風電項目中的土木工程問題及有關研究的思考和發展展望

王東元,王思敬

(1.天津城建學院土木工程系,天津 300384;2.清華大學土木水利學院,北京 100084)

1 前言

能源、環境成為當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題,以清潔、可再生能源為主的能源結構將成為未來發展的必然。水電和風電均屬可再生能源。水利發電的歷史已經很長,技術已經非常成熟,但出于環保考慮,一些發達國家正在探討水電帶來的效益和攔河筑壩帶來的對生態環境影響的風險平衡問題。風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。風能蘊量巨大,全球的風能約為2.74×109MW,其中可利用的風能為2×107MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。從某種意義上來說,風力發電將成為21世紀最具規模開發前景的新能源之一,而且亞洲將在2014年成為世界最大的風力發電場。

利用風力來發電的嘗試始于20世紀30年代,丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術,成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種超小型的風力發電裝置雖然能提供電力,但還遠遠沒有達到工業化的程度。20世紀80至90年代,丹麥、美國等發達國家嘗試安裝了單機容量能工業化的風車,拉開了大規模開發、利用風能發電的序幕。風力發電對環境沒有任何副作用,目前全世界的裝機容量已經超過160 000 MW,并且正以每年約20%的速度遞增;許多專家預計,到2020年風力發電量會達到全球電力的12%[1]。作為走出金融危機陰影、重振美國經濟的手段,美國奧巴馬政府決定斥巨資發展可再生能源,其中很大一部分是風力發電[2]。中國近20年來經濟高速發展的同時付出了環境污染的沉重代價,能源的短缺也成為中國經濟發展的瓶頸,因此中國政府把開發可再生能源定位為能源戰略的重要組成部分。

現代風力發電技術屬于可再生能源利用領域新興的一個多學科交叉領域,涉及范圍包括空氣動力學、結構力學、巖土力學、材料科學、聲學、機械工程、動力工程、電氣工程、控制技術、氣象學、環境科學等,是世界上近20年才興起并得到蓬勃發展的邊緣學科之一。風力發電在中國方興未艾,國家和企業在研發上投注巨資,重點放在了機、電、并網等技術上,但要成功地建成一座風力發電廠,配套工程必不可少,而且在很多時候成為建設風電項目的關鍵。作為對機、電、并網技術等的補充,筆者等討論了風力發電項目中與土木工程相關的幾個問題,比較了風電項目中有關土木工程的規范情況,著重探討了風力量測、評估和風速預測的研究方法,結合中國國情對風電的發展做出了展望并提出了建議。

2 風電中的巖土和工程地質問題

在風場選址及風力發電廠建設的過程中,場地的工程地質和巖土工程條件與風力電廠的輸出功率、建設成本、運營及維護等要素密切相關,需要對其加以考慮。

2.1 地貌和土壤的反照率

地貌會影響到風向和風速;土壤反照率本來是天體物理學的一項研究內容,主要研究土壤和陽光輻射的關系,在風電中其內容主要包括土壤的含水率、地表的粗糙度以及地表植被等,在天體物理學中這些參數和氣候、陸地的模型應用相關[3],在風電有關模型中作為輸入參數來模擬風速及其中長期的發展趨勢[4]。

2.2 風場場地的工程地質勘察和評價

基于風資源的有限性、可建設風電場的場地局限性,任何一個風電場均是在一個特定的區域內或指定的范圍內工作;為避免風機尾流效應以及優化風力電場的投資成本和運行維護費用,大型風力電場風機一般布置成幾排,每排綿延數千米,因此風力電場的工程地質評價非常重要。在山區和比較濕潤的地區,要考慮滑坡和泥石流等;在沿海灘涂、湖畔等地區,要考慮下臥軟土層、松沙層等不良工程地質條件。風機的基礎埋在巖土介質里,因此比上部結構有利于抗震,但按照美國混凝土協會的規范[5],在設計時要將地震荷載和風荷載進行對比以確定最不利荷載組合。地基變形也需引起足夠的重視,設計中應該進行檢驗并控制形變;若在特殊區域性土如濕陷性黃土、膨脹土廣泛存在的地區建設風力電場,對場地道路和風機基礎要采取具有針對性的設計。

風機間距比較大,因此工程地質的勘察基本按每機一孔布孔,變電站、運營維護建筑一般也需要布孔。國外工程實踐沒有硬性規定勘察的深度和其他試驗指標,一般按場地的地質條件、風機制造商的要求以及工程經驗進行。需要指出的是,風機基礎要求地基的轉動剛度比較嚴格,并把基礎變形控制在25 mm以內,通常要進行旁壓試驗或者物探確定地基的剛度模量以驗算地基的轉動剛度[6～8]。如果采用地下電纜,土壤(包括墊層和電纜溝回填土)的熱阻和電阻試驗非常重要,這是電纜設計的重要根據。如果是近岸風場,地質勘察工作就更加復雜。

