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海上风力发电机组基础设计

摘 要

这篇文章介绍了海上风电场建设概况、海上风力发电机组的组成、海上风电机组基础的形式、海上风电机组基础的设计。

关键词 电力系统；海上风电场；海上风电机组基础；设计
Abstract

This article describes the overview of offshore wind farm construction, the composition ofthe offshore wind turbine, offshore wind turbines based on the form-based design ofoffshore wind turbines.

Key Words electric power system; Offshore wind farm; Offshore wind turbine foundation; design

1前言

1.1全球海上风电场建设概况

截止到2012年2月7日，全球海上风电场累计装机容量达到238,000MW，比上年增加了21％。

1.2 中国

截至2010年底，中国的风电累计装机容量达到44.7GW，首次居世界首位，亚洲的另外一个发展中大国印度也首次跻身风电累计装机容量世界前五位。

1.3海上风力发电机组通常分为以下三个主要部分：

（1）塔头（风轮与机舱）
（2）塔架
（3）基础（水下结构与地基）
支撑结构
Ø 与场址条件密切相关的特定设计；
Ø 约占整个工程成本的20%-30%；
Ø 对整机安全至关重要。

2 海上风电机组基础的形式

2.1海上风电机组基础的形式

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：
Ø 单桩基础；
Ø 重力式基础；
Ø 吸力式基础；
Ø 多桩基础；
Ø 漂浮式基础

2.1.1单桩基础：（如图1所示）

采用直径3～5m 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。
图1 单桩基础示意图

2.1.2重力式基础：（如图2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。

图2 重力式基础示意图
2.1.3吸力式基础 ：（如图3所示）

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；
图3 吸力式基础示意图

2.1.4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。
图 4 多桩式基础示意图

2.1.5漂浮式基础：（如图5所示）

图5 漂浮式基础示意图（NREL）
Ø 可安装于风资源更为丰富的深海海域（50-200m）；
Ø 设计概念更为广泛；

Ø 建设及安装方法灵活；
Ø 可移动，易拆除；
Ø 常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。

2.2对基础类型选型的影响

Ø 水深
Ø 土壤和海床条件
Ø 外部载荷
Ø 施工方法与条件
Ø 成本
目前世界上的近海风力发电机组大多数都采用重力凝土和单桩钢结构基础设计方案。

3基础的设计

3.1基础的设计——设计内容及流程

3.1.1

3.1.2

结果
项目
内容

3.1.3

3.2基础的设计——防腐蚀设计

Ø 1）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；
Ø 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；
Ø 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；
Ø 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；
Ø 5）泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。
Ø 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。

3.3基础的设计——防冲刷设计

Ø 1）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
Ø 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(薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。

Ø 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。
Ø 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。

结 论

风机基础的选择主要取决于水深和海底地质条件两项因素，也和风机安装方法有一定的关系。除基础与风机一体安装法之外，基础的安装是风机安装过程中单独的一个环节，并且对风机塔架的安装起着影响。各国对风电场基础的分类不尽相同。目前讨论较广泛的有5大类，分别是重力基础、单基桩基础、导管架基础、吸人沉箱基础和浮式基础，其中前两种在实际中有广泛的应用。
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