論風力發電機基礎設計的要點及安全控制原則

程新波

摘 要：本文將針對當前風力發電機基礎設計的特點，以及國內外相應的規范標準，考慮抗震要求，分析論述風力發電機基礎設計的要點，可為同類設計時提供借鑒。

關鍵詞：風機基礎；結構設計；規范

中圖分類號：TM315 文獻標識碼： A

中國已成為全球風電行業的領頭羊。2009年中國風電新增裝機容量達1380萬kW，位居世界第一。而2010年，全球每三臺新安裝的風電機組，就有一臺在中國。中國的風能潛力巨大，到2020年的風電累計裝機可以達到2.3億kW，相當于13個三峽電站；總發電量可以達到4649億kW·h，可取代200個火電廠。屆時，風電將成為中國主要能源來源之一，總裝機容量占全國電力裝機容量的15%左右，每年可減少4.1億t二氧化碳排放，或者少消耗近1.5億t的標準煤。

我國政府對經濟社會全局和長遠發展做出重大部署，制定了 《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》，以加速我國經濟的持續增長。同時確定，2015年風電并網裝機容量將達到1億kW，2020年超過2億kW。今年年初，國家能源局發布的核準和擬核準項目總容量超過了4800萬kW，現有的規劃在理論上足以支持未來3年年均1600萬kW的新增裝機容量。

在如此巨大的國家宏觀調控力度下，風電場建設如火如荼，遍地開花，風機基礎的建設量也相當龐大。但因為目前中國風機基礎設計研究的理論還不是很成熟，多數是借鑒的國外相關技術，故在風機基礎設計方面還有很多需要研究和完善的地方。

以下就風機基礎設計的相關理論及技術作一些分析與總結，僅供參考。

一、當前風機基礎設計的理論及相關規范（國外、國內）

1 當前風機基礎設計的理論

由于風機塔筒的高度相對比較高，一般在80m左右，葉輪半徑約40m，上部結構約250t，風機基礎設計的理論模型為一個自重較大的高聳結構。抗傾覆設計為其設計的主要考慮因素。目前比較可靠的基礎理論為通過設備及基礎的自重對傾覆點產生的抗傾覆力矩來抵抗由風機工作及地震等產生的傾覆力矩。設計考慮的是偏心距/基礎底板半徑，在正常工況時不大于0.25，極端工況與地震時不大于0.43。在這一基本理論的前提下北京木聯能工程科技有限公司開發了相應的風電工程軟件-機組塔架地基基礎設計軟件（WTF）（v4.4.1），目前風機基礎設計也主要是依靠的此理論。

2 目前國內使用的相關標準

《風電機組地基基礎設計規定（試行）》FD003-2007；《風電場工程等級劃分及設計安全標準》FD002-2007；《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008；《建筑抗震設計規范》GB50011-2010；《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011；《混凝土結構設計規范》GB50010-2010；《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008。

3 借鑒的國外標準：（主要是德國的DIN）

《DIN1045》德國標準。

二、風機基礎設計時安全控制的要點

風機基礎設計主要考慮的是抗傾覆和基礎本身的整體性，在設計時主要從以下幾個方面來控制：

1 抗傾覆控制，偏心距的控制是比較重要的，這一可以保證安全系數不小于1.2；

2 基礎本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設計控制；

3 基礎的整體性和與上部結構塔筒的連接設計控制。

三、設計案例

1 項目簡介

新疆某風電場，單機裝機容量2MW。風機輪轂高度70m，葉片直徑87m。風電機組地基基礎設計級別為1級，基礎結構安全等級為二級，風電機組基礎設計使用年限為50年，基礎采用鋼筋混凝土擴展圓形基礎。風電機組基礎抗震設防分類為丙類。

2 設計過程

本項目最大工況的傾覆力矩為37707.057kN·m。

設計計算程序為CFD風電工程軟件-機組塔架地基基礎設計軟件（WTF）（v4.4.1）（北京木聯能工程科技有限公司）。

本工程采用軟件設計時，需要不斷的調整基礎底板直徑及基礎高度來試算，在滿足抗傾覆安全的前提下，盡量縮減混凝土和鋼筋用量。

經過不斷調整與試算，得出較為經濟合理的基礎尺寸。

基礎尺寸為：

基礎底板半徑R = 9.55m

基礎棱臺頂面半徑R1 = 3.5m

基礎臺柱半徑R2 = 3.5m

塔筒直徑B3 = 4.2m

基礎底板外緣高度H1 = 1m

基礎底板棱臺高度H2 = 1.5m

臺柱高度H3 = 0.9m

上部荷載作用力標高Hb = 0.615m

基礎埋深Hd = 3.3m

荷載分項系數：

永久荷載分項系數（不利/有利）：1.2/1

可變荷載分項系數（不利/有利）：1.5/0

疲勞荷載分項系數：1

偶然荷載分項系數：1

結構重要性系數：1.1

荷載修正安全系數：1.35

方量計算：

基礎混凝土體積V12：536.164m3

基礎覆土體積V22：413.204m3

經過基礎本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設計控制，以及基礎的整體性和與上部結構塔筒的連接設計。

結語

風機基礎涉及整個風機的安全穩定，一旦設計出現偏差，風機將會產生傾覆的危險。不僅產生很大的經濟影響（一個風機含直接安裝設備的造價都在500萬左右），也可能產生生命安全事故。我們在進行設計的時候，紀要考慮其經濟性，又要考慮其安全性。

參考文獻

[1] GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[3] FD003-2007，風電機組地基基礎設計規定（試行）[S].

[4] FD002-2007，風電場工程等級劃分及設計安全標準[S].

[5] GB50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[6] GB50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].