海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

第40卷　第2期　2010年2月　中国海洋大学学报

PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA

40(2):0～094Feb.,2010海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

孟　珣1,侯金林2,于春洁2,黄维平1,李华军1

3

(1.中国海洋大学工程学院海洋工程山东省重点实验室,山东青岛266100;2.中海石油研究中心,北京100027)

摘　要:　海上风电支撑结构不同于一般海洋结构物,它受到复杂的风机气动荷载、机械控制荷载和海洋环境荷载的多重作用。文章针对海上某单立柱风电支撑结构,通过分析其结构固有频率的约束以及外环境荷载的动力特性,综合考虑外环境荷载尤其是风机荷载的动力放大影响,给出海上单立柱风电支撑结构的拟静力分析思路。并进行极端及操作工况下支撑结构在风、浪、流环境荷载组合作用的应力计算和强度分析。提出该种结构在使用现有海洋结构物设计规范和风机设计规范时的注意事项。该分析比较结果及结论可作为海上类似风电支撑结构的设计参考。关键词:　海上风力发电;叶片通过频率;结构固有频率;极端工况;操作工况

中图法分类号:　TU312;TK83　　　　　文献标志码:　A　　　　　文章编号:　167225174(2010)0220206

　　近年来,化石能源的日益短缺及其所带来的环境污染困扰使得替代能源的开发利用受到世界各国的重视。海上风电场由于其风能资源丰富,不占用土地,可供开发的潜力巨大等诸多优势,日渐成为国际风电发展的新领域。1990年代欧洲国家开始研发海上风机,截至2006年,国外海上风电总装机容量已接近1kMW,已安装的最大单机容量达到5MW,主要集中在丹麦、德国、瑞典、荷兰和英国等国家。预计到2010年,欧洲海上风力发电的装机容量将达到10kMW[122]。近年来我国在海上风电场建设上也加快了步伐。上海目前正在开展6～7个风电场项目的前期准备,其中包括装机容量30MW的上海洋山港东海大桥海上风电场、上海奉贤海湾风电项目、长兴岛一期风电项目等,其他沿海各省也都在积极制定相应的规划。中海油首个海上风电试点项目的一组风机业已在渤海安装调试完成,标志着我国海上风电产业拉开序幕。

与较为成熟的海洋结构物设计相比,海上风电支撑结构的研究尚处于起步阶段[426],现有海洋结构物设计标准和欧洲风电设计标准在实际应用上尚存很多问题[728]。其中风机荷载是海上支撑结构设计中不能忽视的重要动力荷载源[9]。现主流海上风电机组重量数十吨至上百吨,新近研发的5.0MW海上风电机组的重量更达到400t以上。风轮直径从60～90m不等,已安装的海上风机轮毂高度即轮毂位置至海平面的高度一般为60～100m。如此庞然大物作用在支撑结构的顶端,并随外界风场条件进入多种服役状态。期间不断变化的空气动力荷载,重力荷载,惯性荷载(包括离心和回转效应),以及控制系统动作而引起的运行荷

[3]

载(例如,启动,刹车、偏航、变桨距控制和发电机脱网以及事故急停等)都对下部支撑结构实时施加以不同的动力效应。与此同时支撑结构的动力特性也是保证其安全度的重要因素。避免叶片通过频率导致支撑结构的共振激励,保障支撑结构在极限荷载下仍有足够的强度刚度且考虑到海洋环境荷载的动力放大特性,海上风电支撑结构的固有频率可以选择的自由度更加受到。这些都为支撑结构的受力分析及设计提出更高的要求。

为使上述涉及空气、机械、海洋环境、结构交叉学科的复杂动力问题简化,并使之更方便工程应用,本文从分析结构和环境荷载的动力特性入手,给出1种基于动力特性的静力设计思路。采用数值分析方法对海上单立柱风电支撑结构在极端和操作环境的静强度进行校核,并与规范假设结果做比较得出相关结论。该分析过程可作为海上风电相似结构的设计参考。

