不同海域水文環(huán)境與風(fēng)力機(jī)疲勞載荷差異性研究

摘要：在整機(jī)基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，了解波浪載荷對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞載荷的影響至關(guān)重要。該文選取中國沿海地區(qū)部分典型海上風(fēng)電場址，通過波浪凝聚及JONSWAP譜，對所選典型場址的波浪水文條件進(jìn)行分析處理，并以此為變量，仿真研究不同波浪對于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷影響。最后，引入風(fēng)浪異向，更貼合實(shí)際地評估波浪對疲勞載荷的影響。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；波浪載荷；水文環(huán)境；疲勞載荷；塔底載荷；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

中國擁有豐富的海洋資源，海岸線長達(dá)1.8萬km，主張的管轄海域面積可達(dá)300萬km2，接近陸地領(lǐng)土面積的三分之一，這為海上風(fēng)電的發(fā)展提供了良好的保障。而與陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同的是，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不僅會受到風(fēng)載荷的影響，同時(shí)也會受到波浪作用產(chǎn)生載荷的影響。在機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)的過程中，分析評估波浪對于海上機(jī)組的疲勞影響至關(guān)重要。

海上環(huán)境復(fù)雜多變，受地形、氣候等影響，沿海各處的波浪強(qiáng)度也各不相同，要得到詳細(xì)的波浪數(shù)據(jù)需經(jīng)過長時(shí)間的觀測記錄。孫博文等1使用STAR-CCM+軟件，使用CFD方法對固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基礎(chǔ)在波浪中受到的載荷進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)應(yīng)用勢流理論的工程方法進(jìn)行對比；樊惠燕[2]針對NREL5 MW單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，綜合應(yīng)用理論分析與模擬方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)受到的不規(guī)則風(fēng)載荷和波浪載荷，并對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)及疲勞分析；于海鵬3采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)在波浪作用下的動力響應(yīng)及疲勞分析；陳為飛等[4基于風(fēng)速沿高度變化的Simiu譜模擬計(jì)算風(fēng)載荷，分析風(fēng)浪作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架動力特性；丁明華[5計(jì)算了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)自振特性，并對不同模型的動力響應(yīng)進(jìn)行比對分析。上述文獻(xiàn)對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到的波浪載荷進(jìn)行了分析研究，但缺少對中國沿海海域的波浪情況以及對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞影響的差異性分析。

為探究波浪載荷對于海上機(jī)組的疲勞損傷的影響，本文基于中國沿海部分海上風(fēng)電場址的波浪散點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過波浪凝聚及JONSWAP能量譜分析，運(yùn)用仿真軟件對某8.X MW海上機(jī)組在不同波浪下的關(guān)鍵部件疲勞載荷進(jìn)行模擬計(jì)算，并與僅受風(fēng)載荷的載荷情況進(jìn)行對比分析。并將風(fēng)浪方向引入考慮，進(jìn)行載荷仿真比較，得出波浪對機(jī)組葉片、塔筒和基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)等的疲勞影響。

1中國海上水文環(huán)境分析

1.1水文環(huán)境選擇

中國海域由渤海、黃海、東海和南海組成。四海相連，環(huán)布亞洲大陸東南部。北面與西面瀕臨中國大陸、中南半島和馬來半島，東、南以朝鮮半島、日本九州島、琉球群島、臺灣島、菲律賓群島與太平洋相鄰。

與內(nèi)陸風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有高風(fēng)速、低風(fēng)切變、低湍流、高產(chǎn)出以及使用壽命長等優(yōu)勢。然而，海上風(fēng)電也面臨了很多挑戰(zhàn)與難題，最主要的挑戰(zhàn)就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)建造以及與陸上的電網(wǎng)連接，還存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)、修理以及波浪腐蝕防護(hù)等問題。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，風(fēng)電場的選址大致分為3個(gè)階段。第1階段：參照中國國家海上風(fēng)能資源分布劃區(qū)，確認(rèn)風(fēng)資源豐富地區(qū)內(nèi)的候選風(fēng)能資源區(qū)。第2階段：篩選資源區(qū)，確認(rèn)具有開發(fā)前景的場址。第3階段：具體分析，包括進(jìn)行現(xiàn)場測風(fēng)，取得至少一年的完整測風(fēng)資料，以便對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量做出精確的估算；確認(rèn)風(fēng)資源特性與待選風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的運(yùn)行特性相匹配；進(jìn)行初步工程設(shè)計(jì)，確認(rèn)開發(fā)費(fèi)用；確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響；評價(jià)場址建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

根據(jù)上述原則并結(jié)合已建成的海上風(fēng)電場址，按區(qū)域選擇中國沿海海域的9個(gè)海上風(fēng)電場址，具體位置信息如表1及圖1所示。

