Một số bài học trong thiết kế và thi công xây dựng móng tuabin gió trên bờ và gần bờ trên thế giới và tại Việt Nam.

Key Lessons Learned from International and Local Onshore and Nearshore Offshore Wind Turbine Foundation Design and Construction

TÓM TẮT

Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia VIII, dự kiến đến năm 2030, phát triển điện gió của Việt Nam đạt công suất 6GW. Với tiềm năng cao để phát triển điện gió, Việt Nam rất cần học hỏi kinh nghiệm quốc tế và kết hợp với lợi thế tại địa phương, cùng các điều kiện để phát triển bền vững cho ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Trong bài viết dưới đây, dựa trên kinh nghiệm làm việc cho các dự án điện gió quy mô lớn ở Châu Âu và Việt Nam, CTE Winds sẽ cung cấp đến bạn các thông tin liên quan về thiết kế và thi công móng tuabin gió cho các dự án điện gió trên bờ và gần bờ, một số phương án mà kỹ sư có thể lựa chọn để tối ưu hóa thời gian và chi phí xây dựng.

GIỚI THIỆU

Việt Nam có tiềm năng điện gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á. Việt Nam với đặc điểm địa lý lợi thế, đường bờ biển trải dài hơn 3000 km và khí hậu cận nhiệt đới gió mùa, đã được khảo sát và đánh giá có tiềm năng gió lớn trong khu vực. Tiềm năng năng lượng gió khổng lồ dẫn đến việc tăng số lượng trang trại gió ở Việt Nam, thiết kế móng tuabine trở nên quan trọng hơn hết, do đó kỹ sư cần phải củng cố năng lực để thiết kế móng mang lại hiệu quả hơn về chi phí. Vì vậy, đối với thiết kế và thi công móng tuabin gió trên bờ và gần bờ: Giải pháp nào cho kỹ sư để tối ưu hóa thời gian và chi phí ?
Với hơn 20 năm kinh nghiệm trong thị trường điện gió, 8 văn phòng đại diện tại 4 châu lục và hơn 17.500 móng tuabin gió được thực hiện trên toàn Thế giới, Tập đoàn CTE WIND tự hào rằng thiết kế móng cho máy phát điện tuabin gió (WTG) là sứ mệnh kinh doanh của chúng tôi. Chúng tôi cung cấp tất cả các dịch vụ kỹ thuật dân dụng trong các dự án điện gió như: thiết lập quy hoạch tổng thể của các trang trại gió, đường nội bộ, thiết kế bãi thi công lắp dựng cần cẩu, hệ thống neo và thiết kế tháp bê tông, phân tích địa kỹ thuật và thiết kế kết cấu hệ thống thoát nước, v…v…
CTV Wind là đại diện của tập đoàn CTE tại Châu Á, đặt trụ sở văn phòng tại Việt Nam. Năm 2007, CTV Wind thiết kế NMĐG đầu tiên tại Việt Nam và tham gia thực hiện hầu hết dự án điện gió tại Việt Nam ở thời điểm hiện tại. Tiêu biểu như NMĐG Tuy Phong, Hương Linh, Đầm Nai, Phú Lạc… Đồng thời, với hơn 30 chuyên gia và kỹ sư có chuyên môn cao, CTV Wind là chuyên gia trong lĩnh vực này, chúng tôi tìm hiểu kỹ về lợi thế tại địa phương, tiêu chuẩn kỹ thuật trong nước và quốc tế. Ngoài ra, CTV Wind có thể áp dụng kinh nghiệm và chuyên môn trong các dự án điện gió quy mô lớn trên Thế giới, kết hợp với sự hiểu biết chuyên sâu về vật liệu, văn hóa, chuỗi cung ứng và mạng lưới tại địa phương để tạo ra giải pháp sáng tạo và kỹ thuật cho các dự án điện gió.
Với hơn 25.000 MW công suất điện được lắp đặt tại hơn 75 quốc gia và 2800 MW tại Việt Nam, chúng tôi đã tích lũy được bí quyết và kinh nghiệm vững chắc trong việc thiết kế và xây dựng BoP (cơ sở hạ tầng, cơ sở vật chất) cho các nhà máy điện gió. Theo đó, bài viết này trình bày một số kinh nghiệm về BOP của nhà máy điện gió, các giải pháp để hạn chế các rủi ro, từ đó dẫn đến một phương án hiệu quả cho việc xây dựng hạ tầng với chi phí và tiến độ được tối ưu hóa.

