Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-3-2:2025 (IEC 61400-3-2:2025) về Hệ thống phát điện gió - Phần 3-2: Yêu cầu thiết kế đối với tuabin gió nổi ngoài khơi

Tóm tắt

Tóm tắt mang tính tham khảo.

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-3-2:2025 (hoàn toàn tương đương với tiêu chuẩn quốc tế IEC 61400-3-2:2025 ) quy định các yêu cầu thiết kế kỹ thuật đối với hệ thống phát điện gió nổi ngoài khơi (FOWT). Tiêu chuẩn này tập trung vào việc đảm bảo tính an toàn, độ bền kết cấu, độ ổn định nổi và hiệu suất vận hành của các tuabin gió nổi trong suốt vòng đời hoạt động dưới tác động phức tạp của các điều kiện khí tượng đại dương. Phạm vi và đối tượng áp dụng Tiêu chuẩn này áp dụng đối với việc thiết kế kết cấu đỡ, hệ thống giữ vị trí (neo), cụm rôto-vỏ tuabin (RNA), tháp, hệ thống cơ khí, điện và các hệ thống phụ trợ của tuabin gió nổi ngoài khơi. Đối tượng áp dụng bao gồm các kỹ sư thiết kế, nhà sản xuất, đơn vị thử nghiệm, cơ quan chứng nhận, chủ đầu tư và các bên liên quan đến việc phát triển, vận hành các trang trại điện gió nổi ngoài khơi tại Việt Nam. Các nội dung cốt lõi của tiêu chuẩn 1. Đánh giá điều kiện môi trường và khí tượng đại dương (Meteocean) Tương quan tham số môi trường: Yêu cầu thiết lập phân bố xác suất kết hợp dài hạn của tốc độ gió trung bình, chiều cao sóng đáng kể (Hs) và chu kỳ phổ đỉnh (Tp) dựa trên khoảng thời gian trung bình 1 giờ. Độ phân giải của phân bố xác suất phải đảm bảo khoảng chia tốc độ gió nhỏ hơn hoặc bằng 2 m/s, chiều cao sóng nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 m và chu kỳ sóng nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 s. Đánh giá dòng chảy và mực nước: Xác định vận tốc dòng hải lưu bề mặt cực đoan với chu kỳ lặp lại 1 năm, 50 năm và 500 năm. Đánh giá các tham số mực nước bao gồm mực nước biển trung bình (MSL), thủy triều thiên văn cao nhất/thấp nhất (HAT/LAT), và mực nước tĩnh cao nhất/thấp nhất (HSWL/LSWL) bao gồm cả nước dâng do bão. Tác động của băng biển và mảng bám sinh vật: Tại các vùng có băng, phải xác định độ dày tảng băng chu kỳ 50 năm, hệ số cường độ băng và tốc độ dòng chảy dưới băng. Mảng bám sinh vật biển phải được đánh giá về độ dày và sự phụ thuộc vào độ sâu để tính toán gia tăng tải trọng thủy động lực học và khối lượng kết cấu. Biến đổi đáy biển và xói mòn: Đánh giá độ ổn định của đáy biển, tính toán hiện tượng lún, hóa lỏng đất và xói mòn cục bộ/toàn bộ xung quanh hệ thống neo để tránh làm thay đổi đặc tính động học của FOWT. Điều kiện môi trường cực đoan khác: Xác định dải nhiệt độ không khí cực đoan (từ -15 °C đến +40 °C) và nhiệt độ nước cực đoan (từ -2 °C đến +35 °C) khi không có dữ liệu cụ thể tại vị trí; đánh giá tác động của sét, đóng băng và động đất. 2. Thiết kế kết cấu và phân tích tải trọng Yêu cầu chung: Kết cấu FOWT phải được thiết kế theo tiêu chuẩn này kết hợp với các điều khoản áp dụng của tiêu chuẩn ISO 19904-1. Độ bền mỏi và độ bền tới hạn của các thành phần kết cấu phải được kiểm tra xác nhận bằng tính toán mô phỏng hoặc thử nghiệm thực tế. Các loại tải trọng tác động: Tải trọng lực và quán tính: Tải tĩnh và động do trọng lực, rung lắc, quay và gia tốc con quay hồi chuyển (đặc biệt quan trọng đối với kết cấu nổi do biên độ chuyển động lớn). Tải khí động học: Tải động