IEC61400-3海上风力机设计要求要点.pdf

IEC 61400-3 风力机 第三部分：海上风力机设计要求 1 概述 IEC 61400 的这一部分的要求是评估海上风力机场地的外部条件和联合 IEC 61400-1 一起指定确保海上风力机工程完整性的基本设计要求。其目的 是提供适当的水平保护风力机在计划使用期那不受任何危险的伤害。 这个标准主要关注海上风力机的结构部件的工程完整性，也考虑到子系 统例如控制和保护机制，内部电力系统和机械系统。 2 主要元素 概述 以下条款中给定了确保海上风力机的结构、机械、电力和保护系统的安 全的工程和技术要求。这个要求规范应用于海上风力机的设计、制造、安装 和操作和维护手册以及相关质量管理程序，另外也考虑到按照在海上风力机 的安装、运行和维护过程中使用的各种惯例制定安全程序。 设计方法 海上风力机设计过程 安全分类 普通安全类型：应用于故障结果威胁到人员伤害或其他社会或经济结果。 特殊安全类型：应用于安全要求由当地规则决定和/ 或安全要求由制造商 和客户共同决定。 质量保证 推荐设计系统遵守ISO 9001 的要求。 转子机舱装配标记 以下信息必须显著的标识在转子机舱装配排上： 制造商和国家 模拟和连续号码 生产年份 参考风速 轮毂高度运行风速范围 运行环境温度范围 IEC 风力机分类 风力机终端额定电压 风力机终端频率或在标称值上的变化大于2时的频率范围。 3 外部条件 概述 海上风力机的环境和电网条件可能影响它们的载荷、耐久和运行。为了 确保适当的安全和可靠性级别，环境、电网和土壤参数将被考虑到设计中并 明白的规定在设计文件里。 环境条件被细分为风力条件、海洋条件（海浪、洋流、水深、海水结冰、 海洋植物、海底运动和冲刷）和其它环境条件。电力条件涉及电网条件。 外部条件在细分为普通和极端外部条件。普通外部条件通常涉及周期性 结构载荷条件，极端条件表现为罕见的极端设计条件。设计载荷情况将包括 潜在的危机联合这些风力机运行模型和其它设计工况的极端条件。 风力机分类 对于海上风力机定义风力机分类依照风速和湍流参数保留适当的设计转 子机舱装配。 更进一步的分类， S类，被定义为使用设计者和/ 或客户要求的特殊风力 或其它外部条件或特殊安全分类。 设计使用寿命至少为20 年。 风力条件 对于载荷和安全考虑的风力政策被分成普通风力条件和极端风力条件。 普通风力条件：在风力机普通运行过程中一年中经常发生的风力条件。 极端风力条件： 1 年一遇或 50年一遇的风力条件。 海洋条件 海浪 普通海洋状态（ NSS ） 普通海浪高度（ NWH ） 严峻海洋状态（ SSS ） 严峻海浪高度（ SWH ） 极端海洋状态（ ESS ） 极端海浪高度（ EWH ） 减少海水高度（ RWH ） 破坏海浪 洋流 次表面洋流 风力产生的，近表面洋流 破坏海浪导致的海浪洋流 普通洋流模型（ NCM ） 极端洋流模型（ ECM ） 水深 普通水深范围（ NWLR ） 极端水深范围（ EWLR ） 海水结冰 海洋植物 海底运动和冲刷 其它环境条件 以下其它环境条件必须被考虑到设计文件中： 空气温度； 湿度； 空气密度； 太阳辐射； 雨水、冰雹、雪和冰冻； 物质化学反应； 微粒机械行为； 盐腐蚀； 雷电； 地震； 水密度； 水温度； 交通。 普通其它环境条件 周围空气温度范围为 10到 40； 相对湿度达到 100； 太阳辐射强度为1000 2 mW； 空气密度为 1.225 3 mkg； 水密度为 1025 3 mkg； 水温度范围为 0到 35。 极端其它环境条件 温度； 雷电； 冰冻； 地震。 电网条件 电压标称值10； 频率标称值2； 电压不平衡电压负次序成分比例不超过2； 自动重新连接系统第一次的自动重新连接周期为0.5 到 1s，第二 次的时间为 10 到 90s。 