热带气旋对海上风电支撑结构的影响范文

本站小编为你精心准备了热带气旋对海上风电支撑结构的影响参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《中国海洋大学学报》2015年第十期

随着现代社会的发展，能源与环境问题日益凸显。开发绿色新能源，成为科技界、工业界努力的重要方向。近几年来，人们对风能的利用逐渐增多。海上风电机组发电功率大又可减少噪音污染与景观破坏，是目前风能技术发展的趋势。风力发电于20世纪中期得到发展。1956年Jo－hannesJuul建造了里程碑式的Gedser风力机，成功与交流异步发电机连接。1973年风力发电技术进一步发展，风电机的叶片数量、材料、形式不断改进，叶轮加大，塔架增高，直驱同步发电机开始应用。但是随之而来的风电机组噪声污染又成为需要解决的问题。目前风力发电又有从陆地转向近岸甚至深海发展的趋势。现在投入生产的海上风电机组是以固定式支撑结构为主。海上风电机组的支撑结构承受上部风轮结构重力以及风轮在海洋环境条件下产生的各种作用力，并且是承受风、浪、流、冰等环境荷载，保证风电机组结构安全的重要部分。值得指出的是，热带气旋或寒潮大风影响的海域，狂风、巨浪、暴潮等极端海洋气象因素的联合作用往往会导致结构的失效破坏，造成重大损失。

环境因素对结构作用的研究，大致可以分为环境荷载下结构动力响应机制研究、结构模态参数识别技术及结构损伤诊断方法研究、基于离散方法的结构动力分析模型和软件的开发研究、基于动、静力分析的结构可靠性评估方法及结构优化设计研究等。目前工程领域针对极端海况对海上风电机组影响方面的研究，大多借鉴海洋平台等结构设计规范的规定，基于年极值取样法选取工况组合对结构进行分析。海洋环境的简单选取往往造成工程设计标准偏低导致结构在极端海况作用下失效破坏或者过于保守导致不必要的资源浪费。也有学者对于热带气旋对海岸工程以及风力发电工程的影响进行了区划式的分析，但并未对极端天气过程对结构的作用机制作深入的研究。本研究基于结构可靠度分析原理，建立结构响应模型、多维复合极值分布模型、灰色马尔科夫链模型嵌套的分析体系，进行热带气旋诱发海况对海上风力机组支撑结构作用的研究，以及风电支撑结构整体可靠度的初步分析。

1双层概率分析模式

在热带气旋诱发的极端海况条件下对海上风电支撑结构进行可靠度分析时有两个问题需要解决：（1）样本缺乏。并非所有工程海域都有充分的热带气旋影响下的海况实测资料，同时结构在极端海况下的实测响应资料也难以得到。使得结构可靠性分析不易实现。（2）现有的结构可靠性分析方法不能充分考虑到全球气候变化、海平面升高带来的影响。为解决上述问题，本研究采用数值模拟、概率分析、灰色预测方法交叉结合的研究手段，建立一个双层概率分析模式（Double－layerProbabilityAnalysisModel－DPAM），第一层由灰色马尔科夫链预测模型和结构分析模型构成，第二层由结构分析模型与多维复合极值分布模型组成（见图1）。

1．1灰色马尔可夫链预测模型灰色模型（GreyModel－GM）是处理随机性强、信息量少的随机序列的有效方法。最常用的灰色预测模型是一阶灰色模型GM（1，1），该模型由一元变量X的原始序列和生成序列构成。X（0）代表研究对象的实测值构成的序列（原始序列）。

1．2多维复合极值分布模型复合极值分布是一种新型的联合概率分布模式，最早由刘德辅等提出。该分布由泊松分布与多维极值分布复合构成。多维复合极值分布能够合理的反应由台风过程引发的极端海－气现象的概率特征。以该模式为基础对随机模拟法进行的改进是针对受台风等天气过程影响海域的极端环境荷载分析的有效手段。

1．3环境载荷模型作用于海工结构的风载荷按下式计算。对小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力f，当D／L≤0．2（D为圆形构件直径，m；L为设计波长，m）时，可按Morison公式计算。

2算例

本文以一座工作于中国南海大鹏湾的3MW三腿架式离岸风电系统为例，来分析台风对结构物的影响。工作环境水深约为24m。表1中列出基线风机总体性质，图2表示三脚架支撑结构的设计尺寸参数。

2．1运用GMCM方法预测极端海况采用1954—1979年期间由台风过程的极值风速、波高及波浪周期的测量数据作为原始数列，建立AGO模型。运用GMCM计算1980—1999年期间预测值，并与同期测量数据比对。表2列出了在使用灰色模型预测台风引起的风速、波高及波浪周期时所需要的发展系数a及灰色输入系数u。之后运用马尔科夫链模型进行残差修正。修正后的预测数据与测量数据的比较如图3～5所示。不同变量的后验方差比C与小误差概率p也在表2中给出。计算结果表明，对于台风引发的极端海况因素的长期预测，GMCM是一种有效合理的模型。

2．2台风影响下三脚架式支持结构的响应依据台风风速与GMCM预测波浪的结合进行结构物的静力分析和动力分析。由于缺少海流数据，使用原设计资料中提供的流速值代替台风过程相应海流值进行极端工况条件的计算。本文仅以静力可靠度分析为例。有限元模型建立后，结构内各点应力分析便可进行。图6表示在预测的极端海况下结构某关键点最大应力的概率分布。图7和8表示预测期内某组工况下的结构应力云图。由DLPM得到该关键点应力的概率特性。影响珠江三角洲的台风年频次参数λ＝6．19，经概率曲线拟合，采用复合极值分布的一种形式———Poisson－Weibull模型进行应力概率分析，拟合参数如下：均值＝77．45MPa，标准差s＝54．25，尺度参数a＝0．0054，形状参数b＝1．28。平台结构的许用应力为［σ］＝189MPa，该点可靠度Pr＝P（σ≤189MPa）＝0．9882。以此方法对结构各个关键点应力逐一进行概率分析，得到各点失效概率。

3结语

海上风电设施工作环境较为恶劣，热带气旋对结构的影响不容忽视。灰色马尔科夫链模型适用于台风影响海域极端海洋环境条件预测，多维复合极值分布适用于进行极端海况以及结构响应的概率分析。本研究基于灰色马尔科夫链模型、多维复合极值分布模型和结构有限元模型构建了双层概率分析模式，是进行热带气旋对海上风电支撑结构影响分析的有效方法。

作者：庞亮 徐峰 龚昕 战元福 单位：中国海洋大学 海洋石油工程股份有限公司设计公司