海上风力发电机组的基础形式.pdf

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1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/海上风力发电机组的基础形式李静,孙亚胜（大连理工大学,辽宁大连116023）摘要:

我国的海上风电场建设近年来发展迅速,而风电机组的基础是海上风电场建设的重要一环。

文章介绍了海上风电场建设中风电机组的各种基础形式及其各自的适用情况和优缺点,为海上风电场的建设提供了参考。

关键词:

风能;海上风电;基础形式;发电机组中图分类号:

TM614文献标识码:

B1引言从电力行业来看,我国这几年的“电荒”已经不是结构性缺电,而是总量性缺电,即“硬缺电”。

2007年我国电力缺口达6963万kW,而2004这一数据为3000万kW1,短短3年电力缺口翻了一翻之多,并且这一数据会继续拉大。

在全国六大电网中,除东北需求供给基本平衡外,华北、华东、华中、南方、西北等电网均出现不同程度的电力供应紧缺,形势非常严峻。

我国风力资源丰富,陆地上10m高度风力资源总储量约为32.26亿kW,其中可供开发利用的为2.53亿kW,约占7.8%。

世界上公认海上风力资源是陆地上的35倍,若按3倍计算,我国海上可开发利用的风力资源约有7.5亿kW,共计10亿kW2。

同时,我国的常规能源日益枯竭,大规模开发常规电力的可能性不大,所以,未来若干年我国必然加大对海上风电的开发力度以解决“硬缺电”的问题。

2海上风电的优点近几年,海上风能资源丰富的其他国家,海上风电出现了井喷式的发展3,我国目前也有数个在建和在批的海上风电项目。

海上风电能够发展如此迅速,自有其优势所在,与常规能源相比:

（1）节约资源,防止环境污染。

首先,风力发电几乎没有任何大气污染物的排放;其次,海上风力发电不占用任何土地资源;再则,风力发电机组在其20a有效服役期内所发的电量,大约是制造设备、风电场的建设、运营维护以及最后淘汰整个过程所耗能源的80倍以上,而一般的火电厂所发电量只有其完成发电全过程所耗能源的4倍左右。

（2）运营成本低。

风力发电所需要的能量来自于风,除发电机组外,风力发电所需的其它辅助设备和材料很少,除少量的运营维护费用外,风力发电的日常费用很低。

（3）风力发电项目建设周期短、灵活性强。

风电场的建设期一般不超过两年,而建设一个火电厂,最快也需要几年的时间,水电站与核电站的建设周期会更长;其次,风电场的建设规模可以根据具体情况而定,如果资金实力雄厚就可以大规模建设,不足则可分期完成,建成一台机组,就可以运行,风力发电所具有的灵活性大大提高了其自身的可利用价值和竞争优势4。

与陆基风电相比,海上风电有如下优势:

（1）高风速、低风切变。

由于海水面十分光滑,粗糙度较小,摩擦力较小。

因此,风速较大,风速、风向的变化较小,风切变（即风速随高度的变化）也较小,这样就不需要很高的塔架,可降低风电机组成本。

（2）低湍流。

海上风湍流强度小,具有稳定的主导风向,机组承受疲劳负荷较低,风机寿命更长。

（3）高产出。

海上风电场允许单机容量更大的风机,高者可达5MW10MW,由于对噪音要求较低,通过更高的转动速度及电压,可获取更高的能量产出5。

3风电机组的基础形式我国第一座海上风电站在绥中3621油田成功并网发电,于2007年11月28日正式投入运营,这标志着我国发展海上风电有了实质性突破。

在未来几年,我国海上风电必将大规模的开发。

413工程与技术上海电力2008年第3期1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/从世界其它国家海上风电的开发来看,很多风电场运行过程中出现的问题都与风电机组的基础有关,所以了解海上风电场风电机组的基础形式及其各自的适用情况、优缺点等对我国未来大力进行海上风电场的建设有着非常重要的意义。

3.1单桩基础单桩基础如图1所示,是最简单的基础结构,由焊接钢管组成,桩和塔架之间的连接可以是焊接连接,也可以是套管连接,通过侧面土壤的压力来传递风机荷载。

桩的直径根据负荷的大小而定,一般在35m左右,壁厚约为桩直径的1%。

插入海床的的深度与土壤的强度有关,可由液压锤或振动锤贯入海床,或者在海床上钻孔,二者在桩的直径的选择上有一些区别,撞击入海床的方法,桩的直径要小一些,海床上钻孔的方法,桩的直径可以大一些,壁厚可适当减小。

