海上風電測風塔的選型

萬文濤

(中海油新能源投資有限責任公司海油雙帆公司,北京 100016）

海上風電測風塔的選型

萬文濤

(中海油新能源投資有限責任公司海油雙帆公司,北京 100016）

風資源的獲取與評估是風電前期投資的一項重要工作。作為海上風電,需要動用船舶、浮吊等海上工程機械,施工局限性大,成本高。對目前國內外已經使用的各種測風塔進行了比較,分析了各種測風塔的優缺點,選出適用于海上風電的測風塔塔架和基礎形式,為海上風電的開發提供了理論指導。

海上風電;測風塔;選型

我國近海蘊含著非常豐富的風能資源,從初步研究成果來看,海上風能有著非常巨大的開發前景。尤其是東南沿海一帶,那里是全國的用電負荷中心,亦是風能資源豐富地區,有效風能密度在300 W/m2以上,全年風速大于或等于3 m/s的時數約為7 000～8 000 h,大于或等于6 m/s的時數為4 000 h[1]。海上風電(包括近海和灘涂）正逐漸成為風電開發的熱土。

近海風電場前期開發的一項重要工作是風資源的獲取與評估,而風資源的評估和獲取最常用的手段就是建立測風塔。筆者結合近海風電場測風塔的建設經驗,分析各種常用測風塔的優缺點,通過綜合比較,提出近海風電場風資源獲取與評估的各種實施方案,以找到低成本的解決方案。

1 國內外測風塔建設的現狀

根據已有國內外的建設經驗,海上測風塔一般采用的形式有:自立式單根圓筒結構、自立式三角形桁架結構、聲雷達測風塔等;基礎采用較多的形式有:單立柱(單樁、三樁）、導管架等。圖1是海上測風塔的幾種主要形式。海上施工的難度比較大,需要動用打樁設備和起重船舶,因而成本比較高,可靠又低廉的海上測風塔是進行比選的目標。

在海上風電場的發展初期,海上測風塔主要是矗立在海岸或者海島上的自立式桁架結構形式。隨著近海風電場開發的進展,海上測風塔的建設也隨之移至較淺的水域,基礎的施工和塔架的運輸安裝使測風塔建設的難度和成本都有較大幅度的增加。海上測風塔的設計比選需考慮所在場址的不同地質、不同風況、不同水文等條件的組合,進行測風塔的形式設計、基礎選型、施工方案的選擇以及成本測算,并根據海上風電場的建設規模和實際環境條件確定測風塔的布局方案,最后匯總為海上測風塔建設方案。

圖1 海上測風塔的幾種主要形式Fig.1 Types of offshore anemometer towers

2 測風塔的類型及方案比選

2.1 普通測風塔

2.1.1 測風塔的布局

一個風電場的建設通常配有一臺主測風塔(PM）和幾個輔助測風塔(SEM）。二者的最大區別在于高度和設備的不同,前者可以測量至風機輪轂及其以上的高度,后者的測量范圍則局限在風機輪轂的高度以內。兩類測風塔的測量面積大約都在直徑8 km范圍內,因此測風塔之間的距離不要超過7 km。

主測風塔的位置一定要安裝在預測的所建風電場邊界范圍的0.5海里以內,而且是在場址的盛行風向,對相關的障礙物也要做適度的分析[2]?？紤]到測浪儀的安裝,測風塔最好定位于風電場海水最深處的0.5海里之內。主測風塔的高度為計劃使用的風機輪轂高度加上70%葉片的長度。

隨著風電場規模和面積的不斷增大,為了盡可能獲得覆蓋整個風電場的風資源數據,有時還需要豎立多個輔助測風塔。每個測風塔的數據被分別評估,計算其不確定性,然后運用于所測場址的產能評估和載荷計算當中。

2.1.2 普通測風塔設計方案比選

從測風塔的結構形式來看,有自立式、拉線式、系留氣球式三種。自立式測風塔塔體下部較寬,塔架材料用量相對較大,對基礎要求也較高;拉線式測風塔受力較為合理,可靠性高,塔體截面小,塔架材料用量小,但拉線基礎數量多,施工工藝復雜[3];系留氣球式成本較低,也需要拉線的固定,氣球本身的工作可持續性和風向測量的穩定性方面還存在較大問題。

