潮流能水輪機設計載荷工況研究

李志川，張　理，張　琳，張　亮

（1.中海油研究總院，北京　100027；2.哈爾濱工程大學，黑龍江　哈爾濱　150001）

潮流能水輪機設計載荷工況研究

李志川1，張理1，張琳1，張亮2

（1.中海油研究總院，北京100027；2.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001）

隨著技術的不斷發(fā)展，潮流能開發(fā)利用國際和國內分別進入了準商業(yè)化和示范工程階段，但潮流能利用方面相關標準研究仍處于起步階段，潮流能發(fā)電裝置的相關設計標準的缺失，嚴重制約了潮流能發(fā)電裝置的產業(yè)化進程。以500 kW海洋能獨立電力系統(tǒng)示范工程項目潮流能水輪機的設計經驗為基礎，開展潮流能水輪機設計載荷工況研究，從外部環(huán)境條件、發(fā)電機組運行狀態(tài)、載荷設計工況等幾方面進行了分析研究，為今后水輪機設計標準的制定奠定了基礎。

潮流能；水輪機；載荷；標準

隨著社會經濟的發(fā)展，我國能源生產已經不能滿足消費的需要，同時過度依賴化石能源的狀況不僅引起了對能源安全的擔憂，而且對我國的社會經濟和環(huán)境產生了重大影響，諸如2013年1月在我國北方及東部沿海地區(qū)發(fā)生的長達20余天的霧霾天氣。調整我國能源結構，大力發(fā)展清潔的可再生能源已迫在眉睫。我國沿海潮流能的年平均功率約為1.4×107kW，具備相當可觀的應用開發(fā)前景[1-2]。

潮流能開發(fā)利用始于20世紀70年代，近些年發(fā)展尤為迅速，世界上眾多研發(fā)機構研發(fā)設計了許多潮流能發(fā)電裝置，國際先進水平已經進入了準商業(yè)化階段，我國也進入潮流能開發(fā)利用示范工程階段。然而隨著技術不斷發(fā)展，在潮流能利用方面相關標準研究還處于起步階段，國際上目前僅有歐洲海洋能研究中心（EMEC）于2009年發(fā)布了潮流能開發(fā)的相關導則[3]。國內潮流能利用相關標準尚處于起步階段，相關標準基本空白。

對于潮流能開發(fā)利用而言，在潮流能裝置設計和研發(fā)過程中，如果沒有對潮流能發(fā)電裝置設計基本流程、基本內容和基本要求等的統(tǒng)一標準和規(guī)程，則無法保證采用相對統(tǒng)一的方法和衡量標準對潮流能裝置性能進行評估，從而無法保證潮流能發(fā)電裝置性能指標的可靠性，一定程度上制約了潮流能發(fā)電裝置的產業(yè)化進程。

在潮流能發(fā)電裝置設計中潮流能水輪機是最關鍵部件之一，水輪機設計的好壞直接影響著能量轉換的效率高低、制造成本以及壽命。在水輪機設計中必須確定水輪機所處的環(huán)境和各種運行條件下所產生的各種載荷，其目是對潮流能發(fā)電機組零部件進行強度分析（包括靜強度分析和疲勞強度分析）、動力學分析以及壽命計算，確保水輪機在其設計的壽命期內能夠正常運行。該項工作是水輪機設計中最基礎性工作，所有的后續(xù)工作都是以載荷計算為基礎的。

本文以500 kW海洋能獨立電力系統(tǒng)示范工程項目潮流能水輪機的設計經驗為基礎，開展潮流能水輪機設計載荷工況研究，為今后水輪機設計標準的制定奠定基礎。

1　潮流能水輪機設計外部條件

潮流能水輪機設計需要考慮的外部海洋條件包括流速條件、波浪、水位等。

從載荷和安全考慮，海洋條件可分為正常海洋條件和極端海洋條件。正常海洋條件指潮流能發(fā)電機組正常運行期間，重現(xiàn)期小于1 a的海洋條件，極端海洋條件的重現(xiàn)期則為1 a或50 a。

