小容量換裝大容量風電機組的基礎升級改造分析

吳 澤

上海勘測設計研究院有限公司

0 引言

力爭2030年前碳達峰、努力爭取2060年前碳中和的目標，是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。

隨著技術的發展，國內風電機組單機容量日漸大型化。對于陸上風電場，受制于當時的技術條件，首批建設的風電機組容量大多不超過2 MW，未能充分合理利用風資源，無論從風電場歷年實際發電量還是理論發電量來看，大容量風機相較小容量風機均有明顯優勢。

考慮到風電機組大型化發展的趨勢，上海臨港某風電場決定將其早期投產的小容量風機換裝成8 MW 大容量機組，并進行技術驗證。為盡可能降低成本，擬對原小容量風機基礎進行改造加固，以適應新的大容量風機。

1 項目概況

上海臨港某風電場于2009年建成發電，安裝數臺單機容量為1.25 MW 及2 MW 的風力發電機組。目前來看，單機容量偏小，未能充分合理利用風資源。

本次改造工程將其中1 臺機組拆除，換裝1 臺單機容量為8 MW 的機組。原風機基礎為鋼筋混凝土樁基承臺基礎，承臺總高3.0 m，半徑10.5 m，下設36根灌注樁，樁徑0.8 m，分3圈布置。原基礎布置見圖1和圖2。

圖1 原風機基礎立面圖

圖2 原風機基礎樁位圖

2 基本資料

2.1 設備資料

新風機采用8 MW機型，輪轂安裝高度為125 m，葉輪直徑230 m。各工況的基礎設計荷載見表1。

表1 風機塔筒底部荷載標準值表

2.2 工程地質

場址內地表高程在3.6～4.5 m 左右，地勢平坦，處于河口、沙嘴、沙島地貌與潮坪地貌兩種地貌類型的交會過渡地段。場址區域地層結構從上到下依次為：

第①1層填土，雜色，很濕，松散，高等壓縮性。層厚約1.00～2.80 m。

第②3a層砂質粉土，灰色，飽和，松散至稍密，中等壓縮性。層厚約3.30～4.30 m。

第②3b層砂質粉土，灰色，飽和，稍密至中密，中等壓縮性。層厚約9.10～10.20 m。

第②層淤泥質黏土，灰色，飽和，流塑，高等壓縮性。層厚約2.40～3.50 m。

第③1層粉質黏土，灰色，很濕，軟塑，高等壓縮性。層厚約3.20～4.30 m。

第④層淤泥質黏土，灰色，飽和，流塑，高等壓縮性。層厚約2.40～3.50 m。

第⑤1層粉質黏土，灰色，很濕，軟塑，高等壓縮性。層厚約3.20～4.30 m。

第⑥層粉質黏土，暗綠至灰黃色，濕，可塑，中等偏高壓縮性。層厚約3.60～3.90 m。

第⑦1層砂質粉土，灰黃色，飽和，密實狀為主，中等偏低壓縮性。層厚約2.90～3.00 m。

擬建場地內灌注樁的樁側極限摩阻力標準值fs、樁端極限端阻力標準值fp、抗拔承載力系數λ、水平抗力系數的比例系數m見表2。

表2 樁基設計參數表

3 基礎改造方案

3.1 方案擬定

本次改造技術路線為：將原基礎承臺拆除，保留原有樁基，通過增加樁基數量及擴大承臺等措施，加強基礎整體剛度，以符合8 MW 機組的安全運行要求。

擬定新建風機基礎承臺高度4.5 m，分為上、中、下三部分，上部為半徑4.6 m、高0.8 m 的圓柱；中部為頂面半徑4.6 m、底面半徑12.2 m、高1.9 m的圓臺；下部為半徑12.2 m、高度為1.8 m的圓柱。

承臺下均勻布置5 圈共60 根鉆孔灌注樁。其中，三圈36 根灌注樁為原有，原有樁基須采用專用工具切割至指定標高，且保留主筋。在外側及中間新增兩圈24 根灌注樁，樁型與原有樁型一致，直徑φ800 mm，樁長40 m。新建風機基礎結構見圖3和圖4。

圖3 新建風機基礎立面圖

圖4 新建風機基礎樁位圖

3.2 樁基驗算

3.2.1 樁頂效應

根據《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10311-2019）對需要設計的內容須首先進行各荷載工況的組合計算，同時需要考慮極端高、低水位情況。經計算，極端荷載工況為最不利荷載效應組合。樁頂荷載效應主要計算結果見表3。

表3 樁頂荷載效應組合計算結果

3.2.2 樁基承載力計算

單樁豎向承載力按《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10311-2019）中公式計算。

1）單樁豎向承載力特征值

2）單樁抗拔極限承載力標準值

3）單樁水平承載力特征值

經計算，控制工況為極端荷載工況，計算結果見表4。

表4 基樁承載力計算結果匯總表

3.2.3 沉降變形驗算

按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）中的公式5.5.6 計算樁基沉降。

計算結果見表5。

表5 風機基礎變形計算結果匯總表

綜上可知，樁基數量增加后，在大容量機組作用下的樁基承載力和變形均滿足規范要求。后續僅需合理配置鋼筋，滿足樁基及承臺的抗彎、裂縫控制標準即可。

4 施工

本次風機基礎升級改造主體工程施工流程為：風機吊裝平臺加固→原風電機組拆除→原風電機組基礎承臺拆除→新增樁基施工→灌注樁樁頭處理→新風電機組基礎承臺施工→新風電機組安裝→調試及試運行。

需要注意的是，原基礎承臺的拆除不可采用爆破方式，以免損壞地下樁基，應根據現場情況將大體積混凝土分區、分層、對稱區塊鑿除，鑿除過程中施工機械不得坐于承臺上，確保不損壞承臺底下樁基。

5 效益

5.1 經濟效益

該風機基礎升級改造方案相較完全新建方案節省了36 根樁，節約造價約200 萬元，工期也大幅縮短。

此外，風電機組基礎占地在前期開發建設時已按單臺500 m2計征，改造后的風電機組基礎總占地面積467.6 m2，故本次無新增永久征地費。

目前，該基礎改造工程已實施完成，新風機已并網發電，運行良好。

5.2 環境效益

工程改造后，新裝的8 MW 風機年上網發電量2 326.65 萬kWh，與相同發電量的火電相比，每年可為電網節約大約0.71 萬tce，可減少排放SO23.72 t/a，氮氧化合物（NOx）4.16 t/a，煙塵0.74 t/a，減少排放溫室效應氣體二氧化碳（CO2）1.94 萬t/a，同時還能減少相應的水力排灰廢水和溫排水等對水環境的污染。由此可見，換裝大容量機組后具有明顯的環境效益和節能效益。

6 結語

隨著國內首批建設的風電場設備20 年使用年限越來越近，大批陸上風機需進行更換。而一般風機基礎的設計使用年限為50 年，為風機設備的2 倍多，若全部另選機位新建基礎，則會造成資源大量浪費。該基礎改造方案在造價、工期、土地利用等方面均有較大優勢，對后續類似工程具有重要的參考意義。