9，遠大于無臺風時的湍流強度(＜0.1)。高強度湍流將導致17級臺風瞬時風速突破100 m/s，此時風力發(fā)電機組將承受巨大的風荷載。

圖2 臺風平均風速曲線Fig.2 Average wind speed curve of typhoon

研究臺風非平穩(wěn)性的主要目的在于分析由其導致的動力效應(yīng)，并進而確定在臺風情況下的結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)。在現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范當中，動力放大系數(shù)的確定方法均立足于常規(guī)風速，并未考慮到臺風風速的強非平穩(wěn)性。因此，依據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范進行抗臺風設(shè)計，極有可能低估結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。鑒于此，在進行結(jié)構(gòu)抗臺風設(shè)計時，宜依據(jù)場地實測臺風風速時程進行結(jié)構(gòu)隨機動力響應(yīng)分析，獲取較為準確的動力放大系數(shù)。如果不具備條件，則應(yīng)考慮臺風風速的強非平穩(wěn)性，提出適合臺風風速的動力放大系數(shù)確定方法。事實上，臺風風速的強非平穩(wěn)性與風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)強度破壞和疲勞失效休戚相關(guān)。臺風風速的強非平穩(wěn)性會導致較大的風力發(fā)電機組極端荷載，依據(jù)經(jīng)典隨機振動理論，將產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)隨機動力響應(yīng)，從而引起結(jié)構(gòu)強度破壞。此外，由于產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)隨機動力響應(yīng)幅值較大，在反復循環(huán)荷載作用下亦容易引發(fā)疲勞失效。

1.3 風向變化快

當臺風經(jīng)過時，測風點的風向在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生根本性的變化，變化角度通常會超過45°，甚至可能達到180°，亦即之前的北風、東北風轉(zhuǎn)為南風、西南風［8］。

風向的劇烈變化對風力發(fā)電機組的影響也極為顯著，表現(xiàn)在:

(1)對于已經(jīng)順槳停機的變槳矩風力發(fā)電機組而言，風向突變意味著主風向從風力發(fā)電機組的正前方轉(zhuǎn)到側(cè)面，整個風力發(fā)電機組的受風面積也隨之改變。一般來說，如果風力發(fā)電機組失去偏航能力(偏航系統(tǒng)在遭遇臺風時可能損壞)，則90°側(cè)吹時塔筒平均傾覆力矩將比對風時大約增加37%，從而直接威脅到結(jié)構(gòu)安全。

(2)側(cè)風和湍流使風葉受力最不利，繼而造成風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)損壞。

1.4 與巨浪同步

由于環(huán)境特點，海上風力發(fā)電機組需要承受海風、波浪、地震等多重隨機荷載。一般來說，臺風、巨浪、強震等多重極端荷載難以同時出現(xiàn)。尤其對于臺風和強震，其間并不存在必然的物理關(guān)系，因而同時出現(xiàn)的概率極小。但臺風和巨浪則不同，由于其間存在直接的能量傳遞關(guān)系，二者同時出現(xiàn)的概率大為提高，即:臺風通常伴隨風暴潮。依據(jù)擬層流風浪生成機制［9］，隨著臺風的不斷發(fā)展和加強，波高也隨著風速的增大而增高，波高與風速大致成正比關(guān)系，且二者峰值之間存在一個時間差。西北太平洋50個臺風的波浪統(tǒng)計資料表明，在臺風初始階段，海面上雖有較大風速，但波高不大，通常是臺風外圍有約3 m的大浪，而在臺風中心附近有4～5 m的巨浪。在臺風發(fā)展階段，波高也隨著臺風風速的增大而增加。當臺風發(fā)展到成熟階段時，風速不再增大，而大風范圍逐漸向外擴展，在這個階段內(nèi)，波高也已充分成長，波高不再增大，而巨浪區(qū)的范圍向臺風外圍擴展。當臺風處于消失或者減弱階段，風速隨之減小，但臺風影響的海域仍有較大的波高。臺風中心的巨浪形成后，就從臺風中心向四周傳播。