CÁC LƯU Ý KHI THIẾT KIẾ MÓNG TUABINE

Vai trò của móng tuabine

Cấu tạo của hệ thống tuabin gió (Hình 1) bao gồm: nền móng, tháp tuabin, máy tuabin gió (cánh quạt và rotor). Nền móng tuabine gió là một phần của hệ thống tuabin gió, bộ phận được tháp tuabine neo vào và chuyển tải trọng vào đất. Nền móng tuabine là bộ phận quan trọng để đảm bảo hệ thống tuabin hoạt động bình thường, giữ vai trò cố định cho hệ thống tuabin dưới tác động của các lực tự nhiên. Móng tuabin là bộ phận duy nhất không thể sản xuất sẵn trong hệ thống tuabin gió, mà sẽ được thiết kế và xây dựng trên công trường. Do đó, khi thiết kế móng tuabine cần lưu ý với mọi rủi ro về môi trường, thời tiết, thiên nhiên. Tất cả các yếu tố trên là thách thức khá lớn cho việc thiết kế và xây dựng các nền móng tuabin gió. Bài viết này sẽ đưa ra lời khuyên cho việc lựa chọn giải pháp và thiết kế nền móng tuabin trong các điều kiện khác nhau với chi phí và thời gian tối ưu.

Theo kinh nghiệm, chúng tôi sẽ liệt kê một số yếu tố sẽ ảnh hưởng đến thiết kế và xây dựng móng tuabin gió sau đây: thông số kỹ thuật của tuabin gió, điều kiện tự nhiên địa điểm xây dựng, tiêu chuẩn, quy định quốc tế và địa phương, và dự báo thời tiết.

Dữ liệu đầu vào của nhà sản xuất tuabin gió

Trước hết và trên hết, dữ liệu đầu vào từ nhà sản xuất tuabin gió là một trong những thông tin quan trọng nhất. Nhà sản xuất tuabin gió phải cung cấp tất cả các dữ liệu đầu vào như:  tải trọng móng, lồng bu – lông, thông số kỹ thuật trước khi móng được thiết kế. Trong khi hệ thống bu-lông đóng vai trò kết nối giữa móng và tháp, thông số kỹ thuật của tuabin gió là yêu cầu của nhà sản xuất để đảm bảo rằng  hệ thống tuabine hoạt động tốt. Ví dụ về tiêu chí cộng hưởng động hoặc tiêu chí mỏi.

Tuy nhiên, tải trọng móng của tuabine đôi khi không được đầy đủ. Các kỹ sư phải xác minh và yêu cầu các thông tin còn thiếu để thực hiện bước tiếp theo. Đôi khi, công trường thi công bị thay đổi, tải trọng nền móng không giống với giả định ban đầu do Nhà sản xuất tuabin cung cấp. Nên tính toán lại với Nhà sản xuất tuabin để ra tải trọng móng chính xác, ví dụ trong trường hợp móng bệ cao, móng gần bờ, nền móng sơ bộ sẽ được gửi đến nhà sản xuất tuabin gió để tính toán lại ảnh hưởng đến tải trọng móng. Quá trình này có thể tốn nhiều thời gian và ảnh hưởng đến tiến độ của một số dự án. Các dữ liệu của  lồng bu-lông có thể gặp tình trạng tương tự (Hình 2).

