潮流能發電裝置測試平臺結構設計淺析*

宋雨澤,王項南,王 鑫,路 寬,楊 寧,韓林生

(國家海洋技術中心 天津 300112)

潮流能發電裝置測試平臺結構設計淺析*

宋雨澤,王項南,王 鑫,路 寬,楊 寧,韓林生

(國家海洋技術中心 天津 300112)

目前我國已研制出潮流能發電裝置,實海況試驗是潮流能發電裝置從工程樣機走向規模產業化應用的關鍵環節,為此迫切需要建設發電裝置試驗測試平臺以試驗測試發電裝置發電效率。文章就潮流能發電裝置試驗測試平臺結構設計做進一步研究,以期為今后該類平臺設計提供有益的參考。

潮流能;海上平臺;結構;設計

隨著海洋能的戰略地位日益顯現,世界各國都在力爭占據海洋能開發利用的技術高地。我國作為最大的發展中國家,面臨著巨大的減排壓力,這為海洋能開發利用提出了更緊迫的要求。目前我國設立專項資金支持潮流能裝置研發,波浪能、潮流能海上試驗與測試場的建設工作也在有序的進行,波浪能、潮流能發電裝置海上試驗測試平臺結構設計方面存在一定的特殊性,不同于普通海洋石油平臺和海洋氣象平臺,為此本文就該類平臺結構設計做進一步探討,為今后此類的平臺工程提供有益的設計參考。

1 平臺選型

為保證潮流能發電裝置實海況試驗測試并排除其他因素對試驗測試的影響,平臺型式應采用固定式平臺型式,從而以滿足發電裝置海上試驗測試的需求。固定平臺是延伸至水面以上,通過打樁、擴展底座或其他方式支承于海底,并在一定時期內保持固定的平臺。這類平臺結構主要由以下部分組成:① 完全支撐、冗余焊接管型空間框架,從海底或臨近海底延伸到水面以上,作為將水平和垂直力傳到基礎上的主要構件;② 將平臺永久錨固在海底,并承受水平和垂直荷載的樁或者其他基礎構件;③ 為支撐操作和其他荷載提供甲板空間的上部結構。固定式平臺的主要結構形式是樁式結構和重力式結構。樁式結構是依靠樁柱來抵抗環境荷載的結構,重力式結構則是依靠結構的自身重量抵抗環境荷載的結構。

潮流能發電裝置實海況測試檢驗平臺具有一定的特殊性,潮流能發電裝置面積較小,可設計為300～500 m2之間,平臺主體主要由平臺支撐系統、發電裝置搭載平臺、維修平臺、發電裝置電氣輸出測試系統、平臺電力控制間、避雷系統等組成。下面就各系統進行介紹。

圖1 重力式平臺

(1)平臺支撐系統。該系統是平臺在環境荷載 (風、浪流、潮汐、海冰、地震)情況下穩定、安全運行的重要保障,由基礎和樁柱支撐結構組成。基礎可采用重力式沉箱 (圖1)或管樁嵌巖形式 (圖2),重力式沉箱基礎是依靠結構的自身重量抵抗環境荷載產生的影響;鋼管樁嵌巖基礎則是依靠樁柱嵌入海底基巖抵抗環境荷載產生的影響。在重力式沉箱基礎中,樁柱用做連接上部結構和重力式基礎,在管樁嵌巖基礎中樁柱即管樁?；趯⒂绊懤肆鞯囊蛩亟档阶畹?在這兩類平臺選型中管樁數量越少為宜。平臺支撐系統基礎形式宜綜合海底地形地質、環境荷載、施工、經濟、發電裝置測試需求等多方面因素綜合選型。

(2)發電裝置搭載平臺。該平臺即為水下升降機,可搭載發電裝置沿平臺支撐結構升降,為此平臺樁柱平面應垂直于波浪、潮流最大統計方向以配合發電裝置達到最大發電量的測試需求。

(3)維修平臺。維修平臺用于發電裝置的簡單維修、組裝和臨時放置。

(4)發電裝置電氣輸出測試系統。該系統是發電裝置與岸基電氣檢測系統的中轉站。

(5)平臺電力控制間?？偪仄脚_供電系統。

(6)避雷系統。系統應位于海上且周圍無高大物體的建筑上,雷電防護對平臺的安全使用、電氣設備正常運行有著至關重要的作用。電氣設計需配置外部避雷器并接地、內部電氣系統配置保護器等避雷設施。

圖2 樁基礎平臺

2 環境荷載

平臺所在海域內氣象、水文要素是重要的設計依據。下面就風、波浪、潮汐、流、冰等一系列環境荷載做簡要說明。

(1)風。風力作用在水面以上的結構部分和位于平臺上的發電裝置、工作間上。重點應考慮風或季風規定的持續風速在不同方向的出現頻率。

(2)波浪。波浪是海洋平臺環境力的主要來源。這樣的波浪在形狀上是不規則的,波高和波長是變化的,可能從一個方向或幾個方向同時接近平臺。鑒于波浪大小和分布的不確定性,在平臺設計時則應考慮與有經驗的精通氣象學、海洋學和流體力學方面的專家進行協商[1]。

對以前的海洋水文資料不充分的區域,在確定與波浪有關的設計參數時,至少應包括下列步驟:①研究所有必要的氣象資料;② 推算海面風場;③ 使用分析模型,沿著風暴路徑,推算一般海況;④ 相應于地理限制條件,確定可能的最大海況;⑤對深水海況劃定等深效應;⑥ 使用概率技術,相對于各種基本時間預報平臺現場的海況概率;⑦ 通過實體和經濟風險評價,確定設計波浪參數。