海上風力發(fā)電機組在臺風與巨浪聯(lián)合作用下，除結(jié)構(gòu)強度破壞和疲勞失效，還容易出現(xiàn)海床過度沖刷、剪切破壞、海床液化等海床失穩(wěn)現(xiàn)象［10］，茲不贅述。

2 海上風電機組失效模式

2.1 整體傾覆

海上風力發(fā)電機組在臺風作用下，如果基礎(chǔ)尺寸或者埋深不夠，將導致基底大面積脫開，進而結(jié)構(gòu)整體傾覆。這種結(jié)構(gòu)失效形式又稱為顛覆性破壞，將帶來巨大的經(jīng)濟損失。2003年9月，臺風“鳴蟬”登陸日本沖繩群島的宮古島，造成1臺500 kW變槳距風力發(fā)電機組由于基底脫開而傾覆。2006年8月，臺風“桑美”登陸我國東南沿海，浙江蒼南鶴頂山風電場有2臺750 kW風力發(fā)電機組因臺風風速過大、結(jié)構(gòu)不能滿足抗傾覆要求而被“連根拔起”(見圖3)。值得說明的是，鶴頂山風電場風機基礎(chǔ)采用二次澆筑而成，先澆筑一塊正方形的鋼筋混凝土底板，然后再將基礎(chǔ)筒置于該底板上進行第二次澆筑，上、下2部分通過預(yù)留插筋連成一體。顯然，分2次澆筑嚴重破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，插筋數(shù)量、強度及錨固長度又不滿足抗臺風要求，因而留下了較大安全隱患。不難發(fā)現(xiàn)，風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式不合理、結(jié)構(gòu)尺寸及埋深過小是結(jié)構(gòu)整體傾覆最為重要的原因。由于海上風力發(fā)電機組整體傾覆會導致巨大的經(jīng)濟損失，在設(shè)計過程中應(yīng)當規(guī)避這種顛覆性破壞。

圖3 風力發(fā)電機組整體傾覆Fig.3 Overall overturning of wind turbines

2.2 塔筒破壞

對于風力發(fā)電機組而言，塔筒剛度遠不如基礎(chǔ)，但塔筒底部卻要承受與基礎(chǔ)相近的荷載。塔筒中最為薄弱的環(huán)節(jié)是塔筒底部且未設(shè)置加強環(huán)的部位，尤其是塔筒門處存在明顯的應(yīng)力集中，通常容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部屈服(材料達到抗拉強度或者抗扭強度)或者局部屈曲現(xiàn)象。2003年3月，臺風“埃麗卡”登陸西南太平洋上新喀里多尼亞島，造成島上洋李風電場5臺V27桁架式風力發(fā)電機組由于塔筒底部失效而倒塔。2003年9月，宮古島上2臺400 kW失速型風力發(fā)電機組在塔筒門處折斷，驗證了塔筒門處為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。2006年8月，浙江蒼南鶴頂山風電場有3臺600 kW的風力發(fā)電機組因塔筒底部失效而傾倒(見圖4)。其中，有1臺風力發(fā)電機組塔筒與基礎(chǔ)環(huán)連接處的螺栓因彎矩過大被拉斷，說明螺栓的安全裕度并不大。另外2臺初步判斷為塔筒局部環(huán)節(jié)比較薄弱而被拉斷或者壓屈。由于塔筒破壞亦屬于顛覆性破壞，在設(shè)計過程中也應(yīng)當避免。