Điều kiện công trường

Yếu tố thứ hai cần quan tâm là điều kiện tại công trường thi công, bao gồm địa kỹ thuật và địa hình, điều kiện thủy văn hoặc điều kiện môi trường biển của các dự án gần bờ (chiều cao sóng, thủy triều, vận tốc dòng chảy…).
Nghiên cứu kỹ về đặc điểm phức tạp của địa kỹ thuật tại công trường (Hình 3) và xây dựng một bộ tài liệu chính xác về địa kỹ thuật là điều quan trọng hơn hết. Đơn vị thực hiện khảo sát địa kỹ thuật nên tăng độ sâu và mở rộng phạm vi thực tế của đất bị ảnh hưởng hoặc có thể bị ảnh hưởng bởi việc lắp đặt hệ thống tuabin và thi công nền móng theo kế hoạch.Tùy thuộc loại móng và các điều kiện địa chất dự kiến mà quyết định số lượng lỗ khoan. Nhìn chung, nên sử dụng một lỗ khoan trên mỗi móng tuabin. Vì phải huy động sà lan khoan trong trường hợp thi công ngoài khơi, nên việc khảo sát với ít lỗ khoan hơn có thể không mang lại hiệu quả về chi phí. Hơn nữa, khi có được thông tin địa kỹ thuật chính xác và rõ ràng tại vị trí thi công móng có thể giảm thiểu nhiều rủi ro khi thi công.
Khảo sát địa kỹ thuật phải được thực hiện theo yêu cầu kỹ thuật thiết kế móng tuabin gió. Ở Việt Nam và một số nước khác, kỹ sư thường nhận nhận được báo cáo địa kỹ thuật do chủ đầu tư đưa ra (Hình 4). Nhưng báo cáo không thể được sử dụng để áp dụng trong bản vẽ vì thiếu thông tin cho thiết kế móng. Việc khảo sát địa kỹ thuật phải được thực hiện lại, dẫn đến lãng phí thời gian và tốn kém thêm chi phí. Nếu việc thực hiện một hoặc một số lỗ khoan để khảo sát của từng vị trí tuabin gió thì nó phụ thuộc vào đặc tính của đất.
Nếu điều kiện địa kỹ thuật rất phức tạp và không đồng nhất, chúng ta có thể đề xuất để thay đổi vị trí của các tuabin gió ngay từ đầu. Ví dụ, chúng tôi đã thiết kế móng cho một trang trại điện gió. Nền đất rất phức tạp, chi phí cho việc xây dựng sẽ tăng khoảng 60% so với công trình có điều kiện nền đất bình thường, bởi phải làm thêm công tác đóng cọc hoặc cải tạo đất. Nhà đầu tư đã được tư vấn thay đổi vị trí đặt móng tuabine sau khi được tư vấn phân tích về tình trạng của đất nền. Như vậy, chủ đầu tư có thể tiết kiệm tới 60% chi phí phát sinh so với vị trí cũ.

Điều kiện thủy văn – xác định cao độ móng, cao độ mặt đường, các kết cấu thủy lực. Công tác khảo sát thủy văn rất quan trọng để xác định mực nước thiết kế móng và đường giao thông.
Thông thường, dự án điện gió có làm ảnh hưởng đến thủy văn của khu vực. Ví dụ, mực nước có thể tăng nhiều hơn bình thường do hệ thống đường bộ chặn đường thoát nước. Nếu kỹ sư không chú ý đến khả năng này, nó có thể dẫn đến một số rủi ro phát sinh nghiêm trọng. Với những thông tin này, chúng ta có thể tiết kiệm khoảng 20% chi phí xây dựng và đánh giá nguy cơ phát sinh lũ lụt trên công trường. Hiểu rõ về điều kiện thi công có thể lựa chọn giải pháp phù hợp và đáng tin cậy cho móng.

Trường hợp móng gần bờ, cần phải phân tích toàn bộ dữ liệu đầu vào bị ảnh hưởng bởi môi trường biển như: thủy triều, chiều cao sóng, vận tốc dòng chảy… Đây là một trong những yếu tố then chốt để thiết kế và thi công móng gần bờ. Đối với từng biện pháp thi công và điều kiện bê tông tại chỗ cần có giải pháp móng phù hợp. Ví dụ, thủy triều ở Việt Nam thay đổi rất lớn và mực nước thì nông. Điều này khiến cho các thiết bị công nghiệp ngoài khơi có kích thước lớn khó khăn khi tiếp cận vị trí tuabin gió. Bởi vì tải trọng sóng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của móng, một thiết kế móng tốt có thể giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công.