(3)潮汐。在平臺設計中潮汐是重要的考慮因素。潮汐可分為天文潮、風成潮、壓差潮。后兩者經常組合在一起,并叫做風暴涌,三者組合稱為風暴潮。在平臺設計中,風暴潮的高程是基準面,風暴波浪疊加在它的上面。

(4)流。在固定平臺設計中,流主要影響靠船平臺和護舷的位置、方位和平臺上的力。在可能的情況下靠船平臺和護舷的設置應使船只能頂流靠到平臺上。最常用的海流分為潮流(天文潮)、環流 (大洋環流)、風暴生成的流。這3種流的矢量和就是總的海流。應用于平臺設計,應確定相應于極端波浪的海況的總的流剖圖。在不同深度上,總流流速和方向月或季的出現頻率對操作的規劃可能是有用的。

(5)冰。近年來,黃渤海海域冬季存在海冰的現象嚴重危害船只安全,同樣也危害海洋平臺安全,由冰引起的荷載已成為設計海洋平臺時必須考慮的重要因素。

(6)地震。我國處于太平洋火山地震帶,板塊交界地帶,因此對于海洋平臺設計需考慮地震作用。應參照中國科學院編制的 《中國地震區域劃分圖》,確定平臺所在海域烈度以及加速度參數。關于地震的考慮應包括:平臺現場地表以下土由于液化而產生的不穩定性、地震活動造成的海底滑移、場地到斷層的距離、平臺壽命期間預計的地面運動的特性以及預計的作業形式可能接受的地震風險等。

3 設計環境條件的選擇

出于對潮流能發電裝置海上試驗測試平臺的特殊性考慮,潮流能發電裝置海上試驗測試平臺要求位于浪、流等環境荷載密集集中、較大的位置,設計環境標準由環境荷載的各項荷載確定,且設計環境標志還應包括危險性分析,危險性分析主要包括歷史經驗、平臺的規劃使用壽命 (50年為宜)、防污染、對一些預計的平均重現期的環境條件設計的平臺造價評估、在遭受各種重現期的環境條件時平臺損壞或喪失的概率等因素。

4 場地情況探查

在臨近平臺建設區域進行海底勘查主要目的是為地基土和可能影響現場的周圍區域的地質評價提供資料。地球物理資料應提供有關塌陷、陡坡、不規則或規則地貌、火山泥漿、泥團、坍塌形態、沙坡、滑坡、斷層、擠入構造、沖刷表面、沉積土中的氣泡、氣體滲漏、覆蓋的峽溝、土層厚度側向變化的存在證據等。

5 荷載組合

設計環境荷載條件是指以選擇的設計工況作用到平臺上的那些力;而作業環境荷載條件是由操作者規定的較小的工況下作用到結構上的那些力,這些工況并沒有惡劣到足以影響正常的操作。平臺應按對結構產生最惡劣影響的適當的荷載條件進行設計。

荷載條件應包括固定荷載和活荷載按照如下形式組合的環境條件:① 固定荷載和相應于平臺正常工作的最大活荷載相結合的作業環境條件;② 固定荷載和相應于平臺正常操作的最小活荷載相結合的作業環境條件;③ 固定荷載和相應于極端條件相組合的最大活荷載組合的設計環境條件;④ 固定荷載和相應于極端條件相組合的最小活荷載組合的設計環境條件。

除了地震荷載外的環境荷載,應以在所考慮的荷載條件期間同時出現的概率形式相組合。在適用的場合,地震荷載應作為單獨的環境荷載條件作用在平臺上。

6 建模分析

常規的民用建筑基礎埋藏于土中,上部計算時假定基礎頂為嵌固端,因此我們會將平臺頂作為嵌固點計算上部結構,下部結構計算時需考慮上部結構傳來的荷載和反力。對于此模型存在樁頂平臺標高以上的結構受到樁頂平臺位移的影響程度如何,以及上部結構在風荷載和地震荷載作用下對樁頂平臺的大小如何,這些問題都需要樁頂平臺和上部結構整體分析的結構進行分析[2]。結構受力分析是研究平臺在外部荷載條件下的應力、應變以及位移的基礎,通過對浮標體的結構受力分析可以從理論上保證浮標體的結構穩定性[3]。隨著電子科技的發展,很多公司已經開發出了有一定影響力的港工、平臺結構設計軟件,平臺的設計只需要在相應軟件中建立立體模型,輸入相關環境變量、地質條件、設計使用年限等諸多保證平臺安全運行的有效參數,即可合理的分析出平臺的在位強度、疲勞情況、系泊動力情況、吊裝、裝船固定、運輸計算、重控計算等各種設計參數。

7 結束語

隨著經濟的快速發展,人們向海洋要能源的需求越來越迫切,波浪能、潮流能更是重要的海洋可再生能源,其發電裝置試驗測試平臺的設計建設工作也會迅速展開,但是目前關于此類海洋平臺的設計及施工資料較少,本文希望為今后此類工程設計及研究提供參考。

[1] 趙英杰.海上民用建筑結構設計分析[J].工業設計,2011(11):119-121.

[2] 國家發展和改革委員會.海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法工作應力設計法SY/T 14905-2004[S].2004.

[3] 龍馭球.結構力學[M].北京:高等教育出版社, 1999.

海洋可再生能源專項“波浪能、潮流能海上試驗與測試場建設論證及工程設計”(GHME2010ZC10).