ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG
----🙡🕮🙡----
AND
TechnoStar Co.Ltd
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
Nghiên cứu "Conceptual Design" cho hệ
nổi của tuabin điện gió ngoài khơi vùng
biển Việt Nam
SVTH : Nguyễn Huy Thuần
MSSV: 1913479
Lớp:
VP19HK
GVHD: TS. Nguyễn Song Thanh Thảo
TS. Nguyễn Tấn Hội
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2024
LỜI CAM KẾT
Tôi cam kết:
-
Đây là chuyên đề công nghiệp do tôi thực hiện.
-
Các số liệu, kết quả nêu trong chuyên đề công nghiệp là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
-
Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong chuyên đề
công nghiệp này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong
phạm vi hiểu biết của tôi
-
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của báo cáo.
1
LỜI CẢM ƠN
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. Lê Thị Hồng Hiếu và TS.
Nguyễn Song Thanh Thảo, những người là trụ cột của bộ môn Kỹ thuật Hàng
không. Sự hỗ trợ tận tình của họ không chỉ giúp tôi thực hiện đề tài chuyên ngành
một cách chính xác theo đúng mong muốn mà còn giải đáp mọi thắc mắc chi tiết
của tôi. Nhờ đó, quá trình nghiên cứu của tôi diễn ra một cách suôn sẻ và đạt được
chất lượng không thể phủ nhận.
Tôi cũng không quên tri ân Thầy Nguyễn Tấn Hội, một cán bộ hàng đầu tại Công
ty Technostar. Sự nhiệt tình và sự chỉ dẫn chuyên nghiệp từ Thầy đã giúp tôi xác
định rõ mục tiêu báo cáo cũng như công việc cần hoàn thành. Nhờ vào sự hướng
dẫn kỹ lưỡng của Thầy, tôi đã có cái nhìn sâu sắc hơn về tinh thần và kỹ năng làm
việc của một kỹ sư hiện đại, đồng thời nắm vững hơn về kiến thức cần thiết trong
việc thiết kế tua bin gió ngoài khơi.
Chuyên đề công nghiệp này không thể hoàn thành mà không có sự hỗ trợ, hướng
dẫn thầy/cô cùng với sự ủng hộ từ mọi người xung quanh. Tôi chân thành biết ơn
với cơ hội được làm việc dưới sự hướng dẫn và cố vấn của họ. Cuối cùng, trong
quá trình thực hiện Chuyên đề công nghiệp này sẽ có những hạn chế, sai sót, trong
quá trình thực hiện, nên tôi rất biết ơn khi nhận được sự đóng góp của quý thầy cô,
các bạn đọc nhằm hoàn thiện bài đồ án này hơn nữa.
2
TÓM TẮT CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHIỆP
Trong một thời đại mà nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ngày càng tăng,
nguồn điện gió trở thành một giải pháp không thể phủ nhận trong việc đáp ứng nhu
cầu năng lượng của xã hội mà vẫn đảm bảo sự bền vững và không gây ô nhiễm
môi trường. Đặc biệt, với tiềm năng lớn về nguồn gió tại các vùng biển, Việt Nam
đang chứng kiến sự phát triển đáng kể trong lĩnh vực này.
Chuyên đề này tập trung vào nghiên cứu và thiết kế "Conceptual Design" cho hệ
nổi của tuabin điện gió ngoài khơi ở vùng biển Việt Nam. Mục tiêu của nghiên cứu
là tạo ra một thiết kế phao nổi hiệu quả kỹ thuật, đảm bảo tính khả thi trong quá
trình vận hành.
Công việc bắt đầu từ việc nghiên cứu và thu thập thông tin về các mô hình phao
nổi đã được sử dụng trong các dự án tuabin điện gió trên biển tương tự. Qua đó,
chúng tôi cẩn thận xác định các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp nhất cho dự án của
mình, có thể bao gồm cả các tiêu chuẩn quốc tế như DNV. Tiếp theo là quá trình
thiết kế và tính toán cụ thể cho phao nổi, tập trung vào việc đảm bảo tính khả thi
và hiệu quả của thiết kế.
Qua các công việc như tìm hiểu và thu thập thông tin, xác định tiêu chuẩn thiết kế,
thiết kế và tính toán, so sánh và đánh giá, tính toán chi phí, phân tích và suy luận,
chúng tôi nhằm đưa ra giải pháp thiết kế phao nổi phù hợp nhất. Bằng cách tập
trung vào việc kết hợp thông tin từ các nguồn đáng tin cậy và áp dụng các tiêu
chuẩn thiết kế chuyên ngành, chúng tôi mong muốn đóng góp vào việc nâng cao
hiệu quả của ngành công nghiệp điện gió và bảo vệ môi trường biển đảo của Việt
Nam.
3
ABSTRACT
In an era where the demand for renewable energy sources is on the rise, wind
power emerges as a crucial solution to meet society's energy needs while ensuring
sustainability and minimal environmental impact. Particularly, with substantial
potential in offshore wind resources, Vietnam is witnessing significant
developments in this field.
This research focuses on studying and designing the Conceptual Design for the
floating system of offshore wind turbines in Vietnam's coastal areas. The aim is to
develop a technically efficient floating platform design, ensuring feasibility during
operation.
The project begins with researching and gathering information on existing floating
platform models used in similar offshore wind turbine projects. Through this, we
carefully identify the most suitable design standards for our project, which may
include international standards like DNV. The subsequent step involves specific
design and calculations for the floating platform, with a focus on ensuring
feasibility and effectiveness.
Through tasks such as research and data collection, design standard determination,
specific design and calculations, comparison and evaluation, cost estimation,
analysis, and inference, we aim to propose the most suitable floating platform
design solution. By focusing on integrating information from reliable sources and
applying industry design standards, we aspire to contribute to enhancing the
efficiency of the wind power industry and protecting Vietnam's marine
environment.
4
MỤC LỤC
LỜI CAM KẾT .................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2
TÓM TẮT CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHIỆP ...................................................... 3
ABSTRACT .......................................................................................................... 4
CHÚ GIẢI KÝ HIỆU......................................................................................... 10
KÝ HIỆU VIẾT HOA ............................................................................. 10
KÝ HIỆU LA MÃ ................................................................................... 10
KÝ HIỆU VIẾT THƯỜNG ..................................................................... 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 12
1.1
Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................... 12
1.2
Mục đích................................................................................................... 12
1.3
Phương pháp tiếp cận ............................................................................... 12
1.4
Sơ đồ tiến hành ......................................................................................... 13
1.5
Bản tổng quan công việc .......................................................................... 14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 15
2.1
Giới thiệu về phao nổi bán chìm Braceless .............................................. 15
2.2
Thiết kế Pontoon và Column ................................................................... 16
2.3
Cấu trúc sàn tàu thủy ................................................................................ 18
2.4
Nêm góc trong kết cấu thép ..................................................................... 19
2.5
Trọng tâm và tâm nổi ............................................................................... 19
2.6
Tiêu chuẩn DNV-RP-C201 của tấm phẳng có gia cường ........................ 21
Lực trong tấm gia cường lý tưởng.............................................. 21
Bề rộng hiệu quả ........................................................................ 23
Kháng oằn của tấm giữa gia cường ............................................ 24
Độ bền oằn đặc trưng của gia cường .......................................... 25
Sự oằn xoắn của gia cường ........................................................ 25
Khả năng kháng cắt của tấm có gia cường chịu ứng suất cắt .... 27
Công thức tương tác nén dọc trục và áp suất phương ngang ..... 28
Kiểm tra lực cắt .......................................................................... 29
2.7
Tiêu chuẩn DNV-RP-C202 của gia cường vỏ ống .................................. 30
Yêu cầu về độ ổn định ................................................................ 30
Độ bền uốn đặc trưng của vỏ ..................................................... 30
5
Panel ring buckling.................................................................... 31
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHAO NỔI .............................................................. 33
3.1
Thông số cơ bản và thiết kế phao nổi bán chìm Braceless ...................... 33
3.2
Trọng tâm và tâm nổi qua các lần thiết kế ............................................... 42
3.3
Kiểm tra buckling của các tấm thép ......................................................... 45
CHƯƠNG 4. LƯỢNG NƯỚC CHỨA TRONG PHAO VÀ CHI PHÍ VẬT
LIỆU .................................................................................................................... 46
4.1
Lượng nước chứa trong phao (pontoon) .................................................. 46
Số liệu từ báo cáo thực tế ........................................................... 46
Khảo sát mô hình đã thiết kế ...................................................... 48
4.2
Chi phí vật liệu ......................................................................................... 49
Bảng gia của Thép ...................................................................... 51
Tính toán chi phí vật liệu thép.................................................... 52
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 55
5.1
Kết quả đạt được ...................................................................................... 55
5.2
Hạn chế và phương hướng phát triển ....................................................... 55
DANH MỤC TÀI LIỆU..................................................................................... 57
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 59
6
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Sơ đồ tiến hành Chuyên đề công nghiệp ............................................. 13
Hình 1-2: Sơ đồ Gantt tiến hành Chuyên đề công nghiệp ................................... 14
Hình 2-1: Cấu tạo thực tế phần bên trong phao nổi Braceless và mô hình tinh gọn
của Chenyu Luan [3] ............................................................................................ 16
Hình 2-2: Kết cấu bên trong của phao nổi dựa theo kết cấu tàu biển .................. 17
Hình 2-3: Cấu trúc kết cấu OC4 [11]. .................................................................. 18
Hình 2-4: Cấu trúc kết cấu trụ với két nước [10]. ................................................ 18
Hình 2-5: Gia cường của sàn/vách tàu thủy [10] ................................................. 19
Hình 2-6: Minh họa trọng tâm (CG) và trọng tâm nổi (CB) ................................ 20
Hình 2-7: Mô hình mẫu DNV (13) ...................................................................... 21
Hình 2-8: Bề rộng hiệu quả cho tấm có khoảng cách gia cường khác nhau ........ 23
Hình 2-9: Thông số mặt cắt cho gia cường và dầm (DNV, C201)[18] ............... 26
Hình 2-10: Hệ số mất ổn định đối với các tấm cong không gia cường, chế độ a)
Oằn vỏ (DNV, C202)[19] .................................................................................... 31
Hình 2-11: Hệ số uốn của vỏ trụ được tăng cứng, chế độ b) Oằn của tấm tăng cứng
(DNV, C202)[19] ................................................................................................. 31
Hình 2-12: Định nghĩa các thông số L và LH (DNV, C202)[19] ........................ 32
Hình 3-1: Hình ảnh cấu tạo chi tiết phao nổi dạng Braceless. ............................. 33
