沙漠邊緣地帶風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)特征研究

祁林攀，王佳，王健 ，宋棋芃

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

1 引言

近年來，隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生無污染的綠色能源發(fā)電方式，又獲得了新一輪的快速發(fā)展。風(fēng)機(jī)已遍及全國(guó)各地的山嶺、平原、高原、戈壁、近海[1]，甚至沙漠邊緣地區(qū)。然而，比之其他環(huán)境，沙漠邊緣地區(qū)雖然風(fēng)資源豐富，但工程建設(shè)環(huán)境惡劣，面臨特殊的氣象條件、地質(zhì)特性和沙害等不利因素，其建設(shè)應(yīng)綜合考慮，系統(tǒng)化地克服各種不利因素。本文基于內(nèi)蒙古某風(fēng)力發(fā)電工程，對(duì)沙漠邊緣地帶風(fēng)電建設(shè)存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究，并提出了相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，以期對(duì)后續(xù)類似工程有所裨益。

2 風(fēng)力發(fā)電工程組成

風(fēng)能是一種清潔無公害的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)能轉(zhuǎn)為電能的過程。風(fēng)力發(fā)電工程一般由風(fēng)電機(jī)組、場(chǎng)內(nèi)道路、輸電線路和升壓站等組成，其中風(fēng)電機(jī)組，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)），是構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電工程的核心，主要由基礎(chǔ)、塔筒、輪轂、葉片和機(jī)艙等構(gòu)成。

3 工程概況

本文所述風(fēng)力發(fā)電工程位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗北部，布置122臺(tái)3.3 MW風(fēng)機(jī)，見圖1。風(fēng)電場(chǎng)東側(cè)為低山丘陵，西側(cè)為山前傾斜戈壁平原、半固定沙丘及平緩沙地，西側(cè)毗鄰沙漠，地勢(shì)總體東高西低。項(xiàng)目建設(shè)主要內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)及箱變基礎(chǔ)、場(chǎng)內(nèi)道路、風(fēng)機(jī)吊裝、集電線路、升壓站土建，以及安裝、調(diào)試和試運(yùn)行等。沙漠邊緣地帶這種特殊條件下的工程建設(shè)特征和應(yīng)對(duì)措施是此次研究的重點(diǎn)。

圖1 內(nèi)蒙古某風(fēng)力發(fā)電工程

4 沙漠邊緣地帶建設(shè)環(huán)境

項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)地處東部季風(fēng)區(qū)與西部干旱區(qū)域的交匯地帶，屬典型的大陸性氣候，為中溫帶荒漠干旱區(qū)或極度干旱區(qū)，冬冷夏熱，晝夜溫差大，干旱少雨，風(fēng)大沙多，蒸發(fā)強(qiáng)烈。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄陮?shí)測(cè)資料，極端最高氣溫39.1℃，極端最低氣溫-34.0℃，年平均氣溫5.9℃。場(chǎng)址區(qū)域海拔高度1 500～1 710 m，90 m高度年平均風(fēng)速6.5～8.0 m/s，風(fēng)功率密度280～500 W/m2，風(fēng)能資源豐富。

場(chǎng)區(qū)受強(qiáng)大的蒙古高壓（反氣旋）和蒙古低壓（氣旋）影響，在西風(fēng)環(huán)流的大背景下，適應(yīng)陰山山脈及河套平原特殊地形，總體盛行偏西風(fēng)、西西北風(fēng)、西北風(fēng)，次主風(fēng)向以東東南風(fēng)為主。每年10月～次年5月，風(fēng)電場(chǎng)盛行偏西風(fēng)（W、WNW、NW）；每年6～9月，盛行東東南風(fēng)(ESE)。

場(chǎng)址西側(cè)毗鄰亞瑪雷克沙漠，分布有平緩沙地和南北向展布的沙丘，氣候干燥、風(fēng)沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或無植被。根據(jù)沙漠邊緣地帶典型機(jī)位地質(zhì)勘察成果（見表1和圖2），地層自上而下分布有細(xì)砂、礫砂、角礫、泥巖和片麻巖等。細(xì)砂層一般厚度較大，力學(xué)性質(zhì)差，代表了沙漠邊緣地帶的地質(zhì)特征，對(duì)工程建設(shè)的影響最為顯著。細(xì)沙層一般顆粒較細(xì)、黏結(jié)性差、天然含水量小、沙層穩(wěn)定性差，但水穩(wěn)性能好、沉降均勻、整體強(qiáng)度高。