Điều kiện quốc tế – địa phương

Yếu tố thứ ba liên quan đến điều kiện địa phương, bao gồm luật pháp và quy định của địa phương, vật liệu địa phương và biện pháp xây dựng địa phương. Một số quốc gia yêu cầu giấy phép hoạt động của kỹ sư chuyên nghiệp để thiết kế móng tuabine. Tại các nước ASEAN, Mỹ, Canada, Trung Quốc, cần có giấy phép hoạt động của kỹ sư chuyên nghiệp thì mới có thể thực hiện các thiết kế và cấp giấy phép xây dựng. Tại Việt Nam, chính phủ yêu cầu cả chứng chỉ hành nghề của kỹ sư và chứng chỉ năng lực hoạt động xây dựng của công ty/tổ chức. Ví dụ, một dự án trang trại điện gió hạng I với tổng công suất trên 50 MW thì công ty phải có chứng chỉ năng lực hoạt động xây dựng ngành thiết kế công nghiệp lĩnh vực điện gió hạng I để thực hiện.
Thiết kế phải tuân theo một số tiêu chuẩn và quy định. Ví dụ: Tiêu chuẩn quốc tế IEC, Eurocode, tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, đặc điểm kỹ thuật của nhà sản xuất WTG, v…v… Theo chuẩn quốc tế, thuyết minh kỹ thuật cho việc xây dựng là cần thiết cho các thí nghiệm. Điều này không thực sự phổ biến ở các nước như Việt Nam, vì vậy kỹ sư thiết kế sẽ phải tìm thí nghiệm tương đương với điều kiện địa phương hoặc tìm các quy định tương tự.
Ví dụ, theo tiêu chuẩn Việt Nam, khi CTV Wind thiết kế một trang trại điện gió, việc thử nghiệm bu lông neo đã được thực hiện. Nhưng nếu chúng ta cho rằng đây là một trong những thành phần của tuabin gió, trong trường hợp này họ có chứng nhận CE, chúng ta không cần phải làm bài kiểm tra.
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, phần móng được xây dựng tại công trường. Các nguyên vật liệu có tại địa phương có tầm ảnh hưởng lớn đến việc thi công móng. Điều quan trọng là phải biết những nguyên vật liệu nào có thể cung cấp trên công trường tại địa phương để quyết định phương pháp xây dựng. Mác bê tông cao thường được sử dụng để xây dựng móng tuabin gió. Nhưng điều này chưa thực sự phổ biến ở Việt Nam. Do đó, nhà thầu thi công xây dựng phải có kinh nghiệm với các mác bê tông cao cần thiết trên công trường.

Ở Việt Nam, thép có cường độ từ 295 Mpa đến 400 Mpa. Trong việc xây dựng nền móng, nên sử dụng các loại thép có cường độ cao hơn, chẳng hạn như B500B. Nhưng thép gia cường có cường độ 500 Mpa cũng không phổ biến lắm ở Việt Nam. Đó là một trong những khó khăn của các nhà thầu thi công. Ngoài ra, nhà thầu phải nhập vữa cường độ cao. Quy trình này có thể gây tốn nhiều thời gian. Nếu nhà thầu có kế hoạch mua vữa cường độ cao trước khi bắt đầu xây dựng sẽ tiết kiệm thời gian hơn.

Thời tiết

Yếu tố cuối cùng ảnh hưởng đến thiết kế móng là thời tiết bất thường. Bất kỳ công trình móng tuabin gió nào cũng luôn được xây dựng tại công trường. Do đó, quá trình thi công hoàn toàn bị ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết địa phương.
Cần dự báo thời tiết trước khi bắt đầu thi công phần móng. Ví dụ như thi công móng trong điều kiện thời tiết nóng, lạnh hay mùa mưa… Tùy theo thời tiết mà việc lập kế hoạch và thi công thay đổi. Hình 7 thể hiện đường vào công trường thi công móng trong mùa mưa.

GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÓNG TUABINE

Có những loại móng khác nhau để xây dựng hệ thống tuabin gió. Đội ngũ kỹ sư nghiên cứu và phát triển của chúng tôi đã phát triển nhiều loại móng phù hợp với điều kiện công trường và tua-bin gió cụ thể. Nhờ đó, thời gian và chi phí xây dựng đã được tối ưu hóa. Hình 8 cho thấy một số giải pháp móng được thực hiện bởi CTE Wind.

Tại Việt Nam, công trường thi công có thể xuất hiện vài vấn đề không mong muốn. Đặc biệt, trong khi thi công đào móng, phát hiện ra đất không đồng nhất. Chằng hạn như các tơ, móng nằm một phần trên đá gốc và biến động địa chất là ví dụ cho các trường hợp nền không đồng nhất. Căn cứ vào điều kiện thực tế của đất nền, kỹ sư phải tìm ra giải pháp thiết kế móng hiệu quả để đạt được kết quả mong muốn.

Móng đẩy nổi

Móng đẩy nổi có nhiều ưu điểm hơn so với các loại móng truyền thống. Theo nghiên cứu, thiết kế đẩy nổi có thể làm giảm thể tích bê tông từ 25% đến 50%. Bè nổi hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như một cấu trúc nổi, trong đó sự hỗ trợ cho bè chủ yếu có được bằng cách thay thế trọng lượng của công tác đào đất bị quá tải bởi thể tích của một móng rỗng lớn. Nó được sử dụng khi tầng chịu lực phù hợp ở độ sâu quá lớn đối với các lựa chọn thay thế mang tính truyền thống khác.
Ở Việt Nam, móng cần có hệ thống chống thấm để đối phó với lực nổi như: mạch nước ngầm khi đào móng và sử dụng vật liệu để bảo vệ công trường thi công để tránh trục trặc trong các công tác đầm chặt.

Giải pháp SOFT-SPOT®

Giải pháp SOFT-SPOT® cho móng là một phương pháp kỹ thuật đáng chú ý khác được CTE Wind phát minh vài năm trước. Giải pháp này được phát triển bởi đội ngũ kỹ sư của CTE Wind và được triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. Giải pháp này tối ưu hóa được bảng dự toán khối lượng vì nó sẽ tiết kiệm bê tông, thép và giảm đường kính móng. Thiết kế này có thể giúp dễ dàng hơn trong công tác thi công xây dựng vừa không làm thay đổi kết cấu trọng lực móng. Chúng tôi đã được cấp bằng sáng chế cho phát minh này.
Thông qua việc lắp đặt một lớp vật liệu mềm bên dưới phần trung tâm của móng (hình 10), bản sàn sẽ hoạt động như một móng vành khuyên trong sự tương tác đất-kết cấu móng. Áp lực gối tựa của máy tuabin tập trung ở bề mặt tiếp xúc hình vòng gần mép của bản sàn hơn. Điều đó làm tăng cánh tay đòn mômen ổn định. Do đó, đường kính móng có thể giảm so với giải pháp móng tiêu chuẩn.

CTE Wind đã phát triển và triển khai một số dự án kể từ khi phát minh ra giải pháp SOFT-SPOT®. Hàng trăm dự án thiết kế móng mới được xây dựng trên khắp thế giới có thể kể đến như: Bazil, Pháp, Lithuania, Indonesia, Mexico, Netherland, Nga, Serbia, Sweden và Thái Lan. Nhờ giải pháp thiết kế đó, các dự án tiết kiệm được đến 15% khối lượng bê tông, giảm đường kính móng và giảm 5-7% tổng trọng lượng của cốt thép. Trong một số trường hợp, điều quan trọng hơn cả chi phí vật liệu là không gian thi công: với giải pháp SOFT-SPOT® bạn cần ít bề mặt hơn cho phần móng. Điều này giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí cho công tác đào móng. Một ví dụ điển hình về lợi ích của giải pháp này đối với trang trại điện gió tại Thái Lan, thể hiện trong thông tin dưới đây:

