黄维平，李兵兵

(1.中国海洋大学山东省海洋工程重点试验室，山东青岛 266100;2.抚矿工学院，辽宁抚顺 113008)

海上风电场基础结构设计综述

黄维平1，李兵兵2

(1.中国海洋大学山东省海洋工程重点试验室，山东青岛 266100;2.抚矿工学院，辽宁抚顺 113008)

针对我国海上风电场开发建设的现状和发展趋势，结合海上风电场基础结构设计研发现状和存在的问题，探讨海上风电场基础结构设计的关键问题——设计理念、设计方法和设计标准等，分析海上风电场基础结构的结构、荷载和服役特点，分析海上风电场基础结构与水工结构和海洋石油平台设计的异同。并根据海上风电和海洋石油的行业特点，分析API规范和DNV规范对于海上风电场基础结构设计的适用性，阐述了海上风电场基础结构设计的特殊性、荷载取值和参考标准等问题。基于我国海洋工程技术发展水平和海上风电产业的发展趋势，提出发展适合我国国情的海上风电场基础结构型式及设计，指出我国海上风电产业发展应注意和避免发生的问题。

海上风电;基础结构;风力发电;结构设计

目前世界海上风电主要集中在欧洲，占全球总装机量的99%。自1991年丹麦第一座海上风电场建成到2000年的十年中，仅完成了31.45 MW的海上风电装机容量。随着海上风电整机技术及风电场建设技术的逐步成熟，从2000年到2008年，欧洲海上风电装机容量年复合增长率达到37.1%。从欧洲的8个国家已有规划来看，到2015年年欧洲海上风电装机容量将15 000 MW，未来五年欧洲海上风电将进入大规模发展期。

虽然我国陆上风电场已开始大规模运行，但目前尚缺乏海上风电大规模运行的经验，且海上风电场建设成本及运行成本与陆上风电差别较大。海上风电场建设期成本中的基础建设、并网接线等费用在总投资成本中所占份额要高于陆上风电场;营运期维修费用和折旧费用占营运成本比例远高于陆上风电场。根据国外多个海上风电场投资的统计数据显示，海上风电场投资成本一般在1 700～2 000欧元/kW之间(陆上风电场投资成本在1 000欧元/kW左右)。由于丹麦海上风电场建设起步较早，积累了较多的经验，在技术和安装设备方面也相对比较成熟，所以，他们的建设成本比平均水平略低，而英国的两个风电场的平均单位千瓦成本则高达2 722欧元和4 100欧元。

因此，发电成本是海上风电发展的瓶颈，研究表明，按照目前的技术水平和20年设计寿命计算，海上风电的发电成本约合人民币0.42元/kWh。而影响海上风电成本的主要因素是基础结构成本(包括制造、安装和维护)。目前，海上风电场的总投资中，基础结构占15% ～25%，而陆上风电场仅为5% ～10%［1-2］。因此，发展低成本的海上风电基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。

随着东海大桥海上风电场投入运行，我国的海上风电产业开始了大规模的商业化开发建设。目前，国内所有沿海省份和相关的能源企业都在紧锣密鼓地进行海上风电场的规划和开发准备。但是，我国的海上风电场基础建设的技术水平和施工能力不能满足海上风电场开发建设的需要。由于缺乏经验和行业壁垒等技术和经济的因素，我国海上风电场基础结构设计研发的进展并不是一帆风顺的。与海上风力发电机组等相关产业的发展相比，基础建设的发展不能满足海上风电厂发展的需要。目前，中国船级社已经开展了海上风电场建设的安全认证工作，标志着我国海上风电场的建设步入了专业化管理的轨道。为此，这里对海上风电场基础结构设计的理念、方法和标准进行分析和阐述，以促进我国海上风电产业的健康发展。

1 设计理念

1.1 海上风电场基础结构的特点

海上风电场基础结构的结构形式和作用与浅海石油开发的采油平台相同，都是为生产设备营造一个“陆地”环境，而且风力发电机组和采油树也都是占地较小(与码头的堆场相比)的单体设备，因此，海上风电场基础结构与浅海采油平台具有很多相似的特点。如独立矗立于水中的小型单体结构，没有栈桥或其它方式与陆地连接。尽管人类首次尝试开发海洋石油时，曾采用栈桥方式从陆地向海中延伸，但随着离岸距离而主要是投资成本的增加，这种平台形式很快就被独立的平台所替代。因此，除了海洋环境之外，海上风电场基础结构与水工结构是完全不同的。

