水深对海上风电机组载荷的影响研究

　　【摘要】根据海上风电机组安装地点的环境条件，利用GH-blade 软件建立了海上风电机组模型，仿真计算并且分析了不同水深对整机极限、疲劳载荷的影响，为进一步开发和利用近海乃至深海风能资源提供必要的理论参考。
　　
　　【关键词】水深；风-波浪；海上风机；载荷
　　
　　0 目的意义
　　
　　海上风电场原则上应建立在离岸距离不少于10 公里、滩涂宽度超过10 公里时海域水深不得少于10 米的近海海域。我国近海风能资源十分丰富，10—30m 水深的风能资源约在1 到4.9 亿千瓦之间，应用前景广阔。
　　
　　海上风电机组除风作用之外，还受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋环境因素的综合影响。一般来说，风速越大，波高、周期和波速随之增大，水位则会使波高受到深度限制，进而影响波浪载荷；海流也仅随着水深而变化。由此可见，水深作为海上风电机组的标志和先决条件，对其的研究显得尤为紧迫和重要。近几年，我国拟开工的近海风电项目主要集中在河北、江苏、山东、浙江等省份，渤海、黄海以及东海海域，平均水深在5—30m 之间。因此，探索不同水深对机组载荷的变化影响规律，不仅对海上风电机组设计和研发具有积极意义，也可为今后更深海域的风电场开发提供借鉴[1]。
　　
　　1 海洋条件 　　1.1 波浪
　　
　　海浪包括风浪、涌浪和近岸浪。从我国海区来看，渤海风浪浪高最小，黄海的比渤海略大，东海的大于黄海，南海风浪最大。就季节而言，秋季风浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。风浪的周期与波高是匹配的，两者呈正比关系。涌浪季节变化和海区特点和风浪分布趋势相同，总体上讲，涌浪波高和周期，比风浪的要大，但在沿岸海域和封闭性较强的海域，这种差异较小[1]。
　　
　　设计海况一般用波谱Sη、有义波高HS、谱峰周期TP和平均波向θwm来描述，海浪谱通常采用单一方向传播的长峰波谱，主要包括Pierson-Moskowitz（简称P-M 谱），Bretschneider 双参数谱，Jonswap 谱[2]；海上风力发电机组设计中，根据平均风速（V）、有义波高（HS）、谱峰周期（TP）的长期联合概率分布来考虑风况和波浪的相互关系。上述参数的联合概率分布受到安装场地条件（如风区、水深、海底地形等）的影响。 　　μ10表示海平面以上10 米年平均风速。
　　
　　1.2 海流
　　
　　理论上海流在空间和时间上不断变化，但一般认为海流是定常速度和方向的水平均匀流场，仅随着深度而变化。海流速度应考虑下列成分[2]：
　　
　　潮汐、风暴潮和大气压力变化等引起的次表层流；
　　
　　风生近表层流；
　　
　　近岸波浪生成的与海岸平行的表层流。
　　
　　1.2.1 次表层流
　　
　　次表层流分布可用水深d 的下列公式表示： 　　式中：流速USS （z）———为静水位以上高度z 的函数，m/s；d———水深，m。
　　
　　重现期为1 年和50 年的海表层流速USS （0）的值，可通过对海上风力发电机组场地的适当测量分析来确定。通常可假设次表层流与波向一致。
　　
　　1.2.2 风生近表层流
　　
　　风生流可用速度UW（z）的线性分布来表示，该速度从海表层的UW（0）减少到静水位以下20m 深处的计算公式为： 　　式中：z———到静水位的距离，m。在静水位之下取负值。
　　
　　在水深少于20m 的场地，海底的风生流速为非零。
　　
　　1.2.3 海表层风生流
　　
　　海表层风生流速度可假定与风向一致，并可按下式估算： 　　式中：V1-hour （z=10m）———在静水位以上10m 高度处风速的1h 平均值，m/s。 　　另外，海冰、海生物对海上风力发电机组的支撑结构产生的载荷，在进行支撑结构详细设计时予以考虑。
　　
　　2 仿真模型建立
　　
　　综合考虑5MW 样机如东现场的风、波浪、海流等实际数据，采用多体支撑结构，将上部风电机组模型和下部支撑结构模型整合到一起进行仿真分析。根据施工地质条件绘制土壤刚度P-Y 曲线[3]，建立整体模型如下图： 　　3 典型工况选择
　　
　　根据GL2012 海上风电规范[5]，在GH-blade 中按照公式（2）、（3）计算，有义波高（HS）5.6m，谱峰周期（TP）10.6s。将生成的空气动力载荷
　　
　　和波浪载荷加载到整机模型，进行仿真分析。考虑到风速、水深与波浪等之间的关系，这里风速取切出风速25m/s。对于疲劳分析，风速生成采用NTM 正常湍流模型，极限则采用ETM 极端湍流模型，水深在0-30m 之间，每间隔5m 进行仿真。
　　
　　4 仿真数据对比及结果分析
　　
　　经过计算，以海平面水深高度的载荷值作为参考，得到0-30m 水深范围内风电机组各零部件主导方向疲劳、极限载荷比值变化关系见图4、图5。可以看出，除塔基载荷随水深增加而显著增加外，塔架顶部各零部件疲劳载荷变化不明显，均在2%左右。就极限载荷而言，10m水深处塔架顶部各零部件的载荷增幅在5%左右，随后增幅逐渐减小，30m 水深时增幅基本接近零。塔基载荷总体趋势随水深增加而增加。 　　一般情况下，海浪的生成，取决于风力强弱、风区大小和风时长短。浪高受到水位的限制，即在特定风速下，所能产生的浪高要比水深小一些。当水位超过一定程度时，浪高仅与风速相关，海流速度也随着水深的增加逐渐减小[4]。 　　可以看出，随着水深的增加，塔筒的频率有所降低，是造成塔筒变形和受力增大的主要原因，因此在进行塔架和基础设计时，需要根据具体情况调整刚度。
　　
　　5 结论
　　
　　以5MW 海上风力发电机组为研究对象，应用专业计算软件GHblade，考虑风、海浪、海流等环境条件，建立了近海风力发电机组性能仿真模型，得到以下结论：
　　
　　1）不同水深条件下，风、浪和海流的相互耦合作用，整机载荷变化在2%左右，在设计余量范围内，机组零部件安全可以保证。塔基载荷变化基本都超过5%，需要根据安装地条件，进行重新设计。
　　
　　2）随着水深的变化，波浪、海流在深度上的影响按一定规律衰减。
　　
　　3）水深10m 时，对整机零部件的极限、疲劳载荷影响最大，在5%范围内。