賀廣零，田景奎，常德生

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市100120;2.大唐國際發(fā)電股份有限公司，北京市100033)

0 引言

在經(jīng)歷較長時(shí)間儲(chǔ)備之后，我國即將邁入大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)階段。我國東海、南海風(fēng)能資源豐富，適宜進(jìn)行風(fēng)能開發(fā)。然而，在這2個(gè)海域，臺(tái)風(fēng)頻頻發(fā)生，抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。我國抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)參考的規(guī)范(或標(biāo)準(zhǔn))大多以歐洲的氣候環(huán)境特征為主要背景，未考慮熱帶氣旋的影響，不適合我國國情。當(dāng)然，在不計(jì)成本的前提下完成海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)并非難事，困難的是如何實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組精細(xì)化抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。為此，本文立足于臺(tái)風(fēng)的基本特征，結(jié)合海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)作用下的失效模式，對(duì)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

1 臺(tái)風(fēng)基本特征

臺(tái)風(fēng)對(duì)我國東南沿海影響廣泛(見圖1)。氣象統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1949—2012年熱帶氣旋登陸我國大陸共531次，其中臺(tái)風(fēng)153次，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)38次，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)6次。由于臺(tái)風(fēng)具有影響區(qū)域廣、風(fēng)向變化率大、風(fēng)切變大、持續(xù)時(shí)間長、伴隨強(qiáng)流巨浪等諸多特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的破壞力驚人:基礎(chǔ)傾覆、塔筒折斷、葉片撕裂、機(jī)艙罩損壞等，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為了抵御臺(tái)風(fēng)的破壞，降低經(jīng)濟(jì)損失，需要進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。

圖1 我國近海臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistics of offshore typhoons in China

1.1 極值風(fēng)速大

超大的極值風(fēng)速則是臺(tái)風(fēng)的突出特征。2003年9月2日，13號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”在汕尾登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)到12級(jí)，附近某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得極值風(fēng)速為57 m/s。2004年8月12日，14號(hào)“云娜”臺(tái)風(fēng)登陸浙江，最高風(fēng)速達(dá)58.7 m/s，為1956年以來登陸中國大陸的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)［1］。2006年5月18日，1號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“珍珠”穿過南澳島，在廣東澄海登陸，登錄時(shí)中心附近最大風(fēng)力為12級(jí)，南澳某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得瞬時(shí)風(fēng)速高達(dá)到56.5 m/s。2006年8月10日，第8號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”在浙江蒼南沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為17級(jí)(60 m/s)，中心氣壓為92 kPa，浙江蒼南霞關(guān)觀測(cè)到的極值風(fēng)速為68.0 m/s，福建福鼎合掌巖觀測(cè)到的極值風(fēng)速為75.8 m/s。理論上，風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得的極值風(fēng)速要比實(shí)際情況小，因?yàn)闇y(cè)風(fēng)系統(tǒng)在遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)通常就損壞了，無法捕捉之后更大的瞬時(shí)風(fēng)速。

迄今，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多依據(jù)IEC規(guī)范或者GL規(guī)范進(jìn)行抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。其中，IEC 61400—1標(biāo)準(zhǔn)“Wind Turbine Generator Systems– Part 1:Safety Requirements”［2］將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)分為4級(jí)，分別對(duì)應(yīng)的參考風(fēng)速為 50、43.5、37.5、30 m/s。GL規(guī)范“Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines”［3］亦將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)分為4級(jí)，分別對(duì)應(yīng)的參考風(fēng)速為50、42.5、37.5 m/s和S(依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定)。不難發(fā)現(xiàn)，盡管GL規(guī)范提出了第4種參考風(fēng)速(即依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定極值風(fēng)速)，大大提高了規(guī)范的權(quán)威性，但總體上這2種規(guī)范對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的規(guī)定與我國實(shí)際情況有較大出入，并不適合我國具體國情。因此，在我國海域進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要提出適合我國國情的臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)速模型。目前，國內(nèi)已有部分科研機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行這方面的研究，并取得了一定的成果［4-5］。

