海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型1. 概述風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，離岸10 km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上25%；海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主向，機(jī)組承受的疲勞負(fù)荷較低，使得風(fēng)機(jī)壽命；風(fēng)切變小，因而塔架可以較低；在海上開(kāi)發(fā)風(fēng)能，受噪聲、景觀、鳥(niǎo)類(lèi)、電磁波干擾等問(wèn)題較少；海上風(fēng)電場(chǎng)不涉及土地征用等問(wèn)題，人口比較集中，陸地面積相對(duì)較小、瀕臨海洋家或地區(qū)，較適合發(fā)展海上風(fēng)電。海上風(fēng)能利用不會(huì)造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害，可減少溫室效應(yīng)氣體的排放，環(huán)保價(jià)值可觀，海上風(fēng)電的這些優(yōu)點(diǎn)，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來(lái)研究和應(yīng)

2、用的熱點(diǎn)。發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，影響海上風(fēng)電成本的主要因素是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本(包括制造、安裝和維護(hù))。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占2030%，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為510%。因此發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個(gè)主要途徑。2. 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)被認(rèn)為是造成海上風(fēng)電成本較高的主要因素之一。目前國(guó)外研究和應(yīng)用的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)從結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式上主要分為重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及懸浮式基礎(chǔ)。前兩種形式已在歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，懸浮式基礎(chǔ)為正在研制階段的深水海上風(fēng)電技術(shù)。2.1. 重力式基礎(chǔ)重力固定式基礎(chǔ)體積較大，靠重力來(lái)固定位置，主要有鋼筋混凝土沉箱型或鋼

3、管柱加鋼制沉箱型等等，其基礎(chǔ)重量和造價(jià)隨著水深的增加而成倍增加，丹麥的Vindeby 、Tun Knob、Middelgrunden和比利時(shí)的Thornton Bank海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。重力式基礎(chǔ)適合堅(jiān)硬的黏土、砂土以及巖石地基，地基須有足夠的承載力支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自重、上部風(fēng)機(jī)荷載以及波浪和水流荷載。重力式基礎(chǔ)一般采用預(yù)制圓形空腔結(jié)構(gòu)（圖2-1），空腔內(nèi)填充砂、碎石或其他密度較大的回填物，使基礎(chǔ)有足夠自重抵抗波浪、水流荷載以及上部風(fēng)機(jī)荷載對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平滑動(dòng)、傾覆。基礎(chǔ)尺寸根據(jù)地基承載力以及抵抗滑動(dòng)、傾覆所需要的抗力決定。圓形結(jié)構(gòu)安放前須在地基上鋪設(shè)一定厚度的拋石基床，一方面起整

4、平作用，另一方面可以擴(kuò)散結(jié)構(gòu)對(duì)地基的應(yīng)力，起減小地基應(yīng)力及減弱不均勻沉降作用。基礎(chǔ)可在陸上預(yù)制場(chǎng)內(nèi)預(yù)制或駁船上預(yù)制，采用半潛駁運(yùn)至風(fēng)機(jī)位置，起重船吊裝就位。重力式基礎(chǔ)對(duì)地基承載力要求較高，適用于30m水深以下的海域，優(yōu)點(diǎn)：基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本體造價(jià)較鋼結(jié)構(gòu)低；缺點(diǎn)：基礎(chǔ)的體積較大，需在岸邊預(yù)制，運(yùn)輸、就位較為不便，同時(shí)地基需一定的處理（平整基床）。重力式基礎(chǔ)不適合流沙形的海底情況。另外，由于重力式基礎(chǔ)一般重達(dá)3000t左右，其海上運(yùn)輸和安裝等均不方便。圖2-1 重力式基礎(chǔ)2.2. 樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將鋼管安裝在海底泥面以下一定的深度，將風(fēng)機(jī)塔架固定其上起支承作用。樁基

5、礎(chǔ)可分為單樁基礎(chǔ)、多樁承臺(tái)基礎(chǔ)及多腳架組合基礎(chǔ)。2.2.1. 單樁基礎(chǔ)（Monopile）支柱固定式基礎(chǔ)利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將鋼質(zhì)支柱安裝在海底泥面以下一定的深度，將風(fēng)機(jī)塔架固定其上起支承作用（圖2-2）。其插入深度由水深和海床地質(zhì)條件決定，其水深一般小于30m（平均水位）。國(guó)外現(xiàn)有的大部分海上風(fēng)電場(chǎng)，如丹麥Horns Rev和Nysted、愛(ài)爾蘭Arklow bank、英國(guó)North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats等大型海上風(fēng)電場(chǎng)均采用了這種基礎(chǔ)。圖2-2 單樁基礎(chǔ)單樁式基礎(chǔ)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安裝方便，為目前應(yīng)用最普遍的形式。它由鋼制圓管構(gòu)成，圓管壁厚在3

6、060mm，直徑在46m。由于單樁打入海底較深，該基礎(chǔ)形式有較大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于海床有巖石的情況就不合適采用此類(lèi)基礎(chǔ)。由于單樁式基礎(chǔ)在更深的水況下，只能通過(guò)加長(zhǎng)鋼制圓管的長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)水深，但會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)鋼管的剛性及穩(wěn)性降低，所以單樁式基礎(chǔ)適應(yīng)的最大水深約25m。2.2.2. 多樁承臺(tái)基礎(chǔ)多樁式高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，參考了國(guó)內(nèi)施工建設(shè)中已趨成熟的海上獨(dú)立式墩臺(tái)基礎(chǔ)和跨海大橋橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式；其結(jié)構(gòu)由基樁和承臺(tái)組成（圖2-3），其基樁可采用預(yù)制樁、灌注樁或鋼管樁。 圖2-3 多樁承臺(tái)基礎(chǔ)預(yù)制樁一般選用PHC管樁較為經(jīng)濟(jì)，但PHC管樁施打時(shí)對(duì)風(fēng)浪要求較高、遇深厚砂土層時(shí)沉樁較為困難以及施工期在波浪力的作用下易造成