1.1流速

海水流速是水輪機吸收能量的主要來源，也是水輪機載荷的主要來源。

從載荷和安全角度考慮，流速可分為海上風力發(fā)電機組正常工作期間重現(xiàn)期小于1 a的正常流速和1 a或50 a一遇的極端流速。

站址的流速分布對設計至關重要。在正常設計狀態(tài)，它決定各載荷情況出現(xiàn)的頻率。一般采用10 min周期內的平均流速，來得到輪轂高度處平均流速Uhub(z)，它是由潮流流速Uc(z)、風生流速Uc,wind(z)和波浪誘導流速分量Uc,wave(z)組成[4]。

潮流流速分量，由于潮流流速沿水深不斷變化，一般采用潮流廓線模型表示，潮流廓線Uc(z)可表示成平均流速隨水深z的變化函數(shù)，如式（2）所示：

式中：Uc為靜水位流速，m/s；d為水深，m；z為輪轂到靜水位的距離，m。

風生流可用速度Uc,wind(z)計算如下：

式中：z為到靜水位的距離，m，在靜水位之下取負值。

d0一般取20 m，在水深小于20 m的場地，海底的風生流速為非零。

海表層風生流速度可假定與風向一致，并可按式（5）估算：

式中：V1-hour(z=10 m)在靜水位以上10 m高度處風速的1 h平均值，m/s。

波浪能生成的表層流，在考慮波浪和潮流全耦合運動學情況下，可運用適合的數(shù)值模型（如Boussinesq）來確定波生成的表層流值。對于方向與海岸線平行的近岸表層流，Uc,wave(z)可按式（6）估算：

式中：Hb為破碎波波高，m；α為海底坡度，(°)；g為重力加速度，m/s2。

1.2水位

計算潮流能水輪機的水動力載荷時，站址的水位變化范圍對計算載荷的影響應考慮在內。

(1)正常水位范圍(normal water level range, NWLR)

正常水位范圍應取為重現(xiàn)期為1 a的水位變化范圍。缺少特定場地水位長期概率分布特征數(shù)據(jù)時，應取正常水位范圍等于最高天文潮（highest astronomical tide，HAT） 和最低天文潮（lowest astronomical tide，LAT）之間的變化范圍。

極限載荷計算應基于正常水位范圍內產生最大載荷的水位，或對正常水位范圍內水位概率分布的合理考慮。

對于水動力疲勞載荷計算，在某些工況下，設計者可通過適當?shù)姆治鰜碜C明水位變化對疲勞載荷的影響可忽略，或者通過保守的方式，即采用大于或等于平均海平面的恒定水位來說明。

(2)極端水位范圍（extreme water level range, EWLR）

對于與重現(xiàn)期為50 a的波況相聯(lián)合的極限載荷情況，應采用極端水位范圍。在此范圍內，載荷計算應基于對潮流能水輪機產生最大載荷的水位。

1.3波浪

波浪也是潮流能水輪機主要載荷的來源之一。隨機波浪模型是反映真實海洋狀態(tài)特征的最好描述。該模型把實際海況描述為無限多個頻率不等、方向不同，振幅變化及相位隨機的微幅簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系，其波面位移服從均值為零的正態(tài)過程，該過程具有平穩(wěn)性和各態(tài)歷經性。

設計海況一般用波譜Sη、有義波高Hs、譜峰周期Tp和平均波向θwm來描述，其中，適當?shù)脑?，波譜可用方向擴展函數(shù)來補充。海浪譜通常有兩種形式[5-6]：

（1）單一方向傳播的長峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡稱P-M譜），Bretschneider雙參數(shù)譜，Jonswap譜；

（2）各方向傳播的短峰波譜，通常通過在單方向傳播長峰譜中引入方向擴展函數(shù)的形式來表達。

設計中，可用周期波或規(guī)則波來模擬真實海況。確定性設計波應定義其高度、周期和方向。

在潮流能發(fā)電機組設計中，應根據(jù)平均流速（U）、有義波高（Hs）、譜峰周期（Tp）的長期聯(lián)合概率分布來考慮流速和波浪的相互關系。上述參數(shù)的聯(lián)合概率分布受到安裝場地條件（如站址、水深、海底地形等）的影響，因此應通過適當?shù)拈L期測量（如適用），并運用數(shù)值后報技術來得到概率分布。正常流速和波浪的相互關系應考慮平均流向和平均波向，當流向和波向偏離時，應確保方向數(shù)據(jù)和潮流能發(fā)電機組的仿真技術是可靠的。