2.3 場內道路

風力電場內要建設場內道路。場內道路有兩個作用:一是在建設時期運輸風機設備、建筑材料、施工人員等,二是便于對建成的風力電場進行運營維護。風機制造商一般會對場內道路的縱段和橫斷面坡度、路面寬度、路肩寬度、轉彎半徑以及道路半剛性墊層的承載力等提出明確要求,以利風機的運輸安裝。設計單位應根據地質勘察報告和場地的工程地質情況,結合風機制造商提出的要求進行相關設計。美國AASHTO規范[9]規定,對運輸重型設備的場區內道路,級配良好的回填砂石料至少要保持10 cm厚度,并碾壓到至少95%(ASTM D 1557/AASHTO T180,重型擊實試驗)或98%的密實度(ASTM D 698/AASHTO T99,一般擊實試驗)。修建在軟弱天然地基上的場內道路要增加回填砂石料墊層的厚度,必要時采用土工織物手段進行改良,防止風機運輸車輛在運輸過程中出現事故。

2.4 風機基礎

風機葉片在風的帶動下轉動,承受風荷載,并以彎矩和扭矩的形式通過連結塔架法蘭和基礎立柱的地腳螺栓傳到基礎,同時基礎還承受上部結構傳下來的重量和水平剪力;傳到基礎的彎矩荷載因單機容量、塔架高度以及風速等的不同而不同,彎矩大約50 000～60 000 kN· m,重量 2 500～2 900 kN,水平剪力600～800 kN,扭矩1 000～1 500 kN·m的量級[6]。對一個單獨基礎來說,這樣的荷載量級和組合是相當大和復雜的。

風場風機基礎的設計非常重要,而且設計水平對風力電場項目的土木工程造價比較敏感。文獻[7,8]和文獻[7,9]總結了目前國內外陸地和近岸風場風機基礎的結構形式。其中,重力式基礎是目前陸地風場項目使用最多的一種基礎結構形式,其靠自身的質量使風機豎立在地面上。圖1是陸上重力式基礎的示意圖,圖2是重力基礎的施工現場。另外,錨桿式基礎也得到應用。錨桿式基礎是通過樁帽連結塔架法蘭和錨桿,并通過錨桿將基礎牢固錨固在巖土介質的基礎結構形式,圖3是錨桿式風機基礎的示意圖。

以某電廠2號主變為例，型號為（DFP-240000/500）單相變壓器，每一相額定容量240MVA，每相底部設計安裝有2個注油閥門，閥門型號為DN100黃銅球閥，運行中2個注油閥門處于關閉狀態。

圖1 陸地風場重力式基礎Fig.1 Onshore gravity foundation

圖2 重力式基礎施工Fig.2 Construction of gravity foundation

圖3 陸地風場錨桿基礎Fig.3 Onshore rock/soil anchor foundation

除了這兩種經典的基礎結構形式外,還有一些工程咨詢公司推出了獲得專利的風機基礎結構。圖4是獲得美國專利的P-H基礎正在施工的照片。該基礎用雙層同心的鍍鋅板構成混凝土結構的永久外殼,并埋進巖土介質。雙層鍍鋅板內設置配筋,地腳螺栓也預埋進混凝土內。該基礎結構施工簡單,混凝土和鋼筋用量較少,經濟效益較好。

風機基礎是風力電場項目中比較大的土木工程項目。如果設計保守,造價會放大猛增;如果設計欠缺,問題會在運營中出現,導致不可挽回的損失。因此,開發經濟實用、可靠的基礎結構非常有利于風力電場的建設。

圖4 在施工的P-H基礎Fig.4 Construction of P-H foundation

3 荷載、設計荷載系數和荷載組合問題

長期的風速均值和分布以及風切變都是對風能產量至關重要的考慮因素,風速荷載預測一般通過現場量測并把量測結果、歷史記錄以及其他地形、土壤粗糙度、植被情況等輸入軟件進行各種風力數據的分析和模擬[4]。風機制造商會在風機運轉和待機兩種情況下對10 min的速度均值做大量的荷載模擬,并考慮不同規范、不同安全系數下用數理統計手段決定設計荷載。因此,對土木工程,尤其是風機基礎工程設計,最好直接采用風機制造商提供的數據。

模擬的風荷載一般分為Abnormal,Extreme以及Operating荷載。Abnormal荷載指不太可能遇到的非正常荷載,如大颶風等。Extreme荷載指風機設計壽命期50年內可能遇到的唯一一次荷載,因此他們比一天、一周、一個月反復遇到的荷載(一般指運行荷載)一般要大很多[11]。文獻[8]模擬結果顯示月平均荷載可能是Extreme荷載的16%～60%。但同時也指出,運行荷載有時也大于Extreme荷載,特別是在大陸氣候的待機狀態下。因此選用設計荷載要根據風機制造商提供的荷載情況、設計規范以及風電項目具體的工程情況決定。