(1）海上測風塔的塔架形式比選

自立式測風塔的塔架形式可分為單根圓筒式、三角形桁架、四邊形桁架等。單根圓筒式塔架結構所需鋼管直徑大,有較大的迎風面積和質量,因此,所受的風載荷和彎矩都比較大,需要進行海上特有風況的結構強度分析;三角形桁架結構形式較為穩定,塔架受風荷載作用較小,最為經濟;四邊形桁架結構形式亦較為穩定,一般情況下當三角形桁架不能滿足受力及變形要求或不經濟時,塔架可選用四邊形桁架結構形式[3]?？紤]到基礎的施工難度和成本,自立式結構形式是海上測風塔的首選,但對主基礎的要求較高;而拉線式結構形式由于其不夠經濟,通常不予以考慮。

通過分析認為,主測風塔應用自立式三角形桁架結構塔架是最適合的,輔助測風塔也可采用這種塔架。

(2）海上測風塔的基礎結構選型

從海上測風塔基礎的結構形式來看,有單立柱鋼管樁基礎(水較深時需要采用單立柱三樁結構）、導管架基礎(三腿、四腿）、重力式基礎、吸力桶式基礎、混凝土樁基承臺等[4,5],幾種結構在國外都有應用先例。單立柱鋼樁結構采用大直徑鋼樁,結構形式簡單,國外應用比較普遍;吸力桶式基礎結構簡單,無需打樁也便于拆除,但技術上還不成熟,國外還處在試驗驗證階段;混凝土樁基承臺一般采用PHC樁,沉樁方便,且造價比鋼材低,僅為鋼樁的1/3～2/3,有較好的貫入性能,打樁后現澆承臺。一般經驗認為,在淺水區域單立柱鋼樁結構和混凝土樁基承臺結構均是較好的解決方案。

海上測風塔遠離海岸線,在運行期間時刻處于復雜惡劣的海洋狀況之中,其基礎和承臺受到波浪力、潮流力、船舶或冰或其它漂浮物的撞擊力等載荷的影響,基礎設計時必須對這些載荷做具體的受力分析,同時也要考慮多種荷載組合作用的情況。

通過分析認為,主測風塔應用單立柱單樁(0～30 m水深范圍）或混凝土樁基承臺結構(0～10 m水深范圍）的基礎形式比較合適,輔助測風塔也可選用這兩種基礎形式。圖2是測風塔的兩種基礎形式的示意圖。

圖2 兩種基礎形式示意Fig.2 2 kind of foudations

2.1.3 海上測風塔安裝方案比較

方案一:對于單立柱鋼樁基礎型測風塔,鋼樁整體預制為一節,過渡段預制為一個整體,三角桁架預制為一個整體。三角桁架與過渡段采用法蘭或者銷軸連接,使用海洋工程常用的大噸位浮吊,三件同時裝船。海上現場施工時,先插樁,后使用打樁錘打樁,打樁過程中注意控制垂直度,然后吊裝過渡段并灌漿連接。該方案的重點是吊裝三角桁架,因其高度有可能超出浮吊最大起吊高度,實施難度較大。在進行方案設計時,應充分考慮重心計算,使得桁架吊起后盡最大可能趨于垂直。連接時,先連接兩個點,后將低處吊繩松開,靠浮吊緩慢旋轉將桁架扶正后連接第三個點。該方案對海況要求較高,具體需視所選船舶情況而定。為避免破壞桁架上測風設備,在陸地預制好桁架后只鋪設電纜,測風儀器待海上完成吊裝后再行安裝連接。該方案預計使用浮吊15天,配合拖輪15天。

方案二:對于混凝土樁承臺基礎型測風塔,混凝土樁采用預制的PHC樁,承臺采用陸地預制樁體,現場澆筑承臺,使用一條小型港工打樁船,并配備一臺小型混凝土攪拌機。海上現場實施時先插樁,后使用樁錘打樁,打樁時注意控制打樁角度,三根樁打完后,吊裝預制樁體,啟動混凝土攪拌機,進行現場澆筑承臺。因混凝土澆筑后需要養護兩周左右,因此,三角桁架只能在養護結束后再行安裝,安裝方法與方案一相同,預制為一個整體,三角桁架與承臺采用法蘭或者銷軸連接,使用海洋工程常用的大噸位浮吊進行吊裝。

