Zgodnie z pakietem energetyczno-klimatycznym, nałożonym przez

Transkrypt

1 Projektowanie posadowienia elektrowni wiatrowyh 70 Adam Zaremba Projektant, Kierownik Działu Projektowego, Menard Polska Sp. z o.o. PARTNER TEMATU Zgodnie z pakietem energetyzno-klimatyznym, nałożonym przez Komisję Europejską na państwa złonkowskie, do 2020 roku Polska będzie zobowiązana do produkowania 15% energii w krajowym bilansie energetyznym ze źródeł odnawialnyh (z zego od 30% do 50% będzie wytwarzana przez elektrownie wiatrowe). To oznaza, że Polska do 2020 r. musi zterokrotnie zwiększyć mo zainstalowanej energii wiatrowej. Kolejnym założeniem pakietu energetyzno-klimatyznego jest znaząa redukja emisji gazów ieplarnianyh do 40% w 2030 r, zyli poniżej emisji z roku Aby nie płaić kar za przekrozoną emisję CO 2, Polska będzie musiała odhodzić od energii pozyskiwanej z paliw kopalnyh. Jedyną alternatywą są odnawialne źródła energii, ponieważ z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że do tego zasu nie powstanie w Polse elektrownia atomowa. Obene prognozy szaują start pierwszego bloku energetyznego na 2027 r. Chiałbym podkreślić, że pierwsze plany zakładały uruhomienie elektrowni atomowej w Żarnowu w 1990 r. Postawienie na rozwój energetyki z odnawialnyh źródeł energii jest zatem jedyną szansą spełnienia kryteriów zapisanyh w pakieie energetyzno-klimatyznym przedstawionym niedawno przez Komisję Europejską. Zalety energetyki wiatrowej Argumenty za rozwojem energetyki wiatrowej są następująe: krótki zas realizaji inwestyji, w porównaniu do energii pozyskiwanej z elektrowni wodnyh, wydajne instalaje, mo turbin dohodzi do 7,0 MW, dobrze rozwinięta tehnologia, sprawnośi dohodząe do 40%, stosunkowo niewielkie oddziaływanie na środowisko w porównaniu do budowli wodnyh lub energetyki z biomasy lub biogazu. Do wad energetyki wiatrowej można zalizyć: emisję uiążliwyh oddziaływań akustyznyh, produkję energii tylko przy określonej prędkośi wiatru, krótki zas eksploataji turbiny (ok. 20 lat). Projektują posadowienie tego typu obiektów budowlanyh, należy zwróić uwagę w szzególnośi na jakość oraz rodzaj rozpoznania podłoża gruntowego. Jego badania powinny stanowić materiał wyjśiowy do wykonania projektu geotehniznego. Charakterystyka konstrukji Elektrownia wiatrowa zbudowana jest z wieży i gondoli, która składa się z wirnika i układu pomiarowego (shemat turbiny przedstawia rysunek 4). Wirnik składa się z łopat połązonyh piastą. Łopaty poruszane są przez wiatr i przekazują mo do piasty, która jest połązona z wałem napędowym, zwiększająym prędkość osi. Wieże dla turbin dużyh moy wykonane są w postai stalowej lub żelbetowej rury (rzadziej kratowniy). Rozwiązanie w postai masztu, utrzymywanego w poziomie za pomoą lin, jest stosowane tylko w małyh turbinah (służąyh na przykład do ładowania baterii akumulatorów). Wieże elektrowni wiatrowyh o dużyh moah (1,0-3,6 MW) są wykonane w większośi przypadków z rur stalowyh, o średniy 4,0-11,0 m, które są dostarzane w zęśiah na miejse budowy. Wieże mają stożkowy kształt, ze średnią rosnąą ku podstawie. Taki kształt zapewnia dużą wytrzymałość oraz oszzędność materiału. Badania podłoża gruntowego Zgodnie z rozporządzeniami [3] ( 4 ust. 1 pkt 3b i 3) oraz [4] turbiny wiatrowe można opisać, jako nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowyh, któryh wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników