CN113047332B - 一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法，根据风电机组所处环境参数，计算塔架载荷，设计塔架构型以及整体支撑结构频率，所述塔架构型为：塔架构型：1段锥段，n‑1段直段，塔架的分段数量n不超过5；基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化，优化时满足所述整体支撑结构频率要求；判断所述基础结构是否满足风机支撑结构设计的收敛准则，如果满足，则得到设计结果，如果不满足则重新计算塔架载荷；得到当前塔架具体参数。对塔架构型进行优化设计以找到整体支撑结构质量最轻的优化设计，可以通过给出塔架构型参数以得到整体支撑结构质量最轻的最优设计，减少了项目工程造价。

Description

一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法
技术领域
本发明属于海上风力发电机组支撑结构设计技术领域，具体涉及一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法。
背景技术
受益于风电的技术进步和规模扩大，风电机组价格、风电开发投资成本及运行维护成本呈现不断下降趋势。如图1所示，海上风电机组主要包括风机机组、塔架锥段、塔架直段、泥面以上单桩段、泥面以下单桩段。从风电机组价格来看，海上风机支撑结构包括塔架和基础两部分：风机塔架成本约占海上风电项目投资成本8％左右，海上风机基础主要包括单桩、导管架、高桩承台等不同基础形式，一般占海上风电项目投资成本的14％左右，即整体支撑结构成本在总建设成本中占比约22％左右。因此，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低海上风电的平准化度电成本。
当前海上风电项目在招投标时通常采用分步迭代设计方法，一般由风机厂家给出塔架设计并担保塔架工程量，评标过程中会对塔架重量进行排名和评分；标后详细设计阶段时风机厂家和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此流程下，风机厂家会尽可能给出塔架最轻的局部最优设计方案，而塔架最轻的设计往往不是整体支撑结构最轻的全局最优设计方案。
在设计海上风机支撑结构时都包含了三部分：载荷计算、塔架设计和基础设计。
1)载荷计算
海上风电支撑结构受到风、浪、流等多种环境载荷的联合作用。行业内大部分风机厂家采用GH-Bladed进行一体化建模和载荷计算。
一体化建模包含环境条件输入和整体支撑结构模型搭建两方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况(海冰、地震、台风等)；整体支撑结构模型包括机头、塔架、泥面以上结构和基础(也可统称为基础结构)。
载荷计算中考虑了风浪异向作用，根据IEC规范需要考虑正常发电、紧急停机、开机、正常停机、空转、维修等多种工况，根据风浪联合分布可分成多达20000多个工况。
2)塔架设计
塔架设计中，需要进行塔架主体及局部结构的极限强度、屈曲强度和疲劳强度校核。极限强度校核包括塔架筒体、塔架法兰、门洞及海缆孔、锚栓笼等局部结构的校核；屈曲强度校核包括塔架筒体和门洞海缆孔等结构的校核；疲劳强度校核包括塔架筒体焊缝、法兰连接螺栓、门框及海缆孔、顶法兰、锚栓笼等结构的校核。
3)基础设计
在基础结构主体设计中，主要包含极限海况下的强度承载力分析、正常服役工况分析、船撞分析、地震工况分析等。荷载组合中考虑可能出现的最不利水位下的波浪、海流与风机运行载荷的极端组合作用。疲劳强度分析利用S-N曲线与Miner线性累计损伤理论进行疲劳计算。分别计算各个管节点在疲劳荷载作用下累积损伤程度，利用累积损伤程度评估结构的抗疲劳设计安全性。
当前风电行业大都采用的是分步迭代设计方法。图1给出了海上单桩基础整体支撑结构的示意图。如图1所示，整体支撑结构以设计交界面为分界，交界面以上为塔架，交界面以下为基础结构。图2给出了分步迭代设计方法的流程。首先由设计院提供项目的环境输入；风机厂家根据环境输入给出塔架和基础的初始构型并进行整体建模和载荷计算，在得到最优的塔架后把设计交界面处的载荷、塔架构型和频率要求提给设计院；接着设计院在给定载荷和塔架构型的前提下对基础结构进行校核和优化设计，并满足风机厂家给出的频率要求；最后风机厂家在得到优化的基础结构后判断是否收敛，如果满足则迭代结束，如不满足则重新建模并进行载荷计算。在这里收敛准则包含两类：一类是根据规范对塔架和基础校核的设计准则；另一类是本轮和上轮得到的优化设计的质量和频率差别是否在1％以内。
需要说明的是，在当前采用海上风机支撑结构设计方法时，在确定了初步构型以后(塔架和单桩基础的直径)一般需要2-4轮迭代才能收敛，每一轮都需要进行载荷计算、塔架和基础的设计优化。如果要进一步优化塔架和单桩的直径以找到整体支撑结构质量最轻的设计，将十分耗费计算时间以致于影响项目进度。因此，在实际工程项目中为了尽快提供塔架和单桩基础的施工图，往往没有足够的时间用于优化，并且在此过程中，塔架和基础的设计和优化是依次先后进行的，是两个独立的设计域，目标都是找到各自设计域中的最优设计。因此在实际的项目中，最终得到的设计往往是塔架最轻的局部最优设计，而不是整体支撑结构最轻的全局最优设计。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法，对海上风电单桩基础整体支撑结构进行优化设计时可以快速获得最轻的优化结果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，包括以下步骤：
