潮流能水轮机设计载荷工况研究

李志川，张　理，张　琳，张　亮

（1.中海油研究总院，北京　100027；2.哈尔滨工程大学，黑龙江　哈尔滨　150001）

潮流能水轮机设计载荷工况研究

李志川1，张理1，张琳1，张亮2

（1.中海油研究总院，北京100027；2.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150001）

随着技术的不断发展，潮流能开发利用国际和国内分别进入了准商业化和示范工程阶段，但潮流能利用方面相关标准研究仍处于起步阶段，潮流能发电装置的相关设计标准的缺失，严重制约了潮流能发电装置的产业化进程。以500 kW海洋能独立电力系统示范工程项目潮流能水轮机的设计经验为基础，开展潮流能水轮机设计载荷工况研究，从外部环境条件、发电机组运行状态、载荷设计工况等几方面进行了分析研究，为今后水轮机设计标准的制定奠定了基础。

潮流能；水轮机；载荷；标准

随着社会经济的发展，我国能源生产已经不能满足消费的需要，同时过度依赖化石能源的状况不仅引起了对能源安全的担忧，而且对我国的社会经济和环境产生了重大影响，诸如2013年1月在我国北方及东部沿海地区发生的长达20余天的雾霾天气。调整我国能源结构，大力发展清洁的可再生能源已迫在眉睫。我国沿海潮流能的年平均功率约为1.4×107kW，具备相当可观的应用开发前景[1-2]。

潮流能开发利用始于20世纪70年代，近些年发展尤为迅速，世界上众多研发机构研发设计了许多潮流能发电装置，国际先进水平已经进入了准商业化阶段，我国也进入潮流能开发利用示范工程阶段。然而随着技术不断发展，在潮流能利用方面相关标准研究还处于起步阶段，国际上目前仅有欧洲海洋能研究中心（EMEC）于2009年发布了潮流能开发的相关导则[3]。国内潮流能利用相关标准尚处于起步阶段，相关标准基本空白。

对于潮流能开发利用而言，在潮流能装置设计和研发过程中，如果没有对潮流能发电装置设计基本流程、基本内容和基本要求等的统一标准和规程，则无法保证采用相对统一的方法和衡量标准对潮流能装置性能进行评估，从而无法保证潮流能发电装置性能指标的可靠性，一定程度上制约了潮流能发电装置的产业化进程。

在潮流能发电装置设计中潮流能水轮机是最关键部件之一，水轮机设计的好坏直接影响着能量转换的效率高低、制造成本以及寿命。在水轮机设计中必须确定水轮机所处的环境和各种运行条件下所产生的各种载荷，其目是对潮流能发电机组零部件进行强度分析（包括静强度分析和疲劳强度分析）、动力学分析以及寿命计算，确保水轮机在其设计的寿命期内能够正常运行。该项工作是水轮机设计中最基础性工作，所有的后续工作都是以载荷计算为基础的。

本文以500 kW海洋能独立电力系统示范工程项目潮流能水轮机的设计经验为基础，开展潮流能水轮机设计载荷工况研究，为今后水轮机设计标准的制定奠定基础。

1　潮流能水轮机设计外部条件

潮流能水轮机设计需要考虑的外部海洋条件包括流速条件、波浪、水位等。

从载荷和安全考虑，海洋条件可分为正常海洋条件和极端海洋条件。正常海洋条件指潮流能发电机组正常运行期间，重现期小于1 a的海洋条件，极端海洋条件的重现期则为1 a或50 a。

1.1流速

海水流速是水轮机吸收能量的主要来源，也是水轮机载荷的主要来源。

从载荷和安全角度考虑，流速可分为海上风力发电机组正常工作期间重现期小于1 a的正常流速和1 a或50 a一遇的极端流速。

站址的流速分布对设计至关重要。在正常设计状态，它决定各载荷情况出现的频率。一般采用10 min周期内的平均流速，来得到轮毂高度处平均流速Uhub(z)，它是由潮流流速Uc(z)、风生流速Uc,wind(z)和波浪诱导流速分量Uc,wave(z)组成[4]。

潮流流速分量，由于潮流流速沿水深不断变化，一般采用潮流廓线模型表示，潮流廓线Uc(z)可表示成平均流速随水深z的变化函数，如式（2）所示：

式中：Uc为静水位流速，m/s；d为水深，m；z为轮毂到静水位的距离，m。

风生流可用速度Uc,wind(z)计算如下：

式中：z为到静水位的距离，m，在静水位之下取负值。

d0一般取20 m，在水深小于20 m的场地，海底的风生流速为非零。

海表层风生流速度可假定与风向一致，并可按式（5）估算：

式中：V1-hour(z=10 m)在静水位以上10 m高度处风速的1 h平均值，m/s。

波浪能生成的表层流，在考虑波浪和潮流全耦合运动学情况下，可运用适合的数值模型（如Boussinesq）来确定波生成的表层流值。对于方向与海岸线平行的近岸表层流，Uc,wave(z)可按式（6）估算：

