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海上风电平价之路,从基础优化开始
发布时间:2020-07-28
 
 
 
 
 

在经过十年的迅猛发展后,中国风力发电即将进入调整期,截止2019年底,我国海上风电已招标未建设项目共计2132.5万千瓦,预计至少800万千瓦项目将结转至2021年之后。而随着国家发展改革委发布《关于完善风电上网电价政策的通知》,“风电平价上网”成了关注的重点。

 

平价时代的到来意味着海上风电要与已经具备平价能力的陆上风电、光伏、特高压等电源竞争,面临更为残酷的市场,度电成本将成为关键。我国海上风电经过十多年的发展,造价已在逐步下降,相较于2010年23700元/千瓦左右的造价,目前造价约为15700元/千瓦左右,但想要达到平价的标准,仍然任重而道远。如何降低整体成本和风险,是技术探索与创新的重点。

就海上风电成本的构成来看,风电机组成本约占总成本的40%左右。整机成本降低需要产品的技术突破和大部件国产化等多方面的技术支持,同时大容量机组也逐渐成为主流,5MW或将成未来门槛级配置。由此来看,短时期内风电机组的成本很难做到大幅降低。

除风电机组外,其次便是约占20%~30%的风机基础成本。相对于其他建设项目,海上风电支撑结构和基础的建设条件比较复杂,调整和优化的空间较大,是降本增效的重要一环。近些年,我国也在开发和应用多种风电基础,以适应复杂的建设条件并降低成本,但技术的研发和成熟需要长期探索实践。短期内主要是对设计和施工过程的优化,尽可能降低试错成本,提高设计可靠性和施工合格率,以达到施工周期最优化,充分利用施工窗口期,降低成本提高效率。

 

 // 钢管桩

目前我国海上风电基础多采用单桩基础,单桩基础中多为大直径钢管桩,仅是钢管桩本身成本就极高,以4兆瓦机组为例,单桩基础造价就可达900到1300万元,部分地质条件复杂的地区,造价甚至可高达2000万元。因此,单桩基础施工的成败以及施工过程监控就尤为重要。

 

单桩基础在设计和施工过程中通常会比较关注以下问题

1

 

打桩过程中是否会出现溜桩

2

打桩过程中桩身应力

/ 3

打桩至预定标高时的承载力

 
 

设计过程优化

之前我们曾介绍过,使用打桩模拟软件GRLWEAP,在正式施工之前,来对打桩过程进行可打性分析,预测打桩过程中的一系列参数,包括:桩身应力,贯入度,承载力,以及打桩能量等,通过对这些参数的解读,来分析设计桩型,在已知地层中,使用选定的打桩锤是否可以顺利施工。具体内容可以参考仅需一步,解决海上打入桩设计难题

该软件主要适用人群有两类,设计方施工方。设计人员可借助该分析来优化其设计方案,例如在合理锤击能量下,桩身应力过大,则可能需要考虑修改桩身参数,如加大壁厚等;施工方则可借助该软件分析来帮助选锤,根据设计方提供的桩身设计参数和已知的地质参数,选择合适的锤型,保证顺利把桩打入到指定标高。无论是哪一方,都可以在该软件的帮助下,以极低的成本,甚至无成本试错,拿出最经济合理的方案,减少不必要的经济损失。

不过GRLWEAP软件的可打性分析只是一个模拟,所得出的参数的可靠性很大程度上取决于地质参数的准确性。因此对于海上风电单桩基础,在施工过程中进行高应变测试可以得到很多有用的真实数据,对于单桩基础施工过程的控制很有意义。

 

 

施工过程监测

高应变动测用于海上钢管桩测试是非常理想的,一来海上钢管桩的施工方式为高应变测试提供了理想的条件:

  • 桩身材质均匀稳定,非常契合高应变测试的理论基础;
  • 锤击条件好,海上钢管桩施工多使用液压锤或柴油锤,锤击能量大,居中好。

二来高应变检测也能够为海上钢管桩施工提供很多有用的参数:

  • 确定承载力
  • 监测打桩应力
  • 检查桩的完整性
  • 确定锤的性能
 
 
 
 
 

海上高应变测试一般有两种目的:一种是承载力验证,一种是打桩过程监控

 

无线高应变测试

 

 

