编委特刊 | 周绪红院士团队：风电机组支撑结构技术发展现状及趋势

研究背景

 Research background 

1  风电机组塔筒结构

1.1　全钢结构塔筒

全钢结构塔筒一般采用焊接钢管,采用钢板卷制焊接而成,形成不同规格的锥形筒,多个锥形筒焊接后组成较长的部件,并在两端焊接法兰,运输至现场后通过螺栓装配为整塔,见图 2。全钢结构塔筒的设计控制通常结合强度、稳定性、疲劳和避免共振等因素进行考虑,大多数塔筒的极限破坏模式为局部屈曲(图 3(a))。随着风电机组的大型化发展趋势和中低风速地区风能开发需求的增加,机组的轮毂高度不断增加,这使塔筒的固有频率减小,从而可能引发共振,因此全钢结构塔筒的固有频率控制成为提高发电效率、降低成本的关键技术问题。

图2　全钢塔筒

图3　全钢结构塔筒破坏形式与试验

控制塔筒的固有频率主要有两种方法。第一种方法是通过改变塔筒的尺寸和重量来增加其固有频率,但由于塔筒外径受运输限制且重量增加会导致成本上升,这种方法的实际应用可行性不高。第二种方法是通过控制风电机组的运行,利用共振穿越技术、不平衡补偿、TMD 技术和振动抑制等技术手段,来规避塔筒与机组之间的共振风险。

目前的研究主要围绕局部屈曲和结构优化展开。研究人员通过大规模试验(图 3(b))评估了局部屈曲性能,以现有规范为基础提出了设计方法,考虑了几何非线性、材料非线性和结构缺陷,应用了屈曲理论,并采用了目标优化的结构设计、振动控制优化、模拟优化等方法。目前,全钢结构塔筒的设计制造方法已经较为成熟,但应用于超过 140 m 的高轮毂风电机组时存在成本过高的问题。

1.2　钢-混凝土混合结构塔筒

钢-混凝土混合结构塔筒(简称“混塔”)由全混凝土塔筒发展而来,早期全混凝土塔筒常采用现浇的方式施工,但存在施工难度大、施工周期较长、工程质量保障难等问题。基于装配式技术,采用预制混凝土筒片替代现浇混凝土塔筒成为发挥混凝土材料优势的最佳选择。混塔由上部纯钢塔筒和下部预制混凝土塔筒组成(图 4),并采用竖向后张预应力钢绞线加强整体性 。

图4　混塔的形式与拼装

相较于全钢结构塔筒,混塔具有承载力高、抗侧刚度大、成本低等优势,在低风速区高轮毂风电机组中得到了广泛应用。与全钢结构塔筒相比,混塔可通过调整钢塔段与混凝土塔段高度比例,控制塔筒固有频率,无须额外增加复杂的控制策略和内部减振装置,便可应对各种复杂的工况,无须增加额外的运维负担。2023 年,陆上风电采用混凝土塔架的装机容量接近 18 GW,按公开中标陆上风电统计数据测算,混塔的风电市场占比高达 30%,且 140 m 以上高塔基本全系列采用混塔塔架。2024 年,金风科技研制的 185 m 钢混塔项目在秦皇岛金风抚宁区批量安装,成为全球首个 185 m 钢混塔批量项目。

混塔的设计以国内外相关规范辅以有限元计算进行,需要考虑混凝土塔段与钢塔段的极限承载力、刚度、稳定性、疲劳以及自振频率、顶部最大位移、局部承载力、预应力等。目前混塔设计的难点在于筒片接缝承载力、复杂荷载下结构极限承载力和混凝土疲劳损伤等方面。混塔筒片接缝主要有两类,分别是现浇高强灌浆料的湿式接缝和结构胶加螺栓的准干式接缝。在疲劳计算方面,目前的研究主要围绕疲劳荷载计算、疲劳寿命和疲劳强度计算展开。混塔的疲劳计算依据马尔科夫矩阵提供的一系列疲劳循环荷载为基础,各组循环荷载单独计算损伤后通过线性叠加的方式计算总损伤,以判断结构是否失效。已有研究表明,钢筋混凝土结构的疲劳寿命预测 S-N 曲线符合幂函数式,这与目前混塔的疲劳设计理念是相符的。但有关混凝土的疲劳设计仍停留在单调轴压、轴拉、往复拉压层面,多轴应力状态下混凝土的疲劳性能尚未有深入的研究。