Hình 3-2:Thiết kế đầu tiên của phao nổi Braceless ............................................. 34
Hình 3-3:Gia cường và dầm của phao khi ẩn vỏ ................................................. 34
Hình 3-4: Mặt nhìn chính diện của phao (pontoon) ............................................. 35
Hình 3-5: giản đồ thiết kế mô hình ...................................................................... 37
Hình 3-6: Hình ảnh tổng quan phao nổi.. ............................................................. 38
Hình 3-7: Hình ảnh 3D đầy đủ của cụm chi tiết dầm và vách kết nối. ................ 38
Hình 3-8: Hình ảnh 3D của phần kết nối phao nổi .............................................. 39
Hình 3-9: Cấu trúc liên kết của mô hình .............................................................. 39
Hình 3-10: Hình ảnh 3D của phần kết cấu pontoon. ............................................ 40
Hình 3-11: Hình ảnh 3D của phần kết cấu pontoon mặt trước. ........................... 40
Hình 3-12: Thông số của mô hình xuất từ phần mền Solidwork. ........................ 41
Hình 3-13: Minh họa tọa độ gắn với mô hình. ..................................................... 42
Hình 3-14: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế.............................................. 43
Hình 3-15: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế.............................................. 44
Hình 3-16: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế.............................................. 44
Hình 3-17: Giao diện phần mền STIPLA ............................................................ 45
Hình 4-1: Minh họa lượng nước trong phao. ....................................................... 46
7
Hình 4-2: Chia nhỏ các hình nhỏ để tính toán ..................................................... 48
Hình 6-1: Mô hình tổng quát phao nổi ................................................................. 59
Hình 6-2: Bản vẽ 2D vỏ ngoài pontoon. .............................................................. 59
Hình 6-3: Bản vẽ 2D đầy đủ của cụm chi tiết dầm và tấm kết nối ...................... 60
Hình 6-4: Bản vẽ 2D của chi tiết nêm. ................................................................. 60
Hình 6-5: Bản vẽ 2D của phần kết nối phai nổi ................................................... 61
Hình 6-6: Bản vẽ 2D của phần vách ngăn két nước ............................................ 61
Hình 6-7: Bản vẽ 2D của phần nắp cột trụ phao nổi ............................................ 62
Hình 6-8: Bản vẽ 2D của phần gia cường vòng ................................................... 62
Hình 6-9: Bản vẽ 2D của phần két nước trụ đứng ............................................... 63
8
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Bản tổng quan công việc ........................................................................ 14
Bảng 2: Thông số chi tiết phao nổi dạng Braceless. ............................................ 33
Bảng 3: Bảng số liệu khối lượng, CoG, CoB qua các lần thiết kế ....................... 43
Bảng 4: Bảng thông số cơ bản của 3 mẫu phao nổi khác nhau............................ 47
Bảng 5: Thông số từ báo cáo của NREL.............................................................. 47
Bảng 6: Thông số của dây neo ............................................................................. 48
Bảng 7: Bảng tổng hợp chi phí của các tấm thép theo bề dầy khác nhau ............ 52
Bảng 8: Bảng tổng hợp hao phí của các thành phần mô hình .............................. 53
9
CHÚ GIẢI KÝ HIỆU
KÝ HIỆU VIẾT HOA
𝐴
𝐴𝑙
𝐴𝑅
𝐶2
𝐶𝑅
𝑑
𝐷
𝐸𝑅
𝑓
𝐻
𝐻𝑙
𝐾
𝐾𝑙𝑡
𝐿
ℓ
𝐿𝑅
𝑛
𝑛ℎ
𝑛𝑠
𝑄
𝑅𝑒
𝑈
𝑉
𝑉𝑙
𝑊
Test section area
Area of a local section
Diffuser area ratio
Pressure-jump coefficient
Contraction ratio
Screen wire diameter or honeycomb cell diameter
Diameter or hydraulic diameter
Energy ratio
Friction factor
Test section height
Height of a local section
Loss coefficient
Loss coefficient of a local section referred to the test section
dynamic pressure
Length
Screen mesh length
Length to height ratio of contraction section
Number of screens within the diffuser
Number of cells of the honeycomb
Number of screens within the settling chamber
Flow rate
Reynolds number
Mean velocity or 𝑋-directional mean velocity component
Test section velocity or 𝑌-directional mean velocity
component
m2
m2
m−1
mm
m
m
m
m
m
mm
unit
unit
m3 /s
m/s
m/s
Velocity at a local position
m/s
Test section width or 𝑍-directional mean velocity component
m or
m/s
Width of a local section
𝑊𝑙
𝑢, 𝑣, 𝑤 Fluctuating velocity components (𝑢 is axial)
m
m/s
KÝ HIỆU LA MÃ
𝛼
𝛽
𝜃
𝜃𝑒
𝜇
Permeability
Open-ratio (of screen or honeycomb)
Half the diffuser angle
Equivalent cone angle
Viscosity
m2
degree
degree
N ⋅ s/m2
10
𝜈
𝜌
𝜉
Kinematic viscosity
Density
𝑥
= , relative axial location in contraction section
𝐿𝑐
m2 /s
kg/m3
-
KÝ HIỆU VIẾT THƯỜNG
𝑐
𝑑
ℎ
𝑠
𝑡
Contraction section entrance or a local section in contraction
Diffuser entrance
Honeycomb
Settling chamber
Test section
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu năng lượng tái tạo tăng cao, điện gió ngoài khơi là giải pháp tiềm năng
cho Việt Nam. Mục tiêu: 24.000 MW vào 2030, 100.000 MW vào 2045. Hệ thống
phao nổi tối ưu đóng vai trò then chốt: hiệu suất cao, độ bền tốt, chi phí thấp, an
toàn. Nghiên cứu "Conceptual Design" đáp ứng nhu cầu cấp thiết này, góp phần
phát triển điện gió ngoài khơi, bảo vệ môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng
quốc gia.Trong thiết kế của các tuabin gió trên biển, việc tối ưu hóa cấu trúc của
phao nổi là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống. Các
kỹ sư cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như cường độ và độ bền của các thanh gia
cường và dầm bên trong phao nổi, đặc biệt là dưới những điều kiện thời tiết và
biến đổi môi trường cực đoan. Điều này không chỉ giúp tăng sản lượng điện mà
còn giảm chi phí vận hành và bảo trì của hệ thống điện gió.
1.2 Mục đích
Bài chuyên đề này nhằm giải quyết các mục đích sau:
• Đưa ra thiết kế phao nổi phù hợp với điều kiện, tiêu chuẩn thiết kế.
• Tính toán được tính khả thi của thiết kế phao nổi.
• Xác định vị trí CoB, CoG, lượng nước trong phao và so sánh với kết quả
với các bài báo hiện có
• Tính toán chi phí hao phí chế tạo từ đó tính được chi phí nguyên vật liệu
cho phao nổi.
1.3 Phương pháp tiếp cận
Phạm vi của bài chuyên đề này gồm:
• Tìm hiểu và Thu thập Thông tin: Bắt đầu bằng việc tìm hiểu kỹ lưỡng về
các bài báo và tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế phao nổi cho hệ thống
tuabin điện gió trên biển. Thu thập thông tin về các thông số kỹ thuật của
các mô hình phao nổi được sử dụng trong các dự án tương tự, bao gồm cả
vật liệu và cấu trúc.
• Xác định Tiêu chuẩn Thiết kế: Đánh giá và chọn lựa các tiêu chuẩn thiết
kế phù hợp nhất cho dự án của bạn, có thể bao gồm các tiêu chuẩn của DNV
hoặc các tiêu chuẩn quốc tế khác liên quan đến kết cấu trên biển.
• Thiết kế và Tính toán: Dựa vào thông tin thu thập được, tiến hành thiết kế
cụ thể cho phao nổi, bao gồm việc xác định cấu trúc vỏ bên ngoài dựa trên
thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế đã chọn. Tính toán các thông số như
trọng lượng, tâm trọng tâm (COG), tâm nổi (COB) và lượng nước trong
phao để đảm bảo tính khả thi của thiết kế.
12
• So sánh và Đánh giá: So sánh kết quả của thiết kế với các thông số và dữ
liệu được công bố trong các bài báo và tài liệu tham khảo. Đánh giá sự khác
biệt và xác định bất kỳ điểm yếu nào cần được cải thiện.
• Tính toán Chi phí: Dựa trên thiết kế đã hoàn thiện, tiến hành tính toán chi
phí hao phí chế tạo cho từng bộ phận của phao nổi. Kết hợp các số liệu này
để đưa ra tổng chi phí chế tạo của mô hình phao.
• Phân tích và Suy luận: Phân tích kết quả tính toán và so sánh với mục tiêu
ban đầu của nghiên cứu. Suy luận và đưa ra những kết luận về tính khả thi
và hiệu quả của thiết kế, cũng như chi phí vật liệu dự kiến.
1.4 Sơ đồ tiến hành
Sơ đồ tiến hành chuyên đề công nghiệp gồm các bước sau:
Hình 1-1: Sơ đồ tiến hành Chuyên đề công nghiệp
13
Hình 1-2: Sơ đồ Gantt tiến hành Chuyên đề công nghiệp
1.5 Bản tổng quan công việc
STT Công việc
Mô tả
1
Tìm hiểu và - Nghiên cứu các tài liệu, bài báo, và tài liệu tham khảo liên quan đến thiết kế
Thu thập
phao nổi cho hệ thống tuabin điện gió trên biển.
Thông tin - Thu thập thông tin về các thông số kỹ thuật của các mô hình phao nổi đã
được sử dụng trong các dự án tương tự.
2
Xác định
Tiêu chuẩn
Thiết kế
- Đánh giá và lựa chọn các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp nhất cho dự án, có thể
bao gồm các tiêu chuẩn của DNV hoặc các tiêu chuẩn quốc tế khác liên quan
đến kết cấu trên biển.
3
Thiết kế và
Tính toán
- Dựa trên thông tin thu thập được, tiến hành thiết kế cụ thể cho phao nổi, bao
gồm cấu trúc vỏ bên ngoài dựa trên thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế đã
chọn.
4
So sánh và
Đánh giá
- Tính toán các thông số như trọng lượng, tâm trọng tâm (COG), tâm nổi
(COB) và lượng nước trong phao để đảm bảo tính khả thi của thiết kế.
- So sánh kết quả của thiết kế với các thông số và dữ liệu được công bố trong
các bài báo và tài liệu tham khảo.
- Đánh giá sự khác biệt và xác định bất kỳ điểm yếu nào cần được cải thiện.
5
Tính toán
Chi phí
- Dựa trên thiết kế đã hoàn thiện, tiến hành tính toán chi phí hao phí chế tạo
cho từng bộ phận của phao nổi.
- Kết hợp các số liệu này để đưa ra tổng chi phí chế tạo của mô hình phao.
6
Phân tích và - Phân tích kết quả tính toán và so sánh với mục tiêu ban đầu của nghiên cứu.
Suy luận
- Suy luận và đưa ra những kết luận về tính khả thi và hiệu quả của thiết kế,
cũng như chi phí vật liệu dự kiến.
Bảng 1: Bản tổng quan công việc
14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu về phao nổi bán chìm Braceless
Hình 3: Hình ảnh phao nổi dạng Braceless.
Phao nổi bán chìm của tuabin gió ngoài khơi có một lượng lớn thuật ngữ chuyên
ngành, sau đây là một số các thuật ngữ chính được sử dụng trong bài báo cáo này:
• “Column” là phần phao có dạng trụ đứng. Phao trụ đứng chính là phao để
đặt tuabin gió, còn lại là các phao trụ đứng phụ.
• “Pontoon” là phần phao nằm ngang, thường được liên kết với các
“Column”.
15
Các thanh màu đen là kết cấu khung hỗ trợ để tăng sự ổn định cho hệ thống phao,
được gọi là “Brace”.
Theo nghiên cứu của Chenyu Luan, phần phao được cấu thành từ các tấm gia
cường, dầm và các két nước. Tuy nhiên, trong mô hình của Luan, đã được tối
giản bằng cách tăng độ dày của phần vỏ bên ngoài và loại bỏ hoàn toàn các cấu
trúc bên trong. Lý do cho điều này là để đơn giản hóa quá trình tính toán và mô
hình hóa. Tuy nhiên, điều này đã ảnh hưởng đến tính toán về giá thành và chi
phí, một yếu tố quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp này.
Hình 2-1: Cấu tạo thực tế phần bên trong phao nổi Braceless và mô hình tinh gọn của
Chenyu Luan [3]
Việc ứng dụng tiêu chuẩn và cấu trúc của tàu biển vào phao nổi được thúc đẩy bởi
sự hiệu quả của chúng trong hoạt động dưới các điều kiện khắc nghiệt như bão,
sóng lớn, ở cường độ lớn và tần suất liên tục mà không cần bảo dưỡng thường
xuyên về mặt cấu trúc. Điều này là do các đặc tính ưu việt mà một phao nổi cho
tuabin gió cần. Do đó, trong lĩnh vực này, các cấu trúc bên trong phao nổi sẽ được
thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn đóng tàu của các tổ chức chuyên về hàng hải và
tàu biển như DNV, Lloyd's Register.
2.2 Thiết kế Pontoon và Column
Trong thiết kế này, việc sử dụng cấu trúc 2 lớp của tàu thủy sẽ mang lại sự ổn định
và độ bền cao cho phần vỏ của phao nổi. Cấu trúc này bao gồm một lớp bảo vệ
ngoài cùng để chịu lực va đập và môi trường biển, và một lớp cốt bên trong để
cung cấp độ cứng và độ bền cho phần vỏ.