我國各海域的極值風(fēng)速各不相同，但總體布局有一定的規(guī)律性。一般，我國海域50年一遇最大風(fēng)速的規(guī)律為:東海和黃海風(fēng)速由南向北遞減，其中東海風(fēng)速為35.0～55.0 m/s;北黃海和渤海海域由于受臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)較少，不作詳細(xì)分析;南海風(fēng)速由西向東遞增，風(fēng)速變化于35.0～70.0 m/s;江蘇近海風(fēng)速為25.0～35.0 m/s，杭州灣和長江口風(fēng)速為30.0～40.0 m/s;浙江中南部、福建北部近海，熱帶氣旋引起的大風(fēng)最強(qiáng)，風(fēng)速達(dá)45.0～50.0 m/s;福建中南部近海，由于臺(tái)灣島對(duì)臺(tái)風(fēng)的阻擋和削減作用，其受臺(tái)風(fēng)影響程度明顯比其南北相鄰海域小，風(fēng)速為40.0～45.0 m/s;海南省東南海域、廣東東部近海，受臺(tái)風(fēng)影響程度較其他海域大，風(fēng)速大于45.0 m/s;由于雷州半島和海南島對(duì)臺(tái)風(fēng)的削弱作用，北部灣海域風(fēng)速小于40.0 m/s。

由于極值風(fēng)速隨著時(shí)間的推移、氣候的調(diào)整而變化，故而如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將來要發(fā)生的極值風(fēng)速是一大難題。倘若單純地以過去的實(shí)測(cè)極值風(fēng)速作為現(xiàn)今的設(shè)計(jì)風(fēng)速，即忽略極值風(fēng)速的時(shí)間效應(yīng)，則很有可能低估極值風(fēng)速，從而留下安全隱患。比較合理的方法是認(rèn)為極值風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)變量，滿足某種概率分布模型，并依據(jù)實(shí)測(cè)極值風(fēng)速確定模型中的各項(xiàng)待定參數(shù)。在給定超越概率的條件下，即可根據(jù)該概率分布模型預(yù)測(cè)將來可能出現(xiàn)的極值風(fēng)速。由于熱帶氣旋出現(xiàn)的隨機(jī)性很大，對(duì)于某一具體地點(diǎn)而言，有些年份可能遭遇多次，有些年份可能1次都沒有，因此常規(guī)的極值分布模型(如極值Ⅰ型分布、Weibull分布等)未必適用，需要建立能夠全面描述這種風(fēng)速序列特征的極值分布模型。為此，文獻(xiàn)［4］提出了Poisson－Gumbel聯(lián)合分布模型，能夠較為客觀地預(yù)測(cè)未來可能出現(xiàn)的極值風(fēng)速。進(jìn)一步地，借助分形特征分析，文獻(xiàn)［6］能夠從更長的時(shí)間尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極值風(fēng)速分析與預(yù)測(cè)，以滿足實(shí)際工程需要。

1.2 非平穩(wěn)性強(qiáng)

假如隨機(jī)過程的隨機(jī)特征隨時(shí)間變化，則稱該隨機(jī)過程是非平穩(wěn)的［7］。風(fēng)速是一種典型的隨機(jī)過程，具有一定的非平穩(wěn)性，而臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的非平穩(wěn)性要遠(yuǎn)勝于一般風(fēng)速。眾所周知，風(fēng)速可分為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速的非平穩(wěn)性通常是指其脈動(dòng)性，可通過脈動(dòng)風(fēng)速來體現(xiàn)。然而，對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)速而言，其非平穩(wěn)性不僅體現(xiàn)在風(fēng)速的脈動(dòng)性，而且也包括平均風(fēng)速自身強(qiáng)烈的非平穩(wěn)性。若將臺(tái)風(fēng)中的平均風(fēng)速部分提取出來，發(fā)現(xiàn)其不再是一條直線(即平均風(fēng)速不再是一個(gè)常數(shù))，而是一條類似于墨西哥帽形狀的曲線(見圖2)。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的強(qiáng)非平穩(wěn)性可以通過湍流強(qiáng)度(定義為10 min脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與平均風(fēng)速的比值)來衡量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，臺(tái)風(fēng)中心的湍流強(qiáng)度可達(dá)到0.6～0.9，遠(yuǎn)大于無臺(tái)風(fēng)時(shí)的湍流強(qiáng)度(＜0.1)。高強(qiáng)度湍流將導(dǎo)致17級(jí)臺(tái)風(fēng)瞬時(shí)風(fēng)速突破100 m/s，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將承受巨大的風(fēng)荷載。

