漂浮式海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

包彩虹 吳鵬冠

摘要：隨著風機單機容量的逐步增大，淺海面積的進一步受限，深水風電的發(fā)展已然成為開發(fā)可再生能源的必然趨勢，而在深水風電的研究中最重要的就是漂浮式基礎概念的提出。本文主要從風電機組的基礎型式來對其技術(shù)發(fā)展進行闡述分析，重點論述了TLP（張力腿式平臺）的發(fā)展現(xiàn)狀，并例舉闡述了國外典型TLP平臺的海上漂浮式風電項目，從而為我國大力發(fā)展漂浮式海上風電提供良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：漂浮式風機;TLP平臺;錨泊系統(tǒng)

Current status and trend of the offshore floating wind power——Take TLP For Example

Abstract： With the enlargement of unit capacity of the wind turbine and the limited of the shallow sea area， the development of deepwater wind power has become an inevitable trend in the exploitation of renewable energy. Furthermore， the most important study of deepwater wind power is the proposal of the floating conception. In this paper， we mainly discussed the foundations of the floating wind turbine， and the current status of tension leg platform（TLP） is a focal point of a full paper. Also we illuminate the foreign offshore floating wind power projects with many typical TLP examples. Consequently， its technology can provide a good reference for the development of floating wind turbine in china.

Keywords：Offshore floating wind power; TLP foundation; Mooring and anchoring systems

0? 引言

在石油資源形勢日益嚴峻、全球氣候逐漸變暖的情況下，海上風能作為一種新的可再生能源，由于其資源豐富受到了大多數(shù)國家的青睞。國家能源局已于《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020年底，風電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到2.1億千瓦以上，其中海上風電并網(wǎng)裝機容量達到500萬千瓦以上。由此可見，海上風電是風電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向，也是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐。

海上風電根據(jù)海水深度可分為近海風電（水深<50m）和深海風電（水深>50m）兩種型式。隨著近海風資源的開發(fā)利用趨于飽和，以及風電機組單機容量的逐漸增大，海上固定式基礎所面臨的設計和施工挑戰(zhàn)越來越大，而漂浮式風機本身為順應系統(tǒng)，在環(huán)境條件作用下依靠系泊系統(tǒng)實現(xiàn)定位，對環(huán)境適應性更強，且視覺污染和噪音污染與近海風電相比較小，因此漂浮式海上風電技術(shù)的發(fā)展將在海上風電的跨越式發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。歐洲、美國、日本等國家在海上風電事業(yè)的發(fā)展中一直處于領(lǐng)先地位，對于漂浮式基礎的研究也較為成熟，因此，研究國外漂浮式海上風電技術(shù)可為我國向深遠海風電場發(fā)展提供可能。

1? 漂浮式風電機組基礎型式

歐洲研究報告指出，風機基礎的投入可占總投入的20%，并隨著海水深度的增加而增加，因此漂浮式風電技術(shù)的改革創(chuàng)新必然需要大力發(fā)展經(jīng)濟可行的基礎型式。

早期的海上風電基礎主要有單樁式、三腳架式和導管架式[1]，而近幾年為適應不同海床條件、水深情況以及機組和環(huán)境因素，海上風電基礎結(jié)構(gòu)開始越發(fā)多樣化。隨著離岸距離和水深的拓展、以及系泊系統(tǒng)的研究，漂浮式基礎將會得到更廣泛的應用。漂浮式基礎結(jié)構(gòu)主要由錨固系統(tǒng)、錨錠地點和壓載艙組成，現(xiàn)在市場上主流的漂浮式基礎為半潛式、柱體式、張力腿式這三種型式（圖2），其中，根據(jù)錨鏈的受力狀態(tài)，又可將前兩類歸為懸鏈式基礎，最后一類為張緊式基礎。歐盟對新技術(shù)應用進行了成熟度等級劃分，其指標由低到高可分為9級，以此表示新技術(shù)的研發(fā)程度，當技術(shù)成熟度達到8級及以上時，便可認為該技術(shù)基本具備投入商業(yè)運行的條件，目前這三種漂浮式基礎的技術(shù)成熟度現(xiàn)狀如圖2所示。

