陆上风力发电机基础设计的要点及安全控制原则

发表时间:2018/3/9   来源:《电力设备》2017年第36期   作者:刘飞1 王刚2 乔蓓3
[导读] 摘要:我国在风力发电机的设计以及应用显现出极大的优势,其发展水平已经领先于世界其他国家,风力发电机的新增量位列世界榜首,由此可以看出,我国风能具有良好的发展前景,并且在数量以及发电量上还存在极大的竞争优势,有可能成为我国发电的主要能源。
        (1特变电工新疆新能源股份有限公司  陕西省西安市  710119;2中国建筑西北设计研究院有限公司  陕西省西安市  710018;3成都大学  四川省成都市  610106)
        摘要:我国在风力发电机的设计以及应用显现出极大的优势,其发展水平已经领先于世界其他国家,风力发电机的新增量位列世界榜首,由此可以看出,我国风能具有良好的发展前景,并且在数量以及发电量上还存在极大的竞争优势,有可能成为我国发电的主要能源。
        关键词:风力发电机;基础设计;要点;安全控制
        风能资源作为21世纪新型能源之一,以其清洁、可再生、无污染的优点,逐渐占据市场能源中的重要位置。因此,开发风能资源是整合国家能源结构、贯彻落实科学发展观及能源可持续发展宗旨必不可少的高效方法。
        一、当前风机基础设计的理论及相关规范
        1.1当前风机基础设计的理论
        由于风机塔筒的高度相对比较高,一般在80m左右,叶轮半径约40m,上部结构约250t,风机基础设计的理论模型为一个自重较大的高耸结构。抗倾覆设计为其设计的主要考虑因素。目前比较可靠的基础理论为通过设备及基础的自重对倾覆点产生的抗倾覆力矩来抵抗由风机工作及地震等产生的倾覆力矩。设计考虑的是偏心距/基础底板半径,在正常工况时不大于0.25,极端工况与地震时不大于0.43。在这一基本理论的前提下北京木联能工程科技有限公司开发了相应的风电工程软件-机组塔架地基基础设计软件(WTF)(v4.4.1),目前风机基础设计也主要是依靠的此理论。
        1.2目前国内使用的相关标准
        《风电机组地基基础设计规定(试行)》FD003-2007;《风电场工程等级划分及设计安全标准》FD002-2007;《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008;《建筑抗震设计规范》GB50011-2010;《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011;《混凝土结构设计规范》GB50010-2010;《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008。
        二、风机基础设计要点分析
        从目前情况分析,我国风能具有极大的市场需求量,相对应的风力发电机及厂房建设也在如火如荼的开展,这在某种程度促进了风电行业呈现出良好的发展趋势。针对风机基础设计来说,基本上风筒的高度较高,通常是在80m左右,而叶轮半径为40m,上部结构为250t,因而风机模型设计也有着严格的要求,一般是自身较重且结构高耸的形态。风机基础设计过程中需要考虑一个重要因素,即抗倾覆设计,基于现状考虑来看,针对上述设计要求有了极为靠谱的基础理论,主要是借助设备与基础自重,继而对倾覆点形成抗倾覆力矩,借以达到抵抗来自风机工作,或是抗倾覆力矩,由此产生倾覆力矩。在设计过程中,需要考虑偏心距,或是基础底板半径,在正常工况时,最好保持在0.25左右,而在极端工况时,以及地震情况时低于0.43。在上述理论前提下,某公司研发了全新的软件,即(WTF)(v4.41),目前很多风机基础设计基本上都是以这个作为理论参考。
        从现状应用来看,使用较多的是以下相关标准,比如《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计》、《混凝土结构耐久性设计》、《风电机组地基基础设计规定》等等,除此之外,风机基础设计还参考了国外设计标准,比如德国的《DIN1045》。
        三、风机设计需要注意的安全控制原则
        风机基础设计时,设计人员不仅要考虑抗倾覆问题,而且还需关注设计整体性,安全控制原则要从以下方面着手:首先,抗倾覆设计。在设计过程中应该重点考虑偏心距的控制,如果控制不当将会引发非常严重的后果,降低安全系数指数,因此在进行抗倾覆设计时,偏心距安全系数应超出1.2。
