海上风力发电机组基础设计
海上风电机组基础结构-第五章PPT课件
第五章：浮式基础
海上风电浮式基础的发展
1994年英国的Garrad Hassan等人对在采用悬链线系泊的Spar 平台上设置单涡轮风电机组的方案进行了评价，这是最早针 对风电机组浮式基础开展的详细研究。
2006年在挪威的Marintek，第一个真正意义上的以Spar为基础 的风电机组概念模型正式出现。
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5.2 浮式基础的一般构造及设计要点
锚链系统
锚固系统的弹性程度取决于锚链的重量和预紧力，得到最佳的预紧力 并选取相应的锚链规格，应按不同组合进行模型试验，记录相应峰值， 然后通过综合分析，确定最大链力Fmax。
最大链力确定后，可以计算出所需锚链的长度；对于搁置于水平海底 上的锚链长度，可按下式计算：
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5.1 浮式基础结构型式及其特点
半潜式基础
半潜式基础通过位于海面位置的浮箱 来保证风电机组在水中的稳定，再通 过辐射式不知的悬链线来保证风电机 组的位置。
半潜式基础的浮箱平面尺寸较大，高 度较小，依靠浮箱半潜于水中提供浮 力支撑，浮箱平面尺寸足够大，以保 证风电机组抗倾稳定性。
根据选定锚链的w和已知的H、T可求得l和L。
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锚链受力在平面上的分解
5.2 浮式基础的一般构造及设计要点
浮式基础设计
海上风电机组浮式基础设计步骤
总体尺寸规划； 水静力分析； 稳性分析； 水动力分析； 结构设计（构件尺寸、桁架和塔柱的强度及疲劳分析等）
影响浮式基础强度和安全的载荷因素
也不能无限制地拉紧，否则，其吸收外荷载作用在浮箱上的动能能力将变小。
锚链预紧力的控制方法是使锚链与浮箱底水平面夹角 为设计角度， 一般
为 50°～55°，此时系泊力最小。
海上风电机组基础结构设计标准
海上风电机组基础结构设计标准《海上风电机组基础结构设计标准》一、适用范围本标准适用于海上风电机组基础结构的设计，包括海上桩基式塔座和浮式塔座。
二、基础结构（一）基础结构组成部分：1. 基础结构的组成部分，包括基础结构的顶部平台、基础结构的腹部、基础结构的桩体或者浮体壳体。
2. 基础结构安装的安全装置。
（二）基础结构的设计要求：1. 基础结构的设计使用年限应满足设备设施安装的要求，保护安装的设备设施不受损坏。
2. 基础结构的设计应符合国家有关规定，并考虑海洋环境的特殊要求，且考虑海洋环境中的气候、海浪强度、土质结构和岩石属性等进行设计。
3. 基础结构的设计应考虑与海洋环境的配合，使其能够抵抗海洋环境的冲击，如海浪冲击、风荷载、悬浮物等，并具备相应的生态保护功能。
4. 基础结构的设计应确保其结构平衡，结构完整，不变形。
5. 基础结构的设计应考虑机组的振动，采用合理的减振措施，控制振动的扩散，保证机组的正常运行。
6. 基础结构的设计应考虑潮汐、海浪、风荷载等荷载和环境条件，以确保机组能够正常运行。
7. 基础结构的设计应考虑设备安装的方便性和机组维护的要求，使其能够满足机组的维护要求。
三、总体设计（一）总体设计的要求：1. 总体设计时应考虑到机组的布局，包括机组与港口的距离、机组之间的距离等，确保机组能够正常运行。
2. 总体设计时应考虑机组的布局与现有工程的叠放关系，使机组的安全运行不受影响。
3. 总体设计时应考虑到机组的安全性，能够满足机组的安全要求，并预留必要的维护空间和设备安装空间，以确保机组能够顺利运行。
4. 总体设计时应考虑海洋环境的影响，确保机组能够顺利运行，并考虑海岸线环境保护的要求，防止对海洋环境造成污染。
（二）总体设计的内容：1. 基础结构的设计，包括机组的布局，配套设施的设计，以及机组配置技术要求的考虑等。
2. 机组的抗海洋环境性能设计，包括抗海浪冲击性能、抗风荷载性能、抗潮汐性能等。
海上风电机组基础结构课件
能源安全
海上风力发电可以减少对 化石燃料的依赖，提高能 源安全性。
经济发展
海上风力发电项目可以促 进当地经济发展，提高就 业率，同时为政府带来税 收收入。
海上风电机组的基础结构类型
单桩基础
单桩基础由一个大型桩柱 和上部结构组成，通过桩 柱将机组重量传递到海底 地基。
导管架基础
导管架基础由一个或多个 导管架组成，上面安装有 叶片和机舱等设备。
疲劳分析
考虑到海上风电机组运行过程中承受的疲劳载荷 ，对关键部位进行疲劳分析和优化。
