wdm-第三章 风力发电机组的基础与施工

1、第三章 风力发电机组基础与施工 主讲教师：王殿明第一节 塔架的基础 1我国风机地基基础设计的发展历程我国风机地基基础设计的发展历程 我国风机地基设计总体上可划分为三个阶段：2003年以前小型风力发电机组地基的自主设计阶段；20032007年MW机组地基设计的引进和消化阶段；2007年以后MW机组地基的自主设计阶段。 第一节 塔架的基础 1我国风机地基基础设计的发展历程我国风机地基基础设计的发展历程 随着我国电力体制的改革以及风电特许权项目的实施，特别是2006年可再生能源法生效之后，国外风机开始大规模进入中国，且由单机容量几百千瓦很快发展到兆瓦级，国外厂商对风机地基的设计非常重视，而中国设计能

2、力较差。第一节 塔架的基础 1我国风机地基基础设计的发展历程我国风机地基基础设计的发展历程 地基的设计都是按照厂商提供的标准图。 国内设计院根据风电场地质勘探资料和国内建筑材料的具体情况进行设计调整。 厂商对国内设计院的设计调整成果进行复核确认的模式。 。 第一节 塔架的基础2、地基基础的设计原则及注意事项 叶轮要在一定的高度上才能获得较大较稳定的风力，在空中的风轮与机舱的整个重量要靠塔架支撑。 塔架除了具有支撑作用外，还需要抵御风的推力对塔架形成的弯矩、机舱和风轮的偏心重量对塔架形成的弯矩、风轮转动时对塔架形成的反转力矩、风不稳定时对塔架形成的弯矩、风力发电机的振动等载荷。 第一节 塔架的基

3、础2、地基基础的设计原则及注意事项 塔架的重量在风力发电机组中占总重量的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15%20%，随着风力发电机的容量和高度的增加，塔架在风力发电机组设计和制造中的重要性越来越明显。 第一节 塔架的基础2、地基基础的设计原则及注意事项 明阳风机 MY1.5s/se 风力发电机组名称重量叶片约 6 吨轮毂约 8.4 吨齿轮箱约 16 吨塔筒130T-150T第一节 塔架的基础3、设计满足三个基本条件 （1）要求作用于地基上的载荷不超过地基允许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备； （2）控制击沉的沉降不允许超过基础允许的变形值； （3）满足塔架在

4、安装的连接尺寸和结构要求。第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力承载力矩、尺寸大小的不同。 从结构形式看，可分为：扩展基础（平板）、桩基础和桁架式塔架基础。 第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 扩展基础又称为块状基础，应用较为广泛，对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚形体来处理，而仅考虑地基的变形。 第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用（一）平板块第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 （二）桩基础

5、按桩的性状和竖向受力情况可分为摩擦型桩和端承型桩。 1、摩擦型桩的桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受; 2、端承型桩的桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。 第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 （二）桩基础 第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 （三）桁架塔架基础 跨距较大。角钢框架提前进行组装，角钢框架应设置好间隔和倾斜角度。 第一节 塔架的基础二、二、 地基的类型及选用地基的类型及选用 （三）桁架塔架基础 三、海上风力发电机的基础1、海上风机面临的问题 （1）近海风力发电场的维护及安装费用是建设类似陆地风场的4倍。 （2）大规模风电并网对电力系统的冲

6、击，对电网的影响一般有如下几点： a风电输出功率的大幅变动对电网的影响； b风力发电对电网的无功功率影响；第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础1、海上风机面临的问题 c风电对并网潮流分布的影响； d风力发电的谐波对电网的影响； e风电并网对系统的冲击； f对公共连接点电能质量的影响。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础2、海上风机优势 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 第一节 塔架的基础三、海上

7、风力发电机的基础2、海上风机优势 (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。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础3、中国海上风机建设情况 我国第一座海上风电站在绥中36-1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 。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础3、中国海上风机建设情况 从世界其它国家海上风电的开

8、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。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础3、海上风机的基础结构形式 海上风机基础常见的形式有：单桩基础、三脚架或多脚架基础、沉降基础、浮运式基础。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础3、海上风机的基础结构形式 海上风机基础常见的形式有：单桩基础、三脚架或多脚架基础、沉降基础、浮运式基础。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础 第一节 塔架的基础单桩基础单桩基础三、海上风力发电机的基础 （一） 单桩基础 单

9、桩基础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是焊接连接或者套管连接。 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。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础 （二）三脚架基础 三脚桩基础如图所示,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 。 第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础第一节 塔架的基础三