1.3　预应力抗疲劳钢管桁架式塔架

同济大学马人乐教授团队与青岛华斯壮能源科技有限公司合作研发了预应力抗疲劳钢管桁架式塔架(图 5(a))。该塔架上部采用传统全钢结构塔筒,下部采用桁架式塔架,底部为 4 个独立基础,在降低支撑结构用钢量的同时增大了结构刚度,避免了共振问题。同时,该塔架通过增大结构跨度提高结构承载力和刚度,使塔架的自振频率更容易控制。塔柱内通过钢绞线施加预应力,使截面处于受压状态,提高塔柱节点抗疲劳性能。

目前,预应力抗疲劳钢管桁架式塔架已完成样塔的建立,并批量应用于山东省青岛市首个分布式项目,最高轮毂中心高度为 170 m,运行稳定。

图5　格构式和桁架式塔架

1.4　预应力钢管混凝土格构式塔架

重庆大学周绪红院士和王宇航教授团队与中船海装风电有限公司设计研发了预应力钢管混凝土格构式塔架,其下部较大区域为钢管混凝土格构柱,由四根钢管混凝土角柱和交叉斜向空钢管连接而成,钢管混凝土角柱中施加竖向通长的预应力筋,上部受力较小区域仍然采用传统钢结构塔筒(图 5(b))。由于各杆件主要承受轴向力,可充分发挥材料的强度,在角柱中施加预应力可有效避免其受拉时钢管内混凝土的开裂问题。

预应力钢管混凝土格构式塔架具有受力效率高、用钢量较少、工业化建造程度高、供应链体系完善等优势,适用于高轮毂、大容量风电机组。目前,预应力钢管混凝土格构式塔架已完成了 165 m 级样塔的建立,位于山东德州乐陵市,运行稳定,且经受住了 2023 年 8 月德州 5.5 级地震的考验。

1.5　三边形桁架式塔架

中车株洲所自主设计开发了国内首台三边形桁架塔风电机组(图 5(c))。该塔架采用模块化设计,塔架由三边形钢桁架组成,机组桁架部分采用拉铆连接技术,具有轴力一致性高、防松抗震等优势,能够实现紧固连接免维护。模块化设计使各单元结构安装方便快捷,将整机及塔架安装时间缩短至 10 天以内。

该机组搭配中车株洲所的“箱变置顶”技术,大幅减少了植被破坏和现场征地,有效节省土地使用面积 20% 以上,发电量相对于普通机型增加 15%,基础建设成本降低 30% 左右,为构建平价时代的竞争优势提供有力支撑。

1.6　“人字形” 空间钢管混凝土风力发电塔架

哈电风能有限公司和武汉釜硕新能源科技有限公司研发团队研发了“人字形”空间钢管混凝土风力发电塔架(图 5(d))。塔架由 8 条钢管混凝土两两相交成“人字形” 空间结构组成,中间设检修平台,上部为纯钢塔筒,单机容量 7 MW。首台样机实施表明,该风塔制造简单、运输方便、吊装周期短、运维便捷。

2  陆上风电机组基础结构

2.1　现浇式混凝土基础

陆上风电机组现浇式混凝土基础采用全现浇混凝土结构,主要形式有扩展式基础、桩基础、梁板式基础、岩石锚杆基础等,见图 6,其中扩展式基础应用广泛。

图6　陆上风电机组现浇式混凝土基础主要形式

现浇式混凝土基础具有施工简单、适应性较广等优势,但施工工期较长。扩展式基础适应性广泛、施工简便且成本较低,但对地质条件要求较高。桩基础具有较高的抗拔承载能力和良好的抗震性能。梁板式基础适用于不均匀荷载分布,具有较高的稳定性和较高的土地利用率。岩石锚杆基础适用于岩石地质条件,施工相对简便且具有较强的抗拉性能,但在软土地质条件下应用受限,且成本较高。