结构设计的优化
材料选择
选择高强度、轻质、耐腐蚀的材料，提高基础结构的性能和耐久 性。
构造优化
通过优化基础结构的构造方式，提高整体性能和稳定性。
细节处理
对关键部位进行细节处理，如加强筋、倒角等，提高结构的安全性 和可靠性。
安装质量控制
验收质量控制
在安装过程中，进行质量检验和监督，确 保安装精度和质量。
在验收时，进行质量检验和评估，确保基 础结构的质量和安全性。
安装过程中的问题及解决方案
定位精度问题
在安装过程中，可能存在定位精度不足的问题，导致安装 困难。解决方案是使用高精度的GPS等定位设备，提高定 位精度。
支撑架稳定性问题
浮体基础
浮体基础由浮体和锚链组 成，通过锚链将机组固定 在指定位置。
海上风电机组的基础结构材料
高强度钢材
用于制造桩柱、导管架和锚链 等结构件。
铝合金
用于制造叶片和其他轻量化部件。
复合材料
用于制造机舱罩、导流罩等部件， 具有轻量化和抗腐蚀等优点。
02
海上风电机组基础结构设 计
结构设计原则
安全性
海上风电机组基础结构应能够承 受极端自然环境和地震等自然灾 害的影响，确保结构安全性和稳
课件5-3海上风力发电机组基础设计及设计评估
6. 防冲刷设计评估
施工
运行与维护
7. 施工方案评定 8. 测试及故障监控 9
四、东海大桥海上风电场基础设计评估
东海大桥海上风电 场是中国第一个真正意 义上的海上风电场地， 总装机容量102MW。风电 场海域范围距离岸线8～ 13km。
上海东海大桥海上风电场地理位置图
10
五、东海大桥海上风电场基础设计评估
海上风力发电机组基础设计及 设计评估
北京鉴衡认证中心 2011年4月13日
1
目录
一．前言 二．基础的设计流程 三．风电机组基础的设计评估 四．东海大桥海上风电场基础认证
2
一、前言
与陆上风电场相比,海上风电具有以下优点：
风能资源储量大、环境污染小、不占用耕地； 低风切变，低湍流强度——较低的疲劳载荷； 高产出：海上风电场对噪音要求较低，可通 过增加转动速度及电压来提高电能产出； 海上风电场允许单机容量更大的风机，高者 可达5MW—10MW。
选型
外部条件 风电机组 设计条件 风电机组校核
风电场布局
防腐蚀设计
基础结构设计
防冲刷设计
工程图
运输、安装、连接 及维护方案 施工
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二、基础的设计——场址勘察数据库
场址勘测
项目
风况测量
同步
海况测量 波浪 洋流速度、方向 潮位 ……
地质勘测 海底地形（水深） 地层剖面 土壤条件 ……
其他调研 结冰 地震 人类活动 ……
五、东海大桥海上风电场基础设计评估
基础结构评估
4.电缆J形管及入口、梯子强度分析。
5.其他分析还包括：钢管桩抗拔分析、冲刷及防腐分析等。
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五、东海大桥海上风电场基础设计评估
海上风电项目的基础工程设计与建设方案
海上风电项目的基础工程设计与建设方案海上风电项目是利用海上的风能资源，通过建设风力发电设施来实现清洁能源的生产。
这种项目对于保护环境、减少温室气体排放以及推动可再生能源的发展具有重要意义。
基础工程设计与建设方案是海上风电项目的关键步骤，它涉及到项目的可行性、安全性、经济性等方面的考虑。
首先，基础工程设计应该重点考虑项目的可行性。
在海上风电项目的选择和设计过程中，需要对海域风能资源进行详细的测量和评估。
通过风向、风速、风场分布等数据的分析，确定最适合建设风电场的海域区域。
此外，还需对海域地质特征进行综合评估，确保海底地质条件适宜建设风力涡轮发电机的承载。
其次，基础工程设计应注重项目的安全性。
由于海上风电项目建设在恶劣海洋环境中进行，考虑海浪、风暴、潮汐等因素对设施的影响至关重要。
设计方案应该充分考虑设施的抗风能力、抗浪能力、抗倾覆能力等。
通过合理的结构设计和建设材料的选择，确保风电设施在面临极端天气条件时的稳定性和安全性。
此外，基础工程设计还需考虑项目的经济性。
风电项目的建设和运维成本是考虑项目可行性的重要因素。
基础工程的设计应该尽量降低材料成本、施工成本和运输成本，提高建设效率和设施的使用寿命。
合理的设计方案还应该考虑项目的可持续性发展，通过优化布局、增加装机容量等方式提高发电效率和经济效益。
基于上述考虑，一个典型的海上风电基础工程设计方案可以包括以下几个主要步骤：1.项目区域评估：对目标海域进行风能资源的调查和评估，确定最适合建设风电场的区域。
同时，进行地质勘探和地质特征的分析，评估地底条件适宜性。