表1總結了國內外規范對風荷載荷載系數的規定。風機制造商不提供荷載組合模式,因此應根據土木類相關規范進行。

表1 國內外規范中風荷載的荷載系數取值[12～16]Table 1 Wind load factors in different codes

4 有關風電中土木類的設計規范討論

根據筆者對國內外風電項目相關文獻的了解,與風電中土木工程問題有直接關系的比較流行的規范和指導手冊目前有兩個,文獻[7]和文獻[12],但也僅僅是其中的幾個章節有所涉及。文獻[7]是丹麥羅素國家實驗室就風力發電頒布的一部指導手冊,內容涉及到了風機制造和安裝等內容。文獻[12]則是國際電力委員會就風電頒布的一部標準,為保證風電設施的安全運行,在其中對土木工程問題做了一些規定和要求。在風電建設中,從設計到施工各個環節的土木工程往往需要參照、結合國際或者當地的有關規范,比如除了上面的有關討論外,連結塔架法蘭和基礎結構的地腳螺栓抗拔驗算一般按美國混凝土協會針對核電建設的混凝土結構規范執行,而風荷載導致的地腳螺栓的受力分析借用美國土木工程學會頒布的針對石油化工業的風荷載和地腳螺栓設計指導手冊。

圖5 風電項目中的工程事故Fig.5 Mis-design caused accidents in wind projects

5 對風電項目中一些研究問題的思考

風力發電技術涉及的學科廣,而且發展迅速,需實時關注、跟蹤本學科的準確動態。根據筆者等對文獻和行業動態的了解,目前引起業界重視的基礎性和應用性的關鍵技術問題包括:風能資源普查和評估技術,風電場發電量預測技術(實質是風速預測技術)、風力發電全系統仿真技術、風機、葉片的制造技術和新材料的應用、風電系統的結構動力分析、風電并網及穩定性技術,海上風電技術包括陸地風場工程設計和施工等[17～19]。針對前兩個地方特色明顯的問題,做了如下思考和討論:

5.1 風資源量測、風資源評估和風速預測問題

風資源量測和評估技術早就有之,問題的關鍵是量測和評估的精度。影響風資源量測和評估精度的因素包括設備偏差、量測時間、高度以及數據處理問題。風速測量設備包括風速計、風向標和數據記錄器等。目前國內外均有制造,但精度不一,因此對設備應進行測試、評估,在量測中盡量用高精度的設備。為建設一個風力發電場,國外要現場持續量測風速3年,積累大量資料,并在分析軟件中輸入40年的歷史測風數據和具體場地的數據,測風塔的高度一般不低于50 m。近年來隨著技術引進,我國在風資源量測技術方面進步很快,但國內在風況數據的積累,特別是風況歷史資料的積累方面與國外還有一定的差距。

在近岸風資源的量測技術上,文獻[20]指出1990年前用于近海風能的現場測風資料是很少的,多數風資料是從氣象觀測、船只觀測以及海洋石油平臺上的觀測資料獲得。文獻[21]評述說用海洋測風塔或者氣象塔搜集的海洋風速數據比較零散,互不關聯,因此用海洋測風塔收集到的風況資料是否適合用來建設海洋風場是個疑問。文獻[9]報道中國長江三峽集團公司利用建設在江蘇響水附近的海洋測風塔收集測風速數據和海洋數據;而在國外,近幾年來衛星遙感技術(satellite borne remotesensing)已被用來導出、評價臨近海平面的風速資料和風資源[22],這其中包括安裝在美國NASA的Quick-SCAT衛星上的海洋測風器(sea wind scatterometer),歐洲空間署ERSt1/2衛星上的合成孔徑雷達(synthetic aperture radars,SAR),以及安裝在 ESA Envisat衛星上的改進合成孔徑雷達(advanced synthetic aperture radars,ASAR),文獻[20～29]對這些技術的應用和精度做了詳細的評估,結論是這些技術的突出優點是觀測范圍廣,局限是需要截取大量的數據和圖像以保證精度,用SAR方法量測海平面10 m以上風速偏差可以控制在0.35 m/s,均方差2 m/s,和現場觀測數據的相關度達到90%,但近岸風機的高度一般在海平面100 m左右,在豎向上怎么外推風速仍具有挑戰性。