1.2波浪分析

海上環(huán)境復(fù)雜多變，受地形、氣候等影響，沿海各處的波浪強(qiáng)度也各不相同，要得到詳細(xì)的波浪數(shù)據(jù)需經(jīng)長時(shí)間的觀測記錄，通過衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)可獲取到全球任一經(jīng)緯度水文數(shù)據(jù)，以此作為波浪水文的數(shù)據(jù)來源之一，數(shù)據(jù)樣式見圖2。為得到各個(gè)場址的波浪環(huán)境條件，通過部分場址的可研報(bào)告以及衛(wèi)星反演獲取的波浪散點(diǎn)分布圖，可得到波浪凝聚后的波高與周期，再通過JONSWAP波浪譜可評估波浪能量。

1.2.1波浪凝聚

在得到各風(fēng)速下的波浪散布圖后，根據(jù)Burton等7描述的波浪凝聚方法，通過散布圖的數(shù)量分布，以譜峰周期劃分為有限組波浪散點(diǎn)。具體凝聚步驟如下：

1）將各組譜峰周期下的概率相加；

2）將每個(gè)周期間隔對應(yīng)的頻率，除以該周期間隔的中間值，并將結(jié)果按分組相加；

3）將各組中各波高下的概率之和乘以對應(yīng)波高的m次方，相加后除以步驟1）中的概率結(jié)果，并將得到的數(shù)值開m次方根，得到該風(fēng)速下的凝聚波高；

4）將步驟1）與步驟2）中的結(jié)果相除，得到該風(fēng)速下的凝聚波高對應(yīng)的周期。

通過計(jì)算，由波浪散布圖得到波浪凝聚后的波高和譜峰周期，計(jì)算式7為：

式中：Hs——波浪凝聚波高；T，——波浪凝聚譜峰周期；pi——各區(qū)間譜峰周期對應(yīng)波浪的出現(xiàn)概率；Hs，——各區(qū)間波高的中位數(shù)；T，——各區(qū)間譜峰周期對應(yīng)波浪的出現(xiàn)概率與區(qū)間譜峰周期中位數(shù)的比值。

1.2.2波浪能量

根據(jù)波浪凝聚結(jié)果，可得到各風(fēng)速下的波高、周期與風(fēng)速概率。

根據(jù)Tony Burton等所介紹的JONSWAP波浪譜7，其計(jì)算表達(dá)式為：

其中：

根據(jù)式（3），可得到任意頻率下的波浪能量，再通過波浪凝聚結(jié)果，累加為波浪的能量結(jié)果。

1.3波浪水文結(jié)果

表2對各地點(diǎn)的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，表2的波高與周期為凝聚成一組的結(jié)果，可看出不同地區(qū)，波浪水平各不相同，總體上長江以北地區(qū)，波浪較為平緩；長江以南地區(qū)，波浪較為劇烈。

2疲勞載荷介紹

疲勞是材料在受到不斷應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生裂紋并最終斷裂的局部性永久破壞過程。疲勞強(qiáng)度一般表示材料抵抗交變載荷多次反復(fù)作用的能力，而在評估風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞強(qiáng)度時(shí)，一般采用疲勞壽命的概念，即材料部件歷經(jīng)交變載荷作用且發(fā)生破壞之前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)或總時(shí)間。

根據(jù)IEC 61400-3-1《固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》，疲勞工況為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壽命期內(nèi)運(yùn)行期間，對由大氣湍流和隨機(jī)海況所引起的載荷評估。本文設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組僅受風(fēng)載以及同時(shí)受風(fēng)浪聯(lián)合兩種情況，并根據(jù)仿真結(jié)果，分析波浪對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞載荷影響。

根據(jù)Miner線性損傷理論，將各種應(yīng)力轉(zhuǎn)化為以N？為循環(huán)基數(shù)的等效應(yīng)力σ。通過使用仿真軟件，可得到疲勞幅值、均值和循環(huán)次數(shù)的矩陣，即Markov矩陣，并以此計(jì)算得到等效疲勞L。，表達(dá)式為：

式中：L——等效疲勞載荷；m——結(jié)構(gòu)疲勞指數(shù)；L，——第i級疲勞載荷幅值；n，——第i級疲勞載荷幅值對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；n——等效疲勞損傷循環(huán)次數(shù)。

在得到等效疲勞載荷的情況下，通過式（5）可得到波浪疲勞損傷占比ξ的表達(dá)式：

式中：L——波浪等效疲勞載荷；L——第i級波浪疲勞載荷幅值；n;——第i級波浪疲勞載荷幅值對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

3風(fēng)浪同向波浪載荷分析

為研究不同條件的波浪對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞影響，以某8.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在風(fēng)況條件相同、僅設(shè)置不同波高及譜峰周期的水文條件情況下，且僅考慮風(fēng)和波浪同一方向，計(jì)算疲勞工況的塔底M，、葉根M、旋轉(zhuǎn)輪轂M，及塔頂M，的等效疲勞載荷，其中疲勞載荷所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N取10？。，仿真條件參數(shù)如表3所示。

