海上風(fēng)電測風(fēng)塔的選型

萬文濤

(中海油新能源投資有限責(zé)任公司海油雙帆公司,北京 100016）

海上風(fēng)電測風(fēng)塔的選型

萬文濤

(中海油新能源投資有限責(zé)任公司海油雙帆公司,北京 100016）

風(fēng)資源的獲取與評估是風(fēng)電前期投資的一項(xiàng)重要工作。作為海上風(fēng)電,需要動用船舶、浮吊等海上工程機(jī)械,施工局限性大,成本高。對目前國內(nèi)外已經(jīng)使用的各種測風(fēng)塔進(jìn)行了比較,分析了各種測風(fēng)塔的優(yōu)缺點(diǎn),選出適用于海上風(fēng)電的測風(fēng)塔塔架和基礎(chǔ)形式,為海上風(fēng)電的開發(fā)提供了理論指導(dǎo)。

海上風(fēng)電;測風(fēng)塔;選型

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

近海風(fēng)電場前期開發(fā)的一項(xiàng)重要工作是風(fēng)資源的獲取與評估,而風(fēng)資源的評估和獲取最常用的手段就是建立測風(fēng)塔。筆者結(jié)合近海風(fēng)電場測風(fēng)塔的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),分析各種常用測風(fēng)塔的優(yōu)缺點(diǎn),通過綜合比較,提出近海風(fēng)電場風(fēng)資源獲取與評估的各種實(shí)施方案,以找到低成本的解決方案。

1 國內(nèi)外測風(fēng)塔建設(shè)的現(xiàn)狀

根據(jù)已有國內(nèi)外的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),海上測風(fēng)塔一般采用的形式有:自立式單根圓筒結(jié)構(gòu)、自立式三角形桁架結(jié)構(gòu)、聲雷達(dá)測風(fēng)塔等;基礎(chǔ)采用較多的形式有:單立柱(單樁、三樁）、導(dǎo)管架等。圖1是海上測風(fēng)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(shè)備和起重船舶,因而成本比較高,可靠又低廉的海上測風(fēng)塔是進(jìn)行比選的目標(biāo)。

在海上風(fēng)電場的發(fā)展初期,海上測風(fēng)塔主要是矗立在海岸或者海島上的自立式桁架結(jié)構(gòu)形式。隨著近海風(fēng)電場開發(fā)的進(jìn)展,海上測風(fēng)塔的建設(shè)也隨之移至較淺的水域,基礎(chǔ)的施工和塔架的運(yùn)輸安裝使測風(fēng)塔建設(shè)的難度和成本都有較大幅度的增加。海上測風(fēng)塔的設(shè)計(jì)比選需考慮所在場址的不同地質(zhì)、不同風(fēng)況、不同水文等條件的組合,進(jìn)行測風(fēng)塔的形式設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)選型、施工方案的選擇以及成本測算,并根據(jù)海上風(fēng)電場的建設(shè)規(guī)模和實(shí)際環(huán)境條件確定測風(fēng)塔的布局方案,最后匯總為海上測風(fēng)塔建設(shè)方案。

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

2 測風(fēng)塔的類型及方案比選

2.1 普通測風(fēng)塔

2.1.1 測風(fēng)塔的布局

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

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

隨著風(fēng)電場規(guī)模和面積的不斷增大,為了盡可能獲得覆蓋整個(gè)風(fēng)電場的風(fēng)資源數(shù)據(jù),有時(shí)還需要豎立多個(gè)輔助測風(fēng)塔。每個(gè)測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)被分別評估,計(jì)算其不確定性,然后運(yùn)用于所測場址的產(chǎn)能評估和載荷計(jì)算當(dāng)中。

2.1.2 普通測風(fēng)塔設(shè)計(jì)方案比選

從測風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)形式來看,有自立式、拉線式、系留氣球式三種。自立式測風(fēng)塔塔體下部較寬,塔架材料用量相對較大,對基礎(chǔ)要求也較高;拉線式測風(fēng)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(chǔ)數(shù)量多,施工工藝復(fù)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(xù)性和風(fēng)向測量的穩(wěn)定性方面還存在較大問題。

(1）海上測風(fēng)塔的塔架形式比選

自立式測風(fēng)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(jié)構(gòu)所需鋼管直徑大,有較大的迎風(fēng)面積和質(zhì)量,因此,所受的風(fēng)載荷和彎矩都比較大,需要進(jìn)行海上特有風(fēng)況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析;三角形桁架結(jié)構(gòu)形式較為穩(wěn)定,塔架受風(fēng)荷載作用較小,最為經(jīng)濟(jì);四邊形桁架結(jié)構(gòu)形式亦較為穩(wěn)定,一般情況下當(dāng)三角形桁架不能滿足受力及變形要求或不經(jīng)濟(jì)時(shí),塔架可選用四邊形桁架結(jié)構(gòu)形式[3]。考慮到基礎(chǔ)的施工難度和成本,自立式結(jié)構(gòu)形式是海上測風(fēng)塔的首選,但對主基礎(chǔ)的要求較高;而拉線式結(jié)構(gòu)形式由于其不夠經(jīng)濟(jì),通常不予以考慮。