圖4 風力發(fā)電機組塔筒失效Fig.4 Failure modes of wind turbine towers

2.3 葉片損毀

在風力發(fā)電機組中，葉片剛度遠小于基礎(chǔ)與塔筒，是柔性最大的構(gòu)件。此外，為了捕捉更多的風能，葉片通常采用較為復雜的結(jié)構(gòu)形式，故其風致振動形式及失效模式亦復雜多樣，其中以葉片根部折斷、葉片局部彎剪扭破壞為主。葉片根部容易折斷，是因為葉片根部的彎矩與剪力通常最大。一般來說，葉片會同時承受彎矩、扭矩及剪力，在三者共同作用下，葉片會在局部缺陷處形成縱向、橫向2條主裂紋。在反復荷載持續(xù)作用下，裂紋逐漸擴展為裂縫，當縱向裂縫與橫向裂縫完全貫通時，葉片局部脫落而損毀。2003年3月，臺風“埃麗卡”造成洋李風電場12臺V27風力發(fā)電機組葉片失效。2003年9月，臺風“杜鵑”引發(fā)紅海灣風電場9臺V47風力發(fā)電機組葉片破壞。2006年8月，浙江蒼南鶴頂山風電場有15臺風力發(fā)電機組葉片損毀(見圖5)。在各風電場損壞的葉片當中，葉根折斷較多，局部脫落亦不少。為此，在葉片生產(chǎn)過程中，應(yīng)進一步加強葉片局部缺陷的檢測力度，以增強葉片的抵御臺風的能力。

圖5 風力發(fā)電機組葉片失效Fig.5 Failure modes of blades

3 抗臺風設(shè)計

海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計是在充分認識臺風基本特征以及在臺風作用下海上風力發(fā)電機組失效模式的基礎(chǔ)上，形成科學合理的抗臺風設(shè)計理念，并提出行之有效的抗臺風舉措，以確保海上風力發(fā)電機組實現(xiàn)“兩階段”抗臺風設(shè)計:在遭遇最大風速小于設(shè)計風速的臺風時，其主要結(jié)構(gòu)和部件沒有損壞;而在遭遇最大風速超出設(shè)計風速的臺風時，其破壞損失控制在預(yù)期范圍內(nèi)，而不發(fā)生顛覆性破壞，在臺風過后，海上風電場可以迅速修復投運。

3.1 抗臺風設(shè)計理念

3.1.1 設(shè)計理念Ⅰ

抗臺風設(shè)計應(yīng)避免顛覆性破壞。在遭遇臺風侵襲時，如果發(fā)生風力發(fā)電機組倒塔，不僅風力發(fā)電機全損，風力發(fā)電機組支撐結(jié)構(gòu)(包括塔筒與基礎(chǔ))亦徹底失效，甚至風力發(fā)電機組運輸安裝費用、部分輸變電工程也受牽連損失，對于海上風電而言，這部分費用甚至超過風力發(fā)電機組本身，這種臺風損失稱之為顛覆性破壞。因此，為有效規(guī)避顛覆性破壞，應(yīng)該根據(jù)風力發(fā)電機組各部件失效造成的損失來確定各部件的安全系數(shù)，基礎(chǔ)、塔筒、機艙、輪轂、葉片的安全系數(shù)依次降低。同時，要非常謹慎地計算和設(shè)計葉片強度，在必要的情況下“丟車保帥”，即允許葉片在超過設(shè)計風速的超強臺風中屈服破壞，以降低風力發(fā)電機組整體風荷載，避免更為嚴重的破壞。在現(xiàn)有的風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，均采用荷載安全系數(shù)法以確保風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)安全達到一定的可靠度，且大部分荷載安全系數(shù)取為1.35。根據(jù)上述的原則，對于一些重要的部件，不妨將其安全系數(shù)提高到1.5～1.7，以保證整體結(jié)構(gòu)可靠度達到預(yù)期水平。

