海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)第1頁/共38頁參考書目錄：

《海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)》陳達等編著

教材推薦參考書《海上風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計理論與工程應(yīng)用》王偉、楊敏編著《制備技術(shù)-海上風力發(fā)電機組-制造方法》吳佳梁、李成鋒編著《海上風力發(fā)電機組-幾何參數(shù)設(shè)計》吳佳梁、李成鋒編著

第2頁/共38頁通常海上風電機組上安裝有3片葉片,而葉片的尺寸大小直接決定了海上風力發(fā)電機的功率大小。風機是風力發(fā)電的核心部分,主要由轉(zhuǎn)子、風速計、控制器、發(fā)電機、變速器等部分組成。一個完整的海上風電場由一定規(guī)模數(shù)量的單個風電機組和海底輸電設(shè)備構(gòu)成。單個的風電機組包括葉片、風機、塔身和基礎(chǔ)部分。葉片海上風電場的構(gòu)成風機第3頁/共38頁塔身一般由空心的管狀鋼材制成,設(shè)計主要考慮在各種風況下的剛性和穩(wěn)性,根據(jù)安裝地點的風況、水況和風輪半徑條件決定塔身的高度,使風葉片處于風力資源最豐富的高度。由于海上風電機組的基礎(chǔ)處于海上,增加了許多額外載荷和不確定因素,因而設(shè)計較為復(fù)雜,結(jié)構(gòu)形式也由于不同的海況而多樣化,因而,基礎(chǔ)設(shè)計成了海上風電場設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。塔身基礎(chǔ)第4頁/共38頁內(nèi)容及計劃本課程主要內(nèi)容第六章：海上風電機組基礎(chǔ)防腐蝕（江朝華）第一章：緒論（陳達）第二章：海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)環(huán)境荷載（江朝華）第五章：浮式基礎(chǔ)（陳達）第三章：樁承式基礎(chǔ)（陳達）第四章：重力式基礎(chǔ)（陳達）第5頁/共38頁第一章：緒論1.2.1樁承式基礎(chǔ)1.2.2重力式基礎(chǔ)1.2.3浮式基礎(chǔ)1.1海上風電發(fā)展概況1.2海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類和組成1.1.1國外海上風電發(fā)展概況1.1.2國內(nèi)海上風電發(fā)展概況第6頁/共38頁風能概況能源總量據(jù)估計到達地球的太陽能中只有大約2％轉(zhuǎn)化為風能，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風能提水風能動力第7頁/共38頁風能概況風能、太陽能和生物質(zhì)能發(fā)展速度最快，產(chǎn)業(yè)前景也最好。風力發(fā)電相對于太陽能、生物質(zhì)能等新能源技術(shù)更為成熟、成本更低、對環(huán)境破壞更小，被稱為最接近常規(guī)能源的新能源，因而成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的清潔能源技術(shù)。風能的特征第8頁/共38頁全球風電裝機發(fā)展第9頁/共38頁全球風電裝機發(fā)展截止2011年底，全球風電裝機容量達到了2.38×105MW，累計裝機容量實現(xiàn)了21%的年增長。全球75個國家有商業(yè)運營的風電裝機，其中22個國家的裝機容量超過1GW，風電正在以超出預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長。目前，丹麥用電量的28%來自風電，西班牙用電量的16%來自風電，德國用電量的8%來自風電，風電已成為歐洲國家能源轉(zhuǎn)型的重要支撐，這為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型樹立了榜樣。歐洲風能利用協(xié)會將在歐洲的近海岸地區(qū)進行風能開發(fā)利用，希望在2020年風能發(fā)電能夠滿足歐洲居民的全部用電需求。全球風電裝機容量歐洲風能發(fā)展目標第10頁/共38頁中國風電裝機發(fā)展第11頁/共38頁中國風電裝機發(fā)展我國風力發(fā)電始于上世紀80年代，自從2006年1月1日開始實施可再生能源法后，中國風電市場前期穩(wěn)步發(fā)展、后期迅猛發(fā)展。如今在全球的風能發(fā)展中，中國風力發(fā)電的發(fā)展速度最快，至2012年6月，我國并網(wǎng)風電達到52.58GW，國家電網(wǎng)調(diào)度范圍達到50.26GW，超過美國躍居世界第一。2012年8月發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出到2015年，風電累計并網(wǎng)運行達1×105MW。2007年2050年中國風電裝機容量第12頁/共38頁中國風資源“三北”地區(qū)東北、華北、西北可開發(fā)利用的風能儲量約2億kW，約占全國陸地可利用儲量的79％。該地區(qū)地形平坦，沒有破壞性風速，是我國連成一片的最大風能資源區(qū)，有利于大規(guī)模開發(fā)風電場。沿海及其島嶼地區(qū)包括山東、廣西和海南、江蘇等省市沿海近10km寬地帶，約占全國陸地可利用儲量的4％。東南沿海及其島嶼是我國風能最佳豐富區(qū)。內(nèi)陸局部風豐富區(qū)：一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風能豐富點，如鄱陽湖附近地區(qū)、湖北的九宮山和利川以及湖南八面山等地區(qū)，適合建設(shè)零星的中小型風電場。海上風能豐富區(qū)第13頁/共38頁中國海上風資源海上風電具有不占用土地資源、受環(huán)境制約少、風電機組容量更大、年利用小時數(shù)更高、更具規(guī)?；_發(fā)的特點，使得近海風力發(fā)電技術(shù)成為近來研究和應(yīng)用的熱點。我國海上可開發(fā)和利用的風能儲量約2×105MW，海上風能資源豐富，有巨大的蘊藏量和廣闊的發(fā)展前景，特別是東部沿海水深50m內(nèi)的海域面積遼闊，距電力負荷中心很近，隨著開發(fā)技術(shù)的成熟，海上風電必將成為我國東部沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要能源來源。江蘇省海上風電開發(fā)布局圖海上風電優(yōu)勢我國海上風能資源第14頁/共38頁

