海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

（華電重工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

改革開放以來，我國大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，陸上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)了海上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海上風(fēng)電場的發(fā)展和建設(shè)速度明顯加快，我國逐漸開始發(fā)展清潔能源。為了轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，我國一步步增大了海上風(fēng)力能源的開發(fā)規(guī)模。上海東海大橋是我國第一個(gè)符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)并通過了國家發(fā)展和改革委員會(huì)要求的海上風(fēng)電場，電力高達(dá)10萬kW，并正式開始了建造工作，至2010年已建成投產(chǎn)。隨著海上風(fēng)機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)其的相關(guān)研究也逐漸深入，歐洲憑借得天獨(dú)厚的臨海條件和先進(jìn)技術(shù)，對(duì)風(fēng)能的運(yùn)用已是十分成熟。當(dāng)前，我國海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未明確，研究整體處起步階段，所以本文研究海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以期促進(jìn)我國風(fēng)能的開發(fā)和利用。

1 海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

我國當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)處于中游，部分風(fēng)力發(fā)電設(shè)備需要從國外進(jìn)口，和世界風(fēng)力先進(jìn)發(fā)電水平相比仍然相差甚遠(yuǎn)，技術(shù)方面存在一定缺陷，需要不斷地改進(jìn)技術(shù)，擺脫對(duì)外依賴，即使風(fēng)電新能源的成本已經(jīng)有所減少，但相較火電還未能在成本方面產(chǎn)生差距，風(fēng)電行業(yè)技術(shù)的不成熟對(duì)于風(fēng)電行業(yè)發(fā)展來說是需要盡快解決的難題。我國頒布并實(shí)施了一系列風(fēng)電法規(guī)，推動(dòng)了風(fēng)電的發(fā)展。2009年，我國已經(jīng)成為世界上最大的風(fēng)機(jī)市場，2012年底，裝機(jī)容量增加26.1 GW。同時(shí)，有了國家的大力扶持，預(yù)測到2020年，規(guī)模還將擴(kuò)大到3 000萬kW，發(fā)展前景一片光明。和其他國家相比，我國在海上風(fēng)電方面的建造經(jīng)驗(yàn)明顯不足，因此我國迫切需要建立和完善海上風(fēng)電相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范[1]。

2 研究海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 海上結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

陸上發(fā)電機(jī)經(jīng)過多次研究并改進(jìn)，人們?nèi)〉秘S富的經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)電行業(yè)整體發(fā)展有著極大的幫助，不僅有助于了解風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，還有助于了解基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求。陸上風(fēng)電場已經(jīng)取得了不小的成就和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而海上風(fēng)電場還要面對(duì)許多難題。海洋環(huán)境問題和風(fēng)機(jī)技術(shù)提升成為當(dāng)前主要需要解決的問題，技術(shù)問題涵蓋了波浪、海流、冰等因素對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的作用。

我國海上風(fēng)機(jī)研究時(shí)間較短，因此需要學(xué)習(xí)和借鑒其他國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。為了降低地理因素對(duì)海上風(fēng)電工程項(xiàng)目的影響，國際電工委員會(huì)編制了《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求》（IEC 61400-3—2016）。

現(xiàn)階段，我國海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)主要參考《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造推薦作法 工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》（SY/T 10030—2004）[1]。墨西哥灣沿岸安裝了近萬個(gè)海上結(jié)構(gòu)物，使得美國石油協(xié)會(huì)（API）的做法變得更準(zhǔn)確，可以在世界范圍內(nèi)運(yùn)用。

2.1.1 美國石油協(xié)會(huì)（API）

1969年，美國石油協(xié)會(huì)發(fā)布了《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造推薦作法 工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》（API RP 2A-WSD—1969）。從1969年至今，該標(biāo)準(zhǔn)不斷吸取整個(gè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，不斷完善，進(jìn)一步適配工業(yè)生產(chǎn)的千變?nèi)f化。依賴該標(biāo)準(zhǔn)，人們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)出適配與多種情況的結(jié)構(gòu)，涵蓋深水平臺(tái)和淺水平臺(tái)，以此來開發(fā)邊際油田。這種類型的結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)各種惡劣天氣，如颶風(fēng)、極端風(fēng)暴、地震或海嘯等。所以，該標(biāo)準(zhǔn)的用處非常大，可以提供許多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，并且適用于惡劣海洋環(huán)境中。它可以為海洋石油天然氣平臺(tái)設(shè)計(jì)提供助力，指明設(shè)計(jì)方向，同時(shí)能準(zhǔn)確運(yùn)用公式算出桿件的受力和承受的載重。

2.1.2 國際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）

國際電工委員會(huì)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)（TC-88）編制了風(fēng)機(jī)指南，即《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求》（IEC 61400-3—2016），主要用來對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋多個(gè)方面，設(shè)計(jì)面極廣，如設(shè)計(jì)需求、安全評(píng)價(jià)等。

2.1.3 挪威船級(jí)社（DNV）

挪威船級(jí)社全稱DET NORSKE VERITAS（簡稱DNV），于1864年成立，其總部位于挪威首都奧斯陸，歷史十分悠久，是一家專門管理風(fēng)險(xiǎn)的服務(wù)機(jī)構(gòu)。宗旨是“捍衛(wèi)生命與財(cái)產(chǎn)安全，保護(hù)環(huán)境”。2004年，DNV頒布了和海上風(fēng)機(jī)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，涵蓋多個(gè)方面，有設(shè)計(jì)指導(dǎo)參考、設(shè)計(jì)技術(shù)要求以及風(fēng)機(jī)安全知識(shí)。它可以運(yùn)用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也能運(yùn)用于其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如變電站和氣象桅桿等。

