海上风电测风塔的选型

万文涛

(中海油新能源投资有限责任公司海油双帆公司,北京 100016）

海上风电测风塔的选型

万文涛

(中海油新能源投资有限责任公司海油双帆公司,北京 100016）

风资源的获取与评估是风电前期投资的一项重要工作。作为海上风电,需要动用船舶、浮吊等海上工程机械,施工局限性大,成本高。对目前国内外已经使用的各种测风塔进行了比较,分析了各种测风塔的优缺点,选出适用于海上风电的测风塔塔架和基础形式,为海上风电的开发提供了理论指导。

海上风电;测风塔;选型

我国近海蕴含着非常丰富的风能资源,从初步研究成果来看,海上风能有着非常巨大的开发前景。尤其是东南沿海一带,那里是全国的用电负荷中心,亦是风能资源丰富地区,有效风能密度在300 W/m2以上,全年风速大于或等于3 m/s的时数约为7 000～8 000 h,大于或等于6 m/s的时数为4 000 h[1]。海上风电(包括近海和滩涂）正逐渐成为风电开发的热土。

近海风电场前期开发的一项重要工作是风资源的获取与评估,而风资源的评估和获取最常用的手段就是建立测风塔。笔者结合近海风电场测风塔的建设经验,分析各种常用测风塔的优缺点,通过综合比较,提出近海风电场风资源获取与评估的各种实施方案,以找到低成本的解决方案。

1 国内外测风塔建设的现状

根据已有国内外的建设经验,海上测风塔一般采用的形式有:自立式单根圆筒结构、自立式三角形桁架结构、声雷达测风塔等;基础采用较多的形式有:单立柱(单桩、三桩）、导管架等。图1是海上测风塔的几种主要形式。海上施工的难度比较大,需要动用打桩设备和起重船舶,因而成本比较高,可靠又低廉的海上测风塔是进行比选的目标。

在海上风电场的发展初期,海上测风塔主要是矗立在海岸或者海岛上的自立式桁架结构形式。随着近海风电场开发的进展,海上测风塔的建设也随之移至较浅的水域,基础的施工和塔架的运输安装使测风塔建设的难度和成本都有较大幅度的增加。海上测风塔的设计比选需考虑所在场址的不同地质、不同风况、不同水文等条件的组合,进行测风塔的形式设计、基础选型、施工方案的选择以及成本测算,并根据海上风电场的建设规模和实际环境条件确定测风塔的布局方案,最后汇总为海上测风塔建设方案。

图1 海上测风塔的几种主要形式Fig.1 Types of offshore anemometer towers

2 测风塔的类型及方案比选

2.1 普通测风塔

2.1.1 测风塔的布局

一个风电场的建设通常配有一台主测风塔(PM）和几个辅助测风塔(SEM）。二者的最大区别在于高度和设备的不同,前者可以测量至风机轮毂及其以上的高度,后者的测量范围则局限在风机轮毂的高度以内。两类测风塔的测量面积大约都在直径8 km范围内,因此测风塔之间的距离不要超过7 km。

主测风塔的位置一定要安装在预测的所建风电场边界范围的0.5海里以内,而且是在场址的盛行风向,对相关的障碍物也要做适度的分析[2]。考虑到测浪仪的安装,测风塔最好定位于风电场海水最深处的0.5海里之内。主测风塔的高度为计划使用的风机轮毂高度加上70%叶片的长度。

随着风电场规模和面积的不断增大,为了尽可能获得覆盖整个风电场的风资源数据,有时还需要竖立多个辅助测风塔。每个测风塔的数据被分别评估,计算其不确定性,然后运用于所测场址的产能评估和载荷计算当中。

2.1.2 普通测风塔设计方案比选

从测风塔的结构形式来看,有自立式、拉线式、系留气球式三种。自立式测风塔塔体下部较宽,塔架材料用量相对较大,对基础要求也较高;拉线式测风塔受力较为合理,可靠性高,塔体截面小,塔架材料用量小,但拉线基础数量多,施工工艺复杂[3];系留气球式成本较低,也需要拉线的固定,气球本身的工作可持续性和风向测量的稳定性方面还存在较大问题。

(1）海上测风塔的塔架形式比选

自立式测风塔的塔架形式可分为单根圆筒式、三角形桁架、四边形桁架等。单根圆筒式塔架结构所需钢管直径大,有较大的迎风面积和质量,因此,所受的风载荷和弯矩都比较大,需要进行海上特有风况的结构强度分析;三角形桁架结构形式较为稳定,塔架受风荷载作用较小,最为经济;四边形桁架结构形式亦较为稳定,一般情况下当三角形桁架不能满足受力及变形要求或不经济时,塔架可选用四边形桁架结构形式[3]。考虑到基础的施工难度和成本,自立式结构形式是海上测风塔的首选,但对主基础的要求较高;而拉线式结构形式由于其不够经济,通常不予以考虑。

