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GB／T 41088-2021 海洋能系统的设计要求.pdf

6 冰抗压强度 u' 流速标准偏差 ? 峰形参数 Y 载荷分项安全系数 Ym 材料分项安全系数 入 柔度参数；波长 MEC 海洋能转换装置（marineenergyconverter） REC 河流能转换装置（riverenergyconverter） SWL 静水位（stillwaterlevel） TEC 潮流能转换装置（tidalenergyconverter） WEC 波浪能转换装置（waveenergyconverter）

本章规定了可确保海洋能转换装置结构、机械、电气与控制系统完整性和安全性的技术要求与工程 要求。本文件的技术要求适用于海洋能转换装置设计、制造、安装、运行和维护。 海洋能转换装置区别于其他海洋装置的共性特征是：需确定该装置与能量提取系统（PTO)和控制 系统相互作用而产生的载荷及结构响应。 海洋能转换装置的设计流程如图2所示。海洋能转换装置设计过程是一个代过程，并应包含支 掌结构、固定基础或系泊系统，机械和电气单元在内的整个装置的载荷与载荷效应计算分析。当已基于 第7章所述的极限状态分析方法完成了海洋能转换装置的结构完整性的验证时，海洋能转换装置的结 购设计应视为完成

GB 51034-2014 多晶硅工厂设计规范图2海洋能转换装置的设计流程图

应制定设计目标，说明项目和设计要求。设计目标可包括安全性、完整性、环境影响、功能性、可 生、效率、可靠性、生命周期和利用率。设计目标宜考虑到所有与海洋能转换装置相关的利益相关 量求及项自的制造、运输、安装、运行、维护和退役的所有阶段

技术评估是海洋能转换装置技术开发的一个环节。技术评估首先是将海洋能转换装置技术系 并单独评估各部分的技术成熟度。系统分解是将整个系统的结构或功能分解为子系统、设备或

直至可评估的最小单元。然后从以下两方面进行技术评 新颖性； 应用范围。 对于新颖性，应确定每个单元属于下面哪一类： 已被验证的； 有限范围被验证的； 全新的或未被验证的， 对于应用范围，也需要确定每个单元属于下面哪一类： 已知的； 未知的。 为技术评估建立技术级别如表1所示

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在已知的应用场景中通过验证的技术被认定为1级技术，即无新的技术不确定性，并应按照相关国 际标准或操作规程建议进行记录。其他技术级别均反映了不同程度的技术新颖性。 技术评估应考虑所有系统和阶段（从制造到退役），新技术（级别2～4）的技术不确定性逐级递增 除传统认证流程外，还应增加资格认证。1级技术可按照传统认证流程取得第三方认证。2级技术仅需 进行附加的设计研究.以降低新增风险。3级和4级技术除设计研究外还需进行测试

南分别应符合ISO17776和IEC61882； 结构化假设技术（SWIFT），应符合ISO31010。 风险评估过程应基于（但不限于)以下内容： 设计目标； 技术评估； 需审查的项目详细图纸； 控制和安全系统的图纸和说明； 材料规范； 制造程序大纲； 安装程序大纲； 检验和维护程序大纲：

安全等级的选择应充分考虑失效可能导致的后果。失效后果的评估应包括海洋能转换装置安装、 运行、维护和退役的所有阶段，并应考虑以下内容： 伤亡风险； 环境影响，如污染排放以及对海洋生物的危害； 经济后果，如维修成本和发电损失成本； 一社会公信力丧失及其他后果。 表2定义了海洋能转换装置的三个安全等级，其中等级划分取决于失效后果及失效概率

本文件要求目标失效概率符合安全等级2（SL2），包括载荷和材料分项安全系数。其他安全等级可 视项目具体情况而定。 在定义设备和系统的允余或安全特性时，应考虑安全等级。同一海洋能转换装置的不同单元可能 需要不同的安全等级，具体取决于其失效后果。核心单元将依据失效后果决定是否需要更高安全等级。 海洋能转换装置的安全等级应满足设备设计运行所在地的地方法规。为此，海洋能转换装置的设 计安全等级可以选择SL1。 如果海洋能转换装置的失效未造成人员受伤和环境影响，并仅造成较小的经济后果，安全等级则可 以选择SL3，但应符合当地法规要求。制造商和业主应对海洋能转换装置的安全要求达成一致，包括分 项安全系数

