海冰地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)導(dǎo)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(diǎn)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(chǎn)尼羅冰渤海和黃海北部海冰隨時(shí)間變化的特點(diǎn)是1日變化明顯。由于受氣溫、風(fēng)和潮流的影響，一日內(nèi)常常出現(xiàn)早晨有冰，下午無冰，漲潮時(shí)有冰，退潮時(shí)無冰，以及向岸風(fēng)時(shí)有冰，離岸風(fēng)時(shí)無冰的情況。這種情況在初冰期和終冰期內(nèi)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(huì)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(huì)融化或流往別處，從而出現(xiàn)幾天冰重，幾天冰輕的情況；3年變化明顯。海冰經(jīng)歷生成—發(fā)展—相對(duì)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(zhǎng)，可達(dá)50天；盛冰期長(zhǎng)短隨年際而變化，是一年中冰情最嚴(yán)重的時(shí)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(jié)冰面積在15%以下，而在嚴(yán)寒的冬季，結(jié)冰面積占渤?？偯娣e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(jù)所處局部海域進(jìn)行特征冰型的選取，以鲅魚圈海域?yàn)槔涸摵Ｓ蛱幱谶|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(shè)計(jì)冰型包括：平整冰或堆積冰、固結(jié)冰脊或未固結(jié)冰脊、重疊冰或堆積冰。4.2海冰性質(zhì)4.2.2海冰是一種天然的復(fù)合結(jié)晶物質(zhì)，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(shí)還含有泥沙等雜質(zhì)。在擾動(dòng)的海面上最初生成的冰是顆粒狀晶體結(jié)構(gòu)，即粒狀冰，在相對(duì)平靜條件生成的冰是柱狀晶體結(jié)構(gòu)，即柱狀冰。海冰溫度主要受氣溫、水溫、風(fēng)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(jié)冰速度和海冰在海中生存的時(shí)間。凍結(jié)速度越快，海冰生存的時(shí)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(yīng)考慮冰內(nèi)空氣和海冰析出鹽分對(duì)海冰密度的影響，相對(duì)平整冰，重疊冰密度應(yīng)降低5%~15%，堆積冰和冰脊的密度應(yīng)降低15%~30%。4.2.3在確定結(jié)構(gòu)物所在特定位置的海冰力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)原位采樣獲得的各種海冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定。在沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)少的情況下，可按照規(guī)范給出的公式確定。海冰力學(xué)性質(zhì)的影響因素包括：晶體結(jié)構(gòu)類型、加載方向、加載速率、鹽水體積和海冰溫度等。1晶體結(jié)構(gòu)類型可以按照規(guī)范4.1.3節(jié)確定設(shè)計(jì)冰型選擇適用的冰強(qiáng)度計(jì)算式。2加載方向一般情況下，壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度應(yīng)指平行于冰面方向的加載強(qiáng)度；彎曲強(qiáng)度、凍結(jié)強(qiáng)度應(yīng)指垂直于冰面方向的加載強(qiáng)度。在有關(guān)冰荷載計(jì)算中應(yīng)根據(jù)具體需求給出與其他方向的強(qiáng)度關(guān)系。3加載速率對(duì)于壓縮強(qiáng)度應(yīng)考慮海冰韌脆性破壞過渡區(qū)加載速率對(duì)應(yīng)的最大強(qiáng)度。加載速率可用應(yīng)變率或應(yīng)力率表示。過渡區(qū)應(yīng)變率范圍在10-4/s~10-3/s之間；對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(dāng)折減設(shè)計(jì)值。應(yīng)變率可用式計(jì)算：（4.2.3-1）式中： ——應(yīng)變率，單位s-1；v ——冰速，單位m/s；D ——結(jié)構(gòu)寬度，單位m。加載速率對(duì)除壓縮強(qiáng)度以外的其他海冰強(qiáng)度影響不顯著。4鹽水體積：僅平整冰宜建立海冰強(qiáng)度與鹽水體積的關(guān)系，各種強(qiáng)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(qiáng)度，單位為MPa； ——參考強(qiáng)度，單位為MPa； ——與海冰加載方向、加載速率等有關(guān)的常數(shù)； ——平整冰的鹽水體積，無量綱量5海冰溫度對(duì)于重疊冰、碎冰堆、冰脊等其他多種晶體結(jié)構(gòu)的海冰，可建立海冰強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。各種強(qiáng)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(qiáng)度（MPa）； ——與海冰晶體結(jié)構(gòu)、加載方向和加載速率等有關(guān)的常數(shù)； ——海冰設(shè)計(jì)溫度（℃），取-15℃~-0.3℃。