根据风电机组所处环境参数，计算塔架载荷，设计塔架构型以及整体支撑结构频率，所述塔架构型为：塔架构型：1段锥段，n-1段直段，塔架的分段数量n不超过5；
基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化，优化时满足所述整体支撑结构频率要求；
判断所述基础结构是否满足风机支撑结构设计的收敛准则，如果满足，则得到设计结果，如果不满足则重新计算塔架载荷；
得到当前塔架具体参数：即当前塔架高度当塔架的高度Ht，单桩泥面以上高度Hp、塔架顶法兰直径D1确定后，对塔架的分段数量n、塔架单段高度ht1、ht2、ht3…、htn、塔架底法兰直径D2、单桩泥面处直径D3的取值。
当塔架的高度Ht，单桩泥面以上高度Hp、塔架顶法兰直径D1确定后，对塔架的分段数量n、塔架单段高度ht1、ht2、ht3…、htn、塔架底法兰直径D2、单桩泥面处直径D3的取值如下：
H<sub>t</sub>的范围 n的取值
H<sub>t</sub>≤94m 3
94m＜H<sub>t</sub>≤132m 4
H<sub>t</sub>＞132m 5
塔架单段高度：ht1、ht2、ht3…、htn≤38m。
所得风机支撑机构包括塔架锥段(2)、塔架直段(3)、泥面以上单桩段(4)以及泥面以下单桩段(5)。
塔架最轻的设计不是整体支撑结构最轻的设计；
整体支撑结构最轻的设计对应的塔架构型只设一个锥段；
整体支撑结构最轻的设计所对应的塔底直径比单桩泥面直径小，两者之差不超过0.8m。
塔架的分段数量n不超过4。
基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化时采用代理模型。
基于本发明所述方法设计得到的海上风电单桩基础的塔架，塔架构型只设一个锥段，塔架的分段数量n不超过4，塔架单段高度ht1、ht2、ht3…、htn≤38m，塔底直径与单桩泥面直径：D3-D2≤0.8m。
一种海上风电机组，基础为单桩基础，并采用本发明所述塔架构型。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在设计开始阶段就给出塔架构型，对海上风电单桩基础整体支撑结构进行优化设计时可以快速获得整体最轻设计的优化结果，可以通过给出塔架构型参数以得到整体支撑结构质量最轻的最优设计，减少项目工程造价，进而降低海上风电支撑结构成本能够有效降低海上风电的平准化度电成本；而且所得设计结果也更加符合生产条件和工程实际的限值。
附图说明
下面结合附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的以上和其它特点及优点将变得更加清楚：
图1是海上风机支撑结构。
图2是海上风机支撑结构分布迭代设计方法简图。
图3是海上风机支撑结构关键参数。
图4a是实施例1优化前海上风机支撑结构。
图4b是实施例1优化后海上风机支撑结构。
图5a是实施例2优化前海上风机支撑结构。
图5b是实施例2优化后海上风机支撑结构。
附图中：1-发电机组，2-塔架锥段，3-塔架直段，4-泥面以上基础，5-泥面以下基础。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
海上风电单桩基础的塔架构型如图1所示，包括发电机组1和支撑结构，发电机组1设置在支撑结构的顶端，支撑结构包括从上到下依次连接的塔架锥段2、塔架直段3、泥面以上基础4以及泥面以下基础5。
一种海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，在如图2给出的海上风机支撑结构分步迭代设计方法的基础上，对塔架设计的构型给出取值建议。
如图3所示，塔架的高度为Ht，单桩泥面以上高度Hp，泥面以上整体支撑结构高度为H。塔架顶法兰直径D1，塔架底法兰直径D2，单桩泥面处直径为D3；D1到D2通过塔架锥段高度ht1进行过渡，D2到D3通过单桩顶部锥段高度hp1进行过渡；当Ht，Hp、D1确定后，对塔架的分段数量n、塔架单段高度ht1、ht2、ht3…、htn、D2、D3的取值建议如下：
H<sub>t</sub>的范围 n的取值
H<sub>t</sub>≤92m 3
92m＜H<sub>t</sub>≤130m 4
H<sub>t</sub>＞130m 5
塔架单段高度：ht1、ht2、ht3…、htn≤38m；塔架构型：1段锥段，n-1段直段；塔底直径与单桩泥面直径：D3-D2≤0.8m；其中，塔架单段高度的限制值38m为当前主流塔架制造厂家生产能力的上限，根据实际情况这个限制值可以进行更新。当前海上15MW以内风电机组的塔架高度一般在132m以内，因此建议当前塔架分段数量不超过4段，以便减少塔架的吊装时间。
此外，由于塔架底段一般需加装电气设备，需竖直运输，塔架底段高度不超过18m，此限制值也可根据实际项目情况进行调整。因此，当塔架为3段时，最大塔架高度为18+38+38＝94m；当塔架为4段时，最大塔架高度为18+38+38+38＝132m。
为了保证支撑结构(塔架和单桩)的直径和刚度的连续，因此一般建议塔底直径与单桩泥面直径之差小于0.8m。
