海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架體系實時安全評估方法研究

邢占清，周建華，符 平，黃立維

(1.中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044)

海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架體系實時安全評估方法研究

邢占清1,2，周建華1,2，符 平1,2，黃立維1,2

(1.中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044)

海上風(fēng)機所處環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)與塔架等支撐結(jié)構(gòu)在使用階段受到荷載和非荷載因素，會產(chǎn)生累積損傷和性能退化。為了實時掌握基礎(chǔ)與塔架體系的運行狀態(tài)及安全性，進行合理的檢修與維護，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時安全評估方法。結(jié)果表明：結(jié)合風(fēng)況、風(fēng)機運行等信息，僅在風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架關(guān)鍵部位設(shè)置少量監(jiān)測設(shè)備即可滿足安全實時評估的數(shù)據(jù)要求；考慮限值比較、單點誤差分析、總體誤差分析后，可對基礎(chǔ)與塔架局部及整體安全性進行實時評價。經(jīng)實例論證，預(yù)測結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，具有較好的實用性，可為類似工程提供參考。

海上風(fēng)機；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；安全評估

我國近海風(fēng)電開發(fā)潛力巨大，近年來迎來了發(fā)展新機遇[1]。繼上海東海大橋海上風(fēng)電示范項目之后，江蘇如東150 MW海上風(fēng)電場、江蘇東臺200 MW海上風(fēng)電場、江蘇響水200 MW海上風(fēng)電場等相繼成功并網(wǎng)發(fā)電，積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗，進入了快速發(fā)展階段。

海上風(fēng)機所處環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)與塔架等支撐結(jié)構(gòu)在使用階段受到荷載和非荷載因素，會產(chǎn)生累積損傷和性能退化，進而直接影響風(fēng)機的運行與安全。實時掌握基礎(chǔ)與塔架的運行狀態(tài)及安全性，并進行合理的檢修與維護，可在確保風(fēng)機運行安全的同時降低風(fēng)電場的運營成本。近年來，許多學(xué)者針對海上風(fēng)電場的運行維護開展了研究，但大多數(shù)成果集中于風(fēng)機機組的運行維護方面，在風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等方面取得了一定的成果[2-8]。關(guān)于基礎(chǔ)與塔架的研究主要集中在結(jié)構(gòu)疲勞和強度弱化等方面，譚剛等[9]對海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞及其可靠性研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析。李英超等[10]人基于等效固結(jié)樁模型提出了一種海上風(fēng)機樁基弱化識別方法。馬永亮等[11]提出了一種風(fēng)浪聯(lián)合作用下塔架的疲勞評估方法?；A(chǔ)與塔架體系安全評估研究進展較為緩慢。沈賢達等[12]提出了一種基于風(fēng)險評價的海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)安全性評價方法。王春等[13]采用靜力分析與風(fēng)機結(jié)構(gòu)模態(tài)分析相結(jié)合的方法提取風(fēng)機結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建立了一種海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測評價方法。總的來說，目前尚缺乏針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)及塔架工作狀態(tài)及其安全風(fēng)險評估的有效方法，為此本文針對海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架安全評估方法開展研究，試圖建立一種應(yīng)用簡單、可實時掌握風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的方法，以指導(dǎo)風(fēng)電場維護工作。

1 安全評估工作方法

安全評估主要分析危險的潛伏期，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)損傷的積累和性能的退化，這些因素并非一定會導(dǎo)致危險的發(fā)生，但聚集了發(fā)生危險的根源，是發(fā)生風(fēng)機基礎(chǔ)、塔架事故的必要條件。海上風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架工作性態(tài)涉及的影響因素較多，若要對其工作性態(tài)及安全性、可靠性進行評判，需收集較為全面的信息；海上風(fēng)電場風(fēng)機數(shù)量較多，運行期內(nèi)通常不具備進行全面評判的條件。本文提出的實時安全評估方法意在設(shè)置少量監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)況條件、風(fēng)機運行情況等有限信息對基礎(chǔ)及塔架安全風(fēng)險進行評估，評估可能存在安全風(fēng)險問題時，根據(jù)嚴(yán)重性應(yīng)進一步收集信息進行分析或現(xiàn)場維護。

