海洋风电场风机基础的设计分析

2012-01-22，

船海工程 2012年2期

关键词：防腐蚀风场风机

，

(江苏熔盛重工有限公司，江苏南通 226532)

1 海上风机基础种类介绍

目前,海上风场风机基础的种类主要有重力固定式、桩基固定式、筒式、浮置式等结构形式[1-2]。

1.1 重力固定式基础

重力固定式基础结构(见图1)为钢筋混凝土结构，靠自身重量和压载物的重量稳定坐落在海床上，靠重力使风机保持垂直。重力式基础结构简单，造价低，不受海床影响，抗风暴和风浪袭击性能好，可以克服单桩式基础的挠动问题，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。但是缺点是安装前需要对海底进行大量的准备工作，受冲刷影响大，只适用水深不超过10 m的水域，所需基础重量随着水深的增加费用将快速地增长，其经济性会下降,造价反而比其他类型基础要高。重力基础成功的用在了位于丹麦Zeeland东南部的160 MW的Nysted风电场和丹麦Jutland东北部的Samsoe风电场。在基础建设前需要对每一个重力基础的具体位点进行广泛的土壤分析以确保土壤性质均一，压缩不平沉积物使之最小化。

1.2 桩基固定式基础

桩基固定式基础包括单立柱、单立柱三桩、四腿导管架结构等 ,一般适用于50 m 以内水深。

1.2.1 单立柱基础

单立柱基础(见图2)在已建成的大部分海上风场中应用最为广泛。它是一种非常简单的钢质结构，由一个直径在5～6 m之间的钢桩构成，可以与塔架直接相连 ,也可以根据需要加装过渡段。钢桩安装在海床下10～20 m的地方，其深度由海床地面的类型决定。

图1 重力固定式基础

图2 单立柱基础

这种基础一个重要的优点是不需整理海床。但是这种结构对振动和不直度较为敏感，对设计和施工要求较高，不适合用于地质软的海床。它需要重型打桩设备，而且对于海床内有很多大漂石的位置不太适合采用这种基础类型。如果在打桩过程中遇到大漂石，一般会在石头上钻孔，然后用爆破物将之炸开，继而打成小碎石。由于其固有的挠动性，单桩式基础受到了水深的限制，可以使用的最大水深为当风电机组支撑结构的自然频率降低到不可避免的与波浪和转子的频率发生谐振的范围时。为了使单桩式基础在比较深的水域中仍旧有足够的刚度，必须增加其体积，因此相应的成本也就增加了。这意味着单桩式基础的长度、直径和厚度将随水深的增加而增加，与此同时，安装设备诸如打桩锤和起重船将更加专业化，费用也更加昂贵，最终直至打桩锤和起重船作业能力所不能达到的水深深度，这个极限范围为20～30 m。

1.2.2 单立柱三桩基础

单立柱三桩基础(见图3)类似于海上油田常用的简易平台，吸取了石油工业中的一些经验，采用了重量轻价格合算的三脚钢套管，三根桩通过一个三角形钢架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些框架分掉了塔架对于三个钢桩的压力，增加了基础的稳定性。实际上，这种基础是由组成三角形模式的三根单桩构成的。由于土壤条件和冰冻负荷，这三个钢桩被埋置于海床下10～20 m的地方。

图3 单立柱三桩基础

单立柱三桩基础利用小直径的基桩，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。特别适用于水深30 m以上的的水域。单立柱三桩基础非常坚固，应用范围广泛，但费用昂贵，很难移动，并且像单桩基础一样，不太适合软海床。该设计还没有得到真正的商业应用，目前仅存在于部分试验机组。

1.2.3 四角导管架

四角导管架(见图4)其采用的是海上油田常用的固定式平台结构 ,刚度更大，稳定性更好，但成本相对较高。渤海绥中油田风电项目中利用油田中闲置平台的四脚导管架作为机组基础 ,并设计了用于连接基础和塔架的过渡平台 ,节约了建造成本。

图4 四角导管架基础

1.2.4 筒式(吸力式)基础

筒式基础结构(见图5)分为单柱和多柱吸力式沉箱基础。单柱为由一个中心立柱与钢质圆筒组成，钢质筒由竖直的钢裙围成。立柱与圆筒通过带有加强筋的剪切板相连。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，其承载原理与重力式基础相似，中心立柱载荷通过剪切板分配到筒壁再传入海床。