từ luồng không khí tương tác với rôto, tháp và kết cấu phụ nổi, bao gồm cả hiệu ứng đàn hồi khí động không ổn định. Tải thủy động học: Tải từ sóng, dòng chảy và tương tác sóng-vật thể. Yêu cầu đảm bảo khoảng hở không khí dương (air gap) cho các kết cấu chính không thiết kế chịu tải thủy động trực tiếp (khoảng hở tối thiểu bằng 0,2 x Hs50 hoặc ít nhất 1,5 m). Tải trọng khác: Tải do luồng rẽ khí (wake) từ các tuabin lân cận, va chạm tàu, rung do xoáy (VIV), tải thủy tĩnh và tải động đất/sóng thần. Các tình huống thiết kế và trường hợp tải (DLC): Tiêu chuẩn quy định danh mục các trường hợp tải thiết kế tối thiểu từ DLC 1.1 đến DLC 8.4 và các trường hợp kiểm tra dự phòng/ổn định thiệt hại (DLC F1.1 đến F2.3), bao gồm các tình huống: Sản xuất điện bình thường (DLC 1.1 - 1.6). Sản xuất điện kết hợp sự cố hệ thống điều khiển hoặc mất lưới (DLC 2.1 - 2.6). Quá trình khởi động (DLC 3.1 - 3.3) và dừng máy bình thường/khẩn cấp (DLC 4.1 - 5.1). Trạng thái dừng đỗ, đứng yên hoặc chạy không tải (DLC 6.1 - 6.5). Trạng thái dừng kết hợp điều kiện sự cố (DLC 7.1 - 7.2). Vận chuyển, lắp ráp, bảo trì và sửa chữa (DLC 8.1 - 8.4). Phương pháp mô phỏng động lực học: Yêu cầu thực hiện mô phỏng miền thời gian tích hợp đầy đủ để nắm bắt các phản ứng phi tuyến tính. Tổng thời gian mô phỏng không được ít hơn 1 giờ cho mỗi tốc độ gió và trạng thái biển được xem xét để đảm bảo độ tin cậy thống kê, đặc biệt đối với các phản ứng dao động tần số thấp của hệ thống neo. 3. Phân tích trạng thái giới hạn Định dạng thiết kế: Sử dụng định dạng hệ số an toàn từng phần (LRFD) hoặc định dạng thiết kế ứng suất làm việc (WSD) để kiểm tra các trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS): Đảm bảo độ bền vật liệu, độ uốn đầu cánh và ổn định kết cấu dưới các tổ hợp tải cực đoan. Trạng thái giới hạn mỏi (FLS): Đánh giá thiệt hại mỏi tích lũy trong suốt tuổi thọ thiết kế, có tính đến độ khả dụng của tuabin (giả định 90% nếu thiếu thông tin). Trạng thái giới hạn khả năng sử dụng (SLS): Kiểm soát gia tốc, độ nghiêng của tháp và kết cấu phụ nổi để đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn. Trạng thái giới hạn tai nạn (ALS): Đánh giá khả năng chống chịu của kết cấu sau các sự kiện hư hại như đứt một dây neo hoặc ngập một khoang kín nước. 4. Hệ thống điều khiển, cơ khí và điện Hệ thống điều khiển: Phải có khả năng giám sát và tự động kích hoạt chức năng bảo vệ (tắt máy hoặc đưa về chế độ an toàn) khi xảy ra các sự kiện nguy hiểm như mất vị trí vượt giới hạn, gia tốc quá mức, ngập nước hoặc mất lực căng dây neo. Yêu cầu có chức năng dừng rôto và hệ thống quay vỏ tuabin từ xa để đảm bảo an toàn cho nhân viên tiếp cận. Hệ thống cơ khí và điện: Thiết kế phải tính đến gia tốc động và góc nghiêng lớn của kết cấu nổi để đảm bảo hiệu quả bôi trơn, chống mài mòn hệ thống truyền động và duy trì tính toàn vẹn của hệ thống điện (cấp bảo vệ IP phù hợp, chống ăn mòn muối biển). 