海上風電機組基礎結(jié)構-第五章

1、海上風電機組基礎結(jié)構海上風電機組基礎結(jié)構陳達陳達第五章：浮第五章：浮式式基礎基礎n可將風電組安在水深較大海域，該區(qū)域風速較穩(wěn)定，風資源豐富，可利用小時數(shù)多。n風電機組安裝位置可以移動，并便于拆除。n安裝在遠離海岸線的水域，消除視覺影像，并大大降低噪音、電磁波對人類生活的影像。n采用集成結(jié)構，使海上安裝程序簡化，同時費用也大幅降低。浮式基礎的優(yōu)點浮式基礎的優(yōu)點第五章：浮第五章：浮式式基礎基礎n1994年英國的Garrad Hassan等人對在采用懸鏈線系泊的Spar平臺上設置單渦輪風電機組的方案進行了評價，這是最早針對風電機組浮式基礎開展的詳細研究。n2006年在挪威的Marintek，第一個真

2、正意義上的以Spar為基礎的風電機組概念模型正式出現(xiàn)。n2006年Fulton等人正式提出了半潛式船體作為浮式基礎的海上風力發(fā)電浮式基礎。n2008年夏，英國的 Blue H 公司研制出了世界上第一臺海上浮式風力機樣機（見圖5-1），二葉風力機與浮式基礎在岸上合體后拖航至安裝地點。n2009年，Dominique Roddier等人提出了風電機組浮式基礎的設計基礎和資格準入問題，大大推動了風電機組浮式基礎的發(fā)展。海上風電浮式基礎的發(fā)展海上風電浮式基礎的發(fā)展第五章：浮第五章：浮式式基礎基礎內(nèi)容大綱內(nèi)容大綱5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點5.1.1 Spar式基礎式基礎5.

3、1.2 張力腿式基礎張力腿式基礎5.1.3 半潛式基礎半潛式基礎5.1.4 新型浮式基礎新型浮式基礎5.2浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點5.2.1 懸鏈線錨泊懸鏈線錨泊5.2.2 錨系計算錨系計算5.1.3浮式基礎浮式基礎的設計的設計5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構浮式基礎結(jié)構的分類的分類5.1.1 Spar式基礎式基礎n Spar式基礎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，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。n 當平臺已經(jīng)系泊并準備開始生產(chǎn)時

4、，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壓法安裝的吸力式沉箱來承擔。可分為Spar式、張力腿式和半潛式三種結(jié)構型式。5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點Spar式基礎式基礎特點特點n Spar式基礎吃水大，并且垂向波，并且垂向波浪激勵力小、垂蕩運動小浪激勵力小、垂蕩運動小，因此Spar式的基礎比半潛式基礎有著更好的垂蕩性能更好的垂蕩性能，n 但是由于Spar式基礎水線面對穩(wěn)性的貢獻小，其橫搖和縱搖值較其橫搖和縱搖值較大大。5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點

5、5.1.3 張力腿式基礎張力腿式基礎n 張力腿式基礎主要由圓柱形的中央柱、矩形或三角形截面的浮箱、錨固基礎組成。n 張力腿式基礎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。n 有時候為了保證風電機組的位置，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。固定設備主要包括樁和吸力桶。5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點張力腿式基礎張力腿式基礎n 張力腿式基礎是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡的。n 張力腿式基礎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

6、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。n 張力腿式基礎的重力小于浮力，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 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點張力腿式基礎張力腿式基礎的特點的特點張力腿式基礎具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。缺點是張力系泊系統(tǒng)復雜、安裝費用高，張力筋腱張力受海流影響大，上部結(jié)構和系泊系統(tǒng)的頻率耦合易發(fā)生共振運動。優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點5.1.3 半潛式基礎半潛式基礎5.1 浮式基礎結(jié)構型式及

