祁林攀，王佳，王健 ，宋棋芃

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)

1 引言

近年來，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的提出，風力發(fā)電作為一種可再生無污染的綠色能源發(fā)電方式，又獲得了新一輪的快速發(fā)展。風機已遍及全國各地的山嶺、平原、高原、戈壁、近海[1]，甚至沙漠邊緣地區(qū)。然而，比之其他環(huán)境，沙漠邊緣地區(qū)雖然風資源豐富，但工程建設(shè)環(huán)境惡劣，面臨特殊的氣象條件、地質(zhì)特性和沙害等不利因素，其建設(shè)應綜合考慮，系統(tǒng)化地克服各種不利因素。本文基于內(nèi)蒙古某風力發(fā)電工程，對沙漠邊緣地帶風電建設(shè)存在的技術(shù)難點進行了分析和研究，并提出了相關(guān)應對措施，以期對后續(xù)類似工程有所裨益。

2 風力發(fā)電工程組成

風能是一種清潔無公害的可再生能源，風力發(fā)電是把風能轉(zhuǎn)為電能的過程。風力發(fā)電工程一般由風電機組、場內(nèi)道路、輸電線路和升壓站等組成，其中風電機組，即風力發(fā)電機（簡稱風機），是構(gòu)成風力發(fā)電工程的核心，主要由基礎(chǔ)、塔筒、輪轂、葉片和機艙等構(gòu)成。

3 工程概況

本文所述風力發(fā)電工程位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗北部，布置122臺3.3 MW風機，見圖1。風電場東側(cè)為低山丘陵，西側(cè)為山前傾斜戈壁平原、半固定沙丘及平緩沙地，西側(cè)毗鄰沙漠，地勢總體東高西低。項目建設(shè)主要內(nèi)容包括風機及箱變基礎(chǔ)、場內(nèi)道路、風機吊裝、集電線路、升壓站土建，以及安裝、調(diào)試和試運行等。沙漠邊緣地帶這種特殊條件下的工程建設(shè)特征和應對措施是此次研究的重點。

圖1 內(nèi)蒙古某風力發(fā)電工程

4 沙漠邊緣地帶建設(shè)環(huán)境

項目場址區(qū)地處東部季風區(qū)與西部干旱區(qū)域的交匯地帶，屬典型的大陸性氣候，為中溫帶荒漠干旱區(qū)或極度干旱區(qū)，冬冷夏熱，晝夜溫差大，干旱少雨，風大沙多，蒸發(fā)強烈。根據(jù)當?shù)貧庀笳径嗄陮崪y資料，極端最高氣溫39.1℃，極端最低氣溫-34.0℃，年平均氣溫5.9℃。場址區(qū)域海拔高度1 500～1 710 m，90 m高度年平均風速6.5～8.0 m/s，風功率密度280～500 W/m2，風能資源豐富。

場區(qū)受強大的蒙古高壓（反氣旋）和蒙古低壓（氣旋）影響，在西風環(huán)流的大背景下，適應陰山山脈及河套平原特殊地形，總體盛行偏西風、西西北風、西北風，次主風向以東東南風為主。每年10月～次年5月，風電場盛行偏西風（W、WNW、NW）；每年6～9月，盛行東東南風(ESE)。

場址西側(cè)毗鄰亞瑪雷克沙漠，分布有平緩沙地和南北向展布的沙丘，氣候干燥、風沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或無植被。根據(jù)沙漠邊緣地帶典型機位地質(zhì)勘察成果（見表1和圖2），地層自上而下分布有細砂、礫砂、角礫、泥巖和片麻巖等。細砂層一般厚度較大，力學性質(zhì)差，代表了沙漠邊緣地帶的地質(zhì)特征，對工程建設(shè)的影響最為顯著。細沙層一般顆粒較細、黏結(jié)性差、天然含水量小、沙層穩(wěn)定性差，但水穩(wěn)性能好、沉降均勻、整體強度高。

