固定式基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用

毛宏宇， 何炎平， 趙永生

(上海交通大學(xué)， 上海 200240)

固定式基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用

毛宏宇， 何炎平， 趙永生

(上海交通大學(xué)， 上海 200240)

該文綜合介紹了目前全球海上固定式風(fēng)機(jī)的工業(yè)實(shí)踐和規(guī)范制定的基本狀況，同時(shí)選取了五個(gè)有代表性的海上固定式風(fēng)機(jī)場(chǎng)，對(duì)它們的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，總結(jié)了海上固定式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)海上固定式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了可靠的依據(jù)。

海上風(fēng)機(jī)場(chǎng)；固定式基礎(chǔ)；成本

0 引言

海上風(fēng)電擁有更大的單機(jī)功率(相比陸上風(fēng)機(jī))，更靠近經(jīng)濟(jì)中心，同時(shí)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(fēng)電對(duì)于我國(guó)十分重要：一方面，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)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(fēng)電建設(shè)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(guò)度使用而產(chǎn)生較大的環(huán)境污染，這也讓人們意識(shí)到發(fā)展清潔能源迫在眉睫。

對(duì)于海上風(fēng)電工業(yè)的發(fā)展，可以從工業(yè)實(shí)踐和工業(yè)規(guī)范兩個(gè)方面進(jìn)行考察：

(1)工業(yè)實(shí)踐方面

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

截止到2013年底，在歐洲的11個(gè)國(guó)家建造了共69個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)，2 080臺(tái)海上風(fēng)機(jī)，總功率達(dá)6 562 MW。中國(guó)累積裝機(jī)容量達(dá)428.6 MW，位于全球第五位[1]。

目前海上固定式風(fēng)機(jī)已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化階段，單樁式基礎(chǔ)及與其配套的3.0 MW、3.6 MW風(fēng)機(jī)是主要形式，而更深海域的5 MW風(fēng)機(jī)場(chǎng)的建設(shè)也已經(jīng)開始。

(2)工業(yè)規(guī)范的制定方面

隨著固定式風(fēng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的規(guī)范也相繼推出。這些規(guī)范為固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、建造和在役檢驗(yàn)提供了原理指導(dǎo)和技術(shù)支持。規(guī)范的內(nèi)容主要包括安全等級(jí)劃分、極限狀態(tài)、設(shè)計(jì)載荷工況、安全系數(shù)的選取等方面的內(nèi)容。表1列舉了截止到2014年已發(fā)布的固定式風(fēng)機(jī)的相關(guān)規(guī)范。

表1 已發(fā)布固定式風(fēng)機(jī)的相關(guān)規(guī)范

從表1中可以看出，處在歐洲地區(qū)的挪威船級(jí)社和德國(guó)勞氏船級(jí)社分別在2004年和2005年發(fā)布了關(guān)于航海固定式風(fēng)機(jī)的規(guī)范，處于先發(fā)狀態(tài)。而中國(guó)船級(jí)社和美國(guó)船級(jí)社的發(fā)布時(shí)間則晚了將近10年，這也與相應(yīng)地區(qū)海上風(fēng)電工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r相符。

由以上的介紹分析可知，目前海上風(fēng)電的開發(fā)一般采用大型海上風(fēng)電場(chǎng)的形式，而海上風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)幾乎全是固定式基礎(chǔ)，其相關(guān)規(guī)范也基本成熟。該文將通過(guò)介紹有代表性的固定式基礎(chǔ)形式和海上風(fēng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)明固定式海上風(fēng)電基礎(chǔ)在目前工業(yè)中的應(yīng)用情況。

2 固定式海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用于海上的風(fēng)場(chǎng)有多種形式，其中比較主要的有：重力式基礎(chǔ)、單樁式基礎(chǔ)、水上三樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)以及導(dǎo)管架形式[2-4]。

(1) 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)由混凝土(或鋼板)的外殼及其中灌注的壓載組成，風(fēng)機(jī)直接安裝在平臺(tái)的頂端，平臺(tái)利用自身的重力來(lái)抵抗所有外界的載荷，只要加入適當(dāng)?shù)膲狠d，平臺(tái)就可以很好的抵抗風(fēng)暴和風(fēng)浪的襲擊。隨著水深的增加，重力式基礎(chǔ)的重量急劇增加，這不僅增加了建造及運(yùn)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(chǔ)通常用于0 m～10 m的水深。

(2) 單樁式基礎(chǔ)

單樁式基礎(chǔ)是目前世界上使用量最高的基礎(chǔ)。單樁式基礎(chǔ)一般由打入海底的單樁和安裝單樁上的過(guò)渡部分組成，單樁式基礎(chǔ)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和計(jì)算較為簡(jiǎn)單。隨著水深的增加和風(fēng)機(jī)功率的增大，單樁式基礎(chǔ)的樁柱變長(zhǎng)，承受的載荷變大，這樣深水的單樁基礎(chǔ)就需要更大的直徑來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隨著單樁直徑的增加，不僅制造、運(yùn)輸和安裝的成本會(huì)隨之提高，而且所受的水動(dòng)力載荷也會(huì)隨之增大，所以單樁式基礎(chǔ)一般應(yīng)用于0 m～25 m的水深。