該方案預計使用小型打樁船10天(含動復員）,浮吊5天(含動復員）,配合拖輪5天。

2.1.4 海上測風塔的成本測算

設定測風塔高度為EL+90 m。

方案一:采用單樁基礎,僅需一艘150 t浮吊和一個液壓打樁錘,靠樁身自重保持垂直,根據經驗技術上完全可行。費用明細見表1。

方案二:采用混凝土樁承臺結構,需一艘浮吊和一艘小型打樁船、一臺混凝土攪拌機、送料斗等。費用明細見表2。

通過對比我們發現,混凝土樁承臺的成本低于單立樁鋼樁的基礎結構,這主要是由于單立柱結構采用的是鋼樁,材料成本高,而且樁徑大,設備要求高?；炷翗冻信_結構主要是采用高強度預應力空心樁,材料價格相對低廉,施工方法較為簡單,可以在海邊預制廠內提前預制,價格優勢非常明顯。

2.2 聲雷達測風塔

聲雷達是一種新型的測風設備,它是一個高頻多普勒雷達系統,利用雷達發出聲波并接收此聲波散射回來的回波,然后處理回波信號,精確測量低空邊界層風速、風向、溫度以及湍流強度[6]。聲雷達系統由四個部分構成:信號發生器/高頻揚聲器、聲功率放大器、信號接收處理器和固定裝置。主要用于航空航天監測、風能研究數據采集和各大風電場資源評估。其中美國ASC大氣研究公司的MiniSODAR,頻率 4 500 Hz,測量范圍 15～200 m,層高間隔5 m,記錄時間1～60 min,風速范圍0～45 m/s,風速范圍 0～360°。

表1 單立柱鋼管樁型測風塔費用估算Tab.1 The cost estimation of tower on single-leg steel pile foundation

表2 混凝土樁承臺測風塔費用估算Tab.2 The cost estimation of tower on concrete pile foundation

聲雷達在國外風電場采用較多,主要有以下幾個優點:

(1）重量輕,經咨詢設備重量僅為130 kg(不包括測風壓設備）;載荷小,因此基礎結構可以大大簡化,節省費用;

(2）不需要塔架,節省費用,安裝較為簡單,無需動用大型吊裝船舶;

(3）測風數據在高度分布上連續,數據精度高,采集周期短;

(4）便于維護,可有效解決海上測風塔的高空維護難題。

近海雷達測風塔結構包括基礎、操作平臺和設備三個部分,圖3是聲雷達示意圖。

圖3 風電場采用的聲雷達測風系統Fig.3 Sodar wind system in wind farm

為便于比較,基礎設計為普通測風塔應用的單立柱單樁結構,承受的載荷主要來自于海水,假定10 m水深,鋼管樁樁徑設計為1 600 mm,壁厚38 mm,樁長設計為38 m,樁重57 t。過渡段與操作小平臺設計為一個整體,小平臺設計為3 m×3 m方形結構,總結構噸位為23 t。陸地預制好過渡段后,將全部設備安裝到位,海上施工采用一個拖輪配合小型打樁船工作12天即可完成,施工順序為:打樁→吊裝過渡段→灌漿→連接。

聲雷達測風塔費用估算,初步估算費用見表3。由表3可以看出,聲雷達測風塔的費用相對較低,經濟效益非?？捎^,且有效避免了高空安裝與維護作業,優勢明顯,比較適合在近海測風塔中應用。

表3 單樁雷達測風塔費用估算Tab.3 The cost estimation of sodar on single-leg steel piles foundation

3 結論

相對于陸地風電的測風塔,海上測風塔的設計施工有著明顯的差別,其復雜性及施工難度均增大。為了能夠低成本、有效地獲取與評估風資源,為下一步風場的建設提供依據,在海上測風塔的設計階段,考慮到基礎的施工難度和成本,自立式三角形桁架結構塔架是目前海上測風塔的首選。在水下基礎方面,推薦水深小于10 m范圍內,采用混凝土承臺測風塔,水深大于10 m后采用單立柱鋼樁測風塔,便于施工。聲雷達測風塔的費用低廉,而且有效地避免了高空安裝與維護作業,建議在近海測風塔中普及應用。

[1]姜鵬飛.國內發展海上風電的前景和經濟分析[J].機電信息,2009(24）:96-112.

[2]國家電力公司電力建設研究所.GB/T 18709—2002風電場風能資源測量方法[S].北京:中國標準出版社,2002.

[3]邢占清,楊鋒,趙衛全.響水風電場海上測風塔設計與施工[J].水利水電技術,2009,40(9）:81-87.

[4]黃維平,劉建軍,趙戰華.海上風電基礎結構研究現狀及發展趨勢[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,陳洪濱.大氣物理與大氣探測學[M].北京:氣象出版社,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

萬文濤,男,1976年生,工程師,1999年7月畢業于大連理工大學,現從事海洋工程及風電技術的研究。E-mail:wanwt@cnooc.com.cn。