图5 筒式(吸力式)基础

这种结构的优点在于节约钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景。一般适用于20 m以内水深。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。

1.2.5 浮置式基础

为了使海上风能利用克服海床底部安装基础受水深限制的缺点，向几百米的深水域发展，国外出现了浮置式基础结构(见图6)的设计。主要有两种方式：一种为漂浮式，由塔架、浮体和锚泊装置组成，承载风电机组的浮置结构飘浮在水面上；另一种为半潜式，浮体结构位于海面以下，由锚泊系统固定，其上可安装多台风电机组。浮置式结构可安装于风资源更为丰富的深海海域，水深为50～200 m，设计概念更为广泛，建设及安装方法灵活，可以移动，容易拆除。目前这种基础结构还处于研究阶段。

图6 浮置式基础

2 风机基础设计

2.1 设计流程

海上风场基础设计主要包括基础结构设计、防腐蚀设计和防冲刷设计三个方面。由于每一个基础所处位置和环境不同，故每一个基础都需要单独考虑。基础设计是一个非常复杂的系统工程，其相关内容和设计流程见图7。

图7 海上风场基础设计流程

2.2 设计外部条件

在设计流程中，基础所处的环境条件，即外部条件对基础设计的影响较大，前期需要对风况、海况、地质情况等方面进行大量的数据采集和分析，作为基础设计的依据。

基础设计外部条件具体研究内容和分析参数见图8。

图8 海上风场基础设计外部条件

2.3 选型分析

海上风场基础选型通常要考虑以下几个要素：水深、土壤和海床条件、环境载荷、建设方法和成本。实际选型中需要将几个因素综合考虑，选择最佳的一个方案。

1)水深。挪威船级社(DNV)标准中定义了不同风机结构概念的设计要求。根据海水深度和经济性考虑海上风场基础的选择见表1。

表1 基础结构类型与海水深度的关系

目前已投入使用的基础形式有重力式、吸力式和单桩式，还有近几年国外开始投入使用的三角架式和导管架式等。导管架平台在海洋油气工业中是各种水深(600 m以下)的最佳选择平台之一，技术比较成熟，可以满足未来大型风电场建设的需要，因此有很好的应用前景。就中国市场来说，未来一段时期内，将以近海50 m以下水深海域开发为主要对象，所以单桩基础是中国风场未来建设的一个重点。随着风机机组的大型化，基础结构尺寸包括基础高度、直径、筒厚、打桩深度等也会相地应地加大，相应的建造、安装难度都会大大增加，这也要求建造单位采用更加合理的基础结构形式，比如三角架式和导管架式等。

2)土壤和海床条件。一般来说，目前海上风场的桩深度基本在20～30 m深，属于海底浅层土。在这个厚度内，海底土壤一般会分成4～5层，每层土质不同，每种土层在波浪的作用下反应不同。不同海域的土层成分不同，就同一海域的不同位置，土层厚度、分布、土质也是不相同的。

根据美国材料试验学会制订的土的分类法(ASTM-D2487-90)。分类的基本原则是以土的粒径为0.074 mm为分界，当大于0.074 mm粒径的土占50%以上时，为粗粒土。相反，当小于0.074 mm粒径的土占50%以上时，为细粒土。粗粒土中的砂，又根据含细粒土颗粒的大小和数量的不同，分为粉土质砂和粘土质砂以及净砂。细粒土的定名是根据土样的液限和塑性指数在塑性图中的位置来确定。细粒土分为粉土和粘土，粘土又分为砂质粘土、粉质粘土和高塑性粘土等。

3)环境载荷。风机基础在海洋中所受的载荷非常复杂。单从环境载荷上来看主要是作用在塔架、风叶上的风荷载和作用在基础上的波浪和水流载荷。由于此类载荷与气候息息相关，所以风场开发区域需要进行长期的勘查工作，一般需要经历2～3年，主要工作是建立监测点，记录数据，总结气象规律，作为基础选型和设计的参考依据。另外，风机本身产生的载荷通过风机支撑的传递也会影响到基础结构，例如惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷、流体动力载荷等。除此以外，还有海冰载荷、船舶冲击载荷、海泥载荷(固定基础)、锚链载荷(浮式基础)、地震载荷等。