對多家經(jīng)歷臺風侵襲的風電場進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，葉片損毀是最常見的失效模式，葉片失效約占總結(jié)構(gòu)失效的75%，塔筒破壞約占15%，整體傾覆約占10%。可以肯定的是，這種分配趨勢跟設(shè)計理念基本一致，但分配比例還有待商榷。事實上，仍需要進一步提高支撐結(jié)構(gòu)(塔筒與基礎(chǔ))的安全系數(shù)，降低塔筒破壞、整體傾覆的概率，以避免傾覆性破壞帶來的巨大損失。

3.1.2 設(shè)計理念Ⅱ

實現(xiàn)基于可靠度的抗臺風設(shè)計。在抗臺風設(shè)計中，若將海上風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計得非常牢固，在遭遇極為罕見(如100年一遇)的臺風時，所有結(jié)構(gòu)及部件絲毫無損，這也未必盡然合理:因為在這種情況下，結(jié)構(gòu)成本會大幅度提高，與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全與經(jīng)濟均衡原則相違。此外，由于海上風力發(fā)電機組支撐結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)失效在大部分情況下不涉及人身安全問題(不主張工作人員在臺風期間去現(xiàn)場維修，維修工作可以選在臺風過后風和日麗的某一天)，相比民用建筑而言，可以適當降低其結(jié)構(gòu)可靠度。至于可靠度可以降低到何種水平，則跟國家的經(jīng)濟發(fā)達程度休戚相關(guān)。總體上，倘若國家經(jīng)濟較為發(fā)達，不妨相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)可靠度，反之亦然。此外，從投資商的角度來看，收益最大化將是確定結(jié)構(gòu)可靠度的重要依據(jù)。如果大幅度提高結(jié)構(gòu)可靠度，例如風力發(fā)電機組在遭遇100年一遇的臺風時結(jié)構(gòu)可靠度為99.9%(相應(yīng)的失效概率為0.1%)，則需要將結(jié)構(gòu)建造得極為牢固，前期投資將會很大。如果將結(jié)構(gòu)可靠度適當降低，例如結(jié)構(gòu)風力發(fā)電機組在遭遇100年一遇的臺風時結(jié)構(gòu)可靠度為99%(相應(yīng)的失效概率為1%)，此時結(jié)構(gòu)仍然較為牢固，但前期投資會大幅度降低。即便在未來20年的設(shè)計周期里不幸遭遇了100年一遇的臺風，100臺風力發(fā)電機組里有1臺失效，帶來了一定的經(jīng)濟損失，但從總投資來看，還是較為合理的。因此，確定可靠度閾值的指揮棒是投資收益最大化，并且與國家經(jīng)濟發(fā)達程度緊密相關(guān)。

3.2 抗臺風舉措

3.2.1 引入結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計本質(zhì)上是安全與經(jīng)濟的博弈，引入結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)將促使其達到一個較為理想的平衡。迄今，工程界已經(jīng)逐漸達成一個共識:結(jié)構(gòu)振動控制是一門頗為神奇的技術(shù)，擁有著讓人難以想象的投入產(chǎn)出比。在建筑工程以及橋梁工程中，被動控制技術(shù)已經(jīng)能夠游刃有余地應(yīng)用，主動控制技術(shù)亦逐漸獲得了認可，二者均在實際工程中取得了極好的效果。但在能源工程當中，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的應(yīng)用尚屬鳳毛麟角。鑒于此，研發(fā)了適用于海上風力發(fā)電機組的2種阻尼器形式，并獲得了2項實用新型專利技術(shù)(基于TLCD的風力發(fā)電高塔振動控制系統(tǒng)，專利號201020593903.2;基于圓環(huán)形TLD的風力發(fā)電高塔振動控制系統(tǒng)，專利號201020593873.5)，兩者振動控制原理為:粘滯液體隨著風力發(fā)電機組的振動而晃動，液體的晃動對管壁產(chǎn)生動壓力，此動壓力提供抑制振動的控制力。圖6為調(diào)諧液體柱形阻尼器，主要借助阻尼器中晃動的粘滯液體耗能，因而制作方便，成本較低。該阻尼器可通過U型管底面與機艙底面固定連接，從而能夠較為便利地置于風力發(fā)電機組機艙內(nèi)部。圖7為圓環(huán)形調(diào)諧液體阻尼器，除制作方便、成本較低之外，由于該阻尼器是圓環(huán)形，可以提供360°制振，任何方向上都能發(fā)揮控制效果。因為該阻尼器呈圓環(huán)形，故而能夠方便地置于風力發(fā)電機組塔筒中。

