芻議風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)

田哲旭

摘 要：對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)來說，初步設(shè)計(jì)作為關(guān)鍵性的技術(shù)環(huán)節(jié)，涵蓋了發(fā)電場(chǎng)壽命周期的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和技術(shù)學(xué)科，將直接決定和影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目的最終技術(shù)形態(tài)，因此，必須要高度關(guān)注和重視風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的初步設(shè)計(jì)工作，以便能夠確保項(xiàng)目能夠按照要求實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。筆者基于自身的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，選取參與建設(shè)的某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)作為主要的研究對(duì)象，將在本文重點(diǎn)研究和探討該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的初步設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)；初步設(shè)計(jì)；分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0139-02

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著全球化和工業(yè)化的影響，高速進(jìn)步的技術(shù)帶來了大規(guī)模的資源消耗，傳統(tǒng)化石燃料的開采和使用對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致原油泄漏、重金屬污染、天坑、地下水枯竭、泥石流、洪澇、干旱、沙塵暴、霧霾等環(huán)境惡化現(xiàn)象不斷出現(xiàn)。習(xí)近平主席曾指出，綠水青山就是金山銀山。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，有必要找到能夠代替化石燃料的環(huán)保、綠色、可再生的清潔能源。而在眾多的清潔能源中，風(fēng)能零污染、高效、潔凈，有著取之不竭用之不盡的循環(huán)特性，加之風(fēng)力發(fā)電具有可分散建設(shè)、接入靈活、資源分布廣、單機(jī)容量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)出來。

2 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)技術(shù)討論

筆者基于自身的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，選取參與建設(shè)的某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)作為主要的研究對(duì)象，將在本文重點(diǎn)研究和探討該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的初步設(shè)計(jì)。

2.1 項(xiàng)目工程概述

首先，該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)法人明確，擁有充足的建設(shè)資金；其次，該項(xiàng)目獲得了風(fēng)力發(fā)電批復(fù)。基于項(xiàng)目公司于該區(qū)域所收集到的客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，通過該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)，建成總裝機(jī)容量達(dá)到200MW（2000KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，共100臺(tái)），年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為2441h。主要經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)如表1。

2.2 工程任務(wù)與規(guī)模

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址位于風(fēng)力資源非常豐富的區(qū)域，項(xiàng)目的建設(shè)符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)家能源開發(fā)計(jì)劃。基于該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)條件、資源特點(diǎn)和自然條件，主要開發(fā)任務(wù)為：項(xiàng)目建設(shè)的主要目標(biāo)為發(fā)電，200臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)吊裝就位，同時(shí)完成場(chǎng)內(nèi)集電線路與場(chǎng)外送出線路的建設(shè)，建設(shè)一座220KV升壓站向附近區(qū)域送電。

3 發(fā)電設(shè)備選型

經(jīng)過全面、客觀、科學(xué)的研究和分析，計(jì)劃選擇某品牌2.0MW風(fēng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表2。

如圖1所示，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)廠家所給出的數(shù)據(jù)表明機(jī)組在18m/s的情況時(shí)能產(chǎn)生最大出力。由于該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)需要安裝眾多的風(fēng)電機(jī)組，所以，怎樣進(jìn)行布置，并科學(xué)的分析尾流情況就有著至關(guān)重要的作用和意義。

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)區(qū)域主要是東風(fēng)風(fēng)向，通過應(yīng)用軟件，并結(jié)合該區(qū)域的地形圖，開展發(fā)電量和風(fēng)機(jī)尾流的計(jì)算工作。在科學(xué)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的合理規(guī)劃，最大限度的降低尾流影響和線路長(zhǎng)度的影響，實(shí)際布局方案在初步設(shè)計(jì)所討論的3.5D×10D方案的基礎(chǔ)上采取3.4D×10D方案，詳見圖2。

在統(tǒng)計(jì)對(duì)比可利用小時(shí)數(shù)和尾流影響的基礎(chǔ)上，筆者發(fā)現(xiàn)，盡管初步設(shè)計(jì)所討論的3.5D×10D方案有著更為優(yōu)秀的利用小時(shí)數(shù)和尾流影響，然而結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來說，項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地主要地貌為丘陵，存在3個(gè)以上的復(fù)雜地形區(qū)域，對(duì)風(fēng)機(jī)布置產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，實(shí)際建設(shè)方案統(tǒng)籌考慮了所需建設(shè)風(fēng)機(jī)數(shù)量以及場(chǎng)地地形，在內(nèi)側(cè)預(yù)留60m，以便可以進(jìn)行合理的調(diào)整，杜絕風(fēng)機(jī)站位過界情況的出現(xiàn)，所以實(shí)際布局方案選取的是3.4D×10D布局方案，經(jīng)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，兩方案之間的重要性能數(shù)據(jù)僅存在微小差異。

