海上风电基础形式及关键技术综述(何)

研究生课程考核试卷

科目：新能源装备现状及发展趋势

教师：何玉林（教授、博士生导师）

姓名：学号：

专业：机械设计及理论类别：学术

上课时间：2012 年11 月至2012 年11 月考生成绩：

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阅卷教师(签名)

海上风电基础形式及关键技术综述

【摘要】风是没有公害的能源之一。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大1 0倍。风力发电在近几年发展很快，尤其是陆地风场的建立，但是，由于陆上风电场存在占用土地资源，产生噪声污染、干扰公众视觉等问题，阻碍了其发展。自上世纪90年代开始，人们的视线逐渐转向了海上，修建了海上风电场。风电基础作为海上风电的重要组成部分，其结构形式多种多样，本文将对主要结构形式作扼要阐述，并简要说明海上风电基础的若干关键技术。

关键字：海上风电，结构形式，风电基础

引言

海上风能具有湍流强度小，主导风向稳定、节约土地资源等优势。近年来．海上风力发电在欧洲获得较快的发展。已安装的海上风电机组容量已超过150万千瓦。在我国，目前，已建的风力发电机组均为陆上发电机组，而海上风力发电比陆上风力发电更具有不占用陆地面积、风速比陆地大、风的方向较稳定等优点。

海上风力发电机组通常由三个部分组成：塔头、塔架、基础。其中基础部占有重要的位置，其建设成本在海洋风电造价中占有较大的比重，约占整个工程成本的20％～30％，是主要的成本风险对整机安全至关重要。

海上风电场风机基础是将风机稳固在海上的重要建筑物，风机基础处在海洋环境，不仅要承受结构自重、风荷载，还要承受波浪、水流力等；同时，风机本身对基础刚度、基础倾角和振动频率等均有非常严格的要求。目前，很多国家在探索经济安全的海上风电基础形式，这对于我国的海上风电发展很有借鉴意义。

1基础形式分类

根据结构的具体构造将海上风电机组的支撑结构分为桩基础结构、导管架基础结构、重力式结构、负压桶式结构和漂浮结构等5个类型。其中前四种属于固定基础，最后一种属于浮动基础。而在实际应用中也可能会采用复合结构。

1.1桩基础结构分为单桩、多桩和三脚桩基础

1.1.1单桩基础

单桩基础由大直径钢管组成，是目前应用最多的风力发电机组基础，如图1.1所示[1]。单桩钢管基础是用液压撞锤将一根钢管夯入海床或者钻孔安装在海床形成的基础。该基础直径为 3～6m、壁厚约为直径的 1%，插入海床的深度与土壤的强度有关，靠桩侧土压力传递风机荷载，主要适用于浅水及 20～25 m 的中等水域、土质条件较好的海上风电场项目。这种基础目前已经广泛地应用于欧洲海上风电场，成为欧洲安装风力发电机的“半标准”方法。单桩钢管基础的优点是无需海床准备、安装简便；缺点是移动困难；并且于直径较大需要特殊的打桩船进行海上作业，如果安装地点的海床是岩石，还要增加钻洞的费用。

图1.1 单桩基础

1.1.2多桩基础

多桩基础形式如图1.2所示[1][2]。多桩基础的概念源于海上油气开发，基础由多个桩基打入地基土内，桩基可以打成倾斜或者竖直，用以抵抗波浪、水流力，中间以灌浆或成型方式（上部承台/三脚架/四脚架/导管架）连接塔架适用于中等水深到深水区域风场。多桩基础上部结构的具体选择根据水深、环境荷载和风机系统动力特性确定。多桩基础优点在于适用于各种地质条件、水深，重量较轻，建造和施工方便，无需做任何海床准备；缺点：建造成本高，安装需要专用设备，施工安装费用较高，达到工作年限后很难移动。在 2007 年建设投产的英国 Beat rice 示范海上风电场中，两台 5 MW 的风机均采用的四桩靴式导管架作为基础，作业水深达到了 45 m，是目前海上风机固定式基础中水深最大的；我国上海东大桥海上风场采用的是多桩混凝土承台型式。随着海上风电场向深水区域的不断推进，此类基础在今后会有更广阔的前景。

图1.2 多桩基础

1.1.3三脚桩基础

三脚桩基础(见图1.3)采用标准的三腿支撑结构[1]，由中心柱、3根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构组成。钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连，可以采用垂直或倾斜管套，中心柱提供风机塔架的基本支撑，类似于单桩基础。这种基础由单塔架结构简化演变而来，同时又增强了周围结构的刚度和强度，在海洋油气工业中较为常见。

图1.3三脚桩基础

1.2导管架基础

典型的导管架式基础为三腿或四腿结构由圆柱钢管构成。导管架基础形式在深海采油平台的建设中已经成熟应用，可推广应用于海上风电，如图1.4所示[1][3]。

图1.4 导管架基础

1.3重力式基础

如图1.5所示[1]。重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式，靠其自身巨大的重量固定风机，有混凝土重力式基础和钢沉降基础两种型式。适用于水深小于 10 m 的任何地质条件海床，在大于 10 m

水深时为保证足够重量抵抗环境荷载，其尺寸和造价随水深的增加而快速增大。这种基础结构简单、造价低、受海床沙砾影响不大，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。缺点在于：需要预先海床准备，海上施工周期较长；由于其体积大、重量大，使得安装起来不方便且运输费用较大；适用水深范围过狭窄，随着水深的增加，其经济性不仅得不到体现，造价反而比其它类型基础要高。

图1.5 重力式基础

1.4负压桶式基础

负压桶基是传统桩基础和重力式基础的结合。它是一种新的基础结构概念所谓负压是指用来安装桶基时所采用的方法，其目的是负压效应可以部分地承担动态峰值负载，如图 1.6所示。

图1.6负压桶式基础

1.5漂浮基础

深海区域的风力资源比起近海区域来更为丰富，据统计，在水60～900m处的海上风力资源达到1533Gw，而近海O～30m的水域430GW[4]固定式基础比如单桩式和重力式适应的水深只限在30m左右，无法向着更深的水域发展。浮式基础最早是在1972年由麻省理工学院的William E.

Heronemus 提出的，伴随着海上浮式平台技术的成熟和世界海上风力发