1　海上单立柱风电支撑结构

目前海上风电机组的固定式基础结构主要有桩承式、重力式、桶式3种。按具体结构形式又可分为单立柱、单立柱三桩和导管架式平台。

单立柱(Monopile)基础是桩承结构中广为采用的一种结构形式。该种基础结构与上部钢制风机塔架通过过渡段灌浆或螺栓连接组成的海上风电支撑结构体系,以承受顶端风电机组产生的工作荷载和同时作用的海洋环境荷载。由于该种结构体系形式简单,施工方便,是目前国外海上风电场中的绝大多数采用的支

3基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2006AA09Z331);国家自然科学基金重点项目(50739004)资助

收稿日期:2008208226;修订日期:2008212211作者简介:孟　珣(19732),女,讲师,博士生。E2mail:mengxun2003@hotmail.com

90

中　国　海　洋　大　学　学　报2010年

撑结构形式(见图1)。本文结合我国海域特定环境地

质条件,根据假设风机基本参数进行该种结构体系的受力机理分析。

2　环境荷载动力特性及静力简化

海上风电支撑结构要承受风机荷载和海洋环境荷载双重作用,需要综合考虑环境荷载的动力特性以及风电机组的动力特性和机械控制系统等多方面因素的影响。本文所研究的单立柱海上风电支撑结构假设水深为10.5m,海洋环境地质条件采用锦州923相应资料。研究选用风机规格1.5MW,下面给出该结构设计中风机荷载和海洋环境荷载的动力特性以及静力简化基本概念。

2.1风机荷载及结构固有频率约束

研究选用风机参考技术指标见表1。

图1　海上单立柱风电支撑结构

Fig.1　SketchofmonopilesupportedOWTstructure

表1　单立柱支撑结构1.5MW风力发电机基本参数Table1　Thebasicdataof1.5MWwindturbineformonopilesupportedstructure风轮直径

Roterdiamter/m

65

扫风面积

Sweeparea/m23317切入风速Cut2inspeed/m・s-1

4

切出风速Cut2outspeed/m・s-1

25

额定风速Roted转速Rotation

功率

Power/W1500

轻毂高度

Hubheight/m

60

speed/m・s-1speed/r・min-1

15

12～22.2

　　风机荷载作用机制既跟外界风场条件也跟风机的

复杂机械控制原理相关。它们对下部支撑结构的影响可以通过等效力替代来实现,即将风机荷载简化为作用于支撑结构顶端的约束力(见图2)。

mM为机舱与风轮的总质量;eM为质量mM的重心距塔

轴的距离;Ω为偏转起转时的运动角速度;Ω为偏转运动角速度;ω为风轮转动角速度;ωT为装有主动偏航机构的风电机组塔架的扭转角固有频率;η为发电机与增速器的总效率系数;IB为叶片相对与风轮轴的转动惯量;IM为机舱与风轮轴绕塔轴的转动惯量;

上述气动荷载在风机气动匀速偏转和偏转变化时将对支撑结构产生很大荷载,风电行业多采用BLAD2ED软件来模拟风机运转时给支撑结构带来的时程荷载效应,图3和4分别为操作运转和停机状态下风机施加给下部结构的荷载效应。本文将以此为例结合支撑结构的固有频率约束来说明风机荷载对于结构设计

・

图2　塔架坐标系

Fig.2　Towerreferenceframe

分析时的动力特性影响。

按文献[10]标准:

扫风面积上作用力FXT=PHA

・

(1)

(2)启转运动作用力FYT=mmeMΩ

FZT为与机舱风轮总质量相关的沿塔架轴向作用力。弯矩MXT由最大输出功率Pe1确定,

η(3)MXT=Pe1/ωΩ(4)匀速偏转弯矩MYT=ZIBω

(5)偏航系统扭矩MZT=IMωTΩ

以上式中符号含义分别如下:PH为作用在风轮扫

掠面积A上的平均压强,其值与风速的平方成正比;