式中：Hb为破碎波波高，m；α为海底坡度，(°)；g为重力加速度，m/s2。

1.2水位

计算潮流能水轮机的水动力载荷时，站址的水位变化范围对计算载荷的影响应考虑在内。

(1)正常水位范围(normal water level range, NWLR)

正常水位范围应取为重现期为1 a的水位变化范围。缺少特定场地水位长期概率分布特征数据时，应取正常水位范围等于最高天文潮（highest astronomical tide，HAT） 和最低天文潮（lowest astronomical tide，LAT）之间的变化范围。

极限载荷计算应基于正常水位范围内产生最大载荷的水位，或对正常水位范围内水位概率分布的合理考虑。

对于水动力疲劳载荷计算，在某些工况下，设计者可通过适当的分析来证明水位变化对疲劳载荷的影响可忽略，或者通过保守的方式，即采用大于或等于平均海平面的恒定水位来说明。

(2)极端水位范围（extreme water level range, EWLR）

对于与重现期为50 a的波况相联合的极限载荷情况，应采用极端水位范围。在此范围内，载荷计算应基于对潮流能水轮机产生最大载荷的水位。

1.3波浪

波浪也是潮流能水轮机主要载荷的来源之一。随机波浪模型是反映真实海洋状态特征的最好描述。该模型把实际海况描述为无限多个频率不等、方向不同，振幅变化及相位随机的微幅简谐波叠加而成的不规则波系，其波面位移服从均值为零的正态过程，该过程具有平稳性和各态历经性。

设计海况一般用波谱Sη、有义波高Hs、谱峰周期Tp和平均波向θwm来描述，其中，适当的话，波谱可用方向扩展函数来补充。海浪谱通常有两种形式[5-6]：

（1）单一方向传播的长峰波谱，主要包括Pierson-Moskowitz（简称P-M谱），Bretschneider双参数谱，Jonswap谱；

（2）各方向传播的短峰波谱，通常通过在单方向传播长峰谱中引入方向扩展函数的形式来表达。

设计中，可用周期波或规则波来模拟真实海况。确定性设计波应定义其高度、周期和方向。

在潮流能发电机组设计中，应根据平均流速（U）、有义波高（Hs）、谱峰周期（Tp）的长期联合概率分布来考虑流速和波浪的相互关系。上述参数的联合概率分布受到安装场地条件（如站址、水深、海底地形等）的影响，因此应通过适当的长期测量（如适用），并运用数值后报技术来得到概率分布。正常流速和波浪的相互关系应考虑平均流向和平均波向，当流向和波向偏离时，应确保方向数据和潮流能发电机组的仿真技术是可靠的。

根据随机海况和规则设计波的表述，将波浪模型定义如下：

（1）正常海况(normal sea state，NSS)

对于每个正常海况，应在适合于预期场地的海洋气象参数的长期联合概率分布的基础上，选择有义波高、谱峰周期和方向以及相关的平均流速。

计算疲劳载荷时，应确保所考虑的正常海况的数目和分辨率能充分说明疲劳损伤，其与海洋气象参数的整个长期分布有关。

计算极限载荷时，正常海况应在平均流速给定值的条件下，以有义波高Hs的预期值为特征。应对各个有义波高考虑合适的谱峰周期Tp的范围。

设计计算应基于导致潮流能水轮机上作用有最大载荷的谱峰周期值。

（2）恶劣海况(scurviness sea state，SSS)

对于潮流能发电机组发电期间的极限载荷计算，应考虑恶劣的随机海况模型与流速的组合。恶劣海况模型将恶劣海况与发电工况相应流速范围内的每个流速相关联。各个恶劣海况的有义波高Hs，SSS(V)通常应由合适的特定场地的海洋气象数据外推确定，其有义波高和平均流速组合的重现期为50 a。对所有平均流速，重现期为50 a的绝对极值有义波高Hs50可作为Hs，SSS(V)的保守值。

应对各个有义波高考虑合适的谱峰周期Tp的范围。在此范围内，设计计算应基于导致潮流能发电机组上作用有最大载荷的谱峰周期值。

（3）极端海况(extreme sea state,ESS)

对于极端随机海况模型，应考虑重现期为50 a的极值有义波高Hs50和重现期为1 a的极值有义波高Hs1。Hs50和Hs1的值应通过对潮流能发电机组站址的适当测量或后报数据的分析来确定。应对Hs50和Hs1分别考虑合适的谱峰周期Tp的范围。设计计算应基于导致潮流能发电机组上作用有最大载荷的谱峰周期值。

2　潮流能水轮机载荷计算工况

为了实现载荷计算目的，达到设计要求，水平轴水轮机的载荷计算是以机组将要承受的包含各重要条件的设计工况来体现的。计算工况的确定应将外界条件、水轮机运行状态发生的概率与控制和保护系统动作等的组合方式放在一起考虑，水轮机载荷计算过程如图1所示，由于水轮机和风力机原理和结构类似，因此水轮机设计工况可以借鉴风电风力机设计工况来制定。