表1 沙漠邊緣地帶典型地層特征表

圖2 沙漠邊緣地帶地質(zhì)實例

5 沙漠邊緣地帶風力發(fā)電工程建設(shè)的不利因素

沙漠邊緣地帶工程建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題是風和沙。在風沙綜合作用下，易形成風蝕、沙埋和沙移等危害，一方面會使風機葉片、塔筒和機電設(shè)備等產(chǎn)生沖蝕、侵入、磨損和故障；另一方面，也會對工程實體產(chǎn)生掩埋或推移效應，使工程建設(shè)存在諸多不利因素。

1）風電機組。風機葉片受到風沙長期作用引起沖蝕；輪轂變槳系統(tǒng)軸承進風沙后磨損；機艙進風沙后造成艙內(nèi)齒輪箱或電氣設(shè)備故障；風蝕磨損塔筒表面涂料；塔筒底部被流沙掩埋；底部積沙過高時會影響葉片的正常運轉(zhuǎn)；沙移造成基礎(chǔ)的不均勻沉降傾斜而影響機組安全。

2）機電設(shè)備。風沙進入機械傳動系統(tǒng)造成磨損；沙堆積導致電氣設(shè)備散熱性下降；沙塵吸入造成電氣設(shè)備絕緣性能降低，進而發(fā)生接地或短路事故；沙塵入侵危害到制動系統(tǒng)的安全使用及壽命；風沙移動嚴重時會淹沒設(shè)備。

3）場內(nèi)道路。道路經(jīng)過移動沙丘或風積沙地帶；道路穿過連續(xù)性沙丘或沙包；路基坐落在沙層上強度和硬度不夠；路基或路肩被風蝕而遭破壞；路基或路面被風積沙掩埋。

4）輸電線路。風蝕造成線路塔基的淘蝕；風沙輸移造成塔架磨損[2]及塔身傾斜；沙堆積埋壓塔基造成不均勻沉降；埋壓塔架造成局部或整體破壞。

6 沙漠邊緣地帶風力發(fā)電工程建設(shè)的應對措施

沙漠邊緣地帶的風力發(fā)電工程建設(shè)要因地制宜，從總體布置、線路選線、工程設(shè)計和設(shè)備選型等方面統(tǒng)籌考慮，根據(jù)具體的邊界條件，采取不同的實施方案，建立不同的防風沙體系，系統(tǒng)化克服不利因素的影響。

1）風電機組。風機整體布置應避開移動沙丘地帶；葉片面漆采用耐沖蝕涂層并增加厚度；輪轂和機艙的罩殼采用流線形，采取防風沙封閉措施；輪轂和機艙中，機械傳動采用封閉式結(jié)構(gòu)和全密封設(shè)計；輪轂和機艙對外的通氣等部位加裝可靠的防塵裝置；塔筒門與主風向夾角大于90°；有條件時抬高基礎(chǔ)或壓覆碎石；風機基礎(chǔ)優(yōu)先采用樁類基礎(chǔ)。

2）機電設(shè)備。選用防護等級高和密封性能好的電氣設(shè)備和盤柜；機械傳動采用封閉式結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計；將設(shè)備放置于密封性好的空間；風沙敏感設(shè)備采用專業(yè)防塵設(shè)計；設(shè)置空氣過濾防護；機械零件旋轉(zhuǎn)傳動間隙處設(shè)置迷宮密封結(jié)構(gòu)；設(shè)備防護罩采用翻邊倒扣連接；連接接縫、間隙和開孔等設(shè)置密封件。

3）場內(nèi)道路。道路選線繞開嚴重的流沙地段；穿沙時利用沙丘的背風面和風蝕洼地用最短的距離通過；路線盡量與風電場的全年主導風向大致平行；路基邊坡和路肩使用黏土和砂礫進行封閉；上風向設(shè)柵欄、草方格網(wǎng)或沙生植物固沙；優(yōu)化路基壓實系數(shù)、鋪設(shè)加強材料和增加路面鋪筑厚度[3]。

4）輸電線路。線路轉(zhuǎn)角和終端等關(guān)鍵節(jié)點桿塔優(yōu)先使用鐵塔；桿塔基礎(chǔ)表面采取壓沙和固沙處理；桿塔基礎(chǔ)周圍覆蓋礫石等防護材料防止塔基風蝕；轉(zhuǎn)角和終端桿塔基礎(chǔ)優(yōu)先使用鋼筋混凝土柔性基礎(chǔ)；位于沙地的桿塔適當加大基礎(chǔ)面積或埋深。