1.1.1國外海上風電發(fā)展概況目前國際上已建成且投入商業(yè)運行的海上風電場基本上都在歐洲，這主要是由于歐洲基本不受臺風的影響，發(fā)展海上風電場具有優(yōu)勢條件。自20世紀80年代起，歐洲開始積極探討海上風電開發(fā)的可行性。瑞典于1990年安裝了第一臺實驗性海上風電機組，離岸350m，水深6m，容量為220kW，該機組1998年停運。1997年開始在海上建立5臺600kW的風電機組。2000年，兆瓦級風電機組開始在海上應(yīng)用示范，并規(guī)劃籌建11座海上風電場，至2008年已建成15座海上風電場。國外海上風電總體情況瑞典第15頁/共38頁1.1.1國外海上風電發(fā)展概況丹麥發(fā)展海上風電也較早，全國有6%的用電來自近海風電場。1991年丹麥在波羅的海洛蘭島西北沿海附近建成了世界上第一個海上風電場，安裝11臺450kW風電機組，1995年又建成10臺500kW海上風電機組，2003年還建成了當時世界上最大的近海風電場，共安裝80臺2.0MW風電機組。出于對環(huán)境的考慮，丹麥的海上風電場只關(guān)注那些偏遠的水深在5~11m之間的海域，所選的區(qū)域須在國家海洋公園、海運路線、微波通道、軍事區(qū)域等之外，距離海岸線7到40km，使岸上的視覺影響降到最低。根據(jù)丹麥政府能源計劃法案，2030年以前丹麥風力發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的50%，其中，近四分之一的風力發(fā)電量是由海上風電供給，最近，丹麥政府提出到2050年全部擺脫對化石能源的依賴。丹麥第16頁/共38頁1.1.1國外海上風電發(fā)展概況德國是歐洲地區(qū)風力發(fā)電的主陣地，由于缺乏合適的場地，德國陸上風電場的新建工作將在今后十多年中減緩，從而轉(zhuǎn)向海上風電場的強制建設(shè)，目前已在12英里開外的深水地區(qū)，以及近海地區(qū)都建造了風電場。德國海上風電場。德國根據(jù)德國2002年公布的戰(zhàn)略綱要，到2030年的長期目標中，包括德國海岸地區(qū)、專屬經(jīng)濟區(qū)（EEZ）和國土外圍12英里范圍內(nèi)將達到2.5×104MW的安裝容量，產(chǎn)生70~85TWh的電力，達到1998年電力需求的15%。最近德國提出到2050年80%的電力來自可再生能源、60%的能源來自可再生能源。德國海上風電目標第17頁/共38頁1.1.1國外海上風電發(fā)展概況2003年底，英國3個戰(zhàn)略海域（利物浦海灣、沃什灣，以及泰晤士河）的15個工程總裝機容量逾7000MW，英國計劃到2030年開發(fā)建設(shè)4.8×104MW的海上風電。2010年達到1500MW裝機容量的目標已經(jīng)實現(xiàn)。僅在愛爾蘭東海岸地區(qū)正在進行另外6座電場的調(diào)研，擬達到1000MW的裝機容量。到2011年底，歐洲已建成53個海上風電場，分布在比利時、丹麥、芬蘭、德國、愛爾蘭、荷蘭、挪威、瑞典和英國海域，裝機容量達到3813MW，另有5603MW的風電場在建。英國荷蘭歐洲總體狀況第18頁/共38頁1.1.1國外海上風電發(fā)展概況2010年全世界風電裝機容量布局圖北美海上風電發(fā)展較晚，目前為止還沒有較大規(guī)模的風電場真正投入運行。

