西北水电・2008年・第5期
风力发电
文章编号:1006—2610(2008) 05—0063—03
63
甘
20
肃电
场
酒
风
泉
机
风
基
电
础
基
设
地
计
研
究
个风
刘 蔚, 申宽育
(, 摘 要:甘肃省酒泉地区风能资源丰富年4月18日, 由西北勘测设计研究院编制的《。根据该规划报告, 到
2015, 12710MW 。西部风电的开发必须坚持可持续发展的道
路, 、。该工程在可行性研究设计阶段, 采用“CF D -W TF (2. 0) 风力”软件, 对甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 的风力发电机塔架基础进行方案设计, 设计结果经济合理、安全可靠。关键词:风力发电机组; 塔架基础; 方案设计中图分类号:T M315 文献标识码:A
D esi gn and research on w i n d genera tor founda ti on s i n 20w i n d f i elds i n J i uquan
L IU W ei, SHE N Kuan -yu
(North west Hydr o Consulting Engineers, CHECC, Xi’an 710065, China )
Abstract:J iuquan district of Gansu Pr ovince has rich wind energy res ources and is a large wind power base of China . On Ap ril 18, 2008, the " Planning Report on J iuquan as A 10G W -LevelW ind Power Base" p repared by North west I nvestigati on, Design and Re 2search I nstitute was app r oved by the State Devel opment and Ref or m Comm issi on . By the end of 2015, according the report, a t otal in 2stalled capacity of 12710MW is p lanned f or the J iuquan 10G W -level wind power base . The devel opment of wind power in W est China must insist on a r oad of sustainable devel opment, and consider the har moni ous devel opment of hu man and nature, hu man and s ociety, as well as hu man and envir on ment . The p r oject is at the stage of feasibility study and design, and the design s oft w are " CF D -W TF W ind Generat or Tower Foundati on Design (versi on 2. 0) " is used for sche me design of wind generat or t ower foundati ons in 20wind fields (3800MW ) of the J iuquan 10G W -levelwind power base in Gansu p r ovince, and the results of design are econom ic and reas ona 2ble, safe and reliable .
Key W ords:wind generating unit; t ower foundati on; sche me design
0 引 言
近年来中国的风电事业蓬勃发展, 一大批大中
型风电场即将相继建成或开始建设, 如张北(装机200MW ) 、内蒙灰腾梁(装机约300MW ) 、甘肃昌马(200MW ) 、甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) , 这些风电工程具有投资较大, 单
位千瓦约10000元左右, 风力发电机组基础设计问题十分突出, 已成为风电工程设计和运行安全的控制因素之一。
由于目前国外的风力发电机制造厂家不了解中国的地质情况, 提供的风力发电机塔架基础设计不能适应中国的国情。所以, 西北勘测设计研究院(以下简称“) 根据工程具体情况, 对风力发西北院”
电机组塔架地基基础进行设计, 基于风力发电机组的特性(承受较大水平荷载的高耸建筑物) , 风力发电机基础设计的安全稳定是保证风力发电机机组安全运行的前提。
收稿日期:2008208207
作者简介:刘蔚(1960-) , 女, 山东省青岛市人, 高级工程师, 从事风电工程设计工作.
