海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析.pdf

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1、第40卷第2期2010年2月中国海洋大学学报PERIODICALOF0CEANUNIVERSITYOFCHINA40(2)：089～094Feb．，2010海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析。孟殉1，侯金林2，于春洁2，黄维平1，李华军1(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限制以及外环境荷载的动力特性，综合

2、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：1672—5174(2010)02一089一06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

3、。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lokM啊卜2]。近年来我国在海上风电场建设上也加快了步伐[3]。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

4、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Ⅲ]，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[7-8]。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

5、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限制。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

6、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

7、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·基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2006AA092331)；国家自然科学基金重点项目(50739004)资助收稿日期：2008—08-26；修订日期：2008—12-11作者简介：孟殉(1973一)，女，讲师，博士生。E-mail：mengxun2003@hotmaiLcom90中国海洋大学学报撑结构形式(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

8、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