10、脚桩基础三脚桩基础三、海上风力发电机的基础（二）三脚架基础 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: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: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。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础（三）沉降基础 适用于深度不太大的软海床海区。下部是一个中空的箱体，上部为安装风力发电机的承台。拖至安装水域即可。在安装水域向中空的箱体内充水，使其沉到海底。 主要分为

11、：混凝土沉降、钢沉降、三脚架沉降。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础混凝土沉降：依靠混凝土的重力，使其处于垂直状态钢沉降。但是重量大，投资大，运费高。海床不平时需要处理，因此国际上在水深超过10米地方禁止使用。三脚架沉降：重力+钢筋基础。易于安装及移动，适合于深水。现在在国际上还是风场多采用这种技术。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础 浮运式基础：适合于50-100m水深。 费用低，但是基础不稳定，只适合风浪很小的海域。输送电缆需要不停移动，齿轮箱等机械设备使用寿命降低。第一节 塔架的基础三、海上风力发电机的基础 基础顶高程应从设计水位 、设计波高 、结构受到的波浪力综合考虑

12、，一般情况下 ，基础上方风塔与基础结合面 ，不受海水浸泡和波浪打击 。但顶面高程过高 ，不方便维护人员的上下。 基础顶高程宜为 ：设计高水位+波浪超高+ 富裕高度 ，波浪超高可取 50 年一遇 ， 波浪的超高。 第一节 塔架的基础四、基础与塔架连接方式 连接方式：地脚螺栓式和法兰式筒式两种类型基础。第一节 塔架的基础五、基础与塔架的接地 作用：防雷 、漏电保护 要求：接地体水平敷设；塔内和地基的角钢基础要用截面规格为25mm*4mm的扁钢作为接地线。 接地线以闭合为好。埋设深度不小于06米。整个接地网的接地电阻应小于4欧姆。第一节 塔架的基础一、风力发电机组基础的施工组织设计一、风力发电机组基

13、础的施工组织设计 设计内容包括：施工总体说明、准备工程、风力发电机组基础、机组设备安装、集电系统、升压站、房屋建筑等单位工程及施工进度计划。 第二节 风力发电机组基础的施工二、风机基础施工总体施工工艺流程图 风机基础施工顺序为：定位放线土方开挖（约2/3，露出基础环安装位置）桩头处理工程桩检测清槽验槽垫层混凝土浇筑放线基础环安装基坑开挖（剩余部分）桩头处理（剩余部分清槽、验槽（剩余部分）垫层混凝土浇筑（剩余部分）放线钢筋帮扎模板安装（预埋管件、接地网等安装）整体验收浇筑混凝土混凝土养护拆模混凝土工程验收回填土风机基础交付安装 第二节 风力发电机组基础的施工三、风机基础施工方案 （案例） 1、基

14、坑开挖：基坑开挖使用反铲挖掘机开挖，先开挖整个基坑约2/3，露出基础环安装位置，基础环安装完成后再开挖其余部分，全部完成。 2、 凝土施工： 混凝土搅拌采取搅拌站集中拌制； 混凝土罐车水平运输； 溜槽和混凝土泵车相结合进行混凝土浇注； 使用插入式振捣棒，柴油发电机发电对混凝土振捣； 用水车拉水对混凝土进行浇水养护。 第二节 风力发电机组基础的施工三、风机基础施工方案 （案例） 3 、模板工程：风机基础模板使用大型钢模板（自行加工制 作），模板加固采用钢筋作围檩，钢管（或圆木）做侧支撑的方法。 4、钢筋工程：钢筋工程采取在加工场集中加工制作，运输至风机基位，现场绑扎的方式。直径25毫米以上钢筋采

15、取套筒机械连接。第二节 风力发电机组基础的施工三、风机基础施工方案 （案例） 5、基础环安装：基础环安装使用70吨汽车吊。基坑开挖露出基础环安装位置，垫层施工完成，具备基础环安装条件，吊车坐在基坑上边将基础环吊装就位。 6、搅拌站配置：配置HZS50型搅拌站两座（每小时额定生产能力50立方米，自动上料）； 7、生产及生活用电: 400KV/A变压器一座、120KW柴油发电机一台（停电备用电源） 第二节 风力发电机组基础的施工四、风力发电机组主体施工优化方法 由于风机基础形式比较单一，重复工作较多，同一机型的基础的钢筋形式、模板形式完全相同，为加快施工进度、节省施工成本，钢筋和模板尽量采用集中加

