[发明专利]一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法

说明书

本发明公开一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法，根据风电机组所处环境参数，计算塔架载荷，设计塔架构型以及整体支撑结构频率，所述塔架构型为：塔架构型：1段锥段，n‑1段直段，塔架的分段数量n不超过5；基于风电机组所处环境参数、塔架载荷、塔架构型对塔架基础结构用迭代法进行优化，优化时满足所述整体支撑结构频率要求；判断所述基础结构是否满足风机支撑结构设计的收敛准则，如果满足，则得到设计结果，如果不满足则重新计算塔架载荷；得到当前塔架具体参数。对塔架构型进行优化设计以找到整体支撑结构质量最轻的优化设计，可以通过给出塔架构型参数以得到整体支撑结构质量最轻的最优设计，减少了项目工程造价。

技术领域

本发明属于海上风力发电机组支撑结构设计技术领域，具体涉及一种海上风电单桩基础的塔架及其构型设计方法。

背景技术

受益于风电的技术进步和规模扩大，风电机组价格、风电开发投资成本及运行维护成本呈现不断下降趋势。如图1所示，海上风电机组主要包括风机机组、塔架锥段、塔架直段、泥面以上单桩段、泥面以下单桩段。从风电机组价格来看，海上风机支撑结构包括塔架和基础两部分：风机塔架成本约占海上风电项目投资成本8％左右，海上风机基础主要包括单桩、导管架、高桩承台等不同基础形式，一般占海上风电项目投资成本的14％左右，即整体支撑结构成本在总建设成本中占比约22％左右。因此，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低海上风电的平准化度电成本。

当前海上风电项目在招投标时通常采用分步迭代设计方法，一般由风机厂家给出塔架设计并担保塔架工程量，评标过程中会对塔架重量进行排名和评分；标后详细设计阶段时风机厂家和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此流程下，风机厂家会尽可能给出塔架最轻的局部最优设计方案，而塔架最轻的设计往往不是整体支撑结构最轻的全局最优设计方案。

在设计海上风机支撑结构时都包含了三部分：载荷计算、塔架设计和基础设计。

1)载荷计算

海上风电支撑结构受到风、浪、流等多种环境载荷的联合作用。行业内大部分风机厂家采用GH-Bladed进行一体化建模和载荷计算。

一体化建模包含环境条件输入和整体支撑结构模型搭建两方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况(海冰、地震、台风等)；整体支撑结构模型包括机头、塔架、泥面以上结构和基础(也可统称为基础结构)。

载荷计算中考虑了风浪异向作用，根据IEC规范需要考虑正常发电、紧急停机、开机、正常停机、空转、维修等多种工况，根据风浪联合分布可分成多达20000多个工况。

2)塔架设计

塔架设计中，需要进行塔架主体及局部结构的极限强度、屈曲强度和疲劳强度校核。极限强度校核包括塔架筒体、塔架法兰、门洞及海缆孔、锚栓笼等局部结构的校核；屈曲强度校核包括塔架筒体和门洞海缆孔等结构的校核；疲劳强度校核包括塔架筒体焊缝、法兰连接螺栓、门框及海缆孔、顶法兰、锚栓笼等结构的校核。

3)基础设计

在基础结构主体设计中，主要包含极限海况下的强度承载力分析、正常服役工况分析、船撞分析、地震工况分析等。荷载组合中考虑可能出现的最不利水位下的波浪、海流与风机运行载荷的极端组合作用。疲劳强度分析利用S-N曲线与Miner线性累计损伤理论进行疲劳计算。分别计算各个管节点在疲劳荷载作用下累积损伤程度，利用累积损伤程度评估结构的抗疲劳设计安全性。