(3) 水上三樁基礎(chǔ)

水上三樁基礎(chǔ)可以看作是單樁式基礎(chǔ)的一種改進(jìn)形式，將起支撐作用的單樁換成三根較細(xì)的樁柱。這樣在保持形式簡(jiǎn)單的同時(shí)，避免了由于水深增加而導(dǎo)致樁柱直徑過(guò)大的問題，從而使水上三樁基礎(chǔ)可以適用于水深25 m ～50 m的海域。和單樁式基礎(chǔ)一樣，三根樁柱也是通過(guò)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(yīng)的調(diào)平技術(shù)。除了安裝復(fù)雜外，三樁式基礎(chǔ)的過(guò)渡段由角鋼焊接連接，結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，需要更多的人工來(lái)進(jìn)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(tái)基礎(chǔ)

高樁混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)源自海上獨(dú)立式墩臺(tái)基礎(chǔ)和跨海大橋橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，混凝土臺(tái)面的基礎(chǔ)由打入地基土內(nèi)的數(shù)根小直徑基樁組成。由于在我國(guó)有著豐富的工程實(shí)踐，施工風(fēng)險(xiǎn)可控，成本相對(duì)較低，所以廣泛應(yīng)用于我國(guó)一些早期的海上試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)。

(5) 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

與那些結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的平臺(tái)不同，導(dǎo)管架平臺(tái)由許多較為細(xì)小的桿件焊接而成。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的成本不會(huì)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(dòng)力載荷也相對(duì)較小，從而導(dǎo)管架平臺(tái)可以適用于超過(guò)50 m的水深。導(dǎo)管架在陸地上建造完成后，可以整體的在海上運(yùn)輸和安裝，施工難度相對(duì)簡(jiǎn)單。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的主要缺點(diǎn)在于各節(jié)點(diǎn)都需要焊接，這樣繁重的工作會(huì)大量得增加人工成本，這也是導(dǎo)管架基礎(chǔ)在世界范圍內(nèi)至今沒有廣泛應(yīng)用的原因。

圖1 5種固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)示例

3 固定式基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)實(shí)例分析

(1) Thornton Bank

圖2 Thornton Bank中的重力式基礎(chǔ)

圖3 倫敦陣列的第一根單樁式基礎(chǔ)

圖4 工作中Bard Offshore I

圖5 東海大橋項(xiàng)目中正在組裝的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)

Thornton Bank的1期工程安裝了6臺(tái)5 MW的風(fēng)機(jī)，其采用了自重式的基礎(chǔ)。Thornton Bank的水深達(dá)27 m，整個(gè)自重式基礎(chǔ)變得十分巨大，其中每個(gè)自重式平臺(tái)的高度達(dá)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(chǔ)不僅增加了建造的成本，而且使安裝過(guò)程變得十分復(fù)雜。由于Thorn Bank 海底的軟土無(wú)法承受平臺(tái)及其壓載的重力，所以需要將目標(biāo)地點(diǎn)的軟土層挖去，形成一個(gè)深7 m、底部長(zhǎng)80 m、寬50 m的大坑，僅此項(xiàng)工作就需挖泥4 000 m3。然后將自重式基礎(chǔ)安置在較硬的土層上，之后將軟土回填，最后還要在其上進(jìn)行澆灌保護(hù)以防止海流的沖刷。

Thornton Bank是世界上第一個(gè)安裝了5 MW海上風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)，所以整個(gè)項(xiàng)目帶有試驗(yàn)的性質(zhì)，雖然得出了自重式基礎(chǔ)是一個(gè)可行性方案的結(jié)論，但從后續(xù)的工程實(shí)踐中可看出，在27 m深的海域使用自重式基礎(chǔ)并不是一個(gè)很好的選擇。圖2為Thornton Bank中的重力式基礎(chǔ)。

(2) 倫敦陣列(London Array)

位于英國(guó)倫敦泰晤士河口的倫敦陣列是目前世界上最大的海上風(fēng)機(jī)場(chǎng)，總功率達(dá)630 MW，風(fēng)場(chǎng)離岸20 km，水深0 m～25 m，采用單樁式基礎(chǔ)。為了適應(yīng)不同的水深，在倫敦陣列中使用不同型號(hào)的單樁和過(guò)渡系統(tǒng)，最大的單樁長(zhǎng)68 m，直徑5.7 m，重650 t；最大的過(guò)渡端長(zhǎng)28 m，重345 t。

