海上风机设计

研究生课程考核试卷科目:风力发电现状及发展趋势教师:姓名:专业: 学号： 机械设计及理论类别:上课时间:2012年12月至2012年12月考生成绩:卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语:阅卷教师（签名）海上风机基础设计【摘要】海上风能是一种清洁能源，有着广阔的应用前景。风力发电在近几年发展很快，尤其是陆地风场的建立，但是，由于陆上风电场存在占用土地资源，产生噪声污染、干扰公众视觉等问题，阻碍了其发展。自上世纪90年代开始，人们的视线逐渐转向了海上，修建了海上风电场。风电基础作为海上风电的重要组成部分，其结构形式多种多样，本文在阐述海上风机基础的种类和特性的基础上，介绍风机基础的设计要点。关键字：海上风机，风电基础，基础设计引言海上风能具有湍流强度小，主导风向稳定、节约土地资源等优势。近年来.海上风力发电在欧洲获得较快的发展。已安装的海上风电机组容量已超过150万千瓦。在我国，目前，已建的风力发电机组均为陆上发电机组，而海上风力发电比陆上风力发电更具有不占用陆地面积、风速比陆地大、风的方向较稳定等优点。海上风力发电机组通常由三个部分组成：塔头、塔架、基础。其中基础部占有重要的位置，其建设成本在海洋风电造价中占有较大的比重，约占整个工程成本的20%〜30%，是主要的成本风险对整机安全全关重要。海上风电场风机基础是将风机稳固在海上的重要建筑物，风机基础处在海洋环境，不仅要承受结构自重、风荷载，还要承受波浪、水流力等；同时，风机本身对基础刚度、基础倾角和振动频率等均有非常严格的要求。目前，很多国家在探索经济安全的海上风电基础形式，这对于我国的海上风电发展很有借鉴意义。1海上风机基础种类介绍根据结构的具体构造将海上风电机组的支撑结构分为桩基础结构、导管架基础结构、重力式结构、负压桶式结构和漂浮结构等5个类型。其中前四种属于固定基础，最后一种属于浮动基础。而在实际应用中也可能会采用复合结构。1.1桩基础结构分为单桩、多桩和三脚桩基础1.1.1单桩基础单桩基础由大直径钢管组成，是目前应用最多的风力发电机组基础，如图1.1所示［1］。单桩钢管基础是用液压撞锤将一根钢管夯入海床或者钻孔安装在海床形成的基础。该基础直径为3〜6m、壁厚约为直径的1%,插入海床的深度与土壤的强度有关，靠桩侧土压力传递风机荷载，主要适用于浅水及20〜25m的中等水域、土质条件较好的海上风电场项目。这种基础目前已经广泛地应用于欧洲海上风电场，成为欧洲安装风力发电机的“半标准”方法。单桩钢管基础的优点是无需海床准备、安装简便;缺点是移动困难；并且于直径较大需要特殊的打桩船进行海上作业，如果安装地点的海床是岩石，还要增加钻洞的费用。

1.1.2多桩基础多桩基础形式如图1.2所示［1］［2］。多桩基础的概念源于海上油气开发，基础由多个桩基打入地基土内，桩基可以打成倾斜或者竖直，用以抵抗波浪、水流力，中间以灌浆或成型方式（上部承台/三脚架/四脚架/导管架）连接塔架适用于中等水深到深水区域风场。多桩基础上部结构的具体选择根据水深、环境荷载和风机系统动力特性确定。多桩基础优点在于适用于各种地质条件、水深，重量较轻，建造和施工方便，无需做任何海床准备；缺点：建造成本高，安装需要专用设备，施工安装费用较高，达到工作年限后很难移动。在2007年建设投产的英国Beatrice示范海上风电场中，两台5MW的风机均采用的四桩靴式导管架作为基础，作业水深达到了45m，是目前海上风机固定式基础中水深最大的；我国上海东大桥海上风场采用的是多桩混凝土承台型式。随着海上风电场向深水区域的不断推进，此类基础在今后会有更广阔的前景。钢管建接段4*00锢平台钢管建接段4*00锢平台图1.2多桩基础1.1.3三脚桩基础三脚桩基础（见图1.3）采用标准的三腿支撑结构［1］，由中心柱、3根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构组成。钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连，可以采用垂直或倾斜管套，中心柱提供风机塔架的基本支撑，类似于单桩基础。这种基础由单塔架结构简化演变而来，同时又增强了周围结构的刚度和强度，在海洋油气工业中较为常见。图1.3三脚桩基础1.2导管架基础典型的导管架式基础为三腿或四腿结构由圆柱钢管构成。导管架基础形式在深海采油平台的建设中已经成熟应用，可推广应用于海上风电，如图1.4所示［1］［3］。图1.4导管架基础1.3重力式基础如图1.5所示［1］。重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式，靠其自身巨大的重量固定风机，有混凝土重力式基础和钢沉降基础两种型式。