海上風電機組基礎結構設計關鍵技術問題與討論

王力群 胡海娟

摘要：海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風力發(fā)電技術成為近年來研究和應用的熱點。目前包括上海在內(nèi)，國內(nèi)沿海眾多省市都在規(guī)劃建設近海風電場。發(fā)電成本是海上風電發(fā)展的瓶頸，目前，海上風電場的總投資中，基礎結構占15～25 %，而陸上風電場僅為5～10 %。因此，發(fā)展低成本的海上風電基礎結構是降低海上風電成本的一個主要途徑，基于我國海洋工程技術和海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，提出發(fā)展我國海上風電機組基礎結構的設計建議。

關鍵詞：海上風電；基礎結構

海上風電機組基礎結構設計的成敗關系到我國海上風電產(chǎn)業(yè)能否持續(xù)穩(wěn)定和健康的發(fā)展，不論是現(xiàn)有結構的設計，還是發(fā)展新的結構型式，都必須立足于降低成本，這是發(fā)展海上風電產(chǎn)業(yè)的唯一出路。因此，海上風電機組基礎結構的設計應首先選用海上風電的設計規(guī)范，特別是關于安全理念和極限狀態(tài)應考慮海上風電的特點，以避免行業(yè)特點的差異而使海上風電的成本難以控制或造成安全隱患。我們應該把設計理念調整到海上風電的設計理念，選擇適合我國國情的海上風電基礎結構設計標準，使我國的海上風電產(chǎn)業(yè)走上良性發(fā)展的軌道，并快速穩(wěn)步地發(fā)展。

一、慨述

海上風電機組基礎結構設計應始終遵循安全、經(jīng)濟的基本理念，目前，制約海上風電發(fā)展的根本因素是發(fā)電成本。海上風電的成本高出陸上風電一倍左右，其中基礎結構造價高是主要原因之一。因此，降低基礎的成本是海上風電機組基礎結構設計的主要目標。與海洋石油平臺不同的是，海洋石油是高風險高收益的行業(yè)，因此，海洋石油平臺的設計理念是安全、快速，其次才是經(jīng)濟性。其安全性遠遠大于經(jīng)濟性，因為一旦發(fā)生事故，其經(jīng)濟損失遠遠大于海洋平臺本身的投資成本。而海上風電則有所不同，其發(fā)生事故的經(jīng)濟損失遠遠小于海洋石油，因此，其安全性與經(jīng)濟性的綜合平衡是降低成本的關鍵。如果采用與海洋平臺相同的安全性，則海上風電產(chǎn)業(yè)將難以擺脫高發(fā)電成本的困擾。因此，海上風電機組基礎結構的設計應在經(jīng)濟性和安全性方面有別于海洋石油平臺。

二、海上風電基礎結構

作用在海上風電機組基礎結構上的荷載包括風輪機運轉荷載和海洋環(huán)境荷載，風輪機運轉荷載是由風和風機葉片[ 2] 采用氣動彈性方法計算作用在葉片、風輪機及水面上結構的空氣動力荷載，采用非線性彈簧和阻尼器模擬樁-土相互作用，研究了單樁結構在風浪作用下的動力耦合響應問題。研究表明，基礎結構的性質對海上風電機組結構系統(tǒng)的動力特性有較大的影響，因此，基礎結構模型作為系統(tǒng)氣動彈性模型的一部分是非常重要的。它不僅影響基礎結構的設計荷載，而且影響系統(tǒng)其它組成部分的設計荷載，采用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對極端響應分布的統(tǒng)計不確定性進行了貝葉斯分析，結果表明，極端響應的概率分布符合韋伯分布。海上風電機組基礎結構與海洋平臺的結構形式有較大區(qū)別，且水深較淺。因此，波浪荷載的計算多采用非線性波模型，[3] 研究了非線性波與海上風電機組基礎結構相互作用的數(shù)值模擬問題，提出了一個新的模擬非線性波與任意截面形狀直立結構相互作用的數(shù)值方法。該方法的主要優(yōu)點是不需要特殊的算法來模擬破碎波。采用線性和非線性波浪模型研究了波浪運動模型、波浪荷載模型和結構模型對確定海上風電機組基礎結構流體動力荷載的影響。研究表明，采用線性波模型計算海上風電機組基礎結構流體動力荷載是不安全的，應該采用非線性波模型。研究表明，結構的最大流體動力荷載出現(xiàn)在強非線性非破碎波條件下。隨著海上風電技術的不斷進步，風機規(guī)格越來越大，水深越來越深，使得傳統(tǒng)固定式基礎結構的一階固有頻率降至0 .25 ～0 .35Hz 之間。因此，多頻率成分波浪譜的模擬對于海上風電機組基礎結構的設計顯得格外重要。線性波模型不能模擬第二個譜峰，必須采用非線性波模型。

