5兆瓦风力发电机组塔筒及基础设计解析

1、1.5兆瓦风力发电机组塔筒及基础设计摘要：风能资源是清洁的可再生资源，风力发电是新能源中技术最成熟、开发条件最具规模和商业化发展前景最好的发电方式之一。塔筒和基础构成风力发电机组的支撑结构，将风力发电机支撑在60100m的高空，从而使其获得充足、稳定的风力来发电。塔筒是风力发电机组的主要承载结构，大型水平轴风力机塔筒多为细长的圆锥状结构。一个优良的塔筒设计，可以保证整机的动力稳定性，故塔筒的设计不仅要满足其空气动力学上得要求，还要在结构、工艺、成本、使用等方面进行综合分析。基础设计与基础所处的地质条件密不可分，良好的地质条件可以为基础提供可靠的安全保证，从风机塔筒基础特点的分析可以看出，风机塔

2、筒基础的重要性及复杂性是不言而喻的。在复杂地质条件下如何确定安全合理的基础方案更是重中之重。关键词：1.5兆瓦；风力发电机组；塔筒；基础；设计1、我国风机基础设计的发展历程我国风机基础设计总体上可划分为三个阶段，即2003年以前小机组基础的自主设计阶段，2003-2007年MW机组基础设计的引进和消化阶段，2007年以后MVWL组基础的自主设计阶段，在2003年以前，由于当时的鼓励政策力度不大，风电发展缓慢，2002年末累计装机容量仅为46.8万kw,当年新增装机容量仅为6.8万kw,项目规模小、单机容量小，国外风机厂商涉足也较少，风机基础主要由国内业主或厂商委托勘测设计单位完成，设计主要依据

3、建筑类的地基规范。从2003年开始，由于电力体制改革形成的电力投资主体多元化以及我国开始实施风电特许权项目，尤其是2006年可再生能源法生效以后，国外风机开始大规模进入中国，且有单机容量600kwA750kw很快发展到850kwA1.0MW1.2MW1.5MW和2.0MW/国外厂商对风机基础设计也非常重视，鉴于国内在MVWI机基础设计方面的经验又不够丰富，不少情况下基础设计都是按照厂商提供的标准图、国内设计院根据风电场地质勘测资料和国内建筑材料的具体情况进行设计调整、厂商对国内设计院的设计调整成果进行复核确认模式。该模式不仅影响风机基础的自主设计，同时受制于厂商，甚至可能影响工程建设的决策、工

4、期和投资效益。以2005年我国南方某风电场的基础设计为例，当时该风电场已完成24个风机基础的施工，但国外风机厂商认为已建基础不能满足要求，并委托了第二家设计院进行了独立评估，由于当时没有专门的风机基础设计规范，设计单位只能参照国内建筑和电力行业的类似规范进行设计，且不同设计人员对具体条文的采用和理解也不尽相同，导致不同设计院设计同一基础的安全评价结论不尽一致。随后国外风机厂商和项目业主又同时委托第三家设计单位进行复核。由于种种原因，最终各方妥协的结果是在每个已施工基础上补浇了一些混凝土。因此，由于没有统一的规范，由于国外厂商在基础设计方面的过多介入，导致了成本的增加和工期的延长。鉴于当时风机基

5、础设计的重要性且没有专门的设计规范，中国水电工程顾问集团公司作为我国水电和风电的前期工程归口管理单位，于2005年8月迅速启动了风机基础设计技术研究和规范的编制工作，经过广泛调研、专题研究和试设计，并经过几次全国性的研讨和评审，于2007年9月发布了风电机组地基基础设计规定(FD003-2007),并同期推出了配套的设计软件。由于规范的统一指导和风电产业的不断成熟，并经过我国项目业主和勘测设计单位的共同努力，现在风电基础设计已步入自主设计的轨道。2、我国最近的两起风机倒塌事故及其教训在风电机组地基基础设计规定编制过程中及颁布后不久，出现了两起风机倒塌事故，这两个项目都没有按照风电机组地基基础设

6、计规定进行设计，事故的原因值得我们深思。因此，本文对两起事故进行了简要介绍和分析。2.1 在桑美台风中破坏的风机及基础在2006年8月10日的桑美台风中，某风电场28台机组全部受损，其中5台倒塌(3台600kw风机钢塔筒被折断、2台刚完成吊装的750kw风机连地基被拔出)、5台风机机舱盖被吹坏、11台风机叶片被吹断。据被吹到的测风仪留下的最后数据显示，山顶上风电场的瞬时风速达85米/秒。该风电场的大部分基础承受了超设计风速的考验，但连根拔出的基础至少在设计和施工方面存在一下不安全因素：2.1.1 基础环（法兰筒）的低端在基础台柱和底板的分界面，没有伸入基础底板与扩展基础形成整体。2.1.2 基

7、础台柱和底板混凝土分两次浇筑，且没有采取可靠的缝面处理措施，缝面粘接质量差，影响了台柱与底板之间的整体性。2.1.3 从拉断的基础台柱底部断面看，穿越台柱与底板之间的圆周向配筋太少，钢筋见距达60cm左右，进一步削弱了台柱与底板混凝土之间的整体性连接，台柱高度方向的配筋很少，钢筋间距在40cm左右，消弱了台柱本身的刚度。2.1.4 混凝土级配和混凝土现场搅拌质量不理想另外，建议在经常遭遇台风地区的风电场必须要时刻考虑配置备用电源或柴油发电机，并对控制系统作适当改进，遭遇台风电网断电后，风机不会刹车抱死叶轮，以减少风机承受的风载荷。2.2 在正常运行中破坏的风机及基础某风电场同批次施工安装了59

8、台850kw的风电机组并经过了72小时的试运行,在2008年4月正常运行时，一台风机突然倒塌，基础连根被拔出，倒塌时风速约12m/s,已进入风机的额定风速，塔筒底部（基础环）钢筋完全拔出。如图所示：据初步了解，该风机基础至少存在以下不安全因素：2.2.1 基础混凝土设计强度等级C30,事故后钻孔，事故后钻孔取芯实验得出的强度等级为C10-C25,基础混凝土实际标号偏低2.2.2 塔筒底部混凝土搅拌、振捣不均匀，断面反映的混凝土级配较差。2.2.3 从断面看，基础可能不是一次性浇筑，存在施工冷缝，且因风沙大浇筑，缝面有沙土。2.2.4 钢筋数量减少、长度不足2.2.5 胶凝材料用量和基础混凝土配

9、合比可能不满足要求，塔筒底部（基础环）钢筋完整拔出，粘接质量有问题。2.2.6 初期运行时机组振动较厉害，且倒塌的风机换过叶片，可能与上部结构及基础的刚度有关。另外，施工单位中标价格过低而导致其偷工减料、基础混凝土施工过程中监督不力也可能是引发事故的重要原因。由于质量问题，同批施工中得59台风机，除倒塌的一台，其余58台风机上部结构全部拆卸，并炸除混凝土基础，重新施工基础，重新安装风机，重新调试后再投入运行。给项目业主造成了巨大的经济损失。3、风机基础设计分析与讨论由于风力发电机组轮毂高度大（一般在50m以上）、顶部质量大正常运行和极端风速情况承受的水平载荷大、机组正常运行时对倾斜控制严格、基

10、础承受3600方向重复载荷和大偏心受力、基础的载荷重分布性低、地质条件复杂等特点，将风力发电机组基础设计做一简要分析，对几个热点问题进行讨论。3.1 关于基础类型的考虑设计规定考虑了方形扩展基础和方形轴台桩基础。考虑到风机基础承受3600方向重复荷载以及不同的设计习惯，配套设计软件在借鉴化工高塔、烟囱、高耸结构等基础设计规范的基础上，除了方形基础外，还扩充了圆形、八边形扩展基础以及圆形和八边形承台桩基础的设计方法和设计软件，拓宽了风机基础的适应性。3.2 关于基础设计的步骤3.2.1 扩展基础对于扩展基础，设计步骤可分为三大步：第一步，根据风机单机容量、轮毂高度、扫风面积、风速、荷载大小和地基

11、情况，参考类似经验，初步拟定基础埋深、底板尺寸和高度等。第二步，根据设计规定和风机承受的荷载等相关资料，分别计算基础基底反力、基础沉降和倾斜率、基础整体稳定性、基底脱开面积等，分别复核地基承受力是否满足要求、沉降和倾斜率是否满足规范和厂商要求、整体稳定性和基底脱开面积比是否满足规范要求。如果四个条件同时满足要求，则说明拟定的基础底板尺寸合适，可进行下一步计算，如果四个条件不能同时满足要求，则需回到第一步，调整外型尺寸。第三步，初选钢筋直径，进行截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则底板高度的拟定合适，否则，回到第一步，调整包括底板高度在内的外型尺寸，直至满足第二步和第三

