海冰地區(qū)海上風電場設計導則

海冰及其他環(huán)境條件4.1海冰分布4.1.2渤海和黃海北部海冰空間區(qū)域分布的基本特點是：1渤海北部冰情重于南部2海岸附近冰情終于海中3遼東灣東岸附近冰情重于遼東灣西岸附近4萊州灣西岸附近冰情重于萊州灣東岸附近、5黃海北部鴨綠江口附近的冰情較重，沿遼東半島南岸往西，冰情逐漸減輕；6深水區(qū)以及渤海中部海區(qū)，冰主要是有岸邊飄移來的，重病年是可以生產尼羅冰渤海和黃海北部海冰隨時間變化的特點是1日變化明顯。由于受氣溫、風和潮流的影響，一日內常常出現早晨有冰，下午無冰，漲潮時有冰，退潮時無冰，以及向岸風時有冰，離岸風時無冰的情況。這種情況在初冰期和終冰期內尤為明顯；2日際變化明顯。冷空氣過境，特別是寒潮侵襲期間，海冰會突然增多、加厚，冷空氣或寒潮過后，隨著氣溫的回升，海冰又會融化或流往別處，從而出現幾天冰重，幾天冰輕的情況；3年變化明顯。海冰經歷生成—發(fā)展—相對穩(wěn)定—融化消失的過程，即初冰期，盛冰期和終冰期。初冰期較長，可達50天；盛冰期長短隨年際而變化，是一年中冰情最嚴重的時期；終冰期很短，僅5天~7天；4年際變化（多年變化）明顯。由于冬季氣候的變化，渤海和黃海北部的冰情各年不同；在極暖的冬季，渤海的結冰面積在15%以下，而在嚴寒的冬季，結冰面積占渤海總面積的80%以上。4.1.3海冰特征冰型按照面特征可劃分為單層冰、重疊冰和堆積冰。按照線特征可劃分為冰脊，包括擠壓作用形成的擠壓冰脊和剪切作用形成的剪切冰脊。工程可根據所處局部海域進行特征冰型的選取，以鲅魚圈海域為例：該海域處于遼東灣海域，需考慮固定冰區(qū)、過渡冰區(qū)和浮冰區(qū)；該海域設計冰型包括：平整冰或堆積冰、固結冰脊或未固結冰脊、重疊冰或堆積冰。4.2海冰性質4.2.2海冰是一種天然的復合結晶物質，通常是由純冰晶體、鹽水和空氣囊組成，岸邊附近生成的海冰，有時還含有泥沙等雜質。在擾動的海面上最初生成的冰是顆粒狀晶體結構，即粒狀冰，在相對平靜條件生成的冰是柱狀晶體結構，即柱狀冰。海冰溫度主要受氣溫、水溫、風速、海冰厚度和積雪等因素的控制。表層冰溫隨氣溫的變化而變化，其變化幅度較氣溫小。單層冰表層至20cm厚度之間，冰溫大致呈線性分布；厚度20cm以下的冰溫基本保持不變，一般在-1.6℃~-1.8℃之間。海冰的鹽度是海冰融化成海水所含的鹽度。海冰鹽度高低取決于形成海冰的海水的鹽度、結冰速度和海冰在海中生存的時間。凍結速度越快，海冰生存的時間越短，海冰鹽度越高。海冰鹽度沿冰厚度一般近似呈“C”字形分部。除平整冰之外，其他冰型密度應考慮冰內空氣和海冰析出鹽分對海冰密度的影響，相對平整冰，重疊冰密度應降低5%~15%，堆積冰和冰脊的密度應降低15%~30%。4.2.3在確定結構物所在特定位置的海冰力學設計指標時，應根據原位采樣獲得的各種海冰試驗數據統(tǒng)計結果確定。在沒有實測數據或原位試驗數據少的情況下，可按照規(guī)范給出的公式確定。海冰力學性質的影響因素包括：晶體結構類型、加載方向、加載速率、鹽水體積和海冰溫度等。1晶體結構類型可以按照規(guī)范4.1.3節(jié)確定設計冰型選擇適用的冰強度計算式。2加載方向一般情況下，壓縮強度和剪切強度應指平行于冰面方向的加載強度；彎曲強度、凍結強度應指垂直于冰面方向的加載強度。在有關冰荷載計算中應根據具體需求給出與其他方向的強度關系。3加載速率對于壓縮強度應考慮海冰韌脆性破壞過渡區(qū)加載速率對應的最大強度。加載速率可用應變率或應力率表示。過渡區(qū)應變率范圍在10-4/s~10-3/s之間；對應的應力率范圍在0.03MPa/s~0.4MPa/s之間。加載速率不在此范圍的荷載可適當折減設計值。