由于风力发电机组是支撑在高耸的塔架上的，且风力发电机组的重量和体积远远小于石油生产设备，因此，与浅海石油平台相比，海上风电场基础结构所需提供的“陆地”(甲板)面积更小。因此，国外海上风电场基础结构的发展就是直接借鉴了海洋石油平台的概念，如重力式基础结构(图1(a))的概念来源于重力式海洋石油平台(图1(b));三角架结构(图2(a))来源于边际油田的简易石油平台(图2(b));导管架结构(图3(a))则是典型的固定式海洋石油平台(图3(b));三种浮式海上风电场基础结构(图4)也完全是借鉴深水浮式海洋石油平台的半潜式、张力腿和Spar平台(图5)。

图1 重力式结构Fig.1 Gravity structure

图2 三桩结构Fig.2 Tri-pile structure

图3 导管架结构Fig.3 Jacket structure

基于上述分析可知，海上风电场基础结构的功能和服役特点与海洋石油平台相似，而与水工结构相差较大。在风机运转荷载和海洋环境荷载的组合作用下，海上风电场基础结构的振动是主要的荷载响应形式。在满足结构功能要求(风力发电机正常工作)的条件下，海上风电场基础结构的强度不是主要的失效控制指标，基础结构的主要失效形式是疲劳破坏。因此，疲劳寿命是海上风电场基础结构设计的控制参数。而疲劳问题在水工结构(包括水工钢结构)的设计中是次要因素甚至是可以忽略的因素。

图4 浮式海上风电场基础结构Fig.4 Floating structures for offshore wind farm

图5 浮式海洋平台Fig.5 Floating structure for oil＆ gas exploration

1.2 海上风电场基础结构的荷载

海上风电场基础结构的荷载包括风荷载和海洋环境荷载，其中的风荷载不同于建筑结构的风荷载，其静力作用对基础结构设计的影响远远小于动力作用。动力作用包括两部分——风机运转荷载和水面上结构的空气动力荷载，这些荷载通过塔架与基础结构的连接传递到基础结构上。因此，海上风电场基础结构的风荷载与海洋石油平台的风荷载是不尽相同的。

图6 风轮机荷载示意Fig.6 Loads of wind turbine

风轮机运转荷载是由风和风机叶片相互作用产生的，如图6所示。基础结构的性质对海上风电机组结构系统的动力特性有较大的影响。计算风机运转荷载时，基础结构模型作为系统气动弹性模型的一部分是非常重要的，它不仅影响基础结构的设计荷载，而且影响系统其它组成部分的设计荷载［3］。极端响应是海上风电机组基础结构设计的一个重要变量，它包括叶片的拍向弯矩和基础结构的倾覆力矩，极端响应的概率分布符合韦伯分布［4］。

作用在塔架上的风荷载也是主要的荷载形式之一，当风速低于切入风速和高于切出风速时，风荷载将全部作用在塔架上并传递给基础结构，包括定常风速和脉动风速引起的拖曳力以及涡激作用力。

浪流荷载是直接作用在海上风电场基础结构上的海洋环境荷载，除导管架结构外，其它形式的结构还应考虑海流引起的脉动拖曳力和涡激升力。当海流与风荷载同向时，海流的脉动拖曳力和涡激升力与风作用在塔架上脉动拖曳力和涡激升力将引起结构的耦合振动。波浪荷载是海上风电场基础结构的主要海洋环境荷载，对于水深较浅的海上风电场，波浪荷载的计算多采用非线性波浪模型，采用线性波模型计算海上风电机组基础结构流体动力荷载是不安全的。同时，还应考虑波浪破碎，结构的最大流体动力荷载出现在强非线性非破碎波条件下［5-6］。

随着海上风电技术的不断进步，风机规格越来越大，水深越来越深，使得传统固定式基础结构的一阶固有频率降至0.25～0.35 Hz之间。而一些海浪谱，如瑞典Bockstigen海上风电场测量的海浪谱，其第二个谱峰频率约为0.3 Hz，可能引起共振。因此，多频率成分波浪谱的模拟对于海上风电机组基础结构的设计显得格外重要。线性波模型不能模拟第二个谱峰，必须采用非线性波模型［7-8］。

