海冰地区海上风电场设计导则

海冰及其他环境条件4.1海冰分布4.1.2渤海和黄海北部海冰空间区域分布的基本特点是：1渤海北部冰情重于南部2海岸附近冰情终于海中3辽东湾东岸附近冰情重于辽东湾西岸附近4莱州湾西岸附近冰情重于莱州湾东岸附近、5黄海北部鸭绿江口附近的冰情较重，沿辽东半岛南岸往西，冰情逐渐减轻；6深水区以及渤海中部海区，冰主要是有岸边飘移来的，重病年是可以生产尼罗冰渤海和黄海北部海冰随时间变化的特点是1日变化明显。由于受气温、风和潮流的影响，一日内常常出现早晨有冰，下午无冰，涨潮时有冰，退潮时无冰，以及向岸风时有冰，离岸风时无冰的情况。这种情况在初冰期和终冰期内尤为明显；2日际变化明显。冷空气过境，特别是寒潮侵袭期间，海冰会突然增多、加厚，冷空气或寒潮过后，随着气温的回升，海冰又会融化或流往别处，从而出现几天冰重，几天冰轻的情况；3年变化明显。海冰经历生成—发展—相对稳定—融化消失的过程，即初冰期，盛冰期和终冰期。初冰期较长，可达50天；盛冰期长短随年际而变化，是一年中冰情最严重的时期；终冰期很短，仅5天~7天；4年际变化（多年变化）明显。由于冬季气候的变化，渤海和黄海北部的冰情各年不同；在极暖的冬季，渤海的结冰面积在15%以下，而在严寒的冬季，结冰面积占渤海总面积的80%以上。4.1.3海冰特征冰型按照面特征可划分为单层冰、重叠冰和堆积冰。按照线特征可划分为冰脊，包括挤压作用形成的挤压冰脊和剪切作用形成的剪切冰脊。工程可根据所处局部海域进行特征冰型的选取，以鲅鱼圈海域为例：该海域处于辽东湾海域，需考虑固定冰区、过渡冰区和浮冰区；该海域设计冰型包括：平整冰或堆积冰、固结冰脊或未固结冰脊、重叠冰或堆积冰。4.2海冰性质4.2.2海冰是一种天然的复合结晶物质，通常是由纯冰晶体、盐水和空气囊组成，岸边附近生成的海冰，有时还含有泥沙等杂质。在扰动的海面上最初生成的冰是颗粒状晶体结构，即粒状冰，在相对平静条件生成的冰是柱状晶体结构，即柱状冰。海冰温度主要受气温、水温、风速、海冰厚度和积雪等因素的控制。表层冰温随气温的变化而变化，其变化幅度较气温小。单层冰表层至20cm厚度之间，冰温大致呈线性分布；厚度20cm以下的冰温基本保持不变，一般在-1.6℃~-1.8℃之间。海冰的盐度是海冰融化成海水所含的盐度。海冰盐度高低取决于形成海冰的海水的盐度、结冰速度和海冰在海中生存的时间。冻结速度越快，海冰生存的时间越短，海冰盐度越高。海冰盐度沿冰厚度一般近似呈“C”字形分部。除平整冰之外，其他冰型密度应考虑冰内空气和海冰析出盐分对海冰密度的影响，相对平整冰，重叠冰密度应降低5%~15%，堆积冰和冰脊的密度应降低15%~30%。4.2.3在确定结构物所在特定位置的海冰力学设计指标时，应根据原位采样获得的各种海冰试验数据统计结果确定。在没有实测数据或原位试验数据少的情况下，可按照规范给出的公式确定。海冰力学性质的影响因素包括：晶体结构类型、加载方向、加载速率、盐水体积和海冰温度等。1晶体结构类型可以按照规范4.1.3节确定设计冰型选择适用的冰强度计算式。2加载方向一般情况下，压缩强度和剪切强度应指平行于冰面方向的加载强度；弯曲强度、冻结强度应指垂直于冰面方向的加载强度。在有关冰荷载计算中应根据具体需求给出与其他方向的强度关系。3加载速率对于压缩强度应考虑海冰韧脆性破坏过渡区加载速率对应的最大强度。