目前，在风机基础设计中，对载荷的分析方法主要是利用设计软件进行实景模拟分析，利用分析软件建立风机结构、海风、波浪模型，进行强度和疲劳分析。通常将风和浪载综合考虑，往往单纯的风或浪载比两者同时作用更加危险，因为两者可能相互抵消。破碎波和冰载是两个比较复杂的载荷，因为它们具备不确定性，可能会导致极限载荷，尤其卷越式破碎波会导致产生波高很大的波浪，从而产生很大的载荷。所以在基础校核和选型过程中要加以考虑。

4)建设方法。在海上风场建设过程中，其安装方法也得到迅速发展，从传统吊装方法到风机整体安装，再到基础与风机一体安装。安装方法和安装设备的选取需要参照基础的形式，所以建设方法是基础选型需要参考的一个方面，最终目的是确定一个经济快捷的安装方式来降低安装成本。

5)成本。在整个风场建设中，海上风电基础成本占整个工程的15%～20%。基础的形式对基础的成本影响很大，包括设计、建造、运输、安装等方面。一般来说，重力式、单桩、多桩、导管架式、浮式等基础形式的成本依次增加。所以，在基础结构选型中，基础成本是必须考虑的一个因素。

2.4 结构设计

基础结构设计是基础设计的核心，由于基础结构是风机机组重要的组成部分，因此基础结构设计关系到整个系统的稳定性和可靠性。在基础结构设计校核中必须把基础结构参数放到整个机组系统中进行分析和检验。基础结构设计包括载荷工况的确定、全系统的载荷计算、尾流的影响和处理、极限状态分析和疲劳分析。

其内容和流程见图9。

图9 海上风场基础结构设计流程

1)载荷工况的确定。海上风力发电机组载荷工况包括正常载荷工况、极端载荷工况、特殊载荷工况、运输载荷工况和海波载荷工况。

海上风力发电机的载荷工况受具体的外部条件和自身运行条件的共同影响，当进行机组结构设计计算时，载荷工况通常包括正常的外部条件和自身运行条件的共同影响，正常的外部条件和故障条件的共同影响，极端外部条件和自身运行条件的共同影响。外部条件和自身运行条件可以假设为能够独立的统计给出，由于极端的外部条件和故障条件的共同影响很少出现，故在设计时可忽略不计。设计时除重点考虑极端载荷工况作设计计算输入外，还特别需要分析计算突减海波载荷对机组整体性能的影响。

2)全系统载荷计算。在海上风场基础形式确定的基础上，利用专业的风机机组分析软件，建立动态气动模型、全系统动力学耦合模型和结构动力学分析模型，对由基础、塔架、风轮、低速轴、液压制动器、增速齿轮箱、高速轴、发电机、并网系统及控制系统组成的风力机全系统进行系统研究。反复校核基础结构强度、极限载荷估计和疲劳寿命计算等，以满足设计要求。

3)尾流影响。对于总占地面积给定的风电场，如不考虑各风机尾流的相互影响，则其风机数量布置越多，单位容量的平均投资成本越低，经济性越好。但实际上，当风经过风机后，由于风轮吸收了部分风能，且转动的风轮会导致湍动能增大，因此风机后风速会有一定程度的突变减小，这就是所谓的风机尾流效应。

尾流对周围风机产生影响，因此在结构计算时要考虑其对基础结构的影响。目前，在进行风电场风机优化布置模拟计算时，均忽略了风轮的湍流影响，而采用简化风机尾流线性扩张模型，即尾流影响边界随距离线性增大模型。

4)极限状态分析。随着海上风场的发展，对风机的安全性和可靠性越来越重视，并且随着风机容量和结构尺寸的持续增长的趋势，风机极限负载的分析就更加重要。到目前为止，大部分风机主要是因为各种极限状况的出现而失效，严重的甚至无法修复。对基础结构分析而言，极限状态主要包括极限风速和极限波浪。一般通过概率统计结合风场的实际情况的方法确定风机的极限参数，然后利用软件建立模拟风场和波浪模型进行分析。

5)疲劳分析。基础疲劳分析是以结构总重量为目标函数,以强度、刚度、稳定性及几何约束为约束条件,利用ANSYS参数化设计语言(APDL),建立近海风机基础结构的三维有限元分析模型和多设计准则、多约束条件的优化设计模型,采用ANSYS软件中的优化设计模块,按照用料最少原则进行优化设计。在优化设计的基础上,应用简化疲劳分析方法及谱分析方法对风机基础结构进行疲劳分析并估算其寿命。