lub któryh projekty budowlane zawierają nieznajdująe podstaw w przepisah nowe niesprawdzone w krajowej praktye rozwiązania tehnizne. Obiekty tak sharakteryzowane zalizane są do trzeiej kategorii geotehniznej, o narzua wykonanie szzegółowyh badań geotehniznyh oraz projektu geotehniznego zgodnego z [3]. Zważywszy na koszt pojedynzej turbiny szaowany na ok 2,5 mln euro, oszzędnośi od kilkuset do kilku tysięy złotyh na badaniah geotehniznyh są niewspółmierne do kosztów, jakie można ponieść w przypadku katastrofy budowlanej. W wytyznyh [5] został przedstawiony szzegółowy zakres badań, jakie należy wykonywać podzas projektowania posadowień turbin wia-

2 trowyh. Badania polowe należy wykonywać do głębokośi ok 1,5 średniy fundamentu. Przykładowe badania do wykonania są następująe: 1-2 odwierty, 1-3 sondowania pozwalająe określić parametry gruntu na miejsu np.: sondowania CPTu, sondowania DMT, badania z wykorzystaniem presjometru np. Menard, sondowania sondą dynamizną (dla gruntów niespoistyh, sondowania sondą krzyżakową do określenia niedrenowanej wytrzymałośi na śinanie w warunkah in-situ. badania in-situ do określenia parametrów gruntów w zakresie małyh odkształeń, badania geofizyzne prędkośi rozhodzenia się fali akustyznej w grunie np.: sondowania SCPTu, sondowania SDMT, pobór próbek NNS do badań laboratoryjnyh. Na podstawie badań polowyh oraz laboratoryjnyh powinny zostać wyznazone następująe parametry, potrzebne do poprawnego zaprojektowania posadowienia konstrukji: określenie rodzaju gruntu z podziałem na warstwy litologizne maksymalny poziom zwieriadła wód gruntowyh, parametry wiodąe uzyskane z sondowań np., efektywne parametry wytrzymałośiowe gruntu, parametry wytrzymałośiowe gruntu w warunkah bez drenażu, parametry odkształeniowe gruntów: moduł odkształenia gruntu E dla zakresu odkształeń (10-2 > ε >10-3 ), moduł śinania gruntu G dla zakresu odkształeń (10-2 > ε >10-3 ), wartość współzynnika Poissona dla sytuaji krótkotrwałej i długotrwałej, moduł odkształenia gruntu E max dla zakresu odkształeń (10-5 > ε >10-6 ), moduł śinania gruntu G max dla zakresu odkształeń (10-5 > ε >10-6 ). Projekt geotehnizny Ze względu na harakter konstrukji oraz trzeią kategorię geotehnizną wymagane jest przygotowanie projektu geotehniznego zgodnie z [3] oraz wytyznymi produenta turbiny. Kształt oraz wielkość fundamentu określa projektant konstrukji na podstawie analizy statyznej. Wymiarująym kryterium wg [5] jest brak odrywania fundamentu dla obiążeń harakterystyznyh dla przypadku DLC QP (uasi-permanent loads ombination), zarówno przy posadowieniu bezpośrednim, jak i na palah. Wytyzne [5] oraz norma [9] określają zakres dopuszzalnego odrywania dla pozostałyh kombinaji, należy pamiętać o uwzględnieniu wszystkih destabilizująyh oddziaływań, jak np. wypór wody, oraz współzynników oblizeniowyh. W projekie geotehniznym należy sprawdzić następująe warunki stanów graniznyh nośnośi i użytkowalnośi podłoża gruntowego [5, 6, 13, 16]: S < Sdop warunek dopuszzalnyh osiadań różniowyh fundamentu, s wyznazona przehyłka fundamentu, S dop przehyłka dopuszzalna określana przez produenta turbiny, min > σ max warunek graniznej nośnośi podłoża, min nośność rodzimego podłoża gruntowego lub poddanego modyfikaji w elu spełnienia nierównośi, σ max maksymalne naprężenia krawędziowe, s max < s dop warunek osiadań maksymalnyh, s max maksymalne