64刘蔚, 申宽育. 甘肃酒泉风电基地20
个风电场风机基础设计研究
层为第四系上更新统洪积(Q 3) 角砾层、砾砂层, 结构密实, 具低压缩性和较高强度, 均可作为本工程建筑物基础的良好持力层。
场地地层岩性主要为角砾、砾砂和呈透镜状分布的中砂、粉土, 场址区地处西北干旱地区, 场地岩土体常年处于干燥状态, 地下水埋深很大, 不具有砂土液化的条件, 因此, 场地岩土体无振动液化问题。
p l
在甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 工程设计过程中, 西北院参照多个工程实例, 针对各种不同类型(S50-750k W , G58-850k W , S77-1500k W , S82-1500k W 及V90-2000k W 等机型) 的风力发电机组塔架扩展基础和桩基础的设计做了大量的设计对比分析和研究。经过几年的风电工程设计工作, 西北院已积累了丰富的设计经验, 特别是针对不良的地质情况, 设计成果既满足目前《建筑地基基础设计规范》的要求, 也能满足欧州标准。西北院提供的大量设计实例, 为由中国水电顾问集团规划总院编制的《风力发电机组塔架
[1]
地基基础设计技术规定》, 中国第1个风电基础技术规定提供了有力的技术支撑。。
2007献[1]D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 填补了中国目前还没有针对风力发电机组塔架基础设计规范的空白。在甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 工程可行性研究设计阶段, 西北院采用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 对该工程的风机基础进行方案设计, 经使用认为“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件在对风机基础优化设计分析方面具有很强的实用性及优势。
2 工程等别及主要建筑物级别
20, 。
1], (2) 型工程; 机组塔架地基基础建筑物设计级别为二级, 建筑物结构安全等级为二级; 风场监控中心建筑物设计级别为二级, 建筑物结构安全等级为二级; 机组塔架基础洪水设计标准及风场监控中心洪水设计标准重现期均为30a; 发电机组塔架基础的抗震设防类别为丙类。
3 风电机组基础设计
20个风电场的风力发电机组拟采用4个风机
1 工程地质概况
根据1∶400万《中国地震动峰值加速度区划
图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》(G B 18306-2001) 资料, 工程区地震动峰值加速度为0. 05g , 地震动反应谱特征周期为0. 45s, 相对应的地震基本烈度为Ⅵ度, 工程区属构造基本稳定区。场址区揭露的地层为第四系上更新统洪积
l (Q p 4) 松散堆积物; 其中:第1层为第四系上更新统洪积(Q 4) 含碎石粉细砂层, 以粉细砂为主, 含少量角砾和粉质粘土, 厚度一般在0. 3～0. 4m 左右, 局部地段可达1. 30m 左右; 第2层为第四系上更新统
p l
洪积(Q 3) 角砾层, 含粉细砂和少量粘性土, 层厚最薄处仅为0. 3～0. 8m , 一般为1. 6～3. 4m 左右; 2
p l
-1层为第四系上更新统洪积(Q 3) 粉土层, 埋深0. 5～1. 3m , 厚度0. 8m; 2-2层为第四系上更新统
p l
洪积(Q 3) 中粗砂层, 厚度1. 0～2. 5m 左右; 第3层
p l
为第四系上更新统洪积(Q 3) 砾砂层, 混杂较多粗中砂, 少量圆砾和粉质粘土, 浅褐色～红褐色, 泥钙质
p l
厂家8种类型的风力发电机组, 采用CF D -W TF
(2. 0) 基础设计软件分别对8种不同类型的风力发电机组进行基础设计, 优化选出8种不同尺寸的圆形基础进行计算。
根据风电场工程地质条件和风机厂家提供的风机荷载资料, 确定该工程风电机组塔架基础为钢筋混凝土埋筒型浅埋基础(基础为扩展基础) , 基础基本体型为圆形, 8种机型基础底面直径范围为16. 2～18. 5m , 埋深3. 0m 。3. 1 计算内容及工况根据《风电场机组地基基础设计规定》, 运用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 对基础进行地基反力最大值计算、地基反力最小值计算、地基承载力复核、软弱下卧层验算、沉降和倾斜变形验算、基础抗倾覆验算、基础抗滑验算、基础底板悬挑根部配筋计算、基础底板悬挑根部裂缝宽度验算、基础抗剪验算、基础抗冲切验算以及台柱正截面强度验算。
该期工程根据地基基础设计荷载分别对极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况等进行设计计算。3. 2 基础结构设计分析
(1) 8种风力发电机塔架的轮毂高度分别为
[2]
弱胶结, 厚度5. 0～19. 7m 。从地层岩性看, 第2, 3
西北水电・2008年・第5期
61. 5, 65, 70和80m , 8种风力发电机机型上部结构
65
传至塔筒底部的内力M xy 标准值见表1;
表1 8种风力发电机机型标准M xy 值对比表
项 目
77型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 593型风机-2. 0
承受特殊荷载的高耸建筑物, 机组塔架基础所承受
的荷载不同于一般高耸建筑物基础所承受的荷载, 采用的基础结构型式和地基处理方案都较为复杂。因此, 针对不同地基基础条件, 采用不同的基础形式的研究已经成为风机基础设计面临的主要问题, 风力发电机基础设计的安全稳定是保证风力发电机机组安全运行的前提。通过1a 多的多个工程实例, 采用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, , D (2. 0) 风力发电机塔, 经, 安全可靠。
表3 计算成果汇总
序 号
[**************]13
塔筒高度
/m61. [**************]
正常运行荷载工况
极 端荷载工况备 注
12226. 113766. 6513876. 0318356. 616881. 6017118. 6216418. 9316950. 00
21286. 723745. 9640364. 1135733. 9635619. 540810. 1644527. 654948. 46Ⅲ类
Ⅲ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅲ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅲ类
(2) 由表2度的增加, M xy ;
(3) , M xy 值增大;
