海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算分析

徐志偉

（揚(yáng)州浩辰電力設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

近年來，我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。海上風(fēng)電以其資源豐富、不占用土地、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高等特點(diǎn)，成為推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要發(fā)展方向。海上風(fēng)電升壓站是海上風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵設(shè)施，風(fēng)電經(jīng)升壓站匯集升壓后，由海纜輸送至陸地電網(wǎng)，其技術(shù)水平?jīng)Q定了我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展速度，也影響著我國(guó)碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。

目前，已有設(shè)計(jì)單位開展海上風(fēng)電升壓站的設(shè)計(jì)和研究工作[2-3]。本文根據(jù)某海上風(fēng)電升壓站所處的海洋環(huán)境工況，對(duì)海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬[3-10]，為海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程概況及運(yùn)行環(huán)境介紹

某海上風(fēng)電升壓站工程項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)面積約58 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量為201MW，布置67臺(tái)風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量3MW，平均距陸地約14 km。海上設(shè)升壓站1座，升壓站主變壓器選用2臺(tái)容量為110MVA的三相雙繞組有載調(diào)壓變壓器，配置2套126 kV GIS，采用線變組接線，經(jīng)雙回110 kV海底電纜與陸上升壓站連接。

海上風(fēng)電升壓站運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，常年受大風(fēng)、海浪和洋流的影響，還面臨著臺(tái)風(fēng)、地震和巨浪等極端條件的威脅，這些都對(duì)海上升壓站的建造和運(yùn)行帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。該海上升壓站所在區(qū)域風(fēng)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the wind

2 海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)海上風(fēng)電升壓站的功能需求，該升壓站上部平臺(tái)采用鋼制桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝部分設(shè)計(jì)為四層甲板，分別是底層甲板、底部甲板、中間甲板和頂部甲板，如圖1所示。底層甲板層高3m，布置2臺(tái)主變壓器的事故油箱，并作為中、高壓電纜敷設(shè)層。一層甲板和二層甲板為全封閉結(jié)構(gòu)，底層甲板和頂部甲板均為敞開式結(jié)構(gòu)。

圖1 海上風(fēng)電升壓站上部平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Diagram of offshore wind power booster station platform design

2.1 底部甲板

底部甲板布置主變壓器、GIS、備用發(fā)電機(jī)、站用變壓器、接地變壓器、低壓配電柜、中性點(diǎn)設(shè)備室等[13-14]，設(shè)計(jì)層高5m，尺寸為31m×34m，其中主變室層高10m，布置主變壓器、各電壓等級(jí)配電裝置和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，如圖2所示。底部甲板主要布置電氣一次設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮設(shè)備間的電氣連接、安全距離和散熱等因素。

圖2 底部甲板設(shè)計(jì)Fig.2 Design of bottom deck

2.2 中間甲板

中間甲板布置主變壓器、二次設(shè)備、休息間、會(huì)議室、空調(diào)機(jī)房、消防設(shè)施、倉(cāng)庫(kù)等，設(shè)計(jì)層高5m，尺寸為31m×34m，如圖3所示。中間甲板的主變壓器室上部留空設(shè)計(jì)，與底部甲板形成一體，方便主變壓器安裝與檢修；辦公區(qū)和生活區(qū)均設(shè)置通道，并在通道盡頭設(shè)置戶外樓梯。

圖3 中間甲板設(shè)計(jì)Fig.3 Design of middle deck

2.3 頂部甲板

頂部甲板設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮海工吊機(jī)、停機(jī)坪、變壓器檢修孔、避雷設(shè)施的布置位置，并設(shè)計(jì)警示燈光，如圖4所示。頂部甲板尺寸初步設(shè)計(jì)為31m×34m，停機(jī)坪尺寸為22.7m×17.3m。

圖4 頂部甲板設(shè)計(jì)Fig.4 Design of top deck

3 有限元建模分析

3.1 有限元建模

根據(jù)海上風(fēng)電升壓站鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，將該升壓站上、中、下三層鋼結(jié)構(gòu)整體建模，包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)的甲板、主梁、次梁、邊梁、主立柱、次立柱、斜柱等，如圖5所示。甲板采用Shell63單元，主梁、次梁、邊梁采用Beam188單元，主立柱、次立柱、斜柱采用Pipe59單元。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

3.1.1 材料性能

由于海上風(fēng)電升壓站基礎(chǔ)以鋼結(jié)構(gòu)作為支承，因此對(duì)整機(jī)質(zhì)量有著嚴(yán)格的限制。為減輕海上風(fēng)電平臺(tái)整體質(zhì)量，同時(shí)綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的使用要求[15-16]，鋼的性能參數(shù)如表2所示。

表2 鋼的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of steel

3.1.2 荷載條件

3.1.2.1 永久荷載

海上風(fēng)電升壓站永久荷載主要包括電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、結(jié)構(gòu)件以及附屬構(gòu)件的質(zhì)量，在計(jì)算時(shí)需考慮一定的裕度系數(shù)，如表3所示。