6凍結(jié)強(qiáng)度海冰與結(jié)構(gòu)表面之間的凍結(jié)附著力，其大小可通過冰體沿結(jié)構(gòu)物表面的界面剪切強(qiáng)度來量度。凍結(jié)強(qiáng)度只在外荷載作用下才能表現(xiàn)出來，這個(gè)外荷載通常是漲潮和落潮的作用，其中對(duì)結(jié)構(gòu)物最不利的是漲潮時(shí)引起的上拔力作用。凍結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)物表面的粗糙度和吸水性的變化同樣影響凍結(jié)強(qiáng)度的大小，但與海冰的接觸面積無關(guān)，凍結(jié)強(qiáng)度不會(huì)超過海冰水平剪切強(qiáng)度。7彈性模量海冰的彈性變形可用彈性常數(shù)來表征，目前應(yīng)用和測(cè)量比較多的是彈性模量E和泊松比。本標(biāo)準(zhǔn)中的彈性模量指的是初始彈性模量，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始切線的斜率，有時(shí)也稱表觀模量。5電氣設(shè)備選型5.1風(fēng)電機(jī)組5.1.3海冰地區(qū)風(fēng)電機(jī)組除應(yīng)選擇低溫型機(jī)組外，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)還要考慮對(duì)鳥類遷徙，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的影響。6電氣設(shè)計(jì)6.1電氣一次6.1.3本條對(duì)海上升壓變電站和陸上變電站電氣設(shè)備選型的參考規(guī)范依據(jù)做了規(guī)定。6.1.4變壓器絕緣油的選擇應(yīng)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(guān)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(shè)計(jì)原則，海上升壓變電站內(nèi)環(huán)境較為惡劣，不設(shè)置固定運(yùn)行維護(hù)值班崗位，由陸上集控中心、陸上變電站負(fù)責(zé)完成變電站的日常運(yùn)行工作。6.2.2本條規(guī)定電氣二次與接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的主要范圍。6.2.3海上風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備包括海上升壓變電站、陸上集控中心、陸上變電站、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其升壓設(shè)備，將所有電氣設(shè)備監(jiān)控設(shè)置一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)融合，便于數(shù)據(jù)管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)，也有利于大數(shù)據(jù)分析，為運(yùn)維提供故障預(yù)分析等功能。6.2.4本條規(guī)定計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制的優(yōu)先級(jí)，從安全性角度考慮，設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)就地監(jiān)控優(yōu)先級(jí)最高，現(xiàn)場(chǎng)操作應(yīng)優(yōu)于升壓變電站的遠(yuǎn)方操作，保護(hù)人員與設(shè)備安全，以此類推。6.2.5海上升壓變電站和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)環(huán)境惡劣，高鹽霧、高潮濕、高腐蝕，二次設(shè)備的可靠性會(huì)下降，壽命也會(huì)降低，價(jià)格也更貴，且二次設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)運(yùn)維維護(hù)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(hù)和安全自動(dòng)裝置應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求。6.2.7海上風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度管理關(guān)系均由項(xiàng)目所在地的電網(wǎng)公司來確定，應(yīng)根據(jù)接入系統(tǒng)審查意見進(jìn)行設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)動(dòng)信息內(nèi)容應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)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(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)，考慮到海上升壓變電站電氣設(shè)備重要性高，110kV電壓等級(jí)宜按照兩組蓄電池兩套充電裝置配，220kV及其以上電壓等級(jí)應(yīng)按照兩組蓄電池兩套充電裝置配置。