海上风电多桩导管架式基础导管架优化

崇高

摘 要：以银河6MW风力发电机组基础载荷为基础，选取45m海水深度，设计了四种导管架形式并计算了重量和频率，对比得出了四脚倾斜K型有横杆式结构是最优的结论。

关键词：海上风电；导管架式基础；结构设计固有频率

我国沿海风能资源丰富，有效利用小时数高，距离用电负荷中心近，享地利优势。经过“十二五”期间的孕育和成长，我国海上风电具备了规模开发的条件和基础。在“十三五”时期我国海上风电将从“项目示范”向“快速开发”转变。

一、海上风电基础类型

海上风电基础通常由过渡段、基础子结构、基础几部分组成。如图1所示。

1）单桩式：单桩式基础可以看成是陆上风机塔架延长到海面以下并插入海床。为了提供足够的刚度，单桩基础直径必须足够大，这会引起很大的波浪载荷。在深海环境下，满足刚度和固有频率的单桩直径可能大到无法制造。

2）三脚架式：基础下部由几个较细的结构连接到中间的主管桩上。三脚架基础主要优点是抗倾覆能力强及海水可以阻力较小的穿过基础下部。但是上部的主管桩没有上述优势。另外下部焊接处对疲劳载荷敏感，需要仔细的设计和制造。

3）导管架式：导管架式基础由细的支撑杆框架连接三桩或四桩，对海水流动几乎无阻力。载荷主要通过支撑杆轴向传递。基础面积大，抗倾覆能力强。框架结构重量轻，制造容易。但是每个接头都需要高标准制造，要耗费很多工时。

4）重力式：重力式基础依靠低重心和大直径抗倾覆。通常由混凝土制造。重力式基础直接放到海床上。重力式基础可以扩展至平台规模，以减少过渡段的安装。

5）漂浮式：漂浮式基礎依靠浮力使风机位于海面上。因为可以适应不同的水深，这种方式可能适合大批量制造。漂浮式基础在水中有很大的截面使其对波浪载荷敏感。

基础子结构适用于不同的水深[ 1 ]：

1）单桩式基础直径随着水深增加急剧变大，0-30m水深适用。

2）导管架式基础适用于任何水深，但是过多的接头导致水浅时不经济。

3）三脚架式基础适用30-60m水深，它可以看成是单桩式和导管架式混合体。

4）重力式基础由于质量太大，只适用于水深0-10m。

本文分析导管架式基础导管架优化。

二、设计参数

（一）风机

本文使用银河风电6MW机组载荷。机组参数如表1所示。

（二）水深

选择45m。

（三）载荷

GX6MW机组设计等级GL3B，设计标准GL 2010 standard “Guideline

for the Certification of Wind Turbines“，Edition R1（2010），载荷计算软件FLEX5。

塔底法兰极限载荷见表2。

三、结构设计

（一）初步结构设计

按照最大化相同直径和角度的支撑杆数量、所有支撑杆位于框架结构表面、使用X形式的原则设计了如图7所示的4种结构。

四、结论

在导管架底部增加水平横杆可以明显减少导管架重量。水平横杆均分了支脚上的水平载荷分量使支脚受到的弯矩减小。

四脚倾斜K型有横杆为本次最优结果，重量轻，接头数量少。

参考文献：

[1] Vries，W.E.de.Assessment of bottom-mounted support structure types with conventional design stiffness and installation techniques for typical deep water sites.s.l.：Upwind，2007.