由于區(qū)域氣候環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的差異性，我國在海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)設(shè)計標準方面的研究仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有不少研究者認識到了抗臺風(fēng)設(shè)計標準的重要性，但目前還沒有較為系統(tǒng)的適用于國內(nèi)海域的海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)設(shè)計標準。考慮到國內(nèi)海域在沒有臺風(fēng)風(fēng)險的情況下可開發(fā)的海上風(fēng)力潛力只占12%，同時并非所有海上風(fēng)力潛力都具有經(jīng)濟競爭力。因此，制定適用于國內(nèi)海域的海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)設(shè)計標準具有重要意義。針對上述背景，本文從設(shè)計角度定性和定量地分析了現(xiàn)有設(shè)計標準對海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)安全性的適用性，旨在為我國南方和東南地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電機組提供參考。
本文首先對中國近海風(fēng)環(huán)境的特點進行了簡要概述，并在第2節(jié)中詳細比較了極端風(fēng)況，同時針對多級臺風(fēng)對海上風(fēng)力機的影響，提出了一種工程增強模型來改進風(fēng)剖面的預(yù)測。其次，在第3節(jié)中模擬分析了包括現(xiàn)有設(shè)計標準中和臺風(fēng)引起的不同極端風(fēng)況下，風(fēng)力機的極限風(fēng)致響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，第4節(jié)中討論了設(shè)計標準對海上風(fēng)力機結(jié)構(gòu)安全性的影響。最后，本文在第5節(jié)中指出了我國現(xiàn)有海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)設(shè)計標準的不足之處。
圖1 1980-2018年臺風(fēng)路徑和強度的全球分布圖
02是什么讓臺風(fēng)與眾不同?
通常情況下，成熟的臺風(fēng)是一種具有低壓中心、閉合低層大氣環(huán)流和強風(fēng)的快速旋轉(zhuǎn)風(fēng)暴系統(tǒng)。成熟臺風(fēng)的直徑通常超過100公里，有些甚至可達1000公里以上。臺風(fēng)不同區(qū)域的氣象特征存在顯著差異，這些區(qū)域包括臺風(fēng)眼區(qū)、眼壁影響區(qū)和臺風(fēng)外圍區(qū)，如圖2所示。因此，針對海上風(fēng)力機位置固定的特點，臺風(fēng)影響應(yīng)分為不同的臺風(fēng)影響階段。
基于這些特征，我們可以推斷出臺風(fēng)和正常風(fēng)對海上風(fēng)力機安全性的兩個主要區(qū)別。首先，在典型的海上風(fēng)電臺風(fēng)影響階段中，包括前部外圍階段(FPS)、前眼壁階段(FES)、臺風(fēng)眼階段(TES)、后眼壁階段(BES)和后邊緣階段(BPS)。其中，臺風(fēng)眼階段(TES)的影響幾乎不會對海上風(fēng)力機的安全性能產(chǎn)生影響。其次，在各典型臺風(fēng)影響階段中，除了臺風(fēng)眼階段以外，臺風(fēng)風(fēng)況相對于正常風(fēng)具有平均風(fēng)速較大、風(fēng)廓線奇特、時空變化較大的特點，如圖3所示。然而，目前在海上風(fēng)力機的抗臺風(fēng)設(shè)計研究中，大多缺乏對中國海域這些風(fēng)特性的考慮。
圖2 成熟臺風(fēng)示意圖
圖3 臺風(fēng)與正常風(fēng)的主要區(qū)別示意圖
03風(fēng)速場的模擬
本研究選擇在東海廣泛應(yīng)用的輪轂高度為100m的海上風(fēng)力發(fā)電機組作為研究對象，表1中列出了關(guān)于海上風(fēng)力機的一些基本信息。在風(fēng)速模擬過程中，將來流平面劃分為20×18個節(jié)點(高×寬)，以10m為間隔設(shè)置一個格點，通過三次插值得到格點中間位置的風(fēng)速。圖4展示了電網(wǎng)與風(fēng)力機的相對位置。IECs和M/Cs的仿真分別使用公共軟件GH-Bladed和內(nèi)部程序進行實現(xiàn)。
表1 本文模擬海上風(fēng)力發(fā)電機組的基本信息
圖4 模擬風(fēng)速場示意圖
04結(jié)果與分析