表1 沙漠邊緣地帶典型地層特征表

圖2 沙漠邊緣地帶地質(zhì)實(shí)例

5 沙漠邊緣地帶風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)的不利因素

沙漠邊緣地帶工程建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題是風(fēng)和沙。在風(fēng)沙綜合作用下，易形成風(fēng)蝕、沙埋和沙移等危害，一方面會(huì)使風(fēng)機(jī)葉片、塔筒和機(jī)電設(shè)備等產(chǎn)生沖蝕、侵入、磨損和故障；另一方面，也會(huì)對(duì)工程實(shí)體產(chǎn)生掩埋或推移效應(yīng)，使工程建設(shè)存在諸多不利因素。

1）風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)葉片受到風(fēng)沙長(zhǎng)期作用引起沖蝕；輪轂變槳系統(tǒng)軸承進(jìn)風(fēng)沙后磨損；機(jī)艙進(jìn)風(fēng)沙后造成艙內(nèi)齒輪箱或電氣設(shè)備故障；風(fēng)蝕磨損塔筒表面涂料；塔筒底部被流沙掩埋；底部積沙過高時(shí)會(huì)影響葉片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；沙移造成基礎(chǔ)的不均勻沉降傾斜而影響機(jī)組安全。

2）機(jī)電設(shè)備。風(fēng)沙進(jìn)入機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)造成磨損；沙堆積導(dǎo)致電氣設(shè)備散熱性下降；沙塵吸入造成電氣設(shè)備絕緣性能降低，進(jìn)而發(fā)生接地或短路事故；沙塵入侵危害到制動(dòng)系統(tǒng)的安全使用及壽命；風(fēng)沙移動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒設(shè)備。

3）場(chǎng)內(nèi)道路。道路經(jīng)過移動(dòng)沙丘或風(fēng)積沙地帶；道路穿過連續(xù)性沙丘或沙包；路基坐落在沙層上強(qiáng)度和硬度不夠；路基或路肩被風(fēng)蝕而遭破壞；路基或路面被風(fēng)積沙掩埋。

4）輸電線路。風(fēng)蝕造成線路塔基的淘蝕；風(fēng)沙輸移造成塔架磨損[2]及塔身傾斜；沙堆積埋壓塔基造成不均勻沉降；埋壓塔架造成局部或整體破壞。

6 沙漠邊緣地帶風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)的應(yīng)對(duì)措施

沙漠邊緣地帶的風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)要因地制宜，從總體布置、線路選線、工程設(shè)計(jì)和設(shè)備選型等方面統(tǒng)籌考慮，根據(jù)具體的邊界條件，采取不同的實(shí)施方案，建立不同的防風(fēng)沙體系，系統(tǒng)化克服不利因素的影響。

1）風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)整體布置應(yīng)避開移動(dòng)沙丘地帶；葉片面漆采用耐沖蝕涂層并增加厚度；輪轂和機(jī)艙的罩殼采用流線形，采取防風(fēng)沙封閉措施；輪轂和機(jī)艙中，機(jī)械傳動(dòng)采用封閉式結(jié)構(gòu)和全密封設(shè)計(jì)；輪轂和機(jī)艙對(duì)外的通氣等部位加裝可靠的防塵裝置；塔筒門與主風(fēng)向夾角大于90°；有條件時(shí)抬高基礎(chǔ)或壓覆碎石；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)先采用樁類基礎(chǔ)。

2）機(jī)電設(shè)備。選用防護(hù)等級(jí)高和密封性能好的電氣設(shè)備和盤柜；機(jī)械傳動(dòng)采用封閉式結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計(jì)；將設(shè)備放置于密封性好的空間；風(fēng)沙敏感設(shè)備采用專業(yè)防塵設(shè)計(jì)；設(shè)置空氣過濾防護(hù)；機(jī)械零件旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)間隙處設(shè)置迷宮密封結(jié)構(gòu)；設(shè)備防護(hù)罩采用翻邊倒扣連接；連接接縫、間隙和開孔等設(shè)置密封件。

3）場(chǎng)內(nèi)道路。道路選線繞開嚴(yán)重的流沙地段；穿沙時(shí)利用沙丘的背風(fēng)面和風(fēng)蝕洼地用最短的距離通過；路線盡量與風(fēng)電場(chǎng)的全年主導(dǎo)風(fēng)向大致平行；路基邊坡和路肩使用黏土和砂礫進(jìn)行封閉；上風(fēng)向設(shè)柵欄、草方格網(wǎng)或沙生植物固沙；優(yōu)化路基壓實(shí)系數(shù)、鋪設(shè)加強(qiáng)材料和增加路面鋪筑厚度[3]。

4）輸電線路。線路轉(zhuǎn)角和終端等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)桿塔優(yōu)先使用鐵塔；桿塔基礎(chǔ)表面采取壓沙和固沙處理；桿塔基礎(chǔ)周圍覆蓋礫石等防護(hù)材料防止塔基風(fēng)蝕；轉(zhuǎn)角和終端桿塔基礎(chǔ)優(yōu)先使用鋼筋混凝土柔性基礎(chǔ)；位于沙地的桿塔適當(dāng)加大基礎(chǔ)面積或埋深。

