毛宏宇， 何炎平， 趙永生

(上海交通大學， 上海 200240)

固定式基礎海上風機的工業(yè)應用

毛宏宇， 何炎平， 趙永生

(上海交通大學， 上海 200240)

該文綜合介紹了目前全球海上固定式風機的工業(yè)實踐和規(guī)范制定的基本狀況，同時選取了五個有代表性的海上固定式風機場，對它們的支撐結構進行了分析，總結了海上固定式基礎風機支撐結構的發(fā)展趨勢，為我國海上固定式風機的設計和開發(fā)提供了可靠的依據(jù)。

海上風機場；固定式基礎；成本

0 引言

海上風電擁有更大的單機功率(相比陸上風機)，更靠近經(jīng)濟中心，同時還可以更好的利用未開發(fā)的海洋空間，是一種十分有開發(fā)前景的新能源。

海上風電對于我國十分重要：一方面，中國的經(jīng)濟中心在東部，而傳統(tǒng)的能源中心在中西部，所以東部的海上風電建設有助于改善這種不平衡的現(xiàn)象；另一方面，由于化石燃料的過度使用而產生較大的環(huán)境污染，這也讓人們意識到發(fā)展清潔能源迫在眉睫。

對于海上風電工業(yè)的發(fā)展，可以從工業(yè)實踐和工業(yè)規(guī)范兩個方面進行考察：

(1)工業(yè)實踐方面

在海上風電的發(fā)展上歐洲處于領先地位，已進入大規(guī)模商業(yè)化階段，中國緊隨其后，而美國、日本、澳大利亞等國仍在規(guī)劃中。

截止到2013年底，在歐洲的11個國家建造了共69個海上風場，2 080臺海上風機，總功率達6 562 MW。中國累積裝機容量達428.6 MW，位于全球第五位[1]。

目前海上固定式風機已進入大規(guī)模商業(yè)化階段，單樁式基礎及與其配套的3.0 MW、3.6 MW風機是主要形式，而更深海域的5 MW風機場的建設也已經(jīng)開始。

(2)工業(yè)規(guī)范的制定方面

隨著固定式風機工業(yè)的發(fā)展，行業(yè)內的規(guī)范也相繼推出。這些規(guī)范為固定式風機基礎的設計、建造和在役檢驗提供了原理指導和技術支持。規(guī)范的內容主要包括安全等級劃分、極限狀態(tài)、設計載荷工況、安全系數(shù)的選取等方面的內容。表1列舉了截止到2014年已發(fā)布的固定式風機的相關規(guī)范。

表1 已發(fā)布固定式風機的相關規(guī)范

從表1中可以看出，處在歐洲地區(qū)的挪威船級社和德國勞氏船級社分別在2004年和2005年發(fā)布了關于航海固定式風機的規(guī)范，處于先發(fā)狀態(tài)。而中國船級社和美國船級社的發(fā)布時間則晚了將近10年，這也與相應地區(qū)海上風電工業(yè)的發(fā)展狀況相符。

由以上的介紹分析可知，目前海上風電的開發(fā)一般采用大型海上風電場的形式，而海上風場中的風機幾乎全是固定式基礎，其相關規(guī)范也基本成熟。該文將通過介紹有代表性的固定式基礎形式和海上風場來說明固定式海上風電基礎在目前工業(yè)中的應用情況。

2 固定式海上風機的基礎結構

目前應用于海上的風場有多種形式，其中比較主要的有：重力式基礎、單樁式基礎、水上三樁基礎、高樁承臺基礎以及導管架形式[2-4]。

(1) 重力式基礎

重力式基礎由混凝土(或鋼板)的外殼及其中灌注的壓載組成，風機直接安裝在平臺的頂端，平臺利用自身的重力來抵抗所有外界的載荷，只要加入適當?shù)膲狠d，平臺就可以很好的抵抗風暴和風浪的襲擊。隨著水深的增加，重力式基礎的重量急劇增加，這不僅增加了建造及運輸施工的成本，而且要求海床有更大的承載能力，重力式基礎通常用于0 m～10 m的水深。

(2) 單樁式基礎

單樁式基礎是目前世界上使用量最高的基礎。單樁式基礎一般由打入海底的單樁和安裝單樁上的過渡部分組成，單樁式基礎最大的優(yōu)點是設計和計算較為簡單。隨著水深的增加和風機功率的增大，單樁式基礎的樁柱變長，承受的載荷變大，這樣深水的單樁基礎就需要更大的直徑來提高結構強度。隨著單樁直徑的增加，不僅制造、運輸和安裝的成本會隨之提高，而且所受的水動力載荷也會隨之增大，所以單樁式基礎一般應用于0 m～25 m的水深。

