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国内海上风电项目批量上马,合理的抗震设计很重要!

2021-12-13 10:53:56浏览:708 来源:中国吊装网   
核心摘要:国内海上风电项目批量上马,合理的抗震设计很重要!,风电,油气,风电场,地震,时程

海上风电是全球应对气候变化的关键可再生能源行业。全球风能理事会在今年新发布的“全球海上风电报告”中估计,未来十年海上风电新增装机容量将达到235GW,大约是当前市场规模(35GW)的七倍,而要实现2050年全球碳中和目标,海上风电将最终达到2000GW。

今年是中国补贴海上风电的最后一年,2020年中国新增3.1GW海上风电,占全球新增(6.1GW)的一半以上,今年中国有望成为全球累计装机最大的海上风电市场。

与欧洲海上风电多兴建于北欧地震不活跃地区不同,中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震断裂带十分发育,中国地震带主要分布在台湾地区、西南地区、西北地区、华北地区、东南沿海地区的23条地震带上。

海上风电正处于大规模发展中,从国内已建、已核准的海上风电项目以及未来规划来看,很大比例的海上风电场址,正好位于这些地震带附近,潜在存在着较高的地震破坏的风险。

对中国海上风电来说,合理的抗震设计尤其重要,需要在保证海上风电设备及其支撑结构的安全性的前提下,同时避免支撑结构设计成本显著上升。这就首先需要科学、便捷的地震分析。

在油气行业海洋工程固定式结构设计中,根据设计条件的不同,地震分析可以分为两类,分别为ELE分析和ALE分析。常用的设计方法中吊车公司,对于ELE分析会选择使用地震响应谱法,而对于ALE分析则更倾向于使用时程分析方法。

今年8月吊车公司,挪威船级社(DNV)发布了一本针对风电场地震分析的规范DNV-RP-0585,这是目前为止全球范围内的第一本专门针对海上风电工程地震设计的规范。有别于油气行业海上结构的地震设计要求,根据这一规范,在低水平地震区,对于陆上风电结构,地震响应谱法(RSM法)是通用的,但对于海上风电结构,RSM法仅仅是可以接受的,时域分析方法才是首选。

海上风电

如何解决土壤非线性问题?

地震响应谱法和常规的时域分析方法都是线性动力分析方法,但桩-土相互作用是一个非线性迭代的过程。那么如何在分析中解决土壤的非线性问题,是设计人员的一大挑战。

目前有以下三种解决方法:

1、完全不考虑桩土效应,直接在泥面附近对风机支撑结构施加固结的边界条件。 2、考虑桩土效应,但仅考虑在某一特定荷载下的土壤非线性。 3、考虑桩土非线性效应,且不限定在某一个荷载。

第一种方法缺少对桩土效应的考虑,仅适用在项目初期简单评估,不适用于正式设计过程;

第二种方法是通过在桩头施加等效弹簧刚度阵来替代桩-土部分的方式来考虑桩土效应。但这种方法的缺陷是仅能考虑某一个特定工况下的桩土效应,且需要设计人员根据设计经验在众多工况中选出这一特定工况;

海上风电

第三种方法则舍弃常规的线性时程分析方法,需要选择支持非线性分析的求解器来进行分析,在整个分析过程中,可以始终保持着桩土的非线性属性,并同时考虑材料的塑性性能。

以上三种方法海上风电,均可以应用DNV(挪威船级社)的Sesam软件进行分析。

Sesam软件最早由DNV(挪威船级社)于1969年发布,经过多年发展,已经成为海洋工程结构分析的行业标准软件,并不断更新模块来拓展功能应用。

2011年,DNV更新拓展了Sesam原有模块功能,适用于海上风电风机基础(导管架)分析。2012年,DNV(挪威船级社)与GL(德国劳氏船级社)合并后,原GL旗下业内风机载荷计算标杆软件Bladed也逐步整合至Sesam软件分析流中,并持续完善。

Sesam软件由主控模块,前处理模块,水动力分析模块,结构求解模块及后处理器模块组成。通过选择不同的模块组合可以完成固定式结构,浮式结构,系泊缆等结构物设计。

Sesam软件模块架构图

对于固定式风电结构来说海上风电,可以选择:

GeniE – 用于结构建模,分析流程控制及规范校核 Wajac – 用于框架式结构的环境载荷计算 Sestra–用于线性结构分析 Usfos – 用于非线性结构分析 Splice– 用于桩-土分析 framework - 用于框架式结构规范校核,疲劳分析及响应谱地震分析 Sesam Wind Manager – 用于海上风电结构时程载荷下的ULS分析和FLS分析

而对于地震分析来说:

1、使用Sesam软件包,在低地震区设计项目中可以使用响应谱法进行分析。

海上风电

响应谱地震分析法在Sesam中的流程图

2、使用Sesam Wind Manager根据DNV-RP-0585规范采用时程一体化方法或超单元方法进行地震分析。

一体化法和超单元法流程图

当使用超单元法时,有两种模拟方法可以使用,分别为地震超单元法和常规超单元法。地震超单元法需要多个交界点(interface node),且在载荷超单元文件中并不包含地震载荷。这种方法也并不能为所有的风机载荷计算程序接受,因此在使用中会受到诸多限制。而使用常规超单元法则可以不受这些限制的影响,并且可以使用不同的时程地震位移/加速度曲线考虑不同土层的地震波影响。

Sesam Wind Manager可以依据规范要求按照以下流程进行时程地震分析。

海上风电

Sesam Wind Manager分析流程

Sesam Wind Manager界面

3、使用Usfos模块, 可以在考虑材料非线性和几何非线性的同时,始终保持着桩土的非线性属性。同时也可以在不同的入泥深度,施加不同的时程加速度曲线。对于中高地震区的设计项目来说,使用这种方法可以通过考虑材料的塑性性能来降低结构建造成本。

Usfos地震时程曲线及结果示意图

Usfos模块主要用于结构弹塑性静、动力响应分析。用于结构极限承载力分析及事故荷载静动力分析,包括落物、撞船、爆炸以及地震等荷载条件。GeniE模型可以直接导出为USFOS模型进行非线性分析。

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(责任编辑:吊车)
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