倫敦陣列相對(duì)于之前的單樁式風(fēng)場(chǎng)有兩處細(xì)節(jié)的改善。第一是在打樁時(shí)使用“軟啟動(dòng)”的方法，即在正式開始打樁前，先產(chǎn)生較小危害的噪音將施工附近的海洋生物驅(qū)散，這種方法有效地將噪聲對(duì)海洋生物的影響降低。第二是對(duì)過(guò)渡段形式的改進(jìn)。之前的單樁頂部是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能充分的密實(shí)，從而無(wú)法完全傳遞由風(fēng)載荷引起的彎曲應(yīng)力。所以在倫敦陣列采用了改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，單樁的頂部被設(shè)計(jì)成小圓錐角的臺(tái)柱，這樣在灌漿部分發(fā)生破壞時(shí)，過(guò)渡分布會(huì)發(fā)生微小的沉降，增加了灌漿和鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸應(yīng)力和摩擦力，從而防止了灌漿部分的進(jìn)一步破壞和過(guò)渡部分的進(jìn)一步沉降。

倫敦陣列是世界上第一個(gè)工業(yè)化級(jí)別的海上風(fēng)場(chǎng)，它的完工標(biāo)志著海上風(fēng)電開發(fā)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。圖3為倫敦列陣的第一根單樁式基礎(chǔ)。

(3) Bard Offshore I

Bard Offshore I 建在離岸100 km，水深40 m的海域。由80臺(tái)5 MW風(fēng)機(jī)組成，采用水上三樁基礎(chǔ)。每個(gè)基礎(chǔ)重1 100 t，其中下面的三根樁柱重610 t，過(guò)渡段重490 t。與倫敦陣列中單樁式基礎(chǔ)比較可以發(fā)現(xiàn)，水上三樁基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目，從其中可以看出水上三樁基礎(chǔ)還是很好的適應(yīng)了40 m的水深，但是由于其自身的限制及其他相關(guān)風(fēng)電技術(shù)的限制，目前還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。圖4為工作中的Bard Offshore I。

(4) 東海大橋項(xiàng)目

東海大橋項(xiàng)目是中國(guó)第一座海上風(fēng)電場(chǎng)，位于上海東海大橋東側(cè)，最近端離大橋1 km，水深10 m，中間有通行1 000 t級(jí)船舶的航道穿越,采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

在東海大橋項(xiàng)目中，承臺(tái)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(zhǎng)80 m，泥面上長(zhǎng)度15 m。為了減小水動(dòng)力載荷，樁基的斜度為6:1，在承臺(tái)下沿半徑5 m圓周均勻分布[6]。

圖6 桂山海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案

選擇高樁承臺(tái)，除了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)外，更主要原因是由于通航孔的存在，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需要防撞保護(hù)，而高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的混凝土臺(tái)面本身就具有防撞的特征。在東海大橋項(xiàng)目中，混凝土承臺(tái)的底面高程為2 m，而多年平均高潮位為1.86 m，這樣的設(shè)計(jì)即可保護(hù)風(fēng)機(jī)不受通航船舶撞擊的影響，而且相比其他形式的基礎(chǔ)可以節(jié)約出防撞設(shè)施的花費(fèi)。圖5為東海大橋項(xiàng)目中正在組裝的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

(5)珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)

在建中的珠海桂山200 MW海上風(fēng)電場(chǎng)位于珠江河口的伶仃洋水域，水深6 m～12 m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的最終方案為導(dǎo)管架形式基礎(chǔ)[7]。

由于導(dǎo)管架基礎(chǔ)在制造時(shí)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(dǎo)管架的情況。但是在我國(guó)人工成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐洲，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的制造成本主要由原材料價(jià)格構(gòu)成，在桂山項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)相比于單樁式基礎(chǔ)可以節(jié)約鋼材40%，較輕的重量也降低了運(yùn)輸與安裝的難度。

相比于目前已經(jīng)建成的風(fēng)機(jī)場(chǎng)，桂山200 MW海上風(fēng)電場(chǎng)更具有商業(yè)性，它的建成將使我國(guó)海上風(fēng)電的商業(yè)化向前進(jìn)一大步。圖6為桂山海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

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

(2) 由于歐洲人工成本高昂，所以為了減少成本，風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式都較為簡(jiǎn)單。

(3) 中國(guó)的海上風(fēng)電正在準(zhǔn)備商業(yè)化的路上，由于與歐洲的經(jīng)濟(jì)環(huán)境不同，所以在固定式基礎(chǔ)的選擇上也會(huì)有獨(dú)特的道路。

[1] 全球風(fēng)能理事會(huì). Global Wind Report Annual Market Update[R]. 全球風(fēng)能理事會(huì),2014.

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

[3] 劉俊. 3 MW 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 31(6): 25-29.

[4] 王建峰, 蔡安民, 劉晶. 我國(guó)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式分析[C]. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新—第十二屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì), 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(cè)設(shè)計(jì)研究院.上海東海大橋近海風(fēng)電場(chǎng)工程可行性研究報(bào)告[R].上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2007．

[7] 朱榮華, 李少清, 張美陽(yáng). 珠海桂山 200 MW 海上示范風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)[J]. 風(fēng)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

A