海上风电风机基础选型

-1-海上风电场风机基础选型1.概述风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上25%；海上风湍流强度小，具有稳定的主向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命；风切变小，因而塔架可以较低；在海上开发风能，受噪声、景观、鸟类、电磁波干扰等问题较少；海上风电场不涉及土地征用等问题，人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋家或地区，较适合发展海上风电。海上风能利用不会造成大气污染和产生任何有害，可减少温室效应气体的排放，环保价值可观，海上风电的这些优点，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。发电成本是海上风电发展的瓶颈，影响海上风电成本的主要因素是基础结构成本(包括制造、安装和维护)。目前，海上风电场的总投资中，基础结构占20~30%，而陆上风电场仅为5~10%。因此发展低成本的海上风电基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。2.风机基础结构型式海上风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的主要因素之一。目前国外研究和应用的海上风机基础从结构结构型式上主要分为重力式基础、桩基础及悬浮式基础。前两种形式已在欧洲海上风电场建设中得到广泛应用，悬浮式基础为正在研制阶段的深水海上风电技术。2.1.重力式基础重力固定式基础体积较大，靠重力来固定位置，主要有钢筋混凝土沉箱型或钢管柱加钢制沉箱型等等，其基础重量和造价随着水深的增加而成倍增加，丹麦的Vindeby、TunøKnob、Middelgrunden和比利时的ThorntonBank海上风电场基础采用了这种传统技术。重力式基础适合坚硬的黏土、砂土以及岩石地基，地基须有足够的承载力支撑基础结构自重、上部风机荷载以及波浪和水流荷载。重力式基础一般采用预制圆形空腔结构（图2-1），空腔内填充砂、碎石或其他密度较大的回填物，使基础有足够自重抵抗波浪、水流荷载以及上部风机荷载对基础产生的水平滑动、-2-倾覆。基础尺寸根据地基承载力以及抵抗滑动、倾覆所需要的抗力决定。圆形结构安放前须在地基上铺设一定厚度的抛石基床，一方面起整平作用，另一方面可以扩散结构对地基的应力，起减小地基应力及减弱不均匀沉降作用。基础可在陆上预制场内预制或驳船上预制，采用半潜驳运至风机位置，起重船吊装就位。重力式基础对地基承载力要求较高，适用于30m水深以下的海域，优点：基础采用钢筋混凝土结构，本体造价较钢结构低；缺点：基础的体积较大，需在岸边预制，运输、就位较为不便，同时地基需一定的处理（平整基床）。重力式基础不适合流沙形的海底情况。另外，由于重力式基础一般重达3000t左右，其海上运输和安装等均不方便。图2-1重力式基础2.2.桩基础桩基础利用打桩、钻孔或喷冲的方法将钢管安装在海底泥面以下一定的深度，将风机塔架固定其上起支承作用。桩基础可分为单桩基础、多桩承台基础及多脚架组合基础。2.2.1.单桩基础（Monopile）支柱固定式基础利用打桩、钻孔或喷冲的方法将钢质支柱安装在海底泥面以下一定的深度，将风机塔架固定其上起支承作用（图2-2）。其插入深度由水深和海床地质条件决定，其水深一般小于30m（平均水位）。国外现有的大部分-3-海上风电场，如丹麦HornsRev和Nysted、爱尔兰Arklowbank、英国NorthHoyle、ScrobySands和KentishFlats等大型海上风电场均采用了这种基础。图2-2单桩基础单桩式基础因其结构简单和安装方便，为目前应用最普遍的形式。它由钢制圆管构成，圆管壁厚在30~60mm，直径在4~6m。由于单桩打入海底较深，该基础形式有较大的优势，但对于海床有岩石的情况就不合适采用此类基础。