加载速率可用应变率或应力率表示。过渡区应变率范围在10-4/s~10-3/s之间；对应的应力率范围在0.03MPa/s~0.4MPa/s之间。加载速率不在此范围的荷载可适当折减设计值。应变率可用式计算：（4.2.3-1）式中： ——应变率，单位s-1；v ——冰速，单位m/s；D ——结构宽度，单位m。加载速率对除压缩强度以外的其他海冰强度影响不显著。4盐水体积：仅平整冰宜建立海冰强度与盐水体积的关系，各种强度可按式（4.2.3-2）形式给出：（4.2.3-2）式中： ——平整冰过渡区加载速率的各种强度，单位为MPa； ——参考强度，单位为MPa； ——与海冰加载方向、加载速率等有关的常数； ——平整冰的盐水体积，无量纲量5海冰温度对于重叠冰、碎冰堆、冰脊等其他多种晶体结构的海冰，可建立海冰强度与温度的关系。各种强度可按式（4.2.3-3）形式给出：（4.2.3-3）式中： ——除平整冰外各种冰过渡区加载速率的各种强度（MPa）； ——与海冰晶体结构、加载方向和加载速率等有关的常数； ——海冰设计温度（℃），取-15℃~-0.3℃。6冻结强度海冰与结构表面之间的冻结附着力，其大小可通过冰体沿结构物表面的界面剪切强度来量度。冻结强度只在外荷载作用下才能表现出来，这个外荷载通常是涨潮和落潮的作用，其中对结构物最不利的是涨潮时引起的上拔力作用。冻结强度随着冰温降低而非线性增加，随着剪切位移速率的变化而改变，但幅度不大；结构物表面的粗糙度和吸水性的变化同样影响冻结强度的大小，但与海冰的接触面积无关，冻结强度不会超过海冰水平剪切强度。7弹性模量海冰的弹性变形可用弹性常数来表征，目前应用和测量比较多的是弹性模量E和泊松比。本标准中的弹性模量指的是初始弹性模量，即应力-应变曲线的初始切线的斜率，有时也称表观模量。5电气设备选型5.1风电机组5.1.3海冰地区风电机组除应选择低温型机组外，风电机组的设计还要考虑对鸟类迁徙，生态环境保护的影响。6电气设计6.1电气一次6.1.3本条对海上升压变电站和陆上变电站电气设备选型的参考规范依据做了规定。6.1.4变压器绝缘油的选择应满足最低气温要求。具体选择方法可参考《电工流体变压器和开关的未使用过的矿物绝缘油》GB2356中的规定。6.2电气二次6.2.1本条为电气二次设计原则，海上升压变电站内环境较为恶劣，不设置固定运行维护值班岗位，由陆上集控中心、陆上变电站负责完成变电站的日常运行工作。6.2.2本条规定电气二次与接入系统设计有关的主要范围。6.2.3海上风电场电气设备包括海上升压变电站、陆上集控中心、陆上变电站、风力发电机组及其升压设备，将所有电气设备监控设置一套计算机监控系统，有利于数据融合，便于数据管理和运营维护，也有利于大数据分析，为运维提供故障预分析等功能。6.2.4本条规定计算机监控系统控制的优先级，从安全性角度考虑，设备的现场就地监控优先级最高，现场操作应优于升压变电站的远方操作，保护人员与设备安全，以此类推。6.2.5海上升压变电站和海上风力发电机组内环境恶劣，高盐雾、高潮湿、高腐蚀，二次设备的可靠性会下降，寿命也会降低，价格也更贵，且二次设备出现故障时运维维护较为困难，故优先布置于陆上集控中心、陆上变电站。6.2.6本条规定继电保护和安全自动装置应满足的标准、规范要求。