海上风力发电机组基础设计分析.pdf

1海上风力发电机组基础设计海上风力发电机组基础设计海上风力发电机组基础设计海上风力发电机组基础设计2与陆上风电场相比,海上风电具有以下优点：与陆上风电场相比,海上风电具有以下优点：?风能资源储量大、环境污染小、不占用耕地；风能资源储量大、环境污染小、不占用耕地；?低风切变，低湍流强度较低的疲劳载荷；低风切变，低湍流强度较低的疲劳载荷；?高产出：海上风电场对噪音要求较低，可通过增加转动速度及电压来提高电能产出；高产出：海上风电场对噪音要求较低，可通过增加转动速度及电压来提高电能产出；?海上风电场允许单机容量更大的风机，高者可达5MW海上风电场允许单机容量更大的风机，高者可达5MW10MW。10MW。一、前言一、前言3海上风力发电机组通常分为以下两个主要部分：（1）塔头（风轮与机舱）（2）塔架（3）基础（水下结构与地基）海上风力发电机组通常分为以下两个主要部分：（1）塔头（风轮与机舱）（2）塔架（3）基础（水下结构与地基）?与场址条件密切相关的特定设计；与场址条件密切相关的特定设计；?约占整个工程成本的20%-30%；约占整个工程成本的20%-30%；?对整机安全至关重要。对整机安全至关重要。一、前言一、前言支撑结构4目前经常被讨论的基础形式主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶段的漂浮式基础，具体包括：目前经常被讨论的基础形式主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶段的漂浮式基础，具体包括：?单桩基础；单桩基础；?重力式基础；重力式基础；?吸力式基础；吸力式基础；?多桩基础；多桩基础；?漂浮式基础漂浮式基础二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式5单桩基础（如图2所示）单桩基础（如图2所示）采用直径35m 的大直径钢管桩，在沉好桩后，桩顶固定好过渡段，将塔架安装其上。单桩基础一般安装至海床下10-20m，深度取决于海床基类型。此种方式受海底地质条件和水深约束较大，需要防止海流对海床的冲刷，不适合于25m 以上的海域。采用直径35m 的大直径钢管桩，在沉好桩后，桩顶固定好过渡段，将塔架安装其上。单桩基础一般安装至海床下10-20m，深度取决于海床基类型。此种方式受海底地质条件和水深约束较大，需要防止海流对海床的冲刷，不适合于25m 以上的海域。二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式图 2 单桩基础示意图6重力式基础（如图3所示）重力式基础（如图3所示）重力式基础因混凝土沉箱基础结构体积大，可靠重力使风机保持垂直，其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。缺点是需要进行海底准备，受冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。重力式基础因混凝土沉箱基础结构体积大，可靠重力使风机保持垂直，其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。缺点是需要进行海底准备，受冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式图 3重力式基础示意图7吸力式基础吸力式基础该基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础等。吸力式基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比前面介绍的单桩基础，该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶段；该基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础等。吸力式基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比前面介绍的单桩基础，该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶段；二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式8多桩基础（如图4所示）多桩基础（如图4所示）利用小直径的基桩，打入地基土内，桩基可以打成倾斜，用以抵抗波浪、水流力，中间以填塞或者成型方式连接。适用于较深的水域。该设计还没有得到真正的商业应用，仅存在于部分试验机组。利用小直径的基桩，打入地基土内，桩基可以打成倾斜，用以抵抗波浪、水流力，中间以填塞或者成型方式连接。适用于较深的水域。该设计还没有得到真正的商业应用，仅存在于部分试验机组。二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式图 4 多桩式基础示意图9悬浮式基础悬浮式基础?可安装于风资源更为丰富的深海海域（50-200m）；可安装于风资源更为丰富的深海海域（50-200m）；?设计概念更为广泛；设计概念更为广泛；?建设及安装方法灵活；建设及安装方法灵活；?可移动，易拆除；可移动，易拆除；?常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。（图5）常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。（图5）二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式图 5 漂浮式基础示意图（NREL）10二、海上风电机组基础的形式二、海上风电机组基础的形式对基础类型选型的影响对基础类型选型的影响?水深水深?土壤和海床条件土壤和海床条件?外部载荷外部载荷?施工方法与条件施工方法与条件?成本目前世界上的近海风力发电机组大多数都采用重力混凝土和单桩钢结构基础设计方案。成本目前世界上的近海风力发电机组大多数都采用重力混凝土和单桩钢结构基础设计方案。11三、基础的设计三、基础的设计设计内容及流程设计内容及流程风电场布局风电场布局基础结构设计基础结构设计防冲刷设计防冲刷设计防腐蚀设计防腐蚀设计运输、安装、连接及维护方案运输、安装、连接及维护方案工程图工程图设计条件设计条件风电机组校核风电机组校核外部条件外部条件场址勘测场址勘测风电机组风电机组施工施工12三、基础的设计三、基础的设计外部条件外部条件场址勘测场址勘测风况测量风况测量海况测量海况测量风速风向气压风速风向气压波浪洋流速度、方向潮位波浪洋流速度、方向潮位地质勘测地质勘测海底地形（水深）地层剖面土壤条件海底地形（水深）地层剖面土壤条件场址条件数据库场址条件数据库分析分析极端风速风速分布湍流强度风切变极端风速风速分布湍流强度风切变波浪能量谱波浪能量谱H、T、V概率分布风、浪方向分布概率分布风、浪方向分布极端洋流平均水位极端水位极端洋流平均水位极端水位其他调研其他调研结冰地震人类活动结冰地震人类活动海床运动剪切强度土壤刚度阻尼海床运动剪切强度土壤刚度阻尼结冰程度地震强度撞击概率结冰程度地震强度撞击概率同步同步项目内容结果项目内容结果13三、基础的设计三、基础的设计结构设计结构设计场址勘测场址勘测风电场特定的外部条件风电场特定的外部条件近海风力发电机组设计依据近海风力发电机组设计依据基础设计基础设计风电机组设计风电机组设计风电机组的设计依据风电机组的设计依据(如如IEC61400-1)设计条件及载荷工况设计条件及载荷工况全系统载荷计算全系统载荷计算极限状态分析极限状态分析结构安全性判定结构安全性判定结构设计完成结构设计完成疲劳分析疲劳分析NONO尾流影响尾流影响14（一）海上风机基础防腐蚀设计方法和要求无论何种结构型式，海上风机基础的结构材料为钢材或钢筋混凝土，其防腐蚀设计应根据设计水位、设计波高，可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥下区，各区区别对待。