海上风电机组基础结构-第一章

1、海上风电机组基础结构海上风电机组基础结构 陈达陈达 参考书目录： 海上风电机组基础结构陈达 等编著 教教 材材 推荐参考书推荐参考书 海上风电机组地基基础设计理论 与工程应用 王伟、杨敏 编著 制备技术-海上风力发电机组-制造 方法吴佳梁、李成锋编著 海上风力发电机组-几何参数设计 吴佳梁、李成锋 编著 通常海上风电机组上安装有3 片叶片, 而叶片的尺寸大小直接 决定了海上风力发电机的功率 大小。 风机是风力发电的核心部分, 主 要由转子、风速计、控制器、 发电机、变速器等部分组成。 一个完整的海上风电场由一定规模数量的单个风电机组和海 底输电设备构成。单个的风电机组包括叶片、风机、塔身和风电

2、机组包括叶片、风机、塔身和 基础部分基础部分。 叶片叶片 海上风电场的构成海上风电场的构成 风机风机 塔身一般由空心的管状钢材制成 , 设计主要考虑在各种风况下的 刚性和稳性, 根据安装地点的风 况、水况和风轮半径条件决定塔 身的高度, 使风叶片处于风力资使风叶片处于风力资 源最丰富的源最丰富的高度高度。 由于海上风电机组的基础处于海 上,增加了许多额外载荷和不确 定因素, 因而设计较为复杂, 结 构形式也由于不同的海况而多样 化, 因而, 基础设计基础设计成了海上风成了海上风 电场设计的关键技术之一电场设计的关键技术之一。 塔身塔身 基础基础 内容及计划内容及计划 本课程主要内容本课程主要内

3、容 第六章：海上风电机组基础防腐蚀 （江朝华） 第一章：绪论 （陈达） 第二章：海上风电机组基础结构环境荷载 （江朝华） 第五章：浮式基础 （陈达） 第三章：桩承式基础 （陈达） 第四章：重力式基础 （陈达） 第一章：绪论第一章：绪论 1.2.1 桩承式基础 1.2.2 重力式基础 1.2.3 浮式基础 1.1 海上风电发展概况海上风电发展概况 1.2 海上风电机组基础结构的分类和组成海上风电机组基础结构的分类和组成 1.1.1 国外海上风电发展概况 1.1.2 国内海上风电发展概况 风能风能概况概况 能源总量能源总量 据估计到达地球的太阳能中只有大约2转化为风能，全球的风能全球的风能 约为2

4、.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开比地球上可开 发利用的水能总量还要大发利用的水能总量还要大1010倍。倍。 风能提水风能提水 风能动力风能动力 风能风能概况概况 风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景 也最好。风力发电相对于太阳能、生物质能等新能风力发电相对于太阳能、生物质能等新能 源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小，被源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小，被 称为最接近常规能源的新能源，称为最接近常规能源的新能源，因而成为产业化发 展最快的清洁能源技术。 风能的特征风能的特征 全球风电装机发展全球风电装机发展 全全球风电装机发展球风电装机发展 截

5、止2011年底，全球风电装全球风电装 机容量达到了机容量达到了2.38105MW， 累计装机容量实现了累计装机容量实现了21%的的 年增长年增长。全球75个国家有商 业运营的风电装机，其中其中22 个国家的装机容量超过个国家的装机容量超过1GW， 风电正在以超出预期的发展 速度不断增长。目前，丹麦丹麦 用电量的28%来自风电，西来自风电，西 班牙班牙用电量的16%来自风电，来自风电， 德国德国用电量的8%来自风电来自风电， 风电已成为欧洲国家能源转 型的重要支撑，这为全球能 源结构转型树立了榜样。 欧洲风能利用协会将在欧洲的近海岸地 区进行风能开发利用，希望在希望在2020年风年风 能发电能够