储运损耗电网储运损耗被假定为每年20次。 6h 的储运损耗为普通 条件。 3 个月的储运损害将被考虑为极端条件。 4 结构设计 概述 结构分析基于 ISO 2394。 设计方法论 载荷 重力和惯性载荷 气动载荷 冲击载荷 水力载荷 海水冰冻载荷 其它载荷 设计工况和载荷情况 对于设计目的，通过设置包括所有的海上风力机能经历的重要条件设计 工况来描述海上风力机的有效期。 载荷情况将由运行模式或其它设计工况的联合决定，例如包括外部条件 的特殊装配、吊装或维护条件。在合理概率下发生的所有相关载荷都将联合 控制和保护系统的行为一起考虑。用来检验风力机结构完整性的设计载荷情 况应该结合以下情况计算： 普通设计工况和适当的普通或极端外部条件； 故障设计工况和适当的外部条件； 运输、安装和维护设计工况和适当外部条件。 如果极端外部条件和故障工况关联存在，两者的实际联合将被考虑为一 个设计载荷情况。 发电 发电加发生故障或电网丢失条件 启动 普通停机 紧急停机 待机（停止或空转） 待机加故障条件 运输、安装、维护和修理 海水结冰设计载荷情况 载荷和载荷影响计算 载荷和载荷影响计算将被执行使用适当的方法正确的考虑海上风力机的 结构动态反应联合相关外部条件。 适当的水力载荷 计算水力载荷 计算海水结冰载荷 其它要求 最终极限状态分析 方法 部分安全因素形式 设计载荷影响 设计抵抗力 最终强度分析 载荷部分安全因素 抵抗力和原料部分安全因素 疲劳故障 特殊部分安全因素 5 控制和保护系统 海上风力机的运行和安全由依照IEC 61400-1 要求的控制和保护系统支配。 供应商将确保控制和保护系统的所有部件有足够的保护不受海洋条件的影 响。 6 机械系统 在此标准中机械系统的目的是任何系统都不是由单独的或静态结构部件或电 气部件组成，而是使用和通过轴、链接、轴承、滑动片、齿轮和其它装置传递相 关运动。在风力机中这些系统可能包括驱动元件，例如齿轮箱、轴和联结，和辅 助部件，例如制动、叶片变浆、偏航驱动。辅助部件可能由电力、液压或气压方 法驱动。 海上风力机的机械系统设计依照IEC 61400-1 的要求。 供应商将确保机械系统的所有部件有足够的保护不受海洋条件的影响。 7 电力系统 海上风力机电力系统的安装包括所有安装在各个独立的海上风力机上的电 力设备和风力机终端。 电力收集系统没有包括在这个标准内。 海上风力机电力系统的设计依照IEC 61400-1 中的要求除了明确指出那些要 求只与陆地风力机有关外。 供应商将通过依照相关国家或国际设计代码或规则挑选适当的腐蚀分类、气 候分类、环境分类、污染分类和围栏IP 等级，确保机电力统的所有部件有足够 的保护不受海洋条件的影响。 8 基础设计 海上风力机基础的设计和结构分析将依照ISO海上结构标准或其它公认的海 上设计标准执行。 如果使用了 ISO 标准以外的海上设计标准， 必须证明在最终轻 度和疲劳方面有相同水平的结构可靠性。 通常设计和分析依照ISO 19900。 基础将被设计用来支撑静态和动态（反复的和暂时的）动作结构不会有额外 的变形和振动。特别注意重复的和暂时的动作对结构反应和支撑土地强度的影 响。支撑基础部件的海床运动概率将被考虑。由这些运动导致的载荷， 如果预期 的，将被考虑到设计中。 供应商将确保支撑结构的所有部件有足够的保护不受海洋条件的影响。 9 海上风力机场地外部条件评估 概述 海上风力机相关的环境和电力条件，包括附近涡轮的影响，可能影响它 们的载荷、耐久和运行。除了这些条件外，还要考虑在海上风力机场地的地 震、地形和土壤条件。 Metocean 数据库 风速和风向； 大浪高度，海浪周期和方向； 风力和海浪相关统计； 洋流速度和方向； 水深； 海水结冰的发生和属性； 发生结冰； 其它相关 metocean 参数例如空气和海水的温度和密度，海水盐度， 场地探测术、海洋植物等。 