海況條件對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷的影響

尹景勛，宋聚眾

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

海況條件對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷的影響

尹景勛，宋聚眾

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章針對海況條件對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷的影響， 以某5 MW海上機(jī)組為例， 介紹海浪、 海流和潮汐在載荷計算過程中采用的理論方法和支撐結(jié)構(gòu)建模方法，對支撐結(jié)構(gòu)和海浪能量分別進(jìn)行模態(tài)分析和頻譜分析，同時根據(jù)GL2005 標(biāo)準(zhǔn)對極限載荷和疲勞載荷分不同情況分析， 結(jié)果表明海況條件對海上機(jī)組的塔筒底部影響較大， 對機(jī)組其他關(guān)鍵零部件影響很小，為大型海上機(jī)組關(guān)鍵零部件選取提供依據(jù)。

海況條件，頻譜分析，極限載荷，等效疲勞載荷

0引言

國外海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，而我國海上風(fēng)能的開發(fā)剛剛起步。 中國東部沿海水深2～ 15 m 的海域面積遼闊， 可利用的風(fēng)能約是陸上的3 倍， 將達(dá)到 7.5×105MW， 而且距 離電力負(fù)荷中心很近。隨著海上風(fēng)電場技術(shù)發(fā)展的成熟，近年來人們將開發(fā)風(fēng)電場的目光投向風(fēng)能資源更為豐富的近海海域，此地域主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)、又缺乏常規(guī)能源的東南沿海地區(qū)。

國內(nèi)首個海上風(fēng)電場―――上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電場項目已投運(yùn)，如東海大橋風(fēng)電場年有效風(fēng)時超過 8 000 h， 投產(chǎn)后滿 負(fù)荷小時 數(shù)可達(dá)到 2 600 h 以上， 發(fā)電效益便會 高于陸上風(fēng)電場30%以上。 雖然海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源的能量效益比陸地風(fēng)電場高，平均空氣密度較高，發(fā)電效率好；海上風(fēng)資源豐富，海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小、風(fēng)切變小，受到地形、氣候影響小，但是惡劣的海況條件將對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生不利影響。

1 海況條件

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與陸上機(jī)組運(yùn)行環(huán)境存在很大差異，對于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，必須充分考慮海上機(jī)組所處的運(yùn)行環(huán)境，除了考慮與陸上機(jī)組一樣的風(fēng)況外，還需要考慮另外關(guān)鍵因素海況條件，這是海上機(jī)組的兩大主要載荷來源。

1.1 波浪

海洋中波浪是一種十分復(fù)雜的隨機(jī)現(xiàn)象，研究海浪對海洋工程建設(shè)、海洋開發(fā)、交通航運(yùn)、海洋捕撈與養(yǎng)殖等活動具有重大意義。波浪因受到海面風(fēng)的直接作用，其傳播方向基本與風(fēng)向一致。波浪的形成及其浪高、周期與風(fēng)速大小、風(fēng)區(qū)范圍和風(fēng)時長短直接相關(guān)，它們相互間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，不同水深有不同的有限振幅波動理論。

圖1中給出的各種波浪理論模型在推導(dǎo)中采用了不同的假設(shè)條件和近似處理，使得它們在分析波浪運(yùn)動時都有各自不同的適用范圍。一般而言，根據(jù)水深情況采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在深水中影響波動性質(zhì)的主要因素是波陡，在淺水區(qū)域還需增加考慮相對水深的重要因素，在極淺水域則要考慮相對波高的影響。根據(jù)水深條件可以把波浪簡化為流函數(shù)、 線性 Airy 和斯托克斯模型，參考水深和波高關(guān)系定義適用的數(shù)學(xué)模型。