适用于水深小于10m的任何地质条件海床，在大于10m水深时为保证足够重量抵抗环境荷载，其尺寸和造价随水深的增加而快速增大。这种基础结构简单、造价低、受海床沙砾影响不大，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，海上施工周期较长；由于其体积大、重量大，使得安装起来不方便且运输费用较大；适用水深范围过狭窄，随着水深的增加，其经济性不仅得不到体现，造价反而比其它类型基础要高。图1.5重力式基础1.4负压桶式基础负压桶基是传统桩基础和重力式基础的结合。它是一种新的基础结构概念所谓负压是指用来安装桶基时所采用的方法，其目的是负压效应可以部分地承担动态峰值负载，如图1.6所示。图1.6负压桶式基础1.5漂浮基础深海区域的风力资源比起近海区域来更为丰富，据统计，在水深60〜900m处的海上风力资源达到1533Gw，而近海O〜30m的水域只有430GW［4］固定式基础比如单桩式和重力式适应的水深只限在30m左右，无法向着更深的水域发展。浮式基础最早是在1972年由麻神理工学院的WilliamE.Heronemus提出的，伴随着海上浮式平台技术的成熟和世界海上风力发电的迅猛发展，这个概念更为人们所关注。浮式基础按系泊系统可分为日本的SPAR式、美国的张力腿式和荷兰的浮箱式［5］，如图1.7所示。SPAR式基础通过压载舱使得整个系统的重心压，低至浮心之下来保证整个风机在水中的稳定，再通过3根悬链线来保持整个风机的位置。张力腿基础通过系泊线的张力来固定和保持整个风机的稳定。浮箱式基础依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线来保证整个风机的稳定和位置［6］。舜上风力爰电拘几林浮式旃耐概念Spar基础 张力腿基础 浮箱式基础图1.7海上风电场浮式基础概念图2风机基础设计2.1设计流程海上风场基础设计主要包括基础结构设计、防腐蚀设计和防冲刷设计三个方面。由于每一个基础所处位置和环境不同，故每一个基础都需要单独考虑。基础设计是一个非常复杂的系统工程，其相关内容和设计流程见图2.1[7]。图2.1海上风场基础设计流程2.2外部条件分析在设计流程中，基础所处的环境条件，即外部条件对基础设计的影响较大，前期需要对风况、海况、地质情况等方面进行大量的数据采集和分析，作为基础设计的依据。基础设计外部条件具体研究内容和分析参数见图2.2。图2.2海上风场基础设计外部条件海上风场基础选型通常要考虑以下几个要素:水深、土壤和海床条件、环境载荷、建设方法和成本。实际选型中需要将几个因素综合考虑，选择最佳的一个方案。2.3.1水深挪威船级社(DNV)标准中定义了不同风机结构概念的设计要求。根据海水深度和经济性考虑海上风场基础的选择见表2.1。表2.1基础结构类型与海水深度的关系海水深度(M)基础类型0-10重力基础0-30单桩基础>20三角架/导管架式基础>50浮动平台结构目前已投人使用的基础形式有重力式、吸力式和单桩式，还有近年国外开始投人使用的三角架式和导管架式等。导管架平台在海洋油气工业中是各种水深(600m以下)的最佳选择平台之一，技术比较成熟，可以满足未来大型风电场建设的需要，因此有很好的应用前景。就中国市场来说，未来一段时期内，将以近海50m以下水深海域开发为主要对象，所以单桩基础是中国风场未来建设的一个重点。随着风机机组的大型化，基础结构尺寸包括基础高度、直径、筒厚、打桩深度等也会相地应地加大，相应的建造、安装难度都会大大增加，这也要求建造单位采用更加合理的基础结构形式，比如三角架式和导管架式等。2.3.2土壤和海床条件一般来说，目前海上风场的桩深度基本在20-30m深，属于海底浅层土。在这个厚度内，海底土壤一般会分成4-5层，每层土质不同，每种土层在波浪的作用下反应不同:不同海域的土层成分不同，就同一海域的不同位置，土层厚度、分布、土质也是不相同的。根据美国材料试验学会制订的土的分类法(ASTM-D2487-90)。分类的基本原则是以土的粒径为0.074mm为分界，当大于0.074mm粒径的土占50%以上时，为粗粒土。相反，当小于0.074mm粒径的土占50%以上时，为细粒土。粗粒土中的砂，又根据含细粒土颗粒的大小和数量的不同，分为粉土质砂和粘土质砂以及净砂。细粒土的定名是根据土样的液限和塑性指数在塑性图中的位置来确定。细粒土分为粉土和粘土，粘土又分为砂质粘土、粉质粘土和高塑性粘土等。2.3.3环境载荷风机基础在海洋中所受的载荷非常复杂。单从环境载荷上来看主要是作用在塔架、风叶上的风荷载和作用在基础上的波浪和水流载荷。