评估风力条件 风力机场地评估中以下参数将被评估： 50 年一遇的轮毂高度极端评估10-min 平均风速； 风速概率密度函数 hub Vp； 环境湍流标准偏差 ?（估计纵向成分标准偏差的平均值） 和在 hub V在 in V 和 out V之间和 hub V等于 ref V时 ?的标准偏差 ? ； 风切变； 空气密度。 场地风力参数包括： 在 0.2 ref V和 0.4 ref V范围内的规则和推断； 来自场地的短时间监控测量和来自当地气象站或当地代码或标准的 长时间记录的相关分析。 评估海浪 以下参数将被评估： 50 年一遇的大浪高度假定3 个小时参考周期， 50 , s H，并联合海浪顶 点频率周期范围； 1 年一遇的大浪高度假定3 个小时参考周期， 50 , s H，并联合海浪顶 点频率周期范围； 50 年一遇的极端单个海浪高度， 50 H； 1 年一遇的极端单个海浪高度， 1 H ； 50 年一遇的衰减单个海浪高度， 50red H； 1 年一遇的衰减单个海浪高度， 1red H； 50 年一遇的极端浪头高度。 场地的特殊metocean 数据将被分析用于建立以下参数的长时间连接概 率分布： 轮毂高度平均风速， hub V； 大浪高度， s H ； 顶点频率周期， p T 。 评估海流 除了它们给风力机支撑结构造成冲击载荷外，海流还影响登陆小船的位 置和方向并且防卫板可能造成海底冲刷。 1 年一遇和50 年一遇的极端海洋表面洋流速度将由分析特殊场地的 metocean数据库决定。 评估评估水深、潮汐和风暴潮 评估风力机场地的平均和波动的海水水平以确定以下参数： 平均海水深度（ MSL ） ； 最高天文潮（ HAT ）和最低天文潮（ LAT ） ； 包括正风暴潮的最高水平面（HSWL ） ； 包括负风暴潮的最低水平面（LSWL ） ； 评估海水结冰 以下参数将由冰冻地图或类似数据的统计数据决定： 50 年一遇的冰层厚度，h； 冰层决定性强度 c； 海流或风力带动浮冰的风险； 变动水面导致挤压的风险； 冰块集中频率。 评估海洋植物 海洋植物的厚度和其依靠的深层海水将被评估，基于适当的建议、当地 经验和现有的测量。特殊场地的研究必须建立在自然的，可能的厚度和海洋 植物依靠的深度。 评估海底运动和冲刷 基于观察，海底变化通常表现如下： 局部冲刷表现为结构部件周围陡峭边缘冲刷凹陷例如堆和堆群； 全局冲刷表现为结构周围大范围的浅的冲刷水池，可能导致整个结 构影响，成倍的结构交互作用，或海浪土壤结构交互作用。 沙浪，山脊和浅滩等整个海床运动可能发生在缺乏结构的情况下。 这些运动能导致海底的下降或上升，或重复循环。除此之外人造结 构可能改变局部的沉积传送政策可能加重腐蚀，导致堆积物，或没 有影响。 评估附近风力机的尾流影响 评估附近风力机尾流的影响将按照IEC 64100-1 的要求进行。 评估其它环境条件 以下环境条件将被评估通过于海上风力机设计中假定的条件进行比较： 普通和极端空气温度范围； 冰雹和雪； 湿度； 雷电； 太阳辐射； 物质化学反应； 盐度； 海水密度； 海水温度范围。 评估地震条件 评估地震条件将依照IEC 61400-1 中的要求执行。 评估天气窗口和天气停工期 天气窗口和天气停工期对于海上风力机的运输、安装和维护是非常重要 的。对于风力机场地将进行天气窗口和天气停工期的评估。 评估电网条件 外部电力条件将包括： 普通电压和范围包括通过指定的电压范围和时间段保持连接或分离的要 求； 普通频率，范围和改变比例，包括包括通过指定的电压范围和时间段保 持连接或分离的要求； 电压不平衡描述为因对称性和非对称性故障产生的百分率负阶段顺序电 压； 中性接地方法； 接地故障发现 / 保护方法； 每年电网储运损耗次数； 自动重新连接系统； 必须的反应补偿时间； 故障电流和持续时间； 风力机终端的相位相位和相位接地和短路电阻； 电网后台谐波电压失真； 存在电力直线传输信号如果任何频率相同； 故障剖面用于传输要求； 功率因素控制要求； 斜坡比例要求； 其它电网兼容性要求。 