由于单桩式基础在更深的水况下，只能通过加长钢制圆管的长度来适应水深，但会导致基础钢管的刚性及稳性降低，所以单桩式基础适应的最大水深约25m。2.2.2.多桩承台基础多桩式高桩承台基础，参考了国内施工建设中已趋成熟的海上独立式墩台基础和跨海大桥桥墩基础结构形式；其结构由基桩和承台组成（图2-3），其基桩可采用预制桩、灌注桩或钢管桩。图2-3多桩承台基础预制桩一般选用PHC管桩较为经济，但PHC管桩施打时对风浪要求较高、遇深厚砂土层时沉桩较为困难以及施工期在波浪力的作用下易造成桩身脆性破-4-坏等问题。灌注桩只能做成直桩，抵抗大的水平推力时只能靠增加桩径来解决，且灌注桩在海上施工时需搭设施工平台，施工周期长，一般不采用。钢管桩具有刚度大，重量较小，沉桩施工方便等优点，被东海大桥风电场采用。承台采用圆形结构，承台的直径根据桩的数量的间距来确定，承台的高度根据桩进入承台的深度及上部风筒连接件的埋置深度确定。2.2.3.多脚架组合基础多脚架组合式基础主要在海上石油平台、海上灯塔建设中得到一定的运用,据了解，我国在渤海、东海水深15～80m海域设立的海上石油导管架结构，均采用此类基础。三脚架组合式基础结构型式为：用多根中等直径的钢管桩定位于海底，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础（图2-4）。多脚桁架承受上部塔架荷载，并将应力与力矩传递于钢桩。图2-4多脚架组合式基础2.3.悬浮式基础悬浮式基础按照基础上安装的风机的数量分为多风机式和单风机式。多风机式即指在一个浮式基础上安装有多个风机（图2-5），但因稳性不容易满足和所耗费的成本过高，一般不予考虑。另一种就是单风机浮式基础（图2-6），这种基础主要参考现有海洋石油开采平台而提出，因其技术上有参考，且成本较低，是未来悬浮式基础发展的主要考虑方向。-5-3.各种基础型式的比较基础型式的比较仅限于目前常用的基础型式，比较见表3.1。表3-1风机基础设计方案特性比较表设计方案比较内容重力式基础大直径单根钢管桩基础群桩式高桩承台基础三脚架组合式基础基础结构特点该结构为国外海上风电场风机基础常用型式。基础采用钢筋混凝土结构，依靠自身的重量固定于海床上该结构为国外海上风电场风机基础常用型式。基础自重轻，结构构造简单，受力明确。该结构为高桩承台基础，总体结构偏于厚重。因结构承受较大的波浪上托力影响，故基桩长度较长。斜桩基桩呈圆周形布置，对结构受力和抵抗水平位移较为有利。该结构在海洋石油工业海上石油导管架基础的建造中得到了应用，基础自重较轻。基桩呈三角桩位布置，固定在海底，整个结构的稳定性较好。适用自然条件适用于水深小于30m，且地质条件好的地区。适用于水深小于25m，且地质条件较好的地区，对于场地较差，考虑采用大直径单根钢管桩基础，可满足结构倾斜度和变位要求。适用于水深5～30m，对地质条件要求不高的地区。但对于台风出现频率较高的海域，因波浪将对承台产生较大的顶推力作用，须对基桩与承台的连接采取加固措施。适用于水深为15～50m，对地质条件要求不高的地区。但基础的水平度控制需配有浮坞等海上固定平台完成。建成后，由于水下桁架结构处水深较浅，工作船的靠泊条件有所限制。海上施工技术和施工条件岸边预制，半潜驳运输，起重船吊装就位。岸边需较大的安装场地，基础体积、重量较大，运输和吊装较为不便，施工措施费用较高。施工周期较长。对于单桩独柱的就位施打必须具备大型打桩锤，施工要求较高。据调查和交流，国外风机基础建造公司已积累了一整套成熟的施工技术，本工程施工时可租赁和引进相应的施工机械和施工技术。钢管桩陆上制作、堆放及吊运时，对场地、周转码头的要求较高。施工周期短。此种基础型式基桩直径较小（不大于2.5m），国内现有打桩船“天威号”及“海力801号”打桩船均能满足工程沉桩的要求。钢管桩工厂化的制作、海上运输至设计地点。施工周期长。国内在海上石油导管架基础的施工中有一定的施工经验以及相应的施工机械，但在风电建设领域未有实例。对钢管桩的制作、运输、吊运要求较低。施工周期比较长。经济性工程造价较低钢材耗量较多，工程造价较高工程造价高工程造价较高-6-