珠海桂山200MW海上示范風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

朱榮華，李少清，張美陽

（廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，中山 528437）

珠海桂山200MW海上示范風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

朱榮華，李少清，張美陽

（廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，中山 528437）

本文針對廣東省第一個海上示范風(fēng)場，也是中國目前最大的海上示范風(fēng)場——珠海桂山200MW海上風(fēng)場的海況和地質(zhì)條件，并充分考慮了在中國制造的可行性和經(jīng)濟(jì)性以及海上安裝施工和后續(xù)運(yùn)營維護(hù)的便捷性，在中國首次提出了一種海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案。經(jīng)過專家多次評審，該方案被確認(rèn)為適合該項(xiàng)目的最優(yōu)方案。

海上風(fēng)場；基礎(chǔ)；導(dǎo)管架

0 引言

在目前氣候變化壓力不斷加大，陸上風(fēng)資源利用飽和的情況下，發(fā)展以海上風(fēng)電為代表的清潔能源，已成為各國應(yīng)對未來能源和氣候變化的長期策略。中國大陸海岸線長，沿海風(fēng)能資源優(yōu)秀。目前國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展處于起步階段，我國近海風(fēng)電場可開發(fā)風(fēng)能資源儲量是陸上實(shí)際可開發(fā)風(fēng)能資源儲量的3倍，其風(fēng)能儲量遠(yuǎn)高于陸上，未來發(fā)展空間巨大。海上風(fēng)力資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于陸地風(fēng)力資源。隨著大型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組研制成功，風(fēng)能的開發(fā)逐漸由陸地轉(zhuǎn)向海上。

目前限制海上風(fēng)場大規(guī)模發(fā)展的瓶頸除了海上風(fēng)電機(jī)組本身外，海上風(fēng)電工程裝備價(jià)格高昂以及現(xiàn)有安裝技術(shù)不夠成熟亦對其造成影響。由于海上風(fēng)電機(jī)組安裝設(shè)備和安裝方法以及海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)剛剛起步，具有很大的技術(shù)提升空間和成本降價(jià)空間。因此，進(jìn)行新型、可靠、低成本海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的研究與開發(fā)意義深遠(yuǎn)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

海上風(fēng)電發(fā)展最早始于歐洲。歐洲海上風(fēng)電場項(xiàng)目始于20世紀(jì)90年代初。1991年，世界上第一個海上風(fēng)電場建于丹麥波羅的海Vindeby附近[1]。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式主要取決于水深和海底地質(zhì)條件，同時(shí)與風(fēng)電機(jī)組的安裝方式有關(guān)?？蛇x擇的基礎(chǔ)種類較多，目前世界上使用的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要為重力式基礎(chǔ)[2]、單樁基礎(chǔ)[3]、水下三樁基礎(chǔ)[4]、水上三樁基礎(chǔ)[5]、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)[6]幾種，其中單樁基礎(chǔ)和四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)應(yīng)用較廣。重力式基礎(chǔ)適用于淺水海域，造價(jià)低不受海床影響。單樁式基礎(chǔ)自重輕、構(gòu)造簡單但是不適合海床有巖層的海域。水上三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)調(diào)平困難，不適合海床有巖層的海域。水下三樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)可借鑒以往石油平臺施工經(jīng)驗(yàn)，但設(shè)計(jì)方面與石油平臺不同。海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)水平荷載和傾覆力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海洋石油平臺結(jié)構(gòu)，而豎向荷載較之要小。因此，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載形式和特點(diǎn)不同于傳統(tǒng)海洋石油平臺設(shè)計(jì)[7]，要考慮側(cè)向荷載的影響。