4 發(fā)電量計(jì)算

通過應(yīng)用軟件分析得知該發(fā)電場(chǎng)的理論年發(fā)電量達(dá)到80201.6萬KW·h，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中的電網(wǎng)頻率波動(dòng)及限電、氣候影響停機(jī)、線損及廠用電等能量損耗、風(fēng)機(jī)功率曲線折減、風(fēng)電機(jī)組可利用率、葉片污染折減、控制和端流折減修正、空氣密度折減以及其他因素的影響，折減系數(shù)取0.69，年上網(wǎng)電量達(dá)到了50599.2KW·h，年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)達(dá)到2529h，平均容量系數(shù)為0.291。

5 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

5.1 基礎(chǔ)形式

由于風(fēng)機(jī)塔架具有典型的高聳結(jié)構(gòu)特征，必須要能夠滿足大偏心受力以及360°方向重復(fù)負(fù)載的要求，就塔架的變形要求以及地基穩(wěn)定性有著較為嚴(yán)苛的要求，地基必須要能夠承受來自風(fēng)機(jī)塔架的傾覆力矩和水平荷載，必須采取大塊體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。風(fēng)電場(chǎng)地基地層主要為凝灰?guī)r層、砂質(zhì)泥巖層、砂礫層，為滿足建設(shè)要求，地基承載力必須要超過350KPa，經(jīng)實(shí)地測(cè)量計(jì)算，天然地基能夠達(dá)到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。綜合建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、可研階段的方案，在建設(shè)本風(fēng)機(jī)發(fā)電場(chǎng)的過程中擬采取風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)。

5.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在建設(shè)過程中，選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為擴(kuò)展基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式，形狀為圓柱體形，主要組成部分為臺(tái)柱、圓臺(tái)、底板，高度為1.15m、1.45m、0.95m，總高度達(dá)到3.5m，其中，臺(tái)柱直徑為5.85m。具體如表3所示。

基于FD003-2007《風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》的要求，開展了基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算、傾斜變形驗(yàn)算、沉降變形驗(yàn)算、地基承載力復(fù)核等相關(guān)計(jì)算。由于篇幅有限，本文以地基抗壓計(jì)算為例，進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和分析，公式如下：

（1）圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)承受軸心荷載。

上式內(nèi)：

A：擴(kuò)展基礎(chǔ)底面積；

Gk：覆土重標(biāo)準(zhǔn)值；

K0：荷載修正安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)取值為1.35；

Nk：上部結(jié)構(gòu)傳達(dá)到擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面的豎向力修正標(biāo)準(zhǔn)值；

Pk：擴(kuò)展基礎(chǔ)底面處的平均壓力。

（2）基礎(chǔ)防腐。在設(shè)計(jì)前，開展了全面而細(xì)致的地勘工作，經(jīng)科學(xué)的分析和研究后發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目所建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)非常容易受到地基土的腐蝕，必須要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定并實(shí)施必要的防護(hù)措施。為此，所設(shè)計(jì)的方案如下：為達(dá)到防腐處理的目的，通過三油兩布的方式來對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行處理，細(xì)而言之，也就是將瀝青油三層涂刷在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)表面處，并在中間夾上兩層。實(shí)際工作中，每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行346m2的基礎(chǔ)防腐。

（3）基礎(chǔ)防洪。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)地會(huì)受到季節(jié)暴雨和山脈雪水融化的洪水危害，即便發(fā)生洪水，也具有漫灘、流速緩慢，且深度不超過10cm的特點(diǎn)，因此，在建設(shè)選址過程中，必須要盡可能的選擇避開沖溝的位置，基礎(chǔ)抬高0.75米，并選擇C25混凝土予以防護(hù)，防護(hù)高、寬分別為1米、0.25米，以起到避免基礎(chǔ)受到洪水沖刷所受到的危害。

（4）沉降觀測(cè)。基礎(chǔ)施工完畢、每安裝一段塔筒、荷載全部施加時(shí)至少進(jìn)行一次觀測(cè)，除此之外，運(yùn)行過程中每年觀測(cè)次數(shù)不得少于2次。

6 結(jié)語

筆者基于自身實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)例進(jìn)行了研究。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)來說，初步設(shè)計(jì)作為關(guān)鍵性的技術(shù)環(huán)節(jié)，涵蓋了發(fā)電場(chǎng)壽命周期的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和技術(shù)學(xué)科，將直接決定和影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目的最終技術(shù)形態(tài)，因此，必須要高度關(guān)注和重視風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的初步設(shè)計(jì)工作，以便能夠確保項(xiàng)目能夠按照要求實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

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