1.1 TLP基礎

1.1.1? 概念

張力腿式概念主要是通過張緊的系泊纜繩固定于海底來提供穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)較輕，具有獨特的筋腱系統(tǒng)，同時張力腿式概念吃水深度較淺，當存在起伏、傾斜以及翻滾運動時，具有較高的穩(wěn)定性[2][3]。

Crozier等人對兩種不同類型的TLP風機概念做了大量的數(shù)字化對比，她發(fā)現(xiàn)被拖曳至目的地的TLP風機比搬運至目的地的具備更為有利的動態(tài)性能[4];Jagdale等人使用時間域來分析四浮筒TLP設計，他們主要通過改變塔長、浮筒長、橫截面以及系泊纜繩的數(shù)量來評估平臺的動態(tài)響應[5];Tracy等人使用頻率域法分析了TLP的最佳參數(shù)[6];Nihei等人則提出了一種由3鋼絲和6筋腱組成的輕結(jié)構(gòu)，他們通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)筋腱會隨著漂流機制的改變而松弛隨之結(jié)構(gòu)遭到破壞[7][8]。

1.1.2? 錨泊系統(tǒng)研究

錨泊系統(tǒng)的研究包括系泊和錨錠兩部分，目前漂浮式基礎上所使用的錨泊系統(tǒng)指懸鏈式或張緊式的系泊系統(tǒng)或者像張力腿平臺中固定基礎使用的筋腱系統(tǒng)。

國外大多數(shù)TLP平臺錨泊系統(tǒng)主要包括張力腿筋腱和錨固基礎兩個部分，其張力腿所使用的材料均為鋼管，采用該材料安全性好，穩(wěn)定性高，加工工藝簡單，并且制造成本低，本身重量也可以通過兩端密封的方法來解決，在防腐處理方面的技術(shù)也較為成熟。但采用鋼管作為TLP平臺張力腿時，需要在張力腿與海底基礎和平臺間連接處設置一個可任意方向擺動的球角接頭，即張力腿連接器，其結(jié)構(gòu)復雜，設計制造困難。目前這種連接器只有幾家公司有現(xiàn)成產(chǎn)品，其示意圖如圖3所示。

錨錠系統(tǒng)的選擇則與海床環(huán)境有關(guān)，現(xiàn)在主要的錨錠類型有拖動式嵌入、打入樁、吸力樁、重力式（圖5）。其基本特征如表1所示。拖動式嵌入主要運用于粘性泥沙沉積環(huán)境，打入樁則適用于大范圍的海床環(huán)境，吸力樁和重力樁均不適用于滲透性困難的海床環(huán)境，但在解除裝置階段，吸力樁可被移動，而重力樁則很難進行移動。

1.1.3? 模式分析

近幾年來，西班牙較為杰出的電力公司已經(jīng)著手研究漂浮式海上風機項目，張力腿式平臺（TLP）風機是伊比德羅拉電力公司目前正在進行的一項研究[9]。

如圖4 所示，伊比德羅拉TLP平臺包括一個中心圓柱和四個直角截面浮筒，每個浮筒的底部都連接了兩個筋腱，筋腱由6x37股鋼線繞成，以此來支撐5MW風機。每個浮筒的邊緣都有兩個小口，來連接張緊的系泊纜繩與浮標，系泊纜繩可以由鋼或者綜合材質(zhì)構(gòu)成，在其下部則與吸力樁基礎相連接，也可根據(jù)當時的地質(zhì)情況選用打入樁和鉆孔樁。

1.2 其他類型基礎型式

半潛式基礎（SEMI-SUB）：主要利用浮力作用，通過將平臺浮于海水表面同時以懸鏈線固定于海底來實現(xiàn)，這種基礎通常需要一個大而重的結(jié)構(gòu)來保持穩(wěn)定，但吃水深度較低，需要通過主動壓載設備來保持平臺水平。

