沙漠边缘地带风力发电工程建设特征研究

祁林攀，王佳，王健 ，宋棋芃

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

1 引言

近年来，随着国家“双碳”战略目标的提出，风力发电作为一种可再生无污染的绿色能源发电方式，又获得了新一轮的快速发展。风机已遍及全国各地的山岭、平原、高原、戈壁、近海[1]，甚至沙漠边缘地区。然而，比之其他环境，沙漠边缘地区虽然风资源丰富，但工程建设环境恶劣，面临特殊的气象条件、地质特性和沙害等不利因素，其建设应综合考虑，系统化地克服各种不利因素。本文基于内蒙古某风力发电工程，对沙漠边缘地带风电建设存在的技术难点进行了分析和研究，并提出了相关应对措施，以期对后续类似工程有所裨益。

2 风力发电工程组成

风能是一种清洁无公害的可再生能源，风力发电是把风能转为电能的过程。风力发电工程一般由风电机组、场内道路、输电线路和升压站等组成，其中风电机组，即风力发电机（简称风机），是构成风力发电工程的核心，主要由基础、塔筒、轮毂、叶片和机舱等构成。

3 工程概况

本文所述风力发电工程位于内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗北部，布置122台3.3 MW风机，见图1。风电场东侧为低山丘陵，西侧为山前倾斜戈壁平原、半固定沙丘及平缓沙地，西侧毗邻沙漠，地势总体东高西低。项目建设主要内容包括风机及箱变基础、场内道路、风机吊装、集电线路、升压站土建，以及安装、调试和试运行等。沙漠边缘地带这种特殊条件下的工程建设特征和应对措施是此次研究的重点。

图1 内蒙古某风力发电工程

4 沙漠边缘地带建设环境

项目场址区地处东部季风区与西部干旱区域的交汇地带，属典型的大陆性气候，为中温带荒漠干旱区或极度干旱区，冬冷夏热，昼夜温差大，干旱少雨，风大沙多，蒸发强烈。根据当地气象站多年实测资料，极端最高气温39.1℃，极端最低气温-34.0℃，年平均气温5.9℃。场址区域海拔高度1 500～1 710 m，90 m高度年平均风速6.5～8.0 m/s，风功率密度280～500 W/m2，风能资源丰富。

场区受强大的蒙古高压（反气旋）和蒙古低压（气旋）影响，在西风环流的大背景下，适应阴山山脉及河套平原特殊地形，总体盛行偏西风、西西北风、西北风，次主风向以东东南风为主。每年10月～次年5月，风电场盛行偏西风（W、WNW、NW）；每年6～9月，盛行东东南风(ESE)。

场址西侧毗邻亚玛雷克沙漠，分布有平缓沙地和南北向展布的沙丘，气候干燥、风沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或无植被。根据沙漠边缘地带典型机位地质勘察成果（见表1和图2），地层自上而下分布有细砂、砾砂、角砾、泥岩和片麻岩等。细砂层一般厚度较大，力学性质差，代表了沙漠边缘地带的地质特征，对工程建设的影响最为显著。细沙层一般颗粒较细、黏结性差、天然含水量小、沙层稳定性差，但水稳性能好、沉降均匀、整体强度高。

表1 沙漠边缘地带典型地层特征表

图2 沙漠边缘地带地质实例

5 沙漠边缘地带风力发电工程建设的不利因素

沙漠边缘地带工程建设面临的关键问题是风和沙。在风沙综合作用下，易形成风蚀、沙埋和沙移等危害，一方面会使风机叶片、塔筒和机电设备等产生冲蚀、侵入、磨损和故障；另一方面，也会对工程实体产生掩埋或推移效应，使工程建设存在诸多不利因素。

1）风电机组。风机叶片受到风沙长期作用引起冲蚀；轮毂变桨系统轴承进风沙后磨损；机舱进风沙后造成舱内齿轮箱或电气设备故障；风蚀磨损塔筒表面涂料；塔筒底部被流沙掩埋；底部积沙过高时会影响叶片的正常运转；沙移造成基础的不均匀沉降倾斜而影响机组安全。

2）机电设备。风沙进入机械传动系统造成磨损；沙堆积导致电气设备散热性下降；沙尘吸入造成电气设备绝缘性能降低，进而发生接地或短路事故；沙尘入侵危害到制动系统的安全使用及寿命；风沙移动严重时会淹没设备。

3）场内道路。道路经过移动沙丘或风积沙地带；道路穿过连续性沙丘或沙包；路基坐落在沙层上强度和硬度不够；路基或路肩被风蚀而遭破坏；路基或路面被风积沙掩埋。

4）输电线路。风蚀造成线路塔基的淘蚀；风沙输移造成塔架磨损[2]及塔身倾斜；沙堆积埋压塔基造成不均匀沉降；埋压塔架造成局部或整体破坏。

6 沙漠边缘地带风力发电工程建设的应对措施

沙漠边缘地带的风力发电工程建设要因地制宜，从总体布置、线路选线、工程设计和设备选型等方面统筹考虑，根据具体的边界条件，采取不同的实施方案，建立不同的防风沙体系，系统化克服不利因素的影响。

