Lựa chọn giải pháp kết cấu đỡ turbine phát điện sức gió xây dựng ở ven biển Việt Nam

Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 61 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU ĐỠ TURBINE PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ XÂY DỰNG Ở VEN BIỂN VIỆT NAM Mai Hồng Quân, Vũ Đan Chỉnh Viện Xây Dựng Công Trình Biển, Đại học Xây Dựng. Số 55, Giải Phóng, Hà Nội Email: quandhxd@gmail.com Tóm tắt: Turbine phát điện nhờ sức gió hay còn gọi là Trạm Phong Điện là một nguồn năng lượng tái tạo đang được cả thế giới trong đó có Việt Nam đưa vào khai thác. So với các trạm phong điện trên đất liền, các trạm phong điện xây dựng ở ngoài khơi có các lợi thế rõ rệt như sức gió mạnh và ổn định, giảm ảnh hưởng về ô nhiễm tiếng ồn và không mất đất. Bài báo này nhằm giới thiệu các dạng kết cấu có thể sử dụng cho các trạm phong điện biển ở Việt Nam. A SELECTION OF OFFSHORE WIND ENERGY GENERATED TURBIN SUPPORT STRUCTURE IN COASTAL ZONE OF VIETNAM Abstract: Wind turbine is one of renewable energy exploited in the world including Vietnam. Compare with the onshore wind turbine, the offshore have some significant advantages as the high and stable wind velocity, reduce the effecting of the noise and save the land. The purpose of this paper is to introduce some type of offshore wind turbine support structure which is suitable to build in Vietnam conditions. 1. Mở đầu: Phát điện nhờ sức gió đang là mục tiêu theo đuổi của toàn cầu, trong đó có Việt Nam nhằm cung cấp cho xã hội một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng và rất ít ảnh hưởng đến môi trường sống. Theo nghiên cứu của WorldBank thì Việt Nam với biển và bờ biển dài và nhiều đảo là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió. Trong bảng sau là một số địa phương có tiềm năng cung cấp điện gió ở Việt Nam. Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 62 Bảng 1. Tiềm năng gió Việt Nam (Số liệu của cục Khí tượng Thủy văn 2005) Địa phương Tốc độ gió trung bình Vtb(m/s) Mật độ công suất gió (W/m2) Mật độ năng lượng bình quân/năm (E=kWh/m2) Pha Đin 3,2 - 751,1 Đảo Cô Tô 4,4 - 1.317,9 Bãi Cháy 3,3 64,0 562 Bạch Long Vĩ 7,3 119,0 4.487,0 Nam Định 3,6 72,0 631,0 Văn Lý 4,3 72,0 933,5 Đồng Hới 3,9 108,6 952,0 Quy Nhơn 4,1 106,6 935,0 Cam Ranh 4,2 124,3 1065,7 Đảo Phú Quý 6,8 108,0 3554,2 Plây Ku 3,1 69,6 610,0 Đà Lạt 3,0 66,2 580,0 Tân Sơn Nhất 3,2 56,1 492,0 Vũng Tầu 3,9 101,1 886,0 Phú Quốc 3,7 97,5 855,0 Rạch Giá 3,2 47,7 476,0 Trường Sa 6,3 307,1 2692,0 Số liệu điều tra cho thấy các vùng biển và ven biển miền trung, các vùng đảo, hải đảo là những vùng có tiền năng điện gió nổi trội. Những trạm phát điện sức gió (Turbine gió) đã được xây dựng nhiều trên đất liền, dù ít nhưng vẫn có những ảnh hưởng nhất định đến môi trường nhất là về tiếng ồn, và chiếm quỹ đất trồng trọt đáng kể. Turbine phát điện nhờ sức gió ngoài biển (Phong điện biển) là một hướng đang được các nước trên thế giới phát triển nhằm tận dụng vận tốc gió lớn và ổn định ngoài biển và giảm tiếng ồn, không chiếm đất dành cho canh tác. Đây cũng là hướng phát triển tất yếu của Việt Nam trong tương lai gần. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 63 Hình 1: Cấu tạo công trình phong điện biển Cấu tạo công trình phong điện gồm các phần: - Turbine: Gồm cánh quạt, phần thân rotor (Hub). Độ lớn của cánh quạt và độ cao đặt hub phụ thuộc vào công suất thiết kế, điều kiện gió tại vị trí xây dựng. Công suất phát điện càng lớn thì đường kính cánh quạt và cao độ đặt turbine càng lớn. Ví dụ turbine công suất 4.5MW có đường kính cánh quạt D=112m, turbine 5MW D=126m .. - Kết cấu trụ trên: Phần kết cấu nối giữa Turbine với phần trụ dưới tính từ sàn công tác. Kết cấu trụ trên thường là trụ thép ống đường kính lớn. Kết cấu dạng khung rỗng cũng có thể được sử dụng. - Kết cấu