2.2　装配式混凝土基础

为提高现场施工效率,行业内研发了陆上风电装配式混凝土基础,适用于现浇混凝土施工困难的特殊环境,主要形式包括装配式梁板基础、装配式多足基础、装配式筒型基础、装配式箱型基础、装配式支撑基础等。

装配式梁板基础具有预制构件易于划分和连接区域结合面积小等优势,是目前陆上风电装配式基础结构的主流形式。根据现场施工是否包含湿作业,装配式梁板基础可分为装配整体式梁板基础和全装配式梁板基础两种形式,见图 7(a) 和 (b)。

装配式多足基础(图 7(c))主要由台柱以及绕台柱放射状布置的梁组成,梁的外端可以根据实际场地条件来选择和布置独立承台、锚杆或桩。装配式多足基础可以现场灵活调整承台的高度以及埋置深度,能够较好地适应各类地形条件。

装配式筒型基础(图 7(d))适用于沿岸、湿陷性土层,该基础通过内外波纹钢筒和周围的摩擦传递荷载, 并对贯穿筒体高度方向的锚栓施加预应力。

装配式箱型基础(图 7(e))通过在台柱周围设置多个箱型凹槽,并填充土或其他材料到凹槽内部,以提高基础的抗倾覆性能,有效利用开挖土体,节约材料。该结构易于构件划分,使用的基础材料较少,具有较好的经济性。

装配式支撑基础(图 7(f))由底板、支撑、中心筒、顶板组成,其中仅支撑为预制构件。该基础可以节省混凝土和钢筋用量,减少锚栓的数量并方便更换锚栓,还可以将塔筒的开洞布置在基础台柱,避免在塔筒上开洞导致应力集中。

图7　陆上风电机组装配式混凝土基础主要形式

3  海上风电机组基础结构

3.1　固定式基础

海上风电固定式基础的主要应用场景为近浅海,水深一般不超过 60 m。海洋环境条件恶劣,海上风电基础主要承受风荷载、波浪荷载、冰荷载以及海流荷载等。基础在正常服役期内的安全性是保障风电机组稳定运行的关键。固定式基础按结构型式的不同主要分为:单桩式、吸力筒式、导管架式、多桩式以及重力式基础等(图 8)。不同基础结构型式的适用水深范围以及优缺点如表 1 所示。

图8　海上风电固定式基础分类

表1　海上风电固定式基础型式优缺点

单桩基础结构形式(图 9)最为简单,应用也最为广泛。据统计,截止到 2022 年底,全球海上风电固定式基础中超 70% 选用单桩式基础。单桩基础主要分为有过渡段式以及无过渡段式。有过渡段式单桩基础主要由钢管桩和连接段钢管组成,桩顶与连接段钢管通过高强灌浆料进行连接,同时在连接段以及钢管桩上部布置剪力键,限制钢结构与高强度灌浆料的相对滑移。无过渡段式单桩基础形式较为简单,基础型式为一根大直径的长钢管桩,通过法兰与塔筒连接。无过渡段式单桩具有不需要连接段钢管、无需灌浆材料、施工周期短等优势,经济性较好。

图9　单桩式基础

吸力筒式基础(图 10)主要由上部钢管桩以及下部吸力筒两部分所组成。吸力筒式基础在安装沉放过程中,通过将筒内海水抽净,形成负压,无需打桩即可完成基础施工。但由于吸力筒式基础在安装过程中对沉放、调密封等技术要求较高,施工难度较大,目前尚未得到广泛应用。

图10　吸力筒式基础

重力式基础(图 11)结构简单,主要依靠基础及压载物重量抵抗上部风电机组荷载和外部环境荷载产生的倾覆力矩和滑动力,但重力式基础对地质条件要求较高,当地基承载力不满足要求时需要进行地基加固处理,由于自重较大, 在海上运输较为困难。

