东海大桥近海风电场工程可研性研究报告交流.ppt

,东海大桥近海风电场工程 可研性研究报告交流,上 海 勘 测 设 计 研 究 院 2009年7月,李 健 英,交流 提 纲,1 建设背景 2 海洋功能区划与海域使用 3. 风能资源 工程地质 海洋水文条件 6. 风力发电机组选型、布置及发电量估算 7. 电气 8. 土建工程 9. 施工组织设计 10. 工程设计概算,1 建 设 背 景,2004年，上海市发改委、上海市电力公司委托上海市气象局、上海勘测设计研究院等单位先后完成了上海市风能资源评价报告、上海市10万千瓦及以上风电场选址报告等工作。其中东海大桥海上风电场为上海市10万千瓦及以上风电场选址报告推荐场址之一。 2005年，完成东海大桥海上风电场预可行性研究报告和奉贤海上风电场预可行性研究报告，并上报国家发改委和水规总院 2006年，完成东海大桥海上风电场可行性研究报告，并上报国家发改委和水规总院 东海大桥海上风电场为国内第一座海上风电场。为促进该项目的建设，上海市发改委向国家发改委上报关于开展海上风电项目前期工作方案的请示，其后，国家发改委以国家发展改革委办公厅关于开展上海东海大桥海上风电项目前期工作的复函作了批复提出：“为了促进我国海上风电的开发建设，探索和积累海上风电建设经验，同意开展上海东海大桥海上风电场建设的前期工作；为了确保海上风电建设的成功，同意按10万千瓦的规模开展可行性研究工作；结合项目实际认真研究借鉴国外海上风电建设的经验，研究制定观测和勘测工作方案；精心组织、科学研究，按照有利于培育我国海上风电设备制造技术和掌握、积累海上风电施工技术和经验的原则，研究确定该项目的技术方案和建设方案”。,1 建 设 背 景,上海市发展改革委按照国家发展改革委的要求，进行上海东海大桥100兆瓦海上风电场项目的前期工作。相关单位先后完成了东海大桥海上风电场的工程测量、地质勘察、环境影响、接入系统、台风灾害性论证、通航环境影响安全评估、海域使用论证等配套专题论证工作。 在以上前期工作的基础上，上海市发展和改革委于2006年9月11月组织进行了东海大桥海上风电场项目的业主招标工作。以中国大唐集团公司、上海绿色环保能源工程有限公司、中广核能源开发有限责任公司、中国电力国际有限公司等四家公司组成的联合体中标该项目。这标志着中国第一个海上风电示范项目东海大桥100兆瓦海上风电场正式启动。 中国大唐集团公司等四方联合体在中标后，成立了东海风力发电有限公司公司，开展东海大桥海上风电场建设准备工作，并对风电场风机主设备选择展开充分调研和设备招标及谈判等工作。 考虑到风机设备选型过程中遇到的困难和问题、风电场建设条件的变化情况，需对本工程投标可研报告进行修编，重新提出东海大桥海上风电场工程可行性研究报告 2007年10月29日2007年10月31日，水电水利规划设计总院和上海市发改委联合对东海大桥可研报告进行审查，并于11月27日下发了上海东海大桥近海风电场工程可行性研究报告审查意见的函。,2 海洋功能区划和海域使用功能区划,上海市大比例尺海洋功能区划:上海市海洋发展战略和开发规划制定的依据，亦作为审批海域使用、协调用海关系、解决用海矛盾、调整海洋产业布局的重要依据，海上风电场选址必须依靠此依据。,上海市海洋功能区划（修编）涉及的区域： （1）港口航运区 （2）渔业资源利用和养护区 （3）旅游区 （4）海水资源利用区 （5）工程用海区海底管线、海岸防护工程区 、跨海桥梁区 （6）其他工程用海区,图2-2 风电场工程周围海域使用情况图,2 海洋功能区划和海域使用海事要求,东海大桥桥线两侧各1000m为其保护区 K12辅通航孔（1000t级）、4K6辅通航孔（500t级），有航运要求 风机塔架上需做好警示标志 风机叶片距海面不低于25m 运输、施工过程中护航 运行维护船只要求,3 风 能 资 源,根据芦潮港70m测风塔、试桩平台测风塔及洋山港、奉贤气象站资料，小洋山海洋站、推算场址区域90m高度多年平均风速为8.5m，较陆上沿岸平均风速高约20 风切变指数为0.09，小于陆上沿岸风切变指数（0.120.14），有利于降低风机安装高度，减少工程投资 湍流强度小（0.10），可延长风机寿命,3 风能资源合理性分析,GB计算方法和数值模拟计算方法，对风速、风功率密度结果的影响范围在13之间。