7、樁身脆性破壞等問(wèn)題。灌注樁只能做成直樁，抵抗大的水平推力時(shí)只能靠增加樁徑來(lái)解決，且灌注樁在海上施工時(shí)需搭設(shè)施工平臺(tái)，施工周期長(zhǎng)，一般不采用。鋼管樁具有剛度大，重量較小，沉樁施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被東海大橋風(fēng)電場(chǎng)采用。承臺(tái)采用圓形結(jié)構(gòu)，承臺(tái)的直徑根據(jù)樁的數(shù)量的間距來(lái)確定，承臺(tái)的高度根據(jù)樁進(jìn)入承臺(tái)的深度及上部風(fēng)筒連接件的埋置深度確定。2.2.3. 多腳架組合基礎(chǔ)多腳架組合式基礎(chǔ)主要在海上石油平臺(tái)、海上燈塔建設(shè)中得到一定的運(yùn)用,據(jù)了解，我國(guó)在渤海、東海水深1580m海域設(shè)立的海上石油導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，均采用此類(lèi)基礎(chǔ)。三腳架組合式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為：用多根中等直徑的鋼管樁定位于海底，樁頂通過(guò)鋼套管支撐上部三腳桁架結(jié)構(gòu)

8、，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)（圖2-4）。多腳桁架承受上部塔架荷載，并將應(yīng)力與力矩傳遞于鋼樁。圖2-4 多腳架組合式基礎(chǔ)2.3. 懸浮式基礎(chǔ)懸浮式基礎(chǔ)按照基礎(chǔ)上安裝的風(fēng)機(jī)的數(shù)量分為多風(fēng)機(jī)式和單風(fēng)機(jī)式。多風(fēng)機(jī)式即指在一個(gè)浮式基礎(chǔ)上安裝有多個(gè)風(fēng)機(jī)（圖2-5），但因穩(wěn)性不容易滿(mǎn)足和所耗費(fèi)的成本過(guò)高，一般不予考慮。另一種就是單風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)（圖2-6），這種基礎(chǔ)主要參考現(xiàn)有海洋石油開(kāi)采平臺(tái)而提出，因其技術(shù)上有參考，且成本較低，是未來(lái)懸浮式基礎(chǔ)發(fā)展的主要考慮方向。3. 各種基礎(chǔ)型式的比較基礎(chǔ)型式的比較僅限于目前常用的基礎(chǔ)型式，比較見(jiàn)表3.1。表3-1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案特性比較表設(shè)計(jì)方案比較內(nèi)容重力式基礎(chǔ)大直徑單根鋼管

9、樁基礎(chǔ)群樁式高樁承臺(tái)基礎(chǔ)三腳架組合式基礎(chǔ)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該結(jié)構(gòu)為國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)常用型式?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，依靠自身的重量固定于海床上該結(jié)構(gòu)為國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)常用型式?；A(chǔ)自重輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確。該結(jié)構(gòu)為高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，總體結(jié)構(gòu)偏于厚重。因結(jié)構(gòu)承受較大的波浪上托力影響，故基樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)。斜樁基樁呈圓周形布置，對(duì)結(jié)構(gòu)受力和抵抗水平位移較為有利。該結(jié)構(gòu)在海洋石油工業(yè)海上石油導(dǎo)管架基礎(chǔ)的建造中得到了應(yīng)用，基礎(chǔ)自重較輕?；鶚冻嗜菢段徊贾?，固定在海底，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。適用自然條件適用于水深小于30m，且地質(zhì)條件好的地區(qū)。 適用于水深小于25m，且地質(zhì)條件較好的地區(qū)，對(duì)于場(chǎng)地較差

10、，考慮采用大直徑單根鋼管樁基礎(chǔ)，可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)傾斜度和變位要求。適用于水深530m，對(duì)地質(zhì)條件要求不高的地區(qū)。但對(duì)于臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率較高的海域，因波浪將對(duì)承臺(tái)產(chǎn)生較大的頂推力作用，須對(duì)基樁與承臺(tái)的連接采取加固措施。適用于水深為1550m，對(duì)地質(zhì)條件要求不高的地區(qū)。但基礎(chǔ)的水平度控制需配有浮塢等海上固定平臺(tái)完成。建成后，由于水下桁架結(jié)構(gòu)處水深較淺，工作船的靠泊條件有所限制。海上施工技術(shù)和施工條件岸邊預(yù)制，半潛駁運(yùn)輸，起重船吊裝就位。岸邊需較大的安裝場(chǎng)地，基礎(chǔ)體積、重量較大，運(yùn)輸和吊裝較為不便，施工措施費(fèi)用較高。施工周期較長(zhǎng)。對(duì)于單樁獨(dú)柱的就位施打必須具備大型打樁錘，施工要求較高。據(jù)調(diào)查和交流，國(guó)外風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建造公司已積累了一整套成熟的施工技術(shù)，本工程施工時(shí)可租賃和引進(jìn)相應(yīng)的施工機(jī)械和施工技術(shù)。鋼管樁陸上制作、堆放及吊運(yùn)時(shí)，對(duì)場(chǎng)地、周轉(zhuǎn)碼頭的要求較高。施工周期短。此種基礎(chǔ)型式基樁直徑較?。ú淮笥?.5m），國(guó)內(nèi)現(xiàn)有打樁船“天威號(hào)”及