加拿大目前準備建設(shè)的最大的風電場是在安大略湖的Trillium風電場，裝機容量為414MW。美國在2012年1月才在政策上基本確定支持嘗試建立海上風電場，目前在風能資源豐富的東海岸已經(jīng)陸續(xù)有相關(guān)計劃得到支持，比較大的是鱈魚岬（CapeCod）風電場，預(yù)計裝機容量可達454MW。北美海上風電概況加拿大美國第19頁/共38頁1.1.2國內(nèi)海上風電發(fā)展概況

在海上風電方面，中國東部沿海風能資源可開發(fā)量50米高度約為200GW，70米高度約為500GW。目前我國已建成的海上風電總裝機容量約250MW。上海東海大橋海上風電項目是我國首個大型海上風電項目，總裝機容量102MW，采用34臺3MW風電機組，2010年6月全部并網(wǎng)發(fā)電，其二期項目2011年10月并網(wǎng)運行1臺單機容量5MW的樣機，為我國首臺并網(wǎng)運行的最大單機容量風電機組。江蘇如東龍源海上風電場，是我國首個潮間帶試驗風電場，總裝機容量32MW，共安裝16臺海上試驗機組，分別為6臺1.5MW風電機組、6臺2.0MW風電機組、2臺2.5MW風電機組和2臺3.0MW風電機組，2010年9月28日全部投產(chǎn)發(fā)電。我國海上風能資源概況我國海上風電場現(xiàn)狀第20頁/共38頁1.1.2國內(nèi)海上風電發(fā)展概況

根據(jù)我國2012年8月發(fā)布的《可再生能源“十二五”規(guī)劃》：

2015年中國海上風電將達到5GW，海上風電成套技術(shù)將形成并建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈；2015年后將實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，達到國際先進水平；2020年海上風電將達到30GW。截止到2012年8月，我國已開展前期工作和擬建的海上風電項目約24個。我國海上風電發(fā)展前景第21頁/共38頁1.2海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類及組成海上風電機組通常由塔頭（風輪與機艙）、塔架和基礎(chǔ)三部分組成。其中海上風電場基礎(chǔ)對整機安全至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)具有重心高、承受的水平風力和傾覆彎矩較大等受力特點，在設(shè)計過程中還須充分考慮離岸距離、海床地質(zhì)條件、海上風浪以及海流、冰等外部環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致海上風電機組基礎(chǔ)的造價約占海上風電場工程總造價的20%~30%。在充分考慮海上風電場復(fù)雜環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，慎重選擇海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式和合理設(shè)計是海上風電場建設(shè)的關(guān)鍵海上風電基礎(chǔ)組成海上風電基礎(chǔ)的特征第22頁/共38頁1.2海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類根據(jù)海上風電基礎(chǔ)與海床固定形式劃分：樁承式固定式b)浮式：主要用于50m以上水深海域重力式適應(yīng)的水深在0~50m海上風電基礎(chǔ)的分類第23頁/共38頁