冰荷载是寒区海上风电场基础结构的主要荷载之一，无论是静强度还是疲劳强度，冰的作用都是不容忽视的。如果说此前的海洋平台设计冰荷载仅仅考虑它的静力作用是因为它的偶发性且冰期短，那么，近年来渤海湾的冰情已经改变了人们对海冰发生的周期性和持续性的认识，海冰已经由偶发变为频发，且持续时间延长，可达1～2个月。因此，海冰荷载不仅是寒区海上风电场基础结构强度设计的控制荷载，也是疲劳设计不可忽视的荷载之一。

地震荷载对于海上风电基础结构的设计来说是一个次要荷载，一是它的罕遇性;二是它的持续时间短。因此，对基础结构的强度和疲劳影响较小。在设防烈度较高的地区，可作为设计校核的荷载之一，而在低烈度地区，可不考虑地震荷载的作用。

1.3 海上风电场基础结构的设计理念

由于海上风电场基础结构及其荷载的特殊性，加之目前风力发电与其它经济形能源之间的巨大投资差异，使得海上风电场基础结构的设计理念与水工结构和海洋石油平台均有较大的区别。海上风电场基础结构设计理念在经济性和安全性两方面区别于海洋石油平台，海上风电场的发电成本高于陆上风电场和火电厂的发电成本，因此，海上风电场的投资回报率远远低于海洋石油。但是，海上风电场发生事故的损失却远远小于海洋石油，且发生事故后对环境和社会造成的不利影响远远小于海洋石油。因此，经济性是海上风电场基础结构设计的重要控制指标之一，是海上风电场基础结构设计理念与海洋石油平台设计理念的最大区别。

就结构的服役特点而言，海上风电场基础结构设计理念与水工结构的设计理念完全不同。海上风电场基础结构是小型单体结构，服役期受海洋环境动力荷载的作用将发生持续的振动，疲劳破坏是结构的主要失效形式，其强度指标在结构满足服役刚度要求的前提下是自然满足的。疲劳是海上风电场基础结构设计的主要控制参数。而水工结构物属于大体积的群体结构，如码头和水坝，它们甚至与陆地联结成一体，在工作荷载作用下，结构的振动问题不突出，强度破坏是结构的主要失效形式。强度是水工结构物设计的控制参数，包括地震作用下的动强度，但地震作用的时间较短，不会引起疲劳问题。

2 设计方法

2.1 风机运行荷载的动力特性

风力发电机的风轮机分为水平轴和垂直轴两种，而目前商业化的海上风电场主要采用水平轴风轮机。因此，以水平轴风机为例来阐述风机运转荷载的动力特性。

风机运行的动力荷载主要是由风轮转动和风机偏航以及叶片弯曲振动引起的塔顶荷载，风机偏航的角速度很小(Ω≈0.01)，远远低于结构的一阶频率。结构设计应考虑的主要是风轮转动的荷载频率。

目前大型风力发电机组的风轮多为三叶片式，其主要动力源的频率为1P和3P。如风轮转速为20 rpm，则1P=20/60=0.333 Hz、3P=3×20/60=1 Hz。因此，塔架和基础结构系统的固有频率应避开这两个频率，工程上一般要求控制在±10%左右，以免发生共振，如图7所示［9］(图中的Ω即为P)。而风机运行荷载的动力作用1P频率能量最大，高次谐波的作用较小，图8是某型号1.5 MW风机运行时的塔顶动荷载功率谱曲线，从图中可以明显看出，其主要能量集中在一阶频率。

大型风力发电机的支撑结构多为柔性塔架，其一阶固有频率一般比较接近风轮的激振频率，高阶固有频率远远大于风轮激振频率的值，不会发生高阶共振。因此，海上风电场基础结构设计应控制一阶固有频率避开风轮机激振频率。

2.2 海洋环境荷载的动力特性

海洋环境荷载包括风、浪、流、冰和地震。风荷载除对风机的作用引起风轮机扫风面积上的阻力荷载和风机运行荷载外，还有一部分是作用在塔架上引起顺风向的拖曳力和垂直于风向的涡激升力。由于风的脉动分量远远小于定常分量，因此，拖曳力的动力部分中脉动风的贡献较小，一般忽略不计。而最新研究表明，由于涡旋泄放产业的脉动拖曳力对于细长圆柱体是不容忽视的［10］。因此，风荷载的动力特性包括顺风向的脉动拖曳力，其频率随风速和涡激振动形态变化。在非锁定区，脉动拖曳力和涡激升力的频率与风速的关系符合修正的Strouhal公式［11］;在锁定区，涡激升力的频率与风速的关系符合修正的Strouhal公式，而脉动拖曳力的频率是涡激升力的两倍［10］。

