海上风电基础结构选型与施工工艺探讨

海上风电基础结构选型与施工工艺探讨

秦皓

江苏龙源振华海洋工程有限公司江苏南通226001

摘要：现阶段，我国对电能的需求越来越大，而面对电力资源日渐稀缺的与用电需求越加旺盛的矛盾，海上风电场的建设与发展趋势已成必然，而海上风电基础结构选型极其施工工艺则是海上风电场建设研究的重点所在。文章通过研究相关文献以及结合笔者自己多年工作经验情况下，首先对国际上常见海上风电基础结构极其施工工艺进行了深入分析，进而对比了其适用条件，希望能够为我国海上风电场建设提供有效参考。

关键词：海上风电；基础结构；选型；施工工艺

引言

海上风电场的支撑结构，也称基础结构，是海上风电机组结构区别于陆上风电的主要部件。陆上风电机组的支撑结构占总投资的5%~10%，而海上风电机组支撑结构投资占到总投资的20%~30%，风电场的支撑基础对整机安全至关重要。在充分考虑海上风电场复杂环境条件的基础上，慎重选择海上风电机组支撑结构型式和合理设计是海上风电场建设的关键。

1海上风力发电的发展

（1）海上风力发电国外的发展。在陆上风电已经在成本上能够与传统电源技术进行竞争的环境下，海上风电有着高度依赖技术驱动的特质，具有作为核心电源去推动未来全球低碳经济发展的条件。由于2016年首台8MW风机已在海上并网，欧洲海上风机平均容量从2015年的4.2MW提高到4.8MW，并网海上风电场平均规模为380MW，相比2015年增加了12.3%。2016年海上风电场的平均水深从2015年的27.2m增加到29.2m，平均离岸距离为43.5km，比2015年增加了0.2km。欧洲国家仍在致力于完善海上风电行业发展标准，促使其保持稳定的速度发展，预计到2024年，欧洲国家海上风电装机总量预计达37890兆瓦。（2）海上风力发电国内的发展。到2015年末，海上风电累计装机为103万千瓦，远低于计划目标，原因是技术不完善和海上安装高成本。“十三五”后，海上风电政策支持力度加大，设备与安装成本降低以及配套产业逐渐成熟，迎来了快速发展期。根据我国《可再生能源发展“十三五”规划》，截至2020年，我国海上风电开工建设目标规模10GW，确保并网5GW，2017-2020年海上风电机并网容量复合增长率将达到32%。2017年5月4日，国家发改委联合国家能源局发布《全国海洋经济发展“十三五”规划(公开版)》，提出了要因地制宜、合理规划设计海上风电产业，支持在深远海建设离岸式海上风电场，调整风电并网政策，完善发展海上风电产业技术标准体系以及用海标准。

2海上风电基础结构类型及施工工艺

2.1重力式基础

这种结构主要是利用其重量使风机保持垂直状态，结构较为简单且采用的是钢筋混凝土的沉箱结构，因此成本不高，这使其目前在海上风电基础结构建设中已经有了较为成熟的应用，但具备体积大且笨重的缺点。重力式基础结构在施工之前必须清除掉淤泥层，完成孤立墩挖槽后应及时抛石，抛石石块为10kg~100kg为宜，并且要分层夯实，避免发生沉降现象。重力式基础的体积、重量都较大，3~5MW风机基础的重量通常在1500t~2000t之间，高度超过15m；所以在选择的预制厂应离出运码头较近为宜，避免长距离的陆地运输。重力式基础预制完成后，在进行海上运输时可选择采用驳船、半潜驳和浮吊的形式运输，也可利其自身浮游特性搭配气囊使用拖轮牵引至安装地点。基础安置到位后应立即进行碎石或抛砂压载回填，回填过程的各个方面都要保持均匀，防止基础倾斜和隔舱壁开裂。由此可见，重力式基础的结构及制造工艺都较为简单，承载力小，且国外有成功应用的经验，比较适用地基条件较好，水深在10m以内的区域；冲刷海床及软地基则不适宜采用这种结构。

2.2单桩基础

单桩基础目前在已建成的海上风电场中得到广泛应用，单桩基础特别适于浅水及中等水深且具有较好持力层的海域。单桩基础的优点是结构简单，施工简便、快捷，成本较低，且基础的适应性强；缺点是当海床较为坚硬时，要利用钻孔工艺将桩基安装在海底泥面，其成本较高。该基础适合在30m以浅且具有较好持力层的海域使用。

2.3浮式基础

水深在50m以上的近海区域的风力机安装作业过程中，浮式基础具备明显的优势。相比于固定桩基础、导管架式这两种结构选型的高建设成本，浮式基础作为风力机的安装平台，利用锚泊系统进行海床的锚定作业。浮式风力机平台具备施工成本较低以及海上运输简单的优势，因此在深水海域风电场施工中，浮式基础有着较为广泛的应用前景。通过对相关文献研究以及结合笔者多年工作实践，浮式基础主要有TLP、柱行浮筒以及三浮箱这三种类型。必须拥有足够的浮力支撑风电机组的重量，这是浮式基础的硬性要求，同时还要求能够有效地防止和抑制倾斜、摇晃以及方向移动。对于风力发电机而言，避免强风引起翻转，是风机设计过程中首先需要考虑的问题。比如英国BlueH公司在2008年建成首座海上浮式风力机样机，其先是在陆地上把风力机与浮式基础进行组合，然后利用船运输到具体的安装位置。从公开文献资料来看，风力机位于平台中央主立柱上，这座样机浮式平台基础，跟半潜式平台的结构有所类似，同时为了保证风力机稳定使用可以调长度的强力锚链线把它固定到海底重块中，这样一来让该风力机能够在水深50-300m的海域中建设应用。

2.4吸力锚基础

吸力锚基础分为单桶、三桶和四桶吸力式沉箱结构形式。吸力锚基础通过吸力泵将钢裙沉箱中的水抽出形成负压产生吸力。这种基础结构最早在海洋边际石油平台上使用。该基础的优点是可节省大量的钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，在浅海、深海均可适用。

3海上风力发电管理模式建议

（1）统筹规划海上风力发电建设。综合分析各行业用海需求，合理划分可用海上区域。选择最适宜发展风电的海域，提高海上风电场的平均装机容量密度，节约海洋空间资源，实现同其他海上事业的和谐平衡。贯彻落实生态文明建设前提，科学选择风电建设区域。鼓励海上风电深水远岸布局，在当前和未来开发强度低的海域选址建设。注意在自然保护区、特别保护区、历史遗迹保护区、重要渔业水域、河口、海湾、滨海湿地、鸟类迁徙通道、栖息地等重要、敏感和脆弱生态区域内不准设计规划海上风电场。（2）加强海上风力发电过程的监管。海上风电项目建设必须得到海洋环境影响报告书批准文件和海域使用权后方可使用海域进行建设。沿海地方海洋行政主管部门要懂得使用海域动态监视监测系统等手段，落实海上风电项目的用海监管，及时监查违法违规行为。建设单位要发挥主动性，根据监测评估结果进行有效保护修复措施。

结束语

综上所述，从研究来看海上风电场建设中所能选择到的基础结构类型众多，并且它们各有优点。在这种情况下我们需要充分结合具体海域情况、气候环境以及建设成本等多方面因素综合考量来做好海上风电基础结构选型工作，并在此基础上结合具体选型采取适宜的施工技术与工艺，从而在有效地保证海上风电建设质量情况下提升其社会和经济

参考文献

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