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本篇为《风能》杂志2020年02期封面故事专题——海上风电开发基础选型先行的Part 8、Part 9,点击下方链接查看Part 1-Part 7。
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海上风电基础特点
及中国海域的适用性分析
文:上海勘测设计研究院有限公司 黄俊
| 概况
海上风电作为可再生能源发展的关键方向,我国将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国第一座海上风电场——上海东海大桥海上风电场从2010 年实现并网发电至今,已经安全运行10年。10年间,风电机组单机容量逐渐增加(从3MW到10MW),建设场址从滩涂到近海,已经开始走向深远海。中国海上风电的大规模开发建设带动了相关产业链发展,反之,产业链的发展又推动着风电技术的不断创新和升级。
| 中国海域特点
虽然我国拥有的海上风能资源丰富,但是台风、海冰、地震、软土地质、基岩等,也给设计和建设带来巨大难度。可以说,中国海上风电的建设条件最复杂,最具有挑战性。
一、风能资源
我国沿海地区大部分近海海域90m高度的年平均风速在7-8.5m/s之间,适合大规模开发建设海上风电场。特别是台湾海峡,年平均风速基本在7.5-10m/s之间,局部区域的年平均风速可达10m/s以上。然而,我国的福建、广东、台湾地区每年都要经历多场台风,阵风风速可超70m/s,高风速必然对风电机组、基础提出高要求。
二、海洋水文
我国北方海域冬天海面结冰,这除了对结构的材料性能提出更高要求外,海冰长期作用在结构上,还会引起冰激振动,从而降低结构的安全使用寿命。通常,安装于该海域的设施需要设置专用的抗冰措施(图1)。
我国南方海域受台风影响,常伴随着大风大浪,部分海域的最大波高超过20m,不仅极大影响海洋结构物的安全性,同时也影响海上运维工作。
三、工程地质
我国沿海地区地质主要以软土地基为主(以江苏和上海地区为代表)。虽然在该地质条件下建设海上风电项目时,海上施工难度低,但表层土承载能力较差,导致基础结构工程量增加。另外,随着近年福建和广东海上风电的大力开发,业界认识到,该区域除了风能资源好外,也存在台风和大区域的浅覆盖层地质(以福建兴化湾、福建莆田、广东南澳和阳江等海域为代表)。浅覆盖层地质意味着基础桩基需要嵌岩施工(图2),或是必须采用新型的浅基础型式。
综上所述,中国海域的海上风电建设条件远比欧洲复杂。针对中国海上风电场的建设特点,选择合理的基础型式十分重要。
| 基础特点与运用
基础是海上风电最关键结构之一,合理的基础型式不仅能提升项目收益率,促进施工高效性,同时也能保证项目的安全性和可靠性。当然,基础选型除与建设场址的海域特点密切相关,还应考虑船机设备、单位建造能力。
一、基础型式
基础型式按照受力特点主要分为桩基础、浅基础和柔性基础,主要类型见表1。
在明确风电场的水深和地质条件等基本情况后,便可对风电机组基础进行初步选型,见表2。
二、基础特点与运用
1. 高桩承台基础
该基础由基桩和混凝土承台组成,刚度较大,抗水平荷载性能较好,适用于中等水深且对海床地质条件要求不高的条件。其采用传统的港口工程施工设备和施工工艺、施工难度较小,大多数海上施工单位都有能力施工。
我国第一座海上风电场⸺上海东海大桥海上风电场(图3)位于东海大桥东侧的东海海域,工程海域水深9.9-11.9m,以软土地基为主,该项目总装机容量为20.4万千瓦,安装3.0MW和5.0MW风电机组。基于当时的施工设备能力,该场址采用斜高桩承台基础。
福建兴化湾样机试验风电场(图4)工程海域水深约5-16m,以浅覆盖层地质为主,基岩面埋深较浅。项目总装机容量7.74万千瓦,安装7种不同厂家的机型,单机容量在5.0-6.7MW。该场址采用大直径直高桩承台基础。
2. 单桩基础
它为我国海上风电采用的最主要基础型式之一。单桩基础结构相对简单,主要采用大型沉桩设备将一根钢管桩打入海床。在钢管桩上设置靠船设施、钢爬梯及平台等,钢管桩顶部通过灌浆或直接通过法兰连接顶部塔筒。单桩基础一般采用单根直径4.5-9.0m钢管桩定位于海底,承受波流荷载及风电机组荷载。为防止桩周冲刷,沿单桩一定范围内进行防冲刷处理。
三峡新能源大连市庄河III海上风电场(图5)是我国已建的最北海上风电场,平均水深约20m,以软土地基为主,局部机位有基岩和溶洞存在。该项目总装机容量为30万千瓦,安装3.3MW和6.45MW风电机组,该场址主要以单桩基础为主,由于受海冰影响,基础安装抗冰锥结构。
3. 多脚架式基础
多脚架结构根据桩数不同可设计成三脚(图6)、四脚等基础,多根桩通过刚架与中心立柱连接,风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体,多脚架结构的刚度大于单桩结构,可以通过调整三脚架来保证中心立柱的垂直度。
龙源电力集团在如东潮间带建设的示范风电场,潮间带涨潮时平均水深只有1.5m,风电场共安装了9个国内风电机组生产厂家的16台海上试验机组,单机容量为1.5-3.0MW,总容量3.2万千瓦。该场址以软土地基为主。
4. 导管架基础
该基础借鉴了海洋石油平台的概念,其上部采用桁架式结构,当水深到一定深度后,其刚度较高的特点就能从经济性上反映出来。但导管架结构交叉节点较多,结构建造复杂,结构疲劳敏感性高。
三峡新能源阳西沙扒一期30万千瓦海上风电场(图7),场区水深在27-32m之间,共安装55台单机容量5.5MW的风电机组,该场址表层土为软土地基,埋深一定深度后存在基岩。该场址采用了部分导管架基础。
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