6.2.9海上設(shè)備發(fā)生故障較陸上而言維修難度大、成本高，應(yīng)加強(qiáng)一次主設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常和隱患，實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備極早預(yù)警、在線診斷和設(shè)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(yīng)滿足的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，全場(chǎng)設(shè)置一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)的融合，且能減少視頻服務(wù)器、后臺(tái)工作站的數(shù)量。6.2.11本條規(guī)定海上風(fēng)電場(chǎng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)滿足的規(guī)范要求。6.2.12海上風(fēng)電場(chǎng)通信系統(tǒng)復(fù)雜，包括與電網(wǎng)調(diào)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(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)多個(gè)業(yè)務(wù)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(fēng)電場(chǎng)各類通信應(yīng)滿足的主要規(guī)范或文件要求。7基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.4海冰荷載7.4.1冰荷載的形式和大小取決于結(jié)構(gòu)類型、海冰性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。冰荷載按作用性質(zhì)分類，冰荷載分為靜冰力和動(dòng)冰力；按結(jié)構(gòu)分類分為總冰力和局部冰力，總冰力用于結(jié)構(gòu)的總體分析，局部冰力用于局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qū)動(dòng)和凍結(jié)膨脹引起的，垂直冰力是由水位變化和凍結(jié)膨脹引起的；按破壞形式分類，冰作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)擠壓破壞、彎曲破壞等，相應(yīng)的冰力則稱為擠壓冰力、彎曲冰力。7.4.21通過收集庫(kù)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(jié)構(gòu)作用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到當(dāng)w/h>2時(shí)，直立結(jié)構(gòu)與冰厚以及寬度有關(guān)的冰荷載極值的計(jì)算公式。該公式不考慮溫度對(duì)荷載值的影響。該冰荷載數(shù)據(jù)也可通過有效的實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬方式確定。2對(duì)于斜面結(jié)構(gòu)，冰力由彎曲強(qiáng)度控制。彎曲冰荷載公式由Ralston于1977年提出，適用于傾斜結(jié)構(gòu)，如帶有冰錐的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(cè)量?jī)A斜角α在0°~70°范圍內(nèi)的錐體。5若在有冰脊地區(qū)布置海上風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)開展相應(yīng)專題研究6風(fēng)荷載和水流荷載最高不超過冰的抗壓強(qiáng)度。風(fēng)和水流聯(lián)合產(chǎn)生的漂浮力應(yīng)基于場(chǎng)址區(qū)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。7.4.2海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)在受到不同頻率動(dòng)冰荷載時(shí)可能產(chǎn)生比較明顯的冰激振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響上部發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，由于現(xiàn)階段無公認(rèn)準(zhǔn)確的計(jì)算方法，對(duì)于冰情較嚴(yán)重的海域宜采用模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行分析。在沒有統(tǒng)計(jì)或者實(shí)測(cè)動(dòng)冰荷載數(shù)據(jù)時(shí)，動(dòng)冰荷載可按本規(guī)范規(guī)定確定。7.6結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計(jì)要求及抗冰措施7.6.5對(duì)于有抗冰錐的單樁基礎(chǔ)，靠泊防撞構(gòu)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(duì)于無冰錐的單樁基礎(chǔ)，靠泊防撞構(gòu)件的布置方位宜不垂直于主冰向，有助于避免冰同時(shí)作用在樁體和靠泊防撞構(gòu)件上導(dǎo)致的冰荷載的增大。9施工組織設(shè)計(jì)9.2船機(jī)設(shè)備9.2.1船舶在冰區(qū)航行時(shí)，應(yīng)根據(jù)冰量、冰質(zhì)、本船船型結(jié)構(gòu)及實(shí)際強(qiáng)度確定航速。9.4施工窗口期9.4.2海上風(fēng)電工程超大型結(jié)構(gòu)一般指海上升壓站平臺(tái)、海上換流站平臺(tái)、重力式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、采用整體吊裝的風(fēng)電機(jī)