6、满足欧洲居民的全部用电需能发电能够满足欧洲居民的全部用电需 求求。 全球风电装机容量全球风电装机容量 欧洲风能发展目标欧洲风能发展目标 中国风电装机发展中国风电装机发展 中国风电装机发展中国风电装机发展 我国风力发电始于上世纪80年代，自 从2006年1月1日开始实施可再生能源 法后，中国风电市场前期稳步发展、 后期迅猛发展。如今在全球的风能发 展中，中国风力发电的发展速度最快， 至至2012年年6月，我国并网风电达到月，我国并网风电达到 52.58GW，国家电网调度范围达到 50.26GW，超过美国跃居世界第一跃居世界第一。 2012年8月发布的可再生能源发展 “十二五”规划提出到2015年

7、，风 电累计并网运行达1105MW。 2007年 2050年 中国风电装机容量中国风电装机容量 中国风资源中国风资源 “三北三北”地区地区 东北、华北、西北可开发利用的风能储量约东北、华北、西北可开发利用的风能储量约2 2亿亿kWkW，约占全国陆，约占全国陆 地可利用储量的地可利用储量的7979。该地区地形平坦，没有破坏性风速，是我。该地区地形平坦，没有破坏性风速，是我 国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模开发风电场。国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模开发风电场。 沿海及其岛屿地区沿海及其岛屿地区 包括山东、广西和海南、江苏等省市沿海近包括山东、广西和海南、江苏等省市沿海近10km1

8、0km宽地带，约占全宽地带，约占全 国陆地可利用储量的国陆地可利用储量的4 4。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰 富区富区。 内陆局部风丰内陆局部风丰 富区：富区： 一些地区由于湖一些地区由于湖 泊和特殊地形的泊和特殊地形的 影响，形成一些影响，形成一些 风能丰富点，如风能丰富点，如 鄱阳湖附近地区、鄱阳湖附近地区、 湖北的九宫山和湖北的九宫山和 利川以及湖南八利川以及湖南八 面山等地区，适面山等地区，适 合建设零星的中合建设零星的中 小型风电场。小型风电场。 海上风能丰富区海上风能丰富区 中国海上风资源中国海上风资源 海上风电具有不占用土地资源、不占用土地资源

9、、 受环境制约少、风电机组容量更受环境制约少、风电机组容量更 大、年利用小时数更高、更具规大、年利用小时数更高、更具规 模化开发的特点模化开发的特点，使得近海风力 发电技术成为近来研究和应用的 热点。 我国海上可开发和利用的风能储我国海上可开发和利用的风能储 量约量约2105MW，海上风能资源，海上风能资源 丰富丰富，有巨大的蕴藏量和广阔的 发展前景，特别是东部沿海水深特别是东部沿海水深 50m内的海域面积辽阔，距电力内的海域面积辽阔，距电力 负荷中心很近，随着开发技术的负荷中心很近，随着开发技术的 成熟，海上风电必将成为我国东成熟，海上风电必将成为我国东 部沿海地区可持续发展的重要能部沿海地

10、区可持续发展的重要能 源来源源来源。 江苏省海上风电开发布局图 海上风电海上风电优势优势 我国我国海上风海上风能资源能资源 1.1.1 国外海上风电发展概况 目前国际上已建成且投入商业运行的海上风电场基本上商业运行的海上风电场基本上 都在欧洲都在欧洲，这主要是由于欧洲基本不受台风的影响，发欧洲基本不受台风的影响，发 展海上风电场具有优势条件展海上风电场具有优势条件。自20世纪80年代起，欧洲 开始积极探讨海上风电开发的可行性。 瑞典瑞典于于1990年年安装了第一台实验性海上风电机组第一台实验性海上风电机组，离岸 350m，水深6m，容量为220kW，该机组1998年停运。 1997年开始在海上

11、建立5台600kW的风电机组。2000年， 兆瓦级风电机组开始在海上应用示范，并规划筹建11座 海上风电场，至2008年已建成15座海上风电场。 国外海上风电总体情况国外海上风电总体情况 瑞典瑞典 1.1.1 国外海上风电发展概况 丹麦发展海上风电也较早，全国有6%的用电来自近海风电场。1991 年丹麦在波罗的海洛兰岛西北沿海附近建成了世界上第一个海上风年丹麦在波罗的海洛兰岛西北沿海附近建成了世界上第一个海上风 电场，电场，安装11台450kW风电机组，1995年又建成10台500kW海上风 电机组，2003年还建成了当时世界上最大的近海风电场年还建成了当时世界上最大的近海风电场，共安装80