12、步的有关要求。外型尺寸确定后根据裂缝宽度验算结果、构造要求等确定配筋布置，如果没有台柱，还需对台柱进行配筋计算和强度验算，对穿越法兰筒和基础环底部的局部配筋进行验算。然后，计算基础的混凝土用量和配筋用量。3.2.2 桩基础与扩展基础类似，柱基础的设计也可以分为三大步：第一步，根据有关资料、规范和经验，拟定基础埋深、承台尺寸以及桩的布置，包括桩长（持力层）、中心距、排列的选择等。第二步，计算桩顶作用反力，计算桩基础沉降和倾斜率，复核基桩承载力（包括竖向抗压承载力、水平承载力，抗拨承载力等）是否满足要求，桩基础沉降和倾斜率是否满足规范与厂商要求。如果同时满足要求，则拟定的桩布置合适，进行下一步计算

13、，否则，调整桩的布置。第三步，初选钢筋直径，进行承台底板截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则承台底板尺寸的拟定合适，否则，许回到第一步，调整承台尺寸和桩布置，直至满足第二步和第三步的有关要求。承台尺寸和桩布置确定后，对承台台柱进行配筋计算和强度验算，如果采用灌注桩则需要进行桩身配筋计算，根据裂缝宽度验算结果和有关构造要求，调整配筋布置，对基础环底部等部位进行布局配筋验算。最后，计算基础的混凝土用量和钢筋用量。3.3 关于几个问题的讨论3.3.1 修正标准值由于荷载的不确定性和随机性，计算扩展基础基底面积、计算桩基基础桩数和桩长时，荷载采用了标准值，但对上部结构传来的荷

14、载标准值均进行了乘以1.35的修正，已达到一定的安全裕度。国内风力发电成套技术还处于成长阶段，空气动力学计算理论和模型假定也存在着一定的误差和不确定性。风电基础虽然在整个风机结构中的造价比重很小，但结构安全直接决定着整个结构的安全，在重要性方面与上部结构至少是等同。因此，在目前有关技术有待进一步完善的阶段，基础设计适当留有安全裕度是必要的。由于国内不少风机厂商提供的风机荷载资料都是引进机型的原产地厂商在特定轮毂高度、特定风速下计算的荷载资料，可能没有考虑国内特定风电场的特点，如轮毂高度、不同风速、风场在电网中的作用、风机控制系统等具体条件，可能对国内特定风场的风机和风机基础设计有一定的偏差，因

15、此，在这种情况，考虑对风机厂商提供的荷载进行适当修正是必须的。风荷载在一定的土木工程设计中都计入耦合系数后再与其他荷载进行组合，但在风力发电结构中，风荷载是风机正常运行所必须的基本荷载，因此，在有关计算中不能照搬有关规范的规定，应予以特别重视。如果风电厂商针对国内特定风场情况，进行了专门、系统的荷载分析与测试，保证提供的荷载是基础设计所涉及工况的最不利荷载，且出具书面保证函，此时，这个荷载标准值修正系数可以在1.11.35之间进行调整。上部结构传来的荷载一律乘以1.35，对基础的安全裕度并不是成比例放大1.35,因此在弯矩放大的同时，竖向荷载也同时被放大了。下一步规范修编应结合各方意见酌情完善

16、。3.3.2 圆形与方形扩展基础工程量的比较在小偏心受力的情况下，承受相同的荷载，圆形扩展基础比方形扩展的混凝土工程量要省一些。然而，对大偏心受力的风机基础，圆形基础和方形基础的混凝土工程十分接近，不少设计人员对此心存疑虑。本文分析如下：(1)在圆形与方形基础的底面积相同情况下，承受相同的大偏心荷载，圆形基础的实际受压面积小于方形基础，且圆形基础基底反力的分布更不均匀，从而导致最大基底反力较方形基础大，尤其是在地基承受力小于150-200kpa的情况下，地基承受力较难满足要求，可能需要采用较大的基础底面积。(2)由于圆形基础基底反力的分布更不均匀，从而导致基础倾斜率较大，为了满足倾斜控制要求，

17、可能需要采用较大的基础底面积。(3)在现有的规范体系中，关于脱开面积不大于基底面积的的1/4的规定，对圆形基础更不利。对于圆形基础，高耸结构设计规范等要求偏心距e小于0.43倍的基底半径R,即小于0.215倍基底直径D,对于方形基础，规范要求偏心距e不大于0.25倍基底宽度Bo可见，对圆形基础的控制要严格，可能导致圆形基底的工程量偏大。(4)在现有的规范体系中，关于基础外型尺寸的构造规定，对圆形基础更不利。高耸结构设计规范对圆形基础的底板外缘厚度、底板悬挑长度与高度之比、地板高度与整个基础之比等都提出了严格的要求。而规范对方形基础的构造要求没有提出这么严格的要求。这样导致构造要求下的圆形基础混

