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风机基础的几种形式和设计问题的探讨
2019/01/21         2114

摘要:近年来,全球范围内的风能开发获得了大规模的发展,我国虽然风能资源丰富,利用潜力巨大,但只是最近几年在陆上风力发电方面取得一定的发展,海上的风力发电方面还只是刚刚起步。制约我国风力发电的技术因素有很多,其中风机基础就是其中一项重要的原因。为促进我国风电产业健康、快速发展,本文对风机基础设计展开研究,通过总结分析现有风机基础形式,提出了风机基础设计过程中几个关键问题,包括荷载的计算不明确、风机结构域基础的相互影响、设计方法的规划化、基础合理选型以及海上风机基础设计安装复杂等。风机基础的设计涉及大量需要攻克的难题,这些问题的解决将打通制约风电发展的瓶颈。


1 前言


随着全球煤炭、石油、天然气等传统能源的日趋枯竭,能源供应安全和环境保护的压力,迫使人们开始关注可再生能源,作为清洁、可再生的风能开发利用收到高度关注。风能具有节约资源、防止环境污染、可再生、具有大规模开发和商业化发展潜力等优点。国外像荷兰、英国、丹麦等国家的风电产业起步较早,发展较快。据统计,我国风能资源总储量为42.65亿千瓦时,技术可开发量为2.98亿千瓦时。


然而,守着巨大的风能利用潜力,我国的能源资源利用起步却非常晚,只在近几年通过借鉴和引进国外的先进技术,才得到了一定程度的发展。其中风力发电的开发利用主要包括陆上和海上两大块,目前,我国主要开发的是陆上风电场,海上风电开发提上日程的时间尚不久;国外的风力发电机功率已经从最初的0.5MW到现在的5MW,且正在规划功率更大的下一代风力机,如此大的风机对基础提出了很高的要求。


基础是风力发电机组的固定端,与塔筒一起将风机竖立在60~100米的高空,是保证风机正常发电的重要组成部分。在设计上,风机应归属高耸结构,对于一般高耸结构设计而言,采用的是简洁的结构形式,以尽量减少风荷载,但是风机的动力来源主要是风,要正常发电就要捕获足够的风力,这就使得基础不可避免要承受巨大的水平荷载,较之传统的高耸结构设计有很大的差别,设计时要考虑地质情况、风向影响。另外,风机基础也是造成风力发电成本高的主要因素之一,基础的成本约占总成本的10%~30%。探讨基础设计中的关键问题、提出合理的基础形式具有重要的理论意义和工程价值。


2 风机基础的几种形式


随着风力发电技术的日益成熟,风机基础也得到长足的发展。陆上风机的基础形式主要有重力式基础和桩基础;海上风机的基础形式主要包括重力式基础、桩基础、角架基础、浮动式基础以及吸力式沉箱基础。


2.1 重力式基础


重力式基础为钢筋混凝土结构,靠重力来平衡风机上的水平荷载和弯矩。这种结构简单,造价低,但尺寸和重量较大,多在陆上风电场使用,有方形、圆形、圆环形和八边形。


重力式基础也可用于海上风电场,但基础的质量会随着水深的增加,从而增加建造成本,尤其是水深小于10米的海域,实践证明与其他基础形式相比,重力式基础在20米以内的海域使用在经济上是有优势的,对于超过20米的深海域,则需采用其他形式的基础。


设计上,重力式基础需进行地基反力计算、地基承载力复核、软弱下卧层验算、沉降和倾斜变形验算、抗倾覆验算、抗滑验算以及基础板结构的内力计算。除此之外,还需要考虑瞬间荷载作用下的倾覆力矩和基础的刚度。


2.2 桩基础


桩基础分为单桩基础和多桩基础。混凝土单桩基础由一个大直径混凝土圆柱组成,受力类似于水平桩;多桩基础则由群桩和承台共同抵抗倾覆力矩。


桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、沉陷速率低且收敛快等特性。由于风电场的场址多位于荒滩、丘岭、沿海滩涂和近海区域,地质条件较差,因此桩基础应用较广泛。


值得一提的是海上桩基础通常采用单桩固定式。其直径比陆地上的要大,通常达到4米,未来可能达到6米。这种基础的最大优点是能明确定义风浪流形以及海冰成的荷载,而且形式简单,适合于20~25米的海域,在国外已成为风电机组安装的一种标准方案。


2.3 角架基础


脚架基础结构是由石油工业中采油平台塔架发展来的,由圆柱钢管构成,可设计成三腿、四腿、三腿加中心桩和四腿加中心桩结构。适用于水深在30米以上的海域。由于其可以借鉴采油平台基础的成熟技术,因此在实际工程中也有应用,如我国东海大桥海上风电场采用的就是四脚架组合式基础。