2. 设计方案：根据风能资源和地质评估结果，设计合理的基础工程方案。
考虑到海上环境的特殊性，结构设计应具备良好的抗风抗浪能力，同时确保施工和运维成本的合理性。
3. 施工模拟与优化：借助现代建模技术，对基础工程的施工过程进行模拟和分析，寻找最佳施工方法和流程。
通过优化方案，提高施工效率和质量。
4.可持续性发展考虑：考虑到海上风电项目的长期运营，设计方案应注重设备的可持续性和维护保养的简便性。
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则漂浮式海上风电机组是一种利用风能发电的装置，它可以在海上进行安装和运行。
为了确保机组的稳定性和安全性，需要设计合适的基础和系泊系统。
本文将介绍漂浮式海上风电机组基础及系泊系统的设计导则。
一、基础设计导则1. 基础类型选择：根据海洋环境条件和机组规模，选择合适的基础类型，常见的有浮式基础、半浮式基础和沉管基础等。
浮式基础适用于较浅的海域，半浮式基础适用于中等深度的海域，沉管基础适用于深海。
2. 基础材料选择：考虑到海水的腐蚀性和机组的重量，基础材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的基础材料有混凝土、钢材和复合材料等，选择合适的材料可以提高基础的稳定性和耐久性。
3. 基础形状设计：基础的形状设计应考虑到机组的重心和风力对基础的影响。
合理的基础形状可以减小基础的倾斜和摇晃，提高机组的稳定性。
常见的基础形状有圆形、方形和多边形等。
4. 基础固定方式设计：基础的固定方式有锚链固定、钢缆固定和锚桩固定等。
选择合适的固定方式可以提高基础的稳定性和抗风性能。
同时，还需要考虑到基础的安装和维护便捷性。
二、系泊系统设计导则1. 系泊系统类型选择：根据基础类型和海洋环境条件，选择合适的系泊系统类型。
常见的系泊系统类型有单点系泊、多点系泊和主动控制系泊等。
单点系泊适用于浅海区域，多点系泊适用于中等深度的海域，主动控制系泊适用于深海。
2. 系泊系统材料选择：系泊系统的材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的系泊系统材料有钢材和合成材料等，选择合适的材料可以提高系统的耐久性和可靠性。
3. 系泊系统布置设计：系泊系统的布置设计应考虑到基础的形状和机组的重心。
合理的布置设计可以减小系泊系统的摆动和张力，提高机组的稳定性。
同时，还需要考虑到系统的安装和维护便捷性。
4. 系泊系统参数计算：根据机组的重量、风力和海洋环境条件，计算系泊系统的参数，包括锚链长度、钢缆长度和系泊点位置等。
合理的参数计算可以确保系统的稳定性和抗风性能。
海上风电机组固定式基础结构设计与优化方法研究
海上风电机组固定式基础结构设计与优化方法研究近年来，随着对清洁能源需求的增加，海上风电成为了备受关注的领域。
而海上风电机组的安全稳定性很大程度上依赖于其基础结构的设计与优化。
本文将探讨海上风电机组固定式基础结构的设计与优化方法，为相关工程领域的研究和实践提供参考。
一、基础结构类型海上风电机组的基础结构主要包括浅水型和深水型两种类型。
浅水型基础结构适用于水深较浅的海域，一般采用单桩基础或者钢管桩基础。
深水型基础结构则适用于水深较深的海域，常见的有Spar浮式基础和TLP浮式基础等。
根据实际情况选择合适的基础结构类型对于风电机组的安全运行至关重要。
二、设计原则在设计海上风电机组固定式基础结构时，需要遵循以下原则：1. 承载能力：基础结构需具有足够的承载能力，能够承受风机叶片受力带来的压力和扭矩，确保整个系统的稳定性。
2. 抗风性能：基础结构的设计应考虑到不同风速下的抗风性能，采取相应的加固措施，确保在恶劣天气条件下系统不受损。
3.抗倾斜性：海上风电机组基础结构需要具备一定的抗倾斜性，能够应对海浪、水流等外部环境因素对系统的侧向冲击。
三、优化方法为了提高海上风电机组固定式基础结构的性能，需要进行优化设计。
以下是一些优化方法的探讨：1. 结构材料优化：选择适合海洋环境的高强度、耐腐蚀的结构材料，提高基础结构的承载能力和耐久性。
2. 结构形态优化：通过优化基础结构的形态设计，减小结构自重，降低施工难度，提高系统的整体性能。
3. 施工工艺优化：优化施工工艺，降低施工难度和成本，提高工程效率和安全性。
综上所述，海上风电机组固定式基础结构的设计与优化是一个综合性的工作，需要考虑到多方面因素。
只有在科学合理的设计和优化下，海上风电系统才能更好地发挥其清洁能源的作用，为可持续发展作出贡献。
海上风电基础设计与施工
混凝土沉箱式