波浪荷载是一个具有多频率成分的随机荷载，通常以有义波高和峰值周期来表示。波浪谱主要有JONSWAP谱和P-M谱，我国的渤海湾也采用文氏谱。JONSWAP谱是规范推荐的设计波浪谱，应用较为普遍。流荷载的动力效应与风相同，主要是由涡旋泄放引起的。由于基础结构与塔架的结构形式不同，因此，除单桩结构外，其它基础结构的涡激振动问题不突出，设计时可以不予考虑。冰荷载的动力特性与冰速和冰的强度等因素有关，还与结构形式有关。如果基础结构采用了抗冰设计，那么，冰荷载的动力特性将发生很大变化。地震荷载的动力特性取决于海上风电场所在海域的海床土性质，通常采用地震响应谱进行设计。

图7 水平轴风机振动频响关系Fig.7 Frequency response of vertical axes wind turbine

图8 风机运行的荷载功率谱Fig.8 Spectrum of wind turbine run

海底冲刷也是海上风电场基础结构设计必须考虑的问题之一，对于常规的重力式结构，冲刷是致命的，因此，常规的重力式结构不能应用于具有冲刷现象的海域。而对于具有防冲刷设计的重力式结构［12-14］和筒型基础，冲刷也是重要的设计荷载之一。对于桩基结构，冲刷将导致结构的刚度降低，使结构的动力特性发生变化，因此，设计时必须考虑冲刷效应。

2.3 海上风电场基础结构的设计方法

海洋工程结构的设计方法主要有工作应力法(WSD)和荷载抗力系数法(LRFD)，美国石油学会的API规范推崇工作应力法，如API RP 2A，而挪威船级社的DNV规范则倾向于使用荷载抗力系数法，如DNV OS C101。中国船级社的CCS规范采用API的规范体系，因此，以工作应力法为基础。目前国内的海洋工程结构设计采用的是工作应力法，参考规范为CCS规范“浅海固定平台规范”和API规范“海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法工作应力法”API RP 2A。2004年，DNV发布了海上风电场基础结构设计规范(DNVOS-J101)，这是国内外第一部海上风电场基础结构设计规范。

工作应力法不区分荷载类型和内力性质，采用统一的荷载系数或安全系数来计算荷载效应和许用应力。而荷载抗力系数法则根据不同类型荷载的不确定性大小选择荷载系数，并分别计算出不同性质内力的抗力，最后组合得到结构的抗力。由于海上风电是上世纪九十年代发展起来的一个新兴产业，传统的海洋工程狭义地指海洋石油工程。所以，海洋工程结构是以海洋平台为代表的，其设计方法主要是API规范推荐的工作应力法。

海洋工程结构设计目前仍采用极限状态设计，包括服役极限状态(SLS)设计、极端极限状态(ULS)设计、事故极限状态(ALS)设计和疲劳极限状态(FLS)设计。前三种极限状态均属于强度设计，工作应力法的强度设计以结构的等效应力作为设计依据，采用许用应力作为设计标准。

海洋工程结构的疲劳设计主要有S-N曲线法和断裂力学方法，由于断裂力学方法是在结构具有初始裂纹的条件下，以计算裂纹扩展至断裂所需的时间作为设计依据的，而初始裂纹的估计完全依赖于人的经验，因此，断裂力学方法受人为因素的影响较大。结构的疲劳寿命主要取决于裂纹的萌生过程而不是裂纹的扩展速度。因为裂纹的扩展过程是短暂的，所以目前海洋工程结构的疲劳设计仍主要采用S-N曲线法。S-N曲线法是一种基于试验的经验方法，它采用疲劳损伤线性累计的假设，疲劳损伤率的计算和选择合适的疲劳曲线是疲劳设计的关键。

3 设计标准

3.1 环境荷载设计标准

环境荷载及其组合工况是海洋工程结构设计的重要标准之一，而组合形式取决于结构的属性。对于海上风电场基础结构和海洋石油平台，由于它们所属的行业不同，其投资风险和利润、事故损失和社会危害性均有较大区别。因此，设计荷载及组合工况应采用不同的标准。例如，海洋石油的浅水和深水开发装备所采用的极端荷载重现期分别为50年(海洋平台的服役寿命一般为15年，规范规定极端荷载的重现期不小于2～3倍的服役寿命［15］)和100年［16］。对于不同环境荷载要素的设计工况，不同规范给出了不同的设计标准。对于海洋石油平台，API规范建议:当某一环境要素(风、浪、流)取50年一遇(固定式平台)或100年一遇(浮式平台)时，其它则取与该环境要素50年/100年一遇相应的重现期的值。由于通常得不到与某一环境要素50年/100年重现期相应的重现期的值，目前的做法是所有环境要素取相同重现期的值。DNV规范则建议当某一环境要素取极端荷载每年的超越概率为1%时，其它则取10%［17］，即一个要素的重现期取100年，其它取10年。

