詳細科學技術內容
近海風電場海上測風與試驗研究工作,主要包含以下研究內容:
(1)海上測風研究:進行1個灘塗測風塔、2個海上測風塔(三個測風塔高度均為70m)的選址、勘探、設計、安裝與運行維護,並開展1.5年的測風數據資料采集與研究評估。
(2)地質勘測與樁基測試試驗:對塔基現場進行地質踏勘、資料搜集,擬定勘察計劃,承擔地質鉆探並進行現場技術指導、數據處理、樣品分析、圖件繪制、技術報告編寫等;開展海上樁基的沈樁過程測試,獲取不同地層、不同深度的錘擊數~貫入度的關系,綜合研究分析樁基的承載力,高應變承載力檢測與承載力的對應關系等。
(3)海況條件研究:通過試驗、勘測、資料分析,研究響水近海水文情況(包括對淺海環境、海浪、海流、潮位等的研究),結合海上測風塔的建設施工和測風情況,研究海況條件對海上風資源評估和風電場建設的影響。
(4)對工藝方法、標準等的研究與總結:對勘探、測試、試驗、施工、運維中的各種工藝方法、經驗成果進行總結;對有關標準、規程、規範等進行初步研究。
(5)其他資料的分析整理:江蘇響水壹帶沿海現有的氣象、海洋、地形、地質資料和陸上風電場實測資料的收集、整理分析。
(6)建設1個灘塗測風塔、2個海上測風塔:灘塗測風塔采用拉錨式等截面等邊三角形輕型鋼管焊接結構,塔架及拉錨纖繩采用獨立混凝土基礎,塔高70m。海上測風塔采用鋼管樁基礎(樁徑為600mm,壁厚16mm,樁長50m,四邊形布置且呈1:7向外傾斜)、四柱漸變式桁架塔體結構,塔體與樁基通過鋼承臺連接,塔架底部為邊長3.2m的正方形截面,塔架頂部為邊長0.82m的正方形截面,塔高70m,全塔架及樁基礎均采用分部位防腐。灘塗測風塔、海上測風塔均在10m、25m、40m、50m、60m、70m位置處安裝風速傳感器,每層2個;10m、50m、70m位置處安裝風向傳感器,每層1個。2#測風塔安裝海洋資料觀測設備1套。
發明及創新點
本項目克服了沒有類似工程可以借鑒、現場資料欠缺等困難,結合以前的研究成果,在以下幾個方面進行了創新,並取得了良好的效果。
(1)創新性地實現了海上施工向陸上轉化的設計理念
與國內已有的海上測風塔采用高樁現澆混凝土承臺的設計理念不同,響水海上測風塔采用了鋼承臺的結構型式。與常規的混凝土承臺相比,可以不進行海上立模、綁鋼筋、混凝土澆築和養護等工序,鋼承臺可以在陸地加工完成,可節省施工時間和減少大型船舶(海上混凝土攪拌船、大型起重船等)的使用,大大減少海上作業的工程量、減少海上施工的時間和節省施工成本,具有明顯的優勢。
(2)采用了樁體與承臺利用高強灌漿料連接技術
鋼承臺結構型式對連接段要求很高,通過室內試驗和大量計算,連接型式采用了高強灌漿材料灌註為主的連接方式。經規範方法計算和有限元方法校核以及現場運行考驗,連接段整體受力較好,能滿足不同環境荷載的受力要求。研究的灌漿連接結構獲得了國家實用新型專利。
(3)提出了海上樁基承載力檢測的壹種可行方法
與陸地樁基相比,海上樁基檢測存在兩大問題:①海上條件惡劣,受風浪影響很大,進行靜載試驗難度大、成本高。②進行高應變錘擊時需要大型船舶,進行復打成本高、組織困難。在海上測風塔建設過程中,充分利用灘塗風電場類似地層條件,采用靜載試驗、埋設滲壓計和不同時段的高應變檢測,初步推斷出:在該地質條件下,初打時的高應變檢測承載力是樁基最終承載力的60%左右,可以利用打樁時進行高應變檢測,以此承載力計算樁基最終承載力。
(4)海上風資源評估方法研究手段完備,成果可信度高
①實驗手段上,采用壹塔兩套測風設備,設置海洋觀測設備;
②資料豐富度方面,布置了2座海上測風塔、1座灘塗測風塔,加上灘塗的5座測風塔以及氣象站近30年的氣象資料,該區域內的測風塔密度高,測風數據及環境數據齊全、完整;
③研究方法上,采用數理統計、比較研究和數值模擬等多種手段,並根據計算模型獨立開發了計算程序。
本項目利用這些實測數據開展了環境因素對測風數據的影響、風速與潮位的對應關系、海面粗糙程度與浪高之間的對應關系以及海陸風對比等項目的研究,其研究方法、技術路線和研究內容均為國內首次采用。研究成果可信度高,並已用於海上示範風機的設計中。
(5)開展了測風手段的拓展性研究
根據風資源評估的特點和海上施工的難度,提出了可移動式測風塔的概念,並完成了移動式測風塔的結構設計、就位固定技術、浮運移動等關鍵技術的研究,為海上測風塔提供了壹種新的結構型式,可進壹步減少測風成本,具有較好的推廣前景。
與當前國內外同類研究、同類技術的綜合比較
本項目建設的江蘇響水近海測風塔是江蘇近海地區第1、2座(我國第3、4座)真正意義上的海上測風塔,目前國內所建的6座海上測風塔僅有本項目的響水海上測風塔采用了鋼承臺結構和相應的灌漿連接方式,該結構大大減少了海上施工時間和對大型海上施工設備的依賴,不僅可以推廣到海上測風塔的應用,也可以推廣到海上風機的結構設計中。經技術查新:海上測風塔的鋼承臺結構形式、承臺與樁基采用水泥基高強灌漿料連接、可移動式測風塔的結構設計等技術特征在國內文獻均未見提及。
本項目利用實測數據開展的環境因素對測風數據的影響、風速與潮位的對應關系、海面粗糙程度與浪高之間的對應關系以及海陸風對比等項目的研究,其研究方法、技術路線和研究內容均為國內首次采用。
成果應用情況及社會經濟效益
本項目於2007年4月完成測風塔選址、初設,5月完成海上勘探,6月完成施工圖設計,8月進行海上樁基施工、塔架吊裝和儀器安裝,2008年3月測風數據傳回,2008年7月海洋觀測數據傳回,截止到2009年10月,已完成1.5年的測風數據收集和評估、1年的海洋觀測數據收集和評估以及2年的運行維護工作。
該項目研究成果為海上風電場建設提供了詳實的風資源數據、海洋數據、地質數據和可供借鑒的施工經驗,目前長江新能源公司已在該區域建設了1臺2MW近海試驗風機,三峽集團公司正在進行容量為200MW的近海風電場的可研設計。
成果轉化、推廣或產業化方面還需幫助解決的問題
目前國內《海上風電開發建設管理暫行辦法》已經頒布施行,海上測風工作將逐步展開。為使本項目的研究成果能夠推廣應用,應加大宣傳力度。 風電場的工作流程:風向風速檢測、當班當中和調度保持聯系、開機發電、巡查記錄、設備檢查、潤滑保養、故障處理、變壓升壓、配電儀表監護調節、並網送電、發電量統計。