圖1 波浪理論應(yīng)用范圍

波浪載荷計算建立在波浪動力學(xué)理論基礎(chǔ)上，根據(jù)水深和波浪理論適用范圍進(jìn)行選擇，圖1給出了選擇波浪理論的參考。波浪載荷計算方法應(yīng)該根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)的尺寸、外形和類型確定，對于細(xì)長支撐結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)管架或單樁結(jié)構(gòu)，均可使用Morison 方程計算波浪載荷， 單位高度上的波浪載荷計算公式如下:

式中:

ρ―海水密度， kg/m3；

CD―阻力系數(shù)；

CM―慣性力系數(shù)；

u―海水的水平流速， m/s；

u˙ ―海水的水平加速度， m/s2；

D―支撐結(jié)構(gòu)管徑。

1.2 海流

海流是海洋中海水沿一定路徑的大規(guī)模流動，具有相對穩(wěn)定的流向、路徑和速度，由海洋內(nèi)部的熱鹽效應(yīng)及海面上的氣象因素作用引起，對海洋內(nèi)部物質(zhì)和能量交換起著重要作用，影響海水的物理化學(xué)特性。海流的空間規(guī)模有大有小，時間尺度有長有短，表現(xiàn)形式多樣，引起海流原因多樣，主要與風(fēng)及氣壓作用、海水溫度、鹽度分布變化密切相關(guān)。

海流在空間和時間上不斷變化，但一般認(rèn)為海流是定常速度和方向的水平均勻流場，僅隨著水深度變化而變化。海流速度應(yīng)考慮由潮汐、風(fēng)暴潮和大氣壓力變化等引起的次表面流、風(fēng)生近表層流、近岸波浪生成的與海岸平行的表層流，總的海流速度是以上三者速度的矢量和。

海流對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的載荷，主要表現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)水下部分的作用，具體計算見式 （2）。 當(dāng)采用 Morison 方程計算波浪載荷時，應(yīng)將波浪水質(zhì)點(diǎn)速度與海流速度矢量疊加；當(dāng)采用勢流理論時， 海流載荷計算按公式（2）， 再與波浪載荷矢量疊加。

式中:

CD―阻力系數(shù)；

ρ―海水密度， kg/m3；

A―單位長度管件在垂直于海流方向的投影面積， m2/m；

Uc―海流速度， m/s。

1.3 潮位

潮汐反映的是一種海面上周期性的波動，帶來的是水面高程發(fā)生變化，它所產(chǎn)生的最高水位和最低水位及潮流的大小和方向等與海洋工程結(jié)構(gòu)物和港灣堤岸等的設(shè)計、施工、生產(chǎn)與安全密切相關(guān)。高低潮高度及其出現(xiàn)時間關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基的安全，也是機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)物受海水腐蝕最嚴(yán)重的部位。影響水位變化的因素很多，包括地理地形和氣象氣候等，具有短時間到長時間的變化規(guī)律，所以在風(fēng)機(jī)設(shè)計時需要考慮此因素。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷仿真過程中，波浪、海流和潮位是影響載荷大小的關(guān)鍵因素。三者因素對機(jī)組的樁基設(shè)計和機(jī)組塔筒設(shè)計至關(guān)重要，所以在仿真計算前要搜集這些方面的數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)理論計算對機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的載荷計算與分析。

2 仿真計算

本文以某5 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例， 機(jī)組額定風(fēng)速 12m/s， 額定功率 5 MW， 安裝于江蘇如東風(fēng)電場。 機(jī)組載荷利用英國 GH公司的Bladed 軟件計算與分析， 根據(jù) GL 2005 標(biāo)準(zhǔn)劃分兩種情況極限和疲勞載荷工況，極限工況選取惡劣條件分析海況條件對機(jī)組關(guān)鍵部件載荷的影響，疲勞載荷工況仿真所有疲勞情況，同時用等效疲勞載荷驗證極限載荷中得到的結(jié)論。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與陸上機(jī)組建模主要區(qū)別在于支撐結(jié)構(gòu)部分，而機(jī)組其他部分與陸上機(jī)組一樣。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)

與陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同之處在于機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)部分，圖2給出了支撐結(jié)構(gòu)以及海床以下各土層的分布情況，每層土壤的特性均不相同，其樁在這種情況下是樁-土相互作用的問題，樁利用周圍土壤的抗力承擔(dān)水平方向的載荷，樁本身在水平載荷和力矩作用下將會產(chǎn)生水平變位和彎曲應(yīng)力。

圖2 土層分布情況

目前支撐結(jié)構(gòu)建模采用的是 P-y曲線， 這種方法較好反應(yīng)了土壤在受水平載荷作用下的彈性變形，以及樁在循環(huán)浪載荷、海流以及短期靜載荷作用下的變形。根據(jù)圖2中不同土層的土壤特性， 利用 P-y 曲線方法計算各土層的側(cè)向力和位移的關(guān)系，作用到樁基礎(chǔ)的不同節(jié)點(diǎn)位置上，最終簡化在每個土層的作用點(diǎn)位置進(jìn)行加載，建立局部的運(yùn)動方程求解。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

圖4 海浪的頻譜密度分布情況

圖3給出了機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的前兩階固有頻率和模態(tài)結(jié)果，上圖為第一階模態(tài)，下圖為第二階模態(tài)，表明了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)。圖4給出了不同風(fēng)速下海浪能量的頻譜分析，可以看出，風(fēng)速增加的同時海浪高度也增加，相應(yīng)產(chǎn)生的海浪能量也增大，而圖中塔筒一階固有頻率為 0.311 Hz， 此時海浪的能量沒有出現(xiàn)尖峰且很小，說明海浪不會引起機(jī)組塔筒的共振。

2.2 極限載荷

極限載荷選取 GL 2005 表中 dlc1.5 中額定風(fēng)速工況，此工況風(fēng)電機(jī)組遭遇一年一遇的極端工作陣風(fēng) （EOG1）兼電網(wǎng)掉電的載荷情況， 其風(fēng)速變化極端惡劣，因此運(yùn)行結(jié)果一般會導(dǎo)致快速停機(jī)或安全鏈停機(jī)，風(fēng)機(jī)各部件承受的極限載荷較大，在極限載荷中屬于非常惡劣的工況，仿真條件 風(fēng) 速 12 m/s， 陣 風(fēng) 幅 度 5.79 m/s， 水 深 1.2 m，周期 10.5 s， 浪高 0.885m， 周期 5.14 s 等。

圖5給出了有海況條件和無海況條件兩種情況在 EOG1工況下各部件關(guān)鍵載荷， 可以明顯看出， （a）塔筒底部載荷 Myz變化比較大， 主要原因是海浪高度和海流流速共同作用引起的，兩種因素產(chǎn)生的載荷直接作用于塔筒底部； 而從 （b）塔頂載荷 Myz、 （c）輪轂中心載荷 Myz 和 （d）葉根載荷 （Mxy、 揮舞力矩、 擺振力矩）可得到海況條件對其他關(guān)鍵部件的載荷影響很小，說明海況載荷對機(jī)架、輪轂和葉片揮舞擺振的結(jié)構(gòu)極限載荷設(shè)計影響不大。

圖5 關(guān)鍵部件極限載荷對比

2.3 疲勞載荷

從極限載荷分析結(jié)果可以看出，海況載荷對塔筒底部的影響大，所以對于疲勞載荷從塔筒底部的等效疲勞載荷進(jìn)行分析，而葉片根部揮舞力矩進(jìn)一步說明海況對其影響很小。為了說明海況條件的影響，分3種情況:風(fēng)載與海況共同作用、風(fēng)載單獨(dú)作用和海況單獨(dú)作用。疲勞載荷計算條件: 年平均風(fēng)速 7.5 m/s 的瑞利 分布， 機(jī) 組設(shè)計壽命 25 年， 參考循環(huán)次數(shù) 1E+07。 針對每種情況，先根據(jù) GL 2005 標(biāo)準(zhǔn)計算所有疲勞載荷工況， 然后根據(jù)載荷時間歷程進(jìn)行雨流計數(shù)統(tǒng)計處理，最終根據(jù) Miner理論計算各部件的等效疲勞載荷。

