海上风电机组基础结构-第五章

海上风电机组基础结构陈达第五章：浮式基础可将风电组安在水深较大海域，该区域风速较稳定，风资源丰富，可利用小时数多。风电机组安装位置可以移动，并便于拆除。安装在远离海岸线的水域，消除视觉影像，并大大降低噪音、电磁波对人类生活的影像。采用集成结构，使海上安装程序简化，同时费用也大幅降低。浮式基础的优点第五章：浮式基础1994年英国的GarradHassan等人对在采用悬链线系泊的Spar平台上设置单涡轮风电机组的方案进行了评价，这是最早针对风电机组浮式基础开展的详细研究。2006年在挪威的Marintek，第一个真正意义上的以Spar为基础的风电机组概念模型正式出现。2006年Fulton等人正式提出了半潜式船体作为浮式基础的海上风力发电浮式基础。2008年夏，英国的BlueH公司研制出了世界上第一台海上浮式风力机样机（见图5-1），二叶风力机与浮式基础在岸上合体后拖航至安装地点。2009年，DominiqueRoddier等人提出了风电机组浮式基础的设计基础和资格准入问题，大大推动了风电机组浮式基础的发展。海上风电浮式基础的发展第五章：浮式基础内容大纲5.1浮式基础结构型式及其特点5.1.1Spar式基础5.1.2张力腿式基础5.1.3半潜式基础5.1.4新型浮式基础5.2浮式基础的一般构造及设计要点5.2.1悬链线锚泊5.2.2锚系计算5.1.3浮式基础的设计5.1浮式基础结构型式及其特点浮式基础结构的分类5.1.1Spar式基础Spar式基础的上部主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构，主体中有一个硬舱，位于壳体的上部，用来提供平台的浮力。中间部分是储存舱，在平台建造时，底部为平衡稳定舱。当平台已经系泊并准备开始生产时，这些舱则转化为固定压载舱，用于吃水控制。中部由系泊索呈悬链线状锚泊于海底。系泊索由海底桩链、锚链和钢缆组成。锚所承受的上拔荷载由打桩或负压法安装的吸力式沉箱来承担。可分为Spar式、张力腿式和半潜式三种结构型式。5.1浮式基础结构型式及其特点Spar式基础特点Spar式基础吃水大，并且垂向波浪激励力小、垂荡运动小，因此Spar式的基础比半潜式基础有着更好的垂荡性能，但是由于Spar式基础水线面对稳性的贡献小，其横摇和纵摇值较大。5.1浮式基础结构型式及其特点5.1.3张力腿式基础张力腿式基础主要由圆柱形的中央柱、矩形或三角形截面的浮箱、锚固基础组成。张力腿式基础的浮力由位于水面下的沉体浮箱提供，浮箱一侧与中央柱相连，另一侧与张力筋腱相连，张力筋腱下端与海底基座模板相连或直接连接在桩基顶端。有时候为了保证风电机组的位置，还会安装斜线系泊索系统，作为垂直张力腿系统的辅助。固定设备主要包括桩和吸力桶。5.1浮式基础结构型式及其特点张力腿式基础张力腿式基础是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的。张力腿式基础也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同，其所用锚索绷紧成直线，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的是桩锚（即打入水底的桩为锚）或重力式锚（重块）等，不是一般容易起放的抓锚。张力腿式基础的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索拉力来补偿，而且此拉力应大于由波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。5.1浮式基础结构型式及其特点张力腿式基础的特点张力腿式基础具有良好的垂荡和摇摆运动特性。缺点是张力系泊系统复杂、安装费用高，张力筋腱张力受海流影响大，上部结构和系泊系统的频率耦合易发生共振运动。优点缺点5.1.3半潜式基础5.1浮式基础结构型式及其特点半潜式基础通过位于海面位置的浮箱来保证风电机组在水中的稳定，再通过辐射式不知的悬链线来保证风电机组的位置。半潜式基础的浮箱平面尺寸较大，高度较小，依靠浮箱半潜于水中提供浮力支撑，浮箱平面尺寸足够大，以保证风电机组抗倾稳定性。半潜式基础特征半潜式基础吃水小，在运输和安装时具有良好的稳定性，相应的费用比Spar式和张力腿式基础节省。5.1浮式基础结构型式及其特点5.1.4新型浮式基础海面浮动结构技术属于半潜式结构的衍生基础结构，如图5-5所示，主要由压水板、桁架结构、立柱和系泊线组成。由日本技术人员提出的浮式混合风力发电机可以同时进行风力发电和波浪发电，该概念设计综合了半潜式平台和WaveDragon波能转换装置的设计思想，如图5-6所示。