Tuy nhiên, để đảm bảo tính an toàn và hiệu suất của thiết kế, việc thiết lập gia
cường theo tiêu chuẩn DNV- RP - C201 là cần thiết. Tiêu chuẩn này cung cấp các
hướng dẫn và quy định về việc thiết kế và tính toán cho các cấu trúc thủy và hải
dương, bao gồm cả phần vỏ của phao nổi. Việc áp dụng tiêu chuẩn này giúp đảm
bảo rằng thiết kế của bạn đáp ứng được các yêu cầu về độ bền, độ cứng và an toàn.
16
Ngoài ra, việc sử dụng tiêu chuẩn DNVGL để đánh giá tính khả thi của thiết kế
cũng rất quan trọng. Tiêu chuẩn này cung cấp các nguyên tắc và hướng dẫn về việc
đánh giá và xác định tính khả thi của các dự án và thiết kế trong ngành công nghiệp
hàng hải và dầu khí. Bằng cách sử dụng tiêu chuẩn này, bạn có thể đảm bảo rằng
thiết kế của mình không chỉ đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mà còn đáp ứng
được các yêu cầu về tính khả thi và hiệu suất.
Hình 2-2: Kết cấu bên trong của phao nổi dựa theo kết cấu tàu biển
Trong quá trình thiết kế phần trụ (column) cho hệ thống tuabin điện gió trên biển,
đã quyết định sử dụng tiêu chuẩn DNV-RP-C202 để tính toán gia cường cho phần
vỏ của trụ và đánh giá tính khả thi của thiết kế. Đồng thời, cũng tính đến việc xác
định độ chịu lực của trụ để sử dụng làm giá đỡ cho tuabin dựa trên cấu trúc đã
được nghiên cứu và thiết kế trước đó.
Tiêu chuẩn DNV-RP-C202 cung cấp các hướng dẫn và quy định chi tiết về việc
thiết kế và tính toán cho các cấu trúc hải dương, bao gồm cả phần vỏ của trụ cho
hệ thống tuabin điện gió trên biển. Việc áp dụng tiêu chuẩn này giúp đảm bảo rằng
thiết kế đáp ứng được các yêu cầu về độ bền và độ cứng cũng như các yêu cầu về
an toàn và hiệu suất trong môi trường biển cực đoan.
Ngoài ra, tính toán độ chịu lực của trụ để sử dụng làm giá đỡ cho tuabin dựa trên
cấu trúc đã được nghiên cứu và thiết kế trước đó của NREL là một phần quan trọng
của quá trình. Cấu trúc này, được nghiên cứu bởi Yan Dong và các cộng sự, đã
được chứng minh là hiệu quả và ổn định trong các điều kiện biển khắc nghiệt.
17
Hình 2-3: Cấu trúc kết cấu OC4 [11].
Kết hợp giữa việc sử dụng tiêu chuẩn DNV-RP-C202 để tính toán gia cường cho
phần vỏ của trụ và đánh giá tính khả thi của thiết kế với việc tính toán độ chịu lực
của trụ để sử dụng làm giá đỡ cho tuabin dựa trên cấu trúc đã được nghiên cứu
trước đó, có thể đảm bảo rằng thiết kế không chỉ đáp ứng được các yêu cầu kỹ
thuật mà còn đảm bảo tính an toàn và hiệu suất của hệ thống tuabin điện gió trên
biển.
Đối với kết cấu trụ, kết cấu trụ cũng cần phải có các bộ phận tương tự như phần
phao nổi, gồm có:
•
•
•
•
Dầm vòng
Gia cường
Két nước
Nắp đậy
Hình 2-4: Cấu trúc kết cấu trụ với két nước [10].
2.3 Cấu trúc sàn tàu thủy
18
Thông thường, để có thể hoạt động được ở các vùng biển, phao nổi của tuabin gió
thường được trang bị các gia cường (stiffeners) và dầm (girders) đặt ở bên trong
phao nổi, các gia cường và dầm này có tác dụng làm cứng phần vỏ của phao nổi,
trợ tải xuyên suốt quá trình hoạt động của phao nổi. Trong mục này, lý thuyết
chung về dầm và gia cường sẽ được trình bày cụ thể tại đây, thông qua đó hiểu hơn
về tiêu chuẩn thiết kế cần thiết cho phao nổi ngoài khơi.
Hình 2-5: Gia cường của sàn/vách tàu thủy [10]
2.4 Nêm góc trong kết cấu thép
Nêm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp sự cứng vững và ổn định cho kết
cấu. Nó không chỉ tăng cường khả năng chịu tải và chịu tác động, đặc biệt là trong
các tình huống có thể gây ra biến dạng không mong muốn, mà còn giúp phần phao
nằm ngang chịu được các lực căng và lực ép mạnh mẽ hơn. Điều này làm tăng độ
bền và tính an toàn của toàn bộ phao.
Bên cạnh đó, nêm góc đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và chuyển tải lực
giữa các phao. Điều này giúp cấu trúc trở nên vững chắc hơn, ngăn ngừa biến dạng
không mong muốn và giảm nguy cơ sụt giảm hiệu suất hoạt động của công trình.
2.5 Trọng tâm và tâm nổi
Khi một vật chìm trong chất lỏng, nó chịu tác dụng của một lực hướng lên gọi là
lực nổi và hiện tượng này gọi là lực đẩy Archimedes. Theo đó:
• Trọng tâm (CoG - Center Of Gravity) của một vật là điểm mà tổng lực hấp
dẫn của vật tác động tập trung trên điểm này.
• Tâm nổi (CoB – Center of Buoyancy) là trọng tâm của thể tích nước mà vật
thể chiếm chỗ chìm trong nước.
19
Thông thường, khi một vật nổi trên mặt nước tĩnh, vị trí của tâm nổi và trọng tâm
sẽ cùng nằm trên một trục. Tuy nhiên khi có tác động của sóng biển, bão,
gió…Phần thể tích nước chiếm chỗ sẽ bị thay đổi về thể tích, khiến cho tâm nổi bị
dịch chuyển, còn về trọng tâm thì vẫn đứng yên trên trục, chỉ khác là lực tác động
lên tàu sẽ bị thay đổi về hướng và độ lớn
Hình 2-6: Minh họa trọng tâm (CG) và trọng tâm nổi (CB)
Việc xác định trọng tâm (CG) và tâm nổi (CB) của tuabin gió bán chìm là rất quan
trọng để đảm bảo độ ổn định và tính toàn vẹn về cấu trúc của nó.
Trọng tâm (CG):
• CG là điểm mà toàn bộ trọng lượng của kết cấu có thể được coi là tác động.
Điều cần thiết là phải biết CG để cân bằng cấu trúc hợp lý và đảm bảo nó
vẫn ổn định.
• Đối với tuabin gió bán chìm, CG bao gồm trọng lượng của tháp, vỏ bọc,
cánh quạt, bệ và bất kỳ thiết bị bổ sung nào.
• CG cần được định vị sao cho cấu trúc vẫn đứng thẳng và chống lật, đặc biệt
là dưới tải trọng gió và sóng.
Tâm nổi (CB):
• Đối với cấu trúc nửa chìm, CB thường được đặt ở đâu đó bên dưới mặt
nước.
• Biết CB là rất quan trọng để hiểu cách cấu trúc tương tác với lực nước, đặc
biệt là trong việc xác định độ ổn định và hoạt động của nó trước sóng và
dòng chảy.
20
•
Mối quan hệ giữa CG và CB quyết định sự ổn định của kết cấu. Lý tưởng
nhất là CG phải ở dưới CB để đảm bảo sự ổn định; nếu CG ở trên CB, cấu
trúc có thể bị lật.
2.6 Tiêu chuẩn DNV-RP-C201 của tấm phẳng có gia cường
Lực trong tấm gia cường lý tưởng
Tấm gia cường chịu lực kết hợp, minh họa ở hình 10 nên được thiết kế để kháng
lại một lực dọc trục tương đương theo công thức (2.1) và tải ngang tương đương
theo công thức (2.6)
Hình 2-7: Mô hình mẫu DNV (13)
Lực dọc trục tương đương có thể được tính như sau:
NSd = 𝜎x,Sd (As + st) + 𝜏tf St
(2.1)
Trong đó:
𝐴𝑠 = Diện tích mặt cắt gia cường
s = khoảng cách giữa các gia cường
t = bề dày tấm
𝜎x,Sd = Ứng suất dọc trục trong tấm và gia cường với ứng suất nén có giá trị
dương
𝜏
𝜏tf = 𝜏Sd − 𝜏crg với 𝜏Sd > crl
𝛾M
Và hành vi trường căng được cho phép (tension field action)
𝜏tf = 0
Cho rằng hành vi trường căng không có (hoặc không đáng kể) có thể giả định sự
kháng của tấm là ứng suất nén ngang (𝜎𝑦 ).
𝜏crg = Ứng suất cắt cực trị cho tấm với gia cường bị loại bỏ, theo công thức 2.2
𝜏crl = Ứng suất cắt cực trị cho tấm giữa 2 gia cường, theo công thức 2.4
21
t 2
𝜏crg = k g ⋅ 0.904 ⋅ E ⋅ ( )
𝑙
(2.2)
Với:
k g = 5.34 + 4 (
= 5.34 (
𝑙
LG
𝑙
LG
2
) , với 𝑙 ≤ LG
(2.3)
2
) + 4, với 𝑙 > LG
LG = Chiều dài dầm, minh họa ở hình 2.15
t 2
𝜏cr𝑙 = k 𝑙 ⋅ 0.904 ⋅ E ⋅ ( )
s
(2.4)
Với:
s 2
k 𝑙 = 5.34 + 4 ( ) , khi 𝑙 ≥ s
𝑙
s 2
= 5.34 ( ) + 4, khi 𝑙 < s
𝑙
Tải ngang tương đương được tính như sau:
qSd = (pSd + p0 )s
(2.5)
(2.6)
p0 phải được tác dụng theo hướng của áp suất bên ngoài pSd . Đối với các trường
hợp pSd ít hơn p0 , cần phải kiểm tra 𝑝0 tác dụng vào gia cường ở cả hai mặt (ở mặt
không và có gia cường)
Với:
pSd = áp lực ngang theo thiết kế
s = khoảng cách gia cường
p0 = (0.6 + 0.4𝜓)C0 𝜎y1,Sd nếu 𝜓 > −1.5
(2.7)
p0 = 0 nếu 𝜓 ≤ −1.5
p0 = 0 trong trường hợp 𝜎y,Sd chịu kéo xuyên suốt chiều dài tấm
Mà:
Wes ⋅ fy ⋅ mc
kc ⋅ E ⋅ t2 ⋅ s
𝜎y2,Sd
𝜓=
𝜎y1,Sd
C0 =
(2.8)
(2.9)
Trong đó:
𝜎y1,Sd = ứng suất thiết kế lớn hơn theo phương ngang, với ứng suất kéo mang
dấu âm
𝜎y2,Sd = ứng suất thiết kế nhỏ hơn theo phương ngang, với ứng suất kéo mang
dấu âm
Wes = Mô đun tiết diện cho gia cường với tiết diện hiệu quả ở đầu mặt bích
mc = 13.3 cho gia cường liên tục (continuous stiffeners)
= 8.9 cho gia cường không liên tục (sniped stiffeners)
22
k c = 2 ⋅ (1 + √1 +
10.9 ⋅ Is
)
t3 ⋅ s
(2.10)
Is = Mô men quán tính của gia cường xét theo toàn bộ chiều rộng tấm
Bề rộng hiệu quả
Bề rộng hiệu quả của gia cường liên tục chịu ứng suất dọc và ngang và cắt với
ứng suất cắt là
se
(2.11)
= Cxs Cys
s
Hình 2-8: Bề rộng hiệu quả cho tấm có khoảng cách gia cường khác nhau
(DNV, C201)[18]
Hệ số giảm do ứng suất theo chiều dọc, Cxs , là
𝜆‾p − 0.22
Cxs =
, với 𝜆‾p > 0.673
𝜆‾2p
(2.12)
= 1.0, với 𝜆‾p ≤ 0.673
Với:
s fy
𝜆‾p = 0.525 √
t
E
(2.13)
Và hệ số giảm do ứng suất nén theo chiều ngang, Cys , được tính như sau:
2
𝜎x,Sd ⋅ 𝜎y,Sd
𝜎𝑦,Sd
Cys = √1 − (
) + ci (
)
𝜎y,R
Cxs ⋅ fy ⋅ 𝜎y,R
(2.14)
Với :
ci = 1 −
s
120⋅t
s
s
với ≤ 120
t
𝑐𝑖 = 0 với > 120
t
𝜎y,R được tính theo công thức (2.15).