随着高度的增加，风速、风功率密度结果也趋于一致。,实测风速验证结果,小洋山资料进行订正,风电场风能资源评估方法 WASP,气象数字模拟 TAPM,风电场风能资源特征值 及图表,上海海域风速、风功率密度等值线,上海海域风能资源储量与可开发量,3 风能资源合理性分析,GB计算方法和气象数值模拟计算方法（TAPM)，对风速、风功率密度结果的影响范围在13之间。随着高度的增加，风速、风功率密度结果也趋于一致。,3 风力资源风资源特征,场址区90m高度年平均风速为8.6m/s，年平均风功率密度为694.4W/m2。说明东海大桥风电场场址区风能资源很丰富，具有很高的经济可开发价值 。 场址区90m高度年有效风速小时数为8454h（3m/s25m/s）、8320h（3.5m/s25m/s），有效风时数较高。 代表年风电场场址区主风向基本为NNWNNE和ESSE方向，主风向比较稳定，主风能出现在SSE方向，风能分布较为集中。 风电场90m高度湍流强度约为0.10，说明湍流相对较小。,3 风力资源风资源特征,3 风力资源风资源特征,4 工程地质,拟建场地区域构造稳定性较好，滩面平缓，从勘探及地形图所知，场地附近无深切沟槽，场地稳定性较好。 本场地最大勘探揭露深度为80.15m ,揭露的地基土层按地质时代、成因类型、土性的不同和物理力学性质的差异可分为7个大层，其中层、层各分为2个亚层，1层又分为2个次亚层 。 本建筑场地属类，场区地震加速度值为0.10g，地震基本烈度为度，所属设计地震分组为第一组。本场地为抗震不利地段，本场地不存在地震液化问题。 水深随季节和潮汐而有所变化，一般在大潮期水深较深，勘察期间水深一般9.911.9m。本场地海水对混凝土结构有结晶分解复合类弱腐蚀性，对钢筋混凝土中钢筋长期浸水为弱腐蚀性，对钢筋混凝土中钢筋在干湿交替时为强腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性 。,4 工程地质,建议采用第1-2层下部或第2层作为本工程的桩基持力层，且在ZK4孔处的风机位置上部饱和软粘土较厚，桩长宜适当加长；选择合适的打桩设备，同时应注意沉桩工艺。 场区附近有东海大桥和两条光缆（中日海底光缆、海军光缆），施工前应确定其具体位置，进行必要的避让，并作好施工监测。施工前应对海底沉船、废弃铁锚等障碍物进行调查、探测定位，采取避让或清理措施。,5 海洋水文,1 水深 ：理论深度基面以下水深为7.68.1m 2 潮位：,5 海洋水文,3波浪,按IEC标准，东海大桥采用50年一遇可能最大波高7.89m（4.241.86）,5 海洋水文,（4）潮流 采用海港水文规范（JTJ214-98）的相关规定计算得到可能最大流速。考虑到水文观测资料和所采用的准调和分析方法的局限性，为安全起见，将可能最大流速乘以1.30的安全系数后作为本工程设计的设计流速。,设计潮流流速,6 风力发电机组选型和布置选型,国外已建、在建海上风电场统计表,6 风力发电机组选型和布置选型,国外已建、在建海上风电场统计表,5 风力发电机组选型和布置选型,（1）机组选型 各单机容量主要特性见表,表5-1,初选风机设备特性表,（1）机组选型,6 风力发电机组选型和布置选型,通过对各方案的度电成本和综合因素如所选机型是否满足项目进度要求、海域使用范围要求和国内离岸风机供货条件；是否有利于促进风电设备国产化进程（包括上海风电设备国产化进程）；并通过风电机组的技术成熟程度、商业化水平、运行业绩、调试水平、售后服务等比较，选择华锐风电3MW机型 。