单桩基础在丹麦的HornsRev海上风电场中广为应用。

图1单桩基础形式适用情况:

水深小于30m且海床较为坚硬的水域,在浅水域中尤其适用,更能体现其经济价值。

优点在于:

制造简单,无需做任何海床准备。

缺点在于:

受海底地质条件和水深的约束较大,水太深易出现弯曲现象;再则,安装时需要专用的设备（如钻孔设备）,施工安装费用较高;另外,对冲刷敏感,在海床与基础相接处,需做好防冲刷防护。

3.2多桩基础多桩基础分为普通多桩基础、三脚桩基础和导管架基础

（1）普通多桩基础普通多桩基础如图2所示,根据实际的地质条件和施工难易程度还可以做成5根桩,外围桩图2普通多桩基础立面图和平面图一般做成一定角度的倾斜。

这种基础与单桩基础没有本质上的区别,其适用范围、优缺点和单桩基础都相差无几。

（2）三脚桩基础三脚桩基础如图3所示,采用标准的三腿支撑结构,由中心柱、三根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构构成,钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连,其中心柱提供风机塔架的基本支撑。

这种基础由单塔架结构简化演变而来,同时增强了周围结构的刚度和强度6。

目前这种基础已在瑞典的Nogersund海上风电场中应用。

适用情况:

应用于水深达30M以上,且海床较为坚硬的海域。

优点在于:

可用于深海域基础,和单桩基础相比,除具有单桩基础的优点外,还克服了单桩基础需要冲刷防护的缺点,三脚桩几乎不需要冲刷防护。

缺点在于:

受海底地质条件约束较大;不宜用于浅海域基础,在浅海域,安装或维修船有可能会与结构的某部位发生碰撞,同时增加了冰荷载;另外,建造与安装成本高。

图3三脚桩基础（3）导管架基础导管架基础如图4所示,它是一钢质锥台形空间框架,以钢管为骨棱,在陆上先焊接好,漂运到安装点就位,将钢桩从钢管,即导管中打入海5132008年第3期上海电力工程与技术1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/底,在导管架固定好后,在其上安装风机塔柱即可。

这种基础形式在深海采油平台的建设中已应用成熟,在海上风电场的建设中尚无应用案例。

该图为X形支撑,实际制作中还有K形支撑、单斜式支撑等。

该图为主桩式固定导管架,即所有的桩都由主腿内打出,另外,固定形式还有裙桩式,即在导管架底部四周均布桩柱7。

图4导管架基础适用情况:

在深海采油平台中应用水深已经超过300m,但在海上风电场中,考虑到建设成本,其应用水深在20m左右,而且在浅水中不宜使用,对地质条件要求不高。

优点在于:

导管架的建造和施工方便;受波浪和水流的荷载甚小。

缺点在于:

导管架的缺点也很明显,其造价随着水深的增加呈指数增长,应用受到一定的限制。

3.3重力式基础重力基础如图5所示,一般为钢筋混凝土结构,是所有的基础类型中体积最大、重量最大的基础,依靠自身的重力使风机保持垂直。

在制作时,一般利用岸边的干船坞进行预制,制作好以后,再将其漂运至安装地点。

海床预先处理平整并铺上一层碎石。

然后再将预制好的基础放于碎石之上。

在与海平面接触的部位,为了减小冰荷载带来的影响,可将其设计成锥形。

丹麦海域的风电场大部分都是采用这种基础。

适用情况:

水深一般小于10m,任何地质条件的海床。

优点在于:

结构简单,造价低;抗风暴和风浪袭击性能好,其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。

缺点在于:

需要预先海床准备;由于其体积大、重量大,使得安装起来不方便;适用水深范围太过狭窄,随着水深的增加,其经济性不仅不能得到体现,造价反而比其它类型基础要高。

为了克服混凝土重力式基础体积大、重量大、安装不方便的缺点,提出了钢桶重力式基础,这种结构形式是在混凝土平板上放置钢桶,然后在钢桶里填置鹅卵石、碎石子等高密度物质。

