潮流能发电装置测试平台结构设计浅析*

宋雨泽,王项南,王 鑫,路 宽,杨 宁,韩林生

(国家海洋技术中心 天津 300112)

潮流能发电装置测试平台结构设计浅析*

宋雨泽,王项南,王 鑫,路 宽,杨 宁,韩林生

(国家海洋技术中心 天津 300112)

目前我国已研制出潮流能发电装置,实海况试验是潮流能发电装置从工程样机走向规模产业化应用的关键环节,为此迫切需要建设发电装置试验测试平台以试验测试发电装置发电效率。文章就潮流能发电装置试验测试平台结构设计做进一步研究,以期为今后该类平台设计提供有益的参考。

潮流能;海上平台;结构;设计

随着海洋能的战略地位日益显现,世界各国都在力争占据海洋能开发利用的技术高地。我国作为最大的发展中国家,面临着巨大的减排压力,这为海洋能开发利用提出了更紧迫的要求。目前我国设立专项资金支持潮流能装置研发,波浪能、潮流能海上试验与测试场的建设工作也在有序的进行,波浪能、潮流能发电装置海上试验测试平台结构设计方面存在一定的特殊性,不同于普通海洋石油平台和海洋气象平台,为此本文就该类平台结构设计做进一步探讨,为今后此类的平台工程提供有益的设计参考。

1 平台选型

为保证潮流能发电装置实海况试验测试并排除其他因素对试验测试的影响,平台型式应采用固定式平台型式,从而以满足发电装置海上试验测试的需求。固定平台是延伸至水面以上,通过打桩、扩展底座或其他方式支承于海底,并在一定时期内保持固定的平台。这类平台结构主要由以下部分组成:① 完全支撑、冗余焊接管型空间框架,从海底或临近海底延伸到水面以上,作为将水平和垂直力传到基础上的主要构件;② 将平台永久锚固在海底,并承受水平和垂直荷载的桩或者其他基础构件;③ 为支撑操作和其他荷载提供甲板空间的上部结构。固定式平台的主要结构形式是桩式结构和重力式结构。桩式结构是依靠桩柱来抵抗环境荷载的结构,重力式结构则是依靠结构的自身重量抵抗环境荷载的结构。

潮流能发电装置实海况测试检验平台具有一定的特殊性,潮流能发电装置面积较小,可设计为300～500 m2之间,平台主体主要由平台支撑系统、发电装置搭载平台、维修平台、发电装置电气输出测试系统、平台电力控制间、避雷系统等组成。下面就各系统进行介绍。

图1 重力式平台

(1)平台支撑系统。该系统是平台在环境荷载 (风、浪流、潮汐、海冰、地震)情况下稳定、安全运行的重要保障,由基础和桩柱支撑结构组成。基础可采用重力式沉箱 (图1)或管桩嵌岩形式 (图2),重力式沉箱基础是依靠结构的自身重量抵抗环境荷载产生的影响;钢管桩嵌岩基础则是依靠桩柱嵌入海底基岩抵抗环境荷载产生的影响。在重力式沉箱基础中,桩柱用做连接上部结构和重力式基础,在管桩嵌岩基础中桩柱即管桩。基于将影响浪流的因素降到最低,在这两类平台选型中管桩数量越少为宜。平台支撑系统基础形式宜综合海底地形地质、环境荷载、施工、经济、发电装置测试需求等多方面因素综合选型。

(2)发电装置搭载平台。该平台即为水下升降机,可搭载发电装置沿平台支撑结构升降,为此平台桩柱平面应垂直于波浪、潮流最大统计方向以配合发电装置达到最大发电量的测试需求。

(3)维修平台。维修平台用于发电装置的简单维修、组装和临时放置。

(4)发电装置电气输出测试系统。该系统是发电装置与岸基电气检测系统的中转站。

(5)平台电力控制间。总控平台供电系统。

(6)避雷系统。系统应位于海上且周围无高大物体的建筑上,雷电防护对平台的安全使用、电气设备正常运行有着至关重要的作用。电气设计需配置外部避雷器并接地、内部电气系统配置保护器等避雷设施。

图2 桩基础平台

2 环境荷载

平台所在海域内气象、水文要素是重要的设计依据。下面就风、波浪、潮汐、流、冰等一系列环境荷载做简要说明。

(1)风。风力作用在水面以上的结构部分和位于平台上的发电装置、工作间上。重点应考虑风或季风规定的持续风速在不同方向的出现频率。

(2)波浪。波浪是海洋平台环境力的主要来源。这样的波浪在形状上是不规则的,波高和波长是变化的,可能从一个方向或几个方向同时接近平台。鉴于波浪大小和分布的不确定性,在平台设计时则应考虑与有经验的精通气象学、海洋学和流体力学方面的专家进行协商[1]。

对以前的海洋水文资料不充分的区域,在确定与波浪有关的设计参数时,至少应包括下列步骤:①研究所有必要的气象资料;② 推算海面风场;③ 使用分析模型,沿着风暴路径,推算一般海况;④ 相应于地理限制条件,确定可能的最大海况;⑤对深水海况划定等深效应;⑥ 使用概率技术,相对于各种基本时间预报平台现场的海况概率;⑦ 通过实体和经济风险评价,确定设计波浪参数。