由于此类载荷与气候息息相关，所以风场开发区域需要进行长期的勘查工作，一般需要经历2-3年，主要工作是建立监测点，记录数据，总结气象规律，作为基础选型和设计的参考依据。另外，风机本身产生的载荷通过风机支撑的传递也会影响到基础结构，例如惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷、流体动力载荷等。除此以外，还有海冰载荷、船舶冲击载荷、海泥载荷（固定基础）、锚链载荷（浮式基础）、地震载荷等。目前，在风机基础设计中，对载荷的分析方法主要是利用设计软件进行实景模拟分析，利用分析软件建立风机结构、海风、波浪模型，进行强度和疲劳分析。通常将风和浪载综合考虑，往往单纯的风或浪载比两者同时作用更加危险，因为两者可能相互抵消。破碎波和冰载是两个比较复杂的载荷，因为它们具备不确定性，可能会导致极限载荷，尤其卷越式破碎波会导致产生波高很大的波浪，从而产生很大的载荷。所以在基础校核和选型过程中要加以考虑。2.3.4建设方法在海上风场建设过程中，其安装方法也得到迅速发展，从传统吊装方法到风机整体安装，再到基础与风机一体安装。安装方法和安装设备的选取需要参照基础的形式，所以建设方法是基础选型需要参考的一个方面，最终目的是确定一个经济快捷的安装方式来降低安装成本。2.3.5成本在整个风场建设中，海上风电基础成本占整个工程的15%-20%。基础的形式对基础的成本影响很大，包括设计、建造、运输、安装等方面。一般来说，重力式、单桩、多桩、导管架式、浮式等基础形式的成本依次增加。所以，在基础结构选型中，基础成本是必须考虑的一个因素。2.4结构设计基础结构设计是基础设计的核心，由于基础结构是风机机组重要的组成部分，因此基础结构设计关系到整个系统的稳定性和可靠性。在基础结构设计校核中必须把基础结构参数放到整个机组系统中进行分析和检验。其内容和流程见图2.3。TOC\o"1-5"\h\zi ■,!r g 风电E-而的ELl菠;茂商叫刀脱也匕不哽订低第］ :-!■- •W里忧；成计卜_ …!也佰卜琵件*就荀工汉|I窒■笑*荷计童卜 T处流落叫II 一二 I 国一模设计,元哀图2.3海上风场基础结构设计流程海上风机支撑结构中的钢结构长期暴露于海洋环境中，根据钢结构在海洋环境中不同位置的腐蚀程度的不同，可以分成5个部分:海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。各区具有不同的特点，应采取相应的防腐措施。具体措施如下1） 海洋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） 飞溅区和潮差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） 潮差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。4） 全浸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） 海泥区的防腐蚀应采用阴极保护。涂料保护、热喷涂金属保护和阴极保护都是海洋工程钢结构经常采用的防腐蚀措施。涂料涂层和金属热喷涂层涂层系统应根据构件所处的环境条件，参照有关海上钢结构防腐蚀规范进行设计。阴极保护是防止金属腐蚀的一种电化学防腐蚀保护技术，发明至今已大于100年的历史。阴极保护在海洋工程钢结构防腐蚀领域已得到广泛应用。目前，国外有多个海上风场已经使用了阴极保护技术。2.6防冲刷设计水流受到基础阻挡时会形成涡旋，进而在基础与海泥交接处形成冲刷坑。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了风机的安全工作，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。通常海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法。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。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。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。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。随着海上风电的发展，国际电工委员会和国际标准组织发布了多项针对风机设计和制造的规范。各个国家如德国、挪威、丹麦等为了规范统一设计，根据国际电工委员会和国际标准组织颁布的规范进行整理，建立了针对性更强的规范体系。在规范中，对基础结构设计的方法、载荷种类、