18、凝土工程量比方形基础大，而不少情况下的基础外型是由构造要求控制的。因此，一方面，对圆形基础的计算分析方法和设计规定需要开展进一步的研究工作，另一方面，对于盛行风向比较固定的风电场，也不排除采用方形或其他形状的基础形式。3.3.3 关于基桩的布置在基桩布置中，有些设计人员仅从基桩竖向承载力角度考虑，认为在承台中部区域没有必要布置基桩，以节省工程量。本文考虑如下：(1)单纯从基桩竖向承载力角度考虑，承台中部基桩由于力臂短，承受的拨力或压力较小，但承台和基桩是个整体，且必须考虑整个系统的受力特点以及配套的计算方法和计算假定。(2)若中间无桩，则承台近似为两段简支梁，跨中挠度大，对风机的正常运行可能有

19、一定影响，尤其对基础动态刚度有较高要求的风机，可能导致风机振动较厉害。另外，这时承台在力学意义上为相对柔性结构，与计算桩顶作用效应时承台相对基桩为刚性的假定也不满足。(3)按材料力学法计算承台配筋时，假定承台中部(塔筒部位)刚度为无限大，按悬挑板计算底板配筋。如果承台近似为两端简支梁，则较难满足这一假定，与计算前提有一定出入。(4)建议根据垫层混凝土的支撑钢板的块数，在塔筒外缘附近布置3-4根基桩,则承台近似为多点连续梁，可增加桩基承台的刚度，减少跨中挠度及其风机运行的影响，也更符合配套设计方法的有关假定。3、结论与建议大力发展风电等清洁可在生能源，是保护环境、优化电力结构。促进经济社会可持续

20、发展的需要。我国风能资源丰富，风力发电事业方兴未艾，配套的法律法规和技术标准体系有待有关部门和风电企业共同完成。为了更好地促进风电事业的发展，更好地保障风力发电的正常生产，针对我国风机基础设计与施工存在的问题提出如下建议：由于许多人认为风电勘测设计简单，因此勘测设计和施工单位进入风电行业的门槛很低，有的甚至没有设计资质，造成风电设计水平和质量控制能力良莠不齐，质量事故时有发生，应加强风电行业的勘测、设计、施工等环节的资质管理，政府应加强监督与抽检管理，确保勘测设计和施工质量，杜绝诸如本文列举的较大质量安全事故的发生。业主单位应高度重视风电机组地基基础设计的质量控制，有必要对其计算和施工图纸聘请

21、有资格和业绩的单位进行审查，以确保风电场工程运行安全。由于风电场一般远离城区，基础施工较难采用商品混凝土，且风电场范围大，混凝土浇筑地点分散，混凝土生产能力较小、混凝土运距远，单个基础的混凝土浇筑时间长，混凝土现场拌合质量和浇筑质量是风电土建工程的控制重点，对建设百万千万风电基地的项目，应研究设计建立集中供应混凝土的可能性，以确保浇筑混凝土的质量。建议从确定施工中标单位开始，将基础混凝土生产能力（包括拌合站和混凝土运输车辆等的配备）及及质量控制（包括混凝土混合比、养护、高低温施工措施等）混凝土浇筑、基础环安装方法和保证措施等纳入业主重点考核范围。加强施工现场管理，例如监理对基础混凝土浇筑进行全

22、过程旁站，单个基础混凝土浇筑时间控制在12h以内，且防止出现冷缝，一旦出现冷锋，应严格按设计要求进行处理，加强基础回填土的质量控制，等等。以上是针对风力发电机组基础设计，笔者提出的一些看法与建议。塔筒是风力发电机组的主要承载结构，尤其是大型风力发电机组，其高度一般都在数十米以上，大型水平轴风力机塔筒多为细长的圆锥状结构。一个优良的塔筒设计，可以保证整机的动力稳定性，故塔筒的设计不仅要满足其空气动力学上得要求，还要在结构、工艺、成本、使用等方面进行综合分析。下面主要介绍一种新型的风力发电机组塔筒设计的相关内容：4、风力发电设备大型化带来的挑战风力发电设备大型化有优势吗？从风力发电机的角度看，答案