trụ dưới: Là phần kết cấu được tính từ sàn công tác đến móng, trụ dưới có thể coi là kết cấu công trình biển loại nhỏ. Tùy độ sâu nước và công suất thiết kế và điều kiện cụ thể tại nơi xây dựng mà lựa chọn sử dụng kết cấu bê tông hay kết cấu thép, kết cấu monopile, tripods hay jacket. Ở những vùng nước sâu có thể sử dụng kết cấu dạng nổi có neo. - Kết cấu móng: Có 3 loại móng chính được sử dụng cho công trình phong điện biển đó là móng nông trọng lực, móng cọc và móng giếng. Kết cấu trụ đỡ Trụ trên Roto- Cánh quạt Trụ trên Trụ dưới Sàn công tác Trụ dưới Mực nước Cọc Móng Đáy biển Đất Cọc Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 64 - Các bộ phận phụ trợ: Giá cập tàu, cầu thang, sàn công tác và sân bay là các bộ phận phụ trợ gắn với công trình phục vụ công tác vận hành, bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa. 2. Giới thiệu các giải pháp kết cấu cho phong điện biển phù hợp với điều kiện Việt Nam: 2.1. Kết cấu Monopile: Monopile là kết cấu dạng đơn giản nhất được áp dụng trong thực tiễn. Một ống thép vừa làm trụ đỡ phần dưới vừa làm móng cọc cho công trình. Trụ trên và trụ dưới được liên kết trực tiếp bằng hàn hoặc thông qua một kết cấu chuyển tiếp liên kết bằng trám xi măng cường độ cao. Độ cứng của ống thép cũng như độ sâu của cọc phải được thiết kế đủ cứng để chịu tải trọng ngang của công trình. Ống thép có đường kính có thể đến 6m hoặc lớn hơn và độ dày đến 150mm. Monopile là kết cấu được dùng nhiều nhất trong những vùng nước nông d<=30m. Khi chiều sâu nước tăng nên việc kết cấu monopile sẽ đòi hỏi đường kính và độ dày trụ lớn và sẽ đắt hơn các kết cấu khác 2.2. Kết cấu Monopile có dây căng: Hạn chế của monopile khi ra nước sâu sẽ được khắc phục bởi các dây căng. Kết cấu dây căng cũng là một phương án với nhiều ưu điểm trong việc chịu tải trọng động, nhẹ hơn, dễ lắp đặt hơn và kinh tế hơn. 2.3 Kết cấu Tripods: Tripods có cấu tạo như hình H3 dưới đây, phần trụ trên và các kết cấu thanh chống liên kết với móng tạo ra một kết cấu có độ cứng lớn hơn dạng Monopile. Lực đứng và lực ngang sẽ truyền từ phần trụ trên qua các thanh chống và xuống móng. Với kết cấu đơn giản, dễ thi công, hình dạng hợp lý, có lợi về mặt chịu tác động của tải trọng sóng nên Tripods cũng là một kết cấu được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới hiện nay, tripods có thể sử dụng với độ sâu <=50m. 2.4. Kết cấu dạng jacket: Kết cấu dạng thanh tổ hợp thành khung không gian như hình dưới đây là dạng kết cấu truyền thống được sử dụng rất nhiều trong công trình dầu khí biển. 2.5. Kết cấu trọng lực: Kết cấu trụ Bê tông móng trọng lực cũng có nhiều ưu điểm như vật liệu rẻ, khả năng chống ăn mòn cao và có thể tự nổi cũng đang được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 65 Hình 3: kết cấu Monopile, Monopile có dây căng, kết cấu Tripods 2.6. Kết cấu dạng công trình nổi: Với những vùng nước sâu >50m thì các kết cấu cố định đòi hỏi chi phí lớn hơn, khi đó người ta có thể sử dụng các công trình nổi có neo dạng như TLP, Semi-Sub, và Spar như hình Hình 4 sau: Hình 4: kết cấu kiểu Jacket, Kết cấu trọng lực, Kết cấu nổi có neo 3. Tính toán thiết kế trụ đỡ phong điện biển 3.1. Tiêu chuẩn thiết kế trạm phong điện biển: Hiện nay mới tiêu chuẩn thiết kế cho các trạm phong điện chủ yếu là áp dụng tiêu chuẩn DnV DNV-OS-J101 (2004), Design of Offshore Wind Turbine Structures, DNV, Denmark, 2004. 3.2. Tải trọng tác động lên công trình: Tải trọng tác động lên công trình gồm các tải trọng, Tải trọng bản thân công trình, Tải trọng gió, Tải trọng Sóng cộng Dòng chảy, tải trọng động đất . Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 66 Tải trọng gió tác động lên phần cánh quạt, Hub, và kết cấu trụ nhô khỏi mặt nước. Khi tốc độ gió vượt quá 25m/s thì hệ thống phải ngừng hoạt động, vì vậy khi tính toán cần phải chia thành các trường hợp cực hạn và các trường hợp vận hành. Tải trọng gió tác dụng lên phần cánh quạt khi quay được xác định bằng lý thuyết đĩa hiệu dụng . Tải trọng sóng và dòng chảy tác dụng lên kết cấu xác định bằng công thức Morison hoặc lý thuyết nhiễu xạ, lưu ý hiện tượng sóng vỡ trong vùng nước nông. 3.3. Phương pháp tính, mô hình tính và phần mềm tính toán: - Phương pháp tính: Sử dụng phương pháp phần tử hữu tính cho các bài toán tựa tĩnh hoặc bài toán động. - Mô hình tính kết cấu: kết cấu được rời rạc hóa thành hệ thanh liên kết với nhau tại nút. - Mô hình cọc và đất: Có thể sử dụng các mô hình sau: Mô hình ngàm giả định, mô hình cọc tương đương hoặc mô hình cọc làm việc đồng thời với đất mô tả bằng các đường cong quan hệ giữa phản lực lên cọc và chuyển vị của đất, P-Y, T-Z,Q-Z - Phần mềm tính toán: Hiện nay có nhiều phần mềm tính được các công trình biển như; SAP2000, SACS, ANSYS, STAAD Pro,. 3.4. Một số bài toán cần tính toán kết cấu dưới tác động của các tải trọng: Kết cấu các trạm phong điện biển có độ mảnh lớn vì vậy hiệu ứng do các tải trọng động là đáng kể vì vậy nên tính toán kết cấu theo mô hình bài toán động. - Bài toán động tiền định: Khi sóng, gió được mô tả tiền định - Bài toán động ngẫu nhiên: Khi sóng, gió được mô tả ngẫu nhiên - Tính toán kiểm tra bền của kết cấu phần trụ và móng - Tính toán kiểm tra mỏi tại các nút - Tính toán kiểm tra nền móng - Tính toán các bài toán phục vụ thi công trên bờ và ngoài biển 4. Ví dụ thiết kế một trạm phong điện biển tại Việt Nam. - Số liệu đầu vào: Công suất thiết kế 3MW, độ dài cánh quạt 45m đặt ở độ cao 73m so với mặt nước biển, độ sâu nước 30m - Số liệu khí tượng hải văn: Số liệu gió theo các hướng, chiều cao sóng, chu kỳ sóng dòng chảy các phía. Điều kiện địa tầng, địa chất. - Giải pháp kết cấu lựa chọn: Kết cấu Tripods móng cọc. - Kết quả thiết kế kết cấu như sau: Tổng chiều cao: 103m Trụ trên: 60m, D=5-3m, t=50mm Trụ dưới: 43m, D=5-3m, t=50mm Các thanh chống: D=1.4m, t=23mm Cọc: D=1.4m, t=20-50mm đóng sâu sâu 50m. - Kết quả tính toán kiểm tra: Dao động riêng T1=2.06sec Lực đầu cọc lớn nhất P= 845T Hình 6: Turbine phát điện 3MW Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 67 5. Kết luận: - Các số liệu thống kê về sức gió và ước tính của Worldbank ở nước ta cho thấy tiềm năng điện gió ở Việt Nam có thể đạt đến 531GW/h, đặc biệt ở các vùng biển, và đảo như Trường Sa, Vũng Tàu, Quy Nhơn - Việt Nam là một trong những nước có ngành công nghiệp dầu khí phát triển mạnh, các cơ sở về hạ tầng, kỹ thuật, nhân sự và kinh nghiệm rất đầy đủ để xây dựng hầu hết các loại kết cấu như đã nêu ở trên, đặc biệt là kết cấu thép. - Để đáp ứng được nhu cầu phục vụ phát triển của đất nước và bảo vệ môi trường sống thì giải pháp phát điện sức gió là giải pháp chiến lược. Hiện tại các dự án phong điện trên đất liền như Tuy Phong, Phương Mai ở Bình Thuận đã được triển khai, phong điện biển có nhiều ưu thế về hiệu quả phát điện và giảm ảnh hưởng ô nhiễm chắc chắn sẽ là giải pháp của tương lai gần ở Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. BTM Consult ApS (2005) International Wind Energy Development, World Market update 2004, Forecast 2005-2009 IC Christensens Allé 1, DK6950,Ringkøbing, Denmark 2. Kühn, M (2001) Dynamics and Design Optimisation of Offshore Wind Energy Conversion Systems Institute for Wind Energy, Delft University of Technology,ISBN 90- 76468-07-9 3. DNV (2004) Design of offshore wind turbine structures Det Norske Veritas, DNV-OS- J101 4. DS472 (1992) Code of practice for loads and safety of wind turbine constructions Danish Society of Engineers and the Federation of Engineers 5. Tempel, J van der (2000) Lifetime Fatigue of an Offshore wind Turbine Support Structure Section Offshore Technology & Section Wind Energy, Delft, University of Technology