根據(jù)隨機海況和規(guī)則設計波的表述，將波浪模型定義如下：

（1）正常海況(normal sea state，NSS)

對于每個正常海況，應在適合于預期場地的海洋氣象參數(shù)的長期聯(lián)合概率分布的基礎上，選擇有義波高、譜峰周期和方向以及相關的平均流速。

計算疲勞載荷時，應確保所考慮的正常海況的數(shù)目和分辨率能充分說明疲勞損傷，其與海洋氣象參數(shù)的整個長期分布有關。

計算極限載荷時，正常海況應在平均流速給定值的條件下，以有義波高Hs的預期值為特征。應對各個有義波高考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。

設計計算應基于導致潮流能水輪機上作用有最大載荷的譜峰周期值。

（2）惡劣海況(scurviness sea state，SSS)

對于潮流能發(fā)電機組發(fā)電期間的極限載荷計算，應考慮惡劣的隨機海況模型與流速的組合。惡劣海況模型將惡劣海況與發(fā)電工況相應流速范圍內的每個流速相關聯(lián)。各個惡劣海況的有義波高Hs，SSS(V)通常應由合適的特定場地的海洋氣象數(shù)據(jù)外推確定，其有義波高和平均流速組合的重現(xiàn)期為50 a。對所有平均流速，重現(xiàn)期為50 a的絕對極值有義波高Hs50可作為Hs，SSS(V)的保守值。

應對各個有義波高考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。在此范圍內，設計計算應基于導致潮流能發(fā)電機組上作用有最大載荷的譜峰周期值。

（3）極端海況(extreme sea state,ESS)

對于極端隨機海況模型，應考慮重現(xiàn)期為50 a的極值有義波高Hs50和重現(xiàn)期為1 a的極值有義波高Hs1。Hs50和Hs1的值應通過對潮流能發(fā)電機組站址的適當測量或后報數(shù)據(jù)的分析來確定。應對Hs50和Hs1分別考慮合適的譜峰周期Tp的范圍。設計計算應基于導致潮流能發(fā)電機組上作用有最大載荷的譜峰周期值。

2　潮流能水輪機載荷計算工況

為了實現(xiàn)載荷計算目的，達到設計要求，水平軸水輪機的載荷計算是以機組將要承受的包含各重要條件的設計工況來體現(xiàn)的。計算工況的確定應將外界條件、水輪機運行狀態(tài)發(fā)生的概率與控制和保護系統(tǒng)動作等的組合方式放在一起考慮，水輪機載荷計算過程如圖1所示，由于水輪機和風力機原理和結構類似，因此水輪機設計工況可以借鑒風電風力機設計工況來制定。

圖1　水輪機載荷計算過程

2.1潮流能發(fā)電機組的運行狀態(tài)

潮流能發(fā)電機組的運行狀態(tài)可以分為正常運行狀態(tài)、極端狀態(tài)、故障狀態(tài)以及安裝維護狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　潮流能發(fā)電機組的運行狀態(tài)

正常運行狀態(tài)又分為發(fā)電、啟動和關機三種狀態(tài)。

2.2潮流能水輪機載荷

潮流能水輪機運行在非常復雜的載荷情況下，所受載荷既有周期性成分又有隨機成分。按照來源分類，一般把作用在水輪機上的載荷分為五類：即穩(wěn)定載荷、周期載荷、隨機載荷、瞬態(tài)載荷、諧振載荷。而在機組零部件的設計中，需考慮兩種載荷，它們是疲勞載荷和極限載荷。

疲勞載荷主要是在正常運行狀態(tài)水輪機機組零部件長期經受動載荷而產生的。在這種載荷的作用下，水輪機的許多零部件都會產生動應力，引起疲勞損傷，疲勞斷裂是水輪機零部件的主要失效形式之一

極限載荷在設計過程中預測是至關重要的，在水輪機的整個壽命期內很可能會經受若干次極限載荷，通常是以確定性的載荷情況為基礎來預測極限載荷，水輪機運行的過程中，必須考慮隨機和確定性載荷成分組合的概率分布。