osiadania konstrukji, s dop osiadania dopuszzalne, Rys. 1. Prognozowana struktura pozyskiwania energii elektryznej z OZE w Polse w roku 2030 [1] Rys. 2. Zmiany parametrów turbin wiatrowyh na przełomie ostatnih dwóh dekad [2] KRZYWA MOCY TURBINY WIATROWEJ (dla turbiny o moy 2,5 MW na podstawie danyh GE Energy) mo wyjiowa, [MW] 2,7 2,1 1,5 prdko granizna 0,9 dolna 3,5 m/s 0,3 2,5 MW mo znamionowa prdko optymalna znamionowa 12,5 m/s prdko granizna górna 25 m/s prdko wiatru, [m/s] Rys. 3. Wykres moy turbiny w zależnośi od prędkośi wiatru [17] Rys. 4. Shemat budowy turbiny wiatrowej oraz zdjęie elektrowni o moy 2,5 MW [17] 71

3 72 na podst. [ 17 ] Rys. 5. Shematy fundamentów o kształtah okrągły, kwadratowy i oktagonalny Dynamizne oddziaływania wywołane ruhem obrotowym wirnika Rys. 6. Shemat oddziaływań dynamiznyh przekazywanyh na fundament EW A Sprężysta praa łopat bez tłumienia z tłumienia 0 f f 0 Rys. 7. Wykres amplitudy drgań w strefie rezonansu [17] Sprężyste wahania wieży wiatrowej Rys. 8. Shemat przemieszzeń fundamentu turbin wiatrowej w wyniku przekazywanyh obiążeń [10] Rys. 9. Wyniki analizy osiadań fundamentu posadowionego na grunie rodzimym wykonane w programie Plaxis 3D i ABC Obiekt 3D kφ.i > k φdop.i sprawdzenie parametrów dynamiznyh podłoża gruntowego ze względu na oddziaływania dynamizne/yklizne konstrukji (dynamiznej i statyznej sztywnośi obrotowej fundamentu), k φ.stat statyzna sztywność obrotowa podłoża gruntowego, k φdop.stst granizna statyzna sztywność obrotowa podłoża gruntowego określona przez produenta turbiny, k φ.dyn dynamizna sztywność obrotowa podłoża gruntowego, k φ.dop.dyn granizna dynamizna sztywność obrotowa podłoża gruntowego określona przez produenta turbiny. Pierwsze trzy stany granizne są typowe dla większośi fundamentów, natomiast sprawdzanie obrotowej sztywnośi dynamiznej fundamentu nie jest powszehnie wykonywane, a w przypadku turbin wiatrowyh ma kluzowe znazenie. Produent turbiny określa minimalną wartość sztywnośi dynamiznej fundamentu, dla której różnia zęstotliwośi jest bezpiezna. Analiza dynamizna fundamentu ma na elu zapobiegnięie nakładaniu się na siebie drgań, a o za tym idzie, uniknięie zjawiska rezonansu. Przykładem katastrofy budowlanej wywołanej nakładaniem się drgań oraz rezonansem jest katastrofa mostu Taoma Narrows Bridge, do której doszło w 1940 r. [8] na skutek obiążeń poziomyh wiatrem wiejąym z prędkośią ok. 42 mph. Most był projektowany na wiatr o prędkośi maksymalnej 120 mph [7]. Katastrofę skomentował profesor Jan Biliszzuk słowami Z tego zdarzenia wyiągnięto jednak wnioski, bo od tego zasu nie było na świeie katastrofy typu «flatter», zyli spowodowanej nakładaniem się tyh drgań. Inżynierowie badająy katastrofę odkryli, że ih zęstośi powinny być od siebie maksymalnie oddalone. Normy wymagają, żeby ta różnia wynosiła, o najmniej 1,5. W mośie Takoma była bliska jedynki, zyli drgania się na siebie prawie nakładały [8]. Sprawdzanie obrotowej sztywnośi dynamiznej fundamentu nie jest powszehnie wykonywane, a w przypadku turbin wiatrowyh ma kluzowe znazenie. Z rysunku 7 wynika, że w przypadku braku tłumienia amplitudy drgania mogą teoretyznie wzrastać do nieskońzonośi, o prowadzi do zniszzenia konstrukji. W praktye przyjmuje się, że strefa rezonansu obejmuje przedział wartośi zęstotliwośi z zakresu 0,85 f 0 do 1,15 f 0, gdzie f 0 jest to zęstotliwość idealnego rezonansu [15]. Dlatego tak ważne jest by sprawdzenie warunku sztywnośi obrotowej wykonywane było z należytą starannośią, przy wykorzystaniu parametrów gruntów pomierzonyh w warunkah in-situ. Projekt geotehnizny zgodnie z [3, 5, 11] powinien zawierać: prognozę zmian właśiwośi podłoża gruntowego w zasie; określenie oblizeniowyh parametrów geotehniznyh; określenie zęśiowyh współzynników bezpiezeństwa do oblizeń geotehniznyh; określenie oddziaływań od gruntu; przyjęie modelu oblizeniowego podłoża gruntowego, a w prostyh przypadkah projektowego przekroju geotehniznego; oblizenie nośnośi i osiadania podłoża gruntowego oraz ogólnej stateznośi; ustalenie danyh niezbędnyh do zaprojektowania fundamentów; speyfikaję badań niezbędnyh do zapewnienia wymaganej jakośi robót ziemnyh i spejalistyznyh robót geotehniznyh; określenie szkodliwośi oddziaływań wód gruntowyh na obiekt budowlany i sposobów przeiwdziałania tym zagrożeniom; określenie zakresu niezbędnego monitorowania wybudowanego obiektu budowlanego, obiektów sąsiadująyh i otazająego gruntu, niezbędnego do rozpoznania zagrożeń mogąyh wystąpić w trakie robót budowlanyh lub w ih wyniku oraz w zasie użytkowania obiektu budowlanego.

4

5 74 Warunek graniznej nośnośi podłoża Sprawdzenie nośnośi podłoża należy wykonać zgodnie z obowiązująymi normami lub własną metodyką, uwzględniają redukję nośnośi ze względu na obiążenia yklizne. Wartość współzynnika redukyjnego można przyjąć na podstawie normy PN 80/B [18] lub wg literatury fahowej. Posiłkują się Eurokodem 7 [6], ze względu na zmienny harakter obiążeń dla gruntów spoistyh nośność granizną obliza się dla warunków bez odpływu z zależnośi: R k 2 u b s i (1) A' A efektywne oblizeniowe pole powierzhni fundamentu, u wytrzymałość gruntu na śinanie bez odpływu, naprężenie od nadkładu lub obiążenia w poziomie podstawy fundamentu. 2 b 1 2 B' s 1 0, 2 L' (2) H i 0, A ' u H A ' u Dla gruntów niespoistyh przeprowadzamy analizę z rozproszeniem nadwyżki iśnienia wody w porah (warunek z odpływem) [6]: Rk ' N b s i ' N b s i 0, 5 ' B ' N b s i (3) A' A efektywne oblizeniowe pole powierzhni fundamentu, spójność efektywna gruntu, naprężenie od nadkładu lub obiążenia w poziomie podstawy fundamentu, γ' oblizeniowy efektywny iężar objętośiowy gruntu (do głębokośi B) [6]. Warunek dopuszzalnyh osiadań różniowyh fundamentu W większośi przypadków kryteria przehyłki, jakie musi spełnić fundament, określane są przez produenta turbiny, natomiast zakres odrywania powinno się przyjmować wg obowiązująyh wytyznyh krajowyh i praktyk inżynierskih. Produeni turbin w większośi przypadków podają dopuszzalne osiadania różniowe równe S < 3,0 mm/m. Ze względu na nierównomierny rozkład obiążeń wymiarowanie osiadań różniowyh metoda analityzną może być niedokładne. Do tego elu można się posłużyć poniższą zależnośią [16]: Q e 0 tg (4) 3 E0 r θ kąt przehyłki fundamentu, ω λ współzynnik zależny od zagłębienia stopy/fundamenty w podłożu, e 0 mimośród obiążeń, Q wypadkowa sił pionowyh, ν 0 współzynnik Poissona gruntu, r promień fundamentu, E moduł odkształenia gruntu rodzimego. Analiza numeryzna umożliwia szzegółowe modelowanie współpray fundament grunt. W tym elu wykorzystuje się oprogramowanie komeryjne zorientowanie geotehniznie, np. ABC Obiekt 3D lub Plaxis 3D. Wyniki uzyskane tą metodą bardzo dobrze odwzorowują zahowanie się konstrukji w rzezywistośi. Warunek osiadań maksymalnyh