3.西安公路研究院 陕西西安 710000）
摘要：随着我国经济的高速发展，能源紧张的矛盾日益突出，开发新型清洁能源已成为必然的趋势。风能是一种清洁的可再生式能源，世界各国对于风能的应用越来越广泛。海上风电机组基础工程是海上风电工程的重要组成部分，海上风电机组基础设计涉及到海洋工程、港口工程、结构工程和岩土工程，且与风机运维控制与受荷密切相关，属于多学科交叉领域。基于此，文章就海上风机基础设计方法进行分析。
关键词：海上风机；基础设计；方法
1 风机基础设计
1.1 风机基础型式
风机基础型式与海上风电场所处海域水深有着密切的联系，随着水深的增加，风机基础的结构型式越复杂，建造、安装成本也越高。另外，海上风机基础的受力更加复杂，在设计时不仅要考虑风机的自身重量和风机运行荷载，还要考虑波浪荷载、流荷载和冰荷载等。
1.2 环境条件
为研究海上风机基础结构型式在不同水深海域的适用性，结合现有的设计基础，将分别针对不同水深的海域开展基础型式的研究论证。本文选取了10，m水深（NB35—2油田）、20，m水深（BZ26—3油田）和30，m水深（LD5—2油田）为研究海域，相应的环境条件将作为研究风机基础的输入条件。
1.3 风机荷载
1.3.1 机组重量荷载
海上风电场为降低建设成本，普遍采用大功率发电机组。本文采用的3.0，MW风电机组主要包括机舱重量、叶片重量和塔筒重量，其中机舱和叶片重量占据了风电机组重量的50%。
1.3.2 风机运行荷载
风力发电机组在正常运行时，作用在风机叶轮上的风荷载和风机偏航引起的荷载等通过塔筒结构传递到风机基础顶部。
2 海上风机基础型式对比
2.1 水深的适应性
对于功率较大的风机机组，其运行荷载普遍较大。对同一种风机基础型式，当水深增加时风机基础所受的环境力增加，结构杆件受力增大，当杆件实际应力接近许用应力时，为了保证整体结构的强度，需要对该部分杆件进行加强处理或变更风机基础形式。因此，对于同一风机基础，是否适用于不同的水深，需要根据实际情况确定。
2.2 基础型式的经济性
在相同水深的海域，如果两种以上的风机基础均满足功能要求，宜采用结构型式简单的基础型式，以减少基础结构用钢量。对于10，m深以内的海域，采用单桩式基础较为合理，对于20，m水深以内的海域，采用独腿三桩式基础更为经济。
2.3 施工资源的适应性
3种海上风机基础需要的施工设备不同。在海上风电场建设时，应对我国大型设备及安装资源有充分的认识。单桩式基础结构型式简单，受力非常明确，海上施工工期较短，但单桩式基础桩径较大（桩径4，000，mm以上），国内大型液压打桩设备缺乏，需要引用国外的施工资源，费用较高。独腿三桩式基础和导管架式基础的桩径普遍较小，国内打桩设备及船舶资源较多，易于锁定资源。
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3 设计因素
海上风机基础设计研究是个相当复杂的过程，影响其基础结构选型的因素主要包括：海底土壤和海床，水深，环境载荷，建设方法，安装，成本及动力特性要求等。同时，海上风机载荷特性也不同于岸上风机和常规海上结构，作用的载荷十分复杂.主要表现在：1）海上风力机载荷不同于陆上风力机载荷。海上风机承受的载荷除了和陆地风机一样的惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷之外，还有额外的载荷来源，例如流体动力载荷、海冰载荷和可能的船舶冲击载荷等。2）海上风力机载荷不同于其他海上建筑载荷.海上风机整体结构高，承受更大的风载荷，具有更多的动态响应和非线性响应。而且海上风机的设计受到疲劳载荷的限制。此外，海上风力机无人管理，可接受较低的安全系数，载荷也不是一次性的。3）海上风力机的冰载荷和破碎波载荷存在不确定性。4）需考虑风和波浪的耦合作用对于海上风机疲劳载荷的影响。
4 实例分析
4.1 工程概况
某一期工程建设规模30万kW，拟安装60台5.0MW的风电机组。推荐机型的叶轮直径为140m，轮毂高度90m，离岸平均距离约5km。工程用海范围内海底地形变化大，有无人岛礁出露，海床的高程（1985国家高程系统，下同）在－5m～－32m之间。风电场机位分布区域范围较广，覆盖层和场地土类别差异大，海底地形地貌复杂。
4.2 基础选型
根据本工程海底地形、工程地质勘探钻孔和海洋水文观测相关成果资料分析，风电场不同区域海底岩面起伏大，地质条件复杂。因此本工程风机基础设计时需根据风电机组所在区域的地形地质特点和水深情况因地制宜，选择适用于不同水深、不同基岩埋深的风机基础型式。
从现阶段的工程勘探钻孔揭露情况分析，风电场场区内的6号、7号，12号～15号，20号～23号等10个机位的基岩上覆土层厚度较薄，基岩埋深很浅，若采用桩基础，需采取稳桩措施，施工复杂。因此上述机位推荐采用重力式基础。地勘资料中，典型钻孔zk03附近区域基岩很浅，不适合桩基础，而表层0.5m即为强风化花岗岩，承载力和压缩模量较高，适合采用重力式基础。因此本文采用该钻孔揭露的地质情况来设计该机位的重力式基础。
4.3 重力式基础
重力式基础（gravitybasestructure）主要依靠自重使风机保持在垂直的位置，结构简单，应用成熟，一般为钢筋混凝土沉箱结构，相比成本较低，但体积大而笨重.Vindeby和TunoKnob海上风电场基础就采用了钢筋混凝土沉箱这种传统技术，在这2个风场附近的码头用钢筋混凝土预制沉箱，然后用气囊使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的压载，继而将其沉入海底，类似于重力式码头沉箱。重力式基础结构简单，承载力小、制造工艺简单，国外风电场有应用经验，适用于天然地基较好的区域；不适合软地基及冲刷海床，适用水深在10m以内（近来也有说法在15m以内）.
4.4 静力计算
从有限元软件ANSYS计算结果来看，水平位移：基础的最大水平位移出现在顶部，为90mm；泥面位置的最大水平位移为19mm。竖向位移：基础整体位移向下，在水平力和弯矩荷载作用下产生不均匀沉降，最大竖向位移为53.1mm，小于允许值100mm，最小竖向位移为5.3mm。不均匀沉降：基础底板直径为27m，基础产生的不均匀沉降为1.7/1000，小于4/1000，满足规范要求。
结束语：
随着我国传统能源日渐枯竭，寻求新型清洁能源势在必行。我国已陆续完成多个陆地风电场的建设，但近海与滩涂风力发电场的建设尚在规划之中。不同类型的基础结构对应不同的施工工艺。海上风电场基础的施工中涉及到大量需要攻克的技术难题。如何将各种新技术、新工艺应用在海上风电场开发领域内，也是未来需要研究解决的新课题。
参考文献：
[1]唐友刚，桂龙，曹菡，秦尧.海上风机半潜式基础概念设计与水动力性能分析[J].哈尔滨工程大学学报，2014，11：1314-1319.
[2]李嘉文.新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D].天津大学，2014.
论文作者:刘飞1,乔蓓2,田丞3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：风机论文; 基础论文; 海上论文; 载荷论文; 水深论文; 荷载论文; 型式论文; 《电力设备》2017年第4期论文;