        其次,风机自身的基础设计。

在设计过程中需要对以下方面进行安全控制,比如抗裂、抗冲切、抗剪,还有非常关键的抗疲劳控制,这些因素关系到风机的正常使用,只有做好相应的安全控制才能避免安事故的发生。最后,基础设计整体性,其与结构塔筒连接。对于上部结构塔筒来说,它与风机基础整体性有极大的关联,两者的连接设计直观重要,一旦出现偏差将会影响到风机的正常作业。
        四、实际案例分析
        本段以某风电场设计为例具体阐述了风机基础设计要点以及安全控制原则。
        4.1项目概述
        某风电场,单机装机容量为2MW,风机轮毂高度为70m,叶片直径为87m,对于这个风电场地基而言,其地基基础设计是1级,而对于基础结构设计来说,它的安全等级是2级,风机基础设计使用时间为50年,风机基础设计使用的是钢筋混凝土,以扩展圆形为主,风电机组基础设计来说,抗震设防为丙类。
        4.2设计流程
        针对本次项目来说,它的工况倾覆力矩是37707.057kN.m,而其设计计算程序是当前较为普遍的程序,即CFD风电工程软件,也就是(WTF)(v4.41)。在本次工程设计过程中,应用软件设计内容相对较多,在此过程中,设计人员需要适当调整基础底板,确保其直径能够达到相关标准,除此之外,还需工程基础高度进行试算,尽可能使其符合抗倾覆安全设计原则,并且最大限度降低混凝土的使用量,与此同时,对于钢筋用量同样需要控制用量。设计人员借助软件计算设计时,要不断调整相关参数,并且经过多次试算,最后得出的结果必然是非常可靠的,同时是经济合理的尺寸,满足风机基础设计需求。
        依据软件基础设计来说,通过试算得出的基础设计标准如下:基础尺寸:底板半径R=9.55m,棱台底面半径R1=3.5m,台柱半径R2=3.5m,塔筒直径为4.2m,基础底板外部高度为1m,而其棱台高度为1.5m,台柱高度H3=0.9m,而针对上部荷载作用力来说,其标高Hb=0.615m,基础埋深Hd=3.3m;荷载分项系数:具体可以分为两种情况,其一,永久荷载系数,不利系数为1.2,有利系数为1,其二,可变荷载系数,不利分项系数为1.5,有利系数为0,疲劳荷载系数是1,偶然荷载系数也是1,结构重要系数为1.1,荷载安全系数为1.35;方量计算:基础混凝土V12:536.164m3,基础覆土体积V22:413.204m3。风机基础设计是保障其正常使用的一个基础条件,因此设计人员在进行基础设计时需要考虑设计要点及安全控制原则,本次项目工程设计,设计人员要确保基础设计具有极高的抗裂性,同时还需具备最佳的抗冲切性,除此之外,抗剪性也是设计的要点所在,由于风机需要持久作业,因而它的抗疲劳是不可忽略的。值得注意的是,风机基础的整体性,还有上部结构塔筒,两者的连接设计也应当引起高度关注,保障风机能够以最佳的状态运作。
        结语
        综上所述,风机基础设计以及安全控制是其设计的关键所在,一旦风机基础出现问题,将会影响风机的安全稳定性,如果出现设计偏差,风机很有可能出现倾覆情况,损伤经济的同时造成安全事故,因此风机设计时需要考虑经济性,但同时不能忽略安全性。
        参考文献
        [1]程新波.论风力发电机基础设计的要点及安全控制原则[J].中国新技术新产品,2015.
        [2]郑常伟,乔秋峰,吴瑾.谈风力发电机基础施工控制[J].山西建筑,2015.
        [3]曾勇,吴仕军,刘波,吴安坤,张淑霞,刘芸.贵州山地风力发电机防雷接地技术研究[J].可再生能源,2016.
        刘飞(1989.4-),男,陕西西安人,西安科技大学土木工程学士,单位:特变电工新疆新能源股份有限公司,研究方向:新能源风电场土建设计
        王刚(1987.11-)男,陕西西安,西安建筑科技大学硕士,单位:中国建筑西北设计研究院有限公司,研究方向:钢与混凝土组合结构设计
        乔蓓(1988.12-),女,陕西渭南人,西安理工大学岩土工程硕士,单位:成都大学,研究方向:岩土力学与数值仿真
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