图3　操作工况风机荷载(额定风速15m/s)

Fig.3　Windturbineloadsonoperationcondition

(Ratedwindspeed15m/s)

2期孟　珣,等:海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

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模拟表明在此种风机假设条件下,如控制支撑结构固

有频率在0.7～1.0Hz之间(4频带),底部桩径将大于6.2m。综上所述,考虑结构强度,刚度和稳定性要求,

将结构固有频率控制在频带3较为合适。本结构固有频率取0.5Hz左右,由图5可见,风机荷载的荷载效应动力放大系数约为2.5,也即拟静力分析放大系数。2.2风荷载

风场除对风电机组作用产生风机荷载以外,风机正常运转时,塔架结构也将受到相应的风荷载作用。

图4　停机状态风机荷载(风速>25m/s)

Fig.4　Windturbineloadsonextremecondition(Windspeed>25m/s)

此外对应极端海况,当风速大于扫出风速时,风机处于停机保护状态,此时风荷载将与其它海洋环境荷载联合作用于整个支撑结构。本质上风荷载是动态的,但一些结构对它的反应几乎是静态形式。可采用持续风速计算结构的风的拖曳力Fwind[10]。

2

ρFwind=(/2)VCSA(6)

风力发电支撑结构设计中,避免叶轮通过频率(或

者更低范围的转动频率)由于风轮阵风波动而产生的塔架共振激励是很重要的[9]。动态放大直接影响着结构动力响应和疲劳荷载,所以一阶模态下支撑结构的固有频率离激励频率越远越好。然而,当考虑极限荷载下的强度要求时,一般结构固有频率与叶片通过频率处于同一量级。在风力机运行于2个固定速度之一时,结构固有频率可以选择的自由度更加受。图5显示了随着高低转速比为22.2∶12的风力机,在较高与较低叶片通过频率以及旋转频率情况下的激励结构固有频率和动态放大情况。阻尼比取为2%。

其中ρ,为空气密度;CS为形状系数;A为物体面积。

V为平均风速,可表示成随地面高度Z的变化函数

α为风廓线幂定律指数,对于正常风廓线模型αVwind(z),

可取0.2,实用设计中可乘以阵风扩大系数考虑脉动风的影响,取该海区3s和10min的风速比值。

α

Vwind(z)=Vref(z/zhub)

(7)

对应50a的极端风速Ve50,该风况包括由于风速和风向剧烈而急速变化产生的峰值风速。其计算表达式如下:

0.11

Ve50(z)=1.4Vref(z/zhub)

(8)

图6为与单立柱支撑结构尺寸和假设环境条件相对应的风荷载沿结构高度方向上的分布。本文在操作工况下取正常风廓模型考虑阵风扩大系数,极端工况下取极端风速模型Ve50。

图5　双速、三叶片风力机动态增益随结构固有频率的变化

Fig.5　Dynamicamplificationeffectofa22speed,32bladedOWTvaryingwithnaturalfrequencyofsubstructure

如果对于4个激励源动态放大都被在4以内,可将结构的固有频率在5个频带内。其中结构频率小于最下通过频率为柔性设计,结构频率介于最小和最大通过频率之间为刚柔性设计,结构频率大于最大通过频率为刚性设计。频带1所处范围要求结构固有频率<0.18Hz,此时与外环境荷载波浪力的周期较为接近,可能带来结构的较大动响应。频带2较窄,设备荷载以及海生物附着等不确定因素使得结构固有频率范围不易控制。高频带4、5势必以牺牲材料为代价,也会给后期的运输,海上施工带来麻烦。数值

图6　支撑结构风荷载(a.10a;b.50a)

Fig.6　Windloadonsupportedstructure(a.10a;b.50a)

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中　国　海　洋　大　学　学　报2010年

2.3浪、流荷载

海洋结构上的波浪荷载在性质上是动力的。但对

于目前所遇到的大多数设计水深,这些荷载完全可以用它的等效静力来表示[11]。因为有关浪流荷载与结构的作用性质较成熟。本文不再赘述,参照API规范采用Stokes五阶波理论计算。

