沙漠邊緣地帶風力發電工程建設特征研究

祁林攀，王佳，王健 ，宋棋芃

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

1 引言

近年來，隨著國家“雙碳”戰略目標的提出，風力發電作為一種可再生無污染的綠色能源發電方式，又獲得了新一輪的快速發展。風機已遍及全國各地的山嶺、平原、高原、戈壁、近海[1]，甚至沙漠邊緣地區。然而，比之其他環境，沙漠邊緣地區雖然風資源豐富，但工程建設環境惡劣，面臨特殊的氣象條件、地質特性和沙害等不利因素，其建設應綜合考慮，系統化地克服各種不利因素。本文基于內蒙古某風力發電工程，對沙漠邊緣地帶風電建設存在的技術難點進行了分析和研究，并提出了相關應對措施，以期對后續類似工程有所裨益。

2 風力發電工程組成

風能是一種清潔無公害的可再生能源，風力發電是把風能轉為電能的過程。風力發電工程一般由風電機組、場內道路、輸電線路和升壓站等組成，其中風電機組，即風力發電機（簡稱風機），是構成風力發電工程的核心，主要由基礎、塔筒、輪轂、葉片和機艙等構成。

3 工程概況

本文所述風力發電工程位于內蒙古阿拉善盟阿拉善左旗北部，布置122臺3.3 MW風機，見圖1。風電場東側為低山丘陵，西側為山前傾斜戈壁平原、半固定沙丘及平緩沙地，西側毗鄰沙漠，地勢總體東高西低。項目建設主要內容包括風機及箱變基礎、場內道路、風機吊裝、集電線路、升壓站土建，以及安裝、調試和試運行等。沙漠邊緣地帶這種特殊條件下的工程建設特征和應對措施是此次研究的重點。

圖1 內蒙古某風力發電工程

4 沙漠邊緣地帶建設環境

項目場址區地處東部季風區與西部干旱區域的交匯地帶，屬典型的大陸性氣候，為中溫帶荒漠干旱區或極度干旱區，冬冷夏熱，晝夜溫差大，干旱少雨，風大沙多，蒸發強烈。根據當地氣象站多年實測資料，極端最高氣溫39.1℃，極端最低氣溫-34.0℃，年平均氣溫5.9℃。場址區域海拔高度1 500～1 710 m，90 m高度年平均風速6.5～8.0 m/s，風功率密度280～500 W/m2，風能資源豐富。

場區受強大的蒙古高壓（反氣旋）和蒙古低壓（氣旋）影響，在西風環流的大背景下，適應陰山山脈及河套平原特殊地形，總體盛行偏西風、西西北風、西北風，次主風向以東東南風為主。每年10月～次年5月，風電場盛行偏西風（W、WNW、NW）；每年6～9月，盛行東東南風(ESE)。

場址西側毗鄰亞瑪雷克沙漠，分布有平緩沙地和南北向展布的沙丘，氣候干燥、風沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或無植被。根據沙漠邊緣地帶典型機位地質勘察成果（見表1和圖2），地層自上而下分布有細砂、礫砂、角礫、泥巖和片麻巖等。細砂層一般厚度較大，力學性質差，代表了沙漠邊緣地帶的地質特征，對工程建設的影響最為顯著。細沙層一般顆粒較細、黏結性差、天然含水量小、沙層穩定性差，但水穩性能好、沉降均勻、整體強度高。

表1 沙漠邊緣地帶典型地層特征表

圖2 沙漠邊緣地帶地質實例

5 沙漠邊緣地帶風力發電工程建設的不利因素

沙漠邊緣地帶工程建設面臨的關鍵問題是風和沙。在風沙綜合作用下，易形成風蝕、沙埋和沙移等危害，一方面會使風機葉片、塔筒和機電設備等產生沖蝕、侵入、磨損和故障；另一方面，也會對工程實體產生掩埋或推移效應，使工程建設存在諸多不利因素。

1）風電機組。風機葉片受到風沙長期作用引起沖蝕；輪轂變槳系統軸承進風沙后磨損；機艙進風沙后造成艙內齒輪箱或電氣設備故障；風蝕磨損塔筒表面涂料；塔筒底部被流沙掩埋；底部積沙過高時會影響葉片的正常運轉；沙移造成基礎的不均勻沉降傾斜而影響機組安全。

2）機電設備。風沙進入機械傳動系統造成磨損；沙堆積導致電氣設備散熱性下降；沙塵吸入造成電氣設備絕緣性能降低，進而發生接地或短路事故；沙塵入侵危害到制動系統的安全使用及壽命；風沙移動嚴重時會淹沒設備。

3）場內道路。道路經過移動沙丘或風積沙地帶；道路穿過連續性沙丘或沙包；路基坐落在沙層上強度和硬度不夠；路基或路肩被風蝕而遭破壞；路基或路面被風積沙掩埋。

4）輸電線路。風蝕造成線路塔基的淘蝕；風沙輸移造成塔架磨損[2]及塔身傾斜；沙堆積埋壓塔基造成不均勻沉降；埋壓塔架造成局部或整體破壞。

6 沙漠邊緣地帶風力發電工程建設的應對措施

沙漠邊緣地帶的風力發電工程建設要因地制宜，從總體布置、線路選線、工程設計和設備選型等方面統籌考慮，根據具體的邊界條件，采取不同的實施方案，建立不同的防風沙體系，系統化克服不利因素的影響。

