浙江省首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐

文|徐勇

作者供職于國(guó)電電力浙江舟山海上風(fēng)電公司

工程打造了可復(fù)制、客推廣、可借鑒的海上風(fēng)電示范標(biāo)桿，對(duì)海上風(fēng)電、海洋戰(zhàn)略與海洋資源開發(fā)都有著重要意義。

國(guó)電舟山普陀6號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)2區(qū)工程是國(guó)家能源集團(tuán)深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略思想，發(fā)展綠色能源、推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)的重要建設(shè)項(xiàng)目，是我國(guó)首個(gè)在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、厚淤泥海域建成的海上風(fēng)電場(chǎng)，榮獲2020～2021年度第一批國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目為浙江省首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目，總裝機(jī)容量252MW，2017年3月開工，2019年5月全部投產(chǎn)。截至2020年8月31日，已累計(jì)發(fā)電12.04億千瓦時(shí)。項(xiàng)目每年可減少煤炭消耗24萬(wàn)噸、二氧化碳排放量61萬(wàn)噸、二氧化硫排放量4378噸、氮氧化物1751噸，每年可節(jié)約用水210萬(wàn)m3。放流魚苗1.6億尾，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形成人工魚礁，集魚效果明顯，優(yōu)化了海洋生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了舟山海島旅游業(yè)，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

工程條件

本工程所在海域的海況條件復(fù)雜，具有“厚淤泥、大涌浪、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)”的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

（1）厚淤泥

工程處于長(zhǎng)江口南側(cè)淤泥厚積區(qū)域，海床地質(zhì)條件差，海底表層分布15～40m流塑狀淤泥，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差、易擾動(dòng)觸變、高靈敏性、高孔隙比、高壓縮、低強(qiáng)度等特性，并具有一定的蠕變性、流動(dòng)性及在波浪等荷載往復(fù)作用下的軟化特性。表層淤泥含水量一般為63%，平均液限41%左右，塑限22%左右，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)和海上升壓站基礎(chǔ)的選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)及建造施工面臨極大的困難。

（2）大涌浪

工程場(chǎng)區(qū)波長(zhǎng)分級(jí)頻率主要集中在5 0 m～9 0 m之間，9 5 m～15 0 m波長(zhǎng)分級(jí)頻率統(tǒng)計(jì)為5.5%。潮流總體流速一般為1.7m/s，最大流速為2.14m/s，具有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)所需的打樁船、起重船、攪拌船、多功能駁等主要船舶的船長(zhǎng)均在100m以內(nèi)，船長(zhǎng)小于波長(zhǎng)，同時(shí)涌浪作用頻繁，常浪浪高為1～2m，長(zhǎng)波強(qiáng)涌作用下施工船舶的橫搖大于7°，縱搖大于3°，搖晃幅度均較大，施工期內(nèi)受到不利海況條件影響時(shí)間達(dá)60%以上，年可作業(yè)天數(shù)僅為120天左右。

（3）強(qiáng)臺(tái)風(fēng)

工程場(chǎng)區(qū)處于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)海域，根據(jù)大數(shù)據(jù)顯示，1949-2018年，共有43個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸浙江。臺(tái)風(fēng)在浙江的登陸地點(diǎn)非常集中，最常撲向臺(tái)州、溫州、寧波等中南部沿海城市。69年來(lái)，43個(gè)登陸浙江的臺(tái)風(fēng)中，33個(gè)為“一手臺(tái)風(fēng)”，10個(gè)為二次登陸。登陸浙江省的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為2006年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”，登陸時(shí)風(fēng)力為17級(jí)。在2011年觀測(cè)期間有兩次臺(tái)風(fēng)（“米雷”和“梅花”）過(guò)境影響到本工程區(qū)域，實(shí)測(cè)最大波高Hmax分別達(dá)到8.76m和10.75m，對(duì)應(yīng)有效波高Hs分別為5.24m和6.44m。工程建成后成功抵御了包括2019年“利奇馬”在內(nèi)的數(shù)個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面沖擊。