3　海上单立柱风电支撑结构静强度数值计算

3.1有限元模型

图7　有限元分析模型

Fig.7　Finiteelementanalysismodel

海上单立柱支撑结构多由钢制风机塔架和大直径桩通过过渡段灌浆或螺栓连接。其直径和壁厚由上部风机瓦数,环境地质条件以及施工方式决定。一般桩径控制在5～6m以下。桩径与壁厚的比值约为60～100。锥形塔架顶部直径多由偏航轴承尺寸决定,一般,塔顶端合理的最小值约为本地半径的1%。塔基尺寸受屈曲,强度,疲劳及调整固有频率的影响较大。本文塔顶直径取2.0m,塔基直径取3.8m。根据以上假设条件和分析结果采用大型通用有限元程序ANSYS建立分析模型。桩下部模拟为位于设计泥面垂直向下12m处的一刚性固定端。模型参数和模型示意图见表2和图7。考虑风机工作状态的特殊性,根据海区环境条件,本文取风机额定功率运转与10a一遇的风浪流环境条件组合和风机保护停机荷载与50a一遇的风浪流环境条件组合分别作为操作工况和极端工况。10a一遇的风速27.9m/s,有效波高2.5m,周期6s,海流131cm/s,50a一遇的风速31.1m/s,有效波高3.2m,周期7.8s,海流136cm/s。

表2　有限元模型数据

Table2　Finiteelementmodeldata

表3　支撑结构固有频率

Table3　Naturalfrequencyofsupportingstructure

阶次No.

f1f2f3f4f5f6

频率Frequency/Hz

0.501270.501272.46042.46046.46176.4617

图8　支撑结构振形图

Fig.8　Modelshapesofsupportingstructure

标高

Elevation/m-22.50～-10.50-10.50～±0.00

单元类型

ElementtypePipe16Pipe59Pipe16Pipe16Beam188Beam188Beam188Mass21Msaa21

形常数

Realconstant/mm

<4000×65<4000×65<4000×65<4200×65

--×35--×30--×2580(t)4(t)

结构静强度分析结果分别见表4和5。

由表4可见,操作工况下风机运转所产生的荷载效应在基本值分配中占组合值的70%以上,即风机运转荷载是操作工况的主控荷载。图9为风机运转荷载效应的等效应力分布,可见该种结构假设条件下塔架顶端等效应力最大。浪、流荷载为另一重要环境荷载源,其荷载效应基本值占组合值的13%左右。作用在塔架上的风荷载贡献很小,仅占组合值的0.5%。另外,该种工况下,如参照DNV规范将外环境荷载效应统一取分项系数1.35,不考虑运转过程中的叶轮旋转激励和阵风扩大,其静力计算结果明显比考虑2种因素的拟静力分析结果小的多,偏小程度可达到40%以上。

由表5可见,极端工况下风机虽处于停机保护状态,但其产生的荷载效应在基本值分配中仍占组合值的30%以上,图10为风机停机荷载效应的等效应力可见该荷载对结构影响较大,且塔基等效应力最大。浪、流荷载上升为该种工况的主控环境荷载源,其在桩身位置的等效应力占基本组合值的40%左右。作用在塔

±0.00～3.00　

3.00～8.008.00～28.0028.00～48.0048.00～65.008.00　　　65.00　　　

3.2数值结果分析

单立柱风电支撑结构固有频率值列于表3,图8为振形图。该结果满足上述分析中风机荷载对结构固有频率0.5Hz的要求。

2期孟　珣,等:海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

93

架上的风荷载贡献很小,仅占组合值的5%以下。另

外,该种工况下,风机处于停机保护状态且采用考虑风湍流影响的极端风廓模型,其静力计算结果与拟静力分析结果可取为一致。

/MPa

表4　操作工况下单立柱支撑结构的等效应力

Table4　VonMisesstressofmonopilesupportedstructureonoperationcondition

结构位置

Location

分析方法

Method

1

恒荷载①

Deadloads5.27(13.9%)1.2×5.27=6.31.2×5.27=6.34.81(15.4%)1.2×4.81=5.81.2×4.81=5.84.4(13.0%)1.2×4.4=5.31.2×4.4=5.3风机运转②