2 珠海桂山200MW海上示范風(fēng)場地質(zhì)和海況介紹

珠海桂山200MW海上風(fēng)電場屬于近海風(fēng)電場，位于珠江河口的伶仃洋水域，風(fēng)電場區(qū)內(nèi)分布有6個島嶼，以低丘為主。場區(qū)內(nèi)地形地貌形態(tài)簡單，水下地形較平坦，海底泥面標(biāo)高為－6m—－12m。風(fēng)場區(qū)域軟土分布范圍廣、厚度大，其穩(wěn)定性極差，在Ⅶ度地震作用下海床淺部分布的淤泥存在震陷的可能；場區(qū)基巖風(fēng)化差異顯著，風(fēng)化層厚度大，但厚薄不均，地基均勻性總體較差，場地屬于抗震不利地段。場區(qū)20m深度范圍內(nèi)存在飽和、松散的礫沙層，存在輕微中等液化的可能。風(fēng)場區(qū)上覆淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)沙等土層地基承載力均較低，壓縮性較高，不適宜作為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)持力層。

風(fēng)電場所在的珠海市位于廣東省南部，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。冬季盛行東北季風(fēng)，夏季多西南季風(fēng)，春秋為過渡期。夏秋季4－9月份為熱帶風(fēng)暴的活躍季節(jié)，尤以7－9月份最為活躍。極端高潮位為3.41m，設(shè)計(jì)高潮位為1.8m。工程海域表層最大流速為2.1m/s,桂山場址所在海域海浪以涌浪為主，長浪向?yàn)镾E出現(xiàn)頻率為40.4%，珠江口NE-SE方向的持續(xù)大風(fēng)，易產(chǎn)生災(zāi)害性大浪。

3 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)介紹

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要為單樁式基礎(chǔ)、水下三樁基礎(chǔ)、水上三樁基礎(chǔ)、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)及重力式基礎(chǔ)幾種，如圖1所示。下面對這幾種基礎(chǔ)形式的特點(diǎn)分別進(jìn)行介紹。

3.1 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)一般為混凝土預(yù)制件適合水深較淺的區(qū)域（小于10m），但在過淺的區(qū)域可能會受到波浪的影響。重力式基礎(chǔ)可在陸上制作完成，安裝時(shí)填充壓載物無需打樁，成本低廉?；炷林亓κ交A(chǔ)的制作工藝簡單，完全靠自身重量放入海底，適合各種類型的海床。但是混凝土重力式基礎(chǔ)重量過大（單個重量在1200t左右），給海上運(yùn)輸帶來巨大挑戰(zhàn)。

3.2 單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)又稱為單根鋼管樁基礎(chǔ)，適用于水深小于30m的海域。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是自重輕、構(gòu)造簡單、受力明確。單樁基礎(chǔ)由一個直徑3m－4.5m之間的鋼樁構(gòu)成。鋼樁打入海底18m－25m，打入深度由海床地面類型確定。這種基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是不用整理海床，但是需要設(shè)置防沖刷保護(hù)，而且不適用于海床內(nèi)有巖石的海域。由于大直徑鋼樁結(jié)構(gòu)受波浪荷載影響較小，目前此種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在歐洲風(fēng)電場應(yīng)用較廣。

3.3 水下三樁基礎(chǔ)

水下三樁基礎(chǔ)，適用于水深小于30m的海域。采用對稱三腿支撐結(jié)構(gòu)，整個基礎(chǔ)通過打入海底的三根鋼樁連接。鋼管樁通過灌漿與上部結(jié)構(gòu)相連。此種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由單塔架結(jié)構(gòu)演化形成，目前該基礎(chǔ)形式已在德國Alpha Ventus風(fēng)場使用。與單樁基礎(chǔ)相比，水下三樁基礎(chǔ)降低了樁的直徑，減少了施工難度，但在淤泥質(zhì)海床中易發(fā)生傾斜，且糾偏難度大。此種基礎(chǔ)形式對焊接工藝要求較高，生產(chǎn)制造困難。

3.4 水上三樁基礎(chǔ)

水上三樁基礎(chǔ)（Tripile）為德國BARD海上風(fēng)場業(yè)主持有專利的三樁基礎(chǔ)形式，插入海底樁長3m。此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)打樁施工難度小，重量輕，與其它基礎(chǔ)相比造價(jià)更低。但是此種基礎(chǔ)形式也存在很多問題，如上部裝套調(diào)平困難，三根樁在風(fēng)電機(jī)組側(cè)向荷載作用下易發(fā)生扭動等。因此，水上三樁基礎(chǔ)沒有在全世界范圍內(nèi)大規(guī)模推廣。