这种结构比起混凝土重力式基础来轻便很多,能够实现图5重力式基础用同一个起重机完成基础和风机的吊装。

但是这种结构需要阴极保护系统,在造价上也比混凝土重力式基础要高。

目前这种结构形式在海上风电场中还没有得到应用。

3.4吸力式基础吸力式基础如图6（左图为深海吸力式基础,右图为浅海吸力式基础,也称负压桶基础8）所示,浅海深海都可应用,在浅海中的负压桶实际上是传统桩基和重力式基础的结合,在深海海域作为张力腿浮体支撑的锚固系统,更能体现出其经济优势。

吸力式基础是一钢桶沉箱结构,钢桶在陆上制作好以后,将其移于水中,向倒扣放置的筒体充气,将其气浮漂运到就位地点,定位后抽出筒体中的气体,使筒体底部着于泥面,然后通过筒顶通孔抽出筒体中的气体和水,形成真空压力和筒内外水压力差,利用这种压力差将筒体插入海床一定深度。

该图为三个沉箱的结构,根据施工难易程度和实际的地质条件也可将其做成一个沉箱的结构910。

丹麦的Frederikshavn海上风电场的建设中首次使用了负压桶基础。

图6吸力式基础适用情况:

深、浅海域都可以,地质条件为砂性土或软粘土。

优点在于:

可以节省钢用量,节省费用;采用负压施工,施工速度快,便于在海上恶劣天613工程与技术上海电力2008年第3期1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/气的间隙施工;可以事先安装好,再拖到工地,便于运输和安装;由于吸力式基础插入深度浅,只须对海床浅部地质条件进行勘察,而且风电场寿命终止时,可以简单方便的拔出并可进行二次利用。

缺点在于:

在负压作用下,桶内外将产生水压差,引起土体中的渗流,虽然渗流能大大降低下沉阻力,但是过大的渗流将导致桶内土体产生渗流大变形,形成土塞,甚至有可能使桶内土体液化而发生流动等,在下沉过程中容易产生倾斜,需频繁矫正。

3.5浮体结构支撑浮体结构支撑如图7（左图为固定式锚固系统,右图为悬链线锚固系统）所示,它是漂浮在海面上的盒式箱体,风电设备的支撑塔柱固定在盒式箱体上。

在水深大于50m时,采用其它形式的基础形式不经济时,就考虑浮体结构,浮体根据锚固系统的不同而采取不同的形状,一般为矩形、三角形或圆形11。

目前,还没有海上风电场应用这种基础,但待浅海海域开发完毕,风电场向深海发展的时候,浮体支撑必然有其广阔的应用前景。

图7浮体结构支撑适用情况:

水深大于50m的深海域,对地质条件没有任何要求。

优点在于:

安装与维护成本低,在其寿命终止时,拆除费用也低;对水深不敏感,安装深度可达50m以上;波浪荷载较小。

缺点在于:

稳定性差;平台与锚固系统的设计有一定难度。

在稳定性方面,相比较而言,固定式锚固系统要比悬链线锚固系统好,因为固定式锚固系统可以使浮体的大部分沉没在海平面以下,使得波浪荷载最小化,增强了浮体的稳定性。

浮体支撑还有张力腿式（图6中左图即为张力腿式）、船式等,其中张力腿式采用锁链拉紧固定在海底,成为一种不可移动或迁移的浮体支撑,通过操作张紧装置使得浮体处于半潜状态,其稳定性要好于船式12。

这些平台结构常用于海洋采油平台,但应用到海上风电场的建设中还是首次。

3.6风电机组基础的选择在选择风电机组基础时,要考虑到风电机组基础适用的海水深度以及经济性:

水深在10m以内,常选用重力基础;1020m时用吸力式基础;20m以上常用三脚桩或者导管架基础;30m以内单桩和普通多桩均可;水深超过50m时,一般采用浮体支撑13。

4结论我国面临着严重的电力缺口,资源的日益枯竭使得我国已不太可能大规模的发展常规电力（火电）,我国有着10亿kW风能储量,海上风能的优势以及日趋成熟的开发技术使得我国海上风电将会出现大规模的开发。

本文所介绍的各种风电机组基础的形式以及适用情况将为我国未来若干年大规模开发海上风电提供一种参考依据。

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34237.收稿日期:

2008205228基金项目:

国家自然科学基金资助项目（50708015）;教育部新世纪优秀人才计划资助项目（NCET20620270）作者简介:

李静（19742）,女,讲师,主要从事工程管理方面的研究。

（责任编辑:

吕斌）7132008年第3期上海电力工程与技术