,6 风力发电机组选型和布置布置,预装轮毂安装高度 配套的标准塔筒高度为77.5m，考虑到风机基础平台高程不小于8m，以及风机箱式变压器在基础平台上安装高度和机舱高度等情况，风机轮毂安装高度最小为90m，因此，本报告推荐风电场风机轮毂安装高度为90m 。,6 风力发电机组选型和布置布置,布置原则 （1）风机布置在批准的海域范围； （2）根据场址区风资源分布特点，充分利用风电场盛行风向进行布置，合理选择风机间距，尽量减少风机间尾流影响； （3）风机布置应避开场址附近通信、电力、油气等海底管线的保护范围； （4）风机布置应避开航道，尽量减少对船舶航行的影响，对场址内东海大桥31000吨通航孔航道两侧的风机间距大于1000m以上； （5）风机布置距东海大桥应留出1km的大桥保护区域； （6）风机布置方案充分考虑工程施工船舶进场、抛锚、掉头等对风机间距的要求。,6 风力发电机组选型和布置布置,布置方案 风电场风机考虑平行于岸线5排布置，风机南北向间距（沿东海大桥方向）考虑工程施工船舶进场、抛锚等要求，取1000m；风机东西向间距取500m。 其中，东海大桥31000吨级辅通航孔北侧布置2台风机，通航孔南侧布置4排（东西向）风机，每排风机79台。,6 风力发电机组选型和布置布置,6 风力发电机组选型和布置发电量,本风电场34台风机标准状态下理论年发电量为37274.2万kWh，平均单机理论年发电量为1096.3万kWh。考虑风机利用率、气候影响、空气密度、功率曲线、风机尾流、风机叶片腐蚀污染、控制和湍流强度、风电场内能量损耗等因素的影响，东海大桥海上风电场年发电量的修正系数为71.8%。据此推算风电场的年上网电量为26762.9万kWh，平均单机年发电量为787.1万kWh，风电场年等效负荷小时数为2624h，容量系数为0.2995。,7 电气一次,风电场电气接入电力系统方案 东海大桥海上风电场接入系统初步可行性研究报告及电力公司对该报告的审查意见； 上海电网“N-1”原则。 本风电场接入电力系统的接入点为220kV海洋变电站，风电场采用两回110kV线路接入220kV海洋变电站的110kV侧。,7 电气一次,风电场电气主接线风电场集电线路 一机一变 8台或9台风电机组组合成一个联合单元，共4组。 陆上升压变电所和海上升压变电所的比较 陆上升压变电所具有投资少、运行维护方便、建设周期短的优点，相对的电能损耗引起的费用增加并不多，具有明显的技术优势和一定的经济优势。 从国外已建的近海风电场来看，输电距离小于25公里时均采用陆上升压变电所方式。 110kV升压变电所布置在大海大桥引桥东侧的海堤内。 电压等级标准：35kV。,7 电气一次,地理接线图,7 电气一次,电气主接线图,6 电气二次,风电场计算机监控系统图,8 土建工程,本风电场土建工程设计主要包括以下三个内容: 风电机组支撑平台及地基基础设计 风电场海缆穿越海堤设计 陆上变电站土建设设计 其中,风电机组支撑平台及地基基础设计是海上风电场设计的重点和难点，成为本工程设计的重大技术关键之一。,8 土建工程,土建设计的总体设计思路和设计特点 准确把握本工程风机基础的工程特性，进行专题设计研究； 本工程风机基础为同时具备高耸动力设备基础、海洋工程基础和软土地基基础三大工程特性的特殊结构，针对上述工程特性进行专门设计研究，重点解决风机荷载分析、桩基动力承载特性、结构和地基基础疲劳、系统频率分析、结构耐久性、结构流激振动、防撞等问题。 