实施例1
江苏地区某项目采用5MW机组，泥面高程-12.4m，基础顶高程13m，轮毂中心高度94m，塔架高度78.22m，塔架分为三段。
表1给出了优化前后的设计参数和结果。图4a和图4b给出了优化前后的支撑结构构型图。从表1中可以看到，优化前采用了3个锥段的塔架设计，塔底直径D2＝6.00m，单桩泥面直径D3为6.80m，塔架重量为320.6t，单桩重量为926.3t；优化后采用了1个锥段的塔架设计，塔底直径D2＝6.00m，单桩泥面直径D3为6.65m，塔架重量为322.9t，单桩重量为889.1t。优化前后，塔架重了12.3t，单桩轻了37.2t，单台机组支撑结构轻了24.9t。
塔架最轻的设计不是整体支撑结构最轻的设计。塔架单段高度：ht1＝31.75m，ht2＝28.53m，ht3＝17.94m≤38m，优化后塔底直径与单桩泥面直径差值D3-D2＝0.65m≤0.8m。
表1
Figure BDA0003042796730000071
实施例2
江苏地区某项目采用4.5MW机组，泥面高程-19.12m，基础顶高程13m，轮毂中心高度94m，塔架高度81m，塔架分为三段。
表2给出了优化前后的设计参数和结果。图5a和图5b给出了优化前后的支撑结构构型图。从表1中可以看到，优化前采用了3个锥段的塔架设计，塔底直径D2＝5.50m，单桩泥面直径D3为6.50m，塔架重量为209.8t，单桩重量为834.6t；优化后采用了1个锥段的塔架设计，塔底直径D2＝5.50m，单桩泥面直径D3为6.30m，塔架重量为212.1t，单桩重量为770.1t。优化前后，塔架重了2.3t，单桩轻了64.5t，单台机组支撑结构轻了622t。
塔架最轻的设计不是整体支撑结构最轻的设计。塔架单段高度：ht1＝15.0m，ht2＝33.0m，ht3＝33.0m≤38m，优化后塔底直径与单桩泥面直径差值D3-D2＝0.8m≤0.8m。
Figure BDA0003042796730000081
综上所述，对于海上风电单桩基础，塔架的分段数量n、塔架单段高度ht1、ht2、ht3…、htn、D2、D3的取值满足如下条件后可以获得整体支撑结构更轻的方案：
H<sub>t</sub>的范围 n的取值
H<sub>t</sub>≤92m 3
92m＜H<sub>t</sub>≤130m 4
H<sub>t</sub>＞130m 5
塔架单段高度：ht1、ht2、ht3…、htn≤38m；塔架构型：1段锥段，n-1段直段；塔底直径与单桩泥面直径：D3-D2≤0.8m。

Claims (6)

1.一种海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据风电机组所处环境参数，计算塔架载荷，设计塔架构型以及整体支撑结构频率，所述塔架构型为：塔架构型：1段锥段，n-1段直段，塔架的分段数量n不超过5；
基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化，优化时满足所述整体支撑结构频率要求；
判断所述基础结构是否满足风机支撑结构设计的收敛准则，如果满足，则得到设计结果，如果不满足则重新计算塔架载荷；
得到当前塔架具体参数：即当塔架的高度H t 、单桩泥面以上高度H p 、塔架顶法兰直径D 1 确定后，对塔架的分段数量n、塔架单段高度h t1 、h t2 、h t3 …、h tn 、塔架底法兰直径D 2 、单桩泥面处直径D 3 的取值；当塔架的高度H t 、单桩泥面以上高度H p 、塔架顶法兰直径D 1 确定后，对塔架的分段数量n、塔架单段高度h t1 、h t2 、h t3 …、h tn 、塔架底法兰直径D 2 、单桩泥面处直径D 3 的取值如下：
Figure 501034DEST_PATH_IMAGE001
塔架单段高度：h t1 、h t2 、h t3 …、h tn ≤38m；塔架最轻的设计不是整体支撑结构最轻的设计；
整体支撑结构最轻的设计对应的塔架构型只设一个锥段；
整体支撑结构最轻的设计所对应的塔底直径比单桩泥面直径小，两者之差不超过0.8m。
2.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，其特征在于，所得风机支撑机构包括塔架锥段（2）、塔架直段（3）、泥面以上单桩段（4）以及泥面以下单桩段（5）。
3.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，其特征在于，塔架的分段数量n不超过4。
4.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础的塔架构型设计方法，其特征在于，基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化时采用代理模型。
5.基于权利要求1~4任一项所述方法设计得到的海上风电单桩基础的塔架，其特征在于，塔架构型只设一个锥段，塔架的分段数量n不超过4，塔架单段高度h t1 、h t2 、h t3 …、h tn ≤38m，塔底直径与单桩泥面直径：D 3 -D 2 ≤0.8m。
6.一种海上风电机组，其特征在于，基础为单桩基础，并采用权利要求5所述塔架构型。
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