（华电重工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

改革开放以来，我国大力发展经济，陆上经济的发展带动了海上经济的发展，海上风电场的发展和建设速度明显加快，我国逐渐开始发展清洁能源。为了转变能源结构，我国一步步增大了海上风力能源的开发规模。上海东海大桥是我国第一个符合各项标准并通过了国家发展和改革委员会要求的海上风电场，电力高达10万kW，并正式开始了建造工作，至2010年已建成投产。随着海上风机的不断发展，对其的相关研究也逐渐深入，欧洲凭借得天独厚的临海条件和先进技术，对风能的运用已是十分成熟。当前，我国海上风机基础结构的行业标准还未明确，研究整体处起步阶段，所以本文研究海上风机的基础结构，以期促进我国风能的开发和利用。

1 海上风力发电的发展现状

我国当前风电行业处于中游，部分风力发电设备需要从国外进口，和世界风力先进发电水平相比仍然相差甚远，技术方面存在一定缺陷，需要不断地改进技术，摆脱对外依赖，即使风电新能源的成本已经有所减少，但相较火电还未能在成本方面产生差距，风电行业技术的不成熟对于风电行业发展来说是需要尽快解决的难题。我国颁布并实施了一系列风电法规，推动了风电的发展。2009年，我国已经成为世界上最大的风机市场，2012年底，装机容量增加26.1 GW。同时，有了国家的大力扶持，预测到2020年，规模还将扩大到3 000万kW，发展前景一片光明。和其他国家相比，我国在海上风电方面的建造经验明显不足，因此我国迫切需要建立和完善海上风电相关的设计标准或技术规范[1]。

2 研究海上风机的基础设计标准

2.1 海上结构物的设计相关标准

陆上发电机经过多次研究并改进，人们取得丰富的经验。这些经验对风电行业整体发展有着极大的帮助，不仅有助于了解风机结构，还有助于了解基础设计要求。陆上风电场已经取得了不小的成就和实践经验，而海上风电场还要面对许多难题。海洋环境问题和风机技术提升成为当前主要需要解决的问题，技术问题涵盖了波浪、海流、冰等因素对支撑结构的作用。

我国海上风机研究时间较短，因此需要学习和借鉴其他国家的先进经验。为了降低地理因素对海上风电工程项目的影响，国际电工委员会编制了《海上风力发电机设计要求》（IEC 61400-3—2016）。

现阶段，我国海上结构物设计主要参考《海上固定平台规划、设计、建造推荐作法 工作应力设计法》（SY/T 10030—2004）[1]。墨西哥湾沿岸安装了近万个海上结构物，使得美国石油协会（API）的做法变得更准确，可以在世界范围内运用。

2.1.1 美国石油协会（API）

1969年，美国石油协会发布了《海上固定平台规划、设计、建造推荐作法 工作应力设计法》（API RP 2A-WSD—1969）。从1969年至今，该标准不断吸取整个行业的经验和教训，不断完善，进一步适配工业生产的千变万化。依赖该标准，人们设计生产出适配与多种情况的结构，涵盖深水平台和浅水平台，以此来开发边际油田。这种类型的结构可以适应各种恶劣天气，如飓风、极端风暴、地震或海啸等。所以，该标准的用处非常大，可以提供许多有价值的经验，并且适用于恶劣海洋环境中。它可以为海洋石油天然气平台设计提供助力，指明设计方向，同时能准确运用公式算出杆件的受力和承受的载重。

2.1.2 国际电工技术委员会（IEC）

国际电工委员会风能发电系统（TC-88）编制了风机指南，即《海上风力发电机设计要求》（IEC 61400-3—2016），主要用来对风机进行设计评价。该标准涵盖多个方面，设计面极广，如设计需求、安全评价等。

2.1.3 挪威船级社（DNV）

挪威船级社全称DET NORSKE VERITAS（简称DNV），于1864年成立，其总部位于挪威首都奥斯陆，历史十分悠久，是一家专门管理风险的服务机构。宗旨是“捍卫生命与财产安全，保护环境”。2004年，DNV颁布了和海上风机相关的设计规范，涵盖多个方面，有设计指导参考、设计技术要求以及风机安全知识。它可以运用于海上风力发电机的结构设计，也能运用于其他结构设计，如变电站和气象桅杆等。