23
1.3 ⋅ t
𝐸
1.3 ⋅ t
𝐸
𝜎𝑦,𝑅 = [
⋅ √ + 𝜅 ⋅ (1 −
⋅ √ )] ⋅ fy ⋅ k p
𝑙
𝑓𝑦
𝑙
𝑓𝑦
Trong đó:
.
𝜅 = 1.0
1
‾2c − √(1 + 𝜇 + 𝜆‾2c )2 − 4 ⋅ 𝜆‾2c )
𝜅=
⋅
(1
+
𝜇
+
𝜆
2 ⋅ 𝜆‾2 c
1
𝜅=
+ 0.07
2 ⋅ 𝜆‾2 c
𝜆‾c được tính như sau:
(2.15)
.
khi 𝜆c ≤ 0.2
khi 0.2 < 𝜆‾c < 2.0 (2.16)
khi 𝜆‾c ≥ 2.0
s fy
𝜆‾𝑐 = 1.1 ⋅ ⋅ √
t
E
(2.17)
𝜇 = 0.21 ⋅ (𝜆‾𝑐 − 0.2)
(2.18)
𝜇 được tính như sau:
Hệ số giảm do tải ngang k p , có thể tính gần chính xác như sau:
k p = 1.0 for
t 2
(2.19)
pSd ≤ 2 ⋅ ( ) ⋅ fy
s
Nếu không thỏa thì:
p
t 2
fy
s
k p = 1.0 − h𝛼 ⋅ ( Sd − 2 ⋅ ( ) ) nhưng k p ≥ 0
(2.20)
Với:
s
h𝛼 = 0.05 ⋅ − 0.75 nhưng h𝛼 ≥ 0
t
(2.21)
Hệ số giảm do ứng suất kéo theo chiều ngang Cys , được tính như sau:
1
𝜎𝑦,𝑆𝑑
2
𝑓𝑦
𝐶𝑦𝑠 = (√4 − 3 (
2
) +
𝜎𝑦,𝑆𝑑
𝑓𝑦
) , nhưng 𝐶𝑦𝑠 ≤ 1.0
(2.22)
Lưu ý: Ứng suất kéo được xác định là âm.
Kháng oằn của tấm giữa gia cường
Tấm nằm giữa 2 gia cường có thể được kiểm tra như sau:
fy
𝜏Sd ≤ 𝜏Rd =
√3 ⋅ 𝛾M
𝜎y,Sd ≤ k sp ⋅ 𝜎y,Rd
(2.23)
(2.24)
Với:
𝜏Sd
k sp = √1.0 − 3 ⋅ ( )
fy
2
(2.25)
24
Và 𝜎𝑦,𝑅𝑑 được xác định là.
𝜎y,Rd =
𝜎y,R
𝛾M
(2.26)
Và 𝜎y,R được tính theo công thức (2.15).
Độ bền oằn đặc trưng của gia cường
Độ bền oằn đặc trưng cho gia cường có thể được tính thông qua:
fk
fr
fk
fr
=
= 1 khi 𝜆‾ ≤ 0.2
2
1+𝜇+𝜆‾2 −√(1+𝜇+𝜆‾2 ) −4𝜆‾2
2𝜆‾2
Khi 𝜆‾ > 0.2
(2.27)
(2.28)
Với
f
𝜆‾ = √ r
(2.29)
ie 2
fE = 𝜋 E ( )
𝑙k
(2.30)
fE
2
Khi kiểm tra ở mặt không gia cường
zp
) (𝜆‾ − 0.2)
ie
(2.31)
zt
𝜇 = (0.34 + 0.08 ) (𝜆‾ − 0.2)
ie
(2.32)
fr = fy
(2.33)
𝜇 = (0.34 + 0.08
Khi kiểm tra ở mặt gia cường
Với:
Khi xét ở mặt không có gia cường
Khi xét tại mặt có gia cường
fr = fy nếu 𝜆‾T ≤ 0.6
fr = fT nếu 𝜆‾T > 0.6,
fT có thể được tính theo phần 2.2.3.5 Sự oằn xoắn của gia cường
𝐼
𝑖𝑒 = √ 𝑒 , bán kính hồi chuyển hiệu quả
𝐴𝑒
𝐼𝑒 Mô men quán tính hiệu quả
𝐴𝑒 diện tích hiệu quả
𝑧𝑝 , 𝑧𝑡 định nghĩa trong Hình 12
Sự oằn xoắn của gia cường
Độ bền oằn xoắn của gia cường có thể được tính như sau:
fT
fy
= 1.0 khi 𝜆‾T ≤ 0.6
(2.34)
25
fT
fy
=
2
1+𝜇+𝜆‾2T −√(1+𝜇+𝜆‾2T ) −4𝜆‾2T
2𝜆‾2T
Khi 𝜆‾T > 0.6
(2.35)
Với
Hình 2-9: Thông số mặt cắt cho gia cường và dầm (DNV, C201)[18]
𝐴 = Tâm của gia cường với mặt bích hiệu quả
𝐵 = Tâm của gia cường không tính đến mặt bích
C = Tâm mặt bích
𝜇 = 0.35(𝜆‾T − 0.6)
(2.36)
fy
𝜆‾T = √
fET
(2.37)
Thông thường fET có thể được tính như sau:
fET = 𝛽
GIt
Eh2s Iz
+ 𝜋2
Ipo
Ipo 𝑙T2
(2.38)
Với gia cường L và T fET có thể được tính như sau
26
𝑡𝑓 2
𝐴𝑊 + ( ) 𝐴𝑓
𝑡𝑊 2
𝜋 2 𝐸𝐼𝑧
𝑡𝑊
𝑓𝐸𝑇 = 𝛽
𝐺( ) +
𝐴
𝐴𝑊 + 3𝐴𝑓
ℎ𝑤
( 𝑊 + 𝐴𝑓 ) 𝑙2𝑇
3
𝐼𝑧 =
1
𝐴 𝑏2 + 𝑒𝑓2
12 𝑓
𝐴𝑓
𝐴𝑓
1+
𝐴𝑊
(2.39)
(2.40)
Với gia cường thẳng fET có thể được tính như sau:
hw 2
tw 2
fET = [𝛽 + 2 ( ) ] ⋅ G ( )
𝑙T
hw
(2.41)
Với:
3C + 0.2
C + 0.2
ℎ𝑤 𝑡 3
𝐶=
( ) √(1 − 𝜂 )
𝑠 𝑡𝑤
(2.42)
𝛽=
(2.43)
Với:
𝜂=
𝜎j,Sd
, 𝜂 ≤ 1.0
fep
(2.44)
2
2
2
𝜎𝑗,𝑆𝑑 = √𝜎𝑥,𝑆𝑑
+ 𝜎𝑦,𝑆𝑑
− 𝜎𝑥,𝑆𝑑 𝜎𝑦,𝑆𝑑 + 3𝜏𝑆𝑑
𝑓𝑒𝑝 =
𝑓𝑦
(2.46)
√1 + 𝜆‾4𝑒
c
(2.45)
c
c
1
c
fy
𝜎y,Sd
𝜎x,Sd
𝜏Sd
2
‾
𝜆e =
((
) +(
) +(
))
𝜎j,Sd
fEpx
fEpy
fEp𝜏
(2.47)
Với
c=2−
s
l
t 2
fEpx = 3.62E ( )
s
t 2
fEpy = 0.9E ( )
s
t 2
fEp𝜏 = 5.0E ( )
s
𝜎x,Sd và 𝜎y,Sd phải đặt về giá trị 0 nếu tấm chịu kéo căng
(2.48)
(2.49)
(2.50)
(2.51)
Khả năng kháng cắt của tấm có gia cường chịu ứng suất cắt
Khả năng kháng ứng suất cắt 𝜏Rd được tính bằng giá trị nhỏ nhất giữa 𝜏Rdy , 𝜏Rd𝑙
và 𝜏Rds như sau
27
𝜏Rdy =
𝑓𝑦
√3 ⋅ 𝛾𝑀
𝜏cr𝑙
𝜏Rd𝑙 =
𝛾M
𝜏crs
𝜏Rds =
𝛾M
Với 𝜏crl được lấy từ công thức (7.6) và 𝜏crs được lấy từ:
36 ⋅ E 4
𝜏crs =
⋅ √Ip ⋅ Is3
s ⋅ t ⋅ l2
với:
𝐼𝑝 =
𝑡3 ⋅ s
10.9
(2.52)
(2.53)
(2.54)
(2.55)
(2.56)
Công thức tương tác nén dọc trục và áp suất phương ngang
2.6.7.1. Gia cường liên tục
Áp suất ngang ở mặt không gia cường
NSd
M1,Sd − NSd ⋅ z ∗
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd M
s1,Rd (1 − N )
E
NSd
NSd M1,Sd − NSd ⋅ z ∗
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd
NRd M
p,Rd (1 − N )
E
NSd
NSd M2,Sd + NSd ⋅ z ∗
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd
NRd M
(1
)
−
st,Rd
NE
∗
NSd
M2,Sd + NSd ⋅ z
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd M
p,Rd (1 − N )
E
Áp suất ngang ở mặt có gia cường
NSd
NSd M1,Sd + NSd ⋅ z ∗
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd
NRd M
st,Rd (1 − N )
E
∗
NSd
M1,Sd + NSd ⋅ z
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd M
p,Rd (1 − N )
E
NSd
M2,Sd − NSd ⋅ z ∗
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd M
(1
)
−
s2,Rd
NE
NSd
NSd M2,Sd − NSd ⋅ z ∗
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd
NRd M
p,Rd (1 − N )
E
Với
(2.57)
(2.58)
(2.59)
(2.60)
(2.61)
(2.62)
(2.63)
(2.64)
28
𝜏Sd 2
u=( )
𝜏Rd
2.6.7.2. Gia cường không liên tục
(2.65)
Áp suất ngang ở mặt không gia cường:
qSd 𝑙2
|
| + NSd ⋅ z ∗
NSd
NSd
8
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd
NRd M
st,Rd (1 − N )
E
2
q 𝑙
| Sd | + NSd ⋅ z ∗
NSd
8
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd M
p,Rd (1 − N )
E
Áp suất ngang ở mặt có gia cường:
(2.66)
(2.67)
𝑙2
q
Nếu Sd ≥ NSd ⋅ z ∗ thì:
8
qSd 𝑙2
|
| − NSd ⋅ z ∗
NSd
8
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd M
(1
)
−
s2,Rd
NE
qSd 𝑙2
|
| − NSd ⋅ z ∗
NSd
NSd
8
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd
NRd M
(1
)
−
p,Rd
NE
nếu
qSd 𝑙 2
8
(2.68)
(2.69)
< NSd ⋅ z ∗ thì:
qSd 𝑙2
∗
|
|
N
⋅
z
−
Sd
NSd
NSd
8
−2⋅
+
+u≤1
NSd
Nks,Rd
NRd M
(1
)
−
st,Rd
NE
qSd 𝑙2
∗
|
|
N
⋅
z
−
Sd
NSd
8
+
+u≤1
NSd
Nkp,Rd M
(1
)
−
p,Rd
NE
(2.70)
(2.71)
Kiểm tra lực cắt
Tất cả các mặt cắt của gia cưởng phải thỏa mãn:
VSd ≤ VRd = Anet ⋅
fy
𝛾M √3
(2.83)
Với:
VSd = Lực cắt theo thiết kế
VRd = Kháng cắt theo thiết kế
𝐴net = Diện tích cắt ròng (Diện tích cắt trừ cho phần cắt ra)
29
Nếu VSd > 0.5 VRd thì mô đun mặt cắt của gia cường và diện tích hiệu quả sẽ phải
giẩm đi để tính đến sự tương tác của lực cắt đối với moment và lực dọc trục trong
gia cường
2.7 Tiêu chuẩn DNV-RP-C202 của gia cường vỏ ống
Yêu cầu về độ ổn định
Yêu cầu về độ ổn định đối với vỏ chịu một hoặc nhiều bộ phận sau:
− nén hoặc căng dọc trục
− uốn cong
− nén hoặc căng theo chu vi
− xoắn
− cắt
được cho bởi:
𝜎(𝑗, 𝑆𝑑 ) ≤ 𝑓 (𝑘𝑠𝑑 )
(2.84)
độ bền uốn của vỏ thiết kế được xác định như sau:
𝑓𝑘𝑠
𝑓𝑘𝑠𝑑 =
𝛾𝑀
Với:
𝛾𝑀 = 1.15 𝑓𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑟(𝜆)𝑠 < 0.5
(2.85)
𝛾𝑀 = 0.85 + 0.60𝑏𝑎𝑟 (𝜆)𝑠 𝑓𝑜𝑟 0.5 ≤ 𝑏𝑎𝑟(𝜆)𝑠 <= 1.0
𝛾𝑀 = 1.45 𝑓𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑟(𝜆)𝑠 > 1.0
Độ bền uốn đặc trưng của vỏ
Độ bền uốn đặc trưng của vỏ được xác định như sau:
𝑓𝑦
𝑓𝑘𝑠 =
√(1 + (𝜆)4𝑠 )
(2.86)
Trong khi:
(𝜆)2𝑠 =
𝑓𝑦
(2.87)
𝜎
𝜎
𝜎
𝜏
𝜎𝑗,𝑆𝑑 [ 𝑎0,𝑆𝑑 + 𝑚0,𝑆𝑑 + ℎ0,𝑆𝑑 + 𝑆𝑑 ]
𝑓𝐸𝑎
𝑓𝐸𝑚
𝑓𝐸ℎ
𝑓Η𝑢
2
2
2
𝜎𝑗,𝑆𝑑 = √(𝜎𝑎,𝑆𝑑 + 𝜎𝑚,𝑆𝑑 ) − (𝜎𝑎,𝑆𝑑 + 𝜎𝑚,𝑆𝑑 )𝜎ℎ,𝑆𝑑 + 𝜎ℎ,𝑆𝑑