设计的基础规定了项目的技术框架、装置预期运行环境及设计中将采用的相关参数。设计的基础 也是技术鉴定过程的关键输人。设计的基础包括以下信息： 项目管理说明，总体的要求，项目持续时间、目标和目的； 引用假设（如基准，法律和法规）；

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场址定义（如位置，水深）； 环境条件（如水位，海流，波浪条件，湍流，风）； 海床特征（如岩土，海底地形）。 设计的基础应适用于海洋能转换装置开发的所有阶段，并应依据运行数据的更新加以完善。除作 设计管理文档外，设计的基础的关键目的还在于确保工 项目设计的一致性.并根据新信息管理更新

海洋能转换装置的设计应能够安全承受设计的基础中规定的环境条件。环境条件详细描述见第6 章，包括波浪、海流、水位、风、海冰、海生物、地震力和海床条件。上述环境条件特指海洋能转换装置所 处场址的环境条件

第12草考德了海洋能转换装直木投人运行的 的设计条件，包括检查和维护操作，预计将需要人员 在该未投运海洋能转换装置上工作。海洋能转换装置生命周期的其他阶段包括制造、运输、安装和退役 的相关内容在第12章也有所说明， 第12章中还描述了特殊载荷工况，包括海洋能转换装置的吊装、搬运、稳定性、水密完整性、维护与 检查操作以及全生命周期内运行的海洋气象极限条件

5.9荷载定义和荷载组合

第7章定义了海洋能转换装置部署后的载荷工况。为保证海洋能转换装置结构完整性，设计载荷 工况应根据以下组合方式进行计算： 正常设计状态和正常环境条件： 失效设计状态，即当海洋能转换装置在正常环境条件下出现单一主要系统失效时； 正常设计状态和极端环境条件， 第7章也定义了海洋能转换装置设计极限状态和载荷分项安全系数

整个或部分海洋能转换装置的性能应依据一组规定的极限状态进行设计，超过此极限状态，海洋能 转换装置将不再满足设计要求。 在7.3.4中定义了极端极限状态、疲劳极限状态、操作极限状态和偶然极限状态。在设计使用寿命 内，海洋能转换装置及其组件的设计、建造和维护应符合其预期用途。尤其应满足如下要求： 能承受施工和预期使用期间可能发生的极端工况（极端极限状态要求）； 在正常运行期间表现良好（操作极限状态要求）； 在重复动作下不会失效（疲劳极限状态要求）； 提供适当等级的鲁棒性，以避免意外失效（偶然极限状态要求）

本文件将载荷和材料的分项安全系数应用于极限状态设计中。极限状态是指结构发生失效之前， 结构的安全性和可靠性要求处于可接受的限值内。采用极限状态设计方法将确保装置不会达到极限状 态，并满足其预期用途 载荷的分项安全系数将在第7章中给出，材料的分项安全系数将在第9章中给出。载荷与材料的 分项安全系数应在同一工程模型中进行校准，以确保设计计算值合理。为了使载荷设计值和材料属性 设计值满足设计计算的要求，分别通过

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给定极限状态下的特征载荷，定义为不超过结构失效测试结果乘以特定百分比的值。根据 ISO2394的规定，模型试验和原型试验也可以用于支持该分析设计方法。 为确保安全设计值，荷载和材料的不确定性和可变性可通过公式（1)和公式（2)中定义的分项安全 系数加以考虑

F。——给定设计载荷工况下作用在海洋能转换装置上的载荷设计值； 丫载荷分项安全系数； E载益特征值，

材料属性设计值； 材料分项安全系数； 材料属性特征值。

结构分析是依据给定的一组载荷确定全部或部分结构的载荷效应的过程。设计海洋能转换装置所 需的载荷通常包括以下内容： 内应力，其不得超过截面的强度； 位移和振动，其应在可接受的范围内； 一支反力，其可用于确定所需的基础或系泊能力。 结构分析的数量、类型和程度应涵盖海洋能转换装置全生命周期的所有阶段。若能证明海洋能转 换装置的某个组件在特定阶段对设计寿命没有影响，则在该阶段无需对该组件进行分析。相关结构设 计分析方程式应符合ISO19902。