由表4可見，對于同一機(jī)型機(jī)組，在其他環(huán)境條件均相同的情況下，有無波浪的情況下對塔頂機(jī)頭等部件的疲勞載荷影響極??；而不同地區(qū)波浪對風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的塔底疲勞載荷的影響各不相同，通過還原塔底疲勞損傷，可得波浪損傷的占比且波浪損傷占比普遍較大，具體結(jié)果見表5。

結(jié)合各點(diǎn)的波高和譜峰周期，與波浪損傷占比進(jìn)行對比，可得到波浪波高與周期并不能單獨(dú)影響波浪損傷，且波高與損傷成正相關(guān)，周期與損傷成負(fù)相關(guān)。

4風(fēng)浪異向波浪載荷分析

在現(xiàn)實(shí)狀況中，波浪和風(fēng)的方向是隨機(jī)的，僅考慮風(fēng)浪同向的情形并不能包絡(luò)所有情況。水質(zhì)點(diǎn)以圓周方式進(jìn)行運(yùn)動，水動力呈周期性變化，即0°與180°方向的波浪可看作相同的運(yùn)動波浪。根據(jù)輸入的風(fēng)浪方向聯(lián)合概率分布圖，將各風(fēng)速下360°的風(fēng)浪方向合并到0°～180°方向上，并把每個(gè)風(fēng)速下的概率相加，得到夾角為n°時(shí)波浪發(fā)生的概率。計(jì)算山東昌邑、寧波象山、溫州蒼南及廣東惠州4個(gè)區(qū)域，考慮風(fēng)浪異向的疲勞工況，其余條件均與風(fēng)浪同向一致，各個(gè)關(guān)鍵載荷結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6和表7，可通過對比得知風(fēng)浪方向?qū)λ敊C(jī)頭的載荷幾乎無影響，而對支撐結(jié)構(gòu)的塔底載荷，有顯著影響。由于風(fēng)浪同向是將波浪與風(fēng)施加在同一方向，即考慮結(jié)構(gòu)可能受到的最大載荷，故細(xì)化風(fēng)浪方向，對波浪疲勞載荷有一定的降低效果，但波浪對支撐結(jié)構(gòu)的疲勞影響依舊很大，不可忽視。

5結(jié)論

本文通過中國沿海部分典型海上風(fēng)電場的波浪散布圖，運(yùn)用波浪凝聚和JONSWAP波浪譜，得到各海上風(fēng)電場址的波浪波高和譜峰周期。通過上述結(jié)果對某8.X MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行仿真比對，分析不同波浪環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部分疲勞載荷的影響。得出結(jié)論如下：

1）中國海上環(huán)境多變，各風(fēng)速下波浪波高和譜峰周期差異較大?？傮w看，長江以北地區(qū)，波浪較為平緩；長江以南地區(qū)，波浪較為劇烈。

2）仿真結(jié)果表明，對于固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，波浪環(huán)境對機(jī)頭各部件載荷的影響較小。因此，在考慮不同地區(qū)的載荷場址適應(yīng)性時(shí)，固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)頭部分的載荷主要受風(fēng)資源環(huán)境影響，應(yīng)根據(jù)風(fēng)資源情況進(jìn)行具體評估。

3）波浪對支撐結(jié)構(gòu)的損傷影響較大，在波浪較劇烈的地區(qū)可達(dá)到90%以上的占比。相比風(fēng)浪同向，風(fēng)浪異向的仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，仿真載荷結(jié)果也小于風(fēng)浪同向疊加的情形。以上表明，對于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，波浪環(huán)境的影響不容忽視，尤其在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，波浪數(shù)據(jù)越詳細(xì)、越準(zhǔn)確，對于基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞載荷評估可靠性越大。

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RESEARCH ON DIFFERENCE OF HYDROLOGICAL ENVIRONMENT ANDWIND TURBINE FATIGUE LOAD IN DIFFERENT SEAAREAS

Ge Jun，ChenQian，WangRuiliang，Sun Yong

（Key Laboratory of Wind Pover Technology of Zhejiang Province，Windey Energy Technology Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Abstract：In the design and development process of the base support structure of the whole turbines，it is very important to understandthe influence of wave loads on the fatigue load of offshore wind turbines.This paper selects some typical offshore wind farm sites incoastal areas of China，and analyzes the processes the wave hydrological conditions of each site through wave condensation andJONSWAPspectrum，and uses this as a variable to simulate the fatigue load of different waves on key components of offshore windturbines.Finally，wind and wave misalignmentis introduced to evaluate the effect of waves on fatigue loads more realistically.

Keywords：offshore wind turbine;waveload;hydrologicalenvironment;fatigueload;tower base load;foundation design