通过分析认为,主测风塔应用自立式三角形桁架结构塔架是最适合的,辅助测风塔也可采用这种塔架。

(2）海上测风塔的基础结构选型

从海上测风塔基础的结构形式来看,有单立柱钢管桩基础(水较深时需要采用单立柱三桩结构）、导管架基础(三腿、四腿）、重力式基础、吸力桶式基础、混凝土桩基承台等[4,5],几种结构在国外都有应用先例。单立柱钢桩结构采用大直径钢桩,结构形式简单,国外应用比较普遍;吸力桶式基础结构简单,无需打桩也便于拆除,但技术上还不成熟,国外还处在试验验证阶段;混凝土桩基承台一般采用PHC桩,沉桩方便,且造价比钢材低,仅为钢桩的1/3～2/3,有较好的贯入性能,打桩后现浇承台。一般经验认为,在浅水区域单立柱钢桩结构和混凝土桩基承台结构均是较好的解决方案。

海上测风塔远离海岸线,在运行期间时刻处于复杂恶劣的海洋状况之中,其基础和承台受到波浪力、潮流力、船舶或冰或其它漂浮物的撞击力等载荷的影响,基础设计时必须对这些载荷做具体的受力分析,同时也要考虑多种荷载组合作用的情况。

通过分析认为,主测风塔应用单立柱单桩(0～30 m水深范围）或混凝土桩基承台结构(0～10 m水深范围）的基础形式比较合适,辅助测风塔也可选用这两种基础形式。图2是测风塔的两种基础形式的示意图。

图2 两种基础形式示意Fig.2 2 kind of foudations

2.1.3 海上测风塔安装方案比较

方案一:对于单立柱钢桩基础型测风塔,钢桩整体预制为一节,过渡段预制为一个整体,三角桁架预制为一个整体。三角桁架与过渡段采用法兰或者销轴连接,使用海洋工程常用的大吨位浮吊,三件同时装船。海上现场施工时,先插桩,后使用打桩锤打桩,打桩过程中注意控制垂直度,然后吊装过渡段并灌浆连接。该方案的重点是吊装三角桁架,因其高度有可能超出浮吊最大起吊高度,实施难度较大。在进行方案设计时,应充分考虑重心计算,使得桁架吊起后尽最大可能趋于垂直。连接时,先连接两个点,后将低处吊绳松开,靠浮吊缓慢旋转将桁架扶正后连接第三个点。该方案对海况要求较高,具体需视所选船舶情况而定。为避免破坏桁架上测风设备,在陆地预制好桁架后只铺设电缆,测风仪器待海上完成吊装后再行安装连接。该方案预计使用浮吊15天,配合拖轮15天。

方案二:对于混凝土桩承台基础型测风塔,混凝土桩采用预制的PHC桩,承台采用陆地预制桩体,现场浇筑承台,使用一条小型港工打桩船,并配备一台小型混凝土搅拌机。海上现场实施时先插桩,后使用桩锤打桩,打桩时注意控制打桩角度,三根桩打完后,吊装预制桩体,启动混凝土搅拌机,进行现场浇筑承台。因混凝土浇筑后需要养护两周左右,因此,三角桁架只能在养护结束后再行安装,安装方法与方案一相同,预制为一个整体,三角桁架与承台采用法兰或者销轴连接,使用海洋工程常用的大吨位浮吊进行吊装。

该方案预计使用小型打桩船10天(含动复员）,浮吊5天(含动复员）,配合拖轮5天。

2.1.4 海上测风塔的成本测算

设定测风塔高度为EL+90 m。

方案一:采用单桩基础,仅需一艘150 t浮吊和一个液压打桩锤,靠桩身自重保持垂直,根据经验技术上完全可行。费用明细见表1。

方案二:采用混凝土桩承台结构,需一艘浮吊和一艘小型打桩船、一台混凝土搅拌机、送料斗等。费用明细见表2。

通过对比我们发现,混凝土桩承台的成本低于单立桩钢桩的基础结构,这主要是由于单立柱结构采用的是钢桩,材料成本高,而且桩径大,设备要求高。混凝土桩承台结构主要是采用高强度预应力空心桩,材料价格相对低廉,施工方法较为简单,可以在海边预制厂内提前预制,价格优势非常明显。