16、工，标准化加工。钢筋可采用加工厂集中加工的形式，再由平板车运送到各个施工点。由于风机基础属于动荷载设备基础，基础内主要的受力钢筋不宜使用焊接连接，钢筋的主要连接方式为绑扎连接，不会出现超长钢筋，故不会给运输带来太大的影响。 第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材） 风机基础环是风机基础施工中的关键内容，基础环的施工质量直接关系到上部的塔筒的连接的垂直度、安全性和可靠性。 基础环水水平度偏差1mm。塔架越高，允许偏差越小。第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材） （一）基坑开挖与坑底处理 基坑开挖是塔架基础的第一步。开挖应

17、该按照风机制造厂商提供的图样要求进行。塔架基坑工作量大， 一般采用机械设备开挖。 钻孔过程，应该按照一定的时间间隔对桩机水平度和高层位置进行跟踪和测量，以保证桩孔的水平面的垂直度。第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） （一）基坑开挖与坑底处理 坑底处理：坑底压实，在混凝土垫层下部铺一定的大块毛石。提高坑底承载能力。第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） （二）钢筋绑扎与支模板 （1）主钢筋采用闪光对焊连接，板块钢筋冷搭接 （2）乘台上型钢、法兰或地螺栓应与钢筋网连接牢固，浇入混凝土内。 （3）基础板块标记

18、，供浇筑混凝土时找平使用。第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） 第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） （三）混凝土浇筑 塔架基础体积大，对混凝土浇筑技术要求高，特别要做好施工中防止混凝土因水泥水化热引起的温差而产生的温度应力裂缝。第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六）（三）混凝土浇筑 现场准备工作：1）基础板块钢筋及承台插筋分段施工完成后，应进行隐蔽工程验收；2） 薄膜、草席等应提前准备；3）照明电力的准备；4）员工各施其职。第二节 风力发电机组基础的施工 五、

19、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六）（三）混凝土浇筑 混凝土浇筑1）槽内杂物清理干净；2）采用“分区定点、一个坡度、循序推进、一次到顶”3）浇筑间歇时间不得超过6小时；若在4小时仍不能连续浇筑，需采用紧急措施。在混凝土表面插入12跟1米钢筋，呈梅花状。同时用塑料薄膜覆盖。4）出灰口配置1-4台振捣器。5）在混凝土除凝前和预沉后采取二次抹面压实措施；第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六）（三）混凝土浇筑（三）混凝土浇筑 混凝土浇筑6）每次浇筑100m3制作3组试块。一组做7天强度试块；一组做28天强度试块，并归档；一组做14天强度试块备用。7）

20、 基础环水水平度偏差1-2mm。塔架越高，允许偏差越小。8）通过三点预埋件实现法兰水平面的调整。基础承台必须一次浇筑完成。第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） 第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六）（三）混凝土浇筑 大体积混凝土升温与测温 大体积混凝土的养护主要为了控制混凝土的内外温差和保持湿度，通过浇水和覆盖相结合的办法。混凝土终凝后开始浇水养护，在基础表面覆盖塑料布保水保湿，然后在基础表面和模板侧面覆盖棉被保温。养护期间，定人定时进行混凝土测温，根据测温结果，调节保温层厚度，以保证混凝土内外温差不超过25

21、，环境温度与混凝土表面温度温差不大于20 ，养护14天，确保混凝土结构不出现温度裂缝。 第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） 大体积混凝土升温与测温 管理方法：1）基础板块浇筑时由专人配合预埋测温管。测温线位置设置标志，便于查询。2）配备专职测温人员轮流测量。3）测温每小时一次。4）混凝土内部与表面温差达到25度，立即上报。5）测温采用数字式测温仪，以保证读书准确。 第二节 风力发电机组基础的施工 五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材 六） 混凝土养护工艺 混凝土浇捣后，之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水花作用的结果，而水化作用则需要适

22、当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行养护。 砼（混凝土）的养护目的：一是创造各种条件使水泥充分水化，加速砼硬化：二是防止砼成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。 第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材） 混凝土养护工艺1）混凝土浇筑及抹灰后应立即保温。2）新浇筑的混凝土水化较快，应盖上塑料薄膜进行保温。 板块和承台的垂直部分是重点。3）停止测温部位经同意后可以去掉保温薄膜。4）顶面覆盖养护：覆盖保水养护方法适合大于28天的长间歇顶面养护。洒水养护。有条件可以长期流水养护。养护时间为14天。第二节 风力发电机组基础的施工五、风力发电机组基础施工特点及注意事项（教材）（四）基础覆盖的回填（五）主要的管理措施 1、