固定式海上风力发电机组基础
The Foundation of Fixed Offshore WindTurbine

中国的海岸线长,海上风能资源较为丰富。中国近海70m水深区域平均风速可达8.1m/s,平均功率密度572.6W/m2,福建、浙江南部和广东附近的近海地区是风力资源利用的黄金地段。海上风力发电机组的风轮、机舱、塔架结构与陆地机组相同,在技术要求上主要是防盐雾腐蚀抗台风能力,但海上风力发电机组的塔架基础要复杂得多,要通过特制的支撑结构将风力发电机组全部载荷传递至海床,本课件只介绍基础

在水深不超过60m的海域,可将风力发电机组的基础固定在海床。基础除了机组的气动载荷还要承受水动力载荷。海上风电场选址主要是风况,海洋条件与气象条件,海床的稳定性。对选定场址进行地质勘探,地质钻孔取得海床地质资料。

海上风力发电机组的固定式基础目前主要有以下几种:单桩基础、重力式基础、多桩承台基础、导管架群桩基础、吸力桶导管架基础。见图1。

海上风力发电机组的5种固定式基础
图1  海上风力发电机组的5种固定式基础
 
1.1单桩基础

将风力机的塔架直接延伸到水里,插入海床是最简单的施工方式,在水深不超过30m的海域应用较广。用沉桩设备(海上打桩机)把钢桩打入海床。普通钢桩直径为6~7.5m,特大型钢桩直径达10m,贯入海床深度根据风力机载荷与海床地质情况,普通钢桩长度60~90m,重量600~1200t,大型钢桩长度超110m,重量超2000t。

钢管桩打入海床,上端在海平面以下,需要使用一节连接筒伸出海面。连接筒直径较钢桩略小,下端插入钢桩内,上端伸出水面,在二管缝隙间注入灌浆材料粘牢二管。连接筒上端有连接塔筒的法兰基础环)与工作平台,风力机塔筒法兰与基础环用螺栓联结。

用大型海上钻孔设备在海床钻孔,再插入钢桩也是一种施工方式。把1kt至2kt的钢桩垂直插入海床并不简单,在海上风电机组的施工课件有介绍。

单桩基础适用于覆盖层深厚的黏性土、粉土、砂土、碎石类土等地质条件,水深宜在30m以内的近海海域。

1.2 重力式基础

先将海上风电机组基础在陆地上用混凝土制成,然后运到海里指定位置安放,用砾石和砂子堆在周围,靠重力固定风力发电机组。

目前运用的新技术是用钢板制成圆筒型,并在底上焊接平钢板,见图2(a)。其优点是重量轻,便于普通船运和与吊装风力发电机相同的设备在海里安放,然后填充密度很大的石块,例如橄榄石。图2(b)是沉入海底的重力式基础示意图。

海上风力发电机组重力式基础
图2  海上风力发电机组重力式基础

重力式基础适用于承载力满足上部荷载要求的天然或人工处理地基,水深宜在20m以内的近海海域,要先对海床进行处理。重力基础的优点是安装成本较低。

1.3 多桩承台基础

桩、承台以及预埋于承台内的基础环或锚杆组成,通过多根垂直或倾斜的桩固定在海床上,支撑风电机组结构体系的基础。主要有3桩、4桩、5桩等,从形式上主要有三角架式与门架式。图3是3桩三角架式式基础。

海上风力发电机组3桩三角架式基础
图3  海上风力发电机组3桩三角架式基础

三角架式基础中心立柱三角形钢架联结为一个整体,有非常好的刚度和强度。三角形钢架下方每个脚是桩套管,将套在打入海床的钢桩上。待三脚架找平后在套管与钢桩间注入高强灌浆料,灌浆料干固后就可进行风电机组安装。图3(a)为三角架式基础外观图,图3(b)为三角架式基础安装在海床示意图。

某3.6MW海上风力发电机组采用3桩基础,钢桩直径3m,长80m,单根重150t,均匀布置在直径28m的外接圆上。

门架式基础采用高强度门架支撑,多为3桩或4桩,图4是3桩门架式基础。

海上风力发电机组3桩门架式基础
图4  海上风力发电机组3桩门架式基础

用钢板焊接成的门架下方有3根钢管立柱,立柱下面是插入段,将插入打入海床的钢桩筒内。待门架找平后在插入段与钢管桩间注入高强灌浆料,灌浆料干固后就可进行风电机组安装。图4(a)为门架式基础外观图,图4(b)为门架式基础安装在海床示意图。

图5为网上发布的三角架式基础与门架式基础照片。

海上风力发电机组三角架式基础与门架式基础
图5  海上风力发电机组三角架式基础与门架式基础
(照片来自网络)

打入海床的钢桩位置不可能非常准确,所以在每个基础打完桩后,对桩的准确位置和倾斜度进行测量,根据相关数据再制作三角钢架,制好的钢架脚管才能准确插入钢桩,三角钢架脚管与钢管桩之间采用高强灌浆料或焊接等措施进行连接。但这种方法工期太长,批量安装采用先桩法后桩法,在海上风电机组的施工课件对二种方法有介绍。