3.5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架式基礎(chǔ)（Jacket）是深海海域風(fēng)電場未來發(fā)展趨勢，目前歐洲已有許多風(fēng)場采用此種基礎(chǔ)形式。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、安裝噪音小、重量輕、運(yùn)輸安裝方便，可作為大型風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)受波浪荷載影響較小，適用水深范圍為5m－50m的海域，而且安裝速度快，現(xiàn)場施工簡單，與其它基礎(chǔ)形式相比較造價(jià)低廉，而且可借鑒以往石油平臺的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，是一種成熟的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4 導(dǎo)管架基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性分析

導(dǎo)管架基礎(chǔ)相對于其他基礎(chǔ)形式，重量輕但焊接工作量大。歐洲很多項(xiàng)目推薦采用單樁或水下三樁基礎(chǔ)，目的是為了盡可能降低加工過程中高昂的人工費(fèi)用。但在中國不同基礎(chǔ)的加工費(fèi)相差不大，制造成本完全由用鋼量的多少決定，即由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重量決定。應(yīng)用于珠海桂山200MW海上示范風(fēng)場的導(dǎo)管架基礎(chǔ)，與目前歐洲所使用的傳統(tǒng)單樁或多樁海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)相比用鋼量節(jié)約近40%，而且中國近幾年蓬勃發(fā)展的船舶和海工結(jié)構(gòu)制造業(yè)，無論在加工技術(shù)方面還是在制造成本方面均為導(dǎo)管架基礎(chǔ)的建造創(chuàng)造了條件。

5 珠海桂山海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本文提出一種適合中國海況的海上風(fēng)電平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

此基礎(chǔ)形式為外挑平臺式海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型，由四條支腿支撐，支腿間有加強(qiáng)斜撐連接，支腿上部設(shè)置平臺。平臺下部設(shè)置鋼梁外挑，以增大結(jié)構(gòu)平臺面積。風(fēng)電機(jī)組塔筒通過法蘭連接于基礎(chǔ)上部的塔筒過渡段上，塔筒過渡段由四個斜撐支撐，并且設(shè)計(jì)有塔架門可供工作人員通過塔筒進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行維修、養(yǎng)護(hù)。外挑平臺上放置電器房間，內(nèi)部可放置配套電器設(shè)備。平臺及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，支腿、斜撐、塔筒過渡段均由鋼板卷制而成。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)圖示

與世界上其他基礎(chǔ)形式相比，此種形式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)重量更輕、結(jié)構(gòu)傳力性能優(yōu)越，可有效將風(fēng)電機(jī)組引起的側(cè)向彎矩和側(cè)向力傳遞至支腿。對于傳統(tǒng)的海上風(fēng)電，電器設(shè)備如變壓器、變頻柜等電器件往往放置于塔筒內(nèi)部。由于塔筒內(nèi)部空間狹小而且散熱困難，電器設(shè)備出現(xiàn)故障后拆卸維護(hù)困難，因此會增加運(yùn)維成本。本文所介紹的基礎(chǔ)形式，提供了足夠大的空間供放置電器設(shè)備，解決了傳統(tǒng)處理方式中的散熱和維護(hù)問題，如圖3所示。

海上施工與陸上施工不同，海上施工難度大而且船舶及海上工作人員的人力成本高昂。外挑平臺式海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可使用較小的船舶進(jìn)行運(yùn)維施工，可有效降低維護(hù)運(yùn)營成本。當(dāng)電器房間內(nèi)電器件設(shè)備出故障需要更換時(shí)，可將小型維護(hù)船舶停靠于外挑式平臺下部，通過打開電器外挑平臺部分甲板，利用預(yù)先懸掛于電器房間頂部的葫蘆吊或其它小型起重裝置，將故障設(shè)備吊至平臺下方小型維護(hù)船上，運(yùn)回碼頭進(jìn)行維修更換。電器房間內(nèi)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，可有效過濾空氣中的水分和鹽分，防止鹽霧腐蝕對電器設(shè)備造成影響。