高樁高承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)優(yōu)化及技術(shù)路線

（1）風(fēng)電機(jī)組選型與布置優(yōu)化

結(jié)合風(fēng)電機(jī)組性能特點(diǎn)，充分考慮建設(shè)規(guī)模、場(chǎng)區(qū)邊界、主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向等因素，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的選型和布置優(yōu)化、發(fā)電量計(jì)算，以及整個(gè)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，最終確定了63臺(tái)風(fēng)機(jī)垂直主導(dǎo)風(fēng)向方向兩排帶狀布置的方案，確保了每一臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)揮最大出力水平，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)可利用小時(shí)的最大化。

（2）基礎(chǔ)型式選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)以及海上升壓站基礎(chǔ)選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮風(fēng)、浪、流、工程地質(zhì)等海洋環(huán)境因素以及風(fēng)電機(jī)組等主要電氣設(shè)備的正常運(yùn)行要求，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，鎖定了基礎(chǔ)型式。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)全部采用八樁高樁高承臺(tái)基礎(chǔ)型式，有效降低波浪對(duì)承臺(tái)的沖擊與浮托力，通過(guò)數(shù)輪設(shè)計(jì)優(yōu)化，基礎(chǔ)鋼管樁由2m優(yōu)化至1.6m，合并鋼筋混凝土承臺(tái)相關(guān)優(yōu)化，單臺(tái)基礎(chǔ)造價(jià)降低約300萬(wàn)元。海上升壓站基礎(chǔ)采用斜樁導(dǎo)管架型式，與上部組塊之間通過(guò)“三短一長(zhǎng)”樁柱連接，解決了升壓站吊裝定位的技術(shù)難題，3000噸海上升壓站一次性吊裝到位。

（3）安裝方案確定

風(fēng)電機(jī)組吊裝通常有分體吊裝和整體吊裝兩種方式，對(duì)于分體吊裝，通常采用自升式支腿船，本工程場(chǎng)區(qū)海床表面淤泥層較厚，根據(jù)計(jì)算，自升式支腿船的樁腿入泥深度需要達(dá)到34m才能滿足本工程風(fēng)電機(jī)組安裝施工時(shí)對(duì)起重平臺(tái)船的承載力要求。項(xiàng)目開工前，國(guó)內(nèi)可滿足該要求的自升式起重平臺(tái)船較少，為滿足工程工期目標(biāo)、海域施工工況、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等要求，風(fēng)機(jī)安裝最終選用海上整體安裝方案，即塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片在陸上組裝完成，整體運(yùn)輸至機(jī)位處吊裝安裝，有效減少了海上施工作業(yè)時(shí)間、降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，更有利于組織標(biāo)準(zhǔn)化組裝作業(yè)、保障風(fēng)電機(jī)組組裝質(zhì)量。為保障整體吊裝，項(xiàng)目先行在舟山六橫小郭巨建設(shè)了后方基地，基地至普陀6號(hào)風(fēng)電場(chǎng)航線約12海里，海上航程在3小時(shí)以內(nèi)，后方基地場(chǎng)區(qū)開闊，建有碼頭泊位和后方堆場(chǎng)，各項(xiàng)功能齊全。

普陀6號(hào)風(fēng)電場(chǎng)

建設(shè)亮點(diǎn)

（1）國(guó)內(nèi)首創(chuàng)“大涌浪、厚淤泥”海域風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成套技術(shù)

針對(duì)本工程海洋環(huán)境特點(diǎn)，開展了“大涌浪、厚淤泥”海域風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化課題研究，在結(jié)合試樁資料的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了“高樁高承臺(tái)改進(jìn)型”風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式。其每座風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由8根φ1600mm鋼管樁（鋼樁斜度5:1，平均樁長(zhǎng)99米）、φ14.2m高性能混凝土承臺(tái)組成。承臺(tái)為現(xiàn)澆海工混凝土結(jié)構(gòu)，底標(biāo)高為+12.5m，頂標(biāo)高為+16.3m，承臺(tái)厚度3.8m。該方案通過(guò)優(yōu)化鋼樁結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，將承臺(tái)底高程設(shè)置在最大波高以上，避免了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受到的波浪浮托力和沖擊力，大幅削減了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程量，使單個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)造價(jià)大幅降低。該課題相關(guān)研究成果已獲得中施企協(xié)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)電力創(chuàng)新一等獎(jiǎng)、專利3項(xiàng)。