12、台2.0MW风电机组。出于对环境的考虑，丹麦的海上风电场只关注 那些偏远的水深在511m之间的海域，所选的区域须在国家海洋公 园、海运路线、微波通道、军事区域等之外，距离海岸线7到40km， 使岸上的视觉影响降到最低。根据丹麦政府能源计划法案，2030年年 以前丹麦风力发电量将占全国总发电量的以前丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，其中，近四分之一，其中，近四分之一 的风力发电量是由海上风电供给，最近的风力发电量是由海上风电供给，最近，丹麦政府提出到丹麦政府提出到2050年全年全 部摆脱对化石能源的依赖。部摆脱对化石能源的依赖。 丹麦丹麦 1.1.1 国外海上风电发展概况 德国是欧洲地区风

13、力发电的主阵地德国是欧洲地区风力发电的主阵地，由于缺乏合适的场地，德国陆上风电 场的新建工作将在今后十多年中减缓，从而转向海上风电场的强制建设从而转向海上风电场的强制建设， 目前已在12英里开外的深水地区，以及近海地区都建造了风电场。 德国海上风电场。 德国德国 根据德国2002年公布的战略纲要，到2030 年的长期目标中，包括德国海岸地区、专年的长期目标中，包括德国海岸地区、专 属经济区（属经济区（EEZ）和国土外围）和国土外围12英里范围英里范围 内将达到内将达到2.5104MW的安装容量，产生的安装容量，产生 7085TWh的电力，达到的电力，达到1998年电力需求年电力需求 的的15%

14、。最近德国提出到2050年80%的电 力来自可再生能源、60%的能源来自可再 生能源。 德国海上风电目标德国海上风电目标 1.1.1 国外海上风电发展概况 2003年底，英国3个战略海域（利物浦海湾、沃什湾，以及泰晤士河） 的15个工程总装机容量逾总装机容量逾7000MW，英国计划到2030年年开发建设 4.8104MW的海上风电的海上风电。 2010年达到年达到1500MW装机容量的目标已经实现。仅在爱尔兰东海岸地爱尔兰东海岸地 区区正在进行另外6座电场座电场的调研，拟达到拟达到1000MW的装机容量。 到2011年底，欧洲已建成建成53个海上风电场个海上风电场，分布在比利时、丹麦、芬 兰、

15、德国、爱尔兰、荷兰、挪威、瑞典和英国海域，装机容量达到装机容量达到 3813MW，另有，另有5603MW的风电场在建的风电场在建。 英国英国 荷兰荷兰 欧洲总体状况欧洲总体状况 1.1.1 国外海上风电发展概况 2010年全世界风电装机容量布局图 北美海上风电发展较晚北美海上风电发展较晚，目 前为止还没有较大规模的风电 场真正投入运行。 加拿大目前准备建设的最大的 风电场是在安大略湖的Trillium 风电场，装机容量为414MW。 美国在2012年年1月才在政策上基月才在政策上基 本确定支持尝试建立海上风电本确定支持尝试建立海上风电 场场，目前在风能资源丰富的东 海岸已经陆续有相关计划得到

16、支持，比较大的是鳕鱼岬 （Cape Cod）风电场，预计装 机容量可达454MW。 北美海上风电北美海上风电概况概况 加拿大加拿大 美国美国 1.1.2 国内海上风电发展概况 在海上风电方面，中国东部沿海风能资源可开发 量50米高度约为200GW，70米高度约为500GW。 目前我国目前我国已建成已建成的海上风电总装机容量约250MW。 上海东海大桥海上风电项目是我国首个大型海上上海东海大桥海上风电项目是我国首个大型海上 风电项目，总装机容量风电项目，总装机容量102MW，采用，采用34台台3MW 风电机组风电机组，2010年6月全部并网发电，其二期项目 2011年10月并网运行1台单机容量5

