1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架及基礎(chǔ)的重要性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架和基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要承載部件，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐到需要的高度，其穩(wěn)定安全性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)格外重要，一旦發(fā)生事故，將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)造成毀滅性的破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有別于一般的高聳建筑結(jié)構(gòu)，其坐落在各種各樣的地質(zhì)條件的地基上，所處的環(huán)境條件非常復(fù)雜，不僅受到隨機(jī)性很強(qiáng)的、非定常風(fēng)的作用，還有可能面對(duì)地震作用，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架還要受到海浪、海流、海冰、臺(tái)風(fēng)等特殊動(dòng)荷載作用，且有風(fēng)輪運(yùn)行、調(diào)節(jié)和靜止等不同運(yùn)行工況，使得結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力變形很復(fù)雜，在這些復(fù)雜的動(dòng)荷載、疲勞荷載以及不同的工況作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的承受能力后，就會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的破壞或者塔架筒壁產(chǎn)生線(xiàn)性、非線(xiàn)性靜動(dòng)力屈曲，使結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定。嚴(yán)重時(shí)，地基失效或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架連同人工基礎(chǔ)一起拔起，造成結(jié)構(gòu)整體倒塌、傾覆等毀滅性的破壞，其常見(jiàn)的一些破壞型式如圖1-4所示。

圖1-4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)破壞型式

國(guó)內(nèi)外都有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)、其他工作狀態(tài)下或機(jī)組安裝過(guò)程中塔架倒塌失事例子。例如，2003年日本的Miyako島風(fēng)電場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)“鳴蟬”（Maemi）中，7臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受損壞，其中3臺(tái)倒塌。2006年我國(guó)的蒼南風(fēng)電場(chǎng)遭受臺(tái)風(fēng)“桑美”的襲擊，在風(fēng)速為80m/s的颶風(fēng)作用下，造成5臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架倒塌（其中3臺(tái)塔筒被折斷、2臺(tái)連基礎(chǔ)被拔出）的嚴(yán)重?fù)p失，圖1-4為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在遭受臺(tái)風(fēng)破壞后的圖片。在紅海灣風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組破壞原因分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)測(cè)最大瞬時(shí)風(fēng)速僅為57m/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)風(fēng)速極限值70m/s時(shí)，葉片就遭受破壞，一個(gè)重要原因是將計(jì)算最大荷載按靜力考慮，忽略臺(tái)風(fēng)-基礎(chǔ)-塔架-葉片結(jié)構(gòu)的耦合作用的動(dòng)力效應(yīng)。2008年，一風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組突然倒塌，基礎(chǔ)被連根拔起，塔筒底部基礎(chǔ)環(huán)鋼筋拔出，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。事故發(fā)生后，相關(guān)部門(mén)進(jìn)行分析和研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)被連根拔起，基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)混凝土之間沒(méi)有可靠的連接，穿越臺(tái)柱和底板之間的配筋太少，錨固連接不牢靠。同時(shí)，施工方面存在不安全因素，混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，混凝土攪拌不均勻，存在分層現(xiàn)象。

有一些塔架系統(tǒng)破壞并不是在極端天氣和極端荷載條件下發(fā)生，而是在人們認(rèn)為相對(duì)安全的條件下發(fā)生。例如，2008年4月，一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架突然倒塌，塔筒底部基礎(chǔ)環(huán)鋼筋完整拔出，倒塌時(shí)風(fēng)速僅12m/s;2010年1月，寧夏一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，由于塔筒管節(jié)法蘭連接破壞引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組倒塌；2010年2月，一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其塔架在無(wú)任何報(bào)警信息下發(fā)生了倒塌事件，事后進(jìn)行檢測(cè)分析，塔筒中段與下段連接部位的法蘭由于螺栓力矩承載力不足，造成塔筒倒塌；2014年，一風(fēng)力發(fā)電機(jī)倒塌，事故發(fā)生時(shí)風(fēng)速約為10m/s，現(xiàn)場(chǎng)維修人員在事發(fā)時(shí)看到，事故機(jī)組在機(jī)艙冒煙后完全停下來(lái)了，其后又迅速啟機(jī)，并飛速旋轉(zhuǎn)，隨后塔架迅速倒塌；2015年12月24日，Stena Renewable公司位于瑞典Lemnhult風(fēng)電場(chǎng)的一臺(tái)Vestas V112-3MW機(jī)組倒塌，分析原因可知，歐洲地區(qū)冬季屬大風(fēng)季節(jié)，冬季平均風(fēng)速高出年平均風(fēng)速1～1.5m/s，機(jī)組運(yùn)行荷載較大，并且陸上風(fēng)電場(chǎng)冬季湍流強(qiáng)度較低，風(fēng)切變較大，導(dǎo)致風(fēng)輪受力不平衡加劇，同時(shí)，結(jié)構(gòu)件在低溫環(huán)境下脆性增強(qiáng)，也更加加速了結(jié)構(gòu)件的損傷和破壞。

從上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組事故中可以看出，塔架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞形式主要有塔筒屈曲、折斷、傾倒、基座與基礎(chǔ)分離和螺栓破壞等，這些破壞往往對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體是致命的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞主要原因所占比例見(jiàn)表1-3。

表1-3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞主要原因所占比例

在風(fēng)電實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的安全性并不樂(lè)觀(guān)，據(jù)表1-3給出的造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞原因調(diào)查顯示，由于塔架結(jié)構(gòu)原因造成機(jī)組損壞的比例達(dá)到了18%，居各種原因之首。塔架安全的重要性隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量增加和高度增加而愈來(lái)愈明顯。

另外，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中塔架和基礎(chǔ)成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造成本的15%左右，對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其費(fèi)用更大，甚至能到總成本的30%左右。由此可見(jiàn)塔架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造中的重要性。

綜上所述，我們?cè)谠O(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)給予塔架和基礎(chǔ)相應(yīng)的重視程度，才能更好地保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全并發(fā)揮更大的效益。