6.2.7海上风电场的调度管理关系均由项目所在地的电网公司来确定，应根据接入系统审查意见进行设计。远动信息内容应满足相关规范和当地电网调度端的要求。6.2.8海上升压变电站交直流控制电源按照电力行业相关规范设计，考虑到海上升压变电站电气设备重要性高，110kV电压等级宜按照两组蓄电池两套充电装置配，220kV及其以上电压等级应按照两组蓄电池两套充电装置配置。6.2.9海上设备发生故障较陆上而言维修难度大、成本高，应加强一次主设备的状态监测，及时发现设备异常和隐患，实现故障设备极早预警、在线诊断和设备全生命周期优化管理。6.2.10本条规定视频监控系统应满足的设计标准、规范，全场设置一套视频监控系统，有利于数据的融合，且能减少视频服务器、后台工作站的数量。6.2.11本条规定海上风电场火灾自动报警系统应满足的规范要求。6.2.12海上风电场通信系统复杂，包括与电网调度端的通信、陆上集控中心、陆上变电站与海上升压变电站之间的通信、风电场风电机组内多个业务系统的通信以及海事等部门要求的通信，本条规定海上风电场各类通信应满足的主要规范或文件要求。7基础结构设计7.4海冰荷载7.4.1冰荷载的形式和大小取决于结构类型、海冰性质及运动状态。冰荷载按作用性质分类，冰荷载分为静冰力和动冰力；按结构分类分为总冰力和局部冰力，总冰力用于结构的总体分析，局部冰力用于局部结构强度校核；按冰力的作用方向分为水平冰力和垂直冰力，水平冰力是由环境驱动和冻结膨胀引起的，垂直冰力是由水位变化和冻结膨胀引起的；按破坏形式分类，冰作用于结构时，可能会出现挤压破坏、弯曲破坏等，相应的冰力则称为挤压冰力、弯曲冰力。7.4.21通过收集库克湾、波弗特海、波罗的海以及渤海的一年或多年冰与直立结构作用的现场实测数据，并对数据进行分析，得到当w/h>2时，直立结构与冰厚以及宽度有关的冰荷载极值的计算公式。该公式不考虑温度对荷载值的影响。该冰荷载数据也可通过有效的实验或者数值模拟方式确定。2对于斜面结构，冰力由弯曲强度控制。弯曲冰荷载公式由Ralston于1977年提出，适用于倾斜结构，如带有冰锥的风力发电机组塔架。该公式也被API、DNV、CCS等推荐采用。该公式适用于水平测量倾斜角α在0°~70°范围内的锥体。5若在有冰脊地区布置海上风电场，应开展相应专题研究6风荷载和水流荷载最高不超过冰的抗压强度。风和水流联合产生的漂浮力应基于场址区数据的统计分析。7.4.2海上风力发电机组支撑结构在受到不同频率动冰荷载时可能产生比较明显的冰激振动，严重时会影响上部发电机组的运行，由于现阶段无公认准确的计算方法，对于冰情较严重的海域宜采用模型试验的方式进行分析。在没有统计或者实测动冰荷载数据时，动冰荷载可按本规范规定确定。7.6结构抗冰设计要求及抗冰措施7.6.5对于有抗冰锥的单桩基础，靠泊防撞构件的布置方位宜不平行于主冰向，有助于冰首先直接作用到锥体，有效发挥锥体的抗冰作用。对于无冰锥的单桩基础，靠泊防撞构件的布置方位宜不垂直于主冰向，有助于避免冰同时作用在桩体和靠泊防撞构件上导致的冰荷载的增大。9施工组织设计9.2船机设备9.2.1船舶在冰区航行时，应根据冰量、冰质、本船船型结构及实际强度确定航速。9.4施工窗口期9.4.2海上风电工程超大型结构一般指海上升压站平台、海上换流站平台、重力式风机基础、采用整体吊装的风电机