17、MW的样机， 为我国首台并网运行的最大单机容量风电机组。 江苏如东龙源海上风电场，是我国首个潮间带试江苏如东龙源海上风电场，是我国首个潮间带试 验风电场，验风电场，总装机容量32MW，共安装16台海上 试验机组，分别为6台1.5MW风电机组、6台 2.0MW风电机组、2台2.5MW风电机组和2台 3.0MW风电机组，2010年9月28日全部投产发电。 我国海上风能资源概况我国海上风能资源概况 我国海上风电场现状我国海上风电场现状 1.1.2 国内海上风电发展概况 根据我国2012年8月发布的可再生能源可再生能源“十二五十二五”规划规划： 2015年年中国海上风电将达到5GW，海上风电成套技术将

18、形 成并建立完整的产业链； 2015年后将实现规模化发展，达到国际先进水平； 2020年海上风电将达到年海上风电将达到30GW。 截止到2012年8月，我国已开展前期工作和拟建的海上风电拟建的海上风电 项目约项目约24个个。 我国海上风电发展前景我国海上风电发展前景 1.2 海上风电机组基础海上风电机组基础结构结构的的分类分类及组成及组成 海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）、塔架和基础三部海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）、塔架和基础三部 分组成。分组成。 其中海上风电场基础海上风电场基础对整机安全至关重要，其结构具有重心其结构具有重心 高、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，高、承受

19、的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，在设计过 程中还须充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风浪以及 海流、冰等外部环境的影响，从而导致海上风电机组基础的海上风电机组基础的 造价约占海上风电场工程总造价的造价约占海上风电场工程总造价的20%30%。在充分考虑 海上风电场复杂环境条件的基础上，慎重选择海上风电机组 基础结构型式和合理设计是海上风电场建设的关键 海上风电基础组成海上风电基础组成 海上风电基础的特征海上风电基础的特征 1.2 海上风电机组基础海上风电机组基础结构结构的的分类分类 根据海上风电基础与海床固定形式划分：根据海上风电基础与海床固定形式划分： 桩承式桩承式 a) 固定式固定式

20、b) 浮式：浮式：主要用主要用于于50m以上水深海域以上水深海域 重力式重力式 适应的水深在适应的水深在050m 海上风电基础的分类海上风电基础的分类 桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础 类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承担结构 的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩 周土接触产生的侧向力来承载结构的竖向荷载。 1.2.1 桩承式基础桩承式基础 按材料材料分：钢管桩基础钢管桩基础和钢筋混凝土桩基础钢筋混凝土桩基础； 按结构形式结构形式分：单桩基础单桩基础、三脚架基础、导管架基础三脚架基础、导管架基础和 群桩承台基础群桩承台基础。 桩承式基础桩承式基础 桩承式基

21、础分类桩承式基础分类 结构简单、安装方便 受海底地质条件和水深约束 较大，水太深易出现弯曲现 象，对冲刷敏感，在海床与 基础相接处，需做好防冲刷 防护，并且安装时需要专用 的设备（如钻孔设备），施 工安装费用较高。 单桩基础单桩基础 是目前使用最为广泛的一种基础型式目前使用最为广泛的一种基础型式，国外现有 的大部分海上风电场，如丹麦的Horns Rev和Nysted、爱尔兰的 Arklow Bank、英国的North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats 等大型海上风电场均采用了这种基础。 单桩基础单桩基础 特点特点 不足不足 应用状况应用状况 该基础吸取了海上油气

22、开采中的一些 经验，采用标准的三腿支撑结构，由 圆柱钢管构成，增强了周围结构的刚 度和强度。三脚架的中心轴提供风机 塔架的基本支撑，类似单桩结构 适用于比较坚硬的海床，具有防冲刷 的优点。 德国的Alpha Ventus海上风电场首批海 上机组中的6台以及我国金风科技潮间 带2.5MW试验机组如东项目都采用了 三角架基础。 三脚架基础三脚架基础 三脚架基础组成三脚架基础组成 适用条件适用条件 应用状况应用状况 是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，基 础为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。基础通 过结构各个支角处的桩打入海床。 基础的整体性好，承载能力较高，对打桩设备要 求较低。导管架的建造和