1.1 作用因素分析

引起海上風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架響應(yīng)的作用因素較多，主要包括：風(fēng)機運行情況、環(huán)境荷載作用、其他作用及損傷等。風(fēng)機運行情況主要包括停機、正常發(fā)電，二者產(chǎn)生的風(fēng)荷載不同，停機時主要為葉片風(fēng)壓產(chǎn)生的荷載，正常發(fā)電時主要為風(fēng)輪掃風(fēng)面積風(fēng)壓產(chǎn)生的荷載。環(huán)境荷載主要為：風(fēng)、浪、流、冰等作用于風(fēng)機基礎(chǔ)和塔架的荷載。其他作用主要包括臺風(fēng)、地震、船舶撞擊等，臺風(fēng)歷時較長、風(fēng)速大，基礎(chǔ)及塔筒響應(yīng)明顯加大；地震、船舶撞擊作用時間較短，受力和變形響應(yīng)通常較難捕捉。損傷主要指基礎(chǔ)及塔架制作及風(fēng)機安裝、運行過程中產(chǎn)生的損傷，包括疲勞損傷、腐蝕等，難以用監(jiān)測設(shè)備直接進行監(jiān)測，通常需進行評估分析。本文主要考慮風(fēng)機運行情況和環(huán)境荷載作用因素。

1.2 評估工作程序

風(fēng)電場運行時期可利用的信息包括以下幾個方面：(1) 地基土體信息，包括各層土體強度、變形指標(biāo)等；(2) 海洋水文特性，包括水深、海水腐蝕特性等；(3) 風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式、尺寸及材料特性等；(4) 風(fēng)機機組及塔架參數(shù)，包括機組風(fēng)功率曲線、部件形狀尺寸及重量等；(5) 風(fēng)機當(dāng)前運行信息，包括風(fēng)速、發(fā)電功率等；(6) 風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架響應(yīng)，包括受力、變形及振動數(shù)據(jù)等，需安裝少量監(jiān)測傳感器。

考慮工程實用性，本文提出的海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架潛在安全風(fēng)險評估工作程序如圖1所示，主要步驟包括：(1) 引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的作用輸入；(2) 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測；(3) 結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比分析；(4) 安全評估。

圖1海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架安全評估工作程序

2 荷載輸入與結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

2.1 荷載輸入

風(fēng)機運行情況和風(fēng)、浪等荷載是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要因素，也是運行期內(nèi)易于獲得的輸入?yún)?shù)。

風(fēng)機運行情況是影響結(jié)構(gòu)水平荷載和動力響應(yīng)的一個重要來源，與風(fēng)機的輸出功率有關(guān)，因此可將風(fēng)機輸出功率占比(輸出功率與滿發(fā)功率的比值，范圍為0%～100%)作為反映風(fēng)機運行情況的參數(shù)；當(dāng)風(fēng)速剛達到啟動風(fēng)速時風(fēng)機幾乎不輸出功率，但也處于運行啟動狀態(tài)，為區(qū)別該狀態(tài)和停機狀態(tài)，另設(shè)一個風(fēng)機停止?fàn)顟B(tài)參數(shù)(用0、1表示)。

假設(shè)風(fēng)、浪同時出現(xiàn)且方向相同，則可表示為[11]：

Fwind(x)=Fwave(x)

(1)

其中，F(xiàn)wind(x)為平均風(fēng)速的累積概率密度函數(shù)；Fwave(x)為有義波高的累積概率密度函數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要體現(xiàn)在振動、位移、應(yīng)力應(yīng)變等方面，其中振動響應(yīng)較為敏感、變化幅度較大，本文以其為關(guān)鍵因素進行分析，選擇響應(yīng)較為敏感的部位布設(shè)監(jiān)測傳感器。

對風(fēng)荷載單獨作用下八樁高樁承臺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了研究，采用的5種典型海上實測風(fēng)速(見表1)，得到基礎(chǔ)承臺中部ZD1、基礎(chǔ)環(huán)以上3 m位置ZD2、塔筒中部ZD3、塔筒頂部ZD4處振動加速度(見表2)。由表2可以看出，風(fēng)荷載單獨作用下，塔筒頂部的加速度最大，塔筒自上到下振動加速度逐漸減??；接近滿發(fā)條件的中等風(fēng)速下風(fēng)機振動也較大；大風(fēng)停機時振動加速度小于中等風(fēng)速時的加速度。

表1 典型海上實測風(fēng)速資料

表2 不同風(fēng)況下的振動加速度計算結(jié)果

對浪荷載單獨作用下八樁高樁承臺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了研究，采用的4種典型實測波浪數(shù)據(jù)見表3，得到ZD1、ZD2、ZD3、ZD4處振動加速度見表4。可以看出，波浪荷載對風(fēng)機結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的振動加速度沿樁基—塔筒自下而上逐漸放大，塔筒頂部振動響應(yīng)周期與下部三個監(jiān)測點有明顯差異，與風(fēng)荷載單獨作用比，波浪荷載對風(fēng)機結(jié)構(gòu)不同位置的振動加速度相對較小，對風(fēng)機結(jié)構(gòu)的振動影響小。