图11　重力式基础

多桩式基础根据桩腿数量主要分为三桩式(图 12)和五桩式,主要由主筒体、钢管桩、桩套管以及斜撑组成。桩套管与钢管桩之间采用高强灌浆料或焊接等措施进行连接。目前,多桩式基础主要应用于欧洲海域,其成本介于单桩与导管架基础之间,具有承载力高、整体稳定性较好等优势。但其结构较为复杂、节点较多,限制了在我国的应用。

图12　多桩式基础

导管架式基础(图 13)由 3 个或 4 个钢管角柱与钢管斜撑形成空间桁架结构,对土质条件要求不高,受波浪和海流的作用较小,具有刚度大、稳定性好等优势,适用水深范围广。据统计,截止 2022 年底,采用导管架式基础的海上风电装机容量占海上风电总装机容量的 17%,且增长速度较快。

图13　导管架式基础

3.2　漂浮式基础

随着近浅海风电开发的不断完善,海上风电开发逐渐由近浅海转入深远海,固定式基础在深水中存在结构不稳定、成本急剧增长等问题,海上风电漂浮式基础成为深远海风电开发的最佳选择。海上风电漂浮式基础的主要类型(图 14)包括:半潜式(Semi)、张力腿式(TLP)、单柱式(Spar)以及驳船式,通过系泊线锚固于海床上。海上风电漂浮式基础主要依靠三种方式维持自身结构的稳性,分别为:压舱水、水线面以及锚泊系统。

图14　海上风电漂浮式基础型式

半潜式基础主要通过较大的水线面面积以及压舱水维持结构自身的稳定,其结构型式通常为三立柱式。需对半潜式基础进行合理设计,使其在六自由度方向的固有周期远离波浪的一阶频率范围,但二阶非线性差频波浪荷载对其动力响应具有较大的影响,需在设计中重点考虑。半潜式基础会受到非周期性的平均漂移力作用,进而产生较大的基础水平运动。典型半潜式基础概念设计方案如图 15 所示。

图15　半潜式基础概念设计方案

张力腿式基础主要由张力筋腱所产生的较大预张力维持稳定。通常,张力腿式海上风电基础无压载,其平台浮力远大于重力,进而使得张力筋腱保持较大的预张力。张力筋腱通常垂向布置,其提供的水平回复刚度较小。因此,其在风浪联合作用下纵/横荡运动较大。同时,由于其垂荡方向的固有周期较小,可能与二阶非线性波浪荷载的和频部分引发高频共振响应,影响张力腿式基础的安全。典型张力腿式基础的概念设计方案如图 16 所示。

图16　张力腿式基础概念设计方案

相比于半潜式以及张力腿式基础,单柱式(图 17(a))基础结构型式较为简单,主要由单立柱组成,通过较低的压载重心以维持其稳定。由于单柱式基础长度较大,适用于水深较深的海域(水深 > 200 m)。国内外研究学者提出了多种概念设计方案,如图 17 所示。单柱式基础不同运动方向会呈现明显的耦合效应,当垂荡、横摇以及纵摇固有周期比例为 1∶2∶2 时,单柱式基础会产生较大的垂荡运动响应,即马修不稳定现象。由于单柱式基础为细长型结构,在来流作用下,其周围会产生交替性漩涡,进而产生较为明显的涡激振动。当单柱式基础的运动周期与结构振动周期一致时,会引发十分明显的涡激共振,对单柱式海上风电的发电效率以及生存性能产生不利影响。

图17　单柱式基础概念设计方案

驳船式基础的主体结构吃水较浅,其水线面面积较大,可提供较大的静水回复力矩以维持其稳定。驳船式基础的主要优势为结构简单、成本较低,但由于其吃水较浅、重心高,基础的运动响应较大。同时,由于驳船式基础垂荡方向的固有频率与一阶波浪频率范围较为接近,可能会产生较大的共振响应。为提升驳船式基础对海洋环境荷载的适应性,法国 IDEOL 公司提出一款新型驳船式海上风电基础。通过在驳船式基础内部设置阻尼池(图 18(a)),以提升基础的稳定性。通过样机试验,有效验证了基础概念设计方案的合理性。典型驳船式基础概念设计方案如图 18 所示。