(4) 风力发电机塔架的轮毂高度相同时, (Ⅱ类) 风区的风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部的内力M xy 值大于(Ⅲ类) 风区的风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部的内力M xy 值;
(5) 风力发电机机组为直驱发动机组时, M xy 值小于非直驱风力发电机机组;
(6) 随着风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部内力M xy 值的增大, 基础底面直径D 增大, 基础混凝土工程量增加, 8
种风力发电机机型基础工程量见表2。
表2 8种风力发电机机型基础混凝土量对比表
项目
77型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 593型风机-2. 0
项目
地基反力最大值计算地基反力最小值计算地基承载力复核基础脱开面积软弱下卧层验算沉降和倾斜变形验算基础抗倾覆验算基础抗滑验算基础底板悬挑根部配筋计算
结 论满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求
塔筒高度底面直径混凝土量埋深
61. [**************]
16. 016. 216. 516. 516. 516. 816. 818. 5
[***********]0342503
3. 03. 03. 03. 03. 03. 03. 03. 0
基础底板悬挑根部裂缝宽度验算满足设计规定要求
基础抗剪验算基础抗冲切验算台柱正截面强度验算
满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求
3. 3 基础结构推荐方案设计成果
采用“CF D -WTF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件对甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800M W ) 的8种风力发电机塔架基础进行方案设计, 8种方案设计, 经计算在各种工况下, 各项验算均满足文献[2]中规定的要求, 见计算成果汇总表3。
参考文献:
[1] F D002-2007, 风电场工程等级划分及设计安全标准(试行)
[S].
[2] F D 003-2007, 风电机组地基基础设计规定(试行) [S].[3] G B50135-2006, 高耸结构设计规范[S].[4] 鞠建英. 特种结构地基基础工程手册[M].北京:中国建筑工
业出版社, 2000. [5] 江正荣. 建筑地基与基础施工手册(第2版) [M].北京:中国
建筑工业出版社, 2005.
4 结 语
大、中型的风电场工程的场址多位于荒滩、丘岭、沿海滩涂和近海区域等。由于风力发电机组为
西北水电・2008年・第5期
风力发电
文章编号:1006—2610(2008) 05—0063—03
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甘
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肃电
场
酒
风
泉
机
风
基
电
础
基
设
地
计
研
究
个风
刘 蔚, 申宽育
(, 摘 要:甘肃省酒泉地区风能资源丰富年4月18日, 由西北勘测设计研究院编制的《。根据该规划报告, 到
2015, 12710MW 。西部风电的开发必须坚持可持续发展的道
路, 、。该工程在可行性研究设计阶段, 采用“CF D -W TF (2. 0) 风力”软件, 对甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 的风力发电机塔架基础进行方案设计, 设计结果经济合理、安全可靠。关键词:风力发电机组; 塔架基础; 方案设计中图分类号:T M315 文献标识码:A
D esi gn and research on w i n d genera tor founda ti on s i n 20w i n d f i elds i n J i uquan
L IU W ei, SHE N Kuan -yu
(North west Hydr o Consulting Engineers, CHECC, Xi’an 710065, China )
Abstract:J iuquan district of Gansu Pr ovince has rich wind energy res ources and is a large wind power base of China . On Ap ril 18, 2008, the " Planning Report on J iuquan as A 10G W -LevelW ind Power Base" p repared by North west I nvestigati on, Design and Re 2search I nstitute was app r oved by the State Devel opment and Ref or m Comm issi on . By the end of 2015, according the report, a t otal in 2stalled capacity of 12710MW is p lanned f or the J iuquan 10G W -level wind power base . The devel opment of wind power in W est China must insist on a r oad of sustainable devel opment, and consider the har moni ous devel opment of hu man and nature, hu man and s ociety, as well as hu man and envir on ment . The p r oject is at the stage of feasibility study and design, and the design s oft w are " CF D -W TF W ind Generat or Tower Foundati on Design (versi on 2. 0) " is used for sche me design of wind generat or t ower foundati ons in 20wind fields (3800MW ) of the J iuquan 10G W -levelwind power base in Gansu p r ovince, and the results of design are econom ic and reas ona 2ble, safe and reliable .