海洋能转换装置建模模拟应采用主要环境条件，除非现场特定的次要环境条件更为严重且可能 本条中定义的环境条件将用于第7章所述设计荷载工况

波浪是影响波浪能转换装置和某些潮流能转换装置荷载的主要因素。应考虑包括波高、波周期和 波向的共同作用的因素场址特性

6.2.2.2正常海况(OSS)

描述正常海况（OSS)的特征参数为有义波高（Hmo）、谱峰周期（Tp）和波向。当应用于设计载荷工 况（DLCs)时，OSSs定义为一年期内可能发生的海况。在可用的情况下，应使用区域或特定场址的数据 来指定波浪谱形状和方向分布

2.2.3正常波高（OWH）

正常波高（OWH)HoWH定义为装置运行期间出现可能性最大的单个波高，应根据海洋能转换装置 安装场址的适当测量和后报数据分析得出。应考虑与正常波高相适应的海浪周期（T)范围。设计计算 应基于会导致海洋能转换装置最大载荷的波周期值。与正常波高（HoWH）联合使用的海浪周期（T）可 在下列范围内选取，见公式（3）

≤ T ≤ 14.3

6.2.2.4极端海况（ESS)

6.2.2.5极端波高（EWH）

极端波高（HewH）是给定重现期中的最大单个波高。对于极端海况，应考虑50年、5年和1年重

期的极端波高。Hso，Hs和H，值及相应的波 一维概率分析确定 设计者也可根据3h风暴波高的瑞利（Rayleigh)分布做如下假设，见公式（4）。 H, =1.86H.mr ·（4 式中H是重现期为"年的有义波高H是对应的极端波高 对王周 周期下，公

式中,Hm是重现期为n年的有义波高。H，是对应的极端波高。对于周期t和跨零周期Tz 4）可表示成如下一般形式，见公式（5）

在设计计算公式（3）给出的深水波周期范围时，应考虑极端波高。 对于浅水场址的极端波高H50，H；，H，及相应的波周期，可通过适当特定场址的测量分析来确定。 在没有测量的情况下，如果破碎波波高小于依据公式（3）和公式（4)瑞利波高分布给出的H50，H；和 H，，则应假设H50，H，和H，值等于破碎波高。关于破碎波的更多信息可参见附录D。计算应基于导 致海洋能转换装置最大荷载的波周期值

海流最常见的分类是：风生流，潮流，环流，回流和涡流，孤立波流和沿岸流。总流速是在指定位置 水体的所有组成流速的矢量和。设计者应根据场址特点和海洋能转换装置的几何形状，确定在计算支 掌结构部件的疲劳荷载时是否可以忽略海流。

6.2.3.2次表层流

在没有其他可用数据的情况下，次表层流速剖面可用水深&的简单幕函数表示，其中流速Us 净水位以上高度的函数，见公式（6）

6.2.3.3风生表层流

U.()=U(0).[(+d)/dl

风生流可用速度Uw（）的线性分布来表示，该速度从海表层U（0)减少到静水位（SWL)以下20 处的零值，见公式（7）

J.(z)=U.(0). (1±z/20) ........+.........(

潮流经常被地形特征所放大（例如， 被迫通过狭窄的水道时被海床

6.2.3.5正常海流模型（OCM）

正常海流模型包括特定场址的风生海流和与正常波浪条件相关的破碎波生成的浪流（如有）的适当 12

5.2.3.6极端海流模型（ECM）

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极端海流模型指与大潮峰值潮流相关的次表层流、风生海流以及破碎波生成的海流（如有）的适 定场址组合。