(v=15m/s)OWTloads27.5(72.4%)

风荷载③(10a)

Windloads0.20(0.5%)

浪流荷载④(10a)

Wave¤t

loads5.03(13.2%)1.35×5.03=6.81.35×5.03=6.8

------

组合(1)①+②+③+④

Combine(1)38.0(100%)

49.782.231.4(100%)

42.573.633.9(100%)

45.179.1

基本值

桩身

Pile(-10.5)

2

抗力系数[12]

3

1.35×27.5=37.11.35×0.2=0.2725×27.5=68.827.0(86%)1.35×27=36.525×27=67.529.5(87%)1.35×29.5=39.825×29.5=73.8

1.59×0.2=0.320.18(0.6%)1.35×0.18=0.241.59×0.18=0.29---

拟静力法

1

基本值

过渡段

Tansition(8.0)

2

抗力系数[12]

3

拟静力法

1

基本值

塔架

Tower(65.0)

2

抗力系数[12]

3

拟静力法表5　极端工况下单立柱支撑结构的等效应力

Table5　VonMisesstressofmonopilesupportedstructureonextremecondition

/MPa

结构位置

Location

分析方法

Method

1

恒荷载①

Deadloads5.27(26%)1.2×5.27=6.31.2×5.27=6.34.81(34.6%)1.2×4.81=5.81.2×4.81=5.84.4(55.7%)1.2×4.4=5.31.2×4.4=5.3

风机运转②

(v>25m/s)OWTloads6.4(31.6%)

风荷载③(10a)

Windloads0.55(2.8%)

浪流载④(10a)

Wave¤t

loads8.03(39.6%)

组合(2)①+⑤+⑥+⑦

Combine(2)20.3(100%)

26.526.513.9(100%)

18.018.07.9(100%)

1010

基本值

桩身

Pile(-10.5)

2

抗力系数[12]

3

1.35×6.4=8.1.35×0.55=0.741.35×8.03=10.81.35×6.4=8.1.35×0.55=0.741.35×8.03=10.88.6(61.9%)

0.47(3.4%)

------

拟静力法

1

基本值

过渡段

Tansition(8.0)

2

抗力系数[12]

3

1.35×8.6=11.61.35×0.47=0.631.35×8.6=11.61.35×0.47=0.633.5(44.3%)1.35×8.6=4.71.35×8.6=4.7

---

拟静力法

1

基本值

塔架

Tower(65.0)

2

抗力系数[12]

3

拟静力法

注:1基本值:直接计算结果　2抗力系数:参见参考文献[11]　3拟静方法:考虑动力放大系数。

Note:1Basevalue:responseoutput　2Resistancefactor:referto[11]　3Quasi2static:consideringthedynamicamplificationeffect.

图9　风机运转荷载效应等效应力云图

Fig.9　VonMisesstressonOWToperationload

图10　风机停转时等效应力云图

Fig.10　VonMisesstressonOWTshutdownload

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4　结论

研究表明,海上风电支撑结构的设计不同于一般的海洋结构物。在结构分析和使用现有海洋结构物设计规范的选取时应注意以下问题:

(1)风机荷载是海上风电支撑结构设计的关键荷载,

参考文献:

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[11]　海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法[S].中华人民共和

实际设计中如进行静力简化应特别注意风机运转过程中叶轮激励频率与结构固有频率之间引起的动力响应的增大。另外,即使风机在外风荷载超出扫出风速处于保护停机状态下风机荷载仍对结构有较大的影响。(2)浪、流荷载是除风机荷载外的主要环境荷载源,可