Key W ords:wind generating unit; t ower foundati on; sche me design
0 引 言
近年来中国的风电事业蓬勃发展, 一大批大中
型风电场即将相继建成或开始建设, 如张北(装机200MW ) 、内蒙灰腾梁(装机约300MW ) 、甘肃昌马(200MW ) 、甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) , 这些风电工程具有投资较大, 单
位千瓦约10000元左右, 风力发电机组基础设计问题十分突出, 已成为风电工程设计和运行安全的控制因素之一。
由于目前国外的风力发电机制造厂家不了解中国的地质情况, 提供的风力发电机塔架基础设计不能适应中国的国情。所以, 西北勘测设计研究院(以下简称“) 根据工程具体情况, 对风力发西北院”
电机组塔架地基基础进行设计, 基于风力发电机组的特性(承受较大水平荷载的高耸建筑物) , 风力发电机基础设计的安全稳定是保证风力发电机机组安全运行的前提。
收稿日期:2008208207
作者简介:刘蔚(1960-) , 女, 山东省青岛市人, 高级工程师, 从事风电工程设计工作.
64刘蔚, 申宽育. 甘肃酒泉风电基地20
个风电场风机基础设计研究
层为第四系上更新统洪积(Q 3) 角砾层、砾砂层, 结构密实, 具低压缩性和较高强度, 均可作为本工程建筑物基础的良好持力层。
场地地层岩性主要为角砾、砾砂和呈透镜状分布的中砂、粉土, 场址区地处西北干旱地区, 场地岩土体常年处于干燥状态, 地下水埋深很大, 不具有砂土液化的条件, 因此, 场地岩土体无振动液化问题。
p l
在甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 工程设计过程中, 西北院参照多个工程实例, 针对各种不同类型(S50-750k W , G58-850k W , S77-1500k W , S82-1500k W 及V90-2000k W 等机型) 的风力发电机组塔架扩展基础和桩基础的设计做了大量的设计对比分析和研究。经过几年的风电工程设计工作, 西北院已积累了丰富的设计经验, 特别是针对不良的地质情况, 设计成果既满足目前《建筑地基基础设计规范》的要求, 也能满足欧州标准。西北院提供的大量设计实例, 为由中国水电顾问集团规划总院编制的《风力发电机组塔架
[1]
地基基础设计技术规定》, 中国第1个风电基础技术规定提供了有力的技术支撑。。
2007献[1]D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 填补了中国目前还没有针对风力发电机组塔架基础设计规范的空白。在甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800MW ) 工程可行性研究设计阶段, 西北院采用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 对该工程的风机基础进行方案设计, 经使用认为“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件在对风机基础优化设计分析方面具有很强的实用性及优势。
2 工程等别及主要建筑物级别
20, 。
1], (2) 型工程; 机组塔架地基基础建筑物设计级别为二级, 建筑物结构安全等级为二级; 风场监控中心建筑物设计级别为二级, 建筑物结构安全等级为二级; 机组塔架基础洪水设计标准及风场监控中心洪水设计标准重现期均为30a; 发电机组塔架基础的抗震设防类别为丙类。
3 风电机组基础设计
20个风电场的风力发电机组拟采用4个风机
1 工程地质概况
根据1∶400万《中国地震动峰值加速度区划
图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》(G B 18306-2001) 资料, 工程区地震动峰值加速度为0. 05g , 地震动反应谱特征周期为0. 45s, 相对应的地震基本烈度为Ⅵ度, 工程区属构造基本稳定区。场址区揭露的地层为第四系上更新统洪积
l (Q p 4) 松散堆积物; 其中:第1层为第四系上更新统洪积(Q 4) 含碎石粉细砂层, 以粉细砂为主, 含少量角砾和粉质粘土, 厚度一般在0. 3～0. 4m 左右, 局部地段可达1. 30m 左右; 第2层为第四系上更新统
p l
洪积(Q 3) 角砾层, 含粉细砂和少量粘性土, 层厚最薄处仅为0. 3～0. 8m , 一般为1. 6～3. 4m 左右; 2
p l
-1层为第四系上更新统洪积(Q 3) 粉土层, 埋深0. 5～1. 3m , 厚度0. 8m; 2-2层为第四系上更新统
p l
洪积(Q 3) 中粗砂层, 厚度1. 0～2. 5m 左右; 第3层
p l
为第四系上更新统洪积(Q 3) 砾砂层, 混杂较多粗中砂, 少量圆砾和粉质粘土, 浅褐色～红褐色, 泥钙质
p l
厂家8种类型的风力发电机组, 采用CF D -W TF
(2. 0) 基础设计软件分别对8种不同类型的风力发电机组进行基础设计, 优化选出8种不同尺寸的圆形基础进行计算。