風(fēng)機運行與否對結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)影響較大，但風(fēng)機運行需要一定的風(fēng)速，結(jié)構(gòu)響應(yīng)包含風(fēng)、浪條件的影響，分析較為復(fù)雜。根據(jù)江蘇響水海上試驗風(fēng)機塔筒及基礎(chǔ)不同位置的長期振動監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速或運行負荷增大時，結(jié)構(gòu)體系的振動隨之增大；風(fēng)機啟動、停機等時刻，塔架頂部會發(fā)生較為明顯的振動；葉輪轉(zhuǎn)速增加時加速度幅值隨之增加，轉(zhuǎn)速較低時增加較為緩慢，轉(zhuǎn)速達到80%額定轉(zhuǎn)速時增加較大，90%額定轉(zhuǎn)速時達到峰值；振動加速度增大時結(jié)構(gòu)體系的振動位移也隨之增加，塔架頂部尤為明顯。

表3 實測波浪資料

表4 不同浪況下的振動加速度計算結(jié)果表

對于風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架結(jié)構(gòu)而言：上部以動力響應(yīng)為主，特征值包括水平動位移、振動加速度等，自上而下動力響應(yīng)逐漸減弱；下部以靜力響應(yīng)為主，特征值主要包括應(yīng)力、振動加速度等。結(jié)構(gòu)體系安全監(jiān)測應(yīng)根據(jù)這個特點，在不同部位采用不同的監(jiān)測方法和不同類別的監(jiān)測設(shè)備，常用的風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)測參數(shù)可參考表5內(nèi)容。

表5 常用風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)測參數(shù)表

結(jié)構(gòu)監(jiān)測的傳感器是局部點，在布置傳感器時是以結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為敏感的位置傳感器安裝點為原則，不能反應(yīng)整體的情況。海上風(fēng)浪方向經(jīng)常變化，利用已有的所有傳感器的信息，對整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加以分析，一方面可以直觀看到結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，另一方面可以得到任意位置的響應(yīng)，便于進一步分析。本文采用克里格插值方法考慮空間屬性在空間位置上的變異分布，以期在插值過程中能更好地反映空間場的性質(zhì)。設(shè)結(jié)構(gòu)某點的位置坐標(biāo)為xi，傳感器監(jiān)測物理量為Z(xi)，i=1，2,…,n，則預(yù)測點x0的估計值Z(x0)可用n個樣本點的線性組合來表示：

(2)

式中：λi為有關(guān)已測點上的權(quán)系數(shù)，對于一個預(yù)測點而言，其和為1。

進一步地

(3)

式中：γ(xi,xj)為觀測點xi和xj間的半方差；γ(xi,x0)是xi和x0間的半方差；φ是與方差最小化有關(guān)的拉格朗日乘數(shù)。

半方差計算公式為：

(4)

本文采用適合于三維空間計算的球面模型，當(dāng)距離達到一定時，空間相關(guān)消失，即在這距離之外的點不參與插值計算，有效的保證了插值計算的空間連續(xù)和平滑性。采用筒形基礎(chǔ)有限元主風(fēng)向斷面上的6個傳感器的監(jiān)測值計算結(jié)果進行評估，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，通過與有限元計算結(jié)果對比，利用6個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，采用克里格插值方法能基本反應(yīng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)，若增加監(jiān)測數(shù)量可以提高插值的精度，更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)。

(a) 有限元計算結(jié)果 (b) 克里格插值計算結(jié)果

圖2筒形基礎(chǔ)過渡段克里格插值方法繪制的應(yīng)力云圖

3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測與實時安全評估

3.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測

海上風(fēng)機基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的環(huán)境中，承受的激勵復(fù)雜多樣，精確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測存在較大的難度。在地基土體信息、機組塔架基礎(chǔ)信息明確的條件下，可以建立有限元數(shù)值分析模型，采用不同的激勵輸入即可得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。風(fēng)機運行一段時間后，可通過設(shè)置傳感器得到不同激勵條件下基礎(chǔ)和塔架的響應(yīng)數(shù)據(jù)系列，使得采用基于時間序列的分析方法進行安全評估成為可能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的非線性建模能力、容錯性和魯棒性，能夠以任意精度逼近任意復(fù)雜的非線性映射，可在一定程度上克服不適定性所導(dǎo)致的困難。本文采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層xi、中間層yi、輸出層，鏈接權(quán)值wi、vi。通過不斷修正wi、vi，通過式(5)～式(8)得到輸入輸出的映射關(guān)系，從而可獲得不同輸入條件下基礎(chǔ)與塔架結(jié)構(gòu)的預(yù)期響應(yīng)。

(5)

(6)

Δwjk=η(dk-ok)ok(1-ok)yi

(7)

(8)