多桩承台基础适用于黏性土、粉土、砂土、碎石类土、强风化岩、软岩等地质条件,水深宜在30m以内的近海海域。

1.4 高承台群桩基础

亚洲第一个海上风电项目上海东海大桥100 MW 海上风电项目所在海域是深厚软土浅覆盖层岩石海床地基,当时国外流行的单桩基础不适用,好比筷子插在米饭里,不稳定。中国工程技术人员研发了一种海上风电机组基础结构型式,由桩、承台以及预埋于承台内的基础环组成,通过多根倾斜的钢桩固定在海床上,该结构体系称为高承台群桩基础,属于多桩承台基础的一种。图6是高承台群桩基础的结构与安装示意图。

高承台群桩基础的结构与安装
图6  高承台群桩基础的结构与安装

先把钢桩(桩基)打入海海床,一般采用8至10根钢桩,以伞形分布倾斜插入海床,钢桩斜角度为9°至12°,图6(a)图下方就是斜插入海床的钢桩基础(桩基)。桩基上部将安装承台,承台是安装风力机塔架的地方。先制作一个承台套箱,套箱内有支持塔架基础的基础环,基础环周围有用于支撑,与钢桩固定的连接件,在承台底板上有钢桩插入孔。这些部件牢固的焊接在一起,并在承台套箱内扎好钢筋网,见图6(a)图上方。

吊起承台套箱,将承台套箱吊放在桩基上,钢桩插入承台套箱一定深度,保持塔筒基础环的水平,用焊接或其他方式将承台套箱固定在桩基上,见图6(b)图。向套箱内浇注水泥,待水泥干固,进行修整与辅件安装就可以安装风力发电机了,图6(c)图是在海床安装好的高承台群桩基础示意图。

图7是网上发布的高承台群桩基础的照片,图(a)是正在吊装的承台套箱,图(b)是已安装在海里的高承台群桩基础。

高承台群桩基础照片
图7  高承台群桩基础照片
(照片来自网络)
 
1.5 导管架群桩基础

导管架结构借鉴了海洋石油平台的概念,采用桁架式结构。导管架基础多为4桩或3桩,海上风力机基础较多采用4桩导管架基础,图8是导管架群桩基础的结构与安装示意图。

海上风力发电机组导管架群桩基础结构与安装
图8  海上风力发电机组导管架群桩基础结构与安装

用4根较粗的钢管作为立柱(导管),中间用细些的钢管斜向支撑(斜撑),这样相互焊接形成空间四边形棱柱结构,也有中间加有横向钢管(横撑)的导管架,这种结构刚度大,又不会笨重。四根导管下端部有垂直的导管腿插入段),导管腿将插入(或套入)海底的钢桩,然后在两管间灌浆粘牢。图8(a)是导管架群桩基础的结构图,图8(b)是导管架群桩基础安装在海床的示意图。

导管架式支撑结构强度高,稳定性较好,适用较深的海域。图9是网上发布的导管架基础照片。 图(a)是4桩导管架基础外观,图(b)是在海中安装好的导管架基础。

海上风力发电机组导管架群桩基础照片
图9  海上风力发电机组导管架群桩基础照片
(照片来自网络)

导管架群桩基础的安装也采用先桩法后桩法,在海上风电机组的施工课件对二种方法有介绍。

导管架群桩基础适用于黏性土、粉土、砂土、碎石类土、强风化岩、软岩等地质条件,水深宜在50m以内的海域。

1.6 吸力桶导管架

吸力桶导管架是较新的基础形式,是一种通过负压吸附实现海底稳固安装的基础。图10是吸力桶导管架的结构与安装示意图。

吸力桶导管架的结构与安装
图10  吸力桶导管架的结构与安装

吸力桶导管架的上层导管架与普通导管架相同,采用钢管相互连接形成的桁架式结构。不同的是在下面每一个脚连接一个圆桶,圆桶底向上,桶口向下,在桶底安装可拆卸抽水泵(图中未表示),图10(a)图是4吸力桶导管架的结构图,左下角的桶是剖开的。

平整清理海底,起重船吊起导管架准备下沉,入水前打开桶底阀门,释放吸力桶内空气,把吸力桶导管架下沉到海底,靠自重桶口入泥,形成桶口密封,见图10(b)示意图。关闭桶底阀门,开启抽水泵。抽出桶内海水产生负压,桶外海水的压力把桶向下压,通过调整4台水泵的流量控制导管架下沉时的速度与水平度,开始时桶内外压差不能太大,以防桶变形,到吸力桶沉至设计入泥深度时结束抽水,关闭抽水口,拆除抽水泵,导管架安装结束,见图10(c)示意图。

某 5.0 MW 的机组,底部四个吸力桶心间距为20m×20m; 筒体部分高为9m,直径9.5 m,整个基础的总重量为1218.808t。

吸力桶导管架特别适宜海床为砂性土软粘土浅覆盖层风化岩面的海域安装。图11是网上发布的吸力桶导管架照片,导管架装在船上运往安装海域。

吸力桶导管架照片
图11 吸力桶导管架照片
(照片来自网络)

2025年6月发布

 
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