+ 3𝜏𝑆𝑑
𝜎𝑎0,𝑆𝑑 = {
𝜎𝑚,𝑆𝑑 = {
𝜎ℎ0,𝑆𝑑 = {
(0 𝑖𝑓 𝜎𝑎,𝑆𝑑 ≥ 0),
(2.89)
}
(−𝜎𝑎,𝑆𝑑 𝑖𝑓 𝜎𝑎,𝑆𝑑 < 0):
(0 𝑖𝑓 𝜎𝑚,𝑆𝑑 ≥ 0),
(2.90)
}
(−𝜎𝑚,𝑆𝑑 𝑖𝑓 𝜎𝑚,𝑆𝑑 < 0):
(0 𝑖𝑓 𝜎ℎ,𝑆𝑑 ≥ 0, 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑒𝑡 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 ),
(−𝜎ℎ,𝑆𝑑 𝑖𝑓 𝜎ℎ,𝑆𝑑 < 0, 𝑒𝑥𝑡. 𝑛𝑒𝑡 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 ):
(2.88)
}
(2.91)
30
𝜎𝑎,𝑆𝑑 = ứng suất dọc trục thiết kế trong vỏ do lực dọc trục (lực căng dương)
𝜎𝑚,𝑆𝑑 = ứng suất uốn thiết kế trong vỏ do mômen uốn toàn phần (sức căng dương),
𝜎ℎ0,𝑆𝑑 = ứng suất thiết kế theo chu vi trong vỏ do áp suất bên ngoài (sức căng
dương). Đối với các chai được gia cứng bằng vòng chỉ được sử dụng ứng suất ở
giữa các vòng.
fEa, fEm, fEh và fEτ lần lượt là độ bền uốn đàn hồi của các tấm cong hoặc vỏ hình trụ
tròn chịu tác dụng của lực nén dọc trục, mômen uốn toàn phần, áp lực ngang,
mômen xoắn và/hoặc lực cắt, trong đó: Các giá trị này có tính đến hệ số uốn thích
hợp.
fEa = độ bền uốn đàn hồi đối với lực dọc trục
fEm = độ bền uốn đàn hồi đối với mômen uốn
fEh = độ bền uốn đàn hồi đối với áp suất thủy tĩnh, áp suất ngang và nén chu vi
fEτ = độ bền uốn đàn hồi đối với lực xoắn và lực cắt
Panel ring buckling
Hình 2-10: Hệ số mất ổn định đối với các tấm cong không gia cường, chế độ a) Oằn vỏ
(DNV, C202)[19]
Hình 2-11: Hệ số uốn của vỏ trụ được tăng cứng, chế độ b) Oằn của tấm tăng cứng
(DNV, C202)[19]
31
Hình 2-12: Định nghĩa các thông số L và LH (DNV, C202)[19]
32
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHAO NỔI
3.1 Thông số cơ bản và thiết kế phao nổi bán chìm Braceless
Thiết kế sơ bộ phao nổi Braceless được tiến hành bởi Chenyu Luan và các cộng sự
[3]. Thông số kỹ thuật của phao nổi dạng Braceless được lấy từ báo cáo được trình
bày như sau:
Hình 3-1: Hình ảnh cấu tạo chi tiết phao nổi dạng Braceless.
𝑑𝑐
𝑑𝑠
𝑑𝑝ℎ
Kích thước
6.5
6.5
6
Đơn vị
m
m
m
𝑑𝑝𝑤
9
m
41
45.5
30
1804
0.03
10555
m
m
m
Tấn
m
Tấn
0,0,-21.36
1.05*107
1.05*107
(m, m, m)
(tấn/𝑚2 )
(tấn/𝑚2 )
Thông số, kí hiệu
𝑑𝑐𝑠
𝑑𝑐𝑠𝑒
Mức nước chìm dưới nước
Khối lượng thép (Cả phao)
Bề dày tương đương (m)
Khối lượng cả phao khi chứa cả
nước biển và các bộ phận khác
Vị trí trong tâm (Ox,Oy,Oz)
Moment quán tính (Ixx)
Moment quán tính (Iyy)
Bảng 2: Thông số chi tiết phao nổi dạng Braceless.
33
Dựa vào thông số của Chenyu Luan vào tháng 01/2018 [3] được nêu ra ở trên thì
ta có được thiết kế ban đầu tổng quan của phao nổi Braceless và cấu trúc gia cường
bên trong, đã sử dụng phần mềm Solidworks để tiến hành vẽ 3D thiết kế của phao.
Hình 3-2:Thiết kế đầu tiên của phao nổi Braceless
Thì trong hình 3-2 là mô hình thiết kế ban đầu của phao nổi Braceless và đã ẩn đi
một số vỏ bên ngoài đẻ có thể nhìn được cấu trúc bên trong.
Hình 3-3:Gia cường và dầm của phao khi ẩn vỏ
Do là thiết kế đầu tiên nên gia cường và dầm chưa được thiết kế tối ưu, nên dẫn
tới số lượng gia cường chằng chịt như hình 3-3. Và thiết kế các vách còn các góc
nhọn như hình 3-4 không phù hợp với thực tế.
34
Hình 3-4: Mặt nhìn chính diện của phao (pontoon)
Thiết kế ban đầu có nhiều lỗi và vấn đề bất cập sau:
• Số lượng gia cường chưa thích hợp và chưa theo thiết kế tiêu chuẩn hay
kích thước thực tế hiện có.
• Mô hình chỉ đúng hình dạng ban đầu chứ về kết cấu chưa đảm bảo.
• Các góc nhọn liên kết chưa đúng dễ dấn tới ứng suất tập trung tại vùng liên
kết.
• Các tấm vách và dầm đang sử dụng theo tham khảo hình ảnh thực tế cứ
chưa tính toán đến khả nặng chịu lực và lực kết cấu giữa các vách
• Chưa có thiết kế két nước để phao có thể chìm xuống.
• Khối lượng mô hình 2835.939 nặng hơn thiết kế thực tế khoảng 56% và
COG, COB sai số với thực tế là 13% và 6%. Đây là một sai số quá lớn với
một mô hình kỹ thuật. Và theo quy định thì sai số chỉ được phép nhỏ hơn
3% nên mô hình sẽ cần tối ưu lại cho phù hợp với thực tế
Phương pháp tối ưu:
• Sử dụng cấu trúc vỏ tàu hai lớp để thiết kế lại vỏ phao (pontoon) và gia
cường bên trong.
• Các gia cường tấm thép đã sử dụng tiêu chuẩn DNV – RP – C201 để tính
hệ số sử dụng của các tấm thép xem nó có bị buckling khi giảm hoặc gia
tăng kích thước gia cường và dầm.
35
• Tương tự với các ống trụ đã sử dụng tiêu chuẩn DNV – RP – C202 để tính
hệ số dụng của gia cường dạng ống.
• Ngoài sử dụng code python cá nhân để kiểm tra đồng loạt các tấm thép còn
sử dụng phần mền STIPLA của DNV để kiểm thử lại các tấm thép một lần
nữa để chắc chắn rằng ở giai đoạn thiết kế thì các tấm thép đều không bị
buckling và hệ số an toàn luôn ở khoảng cho phép.
• Sử dụng các nêm liên kết để các chỗ liên kết các phao không bị tập trung
ứng suất quá lớn.
• Sử dụng các vách ngăn trong phao (pontoon) để tạo ra các két nước. Và cấu
tạo vách ngăn cũng được tham khảo cấu tạo của tàu thủy.
Kết quả hướng tới:
• Hình dạng vỏ ngoài của phao giống với mô hình thực tế và cấu trúc gia
cường bên trong sẽ dựa vào cấu trúc vỏ tàu và hệ số an toàn lớn nhất trong
toàn bộ cấu trúc là 0.7 và luôn giao động từ 0.5-0.7.
• Khối lượng mô hình khoảng 1804 tấn.
• Tọa độ trọng tâm (CoG), và tọa độ tâm nổi (CoB) đúng với kết quả trong
báo cáo và sai số nhỏ hơn 2%. Với trục tọa độ tại tâm trục giữa và ngang
với mức nước
Để đạt kết quả mong muốn, một quy trình giải thuật chi tiết đã được xây dựng như
hình 3-5 nhằm đảm bảo mô hình hệ nổi cho tuabin điện gió ngoài khơi đáp ứng
các tiêu chí: khối lượng, tọa độ trọng tâm (CoG), tọa độ tâm nổi (CoB), hệ số an
toàn trong khoảng cho phép và không bị buckling. Quy trình này bao gồm thiết kế
lại cấu trúc vỏ phao theo mô hình vỏ tàu hai lớp, sử dụng tiêu chuẩn DNV – RP –
C201 và DNV – RP – C202 để tính toán và kiểm tra hệ số sử dụng của các tấm
thép và ống trụ, tránh hiện tượng buckling khi thay đổi kích thước gia cường và
dầm. Mã Python cá nhân và phần mềm STIPLA của DNV được dùng để đảm bảo
các tấm thép không bị buckling và hệ số an toàn nằm trong khoảng cho phép. Các
nêm liên kết được sử dụng để giảm ứng suất tập trung, và các vách ngăn trong
phao (pontoon) được thiết kế để tạo két nước, tham khảo cấu trúc tàu thủy. Kết
quả là mô hình có hình dạng vỏ ngoài giống thực tế, cấu trúc gia cường tối ưu, hệ
số an toàn 0.5-0.7, khối lượng 1804 tấn, sai số tọa độ trọng tâm (CoG) và tọa độ
tâm nổi (CoB) dưới 2%, đảm bảo độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu về độ ổn định
và hiệu quả, chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt, góp phần phát triển bền
vững ngành điện gió ngoài khơi tại Việt Nam.