具体实施方案如下：（一）海上风机基础防腐蚀设计方法和要求无论何种结构型式，海上风机基础的结构材料为钢材或钢筋混凝土，其防腐蚀设计应根据设计水位、设计波高，可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥下区，各区区别对待。具体实施方案如下：三、基础的设计三、基础的设计防腐蚀设计防腐蚀设计151）对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护；）对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护；2）浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；）浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；3）水位变动区平均潮位以下部位，一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施；）水位变动区平均潮位以下部位，一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施；三、基础的设计三、基础的设计防腐蚀设计防腐蚀设计16 4）水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工期的防腐蚀措施；）水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工期的防腐蚀措施；5）泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。）泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。6）对于混凝土墩体结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。对于混凝土桩，可以采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。）对于混凝土墩体结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。对于混凝土桩，可以采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。三、基础的设计三、基础的设计防腐蚀设计防腐蚀设计17（二）海上风机基础防冲刷设计方法和要求水流受基础阻挡形成涡旋，进而形成冲刷坑。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了它的安全工作，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法：（二）海上风机基础防冲刷设计方法和要求水流受基础阻挡形成涡旋，进而形成冲刷坑。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了它的安全工作，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法：三、基础的设计三、基础的设计防冲刷设计防冲刷设计181）桩基周围采用粗颗粒料的冲刷防护方法：采用大块石头等粗颗粒作冲刷防护）桩基周围采用粗颗粒料的冲刷防护方法：采用大块石头等粗颗粒作冲刷防护2）桩基周围采用护圈或沉箱的冲刷防护方法：在桩基周围设置护圈）桩基周围采用护圈或沉箱的冲刷防护方法：在桩基周围设置护圈(薄板薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。或沉箱可以减小冲刷深度。3）桩基周围采用护坦减冲防护：采用适当的埋置深度、宽度的护坦以达到既安全又经济的目的。）桩基周围采用护坦减冲防护：采用适当的埋置深度、宽度的护坦以达到既安全又经济的目的。4）桩基周围采用裙板的防冲刷方法：桩基周围采用裙板起到扩大沉垫底部面积作用，将冲刷坑向外推延。）桩基周围采用裙板的防冲刷方法：桩基周围采用裙板起到扩大沉垫底部面积作用，将冲刷坑向外推延。三、基础的设计三、基础的设计防冲刷设计防冲刷设计19四、东海大桥海上风电场基础设计四、东海大桥海上风电场基础设计东海大桥海上风电场是中国第一个真正意义上的海上风电场地，总装机容量102MW。风电场海域范围距离岸线813km。可能面临的挑战：1.高海水流速；2.松软的地质条件。东海大桥海上风电场是中国第一个真正意义上的海上风电场地，总装机容量102MW。风电场海域范围距离岸线813km。可能面临的挑战：1.高海水流速；2.松软的地质条件。图6风电场地理位置图20可能应用到的依据：可能应用到的依据：1.IEC61400-3：2006；2.DNV-OS-J101:2004；3.GL Guideline（2005）；）；4.海港水文规范海港水文规范JTJ 213-98；5.港口工程荷载规范港口工程荷载规范JTJ 215-98；6.海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法SY/T 10030-2004；7.港口工程桩基规范港口工程桩基规范JTJ 254-98；8.海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTJ 275-2000；9.风电机组地基基础设计规定（试行）风电机组地基基础设计规定（试行）FD 003-2007；等等；等等四、东海大桥海上风电场基础设计认证四、东海大桥海上风电场基础设计认证21四、东海大桥海上风电场基础设计四、东海大桥海上风电场基础设计风电场布局基础结构设计防冲刷设计防腐蚀设计运输、安装、连接及维护方案工程图设计条件风电机组校核外部条件场址勘测风电机组施工1.场址勘测及设计条件评估场址勘测及设计条件评估6.防冲刷设计评估防冲刷设计评估5.防腐蚀设计评估防腐蚀设计评估2.载荷计算评估载荷计算评估3.结构强度评估结构强度评估4.风电机组载荷校核评估风电机组载荷校核评估22谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！