7、其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點n 半潛式基礎通過位于海面位置的浮箱來保證風電機組在水中的穩(wěn)定，再通過輻射式不知的懸鏈線來保證風電機組的位置。n 半潛式基礎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，以保證風電機組抗傾穩(wěn)定性。半潛式基礎半潛式基礎特征特征半潛式基礎吃水小，在運輸和安裝時具有良好的穩(wěn)定性，相應的費用比Spar式和張力腿式基礎節(jié)省。5.1 浮式基礎結(jié)構型式及其特點浮式基礎結(jié)構型式及其特點5.1.4 新型浮式基礎新型浮式基礎n 海面浮動結(jié)構技術屬于半潛式結(jié)構的衍生基礎結(jié)構，如圖5-5所示，主要由壓水板、桁架結(jié)構、立柱和系泊線組成。n 由日本技術人員

8、提出的浮式混合風力發(fā)電機可以同時進行風力發(fā)電和波浪發(fā)電，該概念設計綜合了半潛式平臺和 WaveDragon 波能轉(zhuǎn)換裝置的設計思想，如圖5-6所示。n 此外，采用懸鏈線和張力筋腱混合系泊定位的風電機組浮式基礎，稱為Spar/TLP 混合結(jié)構基礎。5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點5.2.1 懸鏈線錨泊懸鏈線錨泊輻射狀的懸鏈線錨鏈將用作風電機組安裝平臺的浮箱等錨固在海底，浮箱的尺寸應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備的重量。錨鏈系統(tǒng)錨鏈系統(tǒng)n 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)量應從經(jīng)濟和安全兩方面因素進行考慮，主要取決于

9、系泊力的大小，鏈數(shù)增加，浮箱尺寸也相應加大，以承擔所增加鏈條的重量。n 當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致斷裂，根據(jù)最大負荷時的最大漂移量，至少應有足夠長的錨鏈沉于海底。5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點錨鏈系統(tǒng)錨鏈系統(tǒng)n 錨固系統(tǒng)的彈性程度取決于錨鏈的重量和預緊力，得到最佳的預緊力并選取相應的錨鏈規(guī)格，應按不同組合進行模型試驗，記錄相應峰值，然后通過綜合分析，確定最大鏈力 。n 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

10、按下式計算：maxFWhHhSmaxmin215.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點錨鏈系統(tǒng)錨鏈系統(tǒng)5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點固定設備固定設備n 固定設備的選型應根據(jù)海底的地質(zhì)條件而定。由于海上風電機組受到水平風力較大，一般不選用錨做固定設備，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。可以用作海上風電機組浮式基礎固定設備的主要有樁和吸力桶兩種。n 樁基礎或吸力桶錨碇根據(jù)錨鏈的最大力進行布置，可用單根樁或多根樁。如用多根樁基礎錨碇，則應用桁架結(jié)構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。n 無論哪種固定設

11、備，在設置完后都要進行錨鏈預拉，以控制浮箱的水平位移。預拉力的大小，對于懸鏈線錨鏈約為錨鏈破斷強度的35。5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點5.2.2 錨系計算錨系計算圖 5-7 錨鏈計算簡圖n 用作風電機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。當一側(cè)錨鏈拉緊程度遠大于另一側(cè)時，可簡化為單面錨固問題，本書僅介紹單面錨固情況。n 浮箱承受波浪荷載、風荷載、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，用下列懸鏈線標準方程計算錨鏈的拉力（圖5-7）。5.2

12、 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點5.2.2 錨系計算錨系計算圖 5-7 錨鏈計算簡圖5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點以上計算中，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（風電機組水平力、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)果滿足相關要求。根據(jù)選定錨鏈的w和已知的H H、T T可求得l和L。5.2.2 錨系計算錨系計算5.2 浮式基礎的一般構造及設計要點浮式基礎的一般構造及設計要點5.2.3 浮式基礎設計浮式基礎設計 浮式基礎承受的荷載n 總體尺寸規(guī)劃；n 水