36
Hình 3-5: giản đồ thiết kế mô hình
37
Sau khi đã áp dụng giảng đồ và áp dụng tính toán gia cường thì đã đưa ra được kết
đúng và sai số luôn nhỏ hơn 2% phù hợp với mục tiêu đặt ra. Đây là mô hình 3D
và chi tiết các bộ phận sau khi đã thiết kế lại dựa theo cấu trúc của vỏ tàu
Hình 3-6: Hình ảnh tổng quan phao nổi..
Cụm cấu trúc dầm và tấm kết nối. Hình ảnh 3D của cụm cấu trúc này như sau:
Hình 3-7: Hình ảnh 3D đầy đủ của cụm chi tiết dầm và vách kết nối.
Theo đó, độ dày lần lượt của Girder và tấm kết nối là 10-15 (mm)
Phần kết nối được sử dụng để kết nối các cụm dầm – vỏ phao nổi với nhau được
tham khảo kết cấu của OC4 (NREL).
Hình ảnh 3D của phần kết nối phao nổi như sau:
38
Hình 3-8: Hình ảnh 3D của phần kết nối phao nổi
Đây là cấu trúc chi tiết các bộ phận cấu trúc bên trong, gồm két nước, nắp đậy,
nêm liên kết, các vách ngăn.
Hình 3-9: Cấu trúc liên kết của mô hình
39
Hình 3-10: Hình ảnh 3D của phần kết cấu pontoon.
Hình 3-11: Hình ảnh 3D của phần kết cấu pontoon mặt trước.
40
Hình 3-12: Thông số của mô hình xuất từ phần mền Solidwork.
Từ kết quả trên ta có được khối lượng của mô hình là 1805719.31 kg và tọa độ
trọng tâm là (0, 0, -20.69)
41
3.2 Trọng tâm và tâm nổi qua các lần thiết kế
Hình 3-13: Minh họa tọa độ gắn với mô hình.
Khi một vật chìm trong chất lỏng, nó chịu tác dụng của một lực hướng lên gọi là
lực nổi và hiện tượng này gọi là lực đẩy Archimedes. Theo đó:
Trọng tâm (CG):
•
•
•
CG là điểm mà toàn bộ trọng lượng của kết cấu có thể được coi là tác
động. Điều cần thiết là phải biết CG để cân bằng cấu trúc hợp lý và đảm
bảo nó vẫn ổn định.
Đối với tuabin gió bán chìm, CG bao gồm trọng lượng của tháp, vỏ bọc,
cánh quạt, bệ và bất kỳ thiết bị bổ sung nào.
CG cần được định vị sao cho cấu trúc vẫn đứng thẳng và chống lật, đặc
biệt là dưới tải trọng gió và sóng.
Tâm nổi (CB):
•
•
•
Đối với cấu trúc nửa chìm, CB thường được đặt ở đâu đó bên dưới mặt
nước.
Biết CB là rất quan trọng để hiểu cách cấu trúc tương tác với lực nước,
đặc biệt là trong việc xác định độ ổn định và hoạt động của nó trước
sóng và dòng chảy.
Mối quan hệ giữa CG và CB quyết định sự ổn định của kết cấu. Lý tưởng
nhất là CG phải ở dưới CB để đảm bảo sự ổn định; nếu CG ở trên CB,
cấu trúc có thể bị lật.
42
Đây là bảng số liệu khối lượng, tọa độ trọng tâm, tọa độ tâm nổi và sai số so với
mô hình mẫu.
Số lần thiết kế
Khối lượng
(tấn)
Sai số
(%)
Tọa độ trong tâm
(m, m, m)
1
2
3
4
5
6
7
8
Mô hình mẫu
2835.939
56.62
2763.635
53.19
2311.728
28.14
1572.281
12.84
1723.912
4.44
1912.273
6
1810.72
0.37
1805.72
0.095
1804
(0,0,-23.16)
(0,0,-23.01)
(0,0,-22.3)
(0,0,-21.8)
(0,0,-19.7)
(0,0,-20.3)
(0,0,-20.84)
(0,0,-20.69)
(0,0,-20.35)
Sai
số
(%)
13.81
13.07
9.58
7.13
3.19
0.25
2.41
1.67
Tọa độ tâm nổi
(m, m, m)
(0,0,-20.95)
(0,0,-20)
(0,0,-20.1)
(0,0,-19.7)
(0,0,-21.2)
(0,0,-17.2)
(0,0,-21.8)
(0,0,-22.1)
(0,0,-22.4)
Bảng 3: Bảng số liệu khối lượng, CoG, CoB qua các lần thiết kế
Từ bảng số liệu trên có được các độ thị kết quả sau để có thể nhìn trực quan hơn:
3000
Khối lượng (Tấn)
2500
2000
Thiết kế
Lý thuyết
1500
1000
1
2
3
4
5
6
7
8
Số lần thiết kế
Hình 3-14: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế.
43
Sai
số
(%)
6.47
10.71
10.27
12.05
5.36
23.21
2.68
1.34
-15
1
2
3
4
5
6
7
8
Tọa độ trọng tâm (Oz)
-17
Thiết kế
-19
Lý thuyết
-21
-23
-25
Số lần thiết kế
Hình 3-15: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế.
-15
1
2
3
4
5
6
7
8
Tọa độ tâm nổi (Oz)
-17
Thiết kế
-19
Lý thuyết
-21
-23
Số lần thiết kế
Hình 3-16: Đồ thị khối lượng theo các lần thiết kế
44
3.3 Kiểm tra buckling của các tấm thép
Sau khi đã sử dụng code python để tính toán hàng loạt các tấm thép theo tiêu chuẩn
DNV-RP-C201 và DNV-RP-C202 thì sau khi đã thiết kế xong sẽ tiến hành kiểm
thử lại buckling của các tấm thép 1 lần nữa với phần mền STIPLA của DNV để
chắc chắn rằng các thiết kế đều phù hợp và không xảy ra lỗi để quá trình mô phỏng
sau này khi phát triển thêm sẽ không phải sửa lại mô hình nữa.
Hình 3-17: Giao diện phần mền STIPLA
Vậy khi đã kiểm thử lại thì hệ số sử dụng của các tấm thép đều nhỏ hơn 0.6 và rất
phù hợp với thực tế và có thể chịu lực tác dụng lớn khi vận hành thực tế
45
CHƯƠNG 4. LƯỢNG NƯỚC CHỨA TRONG
PHAO VÀ CHI PHÍ VẬT LIỆU
4.1 Lượng nước chứa trong phao (pontoon)
Số liệu từ báo cáo thực tế
Như hình 4-5 thì lượng nước biển sẽ lấp đầu các phao nổi và lượng nước ở ba trụ
ngoài có độ cao 7,7m. Đây là các số liệu được lấy dựa trên báo cáo của Design
and analysis for a steel braceless semi-submersible hull for supporting a 5-MW
horizontal axis wind turbine, Chenyu Luan, 01/2018
Lượng nước sẽ được truyền vào trong phao như mô hình sau:
Hình 4-1: Minh họa lượng nước trong phao.
Ngoài ra ta cũng có được thông số cơ bản của ba loại phao khác nhau như bảng
4. Số liệu này được trích từ Queen's University Belfast Belfast [20]. Từ các thông
số này ta có thể so sánh trực quan giữa ba loại phao khác nhau khi tải cùng turbin
5MKW.
46
Bảng 4: Bảng thông số cơ bản của 3 mẫu phao nổi khác nhau
Từ trên số liệu lý thuyết lấy của bài báo của Queen's University Belfast Belfast,
UK [20] thì thể tích khi phao gập nước sẽ là 10517 m3 và khối lượng tổng khi có
cả WT và đây neo là 10780 tấn
Bảng 5: Thông số từ báo cáo của NREL
Từ thông số của TURBINES 5 MW của NREL ta có khối lượng tổng là 697.46
tấn.
Từ các thông số và số liệu trên khối lượng lượng nước trong phao là:
𝑀𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 = 𝜌 ∗ 𝑉
6.5 2
= 1030 ∗ ((6 ∗ 9 ∗ 45.5) + 𝜋 ∗ ( ) ∗ 7.7) ∗ 3
2
= 8381654.842 (𝑘𝑔)
≈ 8381.655 (𝑡ấ𝑛)
Ngoài ra ta cũng có khối lượng của của dây neo được lấy từ số liệu từ bảng 4
được trích từ Queen's University Belfast Belfast [20].
47
Bảng 6: Thông số của dây neo
Chiều dài dây neo trong báo cáo là 1073 (m) và khối lượng của hệ thống dây neo
là:
𝑀𝑀𝐿 = 1073 ∗ 115 ∗ 3 = 123395 (𝑘𝑔) ≈ 123.395 (𝑡ấ𝑛)
Thể tích của hệ thống neo trìm trong nước:
𝑉𝑀𝐿 = 𝜋 ∗ 0.1370 ∗ 700 ∗ 3 ≈ 903.84 (𝑚3 )
Khối lượng các chi tiết khác:
𝑀𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟 = 10555 − 𝑀𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 − 𝑀𝑀𝐿 = 932.939 (𝑡ấ𝑛)
Khảo sát mô hình đã thiết kế
Từ mô hình 3D thì khi phao chìm vô nước thì phao và nêm sẽ chìm hoàn toàn vào
nước và các trụ sẽ trìm ở độ cao 30 (m) tính từ đấy lên.
Xét thể tích của phao:
Hình 4-2: Chia nhỏ các hình nhỏ để tính toán
48
Ta sẽ chia mô hình thành các hình nhỏ như trên để xác định thể tích vật thể trìm
trong nước. Và dựa vào mô hình 3D ta xác định của chiều dài phao kí hiệu điểm 1
trên hình là 43.343 (m) và cạnh hình tam giác đều là 7.57 (m)
Diện tích mặt cắt của phao :
𝑆1 = 𝜋 ∗ 0.82 + (9 − 0.8 ∗ 2) ∗ 6 + (6 − 0.8 ∗ 2) ∗ 0.8 ∗ 2
≈ 53.45 (𝑚2 )
Thể tích của 3 phao nổi:
𝑉1 = 𝑆1 ∗ 43.343 ∗ 3 ≈ 6950.05 (𝑚3 )
Diện tích mặt tam giác số 2:
𝑆2 = 0.5 ∗ 7.572 ∗ sin 60 ≈ 24.81 (𝑚2 )
Thể tích của 3 nêm như trên hình
𝑉3 = 0.5 ∗ 52 ∗ sin 120 ∗ 9 ∗ 0.01 + (6 − 0.8 ∗ 2) ∗ 5 ∗ sin 30 ∗ 9 ∗ 0.01
≈ 1.9643 (𝑚3 )
Vì mức nước lấy ở độ cao 30m tính từ đáy, nên ta có được thể tích của vật thể
chiếm chỗ trong nước là:
6.5 2
𝑉𝑎𝑙𝑙 = 𝑉1 + 𝑆2 ∗ 6 + 𝑉3 + (𝜋 ∗ ( ) ) ∗ 4 ∗ 24 ≈ 10286.45 (𝑚3 )
2
Lực đẩy Acsimet tác dụng lên phao nổi:
𝐹𝐴 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ (𝑉𝑎𝑙𝑙 + 𝑉𝑀𝐿 ) = 1030 ∗ 9.81 ∗ (10286.45 + 903.84)
= 113070.0472 (𝑘𝑁)
Để hệ thống cân bằng thì khối lượng nước cần chứa trong phao là Mw3D
𝐹𝐴 = 𝑔 ∗ (𝑀3𝐷 + 𝑀𝑀𝐿 + 𝑀𝑊𝑇 + Mw3D + 𝑀𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟 )
 Mw3D = 7966.484 (tấn)
Vậy lượng nước biển sẽ bơm vào phao để có được mức chìm 30 (m) như báo cáo
lý thuyết là khoảng 8000 tấn nước biển. Sai số với các báo cáo thực tế khoảng 4%
và điều này là đúng do là thể tích chìm trong trước của mô hình thiết kế nhỏ hơn
do phần bo tròn vỏ ngoài. Dẫn tới lực đẩy Archimedes tác dụng lên phao cũng sẽ
nhỏ đi nên sẽ phải giảm lượng nước biển bơm vào bên trong phao.
