海上风电基础形式及关键技术综述(何)

研究生课程考核试卷科目：新能源装备现状及发展趋势教师：何玉林（教授、博士生导师）姓名：学号：专业：机械设计及理论类别：学术上课时间：2012年11月至2012年11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)海上风电基础形式及关键技术综述【摘要】风是没有公害的能源之一。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。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，本文将对主要结构形式作扼要阐述，并简要说明海上风电基础的若干关键技术。关键字：海上风电，结构形式，风电基础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至关重要。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基础形式分类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。图1.1单桩基础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。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60～900m处的海上风力资源达到1533Gw，而近海O～30m的水域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年由麻省理工学院的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]。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关键技术分析海上风力发电系统的结构组成与陆地相似，包括风能捕获、能量转换、能量传输和控制系统部分。但海上风场要克服强风载荷、腐蚀和波浪冲击等特殊环境的影响，因此不能直接采用陆地风电技术。在风机设计装配、系统冷却、风场基础建设、并网以及系统监测维护等方面，海上风场的技术难度更高，面临挑战更大。2.1发电机设计海上风力机组的研制工作主要是提高风机利用率、降低维修率．作为主要产能设备，海上风力机组的维修率直接影响到风场的经济效益。目前海上风场所用机组基本都是根据陆地机型改造而来，缺少对海上特殊工况的针对性设计。因此利用新概念、新材料、新工艺设计真正适合于海上特殊工况的发电机，是今后海上风机技术发展的重要内容。发电机机械结构设计主要是运用结构力学的分析方法计算电机各部分的受力、变形、振动状况，以进行合理的结构设计，保证电机关键零部件及整机具有良好的静、动态特性。直驱永磁同步发电机组尺寸大，总质量大，成本也高，因此需要通过各种途径进行轻量化设计，如优化轴向长度与气隙直径之比、采用轻质结构、附加磁轴承来保证气隙的方法。另外，为便于生产、运输和装配，采用模块化结构等。2.2叶片设计与桨距控制在风机额定容量下，对应不同桨距角和叶尖速比都有一个最大风能捕获值。海上风机主要采用大型叶片来获得较高的叶尖速比，提高风能捕获量。大型叶片对材料的质量、刚度和强度要求较高，采用环氧碳纤维树脂等新型轻质材料制成的柔性叶片，可使叶片同比减重20%一40%，且能够针对风况的变化改变其空气动力型面，改善空气动力响应和叶片受力状况，增加可靠性和对风能的捕获量，应用前景广阔。我国在风机叶片材料研制方面也取得了一定进展，华东理工大学与上海玻璃钢厂成功合作开发了高性能环氧乙烯基醋树脂，这种材料性能可以和环氧树脂相媲美，但成本要少10%左右。中国科学院长春应用化学研究所与天晨新材料有限公司共同合作研发了strucell泡沫芯材，对风机叶片生产具有重要意义。2.3冷却系统设计冷却系统是海上风力发电机组的重要组成部分，其作用是冷却风力发电机组的电机、齿轮箱、变流器等主要发热部件，使其温度满足生存与运行要求。良好可靠的冷却系统可提高电机效率和绝缘寿命，防止电机局部结构变形和永磁体不可逆去磁，保证变流器和齿轮箱正常工作。根据发热量的不同，冷却系统可采用强制风冷和液冷等方式，对于MW级海上风力发电机系统，其总发热量高达几百千瓦，采用强制风冷所需的风量很大，加之海风中存在盐雾等腐蚀介质，使得海上风力机的冷却多采用密闭性和传热能力较好的液冷方法。2.4变流器设计变流器承担风机能量的转换和控制，既能对电网输送风力发电的有功分量，又能调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用。双馈式风机组一般采用部分功率变流方式并网，全功率并网不受电网频率和电压的限制，控制方案灵活，被应用于直驱式风机并网系统中。风力机组变流器一般有AC/AC变流器和AC/DC/AC变流器.AC/AC使用大量的晶闸管，控制复杂，功率因数低，谐波含量高，且只能采用倍频调节，目前主要的变流器都是AC/DC/AC方式并网。2.5塔架与基础结构设计相比于陆上风电，海上风电机组结构尺寸更大，承受荷载的大小和形式更加多样，其塔架必须能承受设计规范规定的各种工况载荷，在满足静力学要求外，尤其要关注动力学要求。2.6输电并网系统架构海上风电场规模不断扩大且逐渐远离陆地，使输电并网面临巨大挑战。海上风场的离岸集电网络构成及电能传输方式都是目前研究的重要课题。海上风场的集电系统包括风机和变电站2部分。风机一般分为多组，每组采用星型或串型方式连接，如图2.1所示。串型连接方式中每个风机都有独立的变压器，多台风机连接型成串型或叉型支路连至变电站。星型连接的风机先与临近的装有变压器的集电平台相连，再集中连接至变电站。星型连接的风机不需要安装单独的升压变压器，成本低，但稳定性差，且要建多重集电平台，施工不便，目前海上风机只采用串型连接。考虑到海底电缆铺设和风机连接，原则上将变电站的位置定于海上风场的几何中心，但建设陆上变电站更容易，成本更低，目前海上和陆上变电站平台都有使用。图2.1海上风机连接方式2.7系统监测受天气和海洋环境的影响，海上风场的维护与陆地相比难度更大.为合理有效维护风场设备，减少停机时间，降低维护成本，采用合理方案对风力机组进行监测十分必要。监测系统包括状态监测和故障诊断2部分，通过对设备运行过程中所表现出的各种外部征兆及信息，提取反映状态的正确信息并进行分析和识别其内部故障.由于风力发电设备结构及工作过程复杂，对其进行深入分析和深层故障诊断，不仅要依靠一定的理沦和方法，而且更重要的是必须了解、熟悉具体设备的结构与运行机理，并融入维护人员的经验和技巧.此外状态监测系统应具有完善的监测标准，能够界定正常工作状态和警戒范围，这些标准需要根据大量的故障数据制定[7]。风力发电在线监测系统的主要任务是信号拾取、信号处理和诊断决策。信号拾取主要由主轴传感器、齿轮箱传感器和定子传感器等来采集振动、温度、电流、电压[8]等各种设备的基本运行状况，此外利用输出能量和转速作为状态监测信号，可减少成本，使用范围更广泛[9]。信号处理是将各传感器所采集到的信号经过信号处理转换成数字信号，通过网络传输到监控室。由于海上风电场的通讯设施一般相对较差，因此网络传输可以使用CDMA,GSM等无线传输方式，从而省去了铺设光缆等工程和设备。诊断决策就是计算机将传送的信号数据进行多种分析与计算，再根据这些结果最终给出风力发电机的运行状况分析表。常用的分析方法有时域分析、频谱分析、时频分析等，而专家系统、神经网络、模糊控制等技术常用作决策方