圖2 臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)速曲線Fig.2 Average wind speed curve of typhoon

研究臺(tái)風(fēng)非平穩(wěn)性的主要目的在于分析由其導(dǎo)致的動(dòng)力效應(yīng)，并進(jìn)而確定在臺(tái)風(fēng)情況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大系數(shù)。在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，動(dòng)力放大系數(shù)的確定方法均立足于常規(guī)風(fēng)速，并未考慮到臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的強(qiáng)非平穩(wěn)性。因此，依據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范進(jìn)行抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，極有可能低估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。鑒于此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，宜依據(jù)場(chǎng)地實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析，獲取較為準(zhǔn)確的動(dòng)力放大系數(shù)。如果不具備條件，則應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的強(qiáng)非平穩(wěn)性，提出適合臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的動(dòng)力放大系數(shù)確定方法。事實(shí)上，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的強(qiáng)非平穩(wěn)性與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和疲勞失效休戚相關(guān)。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的強(qiáng)非平穩(wěn)性會(huì)導(dǎo)致較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極端荷載，依據(jù)經(jīng)典隨機(jī)振動(dòng)理論，將產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)，從而引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞。此外，由于產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)幅值較大，在反復(fù)循環(huán)荷載作用下亦容易引發(fā)疲勞失效。

1.3 風(fēng)向變化快

當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)，測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)向在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生根本性的變化，變化角度通常會(huì)超過45°，甚至可能達(dá)到180°，亦即之前的北風(fēng)、東北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)、西南風(fēng)［8］。

風(fēng)向的劇烈變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響也極為顯著，表現(xiàn)在:

(1)對(duì)于已經(jīng)順槳停機(jī)的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，風(fēng)向突變意味著主風(fēng)向從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正前方轉(zhuǎn)到側(cè)面，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的受風(fēng)面積也隨之改變。一般來說，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組失去偏航能力(偏航系統(tǒng)在遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)可能損壞)，則90°側(cè)吹時(shí)塔筒平均傾覆力矩將比對(duì)風(fēng)時(shí)大約增加37%，從而直接威脅到結(jié)構(gòu)安全。

(2)側(cè)風(fēng)和湍流使風(fēng)葉受力最不利，繼而造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)損壞。

