IEC 61400-3 海上风力机设计要求

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10002W；m●空气密度为1.2253kg；m●水密度为10253kg；m●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 V p ；● 环境湍流标准偏差σˆ（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σˆ的标准偏差σσˆ； ● 风切变；● 空气密度。

场地风力参数包括：● 在0.2ref V 和0.4ref 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，50H ；● 1年一遇的极端单个海浪高度，1H ；● 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。