4.2 Chi phí vật liệu
Việc tính toán chi phí vật liệu trong một dự án dựa vào các thông tin từ bài báo
"Cost Evaluation of Two Concepts for the Integration of Hydro-pneumatic Energy
Storage in Floating Wind Turbines"[22] (Đánh giá chi phí của hai khái niệm tích
hợp lưu trữ năng lượng thủy khí trong cột gió nổi) và bài báo A cost study of the
PelaStar floating foundation system in UK waters [21]có thể được thực hiện theo
một mô hình tính toán nhất định. Từ các ý tưởng được trích dẫn từ bài báo này, ta
49
có thể hiểu rằng một trong những yếu tố quan trọng trong tính toán chi phí là chi
phí vật liệu, đặc biệt là chi phí thép.
Theo mô hình được mô tả, chi phí vật liệu thép C_(st) có thể được tính bằng công
thức:
𝐶𝑠𝑡 = [𝑐𝑠𝑡,𝑚𝑎𝑡 × (𝑀𝑠𝑡,𝑓 + 𝑀𝑠𝑡,𝑠𝑏 )] + [𝑐(𝑠𝑡,𝑓𝑎𝑏)(𝑡𝑥) × 𝑀𝑠𝑡,𝑓 ] + [𝑐(𝑠𝑡,𝑓𝑎𝑏)(𝑡𝑥) × 𝑀𝑠𝑡,𝑠𝑏 ] (4.1)
Trong đó:
•
𝑀𝑠𝑡,𝑠𝑏 là khối lượng thép dùng làm kết cấu đáy biển.
•
𝑐𝑠𝑡,𝑚𝑎𝑡 là giá nguyên liệu thép tính bằng Euro/kg.
•
𝑐(𝑠𝑡,𝑓𝑎𝑏)(𝑡𝑥 ) là chi phí chế tạo thép tính bằng Euro/kg được biểu thị dưới
dạng hàm số của độ dày tấm thép 𝑡𝑥 .
•
𝑀𝑠𝑡,𝑓 là khối lượng của mỗi phao.
Đồng thời, một giả định quan trọng trong mô hình này là chi phí chế tạo giảm
tuyến tính với độ dày tấm theo mối quan hệ:
(𝑡𝑥 − 200)
(4.2)
𝑐(𝑠𝑡,𝑓)(𝑡𝑥) = 𝑐𝑠𝑡,𝑓 +
× (𝑐𝑠𝑡,𝑓,10 − 𝑐𝑠𝑡,𝑓,200 )
(10 − 200)
Trong đó 𝑡𝑥 là độ dày tấm tính bằng mm và 𝑐𝑠𝑡,𝑓,10 và 𝑐𝑠𝑡,𝑓,200 biểu thị chi phí chế
tạo đối với thép tấm có độ dày lần lượt là 10 và 200 mm.
Với những mô hình và phương pháp tính toán này, người ta hy vọng rằng tính kinh
tế nhờ quy mô sẽ giúp giảm chi phí trong các quy trình chế tạo liên quan đến cắt,
cán và hàn tự động, dẫn đến chi phí chế tạo trên mỗi đơn vị khối lượng sẽ giảm
đối với các tấm thép dày hơn. Điều này có thể hỗ trợ trong việc đưa ra quyết định
về lựa chọn vật liệu và thiết kế trong các dự án cột gió nổi tích hợp lưu trữ năng
lượng thủy khí.
𝐶𝑐 = 𝑐𝑐 × [𝑉𝑐,𝑏 + 𝑉𝑐,𝑓𝑛𝑑 ]
(4.3)
trong đó Vc,b và Vc,fnd là thể tích bê tông dùng làm đá dằn TLP và móng trọng lực
đáy biển. cc là giá thành bê tông cốt thép trên một đơn vị thể tích. Chi phí cho dây
neo TLP được giả định tăng tuyến tính với tích của chiều dài và lực căng được duy
trì, như sau:
(4.4)
𝐶𝑚𝑟 = 𝑛𝑡 × 𝑐𝑚𝑟 × (𝐻 − ℎ1 )
trong đó nt là số lượng dây buộc bị căng trong khi cmr là chi phí của dây neo trên
mỗi newton-mét. Công thức trên cho phép chi phí dây buộc cao hơn khi yêu cầu
về độ căng tăng lên. Giả định rằng các dây neo TLP kéo dài từ đế của cấu trúc
phao hình trụ xuống tới bệ trọng lực nằm ở đáy biển. Chi phí của dây rốn khí nén
cho Khái niệm B được biểu thị bằng mối quan hệ sau:
(4.5)
𝐶𝑝𝑢 = 𝑐𝑝𝑢 × (𝐻 − ℎ1 ) × 𝑓𝑝𝑢
50
Cpu là chi phí dây rốn trên một đơn vị chiều dài tính bằng Euro/m và H là độ sâu
của biển. Thuật ngữ fpu là hệ số an toàn được áp dụng cho chiều dài tối thiểu
(H – h1) để đảm bảo rằng dây rốn nổi tự do và không bị căng khi TLP đang dâng
cao. Chi phí sơn được xác định bằng Euro trên mét vuông diện tích bề mặt. Giả
định rằng các kết cấu hình trụ bằng thép nổi và đáy biển được sơn trên cả bề mặt
bên ngoài và bên trong. Chi phí tuabin bơm được biểu thị bằng:
(4.6)
𝐶𝑝𝑡 = 𝑐𝑝𝑡 × 𝑃𝑟
trong đó cpt là chi phí cụ thể tính bằng Euro/kW và Pr là công suất định mức. Chi
phí tổng thể, Ctot của toàn bộ cấu trúc hỗ trợ nổi có HPES tích hợp bằng tổng các
chi phí khác nhau, với các yếu tố tính đến chi phí quản lý và thiết kế kỹ thuật cũng
như lợi nhuận tổng thể như sau:
𝑘𝑝𝑟𝑓
𝑘𝑒𝑑𝑚
𝐶𝑡𝑜𝑡 = (𝐶𝑠𝑡 + 𝐶𝑐 + 𝐶𝑚𝑟 + 𝐶𝑝𝑢 + 𝐶𝑝𝑛𝑡 + 𝐶𝑐𝑜𝑟𝑟 + 𝐶𝑝𝑡 + 𝐶𝑎𝑛 ) × (1 +
) (1 +
) (4.7)
100
100
trong đó Cpnt, Ccorr và Can là chi phí sơn, thiết bị chống ăn mòn và hệ thống sàn
phụ trợ. kedm là tỷ lệ phần trăm chi phí liên quan đến chi phí quản lý và thiết kế
kỹ thuật và kprf là phần trăm lợi nhuận thu được khi phát triển cơ cấu. Ctot chỉ
xem xét phần cứng liên quan đến cấu trúc TLP có tích hợp HPES. Các chi phí liên
quan đến tuabin gió và hệ thống cáp điện được loại trừ.
Bảng gia của Thép
Trong tháng 04/2024, thị trường thép tấm đóng tàu tiếp tục phát triển mạnh mẽ với
sự đa dạng về sản phẩm và giá thành từ các nhà cung cấp hàng đầu như Công ty
Sắt Thép Đông Dương SG. Dưới đây là bảng giá cụ thể cho các loại thép tấm phổ
biến:
1. Thép Tấm Đóng Tàu SS400: 14,200 VNĐ/kg
2. Thép Tấm Đóng Tàu A36: 14,200 VNĐ/kg
3. Thép Tấm Đóng Tàu A572: 14,800 VNĐ/kg
4. Thép Tấm Đóng Tàu Q345: 15,000 VNĐ/kg
5. Thép Tấm Đóng Tàu Q355: 15,100 VNĐ/kg
Ngoài ra, có sự đa dạng về sản phẩm khác như thép tấm AH36, DH36, EH36, D36,
E36, VN36, đều tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM, đáp ứng nhu cầu đa
dạng của các dự án xây dựng.
Thép chữ T gia cường là lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp xây dựng và
kết cấu, nhờ vào những ưu điểm vượt trội như độ bền cao, khả năng chống lực tốt,
khả năng chịu lực nén và uốn tốt, cũng như khả năng chống cháy và thân thiện với
môi trường.
Dưới đây là bảng giá của công ty thép Đông Dương SG và công ty tôn thép Liki
Steel
51
Loại thép
Minh họa
Thép tấm
Thép gia
cường
chữ T
Bề dày
(mm)
Chiều dài hoặc khổ
tấm
(mm)
Khối
lượng
(kg)
Giá tiền
(VND)
15
1500*6000
1059.75
15,048,450
12
1500*6000
847.8
12,038,760
10
1500*6000
706.5
10,032,300
12000
112
1,586,000
12000
170
2,385,000
200*100*8*12
150*75*7*12
Bảng 7: Bảng tổng hợp chi phí của các tấm thép theo bề dầy khác nhau
Thông tin giá thép tấm trên được cập nhật tại trang web
https://dongduongsg.com.vn/gia-thep-tam-ngay-2-4-2024/ của công ty thép Đông
dương. Và bảng giá thép gia cường chữ T được cập nhật tại công ty tôn thép Liki
Steel https://likisteel.com/thep-hinh/
Tính toán chi phí vật liệu thép
Bộ
phận
Số
lượng
Khối lượng (kg)
Hao phí
Phần trăm HP(%)
Khối lượng
tổng
Nêm
liên kết
3
6118.61
420.4403
6.8715
6539.0503
Gia
cường
của
phao
3
62689.72
18020.5362
28.7456
80710.2562
Vỏ
ngoài
của
phao
1
294401.6
2568.0652
0.8723
296969.6652
Vỏ
trong
của
phao
1
209159.15
958.3672
0.4582
210117.5172
Hình minh họa
52
Nắp
hộp
phao
3
3217.98
0
0
3217.9800
Vách
ngăn
két
nước
6
4320.97
0
0
4320.9700
Nắp trụ
6
6633.551
58.3354
0.8794
6691.8864
Gia
cường
trụ giữa
1
49365.92
1790.6994
3.6274
51156.6194
Gia
cường
vòng
trụ
34
926.07
132.6651
14.3256
1058.7351
Vỏ
ngoài
của trụ
4
56676.28
0
0
56676.2800
Gia
cường
bên
trong
của trụ
3
142805.57
6687.4420
4.6829
149493.0120
Gia
cường
chữ T
234
132.3
0
0
132.3000
Bảng 8: Bảng tổng hợp hao phí của các thành phần mô hình
53
Từ bảng tính toán chi tiết, chúng ta đã suy ra được rằng tổng hao phí của các bộ
phận trong quá trình chế tạo phao nổi chiếm khoảng 12.104%.
Thêm vào đó, dựa trên thông tin từ nghiên cứu "Cost Evaluation of Two Concepts
for the Integration of Hydro-pneumatic Energy Storage in Floating Wind
Turbines" của T. Sant et al. (2018), chúng ta nhận thấy rằng hao phí từ các khâu
hàn gắn và vắt gia công các tấm thép có thể dao động từ 1.2 đến 1.4% trên tổng
khối lượng thép. Tính toán tổng hao phí, chúng ta có thể ước lượng rằng tổng hao
phí sẽ nằm trong khoảng từ 13.304 đến 13.504%. Vậy hao phí trung bình sẽ là
13.404%
Ngoài ra khi áp dụng công thức tính hoa phí ở mục 4.2 khi sử dụng các tấm thép
kích thước 1.5*6 (m) thì ta có được hao phí 9.2534%. Vầy tổng hao phí vật liệu là
22.6574%
So với tỷ lệ hao phí được báo cáo trong nghiên cứu trên, khoảng 20% -25%, chúng
ta có thể tin rằng các số liệu tính toán là hợp lý và có thể chấp nhận được. Điều
này là minh chứng cho sự kỹ lưỡng và đáng tin cậy của nghiên cứu, mang lại thông
tin quan trọng và chính xác cho các quyết định liên quan đến chi phí và đánh giá
dự án.