2.3潮流能水輪機設計載荷工況

根據(jù)潮流能水輪機的原理和運行環(huán)境，水輪機設計可以參考和借鑒海上風電、船舶螺旋槳和海上導管架的相關標準。從結構和原理來看潮流能水輪機載荷工況與海上風電最為相似，但是也存在著不同之處，如下：

（1）潮流和波浪會同時直接作用在水輪機上，而海上風電潮流和波浪是作用在基礎平臺上，工況考慮潮流和波浪耦合的影響；

（2）考慮潮流穩(wěn)定性強的特點，去除流速、流向極端變化相關工況；

（3）潮流和潮汐變化相關性強，計算疲勞載荷水位應與流速對應考慮。

根據(jù)外部條件和潮流能發(fā)電機組的運行狀態(tài)制定的潮流能水輪機載荷設計工況如表1所示。

表中：DLC表示設計載荷工況；Uin表示切入流速，Uout表示切出流速；F表示疲勞載荷，UL表示極限載荷；流向和波浪方向同向表示流速和波浪作用在同一方向，偏向表示不在同一方向，單向表示載荷計算流速和波浪從最不利的方向作用，多向表示從多個方向組合作用。

表1　設計載荷工況表

3　總結

本文以500 kW海洋能獨立電力系統(tǒng)示范工程項目潮流能水輪機的設計經驗為基礎，開展潮流能水輪機設計載荷工況研究，從外部環(huán)境條件、發(fā)電機組運行狀態(tài)、載荷設計工況等幾方面進行了分析研究。給出了在潮流能水輪機設計過程應考慮的外部環(huán)境條件，制定了潮流能水輪機設計載荷工況。為今后水輪機設計標準的制定奠定了基礎。但本文所制定的工況只是一個基本工況情況，在實際設計中還需根據(jù)實際情況，完善設計載荷工況，例如對于漂浮式載體潮流能發(fā)電裝置，水輪機載荷還需要考慮載體運動的影響工況情況。對于座底式支撐結構潮流能發(fā)電裝置，水輪機載荷還需考慮漁網(wǎng)拖掛等影響。

[1]王傳崑，盧葦.海洋能資源分析方法及儲量評價[M].北京:海洋出版社,2009：15-17.

[2]Team D s T.The World Offshore Renewable Energy Report 2004-2008[R].2004：113-124.

[3]EMEC.Performance Assessment for Wave Energy Conversion Systems in Open Sea Test Facilities[M].European Marine Energy Centre Limited,2004.

[4]Garrad Hassan.Tidal Bladed Theory Manual[M].Garrad Hassan,2013.

[5]Germanischer Lloyd WindEnergie.Rules for Classification and Construction,IV Industrial Services,Part 2-Offshore Wind Energy, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines,Germanischer Lloyd WindEnergie[M].2005:18-19.

[6]DNV.DNV Offshore Standard:DNV-OS-J101.Design of Offshore Wind Turbine Structures[S].Det Norske Veritas.2010:38-42.

Study on the Load Conditions of the Tidal Current Energy Turbine Design

LI Zhi-chuan1,ZHANG Li1,ZHANG Lin1,ZHANG Liang2
1.CNOOC Research Institute,Beijng 100027,China; 2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China

With continuous technological progress,the development and utilization of tidal current energy has entered the stage of quasi commercialization abroad and the stage of demonstration at home.But the study on standard-setting for tidal current energy utilization is still in the initial stage.The industrialization of tidal current energy device has been seriously restricted by the lacking of relevant standards for the design of tidal current energy devices.In this paper,the load conditions are studied for the tidal current turbine design,based on the design experience acquired in the demonstration project of 500 kW ocean energy isolated power system.The aspects of the external environment,the operate condition of the turbine and load conditions are analyzed and studied in this paper,laying a foundation for future standard-setting for tidal current energy turbine design.

tidal current energy,turbine,load conditions,standards

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0090-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.018

2016-03-06

李志川（1982-），男，博士，主要從事海洋能利用方面研究。E-mail：lizhichuan77@163.com