2.1.4 国际标准化组织（ISO）

1947年，国际标准化组织（ISO）成立。ISO给国际标准化发展供给了世界范围的架构，它涉及商业工业、技术等方面的信息。2006年8月，国际标准化组织发布了一系列标准，涉及传统农业建筑、机械化工程、生产制造、运输医学等方面。其中包含和海洋技术相关的条款，但这些标准并不是针对海上风力发电机，主要是为海上结构物的设计提供指导，特别关注结构物是否完整。

2.1.5 德国船级社（GL）

德国船级社（Germanischer Lloyd，简称GL）成立于1867年，历史十分悠久，它是世界上最大的船级社之一，在测试、研究、改善安全等方面都处于世界领先地位。GL于1995年颁布了首版和海上风机设计相关标准，并进行多次修订[2]。

2.2 研究海上风机相关的设计标准

美国设计海上结构的主要标准是API RP 2A-WSD和《海上固定平台规划、设计、建造推荐作法 载荷与抗力系数法》（API RP 2A-LRFD—1993），IEC 61400-3参考了《石油和天然气工业固定式海上钢结构》《ISO 19902—2007》。而ISO 19902是依靠API RP 2A-LRFD发展的，而API RP 2A-LRFD是由API RP 2A-WSD的20版本发展而来的。GL主要引用ISO标准以及德国船级社的规范和指南。

总的来说，上述标准皆认为海上风机与疲劳荷载、许多操作极限荷载和极端环境下的极限荷载息息相关。人们要根据不同的荷载、荷载组合、结构设计方法、极限荷载条件，明确设计标准。

在荷载和荷载组合内，API规范并未对风机荷载这一因素进行详细考量，同时未考虑风机荷载和环境荷载的结合。海洋资源固然丰富，同时存在许多极端的外部因素，对风电设备存在不利影响，海洋波浪对平台设计影响极大。海上风力发电不只需要考虑风载荷，还需要考虑海洋影响。相对海上风机结构来说，风力的载荷影响整个平台设计。风机荷载、环境荷载和其他荷载都需要结合规定予以确定，保证结构平稳。

在结构设计方法上，API分为容许应力法和荷载系数法，但是对海上结构物设计来说，容许应力法是最普遍的方法。DNV、IEC和GL均采用荷载系数法。在校核IEC和GL的结构时，要引用其他标准方法，遵守DNV内部规定，这些规定在荷载分项系数和抗力系数方面都是十分明显的[3]。

极限荷载要求较高，极限环境包含风、浪、流等，API RP-2A标准设计的海上结构外部在同一段时间可能会同时遭遇各种极限环境。ISO 19902标准明确了极限环境下海上钢制固定结构的标准回归周期。IEC 61400-1是一项已经完成的陆上风机设计标准，它能达到最大程度的兼容。其中，IEC 61400-1要求风机能抵御50年一遇的极限外部条件。因此，海上风机实际上并不需要过度注重设计标准，可以重选目标，如选择陆上风机，它以自身设计标准为基础，再考虑重现周期，设计IEC 61400-3指南中的海上风力发电机，同样，IEC 61400-1的陆上电机安全系数没有特殊差别。IEC 61400-3约定的再现时间为50年，但前提是极限环境，包含极限风或波浪等恶劣环境。GL和DNV共同推理极限外部条件的再现时间是50年。因此，相较DNV、IEC以及GL，API对于极限荷载方面要求更加稳定。但无法通过重现周期的差异决定相对参数，因此可以选择任意的再现周期，再通过荷载系数调整，达到提升安全性和稳定性的目标，最大限度地降低抗力影响。

3 选择海上风电的基础设计标准

海上风机的每个标准都有特别的要求，导致不一样的设计基础。API设计固定式结构的标准不包含风机设计，IEC以及GL更侧重于这一部分，DNV规范更强调对海上风机基础设计的约束。未来，我国更倾向于DNV规范，会将DNV作为我国设计海上风机结构的标准。

当前，人们应当按照结构的可靠性，开展海上风机设计，进行精确评估，全面分析诸多因素，如荷载状态、结构种类和自然环境条件。与此同时，风、浪、流的作用也不容忽视，人们要明确我国海洋环境，满足风机设计要求，推动我国风电的发展。新时代，我国仍需要不断地提升自身影响力，积极扶持和发展海上风电行业，推动新能源的发展，有效促进沿海地区经济发展。