應變率可用式計算：（4.2.3-1）式中： ——應變率，單位s-1；v ——冰速，單位m/s；D ——結構寬度，單位m。加載速率對除壓縮強度以外的其他海冰強度影響不顯著。4鹽水體積：僅平整冰宜建立海冰強度與鹽水體積的關系，各種強度可按式（4.2.3-2）形式給出：（4.2.3-2）式中： ——平整冰過渡區(qū)加載速率的各種強度，單位為MPa； ——參考強度，單位為MPa； ——與海冰加載方向、加載速率等有關的常數； ——平整冰的鹽水體積，無量綱量5海冰溫度對于重疊冰、碎冰堆、冰脊等其他多種晶體結構的海冰，可建立海冰強度與溫度的關系。各種強度可按式（4.2.3-3）形式給出：（4.2.3-3）式中： ——除平整冰外各種冰過渡區(qū)加載速率的各種強度（MPa）； ——與海冰晶體結構、加載方向和加載速率等有關的常數； ——海冰設計溫度（℃），取-15℃~-0.3℃。6凍結強度海冰與結構表面之間的凍結附著力，其大小可通過冰體沿結構物表面的界面剪切強度來量度。凍結強度只在外荷載作用下才能表現出來，這個外荷載通常是漲潮和落潮的作用，其中對結構物最不利的是漲潮時引起的上拔力作用。凍結強度隨著冰溫降低而非線性增加，隨著剪切位移速率的變化而改變，但幅度不大；結構物表面的粗糙度和吸水性的變化同樣影響凍結強度的大小，但與海冰的接觸面積無關，凍結強度不會超過海冰水平剪切強度。7彈性模量海冰的彈性變形可用彈性常數來表征，目前應用和測量比較多的是彈性模量E和泊松比。本標準中的彈性模量指的是初始彈性模量，即應力-應變曲線的初始切線的斜率，有時也稱表觀模量。5電氣設備選型5.1風電機組5.1.3海冰地區(qū)風電機組除應選擇低溫型機組外，風電機組的設計還要考慮對鳥類遷徙，生態(tài)環(huán)境保護的影響。6電氣設計6.1電氣一次6.1.3本條對海上升壓變電站和陸上變電站電氣設備選型的參考規(guī)范依據做了規(guī)定。6.1.4變壓器絕緣油的選擇應滿足最低氣溫要求。具體選擇方法可參考《電工流體變壓器和開關的未使用過的礦物絕緣油》GB2356中的規(guī)定。6.2電氣二次6.2.1本條為電氣二次設計原則，海上升壓變電站內環(huán)境較為惡劣，不設置固定運行維護值班崗位，由陸上集控中心、陸上變電站負責完成變電站的日常運行工作。6.2.2本條規(guī)定電氣二次與接入系統(tǒng)設計有關的主要范圍。6.2.3海上風電場電氣設備包括海上升壓變電站、陸上集控中心、陸上變電站、風力發(fā)電機組及其升壓設備，將所有電氣設備監(jiān)控設置一套計算機監(jiān)控系統(tǒng)，有利于數據融合，便于數據管理和運營維護，也有利于大數據分析，為運維提供故障預分析等功能。6.2.4本條規(guī)定計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制的優(yōu)先級，從安全性角度考慮，設備的現場就地監(jiān)控優(yōu)先級最高，現場操作應優(yōu)于升壓變電站的遠方操作，保護人員與設備安全，以此類推。6.2.5海上升壓變電站和海上風力發(fā)電機組內環(huán)境惡劣，高鹽霧、高潮濕、高腐蝕，二次設備的可靠性會下降，壽命也會降低，價格也更貴，且二次設備出現故障時運維維護較為困難，故優(yōu)先布置于陸上集控中心、陸上變電站。6.2.6本條規(guī)定繼電保護和安全自動裝置應滿足的標準、規(guī)范要求。6.2.7海上風電場的調度管理關系均由項目所在地的電網公司來確定，應根據接入系統(tǒng)審查意見進行設計。遠動信息內容應滿足相關規(guī)范和當地電網調度端的要求。