（2）自創(chuàng)“長(zhǎng)波靜對(duì)靜施工平臺(tái)”技術(shù)

從施工工藝和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況分析，動(dòng)對(duì)動(dòng)吊裝工效最低，靜對(duì)動(dòng)和動(dòng)對(duì)靜次之，靜對(duì)靜最高。在海況、風(fēng)況等自然條件無(wú)法改變的情況下，從優(yōu)化吊裝工藝入手，盡量向靜對(duì)靜吊裝靠攏，是提高承臺(tái)作業(yè)工效的一個(gè)有效途徑。在此基礎(chǔ)上，提出了“長(zhǎng)波靜對(duì)靜作業(yè)平臺(tái)”施工方案。該方案在風(fēng)機(jī)承臺(tái)附近增設(shè)了一個(gè)過(guò)渡平臺(tái)，一方面作為設(shè)備、材料及人員的中轉(zhuǎn)平臺(tái)，另一方面實(shí)現(xiàn)了靜對(duì)靜吊裝作業(yè)，將海上施工轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣懮鲜┕ぁ保岣吡耸┕ば省?jù)統(tǒng)計(jì)，普陀6號(hào)共投入8座長(zhǎng)波靜對(duì)靜作業(yè)平臺(tái)，累計(jì)節(jié)省工期約2個(gè)月，提升海上作業(yè)工效約20%，獲中施企協(xié)優(yōu)秀質(zhì)量管理成果獎(jiǎng)。

（3）國(guó)內(nèi)首創(chuàng)“負(fù)重拖航式海上風(fēng)機(jī)整體吊裝”技術(shù)

風(fēng)機(jī)整體吊裝方案，一般是在風(fēng)機(jī)組拼碼頭完成風(fēng)機(jī)各部件組裝，并通過(guò)風(fēng)機(jī)專用運(yùn)輸駁運(yùn)至指定機(jī)位，最后利用大型起重船完成整體安裝。由于現(xiàn)場(chǎng)涌浪較大，風(fēng)機(jī)運(yùn)輸駁會(huì)產(chǎn)生左右搖擺及上下起伏，且起重船吊鉤晃動(dòng)幅度較大，造成掛鉤困難，嚴(yán)重制約了海上整體吊裝。在深入研究現(xiàn)場(chǎng)海況、海域特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了“負(fù)重拖航式風(fēng)機(jī)海上整體吊裝”施工方案。與原方案相比，該方案將風(fēng)機(jī)掛鉤起吊地點(diǎn)從對(duì)應(yīng)機(jī)位調(diào)整至大蚊蟲島附近海域（該海域靠近陸地，且周圍有島嶼遮擋，涌浪較小），起吊掛鉤完成后整體拖航至指定機(jī)位，完成吊裝作業(yè)。“負(fù)重拖航式風(fēng)機(jī)海上整體吊裝”方案的順利實(shí)施，大幅提高了風(fēng)機(jī)安裝效率，創(chuàng)下了單月單船吊裝風(fēng)機(jī)8臺(tái)的記錄，獲水利工程協(xié)會(huì)優(yōu)秀質(zhì)量管理成果一等獎(jiǎng)、專利3項(xiàng)。

（4）國(guó)內(nèi)首創(chuàng)“海上升壓站抗臺(tái)百分百大孤島”技術(shù)