2.1.4 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）

1947年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立。ISO給國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展供給了世界范圍的架構(gòu)，它涉及商業(yè)工業(yè)、技術(shù)等方面的信息。2006年8月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，涉及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)建筑、機(jī)械化工程、生產(chǎn)制造、運(yùn)輸醫(yī)學(xué)等方面。其中包含和海洋技術(shù)相關(guān)的條款，但這些標(biāo)準(zhǔn)并不是針對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要是為海上結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，特別關(guān)注結(jié)構(gòu)物是否完整。

2.1.5 德國船級(jí)社（GL）

德國船級(jí)社（Germanischer Lloyd，簡稱GL）成立于1867年，歷史十分悠久，它是世界上最大的船級(jí)社之一，在測試、研究、改善安全等方面都處于世界領(lǐng)先地位。GL于1995年頒布了首版和海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行多次修訂[2]。

2.2 研究海上風(fēng)機(jī)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

美國設(shè)計(jì)海上結(jié)構(gòu)的主要標(biāo)準(zhǔn)是API RP 2A-WSD和《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造推薦作法 載荷與抗力系數(shù)法》（API RP 2A-LRFD—1993），IEC 61400-3參考了《石油和天然氣工業(yè)固定式海上鋼結(jié)構(gòu)》《ISO 19902—2007》。而ISO 19902是依靠API RP 2A-LRFD發(fā)展的，而API RP 2A-LRFD是由API RP 2A-WSD的20版本發(fā)展而來的。GL主要引用ISO標(biāo)準(zhǔn)以及德國船級(jí)社的規(guī)范和指南。

總的來說，上述標(biāo)準(zhǔn)皆認(rèn)為海上風(fēng)機(jī)與疲勞荷載、許多操作極限荷載和極端環(huán)境下的極限荷載息息相關(guān)。人們要根據(jù)不同的荷載、荷載組合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、極限荷載條件，明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

在荷載和荷載組合內(nèi)，API規(guī)范并未對(duì)風(fēng)機(jī)荷載這一因素進(jìn)行詳細(xì)考量，同時(shí)未考慮風(fēng)機(jī)荷載和環(huán)境荷載的結(jié)合。海洋資源固然豐富，同時(shí)存在許多極端的外部因素，對(duì)風(fēng)電設(shè)備存在不利影響，海洋波浪對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)影響極大。海上風(fēng)力發(fā)電不只需要考慮風(fēng)載荷，還需要考慮海洋影響。相對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)來說，風(fēng)力的載荷影響整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)荷載、環(huán)境荷載和其他荷載都需要結(jié)合規(guī)定予以確定，保證結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法上，API分為容許應(yīng)力法和荷載系數(shù)法，但是對(duì)海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)來說，容許應(yīng)力法是最普遍的方法。DNV、IEC和GL均采用荷載系數(shù)法。在校核IEC和GL的結(jié)構(gòu)時(shí)，要引用其他標(biāo)準(zhǔn)方法，遵守DNV內(nèi)部規(guī)定，這些規(guī)定在荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力系數(shù)方面都是十分明顯的[3]。

極限荷載要求較高，極限環(huán)境包含風(fēng)、浪、流等，API RP-2A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的海上結(jié)構(gòu)外部在同一段時(shí)間可能會(huì)同時(shí)遭遇各種極限環(huán)境。ISO 19902標(biāo)準(zhǔn)明確了極限環(huán)境下海上鋼制固定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)回歸周期。IEC 61400-1是一項(xiàng)已經(jīng)完成的陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，它能達(dá)到最大程度的兼容。其中，IEC 61400-1要求風(fēng)機(jī)能抵御50年一遇的極限外部條件。因此，海上風(fēng)機(jī)實(shí)際上并不需要過度注重設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以重選目標(biāo)，如選擇陸上風(fēng)機(jī)，它以自身設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，再考慮重現(xiàn)周期，設(shè)計(jì)IEC 61400-3指南中的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同樣，IEC 61400-1的陸上電機(jī)安全系數(shù)沒有特殊差別。IEC 61400-3約定的再現(xiàn)時(shí)間為50年，但前提是極限環(huán)境，包含極限風(fēng)或波浪等惡劣環(huán)境。GL和DNV共同推理極限外部條件的再現(xiàn)時(shí)間是50年。因此，相較DNV、IEC以及GL，API對(duì)于極限荷載方面要求更加穩(wěn)定。但無法通過重現(xiàn)周期的差異決定相對(duì)參數(shù)，因此可以選擇任意的再現(xiàn)周期，再通過荷載系數(shù)調(diào)整，達(dá)到提升安全性和穩(wěn)定性的目標(biāo)，最大限度地降低抗力影響。

3 選擇海上風(fēng)電的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

海上風(fēng)機(jī)的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有特別的要求，導(dǎo)致不一樣的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。API設(shè)計(jì)固定式結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)不包含風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，IEC以及GL更側(cè)重于這一部分，DNV規(guī)范更強(qiáng)調(diào)對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的約束。未來，我國更傾向于DNV規(guī)范，會(huì)將DNV作為我國設(shè)計(jì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，人們應(yīng)當(dāng)按照結(jié)構(gòu)的可靠性，開展海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)行精確評(píng)估，全面分析諸多因素，如荷載狀態(tài)、結(jié)構(gòu)種類和自然環(huán)境條件。與此同時(shí)，風(fēng)、浪、流的作用也不容忽視，人們要明確我國海洋環(huán)境，滿足風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，推動(dòng)我國風(fēng)電的發(fā)展。新時(shí)代，我國仍需要不斷地提升自身影響力，積極扶持和發(fā)展海上風(fēng)電行業(yè)，推動(dòng)新能源的發(fā)展，有效促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。