1.4 與巨浪同步

由于環(huán)境特點(diǎn)，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要承受海風(fēng)、波浪、地震等多重隨機(jī)荷載。一般來說，臺(tái)風(fēng)、巨浪、強(qiáng)震等多重極端荷載難以同時(shí)出現(xiàn)。尤其對(duì)于臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)震，其間并不存在必然的物理關(guān)系，因而同時(shí)出現(xiàn)的概率極小。但臺(tái)風(fēng)和巨浪則不同，由于其間存在直接的能量傳遞關(guān)系，二者同時(shí)出現(xiàn)的概率大為提高，即:臺(tái)風(fēng)通常伴隨風(fēng)暴潮。依據(jù)擬層流風(fēng)浪生成機(jī)制［9］，隨著臺(tái)風(fēng)的不斷發(fā)展和加強(qiáng)，波高也隨著風(fēng)速的增大而增高，波高與風(fēng)速大致成正比關(guān)系，且二者峰值之間存在一個(gè)時(shí)間差。西北太平洋50個(gè)臺(tái)風(fēng)的波浪統(tǒng)計(jì)資料表明，在臺(tái)風(fēng)初始階段，海面上雖有較大風(fēng)速，但波高不大，通常是臺(tái)風(fēng)外圍有約3 m的大浪，而在臺(tái)風(fēng)中心附近有4～5 m的巨浪。在臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段，波高也隨著臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的增大而增加。當(dāng)臺(tái)風(fēng)發(fā)展到成熟階段時(shí)，風(fēng)速不再增大，而大風(fēng)范圍逐漸向外擴(kuò)展，在這個(gè)階段內(nèi)，波高也已充分成長，波高不再增大，而巨浪區(qū)的范圍向臺(tái)風(fēng)外圍擴(kuò)展。當(dāng)臺(tái)風(fēng)處于消失或者減弱階段，風(fēng)速隨之減小，但臺(tái)風(fēng)影響的海域仍有較大的波高。臺(tái)風(fēng)中心的巨浪形成后，就從臺(tái)風(fēng)中心向四周傳播。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)與巨浪聯(lián)合作用下，除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和疲勞失效，還容易出現(xiàn)海床過度沖刷、剪切破壞、海床液化等海床失穩(wěn)現(xiàn)象［10］，茲不贅述。

2 海上風(fēng)電機(jī)組失效模式

2.1 整體傾覆

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)作用下，如果基礎(chǔ)尺寸或者埋深不夠，將導(dǎo)致基底大面積脫開，進(jìn)而結(jié)構(gòu)整體傾覆。這種結(jié)構(gòu)失效形式又稱為顛覆性破壞，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2003年9月，臺(tái)風(fēng)“鳴蟬”登陸日本沖繩群島的宮古島，造成1臺(tái)500 kW變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于基底脫開而傾覆。2006年8月，臺(tái)風(fēng)“桑美”登陸我國東南沿海，浙江蒼南鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)有2臺(tái)750 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因臺(tái)風(fēng)風(fēng)速過大、結(jié)構(gòu)不能滿足抗傾覆要求而被“連根拔起”(見圖3)。值得說明的是，鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用二次澆筑而成，先澆筑一塊正方形的鋼筋混凝土底板，然后再將基礎(chǔ)筒置于該底板上進(jìn)行第二次澆筑，上、下2部分通過預(yù)留插筋連成一體。顯然，分2次澆筑嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，插筋數(shù)量、強(qiáng)度及錨固長度又不滿足抗臺(tái)風(fēng)要求，因而留下了較大安全隱患。不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式不合理、結(jié)構(gòu)尺寸及埋深過小是結(jié)構(gòu)整體傾覆最為重要的原因。由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體傾覆會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)規(guī)避這種顛覆性破壞。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體傾覆Fig.3 Overall overturning of wind turbines

2.2 塔筒破壞

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，塔筒剛度遠(yuǎn)不如基礎(chǔ)，但塔筒底部卻要承受與基礎(chǔ)相近的荷載。塔筒中最為薄弱的環(huán)節(jié)是塔筒底部且未設(shè)置加強(qiáng)環(huán)的部位，尤其是塔筒門處存在明顯的應(yīng)力集中，通常容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部屈服(材料達(dá)到抗拉強(qiáng)度或者抗扭強(qiáng)度)或者局部屈曲現(xiàn)象。2003年3月，臺(tái)風(fēng)“埃麗卡”登陸西南太平洋上新喀里多尼亞島，造成島上洋李風(fēng)電場(chǎng)5臺(tái)V27桁架式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于塔筒底部失效而倒塔。2003年9月，宮古島上2臺(tái)400 kW失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在塔筒門處折斷，驗(yàn)證了塔筒門處為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。2006年8月，浙江蒼南鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)有3臺(tái)600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因塔筒底部失效而傾倒(見圖4)。其中，有1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒與基礎(chǔ)環(huán)連接處的螺栓因彎矩過大被拉斷，說明螺栓的安全裕度并不大。另外2臺(tái)初步判斷為塔筒局部環(huán)節(jié)比較薄弱而被拉斷或者壓屈。由于塔筒破壞亦屬于顛覆性破壞，在設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)當(dāng)避免。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒失效Fig.4 Failure modes of wind turbine towers

