1.3 风力发电机组塔架及基础的重要性

风力发电机组塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件，将风力发电机组支撑到需要的高度，其稳定安全性对整个系统来说格外重要，一旦发生事故，将对风力发电机组系统造成毁灭性的破坏和巨大的经济损失。风力发电机组塔架结构系统有别于一般的高耸建筑结构，其坐落在各种各样的地质条件的地基上，所处的环境条件非常复杂，不仅受到随机性很强的、非定常风的作用，还有可能面对地震作用，海上风力发电机组塔架还要受到海浪、海流、海冰、台风等特殊动荷载作用，且有风轮运行、调节和静止等不同运行工况，使得结构静力和动力变形很复杂，在这些复杂的动荷载、疲劳荷载以及不同的工况作用下，结构的内力超过风力发电机组系统结构的承受能力后，就会造成风力发电机组结构的破坏或者塔架筒壁产生线性、非线性静动力屈曲，使结构失去稳定。严重时，地基失效或风力发电机组塔架连同人工基础一起拔起，造成结构整体倒塌、倾覆等毁灭性的破坏，其常见的一些破坏型式如图1-4所示。

图1-4 风力发电机组塔筒和基础破坏型式

国内外都有风力发电机组塔架系统在台风、其他工作状态下或机组安装过程中塔架倒塌失事例子。例如，2003年日本的Miyako岛风电场在台风“鸣蝉”（Maemi）中，7台风力发电机组遭受损坏，其中3台倒塌。2006年我国的苍南风电场遭受台风“桑美”的袭击，在风速为80m/s的飓风作用下，造成5台风力发电机塔架倒塌（其中3台塔筒被折断、2台连基础被拔出）的严重损失，图1-4为风力发电机组在遭受台风破坏后的图片。在红海湾风电场风力发电机组破坏原因分析中发现，当实测最大瞬时风速仅为57m/s，远低于设计风速极限值70m/s时，叶片就遭受破坏，一个重要原因是将计算最大荷载按静力考虑，忽略台风-基础-塔架-叶片结构的耦合作用的动力效应。2008年，一风电场中的风力发电机组突然倒塌，基础被连根拔起，塔筒底部基础环钢筋拔出，造成严重的经济损失。事故发生后，相关部门进行分析和研究发现，基础被连根拔起，基础环和基础混凝土之间没有可靠的连接，穿越台柱和底板之间的配筋太少，锚固连接不牢靠。同时，施工方面存在不安全因素，混凝土强度等级低于设计强度等级，混凝土搅拌不均匀，存在分层现象。

有一些塔架系统破坏并不是在极端天气和极端荷载条件下发生，而是在人们认为相对安全的条件下发生。例如，2008年4月，一台风力发电机组塔架突然倒塌，塔筒底部基础环钢筋完整拔出，倒塌时风速仅12m/s;2010年1月，宁夏一风力发电机组在正常运行时，由于塔筒管节法兰连接破坏引起风力发电机组倒塌；2010年2月，一风力发电机组正常运行时，其塔架在无任何报警信息下发生了倒塌事件，事后进行检测分析，塔筒中段与下段连接部位的法兰由于螺栓力矩承载力不足，造成塔筒倒塌；2014年，一风力发电机倒塌，事故发生时风速约为10m/s，现场维修人员在事发时看到，事故机组在机舱冒烟后完全停下来了，其后又迅速启机，并飞速旋转，随后塔架迅速倒塌；2015年12月24日，Stena Renewable公司位于瑞典Lemnhult风电场的一台Vestas V112-3MW机组倒塌，分析原因可知，欧洲地区冬季属大风季节，冬季平均风速高出年平均风速1～1.5m/s，机组运行荷载较大，并且陆上风电场冬季湍流强度较低，风切变较大，导致风轮受力不平衡加剧，同时，结构件在低温环境下脆性增强，也更加加速了结构件的损伤和破坏。

从上述风力发电机组事故中可以看出，塔架系统结构的破坏形式主要有塔筒屈曲、折断、倾倒、基座与基础分离和螺栓破坏等，这些破坏往往对风力发电机组整体是致命的。风力发电机组损坏主要原因所占比例见表1-3。

表1-3 风力发电机组损坏主要原因所占比例

在风电实践中发现，风力发电机组塔架的安全性并不乐观，据表1-3给出的造成风力发电机组损坏原因调查显示，由于塔架结构原因造成机组损坏的比例达到了18%，居各种原因之首。塔架安全的重要性随着风力发电机组的容量增加和高度增加而愈来愈明显。

另外，在风力发电机组中塔架和基础成本占风力发电机组制造成本的15%左右，对于海上风力发电机组其费用更大，甚至能到总成本的30%左右。由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。

综上所述，我们在设计和施工中，应给予塔架和基础相应的重视程度，才能更好地保证风力发电机组的安全并发挥更大的效益。