風資源的評估主要有應用現場風速的量測和數值模擬兩種技術?，F場風速量測包括氣象站的資料和風場測風塔的監測資料[30,31]。風力發電量是和風速呈立方關系,風速和高度又呈指數相關關系[32,33],因此風場中風速的些許變化會引起輸出風電的較大波動。文獻[30]指出由于國內現有的氣象觀測站的觀測高度,地域分布密度和分布間距,以及多數處在城市邊緣位置等原因,基于氣象站觀測資料的風能資源評估還不能滿足中國制定風電發展規劃對風能資源評估的需求。國外一般建立不同高度的測風塔(如印度一般用20～25 m的測風塔,歐洲、美國一般用50 m以上的測風塔)進行監測,然后用專門數值分析和模擬軟件結合現場測風數據、歷史數據(氣象資料)以及場地的地貌、氣候等進行風資源的評估[33]。在數值模擬方面,又分為中尺度(mesoscale,大于5 km間距)和微尺度(風力電場尺度,1 km或者小于1 km尺度),有關軟件在國際上有丹麥的WAsP微尺度風場數值模擬軟件,美國的中尺度MesoMap和微尺度的SiteWind數值模擬和分析軟件;文獻[32]報道加拿大氣象局將中尺度模式MC2與小尺度模式Ms2micro相結合建立了WEST(wind energy simulation toolkit)數值模式系統,制作了加拿大5 km ×5 km分辨率的風能資源圖譜,并對部分地區進行了1 km ×1 km的風能資源數值模擬。在國內,中山大學在科技部“863”計劃的支持下開發了基于中尺度數值分析模式和地理信息系統的風電場風能資源評估軟件系統;2005年中國氣象局風能太陽能資源評估中心引進了加拿大氣象局風能資源數值模擬系統,在此基礎上經過本地化的改進后,建立了中國氣象局風能資源數值模式系統,并用來模擬分析了江蘇省和青海省的風力資源[32]。

上述工作的目的是為了較準確地預測風速,從而預測風力發電量。文獻[28,31]指出馮卡門反應譜對風洞中的湍流描述比較好,實際上馮卡門湍流理論正是微尺度風力數值模擬的基礎,而中尺度主要采用氣象模型。但風資源最大的一個特點是變化性,風速會隨時間、氣候和地理因素的變化而變化,量測的手段、設備和軟件的分析水平也對風資源的量測、評估以致預測誤差有重要的影響。因此,在馮卡門基本理論的基礎上,這些數值模擬分析技術采用了一些數學手段來降低預測的不定性和誤差。這些數學技術包括:a.算術平均。b.基于時間序列分析的ARMA模型。c.基于時間序列分析的ARX模型和遞歸最小二乘法的耦合方法等[30,34～36]。國內文獻鮮有數學處理方法上的報道。

從以上分析來看,我國的風資源量測和評估在設備和數據處理技術上與國外相比存在差距,尤其是在風況歷史數據的積累方面,差距較大。風力發電在中國會有一個相當長的發展期,因此筆者等建議認真做好國內的風資源的量測和評估,盡可能多地設立測風塔,做好風況數據的積累和分析工作。在有關數據處理的理論方法上,除了在數值模擬分析中提及的數學方法外,應用貝葉斯方法處理不定性并做出風力預測,并結合其他數學手段開發國產風力模擬分析軟件可能會是一個比較合適的方向。

5.2 全國和地區級的風資源數據庫和風資源分布圖

國外風資源的量測數據和評估結果都存進數據庫并輸出到基于GIS的圖形上。文獻[30]指出美國可再生能源實驗室對中國的東南地區風力資源做了分析并形成了分布圖,丹麥Risφ新能源實驗室也用衛星SAR方法對中國廣東、福建兩省風資源進行了量測和評估[37]。國內不少人士也呼吁建立基于GIS系統的風資源數據和評估系統[38]。根據網上調查,國內已有風資源分布圖但版本不同,頒布單位不同,地域范圍不同,精確度也廣受懷疑。根據美國的經驗[39],筆者等認為建立全國性、多層次、多級別的風資源數據庫和資源分布圖非常必要,具體工作宜由國家專職部門牽頭,研究單位和私人咨詢公司聯合參加,并將有關測風數據用國內開發和國外通用的數值模擬系統進行驗證,以保證工作的質量和數據、圖像的可靠性。

6 結語

中國的風電建設給開發具有自主知識產權的制造技術、仿真技術、模擬分析和預測技術、工程設計、施工技術等提供了機遇和挑戰。在研究攻關的同時,應投入人力、物力做好風力資源的量測和評估,建立永久的數據庫,儲備相關圖形文件,在這些技術領域做到專業、規范,并形成可靠的、成熟的、具有自主知識產權的技術體系,以便我國更好地利用風力資源。風力電場的建設在考慮風資源和電量輸出的同時,也應考慮土地的綜合利用,充分利用沿海灘涂、湖泊坡地等。目前陸上風場的建設比較多,但同時也應跟蹤研究近岸風場的一系列技術。

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