7 新技術(shù)應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，沙漠邊緣地帶的風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)也應(yīng)該緊跟時(shí)代潮流，運(yùn)用更科學(xué)、先進(jìn)和環(huán)保的技術(shù)手段，尋求更優(yōu)的解決途徑，力爭(zhēng)科技與防沙的高度統(tǒng)一，工程建設(shè)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展。

1）利用沙漠邊緣地帶生態(tài)綠化技術(shù)[4]，選擇適合的植物重建生態(tài)系統(tǒng)，針對(duì)性地增加地面的植被覆蓋度，降低風(fēng)速，減免風(fēng)蝕，控制流沙移動(dòng)，減少沙害對(duì)工程的影響，達(dá)到防治風(fēng)沙危害的目的。

2）推進(jìn)風(fēng)電機(jī)組防風(fēng)沙新技術(shù)應(yīng)用，如葉片和塔筒表面使用新型高耐磨性聚合物涂料；變漿軸承等關(guān)鍵部件采用三唇及以上密封結(jié)構(gòu)，密封圈采用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)唇形密封結(jié)構(gòu)，連接間隙處設(shè)置內(nèi)翻或交錯(cuò)的迷宮密封結(jié)構(gòu)；機(jī)艙和塔筒采用微正壓技術(shù)。

3）構(gòu)建智慧化風(fēng)電場(chǎng)和智慧工地?；跍y(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及各類智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)的數(shù)字化管控以及設(shè)備的全生命周期精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)全面反饋電站的運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)沙影響規(guī)律，有針對(duì)性地防沙治沙。

4）運(yùn)用無人機(jī)航拍及測(cè)量技術(shù)輔助微觀選址、地形測(cè)繪和防風(fēng)治沙。通過無人機(jī)取代人力采集地形數(shù)據(jù)、巡視線路沿線地形地貌的變化，掌握各控制點(diǎn)的細(xì)微變化和發(fā)展趨勢(shì)，從而采取預(yù)防性的防風(fēng)固沙措施。

5）推廣綠色施工技術(shù)，加強(qiáng)施工過程環(huán)境保護(hù)。合理優(yōu)化施工工藝，減少施工用地和水資源使用，盡可能保護(hù)施工范圍內(nèi)的綠色植被，完工后及時(shí)進(jìn)行綠化和生態(tài)修復(fù)，減少工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

8 結(jié)論

綜上所述，本文研究了沙漠邊緣地帶的風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)面臨特殊的氣象條件、地質(zhì)特性和工程沙害等不利因素，并提出了適應(yīng)性的措施和新技術(shù)方向，對(duì)類似工程的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1）沙漠邊緣地帶最常見的危險(xiǎn)是風(fēng)蝕、沙埋和沙移。工程總體布置時(shí)，應(yīng)盡量避開沙害嚴(yán)重區(qū)域；場(chǎng)內(nèi)道路和集電線路的選線，應(yīng)盡量避開沙害嚴(yán)重地段，線路走向盡量與風(fēng)電場(chǎng)的全年主導(dǎo)風(fēng)向平行。

2）風(fēng)機(jī)機(jī)組的防風(fēng)沙措施關(guān)鍵在于：葉片和塔筒采用流線形設(shè)計(jì)和面漆采用足夠厚度的耐沖蝕涂料；機(jī)艙和零部件采用密封、隔離和防塵設(shè)計(jì)；選用適應(yīng)沙漠地質(zhì)力學(xué)性能的樁類基礎(chǔ)。

3）沙漠邊緣地帶機(jī)電設(shè)置應(yīng)采用防護(hù)等級(jí)高和密封性能好的電氣設(shè)備和盤柜，機(jī)械傳動(dòng)采用封閉式結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)沙敏感設(shè)備及部件采用專業(yè)防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，宜將機(jī)電設(shè)備設(shè)置在密封性好的房間或艙體。

4）沙漠邊緣地帶土建設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮以細(xì)沙層為代表的地質(zhì)力學(xué)性能[5]，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)先采用樁類基礎(chǔ)，有針對(duì)性地通過路基壓實(shí)、鋪設(shè)加強(qiáng)材料和增加路面鋪筑厚度提高道路路基承載力，重要桿塔優(yōu)先使用柔性基礎(chǔ)。

5）應(yīng)重視沙漠邊緣地帶工程建設(shè)的新技術(shù)應(yīng)用，通過生態(tài)綠化、智慧化風(fēng)電、無人機(jī)航拍、機(jī)組防風(fēng)沙新技術(shù)和綠色施工技術(shù)等手段，有針對(duì)性地防沙治沙，促進(jìn)人與自然的和諧和可持續(xù)發(fā)展。