圖2 海上風(fēng)電平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖3 維護(hù)示意圖

圖4 外挑平臺俯視圖

圖5 樁與導(dǎo)管架支腿鏈接細(xì)部

6 關(guān)鍵技術(shù)

由于受海上風(fēng)浪影響，海上風(fēng)電機(jī)組及基礎(chǔ)安裝將變得非常困難。外挑平臺式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝所采用的方法是先在海底打四根樁（樁頭在泥面以上），然后通過拖輪將在船廠制造完成的外挑平臺式基礎(chǔ)運(yùn)輸至指定位置，通過自升式平臺等安裝船舶對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝，將外挑平臺式基礎(chǔ)支腿插入樁中。然后在平臺甲板上通過灌漿導(dǎo)管向海底鋼樁與基礎(chǔ)支腿間灌漿，確保基礎(chǔ)支腿與鋼樁穩(wěn)固連接。樁與基礎(chǔ)支腿間鏈接方式見圖5。風(fēng)電機(jī)組對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所造成的側(cè)向荷載和側(cè)向彎矩可通過支腿、鋼樁傳遞至海底巖層。外挑平臺基礎(chǔ)部分處于泥面以上，且下部設(shè)置擋泥板。

此種基礎(chǔ)連接方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不但可以有效確保風(fēng)電機(jī)組抵抗波浪荷載、風(fēng)荷載等惡劣天氣的影響，而且針對于中國部分海域淤泥層厚度大的問題使用鋼樁與基礎(chǔ)連接的方式，有效解決了淤泥層過厚對施工造成的影響。結(jié)構(gòu)重量較傳統(tǒng)導(dǎo)管架基礎(chǔ)更輕造價(jià)更低，上部甲板平臺空間更大，方便電器設(shè)備的排布。安裝維護(hù)方便，有效降低了安裝施工成本，而且可用于淤泥層較厚的海域，可抵抗臺風(fēng)等惡劣天氣的影響。

7 結(jié)語

上述海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，適用于中國大多數(shù)海域的地質(zhì)條件和海況。涉及海洋工程、船舶工程、結(jié)構(gòu)工程、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，在研發(fā)過程中大多數(shù)問題都可采用當(dāng)前這幾個領(lǐng)域內(nèi)的研究手段得以解決[8]。此種基礎(chǔ)方案在國內(nèi)海上風(fēng)場基礎(chǔ)選型及方案評審中得到各方專家的一致好評，被指定為最適合中國當(dāng)?shù)睾Ｓ虻暮Ｉ巷L(fēng)電基礎(chǔ)形式。20世紀(jì)以來，世界各國大力發(fā)展海上風(fēng)電，在海上風(fēng)電關(guān)鍵性技術(shù)及難點(diǎn)的研究，商業(yè)運(yùn)營，資源的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境保護(hù)等方面取得了重大進(jìn)展。目前中國海上風(fēng)電正處于起步階段，預(yù)測未來5－10年內(nèi)會有極大的發(fā)展空間。研發(fā)適用于中國海域的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)任重道遠(yuǎn)。

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Jacket Foundation Design for 200MW offshore Demonstration Wind Farm Project of Zhuhai Guishan

Zhu Ronghua, Li Shaoqing, Zhang Meiyang
(Guangdong Ming Yang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China)

This paper has designed an offshore wind turbine jacket foundation, which has been confirmed to apply to Zhuhai Guishan demonstration project (200 MW). The application of this type of foundation has been studied comprehensively and systematically. Local sea bed conditions, feasibility of installation, convenience of operation and maintenance and reasonable price of manufacturing in China have been carefully considered and analyzed. This design has been assessed and approved by expert committee as the best option.

offshore wind farm; foundation; jacket

TM614

A

1674-9219(2013)09-0094-05

2013-07-02。

朱榮華（1977-），男，中國明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)副總裁，首席科學(xué)家，目前在明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)負(fù)責(zé)海上風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)和領(lǐng)導(dǎo)工作。

李少清（1986-），男，工程師，主要從事海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，力學(xué)分析工作。

張美陽（1981-），女，主任工程師，主要從事海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算工作。