图1　水轮机载荷计算过程

2.1潮流能发电机组的运行状态

潮流能发电机组的运行状态可以分为正常运行状态、极端状态、故障状态以及安装维护状态，如图2所示。

图2　潮流能发电机组的运行状态

正常运行状态又分为发电、启动和关机三种状态。

2.2潮流能水轮机载荷

潮流能水轮机运行在非常复杂的载荷情况下，所受载荷既有周期性成分又有随机成分。按照来源分类，一般把作用在水轮机上的载荷分为五类：即稳定载荷、周期载荷、随机载荷、瞬态载荷、谐振载荷。而在机组零部件的设计中，需考虑两种载荷，它们是疲劳载荷和极限载荷。

疲劳载荷主要是在正常运行状态水轮机机组零部件长期经受动载荷而产生的。在这种载荷的作用下，水轮机的许多零部件都会产生动应力，引起疲劳损伤，疲劳断裂是水轮机零部件的主要失效形式之一

极限载荷在设计过程中预测是至关重要的，在水轮机的整个寿命期内很可能会经受若干次极限载荷，通常是以确定性的载荷情况为基础来预测极限载荷，水轮机运行的过程中，必须考虑随机和确定性载荷成分组合的概率分布。

2.3潮流能水轮机设计载荷工况

根据潮流能水轮机的原理和运行环境，水轮机设计可以参考和借鉴海上风电、船舶螺旋桨和海上导管架的相关标准。从结构和原理来看潮流能水轮机载荷工况与海上风电最为相似，但是也存在着不同之处，如下：

（1）潮流和波浪会同时直接作用在水轮机上，而海上风电潮流和波浪是作用在基础平台上，工况考虑潮流和波浪耦合的影响；

（2）考虑潮流稳定性强的特点，去除流速、流向极端变化相关工况；

（3）潮流和潮汐变化相关性强，计算疲劳载荷水位应与流速对应考虑。

根据外部条件和潮流能发电机组的运行状态制定的潮流能水轮机载荷设计工况如表1所示。

表中：DLC表示设计载荷工况；Uin表示切入流速，Uout表示切出流速；F表示疲劳载荷，UL表示极限载荷；流向和波浪方向同向表示流速和波浪作用在同一方向，偏向表示不在同一方向，单向表示载荷计算流速和波浪从最不利的方向作用，多向表示从多个方向组合作用。

表1　设计载荷工况表

3　总结

本文以500 kW海洋能独立电力系统示范工程项目潮流能水轮机的设计经验为基础，开展潮流能水轮机设计载荷工况研究，从外部环境条件、发电机组运行状态、载荷设计工况等几方面进行了分析研究。给出了在潮流能水轮机设计过程应考虑的外部环境条件，制定了潮流能水轮机设计载荷工况。为今后水轮机设计标准的制定奠定了基础。但本文所制定的工况只是一个基本工况情况，在实际设计中还需根据实际情况，完善设计载荷工况，例如对于漂浮式载体潮流能发电装置，水轮机载荷还需要考虑载体运动的影响工况情况。对于座底式支撑结构潮流能发电装置，水轮机载荷还需考虑渔网拖挂等影响。

[1]王传崑，卢苇.海洋能资源分析方法及储量评价[M].北京:海洋出版社,2009：15-17.

[2]Team D s T.The World Offshore Renewable Energy Report 2004-2008[R].2004：113-124.

[3]EMEC.Performance Assessment for Wave Energy Conversion Systems in Open Sea Test Facilities[M].European Marine Energy Centre Limited,2004.

[4]Garrad Hassan.Tidal Bladed Theory Manual[M].Garrad Hassan,2013.

[5]Germanischer Lloyd WindEnergie.Rules for Classification and Construction,IV Industrial Services,Part 2-Offshore Wind Energy, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines,Germanischer Lloyd WindEnergie[M].2005:18-19.

[6]DNV.DNV Offshore Standard:DNV-OS-J101.Design of Offshore Wind Turbine Structures[S].Det Norske Veritas.2010:38-42.

Study on the Load Conditions of the Tidal Current Energy Turbine Design

LI Zhi-chuan1,ZHANG Li1,ZHANG Lin1,ZHANG Liang2
1.CNOOC Research Institute,Beijng 100027,China; 2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China

With continuous technological progress,the development and utilization of tidal current energy has entered the stage of quasi commercialization abroad and the stage of demonstration at home.But the study on standard-setting for tidal current energy utilization is still in the initial stage.The industrialization of tidal current energy device has been seriously restricted by the lacking of relevant standards for the design of tidal current energy devices.In this paper,the load conditions are studied for the tidal current turbine design,based on the design experience acquired in the demonstration project of 500 kW ocean energy isolated power system.The aspects of the external environment,the operate condition of the turbine and load conditions are analyzed and studied in this paper,laying a foundation for future standard-setting for tidal current energy turbine design.

tidal current energy,turbine,load conditions,standards

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0090-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.018

2016-03-06

李志川（1982-），男，博士，主要从事海洋能利用方面研究。E-mail：lizhichuan77@163.com