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重力基座式
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重力基座式
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单桩基础
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水上三桩基础
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水下三桩基础
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水下三桩基础
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导管架基础
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吸力桶基础
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英国的张力腿式Blue H 风电机组 漂浮式基础
挪威的Spar 式Hywind 风电机组
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2.2 国内海上风电典型风机基础结构 低桩高台柱基础 高桩承台基础 单桩基础 水下三角架基础（Tripod） 导管架基础 吸力筒基础
与早期的东海大桥一期海上风电场相比，工程成本降低了约20%。
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2 国内外海上风电典型风机基础结构
2.1 国外海上风电典型风机基础结构 2.2 国内海上风电典型风机基础结构
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2.1 国外海上风电典型风机基础结构 重力式基础 单桩基础 水上三桩（Tripile） 水下三桩（Tripod） 导管架基础 吸力筒基础 漂浮式风机基础
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低桩高台柱基础
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高桩承台基础
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单桩基础
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三角架基础
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导管架基础
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吸力桶基础
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3 荷载分类及作用组合
荷载分为以下三类： 1 永久荷载，主要有上部结构传来的风电机组重力荷载 Fzk 、基础及附 属结构自重G 、预加应力 N p 等。 2 可变荷载，主要有上部结构传来的风电机组荷载水平力 F xk 和Fy k 、 水平力矩Mxk 和 Myk 、扭矩Mzk ，风荷载W 、波浪力P 、水流力 Fw 、冰 荷载 Fi 、船舶荷载F1 、结构施工检修过程中出现的短期荷载Fs 等。 3 偶然荷载，如地震作用力Fe 、海上漂浮物非正常撞击荷载 F2 等。
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近海风力发电（作业）
摘要
这篇文章介绍了海上风电场建设概况、海上风力发电机组的组成、海上风电机组基础的形式、海上风电机组基础的设计。
关键词电力系统；海上风电场；海上风电机组基础；设计
1
Abstract
This article describes the overview of offshore wind farm construction, the composition ofthe offshore wind turbine, offshore wind turbines based on the form-based design ofoffshore wind turbines.