2.3 葉片損毀

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片剛度遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)與塔筒，是柔性最大的構(gòu)件。此外，為了捕捉更多的風(fēng)能，葉片通常采用較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，故其風(fēng)致振動(dòng)形式及失效模式亦復(fù)雜多樣，其中以葉片根部折斷、葉片局部彎剪扭破壞為主。葉片根部容易折斷，是因?yàn)槿~片根部的彎矩與剪力通常最大。一般來說，葉片會(huì)同時(shí)承受彎矩、扭矩及剪力，在三者共同作用下，葉片會(huì)在局部缺陷處形成縱向、橫向2條主裂紋。在反復(fù)荷載持續(xù)作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展為裂縫，當(dāng)縱向裂縫與橫向裂縫完全貫通時(shí)，葉片局部脫落而損毀。2003年3月，臺(tái)風(fēng)“埃麗卡”造成洋李風(fēng)電場(chǎng)12臺(tái)V27風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片失效。2003年9月，臺(tái)風(fēng)“杜鵑”引發(fā)紅海灣風(fēng)電場(chǎng)9臺(tái)V47風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片破壞。2006年8月，浙江蒼南鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)有15臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損毀(見圖5)。在各風(fēng)電場(chǎng)損壞的葉片當(dāng)中，葉根折斷較多，局部脫落亦不少。為此，在葉片生產(chǎn)過程中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)葉片局部缺陷的檢測(cè)力度，以增強(qiáng)葉片的抵御臺(tái)風(fēng)的能力。

圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片失效Fig.5 Failure modes of blades

3 抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)是在充分認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)基本特征以及在臺(tái)風(fēng)作用下海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組失效模式的基礎(chǔ)上，形成科學(xué)合理的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)理念，并提出行之有效的抗臺(tái)風(fēng)舉措，以確保海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)“兩階段”抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì):在遭遇最大風(fēng)速小于設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)時(shí)，其主要結(jié)構(gòu)和部件沒有損壞;而在遭遇最大風(fēng)速超出設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)時(shí)，其破壞損失控制在預(yù)期范圍內(nèi)，而不發(fā)生顛覆性破壞，在臺(tái)風(fēng)過后，海上風(fēng)電場(chǎng)可以迅速修復(fù)投運(yùn)。

3.1 抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)理念

3.1.1 設(shè)計(jì)理念Ⅰ

抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免顛覆性破壞。在遭遇臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)，如果發(fā)生風(fēng)力發(fā)電機(jī)組倒塔，不僅風(fēng)力發(fā)電機(jī)全損，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)(包括塔筒與基礎(chǔ))亦徹底失效，甚至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)輸安裝費(fèi)用、部分輸變電工程也受牽連損失，對(duì)于海上風(fēng)電而言，這部分費(fèi)用甚至超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身，這種臺(tái)風(fēng)損失稱之為顛覆性破壞。因此，為有效規(guī)避顛覆性破壞，應(yīng)該根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件失效造成的損失來確定各部件的安全系數(shù)，基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片的安全系數(shù)依次降低。同時(shí)，要非常謹(jǐn)慎地計(jì)算和設(shè)計(jì)葉片強(qiáng)度，在必要的情況下“丟車保帥”，即允許葉片在超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中屈服破壞，以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體風(fēng)荷載，避免更為嚴(yán)重的破壞。在現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，均采用荷載安全系數(shù)法以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)安全達(dá)到一定的可靠度，且大部分荷載安全系數(shù)取為1.35。根據(jù)上述的原則，對(duì)于一些重要的部件，不妨將其安全系數(shù)提高到1.5～1.7，以保證整體結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到預(yù)期水平。