柱體式基礎（Spar）：主要通過采用圓柱固定壓載來降低重心直到比浮心還低來獲得靜穩(wěn)性。其結(jié)構(gòu)底部重而上部較輕，以此提高浮力的重心。Spar式結(jié)構(gòu)吃水深度大，可適用于大水深條件，但受到風浪影響較大。

半潛式、立柱式和張力腿式每種類型都各有特點、優(yōu)勢和劣勢，其適用范圍也各不相同。我國陸架平緩，尤其是東海海我國陸架平緩，尤其是東海海域遠海水深條件相對于歐洲較淺，一般在40-60m之間。立柱式由于結(jié)構(gòu)特點，適用于較大水深海域（100m水深）。此外，半潛式和立柱式采用懸鏈線式系泊結(jié)構(gòu)，系泊纜長度在5-10倍（3-8倍）的水深，意味著40m水深，纜繩長度可能在200-400之間。遠大于我國《海上風電開發(fā)建設管理暫行辦法》中規(guī)定“單個風電機組塔架用海面積一般按塔架中心點至基礎外緣線點再向外50m為半徑的圓形區(qū)域”。同時張力腿基礎在外力（風浪流）作用下運動響應更好，對風機的要求和發(fā)電量損失更小。

因此本文認為，張力腿（TLP）漂浮式海上風電是垂直系泊的順應式浮式平臺結(jié)構(gòu)的海上風電基礎，能夠在陸上安裝和調(diào)試，從而避免了海上安裝的各種難題，其最顯著的特點是運動性能好，抗惡劣環(huán)境能力強，且造價低，是我國未來漂浮式海上風電發(fā)展的重要方向之一。

2? 國外漂浮式風電技術(shù)發(fā)展

2.1? 發(fā)展歷程

漂浮式海上風機主要是由風渦輪機、塔筒、浮式平臺和錨泊系統(tǒng)組成，這一概念最早是由美國麻省理工大學的Heronemus 教授在 1972 年提出[9]，但直到二十年前歐美國家才開始開發(fā)用于承載海上風機的浮動式平臺。與傳統(tǒng)的海上風力發(fā)電裝置不同，浮動式風力發(fā)電機組不需要在海底打樁再架起來，而是將其建在浮動式平臺上，并通過系泊裝置相連接，由錨固系統(tǒng)固定在海床上，最終通過一條輸出電纜將產(chǎn)生的電力輸送到陸上電網(wǎng)。如今，歐洲漂浮式海上風電市場百家爭鳴，隨著第一臺試驗樣機在挪威海域成功運行，葡萄牙、德國、法國等海上風資源豐富國家也相繼研發(fā)了一系列新概念，并取得了可喜的成績。

2.2? 國外典型TLP平臺的海上漂浮式風電項目

“PelaStar”項目由美國Glosten公司歷經(jīng)多年開發(fā)，借鑒了mini-tlp的概念，浮式平臺由五個支臂和一個中心圓柱體組成，每個臂上都有一個纜索固定于海底（圖5），結(jié)構(gòu)重量較輕?！癙elaStar”于2011年被緬因大學選中進行浮式風電的示范工程，這是TLP浮式平臺的首次提出。2012年，“PelaStar”被ETI選中進行風浪測試，示范場址位于遠離康沃爾的凱爾特海，計劃采用6MW Haliade海上風電機組，但該工程由于場地許可的推延被擱置。最近，Glosten機構(gòu)正在尋求新的測試場址已完成這個試驗。

