ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 21.05.14. Ред. per. № 2014 The article has entered in publishing office 21.05.14. Ed. reg. No. 2014
УДК: 624.9
ЗАЩИТА ОСНОВАНИЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ, ОТ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
К.Н. Шхинек, А.И. Альхименко, А.А. Альхименко
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Тел.: 8 (921) 922-42-55, e-mail: 9586435@mail.ru
Заключение совета рецензентов 22.05.14 Заключение совета экспертов 26.05.14 Принято к публикации 27.05.14
При строительстве гидротехнических сооружений на арктическом шельфе наблюдается дефицит электроэнергии, особенно на начальных фазах. Решением проблемы может быть использование ветрогенераторов, которые могут доставляться к месту установки морским путем. Важным условием их успешной работы является сопротивление ледовым нагрузкам, чему посвящена настоящая статья.
Ключевые слова: ветрогенератор, основание, северные моря, воздействие льда, строительство гидротехнических сооружений, защита сооружений от ледовых воздействий.
PROTECTION OF WIND TURBINE BASES, LOCATED ON ARCTIC SHELF, FROM ICE IMPACTS
K.N. Shhinek, A.I. Alkhimenko, A.A. Alkhimenko
Saint-Petersburg State Polytechnic University 29 Polytechnicheskaya St., St.-Petersburg, 195251, Russia Tel.: +7 (921) 922-42-55, e-mail: 9586435@mail.ru
Referred 22.05.14 Expertise 26.05.14 Accepted 27.05.14
There is a shortage of electricity during the construction of hydrotechnical structures on the Arctic shelf, especially at the initial phases. The problem could be solved by using wind turbines, which could be delivered to the installation site by sea. An important prerequisite for their successful work is resistance to the ice loads. This article is devoted to this problem.
Keywords: wind generator, basement, northern seas, ice impact, hydrotechnical structures construction, structures protection from ice impact.
Сведения об авторе: профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, работает в Санкт-Петербургском Государственном Политехническом университете, на кафедре "Водохозяйственное и гидротехническое строительство".
Область научных интересов: строительство сооружений шельфовой зоны, ледовые воздействия на эти сооружения.
Публикации: около 270 публикаций, 7 книг и учебных пособий, среди которых "Actions from ice on arctic offshore and coastal structure", "Engineering aspects related to arctic offshore developments".
Сведения об авторе: профессор, доктор технических наук, заслуженный работник ВО РФ, работает в Санкт-Петербургском Государственном Политехническом университете на кафедре "Водохозяйственное и гидротехническое строительство".
Область научных интересов: строительство морских гидротехнических сооружений и охрана морской среды при строительстве.
Публикации: около 280 публикаций,7 книг и учебных пособий, среди которых "Безопасность морских гидротехнических сооружений", "Аварийные разливы нефти в море и борьба с ними".
Александр Иванович Альхименко
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Алексей Александрович Альхименко
Сведения об авторе: директор научно-исследовательского и образовательного центра «Везерфорд-Политехник» в Санкт-Петербургском Государственном Политехническом университете.
Область научных интересов: исследование материалов. Публикации: указать кол-во публикаций.
Для освоения прибрежных районов Крайнего Севера России, в частности, для организации движения судов по Северному Морскому пути требуются источники энергоснабжения. Они должны обеспечивать технологические порты, порты-убежища, навигационные знаки судоходной обстановки и т.п. На первых этапах строительства привлечение рабочей силы и строительной техники представляется проблематичным. Строительство тепловых станций представляется на современном этапе невозможным ввиду отсутствия коммуникаций, сложных геологических и климатических условий, а также проблем по организации строительных работ. Использование плавучих атомных электрических станций встречает серьезные возражения со стороны общественности как российской, так и международной.
Для преодоления отмеченных проблем, особенно северных районов с неразвитой инфраструктурой, могут быть использованы ветровые электрические генераторы. Эти сооружения нашли широкое применение на мелководье незамерзающих морей (рис. 1). Разрабатываются системы плавучих заякоренных установок.
Рис. 1. Система плавучих заякоренных установок. 1 -корпус, 2 - балластные отсеки, 3 - подъемно-спусковой механизм, 4 - сваи, 5 - отверстия для штоков подъемно-
спускового механизма, 6 - основание электро-ветрогенератора, 7 - электро-ветрогенератор, 8 - водный балласт, 9 - шахты, в которых находятся сваи, 10 - море, 11 - грунт
Fig. 1. Anchored floating installations system. 1 - body, 2 -ballast tanks, 3 - lifting trigger mechanism, 4 - piles, 5 - holes for rods of lifting trigger mechanism, 6 - electric wind generator base, 7 - electric wind generator, 8 - water ballast, 9 - mines for the piles, 10 - sea, 11 - soil
Однако использование подобных установок в северных районах с неразвитой инфраструктурой проблематично - приведенные установки не являются ледостойкими, а для их установки на место эксплуатации требуется сопровождение и использование дополнительного оборудования.