Bảng 1: Lợi ích của giải pháp SOFT-SPOT®

Thiết kế lồng bu-lông

Về cơ bản, lồng bu lông là một hệ thống bu lông, liên kết với nhau bởi các vòng thép thấp hơn và cao hơn. Thông thường, lồng bu lông được tháo rời ra vận chuyển đến công trường và công nhân có thể lắp chúng trong vài giờ. Vai trò chính của nó là truyền tải trọng tới bê tông tốt hơn: đôi khi có thể quan sát được sự phân tầng của vòng được đặt vào khối bê tông, mặc dù điều này dẫn tới sự chuyển động tòa tháp và sau đó là các vấn đề nghiêm trọng về tính bền vững.
Việc chọn đúng độ dài và tải trọng ứng suất trước của bu lông sẽ tác động đến tiết diện cốt thép và cả đến lớp kháng của bê tông

Móng gần bờ

Móng gần bờ ứng dụng ở vùng triều với mực nước sâu từ 2 đến 15m. Độ sâu nước rất nông. Điều này gây cản trở cho các tàu hoặc những phương tiện lớn ngoài khơi để tiếp cận và thi công trên mặt đất. Với tất cả các yếu tố được xem xét, một giải pháp cổ điển cho móng WTG có thể dẫn đến một số chi phí phát sinh, chẳng hạn như: chi phí xây dựng cao, đóng cọc trước và bơm nước khi bị lũ lụt. Chất lượng công trình không được đảm bảo và thời gian thi công có thể kéo dài.

Tuy nhiên, thiết kế của CTV Wind là một giải pháp hiệu quả và đáng tin cậy về chi phí cho các khu vực triều cường. Với giải pháp gần bờ của CTV Wind, chủ đầu tư nhà máy điện gió có thể tiết kiệm một khối lượng đáng kể nguyên vật liệu. Chúng tôi đã làm bảng so sánh (bảng 2), trong đó cho thấy tỷ lệ phần trăm nguyên vật liệu có thể được tiết kiệm nếu áp dụng giải pháp này tại Việt Nam. Giải pháp của CTV Wind là giải pháp tối ưu nhất cho tất cả các loại tuabin gió gần bờ. Giải pháp móng gần bờ đã được thực hiện hiệu quả với 150 móng đã được thi công.

Bảng 2. Bảng so sánh

KẾT LUẬN

Việc tăng kích thước của tháp và tua-bin gió, lắp đặt thi công các dự án điện gió tại vùng nước sâu là minh chứng cho sự cần thiết trong việc tìm ra các giải pháp hiệu quả và tiên tiến cho móng tuabin. Bài viết này tóm tắt các vấn đề cơ bản liên quan đến móng và địa kỹ thuật cho móng tua-bin gió trên bờ và ngoài khơi. Trình bày những ưu điểm và nhược điểm của từng giải pháp. Bên cạnh đó là sự phân tích các điều kiện phù hợp để lựa chọn cho từng loại móng. Dựa trên thông tin được tóm tắt trong bài báo này, một kỹ sư địa kỹ thuật khi thiết kế phát triển nhà máy điện gió sẽ có thể thực hiện việc định hướng và đưa ra lựa chọn sơ bộ.

Nguyễn Việt Hưng, Trần Quang Đạt
CTV Engineering Vietnam. Email: [email protected]
Alexander Martin
CTE Wind group

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. CTE group, 2020, https://www.cte-wind.com/ve/2020/01/23/SOFT-SPOT®-foundation-2/
2. James D. Hussin, 2009, Ground improvement techniques for turbine sites,
   https://www.windsystemsmag.com/construction-3/
3. Sanjeev Malhotra, P.E., G.E, 2007, Design and construction considerations for offshore wind turbine foundations,
   https://www.researchgate.net/publication/267604619_Design_and_Construction_Considerations_for_Offshore_Wind_Turbine_Foundations_in_North_America
4. Sanjeev Malhotra, P.E., G.E, Part 10 of Wind turbine book, Selection, Design and Construction of Offshore Wind Turbine Foundations, https://www.intechopen.com/books/wind-turbines
5. Eddyhrbs, (2013) Design – Buoyancy Raft, http://www.abuildersengineer.com/2013/0