1）風電機組。風機整體布置應避開移動沙丘地帶；葉片面漆采用耐沖蝕涂層并增加厚度；輪轂和機艙的罩殼采用流線形，采取防風沙封閉措施；輪轂和機艙中，機械傳動采用封閉式結構和全密封設計；輪轂和機艙對外的通氣等部位加裝可靠的防塵裝置；塔筒門與主風向夾角大于90°；有條件時抬高基礎或壓覆碎石；風機基礎優先采用樁類基礎。

2）機電設備。選用防護等級高和密封性能好的電氣設備和盤柜；機械傳動采用封閉式結構和密封設計；將設備放置于密封性好的空間；風沙敏感設備采用專業防塵設計；設置空氣過濾防護；機械零件旋轉傳動間隙處設置迷宮密封結構；設備防護罩采用翻邊倒扣連接；連接接縫、間隙和開孔等設置密封件。

3）場內道路。道路選線繞開嚴重的流沙地段；穿沙時利用沙丘的背風面和風蝕洼地用最短的距離通過；路線盡量與風電場的全年主導風向大致平行；路基邊坡和路肩使用黏土和砂礫進行封閉；上風向設柵欄、草方格網或沙生植物固沙；優化路基壓實系數、鋪設加強材料和增加路面鋪筑厚度[3]。

4）輸電線路。線路轉角和終端等關鍵節點桿塔優先使用鐵塔；桿塔基礎表面采取壓沙和固沙處理；桿塔基礎周圍覆蓋礫石等防護材料防止塔基風蝕；轉角和終端桿塔基礎優先使用鋼筋混凝土柔性基礎；位于沙地的桿塔適當加大基礎面積或埋深。

7 新技術應用

隨著科學技術的進步，沙漠邊緣地帶的風力發電工程建設也應該緊跟時代潮流，運用更科學、先進和環保的技術手段，尋求更優的解決途徑，力爭科技與防沙的高度統一，工程建設與自然環境的和諧發展。

1）利用沙漠邊緣地帶生態綠化技術[4]，選擇適合的植物重建生態系統，針對性地增加地面的植被覆蓋度，降低風速，減免風蝕，控制流沙移動，減少沙害對工程的影響，達到防治風沙危害的目的。

2）推進風電機組防風沙新技術應用，如葉片和塔筒表面使用新型高耐磨性聚合物涂料；變漿軸承等關鍵部件采用三唇及以上密封結構，密封圈采用先進的旋轉唇形密封結構，連接間隙處設置內翻或交錯的迷宮密封結構；機艙和塔筒采用微正壓技術。

3）構建智慧化風電場和智慧工地。基于測控技術、通信技術、信息化技術、大數據處理技術以及各類智能算法，實現對風電場工程建設的數字化管控以及設備的全生命周期精細化狀態監控，實時全面反饋電站的運行狀態和風沙影響規律，有針對性地防沙治沙。

4）運用無人機航拍及測量技術輔助微觀選址、地形測繪和防風治沙。通過無人機取代人力采集地形數據、巡視線路沿線地形地貌的變化，掌握各控制點的細微變化和發展趨勢，從而采取預防性的防風固沙措施。

5）推廣綠色施工技術，加強施工過程環境保護。合理優化施工工藝，減少施工用地和水資源使用，盡可能保護施工范圍內的綠色植被，完工后及時進行綠化和生態修復，減少工程建設對環境的負面影響。

8 結論

綜上所述，本文研究了沙漠邊緣地帶的風力發電工程建設面臨特殊的氣象條件、地質特性和工程沙害等不利因素，并提出了適應性的措施和新技術方向，對類似工程的建設具有指導意義。

1）沙漠邊緣地帶最常見的危險是風蝕、沙埋和沙移。工程總體布置時，應盡量避開沙害嚴重區域；場內道路和集電線路的選線，應盡量避開沙害嚴重地段，線路走向盡量與風電場的全年主導風向平行。

2）風機機組的防風沙措施關鍵在于：葉片和塔筒采用流線形設計和面漆采用足夠厚度的耐沖蝕涂料；機艙和零部件采用密封、隔離和防塵設計；選用適應沙漠地質力學性能的樁類基礎。

3）沙漠邊緣地帶機電設置應采用防護等級高和密封性能好的電氣設備和盤柜，機械傳動采用封閉式結構和密封設計，對風沙敏感設備及部件采用專業防塵結構設計，宜將機電設備設置在密封性好的房間或艙體。

4）沙漠邊緣地帶土建設計應充分考慮以細沙層為代表的地質力學性能[5]，風機基礎優先采用樁類基礎，有針對性地通過路基壓實、鋪設加強材料和增加路面鋪筑厚度提高道路路基承載力，重要桿塔優先使用柔性基礎。

5）應重視沙漠邊緣地帶工程建設的新技術應用，通過生態綠化、智慧化風電、無人機航拍、機組防風沙新技術和綠色施工技術等手段，有針對性地防沙治沙，促進人與自然的和諧和可持續發展。