Vậy tổng khối lượng thép cần sử dụng là:
𝑀𝑆𝑡𝑒𝑒𝑙 = (100% + 22.6574%) ∗ 𝑀3𝐷 = 2214.8492 (𝑡ấ𝑛)
Chi phí vật tư dựa vào bằng giá thép của công ty thép Đông Dương SG và công ty
tôn thép Liki Steel vào ngày 29/4/2024 là:
15048.45
= 𝑀𝑆𝑡𝑒𝑒𝑙 ∗
= 34.450.858.000 (𝑉𝑁𝐷)
1.05975
Và chi phí vật tư sẽ vào khoảng 34.45 tỷ đồng (1.35 triệu đô la Mỹ) cho khối lượng
2214.8492 tấn thép
54
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN
5.1 Kết quả đạt được
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu này, tôi đã đạt được những kết quả quan
trọng sau đây:
•
Thiết kế phao nổi phù hợp: Đã đề xuất một thiết kế phao nổi đáp ứng các
điều kiện và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, đảm bảo tính khả thi và hiệu suất
của hệ thống tuabin điện gió trên biển.
•
Tính toán tính khả thi của thiết kế: Đã thực hiện các tính toán chi tiết liên
quan đến trọng lượng, tâm trọng tâm (CoG), tâm nổi (CoB), và lượng nước
trong phao. Các kết quả tính toán này đã chứng minh rằng thiết kế phao nổi
có thể chịu được các điều kiện môi trường biển khắc nghiệt.
•
So sánh và đánh giá: Kết quả của thiết kế đã được so sánh với các thông
số và dữ liệu từ các bài báo và tài liệu tham khảo hiện có. Sự khác biệt đã
được đánh giá và những điểm yếu đã được xác định để cải thiện trong tương
lai.
Tính toán chi phí: Đã tiến hành tính toán chi tiết chi phí chế tạo cho từng
bộ phận của phao nổi, từ đó đưa ra tổng chi phí chế tạo. Kết quả này giúp
cung cấp một bức tranh rõ ràng về chi phí nguyên vật liệu và các yếu tố
kinh tế liên quan đến việc triển khai phao nổi.
•
•
Phân tích và suy luận: Các kết quả tính toán đã được phân tích và so sánh
với mục tiêu ban đầu của nghiên cứu. Từ đó, tôi đã suy luận và đưa ra những
kết luận quan trọng về tính khả thi và hiệu quả của thiết kế, cũng như chi
phí vật liệu dự kiến.
5.2 Hạn chế và phương hướng phát triển
Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả quan trọng, nghiên cứu này vẫn còn một số hạn
chế cần được khắc phục và phát triển trong tương lai:
•
•
Hạn chế về dữ liệu thực nghiệm: Do giới hạn về thời gian và nguồn lực,
nghiên cứu chủ yếu dựa trên các mô hình lý thuyết và các dữ liệu tham
khảo. Việc thực hiện các thử nghiệm thực tế trên mô hình phao nổi trong
môi trường biển sẽ cung cấp dữ liệu chính xác hơn và giúp cải thiện thiết
kế.
Hạn chế về mô phỏng môi trường: Mặc dù đã cố gắng mô phỏng các điều
kiện môi trường biển, nhưng việc mô phỏng này vẫn chưa thể bao quát hết
tất cả các yếu tố và biến đổi thực tế của môi trường biển. Các nghiên cứu
tiếp theo nên tập trung vào việc mô phỏng chi tiết hơn và sử dụng các công
cụ mô phỏng hiện đại.
55
•
Hạn chế về thiết kế: Vì đây mới chỉ là thiết kế định hướng nên dẫn tới chưa
có các bộ phận chi tiết như thăng leo, các bộ phận bảo vệ an toàn, đường
ống hay chỗ neo đậu của thuyền cập vào
•
Phương hướng phát triển:
•
•
Nâng cao tính chính xác của mô hình: Sử dụng các công cụ và
phần mềm mô phỏng tiên tiến hơn để nâng cao độ chính xác của các
mô hình thiết kế và tính toán.
Thử nghiệm thực tế: Triển khai các thử nghiệm thực tế với các mô
hình phao nổi để thu thập dữ liệu thực tế, từ đó cải thiện và hoàn
thiện thiết kế.
•
Phát triển vật liệu mới: Nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới
có tính năng cơ học và kháng ăn mòn tốt hơn, nhằm tăng cường độ
bền và tuổi thọ của phao nổi.
•
Đánh giá kinh tế - môi trường: Tiến hành các nghiên cứu đánh giá
tác động kinh tế và môi trường của việc triển khai hệ thống tuabin
điện gió trên biển với phao nổi, nhằm đưa ra các giải pháp bền vững
và hiệu quả nhất.
Tiến hành chia lưới và mô phỏng chịu lực: Sẽ tiến hành sử dụng
phần mền Jupiter của công ty để tiến hành chia lưới cho mô hình và
sử dụng cho mô phỏng chịu lực tiếp theo.
•
•
Thiết kế chi tiết: Thiết kế thêm các bộ phận phụ của phao như thang
leo, đường ống, chỗ neo – đậu – cập vào của thuyền.
56
DANH MỤC TÀI LIỆU
[1]
“Wind energy.” Accessed: Mar. 26, 2024. [Online]. Available:
https://www.irena.org/Energy-Transition/Technology/Wind-energy
[2]
“Bến Tre lấy điện gió làm hạt nhân phát triển kinh tế biển.” Accessed: Mar.
26, 2024. [Online]. Available: https://baochinhphu.vn/ben-tre-lay-dien-giolam-hat-nhan-phat-trien-kinh-te-bien-102230420110716292.htm
[3]
“NTNU Open: Design and analysis for a steel braceless semi-submersible
hull for supporting a 5-MW horizontal axis wind turbine.” Accessed: Mar.
15,
2024.
[Online].
Available:
https://ntnuopen.ntnu.no/ntnuxmlui/handle/11250/2563372
M. Karimirad and C. Michailides, “V-shaped semisubmersible offshore
wind turbine: An alternative concept for offshore wind technology,” Renew
Energy,
vol.
83,
pp.
126–143,
Nov.
2015,
doi:
10.1016/J.RENENE.2015.04.033.
[5] A. Robertson et al., “Definition of the Semisubmersible Floating System for
Phase II of OC4,” Golden, CO (United States), Sep. 2014. doi:
10.2172/1155123.
[6] M. Komatsu, H. Kumamoto, M. Ohta, H. Tanaka, H. Mori, and S. Miyazaki,
“Development of Offshore Wind Turbine Floater that Blends into Japanese
Waters-Evaluation of the Validity for Design and Applied Methods for Vshaped Semi-submersible Floating structure,” 2016.
[7] H. Shin, B. Kim, P. T. Dam, and K. Jung, “Motion of OC4 5MW semiSubmersible offshore wind turbine in irregular waves,” Proceedings of the
International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering OMAE, vol. 8, 2013, doi: 10.1115/OMAE2013-10463.
[8] E. E. Bachynski, M. Thys, T. Sauder, V. Chabaud, and L. O. Sæther, “Realtime hybrid model testing of a braceless semi-submersible wind turbine. Part
II: Experimental results,” Proceedings of the International Conference on
Offshore Mechanics and Arctic Engineering - OMAE, vol. 6, 2016, doi:
10.1115/OMAE2016-54437.
[9] Z. qiang Hu, L. Li, J. Wang, Q. hao Hu, and M. cheng Shen, “Dynamic
responses of a semi-type offshore floating wind turbine during normal state
and emergency shutdown,” China Ocean Engineering, vol. 30, no. 1, pp.
97–112, Mar. 2016, doi: 10.1007/S13344-016-0005-Y.
[10] M. Collu and M. Borg, “Design of floating offshore wind turbines,”
Offshore Wind Farms: Technologies, Design and Operation, pp. 359–385,
Jan. 2016, doi: 10.1016/B978-0-08-100779-2.00011-8.
[11] Y. Dong, J. Zhang, S. Zhong, and Y. Garbatov, “Simplified Strength
Assessment for Preliminary Structural Design of Floating Offshore Wind
[4]
57
Turbine Semi-Submersible Platform,” Journal of Marine Science and
Engineering 2024, Vol. 12, Page 259, vol. 12, no. 2, p. 259, Jan. 2024, doi:
10.3390/JMSE12020259.
[12] “DNV.com - When trust matters - DNV.” Accessed: Mar. 26, 2024.
[Online]. Available: https://www.dnv.com/
[13] “Det Norske Veritas rules and standards.” Accessed: Mar. 26, 2024.
[Online]. Available: https://rules.dnv.com/servicedocuments/dnvpm/
[14] D. J. Eyres, Ship construction. Butterworth-Heinemann, 2001. Accessed:
Mar.
28,
2024.
[Online].
Available:
https://books.google.com/books/about/Ship_Construction.html?id=RsNaur
9QzkkC
[15] “BEAM | English meaning - Cambridge Dictionary.” Accessed: Mar. 26,
2024.
[Online].
Available:
https://dictionary.cambridge.org/dictionary/english/beam
[16] J. Kee. Paik and A. Kumar. Thayamballi, Ultimate limit state design of steel
plated structures. J. Wiley, 2003. Accessed: Mar. 26, 2024. [Online].
Available:
https://books.google.com/books/about/Ultimate_Limit_State_Design_of_S
teel_Pla.html?id=e7NtH5xXnH0C
[17] G. L. Putra, M. Kitamura, and A. Takezawa, “Structural optimization of
stiffener layout for stiffened plate using hybrid GA,” International Journal
of Naval Architecture and Ocean Engineering, vol. 11, no. 2, pp. 809–818,
Jul. 2019, doi: 10.1016/J.IJNAOE.2019.03.005.
[18] “DNV-RP-C201 Buckling strength of plated structures.” Accessed: Mar. 28,
2024. [Online]. Available: https://www.dnv.com/oilgas/download/dnv-rpc201-buckling-strength-of-plated-structures/
[19] “DNV-RP-C202 Buckling strength of shells.” Accessed: Mar. 28, 2024.
[Online]. Available: https://www.dnv.com/oilgas/download/dnv-rp-c202buckling-strength-of-shells/
[20] “A COMPARATIVE STUDY ON THE DYNAMIC RESPONSE OF THREE
SEMISUBMERSIBLE FLOATING OFFSHORE WIND TURBINES
Environment, Queen's University Belfast Belfast, UK
[21] PelaStar Cost of Energy: A cost study of the PelaStar floating foundation
system in UK waters
[22] Cost Evaluation of Two Concepts for the Integration of Hydro-pneumatic
Energy Storage in Floating Wind Turbines To cite this article: T. Sant et al
2018 J. Phys.: Conf. Ser. 1037 042019
58
PHỤ LỤC
Hình 6-1: Mô hình tổng quát phao nổi
Hình 6-2: Bản vẽ 2D vỏ ngoài pontoon.
59
Hình 6-3: Bản vẽ 2D đầy đủ của cụm chi tiết dầm và tấm kết nối
Hình 6-4: Bản vẽ 2D của chi tiết nêm.
60
Hình 6-5: Bản vẽ 2D của phần kết nối phai nổi
Hình 6-6: Bản vẽ 2D của phần vách ngăn két nước
61
Hình 6-7: Bản vẽ 2D của phần nắp cột trụ phao nổi
Hình 6-8: Bản vẽ 2D của phần gia cường vòng
62
Hình 6-9: Bản vẽ 2D của phần két nước trụ đứng
63