借鉴一般海洋结构物的设计规范进行设计。

(3)相对于总荷载来说,作用在风电单立柱支撑结构

上的风力很小,本文在操作工况下考虑阵风风速,极端工况下取用极端风廓模型进行研究的计算结果<5%,与API规范中表述的浅水钢制导管架风力影响一般低于10%吻合。该部分荷载可借鉴一般海洋结构物的设计规范进行设计。(4)实际设计中建议进行主要动力荷载源的耦合动力特性研究,如风机荷载与浪流荷载等,以期校核拟静力的分析结果。

(5)根据结构概念设计结构尺寸的确定,塔顶、塔基与

过渡段的连接部位,以及桩身为高应力区,实际设计中应着情考虑构造优化。

国石油天然气行业标准,SY/T1003022004.

[12]　Designofoffshorewindturbinestructures[S].OFFSHORESTAN2

DARDDNV2OS2J101.

(下转110页)

110

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AMarineLiteratureClassificationMethodBasedonCo2training

XUJian2Liang,JIANGYi2Hong,ZHANGWei,WANGQiu2Hong

(DepartmentofComputerScience,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Abstract:　Italwaystakesalargenumberofmanualworktolabelmarinepaperswhenusingsupervisedmachinelearningmethod.Toaddressthisissue,wetakeadvantageofCo2training,whichisakindofsemi2supervisedlearningmethod,forbuildingthemarinepaperclassification.Wetraintwodifferentclas2sifiersfromtwoviews.Oneviewismadeupofthefeaturesetofabstract,andtheotherismadeupofthefeaturesetsoftitle,subject,majorandclasscode.Onthisbasis,weuseasmallinitiallabeledsettoob2tainusefulinformationfromalargesetofunlabeleddocuments,andboosttheperformanceoftwoclassifi2ersbyCo2training.Experimentsshowsthatevenifthereareonly2labeledsamplesinthetrainingset,theF1valueanderrorrateoftheclassificationsystemcouldreachabout85.88%and14.35%.Theyareclosetotheperformanceofsupervisedclassifier(90.20%and9.13%)whichistrainedbymorethan1500labeledsamples.TheseshowthattheapplicationofCo2trainingonmarinepapersclassificationcansignificantlyreducethemanualwork,andalsohaswellperformance.Thus,itisverysuitableforpracti2calapplications.Keywords:　marineliterature;textcategorization;machinelearning;semi2supervisedlearning;Co2training

责任编辑　陈呈超

(上接94页)

Quasi2StaticAnalysisofaMonopileSupportedOWTStructure

MENGXun1,HOUJin2Lin2,YUChun2Jie2,HUANGWei2Ping1,LIHua2Jun1

(1.OceanEngineeringKeyLabofShandongProvince,CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,Chi2na;2.CNOOCResearchCenter,Beijing100027,China)

Abstract:　Comparedwithgeneraloffshorestructures,supportingstructuresofoffshorewindturbines

(OWTs)aresubjectedtocomplicatedloads,whichincludesnotonlyaerodynamicandmechanicalloadsfromOWTbutalsovariousmarineenvironmentalloads.Aquasi2staticdesignmethodonamonopilesup2portedOWTstructureispresentedbasedonthenaturalfrequencyconfininginfluenceandthedynamicamplificationcharacteristicsofenvironmentalloadingsinthepaper.Stresscalculationandstrengthanaly2sisareexecutedfocusingonthesupposedextremeconditionandoperationconditioninsite.Windloading,waveloadingandcurrentloadingaretakenintoconsiderationhere.Comparativestudieshavebeenper2formedontheresults.SomeusefulconclusionsaredrawnforthefuturedesignofthistypeofstructureswhenoneseekstocombineexistingdesignstandardsforsupportingstructuresofOWTandgeneraloff2shorestructures.

Keywords:　offshorewindturbine(OWT);passingfrequencyofblades;naturalfrequencyofstructure;

extremecondition;operationcondition

责任编辑　陈呈超