23、施工技术成熟，基础结 构受到海洋环境载荷的影响较小，对风电场区域 的地质条件要求也较低。 英国在其北海海域开展的Beatrice实验性项目中采 用了导管架基础，项目所在海域水深48m，导管 架高62m，平面尺寸2020m。桩长为44m，桩径 为1.8m，壁厚60mm。瑞典的 Utgrunden II 海上风 电场项目也采用了导管架基础。 导管架基础导管架基础 导管架基础组成导管架基础组成 应用状况应用状况 特点特点 由基桩和承台组成，可根据地质条件和施工难 易程度，可以做成不同根数的桩，外围桩一般 整体向内有一定角度的倾斜，用以抵抗波浪、 水流力，中间以填塞或者成型方式连接。承台 一般为钢筋混

24、凝土结构，起承上传下的作用， 把墩身荷载传到基桩上。 承载力高、抗水平载荷强、沉降量小而较均匀。 现场作业时间较长，工作量大。 群桩承台基础群桩承台基础 我国上海东海大桥海上风电场项目即采用了世界首创的风电 机组群桩承台基础设计。基础由8根直径为1.7m的钢管桩与承台组成，钢 管桩为5.5:1的斜桩，管材为Q345C，上段管壁厚30mm，下段管壁厚25mm， 桩长为81.7m。 群桩承台基础组成群桩承台基础组成 特点特点 不足不足 应用状况应用状况 一般由胸墙胸墙、墙身墙身和基床基床组成。 1.2.2 重力式基础重力式基础 将塔筒和墙身连成整体； 直接承受冰荷载、船舶撞击等荷载，并将 这些荷载

25、传给下部结构； 设置防冲设施、系船设施和安全设施等。 根据墙身结构的不同，可分为 沉箱基础沉箱基础、大大 直径直径圆筒基础圆筒基础和吸力式基础吸力式基础。 重力式基础组成重力式基础组成 胸墙的作用：胸墙的作用： 重力式基础的分类重力式基础的分类 1.2.2 重力式基础重力式基础 重力式基础的重量和造价随着水深的增加 而成倍增加； 重力式基础是所有基础类型中体积和质量 最大的。 重力式基础具有结构简单、造价低、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。 地质条件要求较好，并需要预先处理海床， 由于其体积大、重量大，一般要达1000t以上， 海上运输和安装均不方便，并且对海浪

26、的冲 刷较敏感。 丹麦的Vindeby和Middelgrunden海上风电场基 础采用了这种传统技术 重力式基础的特征重力式基础的特征 重力式基础的不足重力式基础的不足 应用状况应用状况 吸力式基础 也称负压桶式基础，分为单桶、三桶和四桶单桶、三桶和四桶几种结构型式。这是一种新的 基础结构概念，在浅海和深海浅海和深海区域中都可以使用都可以使用。 在浅海中的吸力桶实际上是传统桩基和重力式基础的结合，在深海海域作 为张力腿浮体支撑的锚固系统，更能体现出其经济优势。 利用了负压沉贯原理负压沉贯原理，是一钢桶沉箱结构，钢桶在陆 上制作好以后，将其移于水中，向倒扣放置的桶体充 气，将其气浮漂运到就位地点

27、，定位后抽出桶体中的 气体，使桶体底部附着于泥面，然后通过桶顶通孔抽 出桶体中的气体和水，形成真空压力和桶内外水压力 差，利用这种压力差将桶体插入海床一定深度。 吸力式基础吸力式基础分类分类 吸力式基础吸力式基础原理原理 吸力式基础 省去了桩基础的打桩过程省去了桩基础的打桩过程，大大节省了钢材用量和海上施工时间，施工速施工速 度快度快，便于在海上恶劣天气的间隙施工。可以事先安装好，再拖到工地， 便于运输和安装。由于吸力式基础插入深度浅，只须对海床浅部地质条件 进行勘察，而且风电场寿命终止时，可以简单方便的拔出并可进行二次利可进行二次利 用。用。 在负压作用下，桶内外将产生水压差，引起土体渗流，虽然渗流能大大降 低下沉阻力，但是过大的渗流将导致桶内土体产生渗流大变形，形