德國2.3WM“GICON-SOF”風機為典型張力腿式結(jié)構(gòu)，主要由四個圓柱體組成，其下則通過四個垂直的拉張式纜繩固定于海底，并且通過四個額外的拉張式纜繩來保持平臺的穩(wěn)定性（圖6）。這個項目從2012年開始就經(jīng)歷了大量的水槽試驗，并于2017年10月11日通過1：50模型的水池試驗。整個試驗過程主要模擬了11.4米和12.9米的浪高，整座風機表現(xiàn)非常穩(wěn)定。研究人員將進一步對試驗中獲取的數(shù)據(jù)進行分析，從而改善張力腿漂浮式平臺的整體性能。2018年，他們將繼續(xù)開展第三代張力腿漂浮式平臺技術(shù)的試驗。該項目如果能成功，將會建成世界上第一座張力腿式漂浮式風場。

“Blue H”為世界上首座采用TLP基礎的漂浮式風電項目，在該項目中，TLP平臺至少需要3個張力腿式系泊纜繩，每個纜繩上都有一個適應于海底環(huán)境的重力錨系統(tǒng)，風機則被安裝于TLP浮式平臺的中間。在安裝過程中風機剛開始半潛于水中，然后通過抬升力和系泊鏈張力來使風機上升至指定位置（圖7）。2008年，80kw初始模型機被安裝在意大利海岸，之后這一概念經(jīng)歷了大量的優(yōu)化并且進一步減少了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，目前“Blue H”項目正在尋求新的資金來源以構(gòu)建5-7MW風機概念。

諾帝卡“AFT”風電以張力腿式與半潛式混合型為特征（圖8），風機塔筒和基礎懸臂梁被水平運輸至安裝地點，然后通過水壓載使風機直立。其主要原理為通過將水壓載抽取至平臺內(nèi)部，來改變浮式基礎的重量和質(zhì)心，從而使得“AFT”風機由水平位置旋轉(zhuǎn)至接近垂直的位置。另外，絞纜機對系統(tǒng)安裝提供了額外的張力，風機則通過錨錠系統(tǒng)固定于海底來保持穩(wěn)定性。

3? 國內(nèi)漂浮式風電技術(shù)發(fā)展

我國海上風能資源豐富，預估可達到750GM的可開發(fā)容量，目前相關(guān)設計、施工和科研單位已經(jīng)掌握了在近海和潮間帶開發(fā)建設的海上風電技術(shù)，但是對于深遠海域海上風電的開發(fā)研究還處于空白地帶，因此研究深遠海漂浮式風電技術(shù)，可以將我國風電建設推向風能資源更加豐富的深遠海域，為后續(xù)深遠海域海上風場大規(guī)模開發(fā)奠定基礎。

通過借鑒國外實例，國內(nèi)首個海上漂浮式風電示范項目計劃在2019年開工，于2015年就開始籌建，建設地點為東海，采用TLP式基礎，錨固基礎為水下樁基礎、吸力錨基礎。目前該項目正處于模型試驗階段，現(xiàn)已初步掌握了漂浮式風機基地預拼裝施工工藝，水下基礎施工工藝與裝備，筋腱材料特性及施工工藝，及漂浮式風機整體水上拖航技術(shù)。

4? 展望

隨著海上風電進一步向深遠海域發(fā)展，其安裝和運維成本居高不下是阻礙其發(fā)展的一個主要因素。因此，為了減少這些深遠海海上風電項目的生產(chǎn)，安裝和運維成本，在固定式基礎持續(xù)進步的同時，漂浮式海上風機基礎也逐漸發(fā)展起來，并走出試驗階段，走向商業(yè)化應用。

歐洲海上漂浮式風電一直是這個行業(yè)的領(lǐng)頭軍，在歐洲委員會及各國政府的資金支持下，其國內(nèi)的企業(yè)、高校和研究機構(gòu)投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，并進行了各型漂浮風機的物模試驗、數(shù)值計算分析，建設了樣機，同時相關(guān)的設計、施工規(guī)范（ABS、DNV）也已陸續(xù)出版，未來漂浮式風機的大規(guī)模應用指日可待。

我國海上風能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風電的條件，雖然漂浮式風電研究起步較晚，但可充分借鑒國外的經(jīng)驗和技術(shù)，實現(xiàn)漂浮式風電的“彎道超車”。

參考文獻

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