7 新技術(shù)應用

隨著科學技術(shù)的進步，沙漠邊緣地帶的風力發(fā)電工程建設(shè)也應該緊跟時代潮流，運用更科學、先進和環(huán)保的技術(shù)手段，尋求更優(yōu)的解決途徑，力爭科技與防沙的高度統(tǒng)一，工程建設(shè)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展。

1）利用沙漠邊緣地帶生態(tài)綠化技術(shù)[4]，選擇適合的植物重建生態(tài)系統(tǒng)，針對性地增加地面的植被覆蓋度，降低風速，減免風蝕，控制流沙移動，減少沙害對工程的影響，達到防治風沙危害的目的。

2）推進風電機組防風沙新技術(shù)應用，如葉片和塔筒表面使用新型高耐磨性聚合物涂料；變漿軸承等關(guān)鍵部件采用三唇及以上密封結(jié)構(gòu)，密封圈采用先進的旋轉(zhuǎn)唇形密封結(jié)構(gòu)，連接間隙處設(shè)置內(nèi)翻或交錯的迷宮密封結(jié)構(gòu)；機艙和塔筒采用微正壓技術(shù)。

3）構(gòu)建智慧化風電場和智慧工地?；跍y控技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及各類智能算法，實現(xiàn)對風電場工程建設(shè)的數(shù)字化管控以及設(shè)備的全生命周期精細化狀態(tài)監(jiān)控，實時全面反饋電站的運行狀態(tài)和風沙影響規(guī)律，有針對性地防沙治沙。

4）運用無人機航拍及測量技術(shù)輔助微觀選址、地形測繪和防風治沙。通過無人機取代人力采集地形數(shù)據(jù)、巡視線路沿線地形地貌的變化，掌握各控制點的細微變化和發(fā)展趨勢，從而采取預防性的防風固沙措施。

5）推廣綠色施工技術(shù)，加強施工過程環(huán)境保護。合理優(yōu)化施工工藝，減少施工用地和水資源使用，盡可能保護施工范圍內(nèi)的綠色植被，完工后及時進行綠化和生態(tài)修復，減少工程建設(shè)對環(huán)境的負面影響。

8 結(jié)論

綜上所述，本文研究了沙漠邊緣地帶的風力發(fā)電工程建設(shè)面臨特殊的氣象條件、地質(zhì)特性和工程沙害等不利因素，并提出了適應性的措施和新技術(shù)方向，對類似工程的建設(shè)具有指導意義。

1）沙漠邊緣地帶最常見的危險是風蝕、沙埋和沙移。工程總體布置時，應盡量避開沙害嚴重區(qū)域；場內(nèi)道路和集電線路的選線，應盡量避開沙害嚴重地段，線路走向盡量與風電場的全年主導風向平行。

2）風機機組的防風沙措施關(guān)鍵在于：葉片和塔筒采用流線形設(shè)計和面漆采用足夠厚度的耐沖蝕涂料；機艙和零部件采用密封、隔離和防塵設(shè)計；選用適應沙漠地質(zhì)力學性能的樁類基礎(chǔ)。

3）沙漠邊緣地帶機電設(shè)置應采用防護等級高和密封性能好的電氣設(shè)備和盤柜，機械傳動采用封閉式結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計，對風沙敏感設(shè)備及部件采用專業(yè)防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計，宜將機電設(shè)備設(shè)置在密封性好的房間或艙體。

4）沙漠邊緣地帶土建設(shè)計應充分考慮以細沙層為代表的地質(zhì)力學性能[5]，風機基礎(chǔ)優(yōu)先采用樁類基礎(chǔ)，有針對性地通過路基壓實、鋪設(shè)加強材料和增加路面鋪筑厚度提高道路路基承載力，重要桿塔優(yōu)先使用柔性基礎(chǔ)。

5）應重視沙漠邊緣地帶工程建設(shè)的新技術(shù)應用，通過生態(tài)綠化、智慧化風電、無人機航拍、機組防風沙新技術(shù)和綠色施工技術(shù)等手段，有針對性地防沙治沙，促進人與自然的和諧和可持續(xù)發(fā)展。