樁承式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力模式和建筑工程中傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)類似，由樁側(cè)與樁周土接觸面產(chǎn)生的法向土壓力承擔結(jié)構(gòu)的水平向荷載，由樁端與土體接觸的法向力以及樁側(cè)與樁周土接觸產(chǎn)生的側(cè)向力來承載結(jié)構(gòu)的豎向荷載。

1.2.1樁承式基礎(chǔ)按材料分：鋼管樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)；

按結(jié)構(gòu)形式分：單樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和群樁承臺基礎(chǔ)。

樁承式基礎(chǔ)樁承式基礎(chǔ)分類第24頁/共38頁結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便

受海底地質(zhì)條件和水深約束較大，水太深易出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，對沖刷敏感，在海床與基礎(chǔ)相接處，需做好防沖刷防護，并且安裝時需要專用的設(shè)備（如鉆孔設(shè)備），施工安裝費用較高。單樁基礎(chǔ)

是目前使用最為廣泛的一種基礎(chǔ)型式，國外現(xiàn)有

的大部分海上風電場，如丹麥的HornsRev和Nysted、愛爾蘭的ArklowBank、英國的NorthHoyle、ScrobySands和KentishFlats等大型海上風電場均采用了這種基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)特點不足應(yīng)用狀況第25頁/共38頁該基礎(chǔ)吸取了海上油氣開采中的一些經(jīng)驗，采用標準的三腿支撐結(jié)構(gòu)，由圓柱鋼管構(gòu)成，增強了周圍結(jié)構(gòu)的剛度和強度。三腳架的中心軸提供風機塔架的基本支撐，類似單樁結(jié)構(gòu)適用于比較堅硬的海床，具有防沖刷的優(yōu)點。德國的AlphaVentus海上風電場首批海上機組中的6臺以及我國金風科技潮間帶2.5MW試驗機組如東項目都采用了三角架基礎(chǔ)。三腳架基礎(chǔ)三腳架基礎(chǔ)組成適用條件應(yīng)用狀況第26頁/共38頁是一個鋼質(zhì)錐臺形空間框架，以鋼管為骨棱，基礎(chǔ)為三腿或四腿結(jié)構(gòu)，由圓柱鋼管構(gòu)成?；A(chǔ)通過結(jié)構(gòu)各個支角處的樁打入海床。基礎(chǔ)的整體性好，承載能力較高，對打樁設(shè)備要求較低。導(dǎo)管架的建造和施工技術(shù)成熟，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到海洋環(huán)境載荷的影響較小，對風電場區(qū)域的地質(zhì)條件要求也較低。英國在其北海海域開展的Beatrice實驗性項目中采用了導(dǎo)管架基礎(chǔ)，項目所在海域水深48m，導(dǎo)管架高62m，平面尺寸20×20m。樁長為44m，樁徑為1.8m，壁厚60mm。瑞典的UtgrundenII海上風電場項目也采用了導(dǎo)管架基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)導(dǎo)管架基礎(chǔ)組成應(yīng)用狀況特點第27頁/共38頁由基樁和承臺組成，可根據(jù)地質(zhì)條件和施工難易程度，可以做成不同根數(shù)的樁，外圍樁一般整體向內(nèi)有一定角度的傾斜，用以抵抗波浪、水流力，中間以填塞或者成型方式連接。承臺一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，起承上傳下的作用，把墩身荷載傳到基樁上。

承載力高、抗水平載荷強、沉降量小而較均勻?，F(xiàn)場作業(yè)時間較長，工作量大。群樁承臺基礎(chǔ)