在遭遇臺風時，調(diào)諧液體阻尼器能夠在短時間內(nèi)消耗大量能量，從而維護海上風力發(fā)電機組整體結(jié)構(gòu)安全，有利于實現(xiàn)抗臺風設(shè)計。此外，在未遭遇臺風侵襲之時，調(diào)諧液體阻尼器亦能有效控制海上風力發(fā)電機組振動幅度，以延長其工作壽命，并增加其運行穩(wěn)定性。值得一提的是，與常規(guī)抗臺風措施相比，阻尼器具有體積小、重量輕、成本低、效果佳、配置靈活等優(yōu)點，在實際應(yīng)用當中，有望達到四兩撥千斤的效果。

3.2.2 采用鋼筋混凝土塔筒

一般來說，鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、延性好、變形能力強，其抗震性能要優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。然而，對于結(jié)構(gòu)抗風性能而言，結(jié)論未必如此。首先，盡管鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，由于作用于結(jié)構(gòu)上的風荷載與自重關(guān)系不大，而與結(jié)構(gòu)形狀、迎風面積、自振周期等因素緊密相關(guān)，所以作用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的風荷載未必大于鋼結(jié)構(gòu)，研究表明:在裝機容量相同的情況下，作用于鋼筋混凝土塔筒上的風荷載要明顯小于鋼塔筒［11-12］。其次，綜合各國的情況，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比一般為 0.01～0.02，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.03～0.08。顯然，鋼筋混凝土的阻尼比要遠大于鋼結(jié)構(gòu)，塔筒(見圖8)擁有較大的阻尼比，故而能夠消耗較多的能量，對抗臺風設(shè)計有利。此外，鋼筋混凝土塔筒還有耐腐蝕性好、造價低廉、自重較大等優(yōu)點。風力發(fā)電機組基底彎矩與水平荷載均較大，對海上風力發(fā)電機組更是如此，若此時結(jié)構(gòu)自重荷載較大，對海上風力發(fā)電機組整體結(jié)構(gòu)抗傾覆、控制風機基礎(chǔ)基底脫開面積將是很有幫助的。

圖8 鋼筋混凝土塔筒Fig.8 Concrete wind turbine tower

3.3 其他抗臺風舉措

與“三水準”抗震相似的是，海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計亦大體可分為“三水準”:當臺風來臨時，風力發(fā)電機組宜啟動偏航系統(tǒng);如果不足以抵抗臺風，還可進行機械剎車，此時最好能保持葉片空轉(zhuǎn)以消耗臺風能量;倘若仍然不夠抵御臺風，可以考慮犧牲葉片以保證風機基礎(chǔ)與塔筒的安全，等臺風過去之后，再將新的葉片或者修復的葉片重新安裝。

4 結(jié)論

(1)臺風具有極值風速大、非平穩(wěn)性強、風向變化快、與巨浪同步等基本特征，這些特征與海上風力發(fā)電機組抗臺風設(shè)計緊密相關(guān)。

(2)海上風力發(fā)電機組在臺風作用下的常見失效模式為整體傾覆、塔筒失效、葉片破壞等。

(3)抗臺風設(shè)計應(yīng)避免顛覆性破壞，并力爭實現(xiàn)基于可靠度的抗臺風設(shè)計。此外，引入振動控制技術(shù)、采用鋼筋混凝土塔筒等是較為理想的抗臺風舉措。

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