(3)潮汐。在平台设计中潮汐是重要的考虑因素。潮汐可分为天文潮、风成潮、压差潮。后两者经常组合在一起,并叫做风暴涌,三者组合称为风暴潮。在平台设计中,风暴潮的高程是基准面,风暴波浪叠加在它的上面。

(4)流。在固定平台设计中,流主要影响靠船平台和护舷的位置、方位和平台上的力。在可能的情况下靠船平台和护舷的设置应使船只能顶流靠到平台上。最常用的海流分为潮流(天文潮)、环流 (大洋环流)、风暴生成的流。这3种流的矢量和就是总的海流。应用于平台设计,应确定相应于极端波浪的海况的总的流剖图。在不同深度上,总流流速和方向月或季的出现频率对操作的规划可能是有用的。

(5)冰。近年来,黄渤海海域冬季存在海冰的现象严重危害船只安全,同样也危害海洋平台安全,由冰引起的荷载已成为设计海洋平台时必须考虑的重要因素。

(6)地震。我国处于太平洋火山地震带,板块交界地带,因此对于海洋平台设计需考虑地震作用。应参照中国科学院编制的 《中国地震区域划分图》,确定平台所在海域烈度以及加速度参数。关于地震的考虑应包括:平台现场地表以下土由于液化而产生的不稳定性、地震活动造成的海底滑移、场地到断层的距离、平台寿命期间预计的地面运动的特性以及预计的作业形式可能接受的地震风险等。

3 设计环境条件的选择

出于对潮流能发电装置海上试验测试平台的特殊性考虑,潮流能发电装置海上试验测试平台要求位于浪、流等环境荷载密集集中、较大的位置,设计环境标准由环境荷载的各项荷载确定,且设计环境标志还应包括危险性分析,危险性分析主要包括历史经验、平台的规划使用寿命 (50年为宜)、防污染、对一些预计的平均重现期的环境条件设计的平台造价评估、在遭受各种重现期的环境条件时平台损坏或丧失的概率等因素。

4 场地情况探查

在临近平台建设区域进行海底勘查主要目的是为地基土和可能影响现场的周围区域的地质评价提供资料。地球物理资料应提供有关塌陷、陡坡、不规则或规则地貌、火山泥浆、泥团、坍塌形态、沙坡、滑坡、断层、挤入构造、冲刷表面、沉积土中的气泡、气体渗漏、覆盖的峡沟、土层厚度侧向变化的存在证据等。

5 荷载组合

设计环境荷载条件是指以选择的设计工况作用到平台上的那些力;而作业环境荷载条件是由操作者规定的较小的工况下作用到结构上的那些力,这些工况并没有恶劣到足以影响正常的操作。平台应按对结构产生最恶劣影响的适当的荷载条件进行设计。

荷载条件应包括固定荷载和活荷载按照如下形式组合的环境条件:① 固定荷载和相应于平台正常工作的最大活荷载相结合的作业环境条件;② 固定荷载和相应于平台正常操作的最小活荷载相结合的作业环境条件;③ 固定荷载和相应于极端条件相组合的最大活荷载组合的设计环境条件;④ 固定荷载和相应于极端条件相组合的最小活荷载组合的设计环境条件。

除了地震荷载外的环境荷载,应以在所考虑的荷载条件期间同时出现的概率形式相组合。在适用的场合,地震荷载应作为单独的环境荷载条件作用在平台上。

6 建模分析

常规的民用建筑基础埋藏于土中,上部计算时假定基础顶为嵌固端,因此我们会将平台顶作为嵌固点计算上部结构,下部结构计算时需考虑上部结构传来的荷载和反力。对于此模型存在桩顶平台标高以上的结构受到桩顶平台位移的影响程度如何,以及上部结构在风荷载和地震荷载作用下对桩顶平台的大小如何,这些问题都需要桩顶平台和上部结构整体分析的结构进行分析[2]。结构受力分析是研究平台在外部荷载条件下的应力、应变以及位移的基础,通过对浮标体的结构受力分析可以从理论上保证浮标体的结构稳定性[3]。随着电子科技的发展,很多公司已经开发出了有一定影响力的港工、平台结构设计软件,平台的设计只需要在相应软件中建立立体模型,输入相关环境变量、地质条件、设计使用年限等诸多保证平台安全运行的有效参数,即可合理的分析出平台的在位强度、疲劳情况、系泊动力情况、吊装、装船固定、运输计算、重控计算等各种设计参数。

7 结束语

随着经济的快速发展,人们向海洋要能源的需求越来越迫切,波浪能、潮流能更是重要的海洋可再生能源,其发电装置试验测试平台的设计建设工作也会迅速展开,但是目前关于此类海洋平台的设计及施工资料较少,本文希望为今后此类工程设计及研究提供参考。

[1] 赵英杰.海上民用建筑结构设计分析[J].工业设计,2011(11):119-121.

[2] 国家发展和改革委员会.海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法工作应力设计法SY/T 14905-2004[S].2004.

[3] 龙驭球.结构力学[M].北京:高等教育出版社, 1999.

海洋可再生能源专项“波浪能、潮流能海上试验与测试场建设论证及工程设计”(GHME2010ZC10).