6.2.8海上升壓變電站交直流控制電源按照電力行業(yè)相關規(guī)范設計，考慮到海上升壓變電站電氣設備重要性高，110kV電壓等級宜按照兩組蓄電池兩套充電裝置配，220kV及其以上電壓等級應按照兩組蓄電池兩套充電裝置配置。6.2.9海上設備發(fā)生故障較陸上而言維修難度大、成本高，應加強一次主設備的狀態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現設備異常和隱患，實現故障設備極早預警、在線診斷和設備全生命周期優(yōu)化管理。6.2.10本條規(guī)定視頻監(jiān)控系統(tǒng)應滿足的設計標準、規(guī)范，全場設置一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有利于數據的融合，且能減少視頻服務器、后臺工作站的數量。6.2.11本條規(guī)定海上風電場火災自動報警系統(tǒng)應滿足的規(guī)范要求。6.2.12海上風電場通信系統(tǒng)復雜，包括與電網調度端的通信、陸上集控中心、陸上變電站與海上升壓變電站之間的通信、風電場風電機組內多個業(yè)務系統(tǒng)的通信以及海事等部門要求的通信，本條規(guī)定海上風電場各類通信應滿足的主要規(guī)范或文件要求。7基礎結構設計7.4海冰荷載7.4.1冰荷載的形式和大小取決于結構類型、海冰性質及運動狀態(tài)。冰荷載按作用性質分類，冰荷載分為靜冰力和動冰力；按結構分類分為總冰力和局部冰力，總冰力用于結構的總體分析，局部冰力用于局部結構強度校核；按冰力的作用方向分為水平冰力和垂直冰力，水平冰力是由環(huán)境驅動和凍結膨脹引起的，垂直冰力是由水位變化和凍結膨脹引起的；按破壞形式分類，冰作用于結構時，可能會出現擠壓破壞、彎曲破壞等，相應的冰力則稱為擠壓冰力、彎曲冰力。7.4.21通過收集庫克灣、波弗特海、波羅的海以及渤海的一年或多年冰與直立結構作用的現場實測數據，并對數據進行分析，得到當w/h>2時，直立結構與冰厚以及寬度有關的冰荷載極值的計算公式。該公式不考慮溫度對荷載值的影響。該冰荷載數據也可通過有效的實驗或者數值模擬方式確定。2對于斜面結構，冰力由彎曲強度控制。彎曲冰荷載公式由Ralston于1977年提出，適用于傾斜結構，如帶有冰錐的風力發(fā)電機組塔架。該公式也被API、DNV、CCS等推薦采用。該公式適用于水平測量傾斜角α在0°~70°范圍內的錐體。5若在有冰脊地區(qū)布置海上風電場，應開展相應專題研究6風荷載和水流荷載最高不超過冰的抗壓強度。風和水流聯合產生的漂浮力應基于場址區(qū)數據的統(tǒng)計分析。7.4.2海上風力發(fā)電機組支撐結構在受到不同頻率動冰荷載時可能產生比較明顯的冰激振動，嚴重時會影響上部發(fā)電機組的運行，由于現階段無公認準確的計算方法，對于冰情較嚴重的海域宜采用模型試驗的方式進行分析。在沒有統(tǒng)計或者實測動冰荷載數據時，動冰荷載可按本規(guī)范規(guī)定確定。7.6結構抗冰設計要求及抗冰措施7.6.5對于有抗冰錐的單樁基礎，靠泊防撞構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錐體，有效發(fā)揮錐體的抗冰作用。對于無冰錐的單樁基礎，靠泊防撞構件的布置方位宜不垂直于主冰向，有助于避免冰同時作用在樁體和靠泊防撞構件上導致的冰荷載的增大。9施工組織設計9.2船機設備9.2.1船舶在冰區(qū)航行時，應根據冰量、冰質、本船船型結構及實際強度確定航速。9.4施工窗口期9.4.2海上風電工程超大型結構一般指海上升壓站平臺、海上換流站平臺、重力式風機基礎、采用整體吊裝的風電機