Key Words electric power system;Offshore wind farm; Offshore wind turbine foundation; design
-2-
1前言
1.1全球海上风电场建设概况
截止到2012年2月7日，全球海上风电场累计装机容量达到238,000MW，比上年增加了21％。
1.2 中国
截至2010年底，中国的风电累计装机容量达到44.7GW，首次居世界首位，亚洲的另外一个发展中大国印度也首次跻身风电累计装机容量世界前五位。
1.3海上风力发电机组通常分为以下三个主要部分：
（1）塔头（风轮与机舱）
（2）塔架
（3）基础（水下结构与地基）
与场址条件密切相关的特定设计； 约占整个工程成本的20%-30%；
对整机安全至关重要。
支撑结构
-3-
2 海上风电机组基础的形式
2.1海上风电机组基础的形式
目前经常被讨论的基础形式主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶段的漂浮式基础，具体包括：
单桩基础；
重力式基础；
吸力式基础；
多桩基础；
漂浮式基础
2.1.1单桩基础：（如图1所示）
采用直径3～5m 的大直径钢管桩，在沉好桩后，桩顶固定好过渡段，将塔架安装其上。
单桩基础一般安装至海床下10-20m，深度取决于海床基类型。
此种方式受海底地质条件和水深约束较大，需要防止海流对海床的冲刷，不适合于25m 以上的海域。
2.1.2重力式基础：（如图2所示）
图1 单桩基础示意图
-4-
-5-
重力式基础因混凝土沉箱基础结构体积大，可靠重力使风机保持垂直，其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。
缺点是需要进行海底准备，受冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。
2.1.3吸力式基础 ：（如图3所示）
该基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础等。
吸力式基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。
相比前面介绍的单桩基础，该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶段；
2.1.4多桩基础 ：（如图4所示）
利用小直径的基桩，打入地基土内，桩基可以打成倾斜，用以抵抗波浪、水流力，中间以填塞或者成型方式连接。
适用于较深的水域。
该设计还没有得到真正的商业应用，仅存在于部分试验机组。
2.1.5漂浮式基础：（如图5所示）
可安装于风资源更为丰富的深海海域
（50-200m ）； 设计概念更为广泛；
图2 重力式基础示意图
图3 吸力式基础示意图
图5 漂浮式基础示意图（NREL ）
图 4 多桩式基础示意图
建设及安装方法灵活；
可移动，易拆除；
常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。
2.2对基础类型选型的影响
水深
土壤和海床条件
外部载荷
施工方法与条件
成本
目前世界上的近海风力发电机组大多数都采用重力凝土和单桩钢结构基础设计方案。
-6-
3基础的设计3.1基础的设计——设计内容及流程3.1.1
-7-
3.1.2
项目
内容
结果
-8-
3.1.3
-9-
3.2基础的设计——防腐蚀设计
1）对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护；
2）浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；
3）水位变动区平均潮位以下部位，一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施；
4）水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工期的防腐蚀措施；
5）泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。
6）对于混凝土墩体结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。
对于混凝土桩，可以采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。
3.3基础的设计——防冲刷设计
1）桩基周围采用粗颗粒料的冲刷防护方法：采用大块石头等粗颗粒作冲刷防护
2）桩基周围采用护圈或沉箱的冲刷防护方法：在桩基周围设置护圈(薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。
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3）桩基周围采用护坦减冲防护：采用适当的埋置深度、宽度的护坦以达到既安全又经济的目的。
4）桩基周围采用裙板的防冲刷方法：桩基周围采用裙板起到扩大沉垫底部面积作用，将冲刷坑向外推延。
-11-
结论
风机基础的选择主要取决于水深和海底地质条件两项因素，也和风机安装方法有一定的关系。
除基础与风机一体安装法之外，基础的安装是风机安装过程中单独的一个环节，并且对风机塔架的安装起着影响。
各国对风电场基础的分类不尽相同。
目前讨论较广泛的有5大类，分别是重力基础、单基桩基础、导管架基础、吸人沉箱基础和浮式基础，其中前两种在实际中有广泛的应用。
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