海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-第五章

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)陳達(dá)第五章：浮式基礎(chǔ)可將風(fēng)電組安在水深較大海域，該區(qū)域風(fēng)速較穩(wěn)定，風(fēng)資源豐富，可利用小時數(shù)多。風(fēng)電機(jī)組安裝位置可以移動，并便于拆除。安裝在遠(yuǎn)離海岸線的水域，消除視覺影像，并大大降低噪音、電磁波對人類生活的影像。采用集成結(jié)構(gòu)，使海上安裝程序簡化，同時費用也大幅降低。浮式基礎(chǔ)的優(yōu)點第五章：浮式基礎(chǔ)1994年英國的GarradHassan等人對在采用懸鏈線系泊的Spar平臺上設(shè)置單渦輪風(fēng)電機(jī)組的方案進(jìn)行了評價，這是最早針對風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)開展的詳細(xì)研究。2006年在挪威的Marintek，第一個真正意義上的以Spar為基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組概念模型正式出現(xiàn)。2006年Fulton等人正式提出了半潛式船體作為浮式基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電浮式基礎(chǔ)。2008年夏，英國的BlueH公司研制出了世界上第一臺海上浮式風(fēng)力機(jī)樣機(jī)（見圖5-1），二葉風(fēng)力機(jī)與浮式基礎(chǔ)在岸上合體后拖航至安裝地點。2009年，DominiqueRoddier等人提出了風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)的設(shè)計基礎(chǔ)和資格準(zhǔn)入問題，大大推動了風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)的發(fā)展。海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)的發(fā)展第五章：浮式基礎(chǔ)內(nèi)容大綱5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點5.1.1Spar式基礎(chǔ)5.1.2張力腿式基礎(chǔ)5.1.3半潛式基礎(chǔ)5.1.4新型浮式基礎(chǔ)5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點5.2.1懸鏈線錨泊5.2.2錨系計算5.1.3浮式基礎(chǔ)的設(shè)計5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類5.1.1Spar式基礎(chǔ)Spar式基礎(chǔ)的上部主體是一個大直徑、大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu)，主體中有一個硬艙，位于殼體的上部，用來提供平臺的浮力。中間部分是儲存艙，在平臺建造時，底部為平衡穩(wěn)定艙。當(dāng)平臺已經(jīng)系泊并準(zhǔn)備開始生產(chǎn)時，這些艙則轉(zhuǎn)化為固定壓載艙，用于吃水控制。中部由系泊索呈懸鏈線狀錨泊于海底。系泊索由海底樁鏈、錨鏈和鋼纜組成。錨所承受的上拔荷載由打樁或負(fù)壓法安裝的吸力式沉箱來承擔(dān)?？煞譃镾par式、張力腿式和半潛式三種結(jié)構(gòu)型式。5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點Spar式基礎(chǔ)特點Spar式基礎(chǔ)吃水大，并且垂向波浪激勵力小、垂蕩運動小，因此Spar式的基礎(chǔ)比半潛式基礎(chǔ)有著更好的垂蕩性能，但是由于Spar式基礎(chǔ)水線面對穩(wěn)性的貢獻(xiàn)小，其橫搖和縱搖值較大。5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點5.1.3張力腿式基礎(chǔ)張力腿式基礎(chǔ)主要由圓柱形的中央柱、矩形或三角形截面的浮箱、錨固基礎(chǔ)組成。張力腿式基礎(chǔ)的浮力由位于水面下的沉體浮箱提供，浮箱一側(cè)與中央柱相連，另一側(cè)與張力筋腱相連，張力筋腱下端與海底基座模板相連或直接連接在樁基頂端。有時候為了保證風(fēng)電機(jī)組的位置，還會安裝斜線系泊索系統(tǒng)，作為垂直張力腿系統(tǒng)的輔助。固定設(shè)備主要包括樁和吸力桶。5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點張力腿式基礎(chǔ)張力腿式基礎(chǔ)是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡的。張力腿式基礎(chǔ)也是采用錨泊定位的，但與一般半潛式平臺不同，其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。用的是樁錨（即打入水底的樁為錨）或重力式錨（重塊）等，不是一般容易起放的抓錨。張力腿式基礎(chǔ)的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索拉力來補償，而且此拉力應(yīng)大于由波浪產(chǎn)生的力，使錨索上經(jīng)常有向下的拉力，起著繃緊平臺的作用。5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點張力腿式基礎(chǔ)的特點張力腿式基礎(chǔ)具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。缺點是張力系泊系統(tǒng)復(fù)雜、安裝費用高，張力筋腱張力受海流影響大，上部結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)的頻率耦合易發(fā)生共振運動。優(yōu)點缺點5.1.3半潛式基礎(chǔ)5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點半潛式基礎(chǔ)通過位于海面位置的浮箱來保證風(fēng)電機(jī)組在水中的穩(wěn)定，再通過輻射式不知的懸鏈線來保證風(fēng)電機(jī)組的位置。半潛式基礎(chǔ)的浮箱平面尺寸較大，高度較小，依靠浮箱半潛于水中提供浮力支撐，浮箱平面尺寸足夠大，以保證風(fēng)電機(jī)組抗傾穩(wěn)定性。半潛式基礎(chǔ)特征半潛式基礎(chǔ)吃水小，在運輸和安裝時具有良好的穩(wěn)定性，相應(yīng)的費用比Spar式和張力腿式基礎(chǔ)節(jié)省。5.1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及其特點5.1.4新型浮式基礎(chǔ)海面浮動結(jié)構(gòu)技術(shù)屬于半潛式結(jié)構(gòu)的衍生基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖5-5所示，主要由壓水板、桁架結(jié)構(gòu)、立柱和系泊線組成。由日本技術(shù)人員提出的浮式混合風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以同時進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電和波浪發(fā)電，該概念設(shè)計綜合了半潛式平臺和WaveDragon波能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計思想，如圖5-6所示。此外，采用懸鏈線和張力筋腱混合系泊定位的風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)，稱為Spar/TLP混合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點5.2.1懸鏈線錨泊輻射狀的懸鏈線錨鏈將用作風(fēng)電機(jī)組安裝平臺的浮箱等錨固在海底，浮箱的尺寸應(yīng)保證有足夠的浮力和漂浮穩(wěn)定性，能承受錨鏈及浮箱上其他設(shè)備的重量。錨鏈系統(tǒng)懸鏈線錨泊系統(tǒng)采用多鏈系統(tǒng)，可有效地錨住浮箱體。錨鏈的數(shù)量應(yīng)從經(jīng)濟(jì)和安全兩方面因素進(jìn)行考慮，主要取決于系泊力的大小，鏈數(shù)增加，浮箱尺寸也相應(yīng)加大，以承擔(dān)所增加鏈條的重量。當(dāng)外荷載作用于浮箱時，浮箱向受力方向移動，把沉于海底的一段錨鏈拉起。當(dāng)被拉起的錨鏈質(zhì)量正好平衡外荷載時，則浮箱不再移動，為防止錨鏈猛然拉緊而導(dǎo)致斷裂，根據(jù)最大負(fù)荷時的最大漂移量，至少應(yīng)有足夠長的錨鏈沉于海底。5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點錨鏈系統(tǒng)錨固系統(tǒng)的彈性程度取決于錨鏈的重量和預(yù)緊力，得到最佳的預(yù)緊力并選取相應(yīng)的錨鏈規(guī)格，應(yīng)按不同組合進(jìn)行模型試驗，記錄相應(yīng)峰值，然后通過綜合分析，確定最大鏈力