2.5 防腐设计

海上风机支撑结构中的钢结构长期暴露于海洋环境中，根据钢结构在海洋环境中不同位置的腐蚀程度的不同，可以分成5个部分：海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。各区具体特点如下。

1)海洋大气区。钢铁结构在海洋大气与内陆大气中有着明显的不同。海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜；海洋大气中盐分多，它们积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电解质，是电化学腐蚀的有利条件，因此海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4～5倍。

2)飞溅区。在该区内的腐蚀，除了海盐含量、湿度、温度等大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪的飞溅，飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子量要远远高于海洋大气区，浸润时间长，干湿交替频繁。碳钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其它区域，在飞溅区，碳钢会出一个腐蚀峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区。这是因为氧在这一区域供应最充分，氧的去极化作用促进了钢桩的腐蚀，与此同时，浪花的冲击有力地破坏保护膜，使腐蚀加速。

3)潮差区。潮差区是海洋中从高潮位到低潮位的区域。在该区的钢铁表面经常与饱和了空气的海水相接触。由于潮流的原因钢铁的腐蚀会加剧。在冬季有流冰的海域，在该区内的钢铁设施还会受浮冰的撞击，也会加剧钢铁的破坏。

4)全浸区。该区的结构全部浸于海水中，比如基础结构的中下部位，长期浸泡在海水中。钢铁的腐蚀会受到溶解氧、流速、盐度、污染和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸区钢桩的腐蚀峰值。然而，钢桩在潮差带出现腐蚀最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蚀率。这是因为钢桩在海洋环境中，随着潮位的涨落，水线上方湿润的钢表面供氧总要比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多，而且彼此构成一个回路，由此成为一个氧浓差宏观腐蚀电池。腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的效果是整个潮差带中的每一点分别得到了不同程度的保护，而在平均潮位以下则经常作为阳极而出现一个明显的腐蚀峰值。

5)海泥区。该区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际是上是饱和了海水的土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度，电阻率低，但是供氧不足，所以一般的钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥中含有的硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，会对钢材造成比较严重的腐蚀。

另外，在所有海洋环境中都存在着海生物对基础结构的影响。所有海生物的污损，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等，对碳钢的腐蚀影响较大。污损海生物能阻碍氧气向腐蚀表面扩散，从而对钢的腐蚀有一定的保护作用。但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌的生长，硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢是强还原剂，对金属三具有很强腐蚀性。

对于海洋环境下的钢结构腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺的挂片试验，还是实际的生产实践中，具有很强的规律性。图10是钢桩在美国Kure Beach(基尔海滨)中暴露5 年后的腐蚀示意图。

图10 钢桩腐蚀示意

根据国内外多年的海洋工程钢结构防腐蚀实践经验以及我国目前的技术能力，对海上风场风机基础钢结构宜采取以下防腐蚀措施，防腐蚀措施的使用年限宜在 20年以上。

1)海洋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)飞溅区和潮差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)潮差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)全浸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)海泥区的防腐蚀应采用阴极保护。

涂料保护、热喷涂金属保护和阴极保护都是海洋工程钢结构经常采用的防腐蚀措施。涂料涂层和金属热喷涂层涂层系统应根据构件所处的环境条件，参照有关海上钢结构防腐蚀规范进行设计。阴极保护是防止金属腐蚀的一种电化学防腐蚀保护技术，发明至今已大于 100年的历史。阴极保护在海洋工程钢结构防腐蚀领域已得到广泛应用。目前，国外有多个海上风场已经使用了阴极保护技术。

2.6 防冲涮设计

水流受到基础阻挡时会形成涡旋，进而在基础与海泥交接处形成冲刷坑。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了风机的安全工作，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。通常海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法。

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。

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。

2.7 规范化设计

随着海上风电的发展，国际电工委员会和国际标准组织发布了多项针对风机设计和制造的规范。各个国家如德国、挪威、丹麦等为了规范统一设计，根据国际电工委员会和国际标准组织颁布的规范进行整理，建立了针对性更强的规范体系。在规范中，对基础结构设计的方法、载荷种类、设计状态、载荷计算、极限载荷分析和外部条件等都有明确的规定和说明。