通過分析認(rèn)為,主測風(fēng)塔應(yīng)用自立式三角形桁架結(jié)構(gòu)塔架是最適合的,輔助測風(fēng)塔也可采用這種塔架。

(2）海上測風(fēng)塔的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型

從海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式來看,有單立柱鋼管樁基礎(chǔ)(水較深時(shí)需要采用單立柱三樁結(jié)構(gòu)）、導(dǎo)管架基礎(chǔ)(三腿、四腿）、重力式基礎(chǔ)、吸力桶式基礎(chǔ)、混凝土樁基承臺等[4,5],幾種結(jié)構(gòu)在國外都有應(yīng)用先例。單立柱鋼樁結(jié)構(gòu)采用大直徑鋼樁,結(jié)構(gòu)形式簡單,國外應(yīng)用比較普遍;吸力桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單,無需打樁也便于拆除,但技術(shù)上還不成熟,國外還處在試驗(yàn)驗(yàn)證階段;混凝土樁基承臺一般采用PHC樁,沉樁方便,且造價(jià)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(xiàn)澆承臺。一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,在淺水區(qū)域單立柱鋼樁結(jié)構(gòu)和混凝土樁基承臺結(jié)構(gòu)均是較好的解決方案。

海上測風(fēng)塔遠(yuǎn)離海岸線,在運(yùn)行期間時(shí)刻處于復(fù)雜惡劣的海洋狀況之中,其基礎(chǔ)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(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)必須對這些載荷做具體的受力分析,同時(shí)也要考慮多種荷載組合作用的情況。

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

圖2 兩種基礎(chǔ)形式示意Fig.2 2 kind of foudations

2.1.3 海上測風(fēng)塔安裝方案比較

方案一:對于單立柱鋼樁基礎(chǔ)型測風(fēng)塔,鋼樁整體預(yù)制為一節(jié),過渡段預(yù)制為一個(gè)整體,三角桁架預(yù)制為一個(gè)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(shí)裝船。海上現(xiàn)場施工時(shí),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(diǎn)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(shí)施難度較大。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮重心計(jì)算,使得桁架吊起后盡最大可能趨于垂直。連接時(shí),先連接兩個(gè)點(diǎn),后將低處吊繩松開,靠浮吊緩慢旋轉(zhuǎn)將桁架扶正后連接第三個(gè)點(diǎn)。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(fēng)設(shè)備,在陸地預(yù)制好桁架后只鋪設(shè)電纜,測風(fēng)儀器待海上完成吊裝后再行安裝連接。該方案預(yù)計(jì)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(chǔ)型測風(fēng)塔,混凝土樁采用預(yù)制的PHC樁,承臺采用陸地預(yù)制樁體,現(xiàn)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(jī)。海上現(xiàn)場實(shí)施時(shí)先插樁,后使用樁錘打樁,打樁時(shí)注意控制打樁角度,三根樁打完后,吊裝預(yù)制樁體,啟動混凝土攪拌機(jī),進(jìn)行現(xiàn)場澆筑承臺。因混凝土澆筑后需要養(yǎng)護(hù)兩周左右,因此,三角桁架只能在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后再行安裝,安裝方法與方案一相同,預(yù)制為一個(gè)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(jìn)行吊裝。

該方案預(yù)計(jì)使用小型打樁船10天(含動復(fù)員）,浮吊5天(含動復(fù)員）,配合拖輪5天。

2.1.4 海上測風(fēng)塔的成本測算

設(shè)定測風(fēng)塔高度為EL+90 m。

方案一:采用單樁基礎(chǔ),僅需一艘150 t浮吊和一個(gè)液壓打樁錘,靠樁身自重保持垂直,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)上完全可行。費(fèi)用明細(xì)見表1。

方案二:采用混凝土樁承臺結(jié)構(gòu),需一艘浮吊和一艘小型打樁船、一臺混凝土攪拌機(jī)、送料斗等。費(fèi)用明細(xì)見表2。

通過對比我們發(fā)現(xiàn),混凝土樁承臺的成本低于單立樁鋼樁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),這主要是由于單立柱結(jié)構(gòu)采用的是鋼樁,材料成本高,而且樁徑大,設(shè)備要求高?；炷翗冻信_結(jié)構(gòu)主要是采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力空心樁,材料價(jià)格相對低廉,施工方法較為簡單,可以在海邊預(yù)制廠內(nèi)提前預(yù)制,價(jià)格優(yōu)勢非常明顯。