根据风电场工程地质条件和风机厂家提供的风机荷载资料, 确定该工程风电机组塔架基础为钢筋混凝土埋筒型浅埋基础(基础为扩展基础) , 基础基本体型为圆形, 8种机型基础底面直径范围为16. 2～18. 5m , 埋深3. 0m 。3. 1 计算内容及工况根据《风电场机组地基基础设计规定》, 运用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, 对基础进行地基反力最大值计算、地基反力最小值计算、地基承载力复核、软弱下卧层验算、沉降和倾斜变形验算、基础抗倾覆验算、基础抗滑验算、基础底板悬挑根部配筋计算、基础底板悬挑根部裂缝宽度验算、基础抗剪验算、基础抗冲切验算以及台柱正截面强度验算。
该期工程根据地基基础设计荷载分别对极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况等进行设计计算。3. 2 基础结构设计分析
(1) 8种风力发电机塔架的轮毂高度分别为
[2]
弱胶结, 厚度5. 0～19. 7m 。从地层岩性看, 第2, 3
西北水电・2008年・第5期
61. 5, 65, 70和80m , 8种风力发电机机型上部结构
65
传至塔筒底部的内力M xy 标准值见表1;
表1 8种风力发电机机型标准M xy 值对比表
项 目
77型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 593型风机-2. 0
承受特殊荷载的高耸建筑物, 机组塔架基础所承受
的荷载不同于一般高耸建筑物基础所承受的荷载, 采用的基础结构型式和地基处理方案都较为复杂。因此, 针对不同地基基础条件, 采用不同的基础形式的研究已经成为风机基础设计面临的主要问题, 风力发电机基础设计的安全稳定是保证风力发电机机组安全运行的前提。通过1a 多的多个工程实例, 采用“CF D -W TF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件, , D (2. 0) 风力发电机塔, 经, 安全可靠。
表3 计算成果汇总
序 号
[**************]13
塔筒高度
/m61. [**************]
正常运行荷载工况
极 端荷载工况备 注
12226. 113766. 6513876. 0318356. 616881. 6017118. 6216418. 9316950. 00
21286. 723745. 9640364. 1135733. 9635619. 540810. 1644527. 654948. 46Ⅲ类
Ⅲ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅲ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅲ类
(2) 由表2度的增加, M xy ;
(3) , M xy 值增大;
(4) 风力发电机塔架的轮毂高度相同时, (Ⅱ类) 风区的风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部的内力M xy 值大于(Ⅲ类) 风区的风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部的内力M xy 值;
(5) 风力发电机机组为直驱发动机组时, M xy 值小于非直驱风力发电机机组;
(6) 随着风力发电机塔架上部结构传至塔筒底部内力M xy 值的增大, 基础底面直径D 增大, 基础混凝土工程量增加, 8
种风力发电机机型基础工程量见表2。
表2 8种风力发电机机型基础混凝土量对比表
项目
77型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 577型风机-1. 582型风机-1. 593型风机-2. 0
项目
地基反力最大值计算地基反力最小值计算地基承载力复核基础脱开面积软弱下卧层验算沉降和倾斜变形验算基础抗倾覆验算基础抗滑验算基础底板悬挑根部配筋计算
结 论满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求
塔筒高度底面直径混凝土量埋深
61. [**************]
16. 016. 216. 516. 516. 516. 816. 818. 5
[***********]0342503
3. 03. 03. 03. 03. 03. 03. 03. 0
基础底板悬挑根部裂缝宽度验算满足设计规定要求
基础抗剪验算基础抗冲切验算台柱正截面强度验算
满足设计规定要求满足设计规定要求满足设计规定要求
3. 3 基础结构推荐方案设计成果
采用“CF D -WTF (2. 0) 风力发电机塔架基础设计”软件对甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场(3800M W ) 的8种风力发电机塔架基础进行方案设计, 8种方案设计, 经计算在各种工况下, 各项验算均满足文献[2]中规定的要求, 见计算成果汇总表3。
参考文献:
[1] F D002-2007, 风电场工程等级划分及设计安全标准(试行)
[S].
[2] F D 003-2007, 风电机组地基基础设计规定(试行) [S].[3] G B50135-2006, 高耸结构设计规范[S].[4] 鞠建英. 特种结构地基基础工程手册[M].北京:中国建筑工
业出版社, 2000. [5] 江正荣. 建筑地基与基础施工手册(第2版) [M].北京:中国
建筑工业出版社, 2005.
4 结 语
大、中型的风电场工程的场址多位于荒滩、丘岭、沿海滩涂和近海区域等。由于风力发电机组为