表3 海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)主要設(shè)備質(zhì)量Tab.3 Main equipments quality of offshore wind power booster station platform t

3.1.2.2 活荷載

海上風(fēng)電升壓站活荷載主要包括人引起的荷載、設(shè)備運(yùn)行和檢修荷載、雨雪冰雹荷載等，設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)不同的功能區(qū)域進(jìn)行荷載取值，具體取值如表4所示。

表4 活荷載取值Tab.4 Live load value kN/m2

3.1.2.3 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載按式（1）進(jìn)行計(jì)算[17]。

式中：F—風(fēng)荷載；

V—持續(xù)風(fēng)速；

CS—形狀系數(shù)，根據(jù)海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)的結(jié)構(gòu)確定不同受力區(qū)域的形狀系數(shù)；

A—投影面積。

3.1.2.4 直升機(jī)平臺(tái)為提高直升機(jī)起降平臺(tái)的適應(yīng)性，本文按C級(jí)直升機(jī)臨時(shí)起降平臺(tái)設(shè)計(jì)，只考慮直升機(jī)的靜荷載，保證直升機(jī)停后不陷入和失穩(wěn)。直升機(jī)尺寸8m×8m（機(jī)翼長(zhǎng)度），重160 kN，輪胎接觸壓力取內(nèi)壓力0.7MPa，按主起落架50%承重，尾輪20%承重，整體富裕承重20%，故C級(jí)直升機(jī)作用在輪胎上的最大荷載為80 kN。將輪胎荷載簡(jiǎn)化成圓形均布荷載，計(jì)算當(dāng)量圓的直徑為0.381m，即輪胎對(duì)地作用當(dāng)量圓直徑為0.381m，在有限元分析中將直升機(jī)荷載簡(jiǎn)化為作用在0.4m×0.4m的面荷載。

3.1.2.5 荷載組合

計(jì)算時(shí)，采用的荷載組合系數(shù)如表5所示。

表5 荷載組合系數(shù)Tab.5 Load combination factor

3.1.3 邊界條件

升壓站模型位移邊界條件：約束底部4個(gè)鋼管架的3個(gè)方向的位移。為了適應(yīng)海上風(fēng)電升壓站鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算，沖剪計(jì)算中若鋼管連接部分發(fā)生沖剪破壞，當(dāng)鋼管夾角為90°時(shí)，沖剪承載力F2為：

式中：d1—管徑較小的鋼管外徑；

t1—壁厚；

f—抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)鋼管夾角小于90°時(shí)，鋼管連接部分的相貫線為馬鞍線，此時(shí)沖剪承載力計(jì)算公式為[18]：

式中：θ—鋼管夾角。

3.2 有限元分析結(jié)果

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

利用ANSYS有限元軟件對(duì)不同荷載組合下海上風(fēng)電升壓站結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明極限工況下的應(yīng)力較大，如圖6所示。由圖6可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)與底部甲板連接處，應(yīng)力值為165MPa，小于鋼材的屈服強(qiáng)度355MPa，滿足使用要求。

圖6 有限元分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of finite element

3.2.2 疲勞分析

基于S-N曲線的線性疲勞損傷理論開展海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析。

其中，Δσ為循環(huán)應(yīng)力；m為S-N曲線斜率；lgaˉ為S-N曲線對(duì)對(duì)數(shù)N軸的截距；N為鋼結(jié)構(gòu)在斷裂損傷時(shí)抵抗循環(huán)應(yīng)力Δσ作用時(shí)的次數(shù)，N的影響因素包括鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接質(zhì)量、應(yīng)力大小等。

本文采用DNV規(guī)范推薦的S-N曲線，該曲線包括不同影響因素下的S-N曲線簇[19]。根據(jù)該海域環(huán)境條件，計(jì)算出海上風(fēng)電升壓站結(jié)構(gòu)運(yùn)行工況下的第一主應(yīng)力，得到最大應(yīng)力在導(dǎo)管架與升壓站平臺(tái)連接環(huán)形焊縫邊緣，單元長(zhǎng)度約48mm，取單元的平均應(yīng)力值為137MPa，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到循環(huán)次數(shù)為4.53×107次，滿足API規(guī)范中對(duì)疲勞壽命的要求[7]。

圖7 DNV規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)S-N曲線簇Fig.7 Steel structure curve cluster based on DNV standard

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)海上風(fēng)電升壓站的功能需求，在考慮設(shè)備布置緊湊性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)；采用ANSYS有限元軟件對(duì)不同荷載組合條件下的海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析模擬，結(jié)果表明，該海上風(fēng)電升壓站結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求?？紤]到極限工況下海上風(fēng)電升壓站的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)與底部甲板連接處的應(yīng)力集中情況，建議通過增加相互接觸面積和焊接肋板來改善局部應(yīng)力，并輔以疲勞強(qiáng)度分析進(jìn)一步優(yōu)化局部薄弱結(jié)果。