海工技术助力海上风电发展.doc

海工技术助力海上风电发展(2013-04-03) 眼下，国内陆上风电发展如火如荼，海上风电也不甘势弱。根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，近岸海域可利用风能资源7亿千瓦，共计约10亿千瓦，海上风电发展潜力巨大。国家能源局的规划显示，中国希望在“十二五”末年海上风电装机达到5GW，到2020年达到30GW。预计将有几千台海上风电机组需要建设。 虽然海上风机存在着比较明显的优势，但因为我国的海上风机设计、施工安装、运营维护的大部分单位传统领域在陆上，在海洋工程领域上的基础比较薄弱，同时，海洋相对陆上面临着更复杂、更恶劣的环境条件，使得相比陆上风机，这些单位在海上风机的建设中面临着许多技术难点。这需要从设计、施工安装和运行维护过程三个方面去考虑。 从设计来说，陆上风机没有诸如海洋上各种环境变化的影响，像频繁的台风、闪电、盐雾等，这些自然环境就会产生对防腐蚀的要求，及考虑环境条件、地质条件、经济效益的风机基础的选择和设计问题。 从施工阶段来说，海上风电场的施工主要可以分为基础施工和风机安装两部分。海上电场的建设面临着环境条件复杂、可选择安装设备少且操作要求高，且各项施工都受限于天气条件等问题，这些都会对海上风机的打桩、运输、吊装、经济性提出挑战。 在运行阶段，因为海上风电的发展尚处于初步阶段，海上风电场在运行阶段可能会产生很多问题，主要是设备的故障率较高，以机组叶片损坏、电缆疲劳损坏、齿轮箱损坏和变压器故障等现象最为常见。因此，需要对机组进行维护，包括定期的检查清洁和故障的维修处理。故障的维修处理较陆上而言难度大、费用高，特别在海况恶劣时，维修人员难以接近，故障无法排除，从而增加停机时间，影响经济效益。 以上这些风机在走向海上面临的技术问题，严重影响着风电这个拥有广阔前景的绿色能源的发展速度，而作为海洋工程的先行者，海洋石油工程的设计、建造、营运、检验技术已经有百年的历史，世界上第一座固定式平台始建于1887年，积累了丰富的经验。如何有效地利用这些技术资源将是海上风机发展面临的重要任务。 海上风机基础当前的主要型式是固定平台型式，主要包括筒型人工岛基础、单桩基础、重力基础、简易导管架基础和一般导管架基础等，适用于滩浅海区域；未来面向深海的承载基础为浮式结构，主要包括张力腿平台、半潜平台、塔桶平台、船型平台等。 固定式基础 筒型人工岛 筒型人工岛也叫环壁式钢模混凝土人工岛，就是把环型钢模在滩海就位后，在内外壁之间浇注混凝土成为整体环壁，座落或由桩基固定在海底，填芯后形成的滩海结构物。 该基础型式的设计、建造港工单位比较有经验，在设计时要考虑环壁钢模的浮拖分析、岛体的静力分析和地震分析、地基承载力分析、打桩分析和冲刷影响等，施工时符合港工规范的相关规定就能满足要求，如滩海环壁式钢模混凝土人工岛结构设计与施工技术规范。 但相对来说，其仅适用于滩浅海，因为水深对基础的造价影响非常大。为了应用于较大水深，上海东大桥海上风电场采用了“高承台群桩式高桩承台基础”，也是海岸码头和桥墩基础的常见结构。同样，这种基础造价也较高，但可以有效地利用港工的设计、建造经验和设备。 单桩基础 单桩基础是海洋工程的一个基本型式，同时它也是海上风机在浅海的一种理想型式，结构简单，造价低。 这种单桩结构一般有两种安装方法，一种为到达指定地点后，直接用打桩锤将单桩基础打桩至设计的海底深度，另一种是使用钻孔机在海床上钻孔，装入桩后再用水泥浇注。但相对海洋工程的单桩结构，海上风机因为塔桶较高，为了增加基础刚度，其单桩相对现有的海洋工程单桩直径要大的多，这样导致我国现有的打桩设备没有能力或者没有这方面的经验，为了推进这种基础结构在我国海上风场开发上早日应用，需要业界加强合作。 重力式基础 重力基础分为混凝土重力基础和钢制重力基础，前者制造工艺简单，完全依靠自身的重力置于海底，适合于各种类型的海床。世界最早的风电场采用的便是混凝土基础，但由于其巨大的质量（最大可达1800t）使得运输非常困难。后者同样依靠自身重力固定风机，但其钢结构质量依据不同海况只有80t110t，便于安装和运输。安装就位之后需要向钢制基础中浇注具有高密度的石头压载，且钢质结构易腐蚀。通常来讲，重力式基础适合水深比较浅的位置，但在过浅的位置会受到波浪的影响。由于重力基础制造过程在岸上，且不需要打桩，因而成本较低。在置放重力基础前需要对海底进行预先的平整处理，凿开海床表层换一层沙砾层。之后使用驳船运送或漂浮拖驳至场址，基础就位之后再用混凝土将其周边固定。 重力基础安装虽简单，但当前随着海上风机的大型化，对重力基础的稳性提出了更高的要求，这样促使需要进一步评价重力基础的经济性和当前吊装能力所能满足的最大重量和水深。 简易导管架型式基础 简易导管架平台是为了提高海上边际油田开发经济性的新型结构，常见的是三桩结构，其采用了重量轻、价格合算的三脚钢套管，三根桩通过一个三角形钢架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些框架分散了塔架对于三个钢桩的压力，增加了基础的稳定性。实际上，这种基础是由组成三角形模式的三根单桩构成的。 