1）风电机组。风机整体布置应避开移动沙丘地带；叶片面漆采用耐冲蚀涂层并增加厚度；轮毂和机舱的罩壳采用流线形，采取防风沙封闭措施；轮毂和机舱中，机械传动采用封闭式结构和全密封设计；轮毂和机舱对外的通气等部位加装可靠的防尘装置；塔筒门与主风向夹角大于90°；有条件时抬高基础或压覆碎石；风机基础优先采用桩类基础。

2）机电设备。选用防护等级高和密封性能好的电气设备和盘柜；机械传动采用封闭式结构和密封设计；将设备放置于密封性好的空间；风沙敏感设备采用专业防尘设计；设置空气过滤防护；机械零件旋转传动间隙处设置迷宫密封结构；设备防护罩采用翻边倒扣连接；连接接缝、间隙和开孔等设置密封件。

3）场内道路。道路选线绕开严重的流沙地段；穿沙时利用沙丘的背风面和风蚀洼地用最短的距离通过；路线尽量与风电场的全年主导风向大致平行；路基边坡和路肩使用黏土和砂砾进行封闭；上风向设栅栏、草方格网或沙生植物固沙；优化路基压实系数、铺设加强材料和增加路面铺筑厚度[3]。

4）输电线路。线路转角和终端等关键节点杆塔优先使用铁塔；杆塔基础表面采取压沙和固沙处理；杆塔基础周围覆盖砾石等防护材料防止塔基风蚀；转角和终端杆塔基础优先使用钢筋混凝土柔性基础；位于沙地的杆塔适当加大基础面积或埋深。

7 新技术应用

随着科学技术的进步，沙漠边缘地带的风力发电工程建设也应该紧跟时代潮流，运用更科学、先进和环保的技术手段，寻求更优的解决途径，力争科技与防沙的高度统一，工程建设与自然环境的和谐发展。

1）利用沙漠边缘地带生态绿化技术[4]，选择适合的植物重建生态系统，针对性地增加地面的植被覆盖度，降低风速，减免风蚀，控制流沙移动，减少沙害对工程的影响，达到防治风沙危害的目的。

2）推进风电机组防风沙新技术应用，如叶片和塔筒表面使用新型高耐磨性聚合物涂料；变浆轴承等关键部件采用三唇及以上密封结构，密封圈采用先进的旋转唇形密封结构，连接间隙处设置内翻或交错的迷宫密封结构；机舱和塔筒采用微正压技术。

3）构建智慧化风电场和智慧工地。基于测控技术、通信技术、信息化技术、大数据处理技术以及各类智能算法，实现对风电场工程建设的数字化管控以及设备的全生命周期精细化状态监控，实时全面反馈电站的运行状态和风沙影响规律，有针对性地防沙治沙。

4）运用无人机航拍及测量技术辅助微观选址、地形测绘和防风治沙。通过无人机取代人力采集地形数据、巡视线路沿线地形地貌的变化，掌握各控制点的细微变化和发展趋势，从而采取预防性的防风固沙措施。

5）推广绿色施工技术，加强施工过程环境保护。合理优化施工工艺，减少施工用地和水资源使用，尽可能保护施工范围内的绿色植被，完工后及时进行绿化和生态修复，减少工程建设对环境的负面影响。

8 结论

综上所述，本文研究了沙漠边缘地带的风力发电工程建设面临特殊的气象条件、地质特性和工程沙害等不利因素，并提出了适应性的措施和新技术方向，对类似工程的建设具有指导意义。

1）沙漠边缘地带最常见的危险是风蚀、沙埋和沙移。工程总体布置时，应尽量避开沙害严重区域；场内道路和集电线路的选线，应尽量避开沙害严重地段，线路走向尽量与风电场的全年主导风向平行。

2）风机机组的防风沙措施关键在于：叶片和塔筒采用流线形设计和面漆采用足够厚度的耐冲蚀涂料；机舱和零部件采用密封、隔离和防尘设计；选用适应沙漠地质力学性能的桩类基础。

3）沙漠边缘地带机电设置应采用防护等级高和密封性能好的电气设备和盘柜，机械传动采用封闭式结构和密封设计，对风沙敏感设备及部件采用专业防尘结构设计，宜将机电设备设置在密封性好的房间或舱体。

4）沙漠边缘地带土建设计应充分考虑以细沙层为代表的地质力学性能[5]，风机基础优先采用桩类基础，有针对性地通过路基压实、铺设加强材料和增加路面铺筑厚度提高道路路基承载力，重要杆塔优先使用柔性基础。

5）应重视沙漠边缘地带工程建设的新技术应用，通过生态绿化、智慧化风电、无人机航拍、机组防风沙新技术和绿色施工技术等手段，有针对性地防沙治沙，促进人与自然的和谐和可持续发展。