海上风电机组要点总结

海上风电机组要点总结一、概述：中国已建和在建的海上风电项目有上海东海大桥10万千瓦项目、江苏如东潮间带15万千瓦示范项目以及2010年国家发改委启动的首轮100万千瓦海上风电招标项目海上风电的优缺点：优点缺点海上风力资源丰富，风速高，比陆地风力发电量大离岸I0km的风速通常比陆上高约25%安装成本高，安装过程受天气环境的制约节约土地资源，受环境影响小运行、维护实施困难，直接导致机组可利用率下降，影响发电量减少噪声污染，降低叶片转动对公众视觉的冲击基础昂贵海上风剪切度小，不需要很高的支撑塔架，从而可以降低海上风力发电机组的成本电网接入集成成本高海上湍流强度低，海平面摩擦力较小，作用在风力发电机组上的疲劳载荷减少，延长了风电机组的使用寿命二、基础结构的分类基础结构类型可分为：桩式基础，导管架式基础，重力式基础，浮动式基础等多种结构形式。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，该中形式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。其重量一般为150t-400t，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。优点：是无需海床准备、安装简便。缺点：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。1.2多桩基础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。优点：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。应用情况：2007年英国Beatrice示范海上风电场，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。2.三脚桩基础三脚桩基础采用标准的三腿支撑结构，由中心柱和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。其重量一般在125~150t左右，适用水深为20~40m。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。3.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。4.重力式基础重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式。原理是依靠其自身巨大的重量以固定风机，分为混凝土和钢沉降两种形式。适用于水深小于10m的任何地质条件海床。优点：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：需要预先海床准备，海上施工周期较长；体积大、重量大，使得安装起来不方便且运输费用高；适用水深范围过狭窄，随着水深的增加，成本急剧升高。5.浮动式基础（概念阶段）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。而浮动式基础可适用于大于50m的水深。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。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。Spar基础张力腿基础浮箱式基础6.总结：挪威船级社(DNV)标准中定义了不同风机结构概念的设计要求。根据海水深度和经济性考虑海上风场基础的选择见下表。表2.1基础结构类型与海水深度的关系海水深度(M)基础类型0-10重力基础0-30单桩基础20三角架/导管架式基础50浮动平台结构目前已投人使用的基础形式有重力式、吸力式和单桩式，还有近年国外开始投人使用的三角架式和导管架式等。导管架平台在海洋油气工业中是各种水深(600m以下)的最佳选择平台之一，技术比较成熟，可以满足未来大型风电场建设的需要，因此有很好的应用前景。就中国市场来说，未来一段时期内，将以近海50m以下水深海域开发为主要对象，所以单桩基础是中国风场未来建设的一个重点。三、塔身结构的分类塔身结构可分为：单柱式塔身和析架塔身。四、海上风机的设计海上风场设计主要包括载荷分析、基础结构设计、防腐蚀设计和防冲刷设计四个方面。1.载荷分析风机基础在海洋中所受的载荷非常复杂。单从环境载荷上来看主要是作用在塔架、风叶上的风荷载和作用在基础上的波浪和水流载荷。由于此类载荷与气候息息相关，所以风场开发区域需要进行长期的勘查工作，一般需要经历2-3年，主要工作是建立监测点，记录数据，总结气象规律，作为基础选型和设计的参考依据。另外，风机本身产生的载荷通过风机支撑的传递也会影响到基础结构，例如惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷、流体动力载荷等。除此以外，还有海冰载荷、船舶冲击载荷、海泥载荷(固定基础)、锚链载荷(浮式基础)、地震载荷等。目前，在风机基础设计中，对载荷的分析方法主要是利用设计软件进行实景模拟分析，利用分析软件建立风机结构、海风、波浪模型，进行强度和疲劳分析。2.基础结构的设计参见本文“基础结构的分类”。3.防腐设计海上风机支撑结构中的钢结构长期暴露于海洋环境中，根据钢结构在海洋环境中不同位置的腐蚀程度的不同，可以分成5个部分:海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。各区具有不同的特点，应采取相应的防腐措施。具体措施如下1)海洋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)飞溅区和潮差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)潮差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。4)全浸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)海泥区的防腐蚀应采用阴极保护。涂料保护、热喷涂金属保护和阴极保护都是海洋工程钢结构经常采用的防腐蚀措施。涂料涂层和金属热喷涂层涂层系统应根据构件所处的环境条件，参照有关海上钢结构防腐蚀规范进行设计。阴极保护是防止金属腐蚀的一种电化学防腐蚀保护技术，发明至今已大于100年的历史。阴极保护在海洋工程钢结构防腐蚀领域已得到广泛应用。目前，国外有多个海上风场已经使用了阴极保护技术。4.防冲刷设计水流受到基础阻挡时会形成涡旋，进而在基础与海泥交接处形成冲刷坑。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了风机的安全工作，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。通常海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法。1)桩基周围采用粗颗粒料的冲刷防护方法，采用大块石头等粗颗粒作冲刷防护。2)桩基周围采用护圈或沉箱的冲刷防护方法，在桩基周围设置护圈(薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。3)桩基周围采用护坦减冲防护，采用适当的埋置深度、宽度的护坦以达到既安全又经济的目的。4)桩基周围采用裙板的防冲刷方法，桩基周围采用裙板起到扩大沉垫底部面积作用，将冲刷坑向外推延。5.成本在整个风场建设中，海上风电基础成本占整个工程的15%-20%。基础的形式对基础的成本影响很大，一般来说，重力式、单桩、多桩、导管架式、浮式等基础形式的成本依次增加。所以，在基础结构选型中，基础成本是必须考虑的。