海上风电塔架基础部分的安全性分析

海上风电塔架基础部分的安全性分析

随着世界能源危机、环境和文化效应的恶化，越来越多的国家重视发展、利用能源和清洁能源。因此,在当前形势下,风能作为最清洁能源的一个选择,受到世界普遍重视。我国是一个风能利用大国,2008年已位居世界第四位,但与其它电力来源相比,风能仍占较小比例。据有关资料显示,2008年中国电力总装机:火电占76.3%;水电占21.6%;核电占1.3%;风电及新能源占0.8%。由此看,我国的节能减排任重道远,大力发展风能的空间仍很大。我国计划2020年前,20%的能源来自可再生能源,其中风电将达到100GW,中国将成为世界可再生能源利用的巨大市场。海上风能开发和利用比陆地具有更多优势。海上风能资源比陆地丰富,其风速高,风力持久,且海上很少有静风期,因此能更有效地利用风电机组的发电容量;与陆地相比不需要很高的塔架,可降低风电机组的成本;再有,海上风能具有零排放、无视觉、噪音等污染以及不占用陆地等优点。自1991年世界第一个海上风力发电厂在丹麦建成,尤其1997年后,引起了荷兰、英国、德国等欧洲国家和美国大力发展海上风力发电场(图1)。而对海上风力资源、风场论证和设计研究早在1976-1983年在欧洲国家展开目前,我国风能主要以陆地风能为主,全国各省都有风电场分布,主要的大风场集中在内蒙、辽宁、河北、吉林、黑龙江和江苏等省。而我国经济发达地区和电荒地区多集中在沿海省份,这便于我国重视并大力发展海上风电。我国是一个海上风力资源丰富的国家,尤其黄海和东海属于浅海风场资源,利于建设海上风场。据有关资料统计(中国风力发电网/),我国近海10m水深的风能资源约1亿kW、近海20m水深的风能资源约3亿kW以及近海30m水深的风能资源约4.9亿kW,是陆地风能资源的2倍,具有巨大的风能开发潜力。我国海上风力发电与世界发达国家相比,虽然起步较晚,但发展较快,如:第一个海上1.5MW试验风机由中海油公司2007年安装在渤海东北部的辽宁湾,当年11月投入使用;我国第一个海上风场—上海东海大桥风场2008年9月开始建设,由34台3MW风电机组成,风场平均水深9.8~10.3m,采用钢管桩基础,2009年3月20日第一台风电机组安装成功(图2),2009年9月4日首批3台机组并网发电,2010年向上海世博会供电(http://www.cpire/);世界单体最大的海上风电场将在江苏东台开建,拟选用3.6MW的84台风机组成;山东威海也将建投资210亿元、年发电量25亿kWh的海上风电场;另外,我国在渤海、黄海、东海和海南省等海域也规划建立多处风力发电厂。这对解决我国能源危机问题和CO海上风电也存在着缺点,主要表现在:(1)作为风电工程的地基基础费用高,一般占到总造价的20%左右;(2)电网接入集成成本高;(3)安装成本高,安装过程受天气环境的制约;(4)运行、维护实施困难,直接导致机组可利用率下降,影响发电量。要弥补这些不足,海上风电一个重要的发展方向是开发利用超大功率的风电机组,目前国外应用的最大功率机组为5MW,世界发达国家也正在研发10~20MW的发电机组,叶轮直径将达到250m左右,预计2020年实现。当前我国海上最大风电机组为3MW,在工程实践和理论研究技术支持等方面都落后于世界发达国家,急需大规模投入研发超大功率风电机组及开展相关配套工程的科研工作。而作为海上风电塔架的基础部分是整个工程结构的重要组成部分,它涉及到整个风电结构的安全性,是工程可靠运行的前提。本文在深入研究已有塔架基础上,提出了一种新型、经济和可靠的塔架基础型式—裙式吸力锚基础,供工程现场应用和推广。1安全或在315m水比内当前,国际海上风电场所处最大海水深度为45m(英国的Beatrice海上风场,由2个5MW风电机组构成的示范风场),而大部分建在5~15m水深海域。