(3) 水上三樁基礎

水上三樁基礎可以看作是單樁式基礎的一種改進形式，將起支撐作用的單樁換成三根較細的樁柱。這樣在保持形式簡單的同時，避免了由于水深增加而導致樁柱直徑過大的問題，從而使水上三樁基礎可以適用于水深25 m ～50 m的海域。和單樁式基礎一樣，三根樁柱也是通過打樁或鉆孔的方式安裝，但是由于需要分別安裝，所以使三根樁柱的頂端保持在同一水平面上是安裝中最困難的問題，為此bard開發(fā)了一套自適應的調平技術。除了安裝復雜外，三樁式基礎的過渡段由角鋼焊接連接，結構形式比較復雜，需要更多的人工來進行焊接工作，這也在另一方面增加了額外建造的成本。

(4) 高樁承臺基礎

高樁混凝土承臺基礎源自海上獨立式墩臺基礎和跨海大橋橋墩基礎結構，混凝土臺面的基礎由打入地基土內的數(shù)根小直徑基樁組成。由于在我國有著豐富的工程實踐，施工風險可控，成本相對較低，所以廣泛應用于我國一些早期的海上試驗風場。

(5) 導管架基礎

與那些結構形式簡單的平臺不同，導管架平臺由許多較為細小的桿件焊接而成。導管架基礎的成本不會隨水深增加而急劇增加，而且由于在水中的橫截面積小，受到的水動力載荷也相對較小，從而導管架平臺可以適用于超過50 m的水深。導管架在陸地上建造完成后，可以整體的在海上運輸和安裝，施工難度相對簡單。導管架基礎的主要缺點在于各節(jié)點都需要焊接，這樣繁重的工作會大量得增加人工成本，這也是導管架基礎在世界范圍內至今沒有廣泛應用的原因。

圖1 5種固定式風機基礎示例

3 固定式基礎海上風機實例分析

(1) Thornton Bank

圖2 Thornton Bank中的重力式基礎

圖3 倫敦陣列的第一根單樁式基礎

圖4 工作中Bard Offshore I

圖5 東海大橋項目中正在組裝的高樁承臺基礎

Thornton Bank的1期工程安裝了6臺5 MW的風機，其采用了自重式的基礎。Thornton Bank的水深達27 m，整個自重式基礎變得十分巨大，其中每個自重式平臺的高度達38.5 m～44 m，底部直徑23.5 m，重量近2 800 t～3 000 t[5]，巨大的自重式基礎不僅增加了建造的成本，而且使安裝過程變得十分復雜。由于Thorn Bank 海底的軟土無法承受平臺及其壓載的重力，所以需要將目標地點的軟土層挖去，形成一個深7 m、底部長80 m、寬50 m的大坑，僅此項工作就需挖泥4 000 m3。然后將自重式基礎安置在較硬的土層上，之后將軟土回填，最后還要在其上進行澆灌保護以防止海流的沖刷。

Thornton Bank是世界上第一個安裝了5 MW海上風機的風場，所以整個項目帶有試驗的性質，雖然得出了自重式基礎是一個可行性方案的結論，但從后續(xù)的工程實踐中可看出，在27 m深的海域使用自重式基礎并不是一個很好的選擇。圖2為Thornton Bank中的重力式基礎。

(2) 倫敦陣列(London Array)

位于英國倫敦泰晤士河口的倫敦陣列是目前世界上最大的海上風機場，總功率達630 MW，風場離岸20 km，水深0 m～25 m，采用單樁式基礎。為了適應不同的水深，在倫敦陣列中使用不同型號的單樁和過渡系統(tǒng)，最大的單樁長68 m，直徑5.7 m，重650 t；最大的過渡端長28 m，重345 t。

倫敦陣列相對于之前的單樁式風場有兩處細節(jié)的改善。第一是在打樁時使用“軟啟動”的方法，即在正式開始打樁前，先產生較小危害的噪音將施工附近的海洋生物驅散，這種方法有效地將噪聲對海洋生物的影響降低。第二是對過渡段形式的改進。之前的單樁頂部是標準的圓柱形，但是在實踐中發(fā)現(xiàn)這樣的設計使灌漿部分發(fā)生破壞，破壞發(fā)生的原因主要是灌漿部分由于施工導致結構不能充分的密實，從而無法完全傳遞由風載荷引起的彎曲應力。所以在倫敦陣列采用了改進的設計方案，單樁的頂部被設計成小圓錐角的臺柱，這樣在灌漿部分發(fā)生破壞時，過渡分布會發(fā)生微小的沉降，增加了灌漿和鋼結構之間的接觸應力和摩擦力，從而防止了灌漿部分的進一步破壞和過渡部分的進一步沉降。

倫敦陣列是世界上第一個工業(yè)化級別的海上風場，它的完工標志著海上風電開發(fā)技術已經(jīng)基本成熟。圖3為倫敦列陣的第一根單樁式基礎。

(3) Bard Offshore I

Bard Offshore I 建在離岸100 km，水深40 m的海域。由80臺5 MW風機組成，采用水上三樁基礎。每個基礎重1 100 t，其中下面的三根樁柱重610 t，過渡段重490 t。與倫敦陣列中單樁式基礎比較可以發(fā)現(xiàn)，水上三樁基礎的原材料的使用量較少。