。最大鏈力確定后，可以計算出所需錨鏈的長度；對于擱置于水平海底上的錨鏈長度，可按下式計算：5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點錨鏈系統(tǒng)5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點固定設(shè)備固定設(shè)備的選型應(yīng)根據(jù)海底的地質(zhì)條件而定。由于海上風(fēng)電機(jī)組受到水平風(fēng)力較大，一般不選用錨做固定設(shè)備，而大體積混凝土作成的重力錨由于海上運輸麻煩，一般也不予采用?？梢杂米骱Ｉ巷L(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)固定設(shè)備的主要有樁和吸力桶兩種。樁基礎(chǔ)或吸力桶錨碇根據(jù)錨鏈的最大力進(jìn)行布置，可用單根樁或多根樁。如用多根樁基礎(chǔ)錨碇，則應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)將它們牢固地連接在一起，這樣能充分發(fā)揮每根樁的作用。無論哪種固定設(shè)備，在設(shè)置完后都要進(jìn)行錨鏈預(yù)拉，以控制浮箱的水平位移。預(yù)拉力的大小，對于懸鏈線錨鏈約為錨鏈破斷強(qiáng)度的3％~5％。5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點5.2.2錨系計算圖5-7

錨鏈計算簡圖用作風(fēng)電機(jī)組平臺的浮箱常由幾根錨鏈從兩個或幾個方向錨系，屬雙面錨固問題。當(dāng)一側(cè)錨鏈拉緊程度遠(yuǎn)大于另一側(cè)時，可簡化為單面錨固問題，本書僅介紹單面錨固情況。浮箱承受波浪荷載、風(fēng)荷載、水流荷載等水平力作用時，其錨系可按靜力計算。錨鏈的靜力分析可按懸鏈線進(jìn)行，根據(jù)錨鏈的自重力及浮箱在平衡位置時錨鏈拉力的水平分力的靜力平衡，用下列懸鏈線標(biāo)準(zhǔn)方程計算錨鏈的拉力（圖5-7）。5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點5.2.2錨系計算圖5-7

錨鏈計算簡圖5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點以上計算中，水平力T

與錨鏈曲線是在同一垂直平面內(nèi)，而實際上錨鏈都是與浮箱成一個角度交叉布置的，所以必須先把作用在浮箱上的力分解到各錨鏈上。圖5-9表示了浮箱受水流壓力時這種分解的一個例子。一般情況下都是已知H（以高水位時為不利）及T（風(fēng)電機(jī)組水平力、波浪力、水流力等水平力），然后再根據(jù)選擇錨鏈的w來計算錨鏈的拉力F。所選錨鏈的破斷拉力（表5-1）應(yīng)大于或等于3F，如不滿足可重新選擇錨鏈，直至計算結(jié)果滿足相關(guān)要求。根據(jù)選定錨鏈的w和已知的H、T可求得l和L。5.2.2錨系計算5.2浮式基礎(chǔ)的一般構(gòu)造及設(shè)計要點5.2.3浮式基礎(chǔ)設(shè)計

浮式基礎(chǔ)承受的荷載總體尺寸規(guī)劃；水靜力分析；穩(wěn)性分析；水動力分析；