在确定摩擦阻力、流分离、边界层厚度、二次流范围、射流和尾迹的扩散时，应考虑由海床地质、沙 波、海床形态、水深变化、波浪和涌浪、周围环境以及叶片和支撑结构涡街脱落产生的海洋潮流瑞流。瑞 流引起的水流波动会随流速而变化。端流速度的三个矢量分量定义为： 顺流分量：沿水流的主方向； 横向分量：水平且垂直于流向； 垂直分量：垂直于纵向和横向的流向。 端流强度I是流速变化的度量，可表示为公式（9）： / ·（9） 式中： 流速在顺流方向、横向和垂向的标准偏差； U 平均流速，一般取10min平均值。

u流速在顺流方向、横向和垂向的标准偏差； U一平均流速，一般取10min平均值。 对于标准端流模型（NTM），流速应定义为水体中特定点处10min平均流速标准偏差u'的概率 的50%分位数。极端流模型（ETM)应使用标准偏差u的概率分布的95%分位数。 端流动能K可由公式（10）估算：

对于海洋能转换装置的水动力载荷计算，应考虑场址水位的变化。对于包含正常波况（OSS 7H)的极限载荷工况，设计者可以假设一个等于平均海平面（MSL)的恒定水位。图3表示了不同 立。

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6.2.4.2正常水位范围（NWLR）

正常水位范围应假定为1年重现期的水位变化范围。在缺乏能确定特定场址长期水位概率分布数 据时，正常水位范围应假定为等于最高天文潮（HAT)和最低天文潮（LAT)之间的变化范围。

6.2.4.3极端水位范围（EWLR）

若缺少水位的长期联合概率分布，则应使用以下极端水位： 基于最高天文潮和风暴潮增水适当组合的50年重现期的最高静水位； 基于最低天文潮和风暴潮减水适当组合的50年重现期的最低静水位； 与最大破碎波载荷有关的水位

6.3.3破碎波生成的表层流

当海洋能转换装置位于海岸破碎波区时，应考虑沿岸破碎波浪力产生的表层流。 数值方法（例如，考虑波流完全耦合运动的Boussinesq模型）能用来估算破碎波生成的表层流。破 碎波位置处的破碎波流速U由公式（11）确定。

式中： 一破碎波高； 14

U.. =2s gHr

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海底坡度； 3 g一一重力加速度。 附录D给出了基于场址特征估计破碎波高的方法

从载荷和安全角度考虑，风况可分为每年发生一次以上的正常风况，以及重现期为1年（V 手（V，）或50年（V5o）的极端风况。如果海洋能装置暴露在水线以上的面积微不足道，则可忽略 影响。

在某些区域，海冰或河冰对海洋能转换装置支撑结构产生的载荷至关重要。某一地区温度长期处 于冰点以下时就可形成冰。冰在这些区域会以1年新冰、多年浮冰、多年的压力冰脊和（或）冰岛形式存 在。在这些地点，冰的特征影响着海洋能转换装置系统设计和建造。 河流能转换装置应考虑春季发生的“冰墙”。在设计支撑结构之前，应对冰的发生和性质进行现场 评估。应评估确定下列参数： 重现期为50年的冰厚度h； 冰抗压强度。； 一海流和风产生的浮冰风险； 水位波动引起的冰力风险； 海冰密集度频率，

对于确定为地震活跃的场址，应考虑地震力。 海洋能转换装置布设在已知会发生海啸场址时，设 应额外考虑海啸影响。海啸设计条件超出了

设计者应考虑海生物导致的附加质量、外部尺寸增加和表面租糙度变化对海洋能转换装置的结构 动力和水动力特性的影响。海生物的厚度因场址而异，取决于位置、年份、水温、构件方向、水深位置和 结构服役时间（或海生物清除后的时间）。在可行的情况下GB/T 36881-2018 多用途面包车安全技术条件，应使用特定场址数据预测海生物生长的 程度

6.3.8海床运动和冲刷

6.3.9其他环境条件

影响海洋能转换装置生存能力的其他环境条件还包括：气温、湿度、空气密度、太阳辐射、雨、冰 和冰，化学活性物质，机械活性物质，引发腐蚀的盐度，悬浮颗粒、静电以及水的密度、黏度、酸度 还需考虑诸多气候条件同时出现的可能性

DB13T 5160-2019 空气悬浮高速离心鼓风机设计要求本章规定了载荷工况和设计载 图4给出了载荷评估过程流程图

图4通过载荷工况确定设计载荷的流程图

表3应考虚的载荷类型