作为海上风电工程的基础部位是整个工程的重要组成部分,目前普遍采用的基础形式为:重力式基础、桩基础和吸力锚基础吸力锚基础作为目前国际海洋工程中应用广泛的一种新型基础型式,它具有费用经济、方便施工、施工速度快和可重复利用等优点而被作为各种系泊在海上浮动式结构物、海洋平台的基础2新型海上风力塔框架基础—新型海上风电塔架基础——裙式吸力锚基础2.1基础承载能力作为海上风机的吸力锚基础和应用于离岸开采油、汽田的吸力锚基础不同点是:(1)海上风机结构的竖向荷载相对于水平荷载和弯矩非常小,因此,吸力锚基础抵抗水平力和弯矩的承载能力是主要考虑因素。(2)由于基础处在浅海中,海床的冲刷可以导致吸力基础附近局部海床冲蚀,从而导致其承载能力降低。(3)作用到风叶片的风动荷载和支柱上的波浪荷载,对基础动力影响的独特性。通过对水平荷载作用下吸力锚基础响应分析,吸力锚基础受到的最大弯矩和剪力发生在浅土层中,即浅层土和吸力锚基础的相互作用决定了吸力锚基础水平承载力和最大挠度变形2.2提高基础承载力所提出的裙式吸力锚基础的研究意义是:(1)根据水平荷载作用下吸力锚基础挠度变形机理,设置了“裙”结构,增加了吸力锚基础的抗弯刚度和剪切刚度,从而减少了较大水平循环荷载和弯矩作用下基础的水平位移和转角响应幅值,同时也提高了基础的水平承载能力。(2)“裙”的设置扩大了吸力基础的侧面积和承台面积,提高了基础侧面与土体的摩擦力和竖向承载力,与传统吸力锚基础相比,降低了基础主桶长度。(3)“裙”顶面部分预留了排水孔,降低了基础沉贯过程中的海水阻力,同时“裙”结构较大提高了抵抗海床冲刷的能力,避免了主桶周围土体液化,从而保证基础承载力不会降低,延长了基础寿命。(4)由于造价和沉贯方面的考虑,实际工程采用的裙式吸力锚基础,其裙的高度(H2.3基于优雅的织物输送理论的工作机2.3.1吸力基础分析要使所提出“裙”式吸力基础与传统吸力基础比较具有竞争优势,必须满足两方面的要求:一是较好的沉贯性能,二是提供较大的承载能力。其中,裙式吸力基础满足沉贯要求是承载能力分析的前提。裙式吸力锚基础沉贯过程可分为两个阶段:(1)重量沉降h(2)吸力作用下沉贯另外,笔者已经证明,裙式吸力基础在砂土地基中有较好的沉贯性,并与同条件下(基础用料相同等)传统吸力基础进行了比较,证明了所提裙式吸力基础具有较好的经济性、可靠性和推广应用价值2.3.2肉式基础表面的承载力与传统单筒吸力锚比较,本文提出设置的“裙”结构主要考虑提高基础水平抗力,同时也能提高竖向承载力。设置“裙”的作用主要是解决传统单筒吸力锚的存在的缺陷:传统基础周围存在砂土液化问题,从而降低基础承载力;基础周围发生波浪容易引起海床冲蚀问题;不能有效提高竖向和水平承载能力。另外,考虑基础下沉过程中,主要受到端部阻力的作用和桶内土塞的作用。裙式吸力锚基础采用的底部“尖”状设置(如图5所示)且“尖”位于内侧,即可大大减少底部阻力和主桶内土塞产生,其“尖”端几何尺寸需计算确定。另外,裙式吸力锚基础取消了潜水泵而设置裙结构顶面圆形排水口,裙结构亦采用底部“尖”状设置,为了进一步减少端部阻力。3女性主桶布氏布局沉贯至内桶内资海上风电开发利用必将成为我国沿海地区清洁能源利用的一个热点和方向,而作为风电塌架的裙式吸力基础,必将引起人们的重视。对我国广阔海域来讲,海床土体涉及砂土、粉土和粘性土,且成层分布现象突出裙式吸力基础在自重作用下在海水内下沉,此时,主桶顶部范围内排水阀门全打开,主桶底部与海床接触,由于底部呈尖形和基础侧壁由薄壁钢板组成,在自重作用下继续下沉;由于侧壁阻力随贯入深度逐渐增大,下沉速度逐渐减小,直至贯入停止(如图5(a)所示),即完成自重作用下的沉贯,主桶内部与海床形成一个密闭水体。裙式吸力基础自重作用下沉贯结束后,