2.4 浮动式基础


浮动式基础是通过锚固系统锁住用来固定风机塔筒的盒式箱体,使其漂浮在海面上,其适用于50~100米的水深,且对地质条件没有任何要求,但其稳定性差,且平台与锚固系统的设计有一定难度。 因此,该基础除英国的Blue H 公司研制出了世界进行了一台样机试验安装外,还未采用过,但其在深海风电基础上具有重要的研究价值和应用前景。


2.5 吸力式沉箱基础


吸力式沉箱基础是一种新的基础结构概念,主要分为单柱和多柱吸力式沉箱基础。所谓吸力是指用来安装沉箱时的方法,即将其放置在海床上之后,抽空内部的海水,靠周围海水所产生压力将其固定在海床上,适用于砂性土及软黏土。


3 基础设计中的关键问题


风机同时承受水平荷载和垂直荷载,且水平荷载一般远大于垂直荷载,对基础设计提出了特殊的要求,尤其是海上风机基础,设计更为复杂。因此,在对上述不同类型基础进行设计时,需要把握其中的关键问题。


3.1 荷载的计算


风机基础是用来支撑风机机组的,所承受的荷载主要来自叶片和塔筒上的风载、风机机组自重以及运行荷载,海上风机基础则还包括波浪、洋流、潮流以及意外撞船引起的荷载。其中的风载和波浪载荷是设计中的关键,风载具有不均匀性和不确定性,通常采用频域分析法、时域分析法、风洞试验法和数值风洞技术进行研究。波浪载荷的分析方法主要有特征波法、概率分布法、谱分析法和波浪模拟法四类。


3.2 风机结构与基础的相互影响分析


风机-塔架—基础—地基是一个相互作用的动力系统,对于这样一个高度耦合的动力系统,应进行模型动力分析,因此在设计过程中,需要考虑风机上部结构对基础和基础对上部结构的相互影响。包括分析了风机上部结构各项参数对基础设计的影响;风机因紧急停机、变浆等突变荷载作用下,导致重力式基础下覆土层出现液化的可能性;桩基础设计参数对风机支撑结构自然频率的敏感性。


因此,考虑风机-塔架—基础—地基之间的相互影响是风机基础设计区别于常规基础结构设计的关键所在,同时也是风机基础设计的难点所在。


3.3 设计方法的规范化


风机基础作为一种工程结构,与其他建筑结构一样,其设计计算方法需为一批工程技术人员所掌握,只有这样方能推动风电产业的发展。这就需要对在风机基础设计过程中遇到的各种问题加以分析、归纳、总结,并最终形成规范。如我国颁布的《风电机组地基基础设计规定》,不过该规范还处于试行阶段,存在很多需要完善的地方,而且主要应用于陆上风电场的基础设计。


实际上,风机基础结构所涉及的计算除一般基础结构设计中遇到的强度、刚度和稳定性外,还存在动力分析计算。


3.4 基础的选型


基础的选型主要包括基础经济合理和施工快速便捷两方面的内容。要从众多基础类型中挑选出适合项目实际情况的合理基础形式,需要对基础设计理论和方法有深入的研究,并进行优化设计;而要选出施工快速便捷的基础形式,则需要从施工工艺、施工方法和施工建材等多方面进行综合考虑。


在选经济型基础方面,如圆形与方形重力式基础的比较,在小偏心受力情况下,假定两者承受的荷载相同,则圆形基础比方形基础的混凝土量要省;然而,在大偏心受力情况下则相反,方形基础比圆形基础的混凝土量要省。


要实现基础经济合理、施工快捷,还有一种手段就是开发设计出新型组合式基础。如岩石锚固定式基础是一种介于重力式基础和桩基础之间的新型基础形式,通过引入锚索,将基础底板固定至深层岩石上,消除了重力基础配量的要求,并且当锚索承载能力足够大时,可以大大减小基础尺寸。


3.5 海上风电基础的设计安装


与陆上风电场相比,海上风机基础设计是个相当复杂的过程,需要考虑的因素主要包括:海底土壤和海床,水深,环境载荷,建设方法,安装,成本及动力特性要求等。海上风机处于海洋环境中,具有海洋结构工程特性;海床的地质情况一般比陆地要差,对基础设计不利;海上的动荷载过多,而且均存在不确定性,因此具有更多的动态响应和非线性响应。总之,海上风机基础设计涉及海洋工程学、基础工程学、动力学和土力学等多学科的知识,为一个学科交叉领域。


除设计外,海上风机基础的安装也非常复杂,这一点从成本上即可看出:陆上风电工程的单位千瓦约1万元左右,而近海风电场的平均单位千瓦投资成本超过2万元,为陆上风电场的两倍之多。


4 结论


风能开发是未来能源发展的重要方向之一,近十几年来,虽然全球建立不少陆上和海上风电场,但依然存在不少的工程技术问题,其中的风机基础就是问题之一。风力发电机基础设计的安全稳定是保证风力发电机机组安全运行的前提。


风机基础在设计过程需要兼顾各方面参数,明确荷载情况,进而对基础结构进行全方面的力学性能分析,并对设计方案进行优化计算,此外还要考虑具体的施工工艺。