Более перспективно в этих условиях использование системы, предложенной в [1], которая дает возможность транспортировать установку в собранном виде, а по прибытии на место установки самостоятельно, принимая водяной балласт, задавливать сваи в грунт, создавая свайно-гравитационную систему обеспечения устойчивости на грунте.
Платформа снабжена поплавками, которые в пути следования регулируют остойчивость сооружения и обеспечивают навигационные качества буксируемой системы. После доставки к месту установки поплавки затапливают таким образом, что нижняя часть платформы идет под воду, а верхняя часть остается над водой. После укладки электросетей, соединяющих ветроагрегат с потребителем электроэнергии, ВЭС готова к работе.
Для прокладки электрических сетей предполагается использовать ту же технологию, которая используется для прокладки нефтепроводов для передачи добытой на буровой платформе нефти на берег.
Вопросы обустройства основания для платформ ветрогенераторов представляют достаточно сложный комплекс проблем, обусловленных наличием льда и низкими температурами воды и воздуха. Лед, намерзая на элементах конструкций, может нарушать устойчивость сооружения в целом. Низкие температуры воздуха влияют на несущую способность как металлических, так и железобетонных конструкций. При низких температурах существенно падает ударная вязкость сталей. Переход в хрупкое состояние некоторых сталей начинается непосредственно от нормальной температуры, и при температуре от -20°С до -25°С ударная вязкость составляет менее 50% от первоначальной и далее быстро падает до долей Дж/см2 [2]. Чаще всего хрупкое разрушение происходит в конструкциях, выполненных из хладноломких конверторных сталей с повышенным содержанием фосфора. В арктическом строительстве должны применяться только хладостойкие стали, их применение обеспечивает надежную работу
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
наиболее распространенных железобетонных конструкций.
На несущую способность железобетонных конструкций влияют, в основном, два фактора: 1) напряжения на границе арматуры и бетона, 2) трещинообразование при многократном замерзании-оттаивании льда в сооружении.
Вследствие различия коэффициента термического расширения стали и бетона, на границе между арматурой и бетоном возникают напряжения, которые могут достигать существенных значений. Эти напряжения, а также уровень деформации арматуры при различной степени армирования приведены на рис 2 и рис. 3.
горизонтальных может вызвать определенные затруднения при проведении работ.
Морское, брызговое, обмерзание связано с воздействием волн и ветра. Брызги воды, образующиеся при скорости ветра более 10 м/с, могут замерзать на всех поверхностях шельфовых конструкций. Степень обмерзания зависит от температуры воздуха и воды, скорости ветра, продолжительности ветроволновых процессов и высоты рассматриваемой поверхности над уровнем моря. Условия, приводящие к возникновению брызгового обмерзания:
- температура воздуха должна быть ниже температуры замерзания воды (с учетом ее солености);
- скорость ветра более 10 м/с;
- температура воды менее 8оС.
Рис. 2. Дополнительные напряжения, возникающие на границе арматура/бетон вследствие разницы их
коэффициентов температурного расширения Fig. 2. Additional stresses occurring at the boundary reinforcement/concrete due to the difference of their coefficients of thermal expansion
Обычно бетон содержит мелкие трещины и поры. Вода, заполнившая эти поры, при низких температурах замерзает, увеличивается в объеме и расклинивает пору. После оттаивания и следующего цикла заполнения расширенной трещины водой и ее замерзания происходит еще больший рост поры -трещины. Когда трещина доходит до арматуры, начинается быстрое разрушение всего сооружения. Обычные бетоны выдерживают до 100 циклов замерзания-оттаивания, однако, в настоящее время разработаны бетоны, успешно сопротивляющиеся этим воздействиям при значительно большем количестве циклов [3].
Различают два фактора, приводящие к обмерзанию сооружения - атмосферное и морское (брызговое).
Атмосферное обмерзание связано с осаждением паров воды на элементах сооружения при большой влажности воздуха. Оно возникает при температуре между 0 и -20оС и скорости ветра менее 10 м/с. Толщина атмосферного обмерзания обычно находится в пределах 1-2 см. Это явление не опасно для вертикальных поверхностей конструкций, но на
Рис. 3. Деформация арматуры при снижении температуры Fig. 3. Reinforcement deformation at temperature decrease
Ориентировочно на вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.