與Thornton Bank類似，Bard Offshore I也屬于深水5 MW風機的試驗項目，從其中可以看出水上三樁基礎還是很好的適應了40 m的水深，但是由于其自身的限制及其他相關風電技術的限制，目前還沒有得到大規(guī)模的應用。圖4為工作中的Bard Offshore I。

(4) 東海大橋項目

東海大橋項目是中國第一座海上風電場，位于上海東海大橋東側，最近端離大橋1 km，水深10 m，中間有通行1 000 t級船舶的航道穿越,采用高樁承臺基礎。

在東海大橋項目中，承臺為直徑14 m、高度3 m～4.50 m的圓柱體，基樁為8根直徑170 mm(壁厚25 mm)的鋼管樁，鋼樁總長80 m，泥面上長度15 m。為了減小水動力載荷，樁基的斜度為6:1，在承臺下沿半徑5 m圓周均勻分布[6]。

圖6 桂山海上風電場導管架基礎的設計方案

選擇高樁承臺，除了豐富的工程經(jīng)驗外，更主要原因是由于通航孔的存在，風機基礎需要防撞保護，而高樁承臺基礎的混凝土臺面本身就具有防撞的特征。在東海大橋項目中，混凝土承臺的底面高程為2 m，而多年平均高潮位為1.86 m，這樣的設計即可保護風機不受通航船舶撞擊的影響，而且相比其他形式的基礎可以節(jié)約出防撞設施的花費。圖5為東海大橋項目中正在組裝的高樁承臺基礎。

(5)珠海桂山海上風電場

在建中的珠海桂山200 MW海上風電場位于珠江河口的伶仃洋水域，水深6 m～12 m，風機基礎的最終方案為導管架形式基礎[7]。

由于導管架基礎在制造時需要消耗大量的人工成本，所以在歐洲淺水區(qū)域基本沒有使用導管架的情況。但是在我國人工成本遠遠低于歐洲，導致風機基礎的制造成本主要由原材料價格構成，在桂山項目的設計方案中，導管架基礎相比于單樁式基礎可以節(jié)約鋼材40%，較輕的重量也降低了運輸與安裝的難度。

相比于目前已經(jīng)建成的風機場，桂山200 MW海上風電場更具有商業(yè)性，它的建成將使我國海上風電的商業(yè)化向前進一大步。圖6為桂山海上風電場導管架基礎的設計方案。

4 結論

(1) 歐洲在淺水(0 m～25 m)區(qū)域固定式海上風電基礎的技術已經(jīng)十分成熟，其中以單樁式基礎的應用最為普遍。在深水(25 m～50 m)區(qū)域的技術處在探索之中，目前主要的技術有重力式基礎、水上三樁基礎及導管架式基礎。

(2) 由于歐洲人工成本高昂，所以為了減少成本，風機的基礎結構形式都較為簡單。

(3) 中國的海上風電正在準備商業(yè)化的路上，由于與歐洲的經(jīng)濟環(huán)境不同，所以在固定式基礎的選擇上也會有獨特的道路。

[1] 全球風能理事會. Global Wind Report Annual Market Update[R]. 全球風能理事會,2014.

[2] 鄭師亮. 海上風力發(fā)電機組基礎形式研究[J]. 城市建筑, 2013,10(14): 289-290.

[3] 劉俊. 3 MW 海上風力發(fā)電機組的基礎設計[J]. 南昌工程學院學報, 2013, 31(6): 25-29.

[4] 王建峰, 蔡安民, 劉晶. 我國海上風機基礎形式分析[C]. 經(jīng)濟發(fā)展方式轉變與自主創(chuàng)新—第十二屆中國科學技術協(xié)會年會, 2010.

[5] Peire K, Nonneman H, Bosschem E. Gravity Base Foundations for the Thornton Bank Offshore Wind Farm[M]. Terra et Aqua, 2009.

[6] 上?？睖y設計研究院.上海東海大橋近海風電場工程可行性研究報告[R].上?？睖y設計研究院,2007．

[7] 朱榮華, 李少清, 張美陽. 珠海桂山 200 MW 海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計[J]. 風能, 2013,14(9):94-98.

The Industrial Application of Fixed-based Offshore Wind Turbines

MAO Hong-yu, HE Yan-ping, ZHAO Yong-sheng

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The industrial application and specification modification of global fixed-based offshore wind turbines are introduced in this article. By choosing five typical offshore wind farms at the same time, their support structures are analyzed and the developing trends are summarized. The results provide a reliable gist for future design and development of national offshore fixed-based wind turbines.

offshore wind farm； fixed-based； cost

2014-09-22

毛宏宇(1989-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2015)02-0096-05

TM 614；TU 473.1

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