在充分借鉴相关工程经验和考虑本示范工程实际情况的基础上，遵循“可行性、安全性、经济性和适用性”的设计原则； 基础设计与海上施工方案的紧密结合,8 土建工程风机基础设计：设计依据,风机基础设计依据的技术规范 目前，国内没有海上风机基础设计的规范，本工程设计主要参考了以下了三类技术规定： （1）国外出版的海上风机结构物设计技术规定，主要包括： Design of offshore wind turbine structuresDNV-OS-J101: 2004 Wind Turbine Generator Systems -Part1：Safety requirements IEC 61400-1:2005 Wind Turbine Generator Systems Part3：Design requirements for offshore wind turbinesIEC 61400-3:2006 （2）国内海洋石油平台的技术规范 （3）国内港口工程的技术规范 基础设计资料： 潮位、波浪、潮流、地勘,8 土建工程风机基础设计：设计依据,风机荷载 本风电场采用华锐风电科技有限公司生产的单机容量3.0MW的SL3000离岸型风机。根据厂家提供的资料, 当风机轮毂中心距离塔架底部80m时，作用在塔架底端的最大风机荷载值见下表。,风机基础荷载表,8 土建工程风机基础设计：设计依据,设计工况及荷载组合 设计荷载 本工程风机基础设计考虑的荷载主要包括自重、风机荷载、波浪力、水流力、风荷载、地震力等。,8 土建工程风机基础设计：设计依据,设计工况 主要考虑施工工况、正常运行工况、极端风况状态工况、地震工况等荷载组合工况。经分析，设计控制工况为极限状态工况。,8 土建工程风机基础设计：设计依据,设计原则和设计标准 设计原则 本工程海上风机基础结构设计进行三种设计状态计算：,8 土建工程风机基础设计：设计依据,设计标准 （1）桩基竖向承载力设计标准 桩基础竖向承载力设计标准采用DNV-OS-J101: 2004，采用的荷载效应和抗力效应系数如下表：,荷载分项系数和抗力系数,8 土建工程风机基础设计：设计依据,设计标准 （2）基础结构设计标准 基础结构设计按海上固定平台规划、设计和推荐作法 工作应力设 计法（SY/T 100302004）标准执行，荷载效应采用标准值，结构抗力采用容许应力。 （3）基础水平变形设计标准 基础等效水平抗推刚度2107N/m。同时，根据相关工程经验，桩基泥面处水平变形不宜大于25mm。 （4）基础沉降设计标准 采用基于mindlin应力解的分层总和法进行。参考高耸建筑结构对地基沉降要求，确定本工程风机基础沉降设计标准为：沉降量400mm，基础倾斜0.005。,8 土建工程风机基础设计：方案比选,风机基础结构型式 根据国内外的相关海上石油平台、海上灯塔及海上跨海大桥的设计经验，进行了四种基础方案设计： 三角架组合式基础； 四角架组合式基础； 高桩承台群桩基础； 单根钢管桩基础方案； 以上四种风机基础型式方案的立体视图见下图。,8 土建工程风机基础设计：方案比选,三角架组合式基础,8 土建工程风机基础设计：方案比选,四角架组合式基础,8 土建工程风机基础设计：方案比选,高桩承台群桩基础,8 土建工程风机基础设计：方案比选,单根钢管桩基础,8 土建工程风机基础设计：方案比选,三角架组合式方案设计 结构布置及结构计算 结构布置及结构计算与三角架组合式结构类似，不同点在于，将4根钢管桩穿过钢套管打入海床中。每根桩直径为D1500mm（壁厚3020mm），桩底高程为-65.00m。,四角架组合式基础基础方案结构计算结果,8 土建工程风机基础设计：方案比选,高桩承台群桩方案设计 方案设计 本方案采用8根D1700mm（壁厚25mm）的钢管桩作为基桩，桩长为80.00m，其中泥面以上长度为15m，入土深度为65m左右，桩尖进入2层粉细砂层中，8根基桩在承台底面沿半径R=5.00m的圆周均匀布置，斜度为6:1。为满足上部承台混凝土的水上浇筑，设定承台底面高程为2.00m，高于多年平均高潮位（1.86m），并设钢底模和侧模，底模以上用厚度0.80m的混凝土进行封底，再现浇C45钢筋混凝土圆柱型承台结构，承台直径14m，厚度3.0m4.5m，顶高程为6.50m。直径D450cm的风机塔筒连接钢管位于承台中心，底端埋进入承台混凝土中，参照类似工程塔架预埋环埋入深度，钢管埋入混凝土3.0m，以保证与承台的固端连接，钢管顶端设操作平台面并通过法兰与风机塔架连接，平台高程为10.00m。