Krytyznym warunkiem przemieszzeń konstrukji są różnie osiadania. Warunek osiadań maksymalnyh jest elementem, który nie jest wymiarująy przy projektowaniu tego typu konstrukji. Kryterium maksymalnyh osiadań konstrukji należy przyjmować z normy Eurokod 7 [6]. Sprawdzenie parametrów dynamiznyh podłoża gruntowego ze względu na oddziaływania dynamizne/yklizne konstrukji Minimalna sztywność dynamizna podawana jest przez produenta turbiny i można ją opisać równaniem: M obl k N m C, dyn (5) rad C φ,dyn wymagana sztywność dynamizna fundamentu φ kąt obrotu fundamentu M obl moment przekazywany na fundament z konstrukji Sztywność dynamizną dla fundamentu okrągłego można wyznazyć z poniższej zależnośi[18] dla podłoża jednorodnego: 3 8 G o r k 3 ( 1 ) r promień fundamentu, ν pomierzony współzynnik Poissona gruntu, G o dyn minimalny dynamizny moduł śinania gruntu na podstawie badań., dyn (6) Podsumowanie W związku z nowym rozporządzeniem z dnia 27 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalenia geotehniznyh warunków posadowienia obiektów budowlanyh, elektrownie wiatrowe należy zakwalifikować do III kategorii geotehniznej jako obiekty energetyki. To powoduje, że projektują posadowienie tego typu obiektów budowlanyh należy zwróić uwagę na otrzymane dane, a w szzególnośi na jakość oraz rodzaj rozpoznania podłoża gruntowego. Ze względu na złożoność zagadnień statyznyh i dynamiznyh ww. konstrukji rolą projektantów oraz środowiska geotehniznego jest zwraanie uwagi inwestorów na problematykę związaną z badaniami podłoża gruntowego, które stanowią materiał wejśiowy do wykonania projektu geotehniznego posadowienia fundamentów turbiny wiatrowej. n Literatura [1] Prognoza bilansu energetyznego Polski do 2030 r. Dr inż. M, Duda. Mgr H Mikołajku, Mgr inż., S Okrasa [2] Flaga. A.: Inżynieria wiatrowa Podstawy i zastosowania. Warszawa [3] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownitwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r.w sprawie ustalania geotehniznyh warunków posadawiania obiektów budowlanyh. [4] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsięwzięć mogąyh znaząo oddziaływać na środowisko. [5] Working group on Wind Turbine Foundations Reommendations for the design, alulation, installation and inspetion of wind-turbine foundations, July 5, [6] PN-EN EUROKOD 7 Projektowanie geotehnizne. Część 1: zasady ogólne [7] [8] [9] International Standard IEC [10] A. Zaremba, Modyfikaja podłoża gruntowego w świetle posadowienia turbin wiatrowyh [11] PN-EN : Eurokod 7: Projektowanie geotehnizne Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego. [12] A. Zaremba, Modyfikaja podłoża gruntowego na potrzeby posadowienia turbin wiatrowyh - projektowanie Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 6 mara 2014 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW 2014 [13] Polską Normę PN 83/B Posadowienie bezpośrednie budowli [14] Zarys geotehniki Z. Wiłun. Wydawnitwo Komunikaji i Łąznośi. Warszawa [15] Cz. Kłoś, J. Lipiński. Fundmaenty pod maszyny Arkady [16] Guideline for the Certifiation of Wind Turbines. 2 nd Edition. Det Norske Veritas, Copenhagen (Wind.Turbine.Certifiation@dnv.om) and Wind Energy Department, Risø National Laboratory (Certifiation@risoe.dk) [17] Materiały wewnętrzne firmy MENARD Polska. [18] PN-B-03040:1980 Fundamenty i konstrukje wsporze pod maszyny Oblizenia i projektowanie.