2.2 聲雷達(dá)測風(fēng)塔

聲雷達(dá)是一種新型的測風(fēng)設(shè)備,它是一個(gè)高頻多普勒雷達(dá)系統(tǒng),利用雷達(dá)發(fā)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(fēng)速、風(fēng)向、溫度以及湍流強(qiáng)度[6]。聲雷達(dá)系統(tǒng)由四個(gè)部分構(gòu)成:信號發(fā)生器/高頻揚(yáng)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(jiān)測、風(fēng)能研究數(shù)據(jù)采集和各大風(fēng)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(shí)間1～60 min,風(fēng)速范圍0～45 m/s,風(fēng)速范圍 0～360°。

表1 單立柱鋼管樁型測風(fēng)塔費(fèi)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(fēng)塔費(fèi)用估算Tab.2 The cost estimation of tower on concrete pile foundation

聲雷達(dá)在國外風(fēng)電場采用較多,主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1）重量輕,經(jīng)咨詢設(shè)備重量僅為130 kg(不包括測風(fēng)壓設(shè)備）;載荷小,因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以大大簡化,節(jié)省費(fèi)用;

(2）不需要塔架,節(jié)省費(fèi)用,安裝較為簡單,無需動用大型吊裝船舶;

(3）測風(fēng)數(shù)據(jù)在高度分布上連續(xù),數(shù)據(jù)精度高,采集周期短;

(4）便于維護(hù),可有效解決海上測風(fēng)塔的高空維護(hù)難題。

近海雷達(dá)測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)、操作平臺和設(shè)備三個(gè)部分,圖3是聲雷達(dá)示意圖。

圖3 風(fēng)電場采用的聲雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)Fig.3 Sodar wind system in wind farm

為便于比較,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為普通測風(fēng)塔應(yīng)用的單立柱單樁結(jié)構(gòu),承受的載荷主要來自于海水,假定10 m水深,鋼管樁樁徑設(shè)計(jì)為1 600 mm,壁厚38 mm,樁長設(shè)計(jì)為38 m,樁重57 t。過渡段與操作小平臺設(shè)計(jì)為一個(gè)整體,小平臺設(shè)計(jì)為3 m×3 m方形結(jié)構(gòu),總結(jié)構(gòu)噸位為23 t。陸地預(yù)制好過渡段后,將全部設(shè)備安裝到位,海上施工采用一個(gè)拖輪配合小型打樁船工作12天即可完成,施工順序?yàn)?打樁→吊裝過渡段→灌漿→連接。

聲雷達(dá)測風(fēng)塔費(fèi)用估算,初步估算費(fèi)用見表3。由表3可以看出,聲雷達(dá)測風(fēng)塔的費(fèi)用相對較低,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^,且有效避免了高空安裝與維護(hù)作業(yè),優(yōu)勢明顯,比較適合在近海測風(fēng)塔中應(yīng)用。

表3 單樁雷達(dá)測風(fēng)塔費(fèi)用估算Tab.3 The cost estimation of sodar on single-leg steel piles foundation

3 結(jié)論

相對于陸地風(fēng)電的測風(fēng)塔,海上測風(fēng)塔的設(shè)計(jì)施工有著明顯的差別,其復(fù)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(fēng)資源,為下一步風(fēng)場的建設(shè)提供依據(jù),在海上測風(fēng)塔的設(shè)計(jì)階段,考慮到基礎(chǔ)的施工難度和成本,自立式三角形桁架結(jié)構(gòu)塔架是目前海上測風(fēng)塔的首選。在水下基礎(chǔ)方面,推薦水深小于10 m范圍內(nèi),采用混凝土承臺測風(fēng)塔,水深大于10 m后采用單立柱鋼樁測風(fēng)塔,便于施工。聲雷達(dá)測風(fēng)塔的費(fèi)用低廉,而且有效地避免了高空安裝與維護(hù)作業(yè),建議在近海測風(fēng)塔中普及應(yīng)用。

[1]姜鵬飛.國內(nèi)發(fā)展海上風(fēng)電的前景和經(jīng)濟(jì)分析[J].機(jī)電信息,2009(24）:96-112.

[2]國家電力公司電力建設(shè)研究所.GB/T 18709—2002風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[3]邢占清,楊鋒,趙衛(wèi)全.響水風(fēng)電場海上測風(fēng)塔設(shè)計(jì)與施工[J].水利水電技術(shù),2009,40(9）:81-87.

[4]黃維平,劉建軍,趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)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(xué)[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(yè)于大連理工大學(xué),現(xiàn)從事海洋工程及風(fēng)電技術(shù)的研究。E-mail:wanwt@cnooc.com.cn。