23、是肯定的。这也可从过去20多年来大型风力发电机技术的不断进步得到印证。随着高效风力发电机逐渐大型化，则制造风力发电机的材料需求也随之增大。到2003年底，功率为2MW彼以上的风力发电机已经得到广泛的应用，由此也会刺激大型风力发电设备的市场需求，因此，大型风力发电设备的市场前景非常广阔。轮毂高度是风力发电力设备中非常重要的一个参数。以平均功率在1.5到2.5MW的风力发电机为例，叶轮直径接近100米。随着叶轮直径和风力发电机重量的增加，风力发电塔也越来越大；随着塔的高度增加，塔的弯矩也随之增加。通常可以用两种方法解决大型风力发电机塔体的载荷。一是增加塔体的壁厚，二是增加塔体底径。目前，由于运输限

24、制和焊接能力不足，这两种方法都不可行。4.1 大型化带来的不便风力发电设备大型化给客户造成的主要不便之一是运输和安装。发电机增大，塔体就要相应增大，这些都受到运输的要求限制。大型风力发电塔，一般以圆锥型管状结构为主，已经开始受到运输的限制，因为底节直径超过4米、重量超过40,000kg、长度超过20米，这样的尺寸在运输中已经属于超长、超高、超宽和超重。同时，现代风力发电机主要零部件也受到了限制，风力发电机舱超重，宽度也属于特殊规格，需要重型拖车和特别安全驾驶。相比较而言，叶片仍以轻取胜，但由于叶片长度的增加，仍需要超常运输的许可。特殊规格运输势必要增加成本，这在商业竞争激烈的今天，高成本的运输

25、对提高企业的竞争力是非常不利的。为使风电设备经得住时间和自然风蚀的考验，必须要进行表面处理。如今，表面处理技术以喷漆处理为主。尽管喷漆效果不错而且操作简单，但在安装时就会暴露很多问题。比如喷漆的表面容易被划伤，导致生锈，而且，风电设备一旦安装完成，修补划伤的表面会有很多困难。经过风蚀日晒后的喷漆易发生碎片脱层，不易于维护。5、解决风力发电设备面临的具体问题怎样生产出更大底径的风力发电塔，以保证承载大型发电设备及其塔体本身的重量？有没有最经济的运输方式来运输此种庞然大物？有什么办法能够避免风力发电塔生锈，如何实施这项技术呢？5.1 表面处理首先要解决的是钢结构的生锈问题。由于我国拥有世界级的热镀

26、锌设备，和在镀锌方面的成功经验，其专业化的镀锌技术能够解决风力发电设备的防锈问题。以热渡锌技术解决防锈问题，那么大型风力发电塔如何镀锌？如何找到如此巨大的热镀锌槽？如何采用常规的运输方法来实现风力发电塔的运输？本文中介绍的解决方案是采用模块组件的方法扩大风力发电塔的管径以满足1.5MW以上风机的需要，即圆锥形风力发电塔由若干节构成，每一节又分成若干瓣，每一瓣通过螺栓联接构成一个圆形。5.2 大型风力发电塔的运输与安装为解决大型风力发电塔的运输与安装问题，我们可以组织钢结构专家成员进行技术革新和发明一一锥形塔体由模块组件构造，新结构的风力发电塔为锥形，而且规格尺寸可以做到与传统惯用的风力发电塔保

27、持一致。以一个65米高1.5MW系列风力塔为例，塔身由四部分组成，每部分由四瓣模块组件组成，如下图所示。正因为是模块组件设计，所以所有的组件不仅镀锌容易，而且易于利用普通平板卡车运输从而不需要特殊申请。在现场利用普通的装卸车和小型起重机即可进行装卸，各组件由螺栓联接，从而完成塔体安装。该方法大大节省了传统风力发电塔在运输和安装方面的费用。前面已经提到，每一组件都是镀锌的，因此能够避免划伤而引起锈迹斑斑甚至导致潜在的整体结构危险。目前关于风力发电塔的另一个发明是风力发电设备安装系统。该安装系统能够完成从叶轮，塔体和发电设备的整个安装，整个安装过程可以不用吊车。工程设计人员设计出利用塔体外自动升降“电梯”沿着锥形体坡度滑升，运载能力足可以将巨大的发电机运送到所需高度。随着发电机变得越来越大，塔体变得越来越高，超大功能的起重机的难觅，自动升降系统会变得更加可行。6、对新技术新产品的认识与接受模块组件风力发电塔能够解决运输、表面处理、高度、重量、塔体底径等等诸多问题。因此，选择该结构塔体则是发电机生产和开发企业的正确选择。对于风能客户来说，该设计和结构展示给他们的