,8 土建工程风机基础设计：方案比选,高桩承台群桩方案设计 结构计算 由于群桩结构的水平变位较小，采用m法对本方案进行了极限荷载工况下桩基水平承载计算，计算时的泥面高程按天然泥面冲刷5m后的高程采用，并按规范规定进行了竖向承载和结构强度计算。高桩承台群桩方案结构计算结果见下表，本设计方案可以满足结构设计要求。,高桩承台群桩方案结构计算结果,8 土建工程风机基础设计：推荐方案深化设计,动力模态分析 风机塔架基础地基是一个相互作用的动力系统，通过模态分析，评价风机基础结构设计是否满足海上风机结构体系动力特性的设计要求。为避免系统产生共振，风机-塔架-基础-地基的自振周期需要避开1P和3P（P是叶片转动周期）。将风机结构体系简化为多自由度体系，基础和塔架采用薄壁管单元模拟，地基采用线性弹簧模拟。根据厂家提供的风机质量、刚度和位置，将风机简化为集中质点考虑。 计算结果表明，结构体系第一自振频率的范围为0.2160.218Hz，响应的周期为4.6294.587s，而SL3000型风机叶片的额定转动周期1P=3.82s，3P=11.46s。可见，采用上述基础的风机系统可以满足系统自振频率的要求。,8 土建工程风机基础设计：推荐方案深化设计,防腐设计 根据海港工程混凝土结构防腐蚀技术规定（JTJ275）和海港工程钢结构防腐蚀技术规定（JTJ230）的要求，海洋腐蚀环境一般分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区五个腐蚀区带；浪花飞溅区是钢铁设施腐蚀最严重的区域，也是最严峻的海洋腐蚀环境；在平均低潮线以下0.51.0m处和在与海水海泥交界处也是腐蚀峰值区段。 对于钢结构防腐设计，在大气区采用防腐涂层方案；在飞溅区采用防腐涂层和预留腐蚀裕量的措施；水下区采用防腐涂层和牺牲阳极保护的措施。,8 土建工程风机基础设计：推荐方案深化设计,观测设计 本工程风机基础共34个，拟选择2台基础进行观测设计布置。观测设计内容包括：钢管桩桩身应力检测、风机基础沉降观测、钢管桩的变形观测。,8 土建工程风机基础设计：靠船及防撞设计,风机基础靠船设施设计 本工程工作船靠泊设置采用分离式结构，即靠船设施与风机基础分离布置，在基础外单独设置靠船桩，桩侧设置橡胶护舷。 靠船桩结构按200吨（DWT）工作船以1.00m/s速度靠泊设计，按3.00m/s速度意外撞击校核。考虑护舷与靠船桩共同作用抵抗撞击力。 经计算，采用直径2.50m，壁厚5.0mm的钢管桩作为靠船桩。桩顶高程4.00m，桩长49.00m，进入2层粉细砂层。靠船桩顶部设置工作廊道与风机基础顶部平台相连。,8 土建工程风机基础设计：靠船及防撞设计,风机基础防撞设计 （1）1000吨级通航孔两侧防撞 1000吨级通航孔两侧的九台风机，每台周围设置5根直径2.50m的防撞钢管桩，桩周设置橡胶护舷，每根桩之间以两道锚链相连。考虑1000吨级船舶以3.0m/s的速度正面撞击。由于撞击力很大且船舶撞击为偶然荷载，从技术经济角度综合考虑，本工程防撞桩的设计原则为撞击时钢管桩产生大变形破坏，消耗撞击能量，而不确保撞击时候防撞钢管桩不损坏。发生撞击事故后如防撞桩严重损坏，应及时重新设置。 （2）风电场内部防撞 其余风机防撞按200吨级船舶考虑。每台周围设置5根直径1.20m的防撞钢管桩，桩周设置橡胶护舷，每根桩之间以两道锚链相连。防撞桩设计原则与通航孔侧的防撞桩相同。,8 土建工程海缆穿堤设计,本风电场有4回35kV海缆需穿越东海一线海堤后连接到陆上110kV变电站。为减小海缆穿堤对海堤安全的不利影响，穿堤施工采用非开挖的定向钻工法，设计要点如下： （1）选择合适的电缆埋设深度，并在海堤内侧设置防渗搅拌墙，确保不发生渗透破坏； （2）出口处电缆工作井内的电缆管底部最大高程和工作井顶高程须高于海堤的防洪标准，确保不发生海水通过电缆保护管倒灌到变电站内。海缆穿堤处海堤的防洪水位标准为200年一遇潮位5.