2.2 声雷达测风塔

声雷达是一种新型的测风设备,它是一个高频多普勒雷达系统,利用雷达发出声波并接收此声波散射回来的回波,然后处理回波信号,精确测量低空边界层风速、风向、温度以及湍流强度[6]。声雷达系统由四个部分构成:信号发生器/高频扬声器、声功率放大器、信号接收处理器和固定装置。主要用于航空航天监测、风能研究数据采集和各大风电场资源评估。其中美国ASC大气研究公司的MiniSODAR,频率 4 500 Hz,测量范围 15～200 m,层高间隔5 m,记录时间1～60 min,风速范围0～45 m/s,风速范围 0～360°。

表1 单立柱钢管桩型测风塔费用估算Tab.1 The cost estimation of tower on single-leg steel pile foundation

表2 混凝土桩承台测风塔费用估算Tab.2 The cost estimation of tower on concrete pile foundation

声雷达在国外风电场采用较多,主要有以下几个优点:

(1）重量轻,经咨询设备重量仅为130 kg(不包括测风压设备）;载荷小,因此基础结构可以大大简化,节省费用;

(2）不需要塔架,节省费用,安装较为简单,无需动用大型吊装船舶;

(3）测风数据在高度分布上连续,数据精度高,采集周期短;

(4）便于维护,可有效解决海上测风塔的高空维护难题。

近海雷达测风塔结构包括基础、操作平台和设备三个部分,图3是声雷达示意图。

图3 风电场采用的声雷达测风系统Fig.3 Sodar wind system in wind farm

为便于比较,基础设计为普通测风塔应用的单立柱单桩结构,承受的载荷主要来自于海水,假定10 m水深,钢管桩桩径设计为1 600 mm,壁厚38 mm,桩长设计为38 m,桩重57 t。过渡段与操作小平台设计为一个整体,小平台设计为3 m×3 m方形结构,总结构吨位为23 t。陆地预制好过渡段后,将全部设备安装到位,海上施工采用一个拖轮配合小型打桩船工作12天即可完成,施工顺序为:打桩→吊装过渡段→灌浆→连接。

声雷达测风塔费用估算,初步估算费用见表3。由表3可以看出,声雷达测风塔的费用相对较低,经济效益非常可观,且有效避免了高空安装与维护作业,优势明显,比较适合在近海测风塔中应用。

表3 单桩雷达测风塔费用估算Tab.3 The cost estimation of sodar on single-leg steel piles foundation

3 结论

相对于陆地风电的测风塔,海上测风塔的设计施工有着明显的差别,其复杂性及施工难度均增大。为了能够低成本、有效地获取与评估风资源,为下一步风场的建设提供依据,在海上测风塔的设计阶段,考虑到基础的施工难度和成本,自立式三角形桁架结构塔架是目前海上测风塔的首选。在水下基础方面,推荐水深小于10 m范围内,采用混凝土承台测风塔,水深大于10 m后采用单立柱钢桩测风塔,便于施工。声雷达测风塔的费用低廉,而且有效地避免了高空安装与维护作业,建议在近海测风塔中普及应用。

[1]姜鹏飞.国内发展海上风电的前景和经济分析[J].机电信息,2009(24）:96-112.

[2]国家电力公司电力建设研究所.GB/T 18709—2002风电场风能资源测量方法[S].北京:中国标准出版社,2002.

[3]邢占清,杨锋,赵卫全.响水风电场海上测风塔设计与施工[J].水利水电技术,2009,40(9）:81-87.

[4]黄维平,刘建军,赵战华.海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J].海洋工程,2009,27(2）:130-134.

[5]DNV-OS-J101-2007 Design of offshore wind turbine structures[S].

[6]邱金桓,陈洪滨.大气物理与大气探测学[M].北京:气象出版社,2005.

Selection of the types of offshore anemometer towers

Wan Wentao
(CNOOC New Energy Investment Co.Ltd.,Beijing100016）

The evaluation of local wind resources is very important in earlier wind investment stage.Installation of offshore wind farm needs lots of offshore engineering mechanical equipments such as vessel,floating crane,etc.The offshore construction is greatly limited and costly.Comparing various anemometer towers worldwide,the advantages and disadvantages of various anemometer towers are analyzed and the adaptable structure and foundation of anemometer tower is proposed.It could be a theoretical guidance for offshore wind power development.

offshore wind turbine;anemometer tower;type selection

TE09;TM614

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.090

1008-2336(2011）01-0090-05

2010-10-21;改回日期:2010-11-05

万文涛,男,1976年生,工程师,1999年7月毕业于大连理工大学,现从事海洋工程及风电技术的研究。E-mail:wanwt@cnooc.com.cn。