普陀6號(hào)所處海域?yàn)榕_(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，在臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)有可能出現(xiàn)電網(wǎng)故障失電的情況。在該情況下，如風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有后備電源，風(fēng)機(jī)將無(wú)法自動(dòng)偏航，風(fēng)機(jī)載荷可能超過(guò)容許的極限載荷，從而造成風(fēng)機(jī)損壞。針對(duì)該情況，在配置抗臺(tái)型風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，實(shí)施了“海上升壓站抗臺(tái)百分百大孤島”技術(shù)。該方案在海上升壓站配置了兩臺(tái)1200kW的柴油發(fā)電機(jī)組，作為風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)急電源。當(dāng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間出現(xiàn)電網(wǎng)失電情況時(shí)，兩臺(tái)柴發(fā)將會(huì)為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的63臺(tái)風(fēng)機(jī)提供偏航電源，確保風(fēng)機(jī)安全進(jìn)入臺(tái)風(fēng)模式；同時(shí)，柴發(fā)還能為風(fēng)機(jī)提供必要的除濕加熱電源，確保風(fēng)電場(chǎng)失電期間的設(shè)備防腐安全?！昂Ｉ仙龎赫究古_(tái)百分百大孤島”方案的順利實(shí)施，大幅提高了普陀6號(hào)風(fēng)電場(chǎng)的抗臺(tái)能力，成功抵御了“利奇馬”等數(shù)個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面沖擊，推廣示范應(yīng)用效果顯著，獲國(guó)家專利。

（5）國(guó)際首創(chuàng)“基于風(fēng)機(jī)變流器無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行方式的帶負(fù)荷試驗(yàn)”技術(shù)

帶負(fù)荷試驗(yàn)作為風(fēng)機(jī)受電的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一般在線路帶電以后，投入一定量的用戶產(chǎn)生相應(yīng)負(fù)荷及電流來(lái)進(jìn)行測(cè)試；或者在一些特殊情況下采用“假負(fù)荷”接入，即利用外接電容器組來(lái)充當(dāng)母線系統(tǒng)的用戶。實(shí)際施工過(guò)程中，當(dāng)海上升壓站及風(fēng)機(jī)承臺(tái)具備登臨操作帶負(fù)荷試驗(yàn)條件時(shí)，往往天氣、海況條件優(yōu)越，風(fēng)速相對(duì)較低，此時(shí)若通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)荷來(lái)進(jìn)行測(cè)試，需要等待窗口，人員需長(zhǎng)時(shí)間在海上等待負(fù)荷提升，安全風(fēng)險(xiǎn)較大；另由于海上升壓站的地理位置特殊，通常離岸距離在10公里以上，且其內(nèi)部空間緊湊，無(wú)法像常規(guī)陸上變電站一樣采用臨時(shí)電容器組接入的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。因此，如何在海上升壓站受電啟動(dòng)期間做帶負(fù)荷試驗(yàn)，已成為該領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，研發(fā)并使用了“基于風(fēng)機(jī)變流器無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行方式的海上風(fēng)電工程受電啟動(dòng)帶負(fù)荷試驗(yàn)”方法。該方法無(wú)需額外的設(shè)備，僅利用風(fēng)機(jī)本身變流器實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，可控性強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)單、可靠性高，降低了后期機(jī)組并網(wǎng)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，使單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)間縮短約50%，獲國(guó)家發(fā)明專利。

該工程目前已榮獲國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)、中國(guó)電力優(yōu)質(zhì)工程、國(guó)家級(jí)工程建設(shè)項(xiàng)目綠色建造設(shè)計(jì)水平評(píng)價(jià)一等成果、優(yōu)秀設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)、科技進(jìn)步獎(jiǎng)4項(xiàng)、發(fā)明專利6項(xiàng)、實(shí)用新型專利10項(xiàng)、質(zhì)量管理成果獎(jiǎng)8項(xiàng)、優(yōu)秀專利獎(jiǎng)1項(xiàng)、工法1項(xiàng)、軟件著作權(quán)4項(xiàng)、其他獎(jiǎng)項(xiàng)5項(xiàng)，參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，出版著作1部，發(fā)表論文30余篇。

工程建成標(biāo)志著我國(guó)掌握了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、厚淤泥海域海上風(fēng)電建設(shè)的領(lǐng)先技術(shù)，促進(jìn)了新裝備、新工藝、新技術(shù)的研發(fā)升級(jí)，打造了可復(fù)制、可推廣、可借鑒的海上風(fēng)電示范標(biāo)桿工程，對(duì)提高海洋資源開發(fā)能力，培育壯大海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)邁入世界領(lǐng)先水平、大幅提升中國(guó)企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)碧水藍(lán)天中國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)巨大。