海上风力发电机组基础设计分析

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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1一、前言与陆上风电场相比,海上风电具有以下优点：ò风能资源储量大、环境污染小、不占用耕地；ò低风切变，低湍流强度——较低的疲劳载荷；ò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；ò海上风电场允许单机容量更大的风机，高者可达5MW—10MW。2一、前言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）支撑ò与场址条件密切相关的特定设计；结构ò约占整个工程成本的20%-30%；ò对

2、整机安全至关重要。3二、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：ò单桩基础；ò重力式基础；ò吸力式基础；ò多桩基础；ò漂浮式基础4二、海上风电机组基础的形式①单桩基础（如图2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，不适合于图2单桩基础示意图25m以上的海域。5二、海上

3、风电机组基础的形式②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。图3重力式基础示意图6二、海上风电机组基础的形式③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

4、段；7二、海上风电机组基础的形式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8二、海上风电机组基础的形式⑤悬浮式基础ò可安装于风资源更为丰富的深海海域（50-200m）；ò设计概念更为广泛；ò建设及安装方法灵活；ò可移动，易拆除；ò常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。（图5）图5漂浮式基础示意图（NREL）9二、海上风电机组基础的形式对基

5、础类型选型的影响ò水深ò土壤和海床条件ò外部载荷ò施工方法与条件ò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。10三、基础的设计——设计内容及流程场址勘测外部条件风电场布局风电机组设计条件风电机组校核防腐蚀设计基础结构设计防冲刷设计工程图运输、安装、连接及维护方案施工11三、基础的设计——外部条件场址勘测项目风况测量海况测量地质勘测其他调研同步波浪海底地形（水结冰风速洋流速度、方向深）地震内容风向潮位地层剖面人类活动气压……土壤条件………………场址条件数据库分析极端风速波浪

6、能量谱极端洋流海床运动结冰程度结果风速分布H、T、V概率分布平均水位剪切强度地震强度……湍流强度风、浪方向分布极端水位土壤刚度阻尼撞击概率风切变…………………………12三、基础的设计——结构设计场址勘测风电机组的设计依据风电场特定的外部条件(如IEC61400-1)近海风力发电机组设计依据基础设计风电机组设计设计条件及载荷工况全系统载荷计算尾流影响极限状态分析疲劳分析结构安全性判定NONO结构设计完成13三、基础的设计——防腐蚀设计（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

7、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：14三、基础的设计——防腐蚀设计•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；•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；•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；15三、基础的设计——防腐蚀设计•4）水

8、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。•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。16三、基础的设计——防冲刷设计（二）海上风机基础