评估土壤条件 土壤调查将被执行为了提供足够的信息确定土壤的特有属性通过影响基 础结构和被基础结构影响的深度和范围。这些调查将包括： 场地地质学调查； 海底地形学调查包括登记海底巨石、沙浪或障碍物； 地球物理学研究； 地球技术研究包括场地测试和试验室试验。 土壤调查将提供以下基础设计的基础数据： 土壤分类和土壤描述数据； 切变强度参数； 变形属性，包括合并参数； 渗透性； 预报风力机结构动态属性的硬度和阻尼参数。 10 装配、安装和吊装 概述 海上风力机的制造商必须提供一个清楚描述风力机结构和设备的安装要 求的安装手册。海上风力机将由通过这些培训或指导的人员进行安装。 计划编制 制定装配、吊装和安装风力机及相关设备的计划是为了工作能够安全的 执行并依照当地和国家的规则。另外计划编制还要包括质量保护程序，考虑 以下条件： 工作和检查计划的详细描述和说明； 安全执行挖掘工作、爆破和其它与基础和水下建筑有关的行为的规 则，例如打桩操作、放置防冲刷保护和电缆布置； 适当的植入项目的操作规则，例如基础、螺栓、锚定和加强钢； 塔架和其它锚定的安装规则； 海上工作的健康、安全和环境规则，包括潜水安全规则； 撤退程序（包括当命令撤退时的风力条件的监控和海洋状态）。 安装条件 在海上风力机的安装期间，场地将保持没有出现安全事故或航运风险的 状态。 场地通路 进出场地的通路将是安全的并考虑到以下条件： 进出的障碍和通道； 排除在外的区域； 交通； 接近重力轴承的能力； 设备在场地的移动； 船涡轮的通路系统； 直升机涡轮的通路系统。 环境条件 在安装期间，有制造商制定的环境极限将被观察。以下条款将被考虑： 风速； 冰雪； 周围温度； 雷电； 能见度； 雨； 浪高； 海水深度不足。 文件 海上风力机的制造商将提供用于海上风力机的装配程序、安装和吊装的 图纸、说明书和指南。制造商将提供全部载荷、重量、升降机、特殊工具和 用于安全处理和安装海上风力机的必要的程序的详细描述。制造商将提供所 有围危险行为的风险评估。 接受、处理和储存 在安装期间处理和运输风力发电设备将通过设备确定适当的任务执行并 与制造商的推荐惯例一致。 为了防止风的运动带来的损伤，叶片、机舱、其它气动部分和轻制板条 箱将被保护。 基础/ 锚定系统 在此制造商将指定安全安装或装配、特殊工具、夹具和固定设备以及其 它适当的使用设备。 海上风力机装配 海上风力机将依照制造商的指导装配。检查确认所有部件的适当的润滑 和前期条件。 海上风力机吊装 海上风力机将由经过正确和安全的海上吊装实践训练的人员进行吊装。 作为特殊训练的一部分，训练将至少包括： 急救； 海上详细程序 （例如使用救生艇、 救生衣、特殊工作服、 海上求生）； 撤退程序，对于受伤或不省人事的人员； 时使用船、直升机和海上通路系统（特别注意晚上安全转移程序）。 扣件和附加装置 螺纹扣件和其它附加装置将依照风力机制造商推荐的扭矩和/ 或其它指 导安装。核对关键扣件和确认安装扭矩和其它要求将被获得和使用。 特别注意，检查确认以下条件： 钢缆、电缆、旋转带扣、起重支撑和其它设备和装置的适当装配和 连接； 安全吊装必须的起吊装置的适当附件。 起重机，升降设备 起重机和升降设备包括所有的其中吊索、吊钩和其它安全吊装必须的设 备，将由足够的安全起吊和最终放置载荷。制造商有关吊装和处理的指导和 文件将规定信息关于预期载荷和安全上升点部件和/ 或装配。所有起重设备、 吊索和吊钩将被试验和被鉴定符合安全载荷。 11 试车、运行和维护 概述 试车、运行、检查和维护的程序和人员安全都将被详细描述在海上风力 机手册中。 