这种型式的基础，当前海洋工程的设计、建造、安装、检验和发证管理方面的经验完全能满足，需要注意的是在当前海洋工程物的设计中，疲劳强度并不作为控制因素，而对于海上风机，疲劳强度控制将是最关键的因素，同时也会影响到结构设计的相应调整。 一般导管架型式基础 导管架平台是海上油田常用的固定式平台结构，其基础是由导管架和钢管桩组成的支撑结构，具有刚度更大、稳定性好等特点。也是海上风机可以应用的基础，它相对简易导管架基础能适用更大的水深和有更好的刚度，一般有4腿、6腿、8腿等对称结构型式。 该类型基础是近海石油开发最成熟的结构型式，在基础的设计、建造、安装、检验到发证管理等方面的技术和装备方面，海洋工程业界都积累了丰富的经验。该类型基础应用于海上风机的基础技术上没有太多的问题，主要是经济性的考虑。同时，和简易导管架型式一样，要注意疲劳强度的保证和基础动态性能的影响。 浮式基础 浮式结构是海上风机将来走向深水的基础型式，也是海洋工程在较深水和深水的主要结构型式，其通过系泊系统系泊于海上用于钻修井、油气处理、储存及装卸。 最常见的是半潜式平台，我国近年在这方面的设计、建造能力提高很快，世界上最先进的深水半潜平台，我国的“海上石油981”也已于近期下水作业。浮体结构的设计中有关水动力分析、稳性分析、性能分析、尺寸计算、总体强度计算、系泊分析，制造、安装、试验及海上营运和检验，我国海洋工程界已掌握了主要的关键技术，并积累了丰富的实践经验。海上风机的浮式基础，在设计、建造、安装、试验、营运和检验方面，当前海洋工程界的设计和装备能力基本能满足要求。但需要深入分析因经济性和安全性对结构设计和安装设备的不同要求，如浮体结构的分舱、消防救生、安全裕度等不同的考虑，安装设备的快速性和频繁迁移特性；还有因为风机的叶片及塔架对基础的影响明显超过油气平台，所以应重点考虑其对稳性、动态性等方面的影响。 浮式平台分析 有关浮式平台的分析计算主要是：水动力分析、整体强度计算、屈曲计算、稳性分析、疲劳分析和锚泊分析的一般特点和主要手段。 水动力分析 大型浮体的水动力分析一般采用采用AQWA、SESAM等软件分析，这些软件一般基于频域三维线性势流理论。计算的主要内容包括：目标平台在规则波中的响应幅值算子；浮式平台在不规则波海况中的剖面控制载荷短期预报。然后，根据得到的预报极值对应的波浪自身参数和相对平台的相位，找到在该瞬态情况下的平台湿表面水动压力，并通过自行开发的程序，将计算得到的湿表面水动压力自动映射到结构分析的有限元模型上去。一般要求计算拖航、生存和作业三种工况。 整体强度分析 整体强度分析是根据基础设计图纸和相关资料，建立浮式平台的整体有限元模型，该模型涵盖平台所有的主要结构构件。一般可采用MSC.Nastran等通用有限元软件进行结构计算，把采用三维水动力软件如AQWA计算得到的水动力载荷，加载到结构模型上。一般需要计算平台的拖航、作业和生存三种工作状态。 屈曲计算 在浮体整体强度计算的基础上，还要进行屈曲计算。依据整体强度计算结果，分别选取上船体、立柱、横撑和浮体结构中的高压应力和剪应力的区域进行屈曲强度校核。屈曲强度的校核可以依据中国船级社或美国船级社的相关要求进行，对选定的板格一般进行五种模式的计算：1）平板屈曲状态；2）平板极限状态；3）加筋板柱状屈曲；4）侧向扭曲；5）侧向压力。 稳性计算 对于浮体结构，一般要求计算它的完整稳性和破舱稳性。 通过完整稳性计算分析得到平台完整状态下各吃水的许用重心高度。完整稳性计算中，每一个吃水对应一个工况。首先需要为平台设定一个初始重心高度，得到完整稳性计算结果，对比计算结果和规范要求，调整重心高度多次计算，直到所有进风角情况下刚好能够满足规范的所有要求为止，此时平台的重心高度就是该吃水下的完整许用重心高度。 通过破损稳性计算分析得到平台破损状态下各吃水的许用重心高度。首先根据规范规定的破损范围要求确定各破损舱室及破损舱室组合，每一种破损情况对应一个破损工况，接着为平台设定一个初始重心高度，得到破损稳性计算结果，对比计算结果和规范要求，调整重心高度多次计算，直到所有进风角情况下刚好能够满足规范的所有要求为止，此时平台的重心高度就是该破损工况下平台的许用重心高度，对比该吃水时不同破损工况的许用重心高度结果，其中最小值就是该吃水时平台的破损许用重心高度。 中国船级社海上移动平台入级规范（2012）中详细规定了对浮式平台完整稳性和破舱稳性的各项要求。 计算浮式平台的主要软件有STABCAD和MOSES等。 疲劳分析 疲劳失效是海洋平台结构破坏的主要形式之一。疲劳强度的校核一般采用基于谱分析的疲劳强度直接计算法，对平台易产生疲劳失效的各种节点进行搜索分析，根据计算分析结果，给出结论和建议。疲劳计算相关要求可以参照中国船级社和美国船级社的相关规范。海洋石油工程用平台的疲劳破坏主要是波浪载荷的作用，海上风机用浮体基础还要考虑风机本身的疲劳载荷影响。 浮体的疲劳计算可以用MSC.Patran等软件建立整体模型，然后对关键节点位置进行局部细化。 锚泊分析 锚泊分析为了验证平台基本设计中不同水深下锚泊系统结构的有效性和可靠性，进而论证平台的锚泊线张力和偏移量等是否满足规范的衡准要求。规范可参