根據(jù)表2比較不同工況與IEC工況的極限響應(yīng)增量(極值)，發(fā)現(xiàn)基于IEC設(shè)計風(fēng)條件計算的臺風(fēng)外圍影響具有60%~90%的安全裕度。因此，即使在受到一些臺風(fēng)影響的情況下，一些海上風(fēng)電場仍能繼續(xù)運行。然而，這并不意味著它們的結(jié)構(gòu)安全性達到完全可靠的水平。從表中可以看出，6MW海上風(fēng)力機在臺風(fēng)眼壁沖擊下的響應(yīng)明顯超過了IEC設(shè)計工況的計算值，增量超過35%。這些數(shù)據(jù)表明，即使考慮了一定的安全系數(shù)，也無法涵蓋臺風(fēng)引起的響應(yīng)。此外，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，如果加入橫擺控制失效，結(jié)果可能更為保守。這些因素可能解釋了我國華東地區(qū)在臺風(fēng)襲擊期間風(fēng)電場結(jié)構(gòu)故障頻繁發(fā)生的現(xiàn)象。此外，后眼壁階段的一些響應(yīng)指標如Mxyt較前眼壁階段更大，進一步強調(diào)了多階段分析對臺風(fēng)研究的重要性。
通過對比臺風(fēng)風(fēng)況與設(shè)計標準，可以發(fā)現(xiàn)參考風(fēng)速的選擇是造成差異的主要因素之一。當(dāng)強臺風(fēng)經(jīng)過我國南部或東南部海域時，10米高度處10分鐘平均風(fēng)速可達近60米/秒，遠高于IEC標準值。然而，這并不意味著IEC標準在風(fēng)況設(shè)置方面必然存在不足，因為IEC標準在湍流強度和湍流模型上與臺風(fēng)誘導(dǎo)風(fēng)況存在顯著差異，并且存在一些保守的參數(shù)設(shè)置。低空急流的存在和臺風(fēng)異常的能量分布也是導(dǎo)致臺風(fēng)風(fēng)況與設(shè)計極值風(fēng)況存在差異的原因。需要指出的是，在臺風(fēng)的整個襲擊過程中，如臺風(fēng)"威馬遜"，前眼壁階段不一定是對海上風(fēng)力機造成最大破壞的階段。
表2的結(jié)果顯示，與IEC標準狀況相比，M/Cs標準狀況提供了更為保守的設(shè)計值，這可能與風(fēng)力機設(shè)計參考高度的選擇有關(guān)。我們注意到，對于參考高度的選擇，IEC標準和M/Cs設(shè)計標準具有不同的設(shè)計理念?？紤]到風(fēng)力發(fā)電技術(shù)潛力對風(fēng)力機尺寸非常敏感，需要建立新的設(shè)計規(guī)則，使參考風(fēng)速與輪轂高度相關(guān)。DNV GL Renewables認證發(fā)布的《Technical Note for the Certification of Wind Turbines for Tropical Cyclones》遵循了與M/Cs標準相同的設(shè)計理念。建議在設(shè)計過程中校準參考風(fēng)速以固定高度，然后使用風(fēng)剖面模型計算輪轂高度處的風(fēng)速。
表2 各工況相對于IECs工況的響應(yīng)極值增量
05結(jié)論
本研究通過基于現(xiàn)有設(shè)計標準和我國南方及東南海域?qū)嶋H臺風(fēng)案例的對比研究，對海上風(fēng)力機的極端風(fēng)況和風(fēng)致響應(yīng)進行了系統(tǒng)分析。為減小分析誤差，采用了算法驗證、控制變量和極值分析等方法。同時提出了以下的建議：
針對我國南方和東南部海域海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，建議根據(jù)全生命周期內(nèi)強臺風(fēng)眼墻發(fā)生的頻率，調(diào)整極端風(fēng)況的技術(shù)參數(shù)進行海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體而言，在大型海上風(fēng)力機的抗臺風(fēng)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境設(shè)置10m高度處的參考風(fēng)速，而不是在輪轂高度處設(shè)置固定風(fēng)速。綜合考慮，這些發(fā)現(xiàn)可能是解決海上風(fēng)力機維護困難、發(fā)電效率和制造成本之間差距的合理方法。
需要指出的是，每個設(shè)計標準都是一個完整的體系。本研究的目的是更好地了解我國南方及東南海域海上風(fēng)力機抗臺風(fēng)設(shè)計現(xiàn)行設(shè)計風(fēng)況的合理性，并不是評價哪個標準更優(yōu)。綜合考慮技術(shù)、成本、保險等多個方面因素，建立完整的中國南部和東南部海域海上風(fēng)電設(shè)計框架仍需要進一步的工作。
備注：
論文題目： Assessing code-based design wind loads for offshore wind turbines in China against typhoons
論文作者： Hao Wang，Tongguang Wang，Shitang Ke，Liang Hu，Jiaojie Xie，Xin Cai，Jiufa Cao，Yuxin Ren
關(guān)鍵詞： Offshore wind turbine;China waters;Typhoon-resistant design;Design wind condition;Typhoon condition
發(fā)表期刊： Renewable Energy
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.05.052
全文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1h8mn3QJ-dpRSY