设计将同时规定用于检查和维护所有部件时用的安全通道。通道系统将 符合当地、国建和国际规定。 安全运行、检查和维护的设计要求 保护人员远离意外接触运动部件的警告设计将被确定，除非能预见会频 繁进出导致它们松动。 警告将包括： 是结实的建筑； 不容易绕过； 在不用分解它们的情况下执行基本维护工作。 为了确保检查和维护人员的安全，设计将包括： 用于检查和常规维护的安全出入路线和工作场地； 适当的手段保护人员远离意外接触转动部件和活动部分； 在攀爬或在站台以上工作时提供安全救生索和安全救带或其它被认 可的保护装置 依照风力条件和设计工况提供转子和偏航机制或其它机械运动的旋 转障碍同样提供安全的可去除障碍， 活的领导警告装置； 适当的卸载积累电力装置； 适当的人员防火保护； 机舱专用逃生路线； 海上风力机紧急情况专用逃生路线； 逗留在海上风力机上一周所需要的供应品（食物、水、加热、衣服/ 毯子） ； 海上安全设备 （例如：救生衣、救生船、灯光、报警信号枪、 喇叭） 。 关于试车的指导 加电压 试车试验 安全启动； 安全停机； 安全紧急停机； 从超速或其典型仿真状态安全停机； 保护系统功能试验。 记录 布置试车行为 运行说明手册 概述 风力机制造商将提供一个操作说明指南并且增加在试车时当地的特殊条 件的信息。指南将包括，但是没有限制于： 通过经过培训或教导的人员执行运行要求； 安全运行极限和系统描述； 启动和停机程序； 一个警告行为清单； 紧急程序计划； 定期的要求： 适当的时候，被认可的眼睛、脚、耳朵和头部保护将被使用， 适当的时候，所有攀爬塔架的人员，或工作在地面或水面上的人员， 将被培训从事这些工作并使用被认可的安全带、安全攀爬辅助工具 或其它安全装置， 运行和维护记录说明 指南规定运行和维护记录将被保留并包括以下： 风力机证明； 产能； 停机时间； 故障报告的数据和时间； 维护或修理的数据和时间； 自然故障或维修； 采取行动； 代替部分。 不按时间表的自动停机说明 指南要求以下由于失灵或故障引起的任何不按时间表的自动停机，除非 特殊的在其它运行指南或说明里的，在风力机重新启动之前操作者将调查原 因。所有不按时间表的停机都将被记录。 减少可靠性的说明 指南要求消除任何畸形或减少可靠性的迹象或警告行为的根本原因。 工作程序计划 指南要求风力机运行依照安全工作程序，包括以下： 电力系统运行； 运行和维护联合分类； 有效清除程序； 塔架攀爬程序； 设备处理程序； 恶劣天气时的行为； 试车程序和紧急计划。 紧急程序计划 可能的紧急状况将被定义在运行指南中并且要求能指导操作人员的行 动。 指南要求当火灾或其它明显的风力机结构或其部件损伤，禁止任何人靠 近风力机除非风险经过特殊的评估。 在预备的紧急程序计划中，必须考虑的结构损伤的风险可能会增加在以 下工况中： 超速； 冰冻条件； 闪电暴风雨； 地震； 坏掉或变松的钢缆丝； 制动故障； 风轮不平衡； 润滑油过失； 沙尘暴； 失火，溢流； 其它部件故障。 维护手册 各个风力机模型都将有一个维护指南，至少包括风力机维护指定的维护 要求和紧急程序。指南也提供不按时间表的维护。 维护指南将鉴定部件磨损和指出标准位移。 指南也将包括： 任何要求的检查和维护将通过受过适当培训或指导的人员执行，时间间 隔按照风力机维护指南的说明。 描述风力机子系统和它们的运行； 润滑时间表规定润滑的频率和润滑油或任何其它特殊流体的类型； 重新编制程序； 维护检查周期和程序； 保护子系统功能检查周期； 全部配线和连接图纸； 钢缆检查和重新拉紧时间表和螺栓检查和预加载荷时间表，包括拉紧和 扭矩加载； 诊断程序和麻烦发生指南； 被推荐的多余部分清单； 设置场地装配和安装清单； 工具清单； 检查可能移动的海洋植物； 维护冲刷保护系统。