此外，采用悬链线和张力筋腱混合系泊定位的风电机组浮式基础，称为Spar/TLP混合结构基础。5.2浮式基础的一般构造及设计要点5.2.1悬链线锚泊辐射状的悬链线锚链将用作风电机组安装平台的浮箱等锚固在海底，浮箱的尺寸应保证有足够的浮力和漂浮稳定性，能承受锚链及浮箱上其他设备的重量。锚链系统悬链线锚泊系统采用多链系统，可有效地锚住浮箱体。锚链的数量应从经济和安全两方面因素进行考虑，主要取决于系泊力的大小，链数增加，浮箱尺寸也相应加大，以承担所增加链条的重量。当外荷载作用于浮箱时，浮箱向受力方向移动，把沉于海底的一段锚链拉起。当被拉起的锚链质量正好平衡外荷载时，则浮箱不再移动，为防止锚链猛然拉紧而导致断裂，根据最大负荷时的最大漂移量，至少应有足够长的锚链沉于海底。5.2浮式基础的一般构造及设计要点锚链系统锚固系统的弹性程度取决于锚链的重量和预紧力，得到最佳的预紧力并选取相应的锚链规格，应按不同组合进行模型试验，记录相应峰值，然后通过综合分析，确定最大链力。最大链力确定后，可以计算出所需锚链的长度；对于搁置于水平海底上的锚链长度，可按下式计算：maxFWhHhSmaxmin21式中minS——需要的最小锚链长度（m）；h——从浮箱底到海底的距离（m）；W——单位长度锚链的下水重（N/m）；maxH——作用于锚链上的最大水平力（N）。一般悬链锚腿的锚链总长等于6～8倍的水深。5.2浮式基础的一般构造及设计要点锚链系统若作用在锚端锚链上的最大水平力为maxH，则作用在浮箱端锚链上的最大力maxF可按下式计算：22maxmax)(WSHF（5-2）式中S——锚链的长度（m），minSS。锚链被固定在浮箱上的制链器上，该装置能够调节锚链的长度以维持最佳张紧状态。各条锚链必须按设计要求张紧，从而牵制浮箱，以免位移过大。但锚链也不能无限制地拉紧，否则，其吸收外荷载作用在浮箱上的动能能力将变小。锚链预紧力的控制方法是使锚链与浮箱底水平面夹角为设计角度，一般为50°～55°，此时系泊力最小。5.2浮式基础的一般构造及设计要点固定设备固定设备的选型应根据海底的地质条件而定。由于海上风电机组受到水平风力较大，一般不选用锚做固定设备，而大体积混凝土作成的重力锚由于海上运输麻烦，一般也不予采用。可以用作海上风电机组浮式基础固定设备的主要有桩和吸力桶两种。桩基础或吸力桶锚碇根据锚链的最大力进行布置，可用单根桩或多根桩。如用多根桩基础锚碇，则应用桁架结构将它们牢固地连接在一起，这样能充分发挥每根桩的作用。无论哪种固定设备，在设置完后都要进行锚链预拉，以控制浮箱的水平位移。预拉力的大小，对于悬链线锚链约为锚链破断强度的3％~5％。5.2浮式基础的一般构造及设计要点5.2.2锚系计算图5-7锚链计算简图用作风电机组平台的浮箱常由几根锚链从两个或几个方向锚系，属双面锚固问题。当一侧锚链拉紧程度远大于另一侧时，可简化为单面锚固问题，本书仅介绍单面锚固情况。浮箱承受波浪荷载、风荷载、水流荷载等水平力作用时，其锚系可按静力计算。锚链的静力分析可按悬链线进行，根据锚链的自重力及浮箱在平衡位置时锚链拉力的水平分力的静力平衡，用下列悬链线标准方程计算锚链的拉力（图5-7）。5.2浮式基础的一般构造及设计要点5.2.2锚系计算图5-7锚链计算简图wHTTFcos（5-3）)1(TwHarchwTl（5-4）)(TwlshwTL（5-5）——导链孔处锚链轴线与水平线夹角（°）；L——导链孔处至着地点的锚链曲线长度（m）；l——L的水平投影长度（m）。w——锚链的水下单位长度自重力（kN/m）；T——锚链拉力的水平分力（kN）；F——导链孔处锚链拉力（kN）；H——导链孔至地面垂直高度（m）；5.2浮式基础的一般构造及设计要点图5-9锚链受力在平面上的分解以上计算中，水平力T与锚链曲线是在同一垂直平面内，而实际上锚链都是与浮箱成一个角度交叉布置的，所以必须先把作用在浮箱上的力分解到各锚链上。图5-9表示了浮箱受水流压力时这种分解的一个例子。一般情况下都是已知H（以高水位时为不利）及T（风电机组水平力、波浪力、水流力等水平力），然后再根据选择锚链的w来计算锚链的拉力F。所选锚链的破断拉力（表5-1）应大于或等于3F，如不满足可重新选择锚链，直至计算结果满足相关要求。根据选定锚链的w和已知的H、T可求得l和L。5.2.2锚系计算5.2浮式基础的一般构造及设计要点5.2.3浮式基础设计浮式基础承受的荷载总体尺寸规划；水静力分析；稳性分析；水动力分析；结构设计（构件尺寸、桁架和塔柱的强度及疲劳分析等）海上风电机组浮式基础设计步骤影响浮式基础强度和安全的载荷因素重力载荷；环境力载荷——波浪、海流、风载荷；风电机组运行荷载（水平推力、转矩、偏航系统的力）；浮式基础运动诱导的惯性载荷；系泊系统的恢复力；漂流物撞击、船舶碰撞等偶然载荷；固定系统与土体之间的相互作用等。谢谢！