由于传统的海洋工程是以海洋石油开发为服务对象的，因此，我国的海洋工程主要采用API规范体系，而API规范并没有关于海上风电场基础结构的相关设计标准。我国的海洋工程界采用相同重现期的环境荷载要素组合作为极端极限状态的荷载设计标准。海上风电场基础结构采用这样的标准设计显然是不合理的，因为，海上风电的成本是决定性因素，且它的失效损失和对环境和社会造成的影响都远远小于海洋石油，DNV的海上风电场基础结构设计标准将极端极限状态的荷载重现期及其组合工况确定为一个环境要素取50年而其它要素取5年［18］，远远低于DNV规范的海洋石油平台设计标准。

3.2 荷载/安全系数设计标准

荷载系数和安全系数是海洋工程结构设计的另一项重要标准，它的选取主要取决于结构的安全性、材料性能的不确定性、结构失效的危害性和结构检查修复的难易程度。对于浅海石油平台，DNV规范推荐的极端极限状态荷载系数是根据荷载的性质取值的，如永久荷载和变功能荷载的荷载系数取1.3时，环境荷载取0.7;而永久荷载和变功能荷载取1.0时，环境荷载取1.3［17］。DNV规范推荐的安全系数是根据荷载的类别取值的，如功能荷载的荷载利用系数为0.6，即安全系数为1.67，而最大环境荷载组合加功能荷载工况的荷载利用系数可取0.8，则安全系数为1.25［19］。DNV规范推荐的疲劳安全系数根据杆件的位置取1～3［17］。API规范推荐的结构(不包括桩的钢结构部分)安全系数为1.67～2，疲劳安全系数大于等于2［15］。对于海上风电场基础结构，DNV规范推荐的极端极限状态荷载系数为1.25，而疲劳设计采用了1.0～1.25的材料系数放大了应力循环幅，累计损伤不再乘安全系数，因此，相当于最大的安全系数为1.25，远远小于海洋石油平台的最大疲劳安全系数。

由此可见，我国海上风电场基础结构的设计标准不应采用海洋石油平台的设计标准，应结合我国的具体情况，参考相关的国内外标准进行合理的设计，在兼顾经济性和安全性的基础上，实现海上风电基础结构的低成本设计。

4 结语

海上风电场基础结构设计的成败关系到我国海上风电产业能否持续稳定和健康的发展，不论是现有结构的设计，还是发展新的结构形式，都必须立足于降低成本，这是发展海上风电产业的唯一出路。今后应该把设计理念调整到海上风电的设计理念，研究并发展适合我国国情的海上风电基础结构设计标准，使我国的海上风电产业走上良性发展的轨道，并快速稳步地发展。

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Reviews and comments on the design for offshore wind structures

HUANG Wei-ping1，LI Bing-bing2
(1.Shandong Key Laboratory of Offshore Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China;2.Fushun Colliery Institute，Fushun 113008，China)

Based on the state-of-the-art and trends of the offshore wind farm development as well as the problems in the design and R＆D for the offshore wind structure in domestic offshore industry，some key aspects such as concept，method and criterion for the design of offshore wind structures are discussed.The traits of the structure，load and serving of offshore wind structures are analyzed.The differences in the design of offshore wind structures from those of hydraulic structures and offshore oil＆ gas structures are emphasized.Furthermore，which of the two standards of DNV-OS-J101 and API RP 2A that should be referred to for the design of offshore wind structures is recommended based on the differences between offshore wind power industry and offshore oil＆ gas industry，and then the traits，loads and reference standards for the design of offshore wind structures are presented.Finally，the offshore wind structures suitable for domestic coastal conditions and their design problems are proposed.Some problems which should be paid more attention to and have to be avoided in developing offshore wind farms are highlighted.

offshore wind generation;support structure;wind energy generating;structure design

P751;TK89

A

1005-9865(2012)02-0150-07

2011-04-27

国家自然科学基金资助项目(51079136，51179179)

黄维平(1954－)，男，浙江人，教授，主要从事海洋工程结构设计研发。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn