海上風電單樁基礎載荷影響因素研究

吳加文，冀衛(wèi)東，王愛國

(1.長江三峽集團福建能源投資有限公司，福建 福州 350001；2.新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

在全球?qū)G色能源大力開發(fā)的今天，風電行業(yè)迅速發(fā)展，其中海上風電擁有穩(wěn)定的海風資源和較大的發(fā)電功率等優(yōu)勢，受到廣泛的研究和應用。我國較長的海岸線和寬闊的海域提供了豐富的風能資源，尤其對于經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)，發(fā)展海上風電是具有長遠意義的。相對于陸上風機，海上風機的環(huán)境更加復雜，不僅受到風作用，還受到海浪、海流、海冰等海洋環(huán)境的影響，因此海上支撐結(jié)構(gòu)載荷受到多個環(huán)境參數(shù)的影響。當前對于海洋環(huán)境載荷的模擬，開發(fā)出了較為成熟的計算模型，并運用于實際工程中。顯然，在海上風機的應用中，需要對給定的風機結(jié)構(gòu)和環(huán)境載荷參數(shù)進行一個初步的載荷的評估，由此需要研究各個結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對于風機載荷的影響規(guī)律。

本文將以興化灣Ⅱ期嵌巖式單樁基礎風機為研究模型，基于IEC61400-3標準[1]和Bladed軟件進行多工況的仿真計算，研究結(jié)構(gòu)頻率、塔架結(jié)構(gòu)、地質(zhì)參數(shù)和極限風速、海況對基礎載荷的影響規(guī)律。通過影響因素的規(guī)律研究，一方面，與同類型的項目進行比較時可以進行對載荷水平的預判或校驗；另一方面，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化也有指導意義。

1 載荷計算

海上風力發(fā)電機(OWT)由于處于海洋環(huán)境，不僅承受著自身重力，風載荷，還承受著波浪和水流等載荷。對于風機來說，這些載荷集中體現(xiàn)在風機基礎上會出現(xiàn)較大的傾覆力矩，因此基礎載荷需作為控制載荷，可通過降低基礎載荷從而保障風機的安全。在空氣動力學和水動力載荷等基本理論基礎上，可對風機的多種運行狀態(tài)進行仿真計算，從而獲取基礎載荷作為風機設計流程中的依據(jù)。本文按照IEC 61400-3標準[1]中風模型、波浪、流模型等環(huán)境載荷理論模型進行多工況的計算，使用Bladed軟件對興化灣II期工程中嵌巖單樁式基礎風機進行動力學仿真，計算得出相應基礎的極限載荷和疲勞載荷。

1.1 葉素動量理論

葉素動量理論是計算風機葉片氣動載荷的一種方法，在Rankine、Froude等建立的一維動量理論基礎上，H.Grauert提出了葉素動量理論[2]。

1.1.1 動量理論

動量理論主要是考慮風力機軸向的動量變化，氣流流經(jīng)風輪前后的動量變化量與風力機風輪能量的變化就是通過動量理論來描述的，進一步可推導出氣流來流速度與作用在風輪上的力之間的關系，還可用來估算風力機的理想出力和風能利用效率。

通過一系列假設前提，如圖1，可將氣流流過風輪的流動簡化為流管，氣流從無窮遠處流經(jīng)風輪旋轉(zhuǎn)形成的圓盤時，氣流中的部分動能轉(zhuǎn)化為風輪旋轉(zhuǎn)的機械能。

圖1 動量理論示意圖

根據(jù)流管中流經(jīng)任意截面的質(zhì)量守恒原理：

ρA∞U∞=ρAdUd=ρAwUw

(1)

風輪形成的致動盤會誘導氣流速度改變，即圓盤處的軸向氣流速度可寫為

Ud=U∞(1-a)

(2)

其中，a為軸向誘導因子。

1.1.2 葉素理論

風機的槳葉可以分成若干段葉素，每段葉素上的受力分析可轉(zhuǎn)化為該微段二維翼型的氣動分析，并且作用在葉素上的力與通過葉素掃過圓環(huán)的氣流的動量變化有關。忽略氣流的徑向作用，如圖2，作用在葉素軸向速度為U∞(1-a)，切向速度為Ωr。其投影到對應二維翼型的氣流速度在圖3中表示，由此確定翼型的攻角計算得出翼型上的升力和阻力[3]。

與總流速W垂直的升力為

(3)

與總流速W平行的阻力為

(4)

則軸向合力為

圖2 風機葉素圖

圖3 二維翼型氣動力圖

1.2 水動力計算

1.2.1 波浪譜

相較于陸上風機，海上風機受到海洋環(huán)境的影響，波浪載荷對基礎載荷的影響很大。在實際工程計算中，定義波浪譜的參數(shù)有義波高和周期峰值來描述隨機波浪，并通過海浪的監(jiān)測可得到描述波浪譜參數(shù)的概率分布。根據(jù)IEC61400-3標準，選用Jonswap譜的波浪模型來進行仿真計算[1]。Jonswap譜為歐洲國家對北海聯(lián)合研究的成果，其譜型可以表示：

SJS(f)=C(γ)·SPM(f)·γa

(5)

其中：γ是譜峰因子；C(γ)是歸一化因子。

(6)

1.2.2 Morison方程[3]

Morison方程一般用于計算海洋工程結(jié)構(gòu)的粘性阻力和慣性阻力，其方程可表示為

(7)

其中：Cd是粘性阻力系數(shù)；Cm是慣性系數(shù)。

1.3 Bladed軟件

Bladed軟件是英國GH公司開發(fā)的一款用于風電機組設計的專業(yè)軟件，并通過GL認證。該軟件是一個集成軟件包，可提供各種風模型、浪模型、控制系統(tǒng)等多種模型選擇，并且可進行功率分析、載荷計算以及強大的數(shù)據(jù)后處理計算，如圖4，為Bladed的功能模塊界面。本文通過標準化操作生成多工況的bladed仿真計算文件，并使用Batch進行批量計算。

圖4 Bladed功能模塊界面圖

1.4 載荷計算流程

本文根據(jù)IEC規(guī)范制定標準化載荷計算流程，如圖5，通過對風機結(jié)構(gòu)模型的確立和對風資源和水文參數(shù)整理設置多工況的環(huán)境參數(shù)，使用Bladed軟件生成工況文件并計算，最后進行數(shù)據(jù)的后處理，本文主要研究基礎載荷，因此主要獲取塔底的極限載荷和疲勞載荷。

圖5 載荷計算流程圖

2 整機模型

本文選取興化灣II期典型機位點處嵌巖單樁基礎式6 MW風機為研究模型，如圖6為單樁基礎風機的示意圖。該模型風機主要由機頭部件和支撐結(jié)構(gòu)組成，其中，支撐結(jié)構(gòu)由塔架和單樁基礎構(gòu)成，塔架采用兩直一椎結(jié)構(gòu)；泥面以下的樁體在Bladed模型建立中等效為泥面剛度矩陣，泥面以上的基礎有一部分受到浪流的載荷作用。

圖6 單樁基礎風機模型圖

如表1和表2，為模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和風、浪環(huán)境參數(shù)，可以從表1和表2中看出，本項目模型的風速較大，水深較淺，極限波高小，波浪具有風浪的特性，可以預判該模型的風載相對于浪載對結(jié)構(gòu)載荷的影響會更大。

表1 6 MW機組模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 環(huán)境參數(shù)表

3 影響基礎載荷因素

海上風機的主要載荷來源為風載荷和浪載荷，對于風機的塔架設計，風、浪載荷決定著塔底承受較大的剪力和傾覆力矩，同時風浪的隨機性和周期性會影響塔架的疲勞載荷。從圖6也可以看出，風載作用于槳葉傳遞到塔架，波浪載荷作用于基礎傳遞到塔架。本文以塔底載荷作為衡量基礎載荷的指標，從動力學角度分析，風、浪、流等載荷共同作用于風機機組，使得塔架產(chǎn)生較大位移和加速度，而塔底載荷即是結(jié)構(gòu)慣性載荷作用在塔底的集中體現(xiàn)[4]。因此影響基礎載荷的因素主要有風況、海況、整機結(jié)構(gòu)、基礎地質(zhì)參數(shù)等，本節(jié)將討論相關參數(shù)對基礎載荷的影響規(guī)律。

3.1 支撐結(jié)構(gòu)頻率對單樁基礎載荷的影響

海上機組支撐結(jié)構(gòu)由塔架和基礎組成，支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率是整機的動力學特性之一。支撐結(jié)構(gòu)頻率低意味著結(jié)構(gòu)更“柔”，結(jié)構(gòu)變形幅度會較大；而當外加載荷的頻率接近于結(jié)構(gòu)的固有頻率時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生共振，載荷將會大幅提升。因此，支撐機構(gòu)頻率對風機載荷起關鍵作用。對于風機，結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變都會影響到整機頻率的改變，本文以興化灣Ⅱ期單樁基礎風機為計算模型，模型結(jié)構(gòu)一階頻率為0.271 Hz，通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而研究結(jié)構(gòu)頻率影響基礎載荷的規(guī)律。

如圖7，在結(jié)構(gòu)頻率變化范圍內(nèi)，塔底極限載荷變化幅度較小，但可以看出隨結(jié)構(gòu)頻率增大而有小幅降低的趨勢；塔底疲勞載荷隨結(jié)構(gòu)頻率增加而顯著降低，同時在頻率為0.281 Hz后，載荷反而有增大的趨勢。

對于極限載荷，極限工況發(fā)生在DLC6.2，因此極限載荷受到極限風速的影響較大，塔架機構(gòu)頻率在變化范圍內(nèi)對極限載荷的影響度較??；而對于疲勞載荷，隨著結(jié)構(gòu)頻率增大，結(jié)構(gòu)更加“剛”，塔架振動趨于緩和，但當結(jié)構(gòu)頻率繼續(xù)增大時，將會靠近3P形成共振，因此疲勞載荷反而會逐漸增大。

圖7 塔底載荷與支撐結(jié)構(gòu)頻率變化關系圖

3.2 塔架結(jié)構(gòu)對單樁基礎載荷的影響

在風機設計過程中常常會對塔架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，塔架結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)及結(jié)構(gòu)布置對整機的結(jié)構(gòu)頻率有直接影響，進而影響基礎載荷。興化灣II期單樁基礎風機塔架采用“兩直一錐”分段結(jié)構(gòu)，本節(jié)通過改變塔架的壁厚，研究塔架結(jié)構(gòu)變化對基礎載荷的影響。

如圖8，更改塔架整體壁厚，在增加壁厚10%至減小壁厚10%的變化范圍內(nèi)，整機結(jié)構(gòu)頻率隨壁厚的增大而增大，但頻率的變化最大只有2%以左右，因此塔底疲勞載荷的變化并不顯著，即對于該機組，在一定范圍內(nèi)，壁厚的變化對塔底疲勞載荷并不敏感。

圖8 塔架壁厚對塔底疲勞載荷的影響圖

3.3 水深對單樁基礎載荷的影響

海上風機支撐結(jié)構(gòu)底部有一段浸沒在海水中，水深即表示平均水位與海床的高度差。水深影響風機支撐結(jié)構(gòu)底端結(jié)構(gòu)的剛度，對整機頻率有一定影響，進而影響結(jié)構(gòu)的載荷。如圖9，改變水深，塔底極限載荷和疲勞載荷隨水深增加而小幅增加。水深每增加1 m，塔底極限載荷增大不超3%，塔底疲勞載荷增大不超2%。因此對于本文模型，在水深范圍6～12 m內(nèi)，水深的變化對塔底載荷的影響較小。