三、關于基礎結構設計的思考

1、關于參考規(guī)范。我國從事海上風電機組基礎結構設計的單位包括水電、火電、港工和海工等不同行業(yè)的設計部門，在國家政策的引導下，開發(fā)商和設計人員基于各自行業(yè)的特點、發(fā)揮各自行業(yè)的優(yōu)勢開發(fā)出了一些帶有明顯行業(yè)特征的基礎結構，使我國的海上風電機組基礎結構形式有了較大的發(fā)展。由于發(fā)展速度較快，目前，我國的海上風電機組基礎結構設計、制造和安裝尚沒有正式納入第三方認證和入級范圍，因此，不同型式的基礎結構設計參考的設計標準也來自于相應的行業(yè)規(guī)范。針對結構的特點參考相應的規(guī)范是合理的，但是，應根據(jù)海上風電的特點和基礎結構的設計目標合理地選取相關規(guī)范的設計參數(shù)，避免直接套用相關行業(yè)的設計標準。與海洋石油相比，海上風電的風險性小、收益低、事故損失輕微，因此，參考海洋石油平臺的設計規(guī)范時，要酌情考慮這些因素，適當降低結構的安全級別。而與港工和水工結構相比，海上風電機組基礎結構的設計壽命較短，因此，參考港工和水工設計規(guī)范時，環(huán)境荷載應取較低的值。此外，海上風電機組基礎結構中的混凝土結構或灌漿結構應考慮交變荷載效應，它不僅影響結構本身的承載能力，而且影響地基土的承載能力，這與一般的港工和水工結構有較大的區(qū)別。規(guī)范帶有行業(yè)的特色，不同行業(yè)的規(guī)范自成體系，盡管不同行業(yè)的結構形式和所用材料可能是相同的，但由于行業(yè)的特點，它們的服役狀況卻是不同的，行業(yè)規(guī)范正是在這一點上有所區(qū)別，因此，應盡可能采用同一體系的規(guī)范指導一個基礎結構的設計。

2、關于結構型式。目前，海上風電場的固定式基礎結構主要有三種型式—樁基礎、負壓筒基礎和重力基礎，其中樁基礎的適用性最強，對海床沒有特殊要求且適用于任何水深。而重力式基礎不適用于軟基或沖刷海床，負壓筒基礎則對土的性質敏感。由于海上風電機組基礎結構受到的彎曲作用遠遠大于海洋石油平臺，因此，要求基礎結構具有良好的抗彎曲承載能力。同時，風機轉動和脈動風的影響將導致基礎結構承受較大的交變荷載作用。因此，反復荷載作用引起的地基土弱化問題比較突出。承受交變荷載的結構設計考慮主要是通過疲勞分析來實現(xiàn)的，盡管疲勞計算的準確性仍有待深入的研究，但滿足工程應用問題已基本解決。我國在建和投入運營的海上風電場主要集中在東海。東海的海上風電場基礎較差，有兩座位于潮間帶。其基礎結構型式主要為高樁承臺、單樁，還有一座試驗風電場采用了負壓筒基礎。[1] 由于這些風電場的淤泥質和沖淤海床特點，就適用性而言，樁基礎是較好的選擇，而水深較淺更適合單樁和三樁基礎結構的應用。設計時應對海床土的往復荷載性能給予特別的考慮，對于單樁結構還應重點考慮灌漿結構承受往復荷載的能力。與這兩種結構相比，高樁承臺的成本較高，設計時除地基土的往復荷載性能外，還應重點考慮樁與混凝土結合處的往復荷載承受能力以及腐蝕后的樁頂強度和樁與承臺的粘結強度。

我國正在大規(guī)模的開發(fā)海上風電產(chǎn)業(yè)，迫切需要開發(fā)出適合我國國情的海上風電機組基礎結構。盡管國外現(xiàn)有的結構形式可借鑒適用，但由于國情不同，現(xiàn)有的結構形式在我國并不是最經(jīng)濟的結構形式。為了我國海上風電產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，必須開發(fā)出符合我國國情，且經(jīng)濟指標優(yōu)良的海上風電機組基礎結構。

參考文獻

[1] 龔旭東，魏宏偉，亓發(fā)慶.某海灣北部淺海區(qū)海洋工程地質特征[J] .海岸工程，2016，25（2）：47 -54 .

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）