5. Thiết kế hệ thống giữ vị trí (Neo) và cáp điện động Hệ thống neo: Thiết kế hệ thống neo dạng dây võng (catenary), bán căng hoặc căng hoàn toàn phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO 19901-7 hoặc API RP 2T. Trường hợp hệ thống neo không có tính dự phòng (non-redundant), phải áp dụng hệ số an toàn cao hơn. Neo sợi tổng hợp: Khi sử dụng dây neo tổng hợp, phải đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 18692, lưu ý đến hiện tượng mỏi, độ giãn dài theo thời gian, tác động của tia cực tím và mảng bám sinh vật biển. Cáp điện động lực: Phải phân tích tương tác toàn bộ giữa cáp điện động, kết cấu nổi và hệ thống neo để tránh va chạm gây hư hỏng lớp vỏ cáp hoặc kết cấu phụ. 6. Độ ổn định nổi và tiêu chí khi bị hỏng Ổn định nguyên vẹn: Phải đảm bảo chiều cao tâm nổi dương và tuân thủ Bộ luật quốc tế về ổn định nguyên vẹn của IMO (2008 IS Code). Trong quá trình mô phỏng động, kết cấu không được phép đạt tới góc ngập nước hoặc xảy ra hiện tượng lật úp không thể phục hồi. Ổn định khi bị hỏng: FOWT phải duy trì khả năng chống mất ổn định nổi và giữ một lượng lực căng tĩnh tối thiểu trong các dây căng sau khi bị ngập một khoang bất kỳ hoặc đứt một dây neo (áp dụng tiêu chuẩn IMO 2009 MODU Code). 7. Lắp ráp, vận chuyển, lắp đặt và bảo trì Hoạt động hàng hải: Phải lập kế hoạch chi tiết cho các giai đoạn tạm thời (kéo, thả, kết nối neo, lắp đặt cáp) theo tiêu chuẩn ISO 19901-6 và ISO 29400. Phải thực hiện đánh giá rủi ro HAZID và HAZOP trước khi triển khai thực tế. Bảo trì an toàn: Thiết kế phải tích hợp các tuyến đường tiếp cận an toàn, sàn thao tác có khoảng hở không khí phù hợp, hệ thống khóa rôto cơ khí và các thiết bị cứu sinh ngoài khơi. 8. Các phụ lục kỹ thuật hướng dẫn chuyên sâu Phụ lục D (Ngoại suy tham số metocean): Hướng dẫn sử dụng phương pháp độ tin cậy bậc nhất nghịch đảo (IFORM) để thiết lập đường bao môi trường 50 năm phục vụ phân tích trạng thái biển khắc nghiệt (SSS). Phụ lục E (Bảo vệ chống ăn mòn): Quy định chi tiết các giải pháp bảo vệ cho từng vùng tiếp xúc (khí quyển, nước bắn tóe, ngập chìm, chôn vùi) bằng hệ thống sơn phủ bảo vệ (theo ISO 12944) kết hợp bảo vệ catot (anốt hy sinh hoặc dòng điện cảm ứng). Phụ lục G (Khu vực bão nhiệt đới): Khuyến nghị các trường hợp tải bổ sung (DLC I.1 và I.2) với chu kỳ lặp lại 500 năm đối với các khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão lớn để đảm bảo mức độ an toàn mục tiêu. Phụ lục I (Thử nghiệm mô hình): Hướng dẫn thực hiện thử nghiệm bể sóng/bể gió kết hợp, áp dụng phương pháp chia tỷ lệ Froude điều chỉnh và kỹ thuật phần cứng trong vòng lặp (HIL) để xác thực các mô hình số. Phụ lục J (Sóng thần): Mô tả việc áp dụng lý thuyết sóng dài tuyến tính để đánh giá sự thay đổi độ cao mặt nước và vận tốc dòng chảy ngang tác động lên FOWT ở vùng nước sâu hơn 50 m. Phụ lục Q (Thiết kế kết cấu bê tông): Hướng dẫn thiết kế các cấu kiện bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng suất trước của kết cấu nổi, quy định hệ số vật liệu, kiểm tra giới hạn ứng suất, độ mở vết nứt cho phép (từ 0,2 mm đến 0,4 mm tùy vùng tiếp xúc) và tiêu chí kín nước. Phụ lục S (Tiêu chí ổn định khi hỏng do va chạm tàu): Hướng dẫn phương pháp đánh giá rủi ro va chạm dựa trên dữ liệu AIS, xác định xác suất va chạm (P1) và xác suất tổn thất toàn bộ (P2) bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEM) và đường cong giới hạn động năng. Thông tin hiệu lực TCVN 10687-3-2:2025 có hiệu lực kể từ ngày ban hành theo quyết định của cơ quan nhà nước có thẩm quyền, đóng vai trò là hành lang kỹ thuật cốt lõi cho việc khảo sát, thiết kế và kiểm định các dự án điện gió nổi ngoài khơi tại Việt Nam.