小容量换装大容量风电机组的基础升级改造分析

吴 泽

上海勘测设计研究院有限公司

0 引言

力争2030年前碳达峰、努力争取2060年前碳中和的目标，是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。

随着技术的发展，国内风电机组单机容量日渐大型化。对于陆上风电场，受制于当时的技术条件，首批建设的风电机组容量大多不超过2 MW，未能充分合理利用风资源，无论从风电场历年实际发电量还是理论发电量来看，大容量风机相较小容量风机均有明显优势。

考虑到风电机组大型化发展的趋势，上海临港某风电场决定将其早期投产的小容量风机换装成8 MW 大容量机组，并进行技术验证。为尽可能降低成本，拟对原小容量风机基础进行改造加固，以适应新的大容量风机。

1 项目概况

上海临港某风电场于2009年建成发电，安装数台单机容量为1.25 MW 及2 MW 的风力发电机组。目前来看，单机容量偏小，未能充分合理利用风资源。

本次改造工程将其中1 台机组拆除，换装1 台单机容量为8 MW 的机组。原风机基础为钢筋混凝土桩基承台基础，承台总高3.0 m，半径10.5 m，下设36根灌注桩，桩径0.8 m，分3圈布置。原基础布置见图1和图2。

图1 原风机基础立面图

图2 原风机基础桩位图

2 基本资料

2.1 设备资料

新风机采用8 MW机型，轮毂安装高度为125 m，叶轮直径230 m。各工况的基础设计荷载见表1。

表1 风机塔筒底部荷载标准值表

2.2 工程地质

场址内地表高程在3.6～4.5 m 左右，地势平坦，处于河口、沙嘴、沙岛地貌与潮坪地貌两种地貌类型的交会过渡地段。场址区域地层结构从上到下依次为：

第①1层填土，杂色，很湿，松散，高等压缩性。层厚约1.00～2.80 m。

第②3a层砂质粉土，灰色，饱和，松散至稍密，中等压缩性。层厚约3.30～4.30 m。

第②3b层砂质粉土，灰色，饱和，稍密至中密，中等压缩性。层厚约9.10～10.20 m。

第②层淤泥质黏土，灰色，饱和，流塑，高等压缩性。层厚约2.40～3.50 m。

第③1层粉质黏土，灰色，很湿，软塑，高等压缩性。层厚约3.20～4.30 m。

第④层淤泥质黏土，灰色，饱和，流塑，高等压缩性。层厚约2.40～3.50 m。

第⑤1层粉质黏土，灰色，很湿，软塑，高等压缩性。层厚约3.20～4.30 m。

第⑥层粉质黏土，暗绿至灰黄色，湿，可塑，中等偏高压缩性。层厚约3.60～3.90 m。

第⑦1层砂质粉土，灰黄色，饱和，密实状为主，中等偏低压缩性。层厚约2.90～3.00 m。

拟建场地内灌注桩的桩侧极限摩阻力标准值fs、桩端极限端阻力标准值fp、抗拔承载力系数λ、水平抗力系数的比例系数m见表2。

表2 桩基设计参数表

3 基础改造方案

3.1 方案拟定

本次改造技术路线为：将原基础承台拆除，保留原有桩基，通过增加桩基数量及扩大承台等措施，加强基础整体刚度，以符合8 MW 机组的安全运行要求。

拟定新建风机基础承台高度4.5 m，分为上、中、下三部分，上部为半径4.6 m、高0.8 m 的圆柱；中部为顶面半径4.6 m、底面半径12.2 m、高1.9 m的圆台；下部为半径12.2 m、高度为1.8 m的圆柱。

承台下均匀布置5 圈共60 根钻孔灌注桩。其中，三圈36 根灌注桩为原有，原有桩基须采用专用工具切割至指定标高，且保留主筋。在外侧及中间新增两圈24 根灌注桩，桩型与原有桩型一致，直径φ800 mm，桩长40 m。新建风机基础结构见图3和图4。

图3 新建风机基础立面图

图4 新建风机基础桩位图

3.2 桩基验算

3.2.1 桩顶效应

根据《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10311-2019）对需要设计的内容须首先进行各荷载工况的组合计算，同时需要考虑极端高、低水位情况。经计算，极端荷载工况为最不利荷载效应组合。桩顶荷载效应主要计算结果见表3。

表3 桩顶荷载效应组合计算结果

3.2.2 桩基承载力计算

单桩竖向承载力按《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10311-2019）中公式计算。

1）单桩竖向承载力特征值

2）单桩抗拔极限承载力标准值

3）单桩水平承载力特征值

经计算，控制工况为极端荷载工况，计算结果见表4。

表4 基桩承载力计算结果汇总表

3.2.3 沉降变形验算

按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中的公式5.5.6 计算桩基沉降。

计算结果见表5。

表5 风机基础变形计算结果汇总表

综上可知，桩基数量增加后，在大容量机组作用下的桩基承载力和变形均满足规范要求。后续仅需合理配置钢筋，满足桩基及承台的抗弯、裂缝控制标准即可。

4 施工

本次风机基础升级改造主体工程施工流程为：风机吊装平台加固→原风电机组拆除→原风电机组基础承台拆除→新增桩基施工→灌注桩桩头处理→新风电机组基础承台施工→新风电机组安装→调试及试运行。

需要注意的是，原基础承台的拆除不可采用爆破方式，以免损坏地下桩基，应根据现场情况将大体积混凝土分区、分层、对称区块凿除，凿除过程中施工机械不得坐于承台上，确保不损坏承台底下桩基。

5 效益

5.1 经济效益

该风机基础升级改造方案相较完全新建方案节省了36 根桩，节约造价约200 万元，工期也大幅缩短。

此外，风电机组基础占地在前期开发建设时已按单台500 m2计征，改造后的风电机组基础总占地面积467.6 m2，故本次无新增永久征地费。

目前，该基础改造工程已实施完成，新风机已并网发电，运行良好。

5.2 环境效益

工程改造后，新装的8 MW 风机年上网发电量2 326.65 万kWh，与相同发电量的火电相比，每年可为电网节约大约0.71 万tce，可减少排放SO23.72 t/a，氮氧化合物（NOx）4.16 t/a，烟尘0.74 t/a，减少排放温室效应气体二氧化碳（CO2）1.94 万t/a，同时还能减少相应的水力排灰废水和温排水等对水环境的污染。由此可见，换装大容量机组后具有明显的环境效益和节能效益。

6 结语

随着国内首批建设的风电场设备20 年使用年限越来越近，大批陆上风机需进行更换。而一般风机基础的设计使用年限为50 年，为风机设备的2 倍多，若全部另选机位新建基础，则会造成资源大量浪费。该基础改造方案在造价、工期、土地利用等方面均有较大优势，对后续类似工程具有重要的参考意义。