海上风电基础型式与设计选型

龙源期刊网海上风电基础型式与设计选型作者：辛硕来源：《科学与财富》2016年第13期摘要：随着陆上风电的飞速发展，我国海上风电场建设也逐步拉开了帷幕。出于建设条件的难度考虑，海上风电基础结构设计不光要考虑结构自身的稳定度和经济性，更多要综合考虑现场实际施工的难易。本文对常见的基础类型进行了对比分析，并对其施工工艺予以阐述，旨在为海上风电基础设计提供理论支持与实践指导。关键词：海上风电；基础设计；结构选型；施工技术1概述风力发电是当前建设作为广泛的可再生清洁能源之一，2015年上半年，我国共有270座风电场项目开工吊装，新增装机5474台，但海上风电仅有50台。海上储存了相当丰富的风能资源，许多发达国家的海上风电技术已经相当成熟，根据国外的建设经验来看，海上风电基础造价约占风电场总成本的两到三成，本文将来探讨海上风电基础结构选型这个问题，以期降低建设成本，推动我国海上风电技术的发展。2专业研究现状一般意义来讲海上风电的基础结构形式通过属性、配置、安装方法、外形和材料的不同分类为四种常见形式，包括：重力式基础（水深0～10m）、桶基单立柱结构基础水深（0～25m）、单立柱结构（单桩或三桩）（水深0～30m）、三或四腿导管架基础（水深大于20m）、浮式结构基础（水深大于50m）。与陆上风电相比海域地质条件变化更为复杂，同一区域很多都不能固定设计为单一的某种结构形式，混合设计是接近实际、节约成本的最佳选择。根据2000～2006对国外海上风电场基础结构形式的抽样调查不完全统计，其中如英国（Blyth工程、NorthHoyle工程、ScrobySands工程、KentishFlants工程、Barrow工程、Breatrice工程等），瑞典（YttreStengrunden工程、Utgrunden工程等），丹麦（HomsRev工程、Samso工程、Nysted工程等），爱尔兰ArklowBank工程均采用单桩基础结构；丹麦Middelgrunden工程采用的重力式基础结构；丹麦Frederkshavn工程采用的吸力式基础结构；英国Breatrice工程采用多桩基础结构……综合设计施工技术、海域条件、船机设备等多方面来看，桩基式、重力式、桶式为常用的基础结构形式，单桩基础应用最为广泛。在我国，2007年渤海投产的首台海上风机因地制宜，采用了海上油田闲置的四腿导管架结构，后来的东海大桥海上风电因风机排列临近航道，考虑防行船碰撞而采用的多桩承台结构。3常见基础基本施工工艺3.1单桩基础龙源期刊网桩基础按照材质可分为高强度预应力混凝土管桩（PHC桩）和钢桩，按结构形式又可分为单桩、单立柱三桩、多桩承台和导管架结构，这里我们重点介绍单立柱的单桩基础。单立柱式单桩基础主要由单根3～6m直径之间的钢管桩及法兰过渡连结段组成。海上风电发展初期均是由近海风电为首先发展的对象，以03年丹麦Samso海上风电项目为例，其采用的是4.5m的单立柱钢桩结构，而当时我们国家PHC最大桩径只能做到1.4m的直径，无法应用于海上大型风力发电机组。这里我们通过港口工程灌注桩设计与施工规范中的公式：，其中Lt表示桩的入泥深度，Lt是D直径的幂函数，按常理来说如果想避免桩径过大不容易实现的问题，可采用增加桩长的方法，根据上式，当桩径D减小时Lt成几何倍数增加，这种方法明显是错误的。单立柱单桩基础施工工艺成熟，基本流程即：钢管桩及其过渡段预制加工、桩的运输与沉设、过渡段安装、灌浆。但桩径较大需要相应的大型桩机设备，这在大型施工机械设备制造方面提出来更高的要求。3.2单立柱三桩我国在大型单桩打桩设备存在瓶颈，单立柱三桩结构及时的解决了这个突出的难题。单立柱三桩风机基础又称为水下桩基础，其施工工艺的主要特点在于水下连接，具体步骤为，以三根中等直径的钢管桩先在海底定位，然后将三根桩按等边三角形布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础，基础施工顺序为，沉放三脚架，通过导管打桩，导管与基桩的水下连接（可采用关注高强度化学浆液），水下焊接连接，三角桁架为预制构件，承受上部塔架荷载并将应力和力矩传递于三根钢桩，三脚桁架的预制钢构件设设置数根水平和斜向钢连杆，其分别连接三根钢套管和位于中心的上部竖向钢管，竖向钢管顶端设法兰与风机塔架相连接。本基础的优势在于，不但成功解决了单桩桩径过大的问题，而且成本介于单桩和三腿导管架结构之间，综合水深和地质条件等诸多因素适用范围也比较广。3.3多桩承台多桩承台基础分为高桩承台与低桩承台，例如我国在建设东海大桥海上风电项目上采用了高桩承台结构基础，其主要选型原因是出于本风电场位于桥下航道区域，防止船舶碰撞。多桩承台对于施工设备要求并不高，国内能进行施工的船舶较多，施工工艺相对成熟很多，适合离岸15公里以内海域的风电场施工。3.4导管架基础导管架结构可设计成三腿、四腿，或采用三腿（四腿）加中心桩的结构型式，导管架分为直式、单倾、双倾等多种形式，但是施工的时候需要两套桩锤，故浅水中不宜选用此类型式，当然这还取决于各种荷载大小，尤其是水深。导管架结构可以有效解决水下连接的问题，承载力也相应大幅度提高，适用于30m以上水深的近海风电场。导管架的施工工艺和单立柱三桩龙源期刊网基本相同，但此种结构钢材消耗量很大，可作为备选方案。渤海油田示范项目选用的就是导管架基础结构型式，这也是我国海上风力发电的第一例，在风力发电机组安装时，首先将导管架帽、塔架和风力发电机组在陆地组装完毕后，整体吊装至驳船上运输到安装平台现场。3.5浮式基础英国BlueH公司于2008年研制出了世界上第一台海上浮力式风力发电机组（双叶片），风力发电机组和浮式基础在陆地上组装在一起之后由拖船运输至风机安装点位，第一台样机的浮式平台基础类似于半潜式平台结构，风电机组位于平台中央的立柱上，平台用特殊的强力锚链线锚定在海地的重块上，锚链线长度可调节，以保证风力机在50-300m的水深下能够稳定运行。相对于固定的桩基础和导管架基础浮式结构作为安装风电机组的作业平台成本较低，运输相对快捷很多。核心条件是浮式基础有足够的浮力支撑风电机组的重量，并且保证其在限定的范围内摇晃、倾斜和法向平移。4海上风电机组基础主控选型因素主要影响因素包括：水深、海床和海地土壤情况、环境荷载、安装工艺、动力特性要求和实际成本。海上风机载荷除了陆地风机一样的各种荷载条件以外还包括额外的流体动力荷载、海冰荷载和意外的航船冲击荷载，具有更多的非线性和动态响应，不确定的冰荷载，还有海浪和风的耦合作用对风电机组产生的疲劳荷载影响。5小节我国的海上风电还有很长的路要走，如何选择安全、稳定、经济的基础型式，需要大量、详细、周密的勘察与分析。基础结构的设计同风电机组的厂商有着非常紧密的联系，由于施工环境的特殊性，各种新的施工工艺和工程技术需要我们在今后的生产中反复实践，不断摸索。