图18　驳船式基础概念设计方案

2009 年,全球首个漂浮式海上风电样机于挪威下水。2017 年,全球首个商业化漂浮式海上风电场 Hywind Scotland(图 19(a))在英国并网,Wind-Float Atlanti(图 19(b))和 WindFloat Kincardine 漂浮式海上风电场相继于 2020 年和 2021 年分别在葡萄牙和苏格兰并网发电。我国首台漂浮式海上风电示范样机“三峡引领号”(图 19(c))于 2021 年 12 月成功并网。随后,“海装扶摇号”(图 19(d))、“海油观澜号”示范样机(图 19(e))项目相继建成。截止到 2023 年底,全球漂浮式风电总装机容量仅为 236 MW,远远低于采用固定式基础的海上风电装机容量 75.2 GW,未来还有很大的发展空间。

图19　漂浮式风电项目

4  目前存在的问题及对策

对于全钢结构塔筒,目前标准中没有针对如何考虑复杂几何缺陷做出明确规定,需要开展各类复杂几何缺陷对全钢结构塔筒局部效应影响的研究,并在设计中考虑可靠度问题。对于混塔,目前缺乏受力性能的深入理论研究,例如极限工况下考虑接缝张开影响的水平接缝传力机理、多向复杂循环应力路径下筒身和接缝的疲劳损伤机制、复杂荷载作用下筒体与钢筋的应力分布特征、考虑疲劳损伤刚度退化的混塔频率特性等关键问题仍有待探究。对于格构式塔架,薄壁钢管混凝土结构在复杂荷载作用下的受力机理不够明确,复杂拉-压循环下考虑钢管约束效应的混凝土疲劳设计方法缺失,结构设计采用传统建筑、桥梁、电力工程领域的标准规范,效率较低、适用性不高。因此,未来应针对各类塔筒结构,建立精细化高效分析理论,并提出考虑可靠度的工程设计方法,编制适用于风电工程的塔筒结构设计与建造标准规范,进一步提高塔筒安全性,降低塔筒成本。

目前,由于风电机组荷载计算和基础设计责任主体分离,海上风电基础结构设计主要采用传统的半整体迭代设计方法,难以获得全局最优设计,荷载-塔筒-基础-土体一体化设计方法有待于进一步推广。海上风电机组支撑结构动力响应数值计算方法难以满足工程设计需求。海上风电基础,特别是海上风电漂浮式基础成本较高,制约着其商业化发展。因此,海上风电基础结构研究应围绕以下几个方面开展:1) 一体化设计:开展风电机组与支撑结构一体化建模、编制统一的设计标准规范,开展全局最优设计;2) 高精度、高效率基础结构动力响应数值求解方法:建立大直径单桩的桩土相互作用数值方法、超长风电叶片的气动-弹性效应数值计算理论、超大型浮式风电基础非线性水动力求解模型等,构建海上风电基础结构动力响应非线性全耦合数值计算方法;3) 海上风电支撑结构新体系:提出海上风电塔筒与基础结构新构型,采用高性能钢材、纤维增强复合材料、钢-混凝土组合结构等,研发“振-震”双控技术,提升海上风电机组支撑结构力学性能、降低成本;4) 海洋产业融合:通过将风能与波浪能、潮流、海洋养殖、制氢等深度融合,进一步降低海上风电成本,提高经济效益。

目前,风电行业常用商业软件主要由国外公司开发,而开源软件资源相对有限且不适用于大规模工程设计。采用多种不同软件进行结构荷载计算、动力响应分析、静力与疲劳分析存在兼容性和结果可靠性不足的问题。因此,应针对各类支撑结构的全设计流程,开发具有自主知识产权的通用型设计软件,大幅提高风电机组支撑结构设计效率和精度。