3.2 實時安全評估

海上風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架結(jié)構(gòu)在運行期間受到海浪、風(fēng)速、鹽霧腐蝕等環(huán)境因素的影響，其性能下降是一個隨機過程。實時安全評估是在獲取風(fēng)資料、風(fēng)機運行情況等主要條件的基礎(chǔ)上，對監(jiān)測傳感器獲取的響應(yīng)數(shù)據(jù)進行實時分析，并對風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架安全性作出評估。實時評估不是以極端工況或是某一工況為對比條件，與結(jié)構(gòu)的承載能力之間進行的對比，而是以結(jié)構(gòu)響應(yīng)在各種工況下應(yīng)有的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與實測值之間的對比，是一種動態(tài)的評估方法，要求計算速度快、資源消耗小，有限元等大型軟件的方法不適用于在線分析和評價，可以做離線補充分析及模型修正，以取得更精準(zhǔn)的安全評估結(jié)論。

(1) 限值比較。監(jiān)測值與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的限值進行比較，如基礎(chǔ)混凝土強度、基礎(chǔ)不均勻沉降、塔筒撓度等。如果某一時刻監(jiān)測值超過了限值，說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生損傷，需要采取相應(yīng)的維護措施。

4 案例分析

某海上風(fēng)電場采用2.0 MW風(fēng)機機組，基礎(chǔ)為五樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式，樁徑1.7 m，壁厚22 mm。選取其中1臺典型風(fēng)機，建設(shè)完成發(fā)電后即對泥面下14 m處每根樁的應(yīng)力進行了長期監(jiān)測。采用2016年2月21日—23日期間風(fēng)向、發(fā)電功率、輪轂高度處風(fēng)速、樁應(yīng)力實測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)輸入、輸出數(shù)據(jù)，見圖3、圖4。

圖3 監(jiān)測風(fēng)機風(fēng)向、發(fā)電功率、輪轂高度處風(fēng)速實測數(shù)據(jù)

圖4監(jiān)測風(fēng)機樁應(yīng)力實測數(shù)據(jù)

采用實測樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，形成了鏈接權(quán)值wi、vi。采用本文提出的方法對2016年3月5日—6日風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行了評估，樁應(yīng)力實測值與預(yù)測值間單點誤差見圖5，總體誤差特征值見圖6。

圖5 樁應(yīng)力實測值與預(yù)測值間單點誤差

圖6樁應(yīng)力實測值與預(yù)測值總體誤差特征值

可以看出，樁應(yīng)力實測值與預(yù)測值間單點誤差在20%以內(nèi)，且較大誤差不連續(xù)，表明樁基局部無損傷；總體誤差均值在10%以內(nèi)、均方差在15%以內(nèi)，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體無損傷。

5 結(jié) 論

為了實時掌握海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架的運行狀態(tài)及安全性，進行合理的檢修與維護，本文根據(jù)海上風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架受力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點，以結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點監(jiān)測和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估方法為基礎(chǔ)，提出了一種基于風(fēng)險評價的海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)與塔架結(jié)構(gòu)實時安全性評價方法。結(jié)合工程案例進行分析論證，得出如下結(jié)論：

(1) 結(jié)合風(fēng)速條件、風(fēng)機運行情況等信息，只要在風(fēng)機基礎(chǔ)及塔架關(guān)鍵部位設(shè)置少量監(jiān)測設(shè)備即可滿足安全實時評估的數(shù)據(jù)要求。

(2) 考慮限值比較、單點誤差分析、總體誤差分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法，對結(jié)構(gòu)監(jiān)測點無特殊要求，可對基礎(chǔ)與塔架局部及整體安全性進行更加經(jīng)濟、高效的實時評價。

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Real-timeSecurityAssessmentMethodoftheBase-towerforOffshoreWindTurbines

XING Zhanqing1,2, ZHOU Jianhua1,2, FU Ping1,2, HUANG Liwei1,2

(1.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China；2.BeijingIWHREngineeringCorporation,Beijing100044,China)

The base-tower of offshore wind turbines could have cumulative damage and performance degradation affected due to the load and non-load factors in the harsh environment. In order to understand the operation status and security of the base-tower in real time and to arrange reasonable maintenance, a real-time security assessment method based on neural network was proposed. The results show that with the information of wind condition and wind turbine operation status, as long as a small amount of monitoring equipment which was set on the key parts could meet data requirements of real-time assessment of the safety, and considering the limit value comparison, single point error analysis, the overall error analysis, the method could evaluates the local/ overall safety of base-tower in real time. The prediction results in case study also agreed well with the monitoring data, therefore, the method has good efficiency and can provide reference for similar projects.

offshorewind;foundationstructure;securityassessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.006

2017-05-20

2017-06-19

中國水利水電科學(xué)研究院科研專項項目(EM0145C152016)

邢占清(1981—)，男，內(nèi)蒙古卓資人，博士，高級工程師，主要從事近海風(fēng)電及地基處理方面的研究工作。

E-mail：xingzhq@iwhr.com

P752

A

1672—1144(2017)05—0032—07