技术 | 风力发电机组延寿专题——风电机组基础运行疲劳损伤与检测
风力发电机组的基础用于安装、支承、平衡机组在运行过程中所产生的各种载荷,以保证其安全、稳定地运行。对老旧机组进行延寿工作之前,必须对机组基础进行全面的检查评估确保机组健康运行。
风力发电机组的基础经过多年连续运行,在长期载荷作用下的疲劳损伤问题日益突显。早期的风电机组很多采用基础环结构,为钢筋混凝土柱下独立基础形式,依靠自身的重力来维持结构的稳定与强度,设计简单,可适用于任何地形和地质条件,是应用较为广泛也是数量最多的一种。但是,近年来不断有问题风电机组出现基础环与周边混凝土因长期风载荷作用导致脱开严重,进而引发机组塔架晃动,不能正常运行的安全事故,需要引起行业的密切重视。
风力发电机组基础类型
由于风力发电机组型号与自重不同,要求基础承载载荷也各不相同。风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同,从结构的形式看,常用的基础可分为:
(1)平板块状基础:即实体重力式基础,是目前国内应用最广泛的基础形式。对基础进行动力分析时,可以忽略基础的变形,将基础作为刚性体来处理,而仅考虑地基的变形。按其结构剖面又可分为“ 凹”形和“凸”形两种(如图1所示)。底座盘上的回填土是基础重力的一部分,这样可节省材料,降低费用。
图1 两种形式平板块状基础
在地面以下几米至几十米设置一定面积的平板块状基础,平板块比塔架底面积大很多,利用机组、基础及基础上覆盖层重量的偏心反作用力来抑制倾覆力矩。平板块上有一个比塔架底面积稍大一些的柱状体承台,用于和塔架连接。平板块形状常用正方形、六角形、八角形或圆形(如图2所示)。其中第一种为均匀平板块,当岩床距地面较近时选用,平板块必须有足够的厚度和合理的钢筋网。第二种平板块上部为锥形,可以节省材料。第三种将平板块用岩石锚固装置固定在岩层上,可以减小埋深及平板面积,但施工难度大。
图2 平板块形状分类
(2)桩基础:在地质条件较差地方,柱状的桩基础比平板块状基础能更有效地利用材料。目前普遍应用的有框架式桩基础、混凝土实心单桩基础、空心复合桩基础(如图3所示)。
图3 三种桩基础图
(3)桁架式塔架基础:桁架式塔架基础的特点是腿之间的跨距比较大,并且还可以使用各自独立的基础桩(结构如图4所示)。一般在现场使用螺旋钻孔机钻孔后浇注混凝土桩,防止倾覆的作用力在桩上被简单地上提和下推,上提力和下推力被桩表面的摩擦力所抵抗。组成塔架基础的角钢框架,应提前进行组装,然后在给桩灌注混凝土时就地浇注。角钢框架应设置好间隔和倾斜度,以便上部桁架的安装。
图4 桁架式塔架基础
风力发电机组基础运行损伤与原因
鉴衡通过对国内风电场的长期检测与调查研究,归纳出目前主要有以下基础损伤现象:
图5 长期运行风载疲劳损伤发展
图6 基础裂纹与泛浆
图7 混凝土内部损伤
导致这些问题的原因通常包含:
风力发电机组基础检测方法
目前,应用于机组基础检测的方法主要分为无损检测和微破损检测两大类,具体包括:
(1)无损检测方法
(2)微破损与其他检测方法
检测周期
运行期的不同阶段,建议的基础检测周期有所不同(如表1所示),同时我们建议对机组的基础检测数据进行单机建档并长期跟踪分析。
总结
对于已经长期运行风力发电机组,风载引发基础疲劳问题随着运行年限的增加日益突显。我国的风场环境千差万别,以承受动载荷为主的机组基础结构面临着较大的安全风险。通过对国内大量风电场风电机组基础损伤问题的检测与调查研究,鉴衡提出一套适时可行的检测方案,以便风场工作人员定期开展对基础的检测作业,并建立检测数据档案,长期追踪基础的损伤问题,避免重大的机组运行安全风险。
基础的疲劳损伤会直接影响延寿的决策,延寿前和延寿期间的基础损伤监控和检测是机组延寿的重要内容。对此,鉴衡发布了《风力发电机组延寿技术规范》,其中对陆上基础、海上基础的不同关注点作出了规定。
此外,为了进一步加深行业对延寿的了解,鉴衡还将针对更多延寿技术的关键模块开展专题讨论,包括:延寿的检查、外部条件的分析、运行状态的分析、模型建立方法、寿命计算方法、延寿与技改等。
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