圖9 水深對塔底極限載荷和疲勞載荷的影響圖

3.4 地質(zhì)參數(shù)對單樁基礎載荷的影響

在海上風機設計分析中，地質(zhì)參數(shù)對整機泥面處的剛度矩陣和一階頻率有直接的影響。本文以興化灣Ⅱ期嵌巖單樁基礎的掃頻計算為模型，簡化土壤模型，分析砂土的內(nèi)摩擦角、黏土的不排水抗剪強度對泥面剛度矩陣的影響，如圖10，在砂土內(nèi)摩擦角變化范圍內(nèi)，每增加5°的內(nèi)摩擦角，頻率值可提高0%～3%不等；在黏土不排水抗剪強度變化范圍內(nèi)，每增加5 kN/m2的不排水抗剪強度，頻率值可提高0.3%～2%不等。

圖10 地質(zhì)參數(shù)(內(nèi)摩擦角、不排水抗剪強度)對整機一階頻率的影響圖

3.5 極限風速和極限海況對單樁基礎載荷的影響

根據(jù)IEC規(guī)范，極限風速為輪轂高度處50年一遇極大風速10 min平均值，極限海況選用50年一遇極限有義波高和周期；極限工況中DLC6.1和DLC6.2為極限風速和極限海況的組合工況，本節(jié)通過分別改變極限風速和極限海況的參數(shù)，研究其對單樁基礎的影響。

如圖11，對DLC6.1空轉(zhuǎn)某一工況進行仿真，改變極限風速的大小對塔底載荷Mxy進行譜分析，可以看出,極限風速越大，塔底的振動載荷越大。

圖11 不同極限風速下塔底Mxy的譜分析圖

如圖12，改變極限海況中的有義波高，計算DLC6.1和DLC6.2的塔底載荷Mxy對應工況下的極限載荷，可以發(fā)現(xiàn)海浪極限波高的變化對極限載荷的影響微小，兩個工況下的極限載荷基本不變，而塔底載荷Mxy在全工況下極限載荷發(fā)生在DLC6.2，因此改變極限波高對塔底極限載荷沒有較大影響。

對于該項目，波浪載荷相對于風載荷對塔底載荷的貢獻較小，因此在極限工況中，極限風況對塔底極限載荷更加敏感，極限海況的變化對塔底極限載荷的影響甚微。

圖12 不同極限有義波高速下塔底相應工況下的極限載荷圖

4 結(jié) 語

本文以福建近海項目嵌巖單樁基礎風機為研究模型，研究影響單樁基礎的幾個重要因素，可得到以下結(jié)論：

1)整機頻率改變對塔底載荷影響較小，但對于疲勞載荷，當頻率增大時，塔底載荷會有減小的趨勢，當頻率繼續(xù)增加靠近3P共振區(qū)域，將會使得疲勞載荷增大；

2)在塔架壁厚變化10%范圍內(nèi)，增大塔架壁厚，整機頻率增大，對塔底疲勞載荷的影響較?。?/p>

3)水深的變化對塔底極限載荷和疲勞載荷的影響小，但載荷會隨水深的增加緩慢增加；

4)在一定范圍內(nèi)，每增加5°的內(nèi)摩擦角，頻率值可提高0%～3%不等；每增加5 kN/m2的不排水抗剪強度，頻率值可提高0.3%～2%不等；

5)由于該項目風速較大，波浪頻率較小，單樁基礎載荷中風載占主導，極限風速對極限載荷的影響較大，而極限海況對極限載荷的影響很小。

對于同類型項目，在對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)的初步評估基礎上，通過福建近海項目上述規(guī)律的發(fā)現(xiàn)將對福建海域海上風電基礎選型有一定的指導意義。