我國上海東海大橋海上風電場項目即采用了世界首創(chuàng)的風電機組群樁承臺基礎(chǔ)設(shè)計?；A(chǔ)由8根直徑為1.7m的鋼管樁與承臺組成，鋼管樁為5.5:1的斜樁，管材為Q345C，上段管壁厚30mm，下段管壁厚25mm，樁長為81.7m。群樁承臺基礎(chǔ)組成特點不足應(yīng)用狀況第28頁/共38頁一般由胸墻、墻身和基床組成。1.2.2重力式基礎(chǔ)①將塔筒和墻身連成整體；②直接承受冰荷載、船舶撞擊等荷載，并將這些荷載傳給下部結(jié)構(gòu)；③設(shè)置防沖設(shè)施、系船設(shè)施和安全設(shè)施等。根據(jù)墻身結(jié)構(gòu)的不同，可分為

沉箱基礎(chǔ)、大直徑圓筒基礎(chǔ)和吸力式基礎(chǔ)。重力式基礎(chǔ)組成胸墻的作用：重力式基礎(chǔ)的分類第29頁/共38頁1.2.2重力式基礎(chǔ)

①重力式基礎(chǔ)的重量和造價隨著水深的增加而成倍增加；②重力式基礎(chǔ)是所有基礎(chǔ)類型中體積和質(zhì)量最大的。③重力式基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、抗風暴和風浪襲擊性能好，其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎(chǔ)中最好的。地質(zhì)條件要求較好，并需要預(yù)先處理海床，由于其體積大、重量大，一般要達1000t以上，海上運輸和安裝均不方便，并且對海浪的沖刷較敏感。丹麥的Vindeby和Middelgrunden海上風電場基礎(chǔ)采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)重力式基礎(chǔ)的特征重力式基礎(chǔ)的不足應(yīng)用狀況第30頁/共38頁吸力式基礎(chǔ)

也稱負壓桶式基礎(chǔ)，分為單桶、三桶和四桶幾種結(jié)構(gòu)型式。這是一種新的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)概念，在淺海和深海區(qū)域中都可以使用。在淺海中的吸力桶實際上是傳統(tǒng)樁基和重力式基礎(chǔ)的結(jié)合，在深海海域作為張力腿浮體支撐的錨固系統(tǒng)，更能體現(xiàn)出其經(jīng)濟優(yōu)勢。利用了負壓沉貫原理，是一鋼桶沉箱結(jié)構(gòu)，鋼桶在陸上制作好以后，將其移于水中，向倒扣放置的桶體充氣，將其氣浮漂運到就位地點，定位后抽出桶體中的氣體，使桶體底部附著于泥面，然后通過桶頂通孔抽出桶體中的氣體和水，形成真空壓力和桶內(nèi)外水壓力差，利用這種壓力差將桶體插入海床一定深度。吸力式基礎(chǔ)分類吸力式基礎(chǔ)原理第31頁/共38頁吸力式基礎(chǔ)省去了樁基礎(chǔ)的打樁過程，大大節(jié)省了鋼材用量和海上施工時間，施工速度快，便于在海上惡劣天氣的間隙施工?？梢允孪劝惭b好，再拖到工地，便于運輸和安裝。由于吸力式基礎(chǔ)插入深度淺，只須對海床淺部地質(zhì)條件進行勘察，而且風電場壽命終止時，可以簡單方便的拔出并可進行二次利用。

在負壓作用下，桶內(nèi)外將產(chǎn)生水壓差，引起土體滲流，雖然滲流能大大降低下沉阻力，但是過大的滲流將導(dǎo)致桶內(nèi)土體產(chǎn)生滲流大變形，形成土塞，甚至有可能使桶內(nèi)土體液化而發(fā)生流動等，在下沉過程中容易產(chǎn)生傾斜，需頻繁矯正。丹麥的Frederikshavn海上風電場的建設(shè)中首次使用了吸力式基礎(chǔ)。吸力式基礎(chǔ)優(yōu)點吸力式基礎(chǔ)的不足應(yīng)用狀況第32頁/共38頁1.2.3