對(duì)多家經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)侵襲的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，葉片損毀是最常見的失效模式，葉片失效約占總結(jié)構(gòu)失效的75%，塔筒破壞約占15%，整體傾覆約占10%。可以肯定的是，這種分配趨勢(shì)跟設(shè)計(jì)理念基本一致，但分配比例還有待商榷。事實(shí)上，仍需要進(jìn)一步提高支撐結(jié)構(gòu)(塔筒與基礎(chǔ))的安全系數(shù)，降低塔筒破壞、整體傾覆的概率，以避免傾覆性破壞帶來的巨大損失。

3.1.2 設(shè)計(jì)理念Ⅱ

實(shí)現(xiàn)基于可靠度的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。在抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)中，若將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得非常牢固，在遭遇極為罕見(如100年一遇)的臺(tái)風(fēng)時(shí)，所有結(jié)構(gòu)及部件絲毫無損，這也未必盡然合理:因?yàn)樵谶@種情況下，結(jié)構(gòu)成本會(huì)大幅度提高，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全與經(jīng)濟(jì)均衡原則相違。此外，由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)失效在大部分情況下不涉及人身安全問題(不主張工作人員在臺(tái)風(fēng)期間去現(xiàn)場(chǎng)維修，維修工作可以選在臺(tái)風(fēng)過后風(fēng)和日麗的某一天)，相比民用建筑而言，可以適當(dāng)降低其結(jié)構(gòu)可靠度。至于可靠度可以降低到何種水平，則跟國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度休戚相關(guān)?？傮w上，倘若國家經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，不妨相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)可靠度，反之亦然。此外，從投資商的角度來看，收益最大化將是確定結(jié)構(gòu)可靠度的重要依據(jù)。如果大幅度提高結(jié)構(gòu)可靠度，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在遭遇100年一遇的臺(tái)風(fēng)時(shí)結(jié)構(gòu)可靠度為99.9%(相應(yīng)的失效概率為0.1%)，則需要將結(jié)構(gòu)建造得極為牢固，前期投資將會(huì)很大。如果將結(jié)構(gòu)可靠度適當(dāng)降低，例如結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在遭遇100年一遇的臺(tái)風(fēng)時(shí)結(jié)構(gòu)可靠度為99%(相應(yīng)的失效概率為1%)，此時(shí)結(jié)構(gòu)仍然較為牢固，但前期投資會(huì)大幅度降低。即便在未來20年的設(shè)計(jì)周期里不幸遭遇了100年一遇的臺(tái)風(fēng)，100臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組里有1臺(tái)失效，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)損失，但從總投資來看，還是較為合理的。因此，確定可靠度閾值的指揮棒是投資收益最大化，并且與國家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度緊密相關(guān)。

3.2 抗臺(tái)風(fēng)舉措

3.2.1 引入結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是安全與經(jīng)濟(jì)的博弈，引入結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)將促使其達(dá)到一個(gè)較為理想的平衡。迄今，工程界已經(jīng)逐漸達(dá)成一個(gè)共識(shí):結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一門頗為神奇的技術(shù)，擁有著讓人難以想象的投入產(chǎn)出比。在建筑工程以及橋梁工程中，被動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)能夠游刃有余地應(yīng)用，主動(dòng)控制技術(shù)亦逐漸獲得了認(rèn)可，二者均在實(shí)際工程中取得了極好的效果。但在能源工程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用尚屬鳳毛麟角。鑒于此，研發(fā)了適用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的2種阻尼器形式，并獲得了2項(xiàng)實(shí)用新型專利技術(shù)(基于TLCD的風(fēng)力發(fā)電高塔振動(dòng)控制系統(tǒng)，專利號(hào)201020593903.2;基于圓環(huán)形TLD的風(fēng)力發(fā)電高塔振動(dòng)控制系統(tǒng)，專利號(hào)201020593873.5)，兩者振動(dòng)控制原理為:粘滯液體隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)而晃動(dòng)，液體的晃動(dòng)對(duì)管壁產(chǎn)生動(dòng)壓力，此動(dòng)壓力提供抑制振動(dòng)的控制力。圖6為調(diào)諧液體柱形阻尼器，主要借助阻尼器中晃動(dòng)的粘滯液體耗能，因而制作方便，成本較低。該阻尼器可通過U型管底面與機(jī)艙底面固定連接，從而能夠較為便利地置于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部。圖7為圓環(huán)形調(diào)諧液體阻尼器，除制作方便、成本較低之外，由于該阻尼器是圓環(huán)形，可以提供360°制振，任何方向上都能發(fā)揮控制效果。因?yàn)樵撟枘崞鞒蕡A環(huán)形，故而能夠方便地置于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒中。

在遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)，調(diào)諧液體阻尼器能夠在短時(shí)間內(nèi)消耗大量能量，從而維護(hù)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)安全，有利于實(shí)現(xiàn)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。此外，在未遭遇臺(tái)風(fēng)侵襲之時(shí)，調(diào)諧液體阻尼器亦能有效控制海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)幅度，以延長其工作壽命，并增加其運(yùn)行穩(wěn)定性。值得一提的是，與常規(guī)抗臺(tái)風(fēng)措施相比，阻尼器具有體積小、重量輕、成本低、效果佳、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有望達(dá)到四兩撥千斤的效果。

3.2.2 采用鋼筋混凝土塔筒

一般來說，鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、延性好、變形能力強(qiáng)，其抗震性能要優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能而言，結(jié)論未必如此。首先，盡管鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，由于作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載與自重關(guān)系不大，而與結(jié)構(gòu)形狀、迎風(fēng)面積、自振周期等因素緊密相關(guān)，所以作用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載未必大于鋼結(jié)構(gòu)，研究表明:在裝機(jī)容量相同的情況下，作用于鋼筋混凝土塔筒上的風(fēng)荷載要明顯小于鋼塔筒［11-12］。其次，綜合各國的情況，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比一般為 0.01～0.02，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.03～0.08。顯然，鋼筋混凝土的阻尼比要遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)，塔筒(見圖8)擁有較大的阻尼比，故而能夠消耗較多的能量，對(duì)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)有利。此外，鋼筋混凝土塔筒還有耐腐蝕性好、造價(jià)低廉、自重較大等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基底彎矩與水平荷載均較大，對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更是如此，若此時(shí)結(jié)構(gòu)自重荷載較大，對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)抗傾覆、控制風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)基底脫開面積將是很有幫助的。

圖8 鋼筋混凝土塔筒Fig.8 Concrete wind turbine tower

3.3 其他抗臺(tái)風(fēng)舉措

與“三水準(zhǔn)”抗震相似的是，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)亦大體可分為“三水準(zhǔn)”:當(dāng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組宜啟動(dòng)偏航系統(tǒng);如果不足以抵抗臺(tái)風(fēng)，還可進(jìn)行機(jī)械剎車，此時(shí)最好能保持葉片空轉(zhuǎn)以消耗臺(tái)風(fēng)能量;倘若仍然不夠抵御臺(tái)風(fēng)，可以考慮犧牲葉片以保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔筒的安全，等臺(tái)風(fēng)過去之后，再將新的葉片或者修復(fù)的葉片重新安裝。

4 結(jié)論

(1)臺(tái)風(fēng)具有極值風(fēng)速大、非平穩(wěn)性強(qiáng)、風(fēng)向變化快、與巨浪同步等基本特征，這些特征與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。

(2)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)作用下的常見失效模式為整體傾覆、塔筒失效、葉片破壞等。

(3)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免顛覆性破壞，并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)基于可靠度的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。此外，引入振動(dòng)控制技術(shù)、采用鋼筋混凝土塔筒等是較為理想的抗臺(tái)風(fēng)舉措。

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