//承载力验证

承载力验证一般是在打桩接近设计标高时进行高应变测试,取得承载力参数。对于承载力验证来说,我们通常分初打和复打测试。对于打入桩来说,其承载力评价有一个特点,在打桩刚结束时测得的承载力,即初打承载力结果并不能反应桩的长期真实承载力。这是因为,在桩的打入过程中,桩周土受到了扰动,从而导致其提供的土阻力有不同程度的降低,但是经过一段时间的恢复,土阻力是可以恢复到正常水平的。也就是说,打桩刚结束时,高应变测得的承载力,我们称之为短期承载力,一般是偏小的。

因此,如果要验证打入桩的真实承载力,我们一般会要求做复打测试,也就是打桩结束后等待一段时间,一般是1-2周,待桩周土阻力基本恢复后,再进行高应变测试,这时得到的承载力值才会更加接近真实的长期承载力。

 

//打桩过程监控

打桩过程监控是指在打桩之前,我们就把传感器安装好,在整个打桩过程中,持续做高应变测试,即每一次锤击都会记录,并计算出一组数据。测试结束后,我们可以借助于专门的统计软件,将这些数据汇总,以曲线或表格的方式输出。这些实时数据,比如桩身应力,锤击能量等,无论对于设计方还是施工方都有着重要意义。

高应变的这些特点和优势使得其成为海上打桩测试的首选,随着海上风电项目的发展,高应变测试也得到了广泛应用。在住房和城乡建设部办公厅7月1日发布的《GB/T 50571-20×× 海上风力发电工程施工与验收规范(征求意见稿)》中提出,桩基工程沉桩完成后应按现行行业标准《港口工程桩基动力检测规程》JTJ 249进行高应变检测。

 

目前海上高应变测试还是以水上测试居多,不过也有部分工程,桩头需要入水,这种情况,使用专门的水下传感器也可顺利进行高应变测试,不过操作相比水上测试稍微麻烦一些,测试成本也相对较高一些。下面我们通过一个案例,来简单了解一下海上钢管桩水下高应变测试

 

项目概况

  • 平台:八腿钢结构;31,375 吨;水深 = 190 m
  • 土况:主要由软到非常硬粘土层组成;底部的承力层由中密实到密实的砂和砂质粉土;极限承载力为130MN
  • 基础:在每个角用4根垂直桩; L:158 m,外径:2,743mm;壁厚 :50-100mm;共一节;入土深度:135m

施工设备

  • 起重船蓝鲸号:7,500 吨的起重能力
  • 打桩锤(也用于测试):Menck MHU 1200S (锤芯重66 吨, 额定能量1200 kJ);Menck MHU 1900S备用
  • 2 ROV机器人:1个在上部监视 锤/桩/各种管线;1个在底部监视贯入度以得到锤击数

测试设备

  1. 打桩分析仪PDA - PAX
  2. 水下主电缆
  3. 水下传感器
  4. 主电缆与PDA链接
  5. 水下主电缆中的钢丝

安装/测试步骤

  1. 提桩

  2. 插桩

  3. 套锤

  4. ROVs检查

  5. 打桩/测试开

 

水下传感器与电缆连接

 

电缆管理

测试结果:凯斯法结果

动测结果小结 (CASE 法)

测试了2根桩: B1-3 和 B1-2;

MHU 1200S 可控制能量输出。在打桩结束时、对B1-2 和 B1-3能量的输出控制在约 989 和 961 kJ,因此、实际的能量输出比平均约为 80%。

测试结果:CAPWAP拟合分析

 

侧阻力分布模拟静载荷曲线

/ 总结

 
 

高应变测试是海上打入桩监控与测试的理想手段

 

如计划好、并执行正确,测试不会影响施工进程

 

以下是保证测试成功的经验:

保持及时交流:施工进程, 起重船的移动,各方面应知道下一步的工作;

优化传感器的安装和联接:节约时间,有助于取回主电缆;

由于无法更换电缆和连线、一定要照顾好电缆。释放地点和长度很重要。

 

复打是确定长久承载力的唯一办法,特别是在不熟悉的地区

 

复打时,在开始几锤应保证有足够的能量以激发出所有的承载力

 

如复打时捶击能量不够,可使用叠加办法来弥补

 
 

关于GRLWEAP打桩模拟软件和高应变测试的详细信息及应用,请联系欧美大地


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