圖6 3種情況對比

圖 6 （a）給出了塔筒底部傾覆力矩 3 種情況的對比圖，在海平面附近塔筒截面位置處的等效疲勞載荷，僅受風(fēng)載單獨(dú)作用時等效載荷最小，僅受海況載荷單獨(dú)作用時等效載荷最大，風(fēng)載和海況載荷共同耦合作用時等效載荷處于中間。從圖中可以看出，波浪增加了塔筒底部疲勞載荷，但風(fēng)載產(chǎn)生的氣動阻尼降低了兩者共同作用于塔筒上的疲勞載荷，小于兩者之間簡單的線性疊加，而遠(yuǎn)大于僅風(fēng)載作用下的等效疲勞載荷，說明如果水足夠深、浪高大，將對塔筒底部的等效疲勞載荷影響增大。

圖 6 （b）給出了葉片根部揮舞力矩在 3 種情況下的對比圖，可以看出風(fēng)載荷占主導(dǎo)作用，受海況載荷影響較小，兩者共同作用時葉根揮舞力矩等效疲勞載荷與風(fēng)載單獨(dú)作用時基本一致，說明葉片等效疲勞載荷受海況條件的影響很小。

3 結(jié)論

本文介紹了海況條件計算風(fēng)機(jī)載荷的理論方法和海上機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的建模方法，同時對海浪能量進(jìn)行頻譜分析，判定海浪譜密度分布不會引起塔筒的共振。計算海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊極限工況和所有疲勞載荷工況，針對兩種工況進(jìn)行不同情況對比分析，結(jié)果表明海浪條件可明顯增加塔筒底部位置處的極限載荷和等效疲勞載荷，而對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其他關(guān)鍵位置影響較小，可說明其他部件承受的極限疲勞載荷受海況條件的影響較小。通過這次深入分析海況條件對機(jī)組載荷的影響，為大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件選擇提供可靠依據(jù)，奠定了今后風(fēng)力發(fā)電市場進(jìn)軍海上的基礎(chǔ)。

[1]王彥紅.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析[D]. 天津大學(xué),2009

[2]李德源,劉勝祥, 張湘?zhèn)?海上風(fēng)力機(jī)塔架在風(fēng)波聯(lián)合作用下的動力響應(yīng)數(shù)值分析[J].機(jī)械工程學(xué)報,2009,45(12): 46-52

[3]GL.Germanischer Lloyd W indEnergie GmbH,Rules and Guidelines,IV-Industrial Services,Guideline for the certification ofw ind turbines,Edition 2005

Influence of Ocean Condition for O ffshore W ind Turbine Load

Yin Jingxun， Song Juzhong
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The articlemainly describes the influence of ocean condition for offshore wind turbine load.For 5 MW offshore wind turbine,it introduces the theorymethod ofwave,current and tidal and themodeled method of support structure.And the support structure ismodel analyzed and the wave energy is spectrum analyzed.Then the extreme and fatigue load in according to some different cases based on GL2005 is calculated.So the results show that the load including extreme and fatigue of tower bottom will be larger in the ocean condition,but the load of other components are nearly keep constant.This will provide a basis for selecting the key parts of larger offshore wind turbine.

ocean condition,spectrum analysis,extreme load,equivalent fatigue load

TK83

： A

： 1674-9987(2014)02-0048-05

國家國際科技合 作專項資助： 5 MW海上風(fēng)機(jī)聯(lián)合研發(fā) （項目編號:2010 DFB70710）。

尹景勛 （1982-）， 男， 碩士研究生， 工程師， 2009 年畢業(yè)于華北電力大學(xué)流體機(jī)械及工程專業(yè)， 現(xiàn)主要從事風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)仿真工作。