樁基拔地起?風(fēng)車“種”出來

黃丹雯

天高云淡，海風(fēng)浩蕩，一排排“大風(fēng)車”——海上風(fēng)力發(fā)電機，正“不知疲倦”地轉(zhuǎn)圈，為城市提供源源不斷的動力。

茫茫大海上，這些“大風(fēng)車”看起來不起眼，但實際上卻是“大塊頭”——每根桿高約百米、寬約十米，葉片長度達到七八十米。

要想把這些龐然大物穩(wěn)固地“種”到海底，絕非易事。要想把它們所產(chǎn)生的清潔電能漂洋過海輸送到岸上千家萬戶，也不容易。

向?！皵垺憋L(fēng)，不僅僅是“有風(fēng)即可”

“大風(fēng)車”到底能建在什么地方，是不是海風(fēng)大的位置就可以呢？

“海上風(fēng)電在規(guī)劃階段就要進行選址工作，主要依據(jù)國家能源局和國家海洋局聯(lián)合發(fā)布的《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理辦法》、國家海洋局《關(guān)于進一步規(guī)范海上風(fēng)電用海管理的意見》，以及能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報告編制規(guī)程》等文件?！敝袊茉唇ㄔO(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“中國能建廣東院”）設(shè)計總工程師徐龍博向筆者透露，總的來說，海上風(fēng)電選址必須符合海洋主體功能區(qū)規(guī)劃和海洋功能區(qū)劃，優(yōu)先選擇在海洋功能區(qū)劃中已明確兼容風(fēng)電的功能區(qū)內(nèi)進行布置，同時統(tǒng)籌考慮開發(fā)強度和資源環(huán)境承載能力，科學(xué)選定風(fēng)電建設(shè)區(qū)域。

海上風(fēng)電場選址，首要考慮的，是選擇風(fēng)能資源條件良好的海區(qū)，所以選址時會進行測風(fēng)，主要觀測要素包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度及氣壓，且長期海洋氣象測量觀測持續(xù)時間不應(yīng)少于1年。“就廣東而言，粵西地區(qū)平均風(fēng)速能達到5～8米/秒，粵東地區(qū)風(fēng)資源還要更好些，平均風(fēng)速能達到9.5～10米/秒，適宜規(guī)?；羞B片開發(fā)，因此‘十四五’期間新增投產(chǎn)裝機容量規(guī)劃，粵東地區(qū)達千萬千瓦級?！?/p>

其次，海上風(fēng)電場選址要滿足“雙十”要求，即海上風(fēng)電場址原則上應(yīng)建在離海岸不少于10千米、灘涂寬度超過10千米時水深不得少于10米的海域。此外，還需集約節(jié)約用海，提高海域資源利用效率，單個海上風(fēng)電場規(guī)劃裝機容量根據(jù)風(fēng)電場場址面積，按照每10萬千瓦16平方千米以內(nèi)確定。

在進行選址調(diào)研時，對海底進行物理探測也十分必要。工程師們利用側(cè)掃聲納探測、淺地層剖面探測等方式，初步查明海底淺表層基巖、孤石或其它障礙物分布、埋深狀況;利用中地層剖面探測等方式，查明海底地層的結(jié)構(gòu)、分布、起伏情況，為后續(xù)鉆探、設(shè)計與施工提供基礎(chǔ)資料。

“海上風(fēng)電場在建設(shè)前必須進行嚴(yán)格的海洋環(huán)境影響評估工作，在確保不會對海洋造成污染后才允許開工建設(shè)。”中國能建廣東院高級技術(shù)顧問湯東升介紹，在選址時，要避開各類限制區(qū)域，場址布局應(yīng)符合海洋主體功能區(qū)規(guī)劃、海洋功能區(qū)劃等，避開航路航道、錨地和禁航區(qū)，通信、電力、油氣等海底管線的保護范圍和軍事設(shè)施涉及的范圍。

為了減少風(fēng)電場對環(huán)境的影響，選址時要嚴(yán)守海洋生態(tài)保護紅線，嚴(yán)格滿足環(huán)境和生態(tài)保護要求，避開自然保護區(qū)的核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，海洋特別保護區(qū)的重點保護區(qū)、生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)，以及增殖放流區(qū)、灘涂濕地等鳥類集中棲息地及魚類等的洄游通道及“三場”（產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場）等。

“針對海上風(fēng)電場可能會對鳥類等生物帶來的影響，我們會通過合理布局風(fēng)電機組位置，留下鳥類穿越通道，同時，將葉片尖端涂成警示色，可以減少鳥類碰撞風(fēng)電機組的概率。在施工建設(shè)階段，則采用氣泡帷幕等屏蔽措施，降低施工噪聲對海洋生物的影響?！睖珫|升表示。

逐風(fēng)斗浪，見巖不見得就最好

“Duang、Duang……”在湛江外羅海上，金屬敲打聲持續(xù)了一整晚。

“又是臺風(fēng)！又是暴雨！”接踵而至的臺風(fēng)，讓施工人員不斷嘆氣。一年只有一百來天能在海上搶工建設(shè)，好不容易盼來窗口期，剛施工沒多久，卻又要歇了。2018年，臺風(fēng)山竹登陸湛江外羅海上風(fēng)電場，海上作業(yè)得在臺風(fēng)到達前停工，數(shù)百名施工人員第一時間進行轉(zhuǎn)移。想著不等人的工期，中國能建廣東院項目團隊只得繼續(xù)安排專人緊盯氣象預(yù)報，等待臺風(fēng)過后，迅速返場進行施工。

海上風(fēng)電場的施工，主要包括我們熟悉的“大風(fēng)車”——海上風(fēng)電機組，以及海上變電站、高壓送出海纜和陸上集控中心等幾部分。

“大風(fēng)車”需要靠風(fēng)機基礎(chǔ)才能穩(wěn)穩(wěn)立在海面上，“風(fēng)機基礎(chǔ)是深埋在海底的，根據(jù)水深由淺及深，我們會選用重力式、單樁、導(dǎo)管架式、吸力桶式和浮式等基礎(chǔ)型式?！敝袊芙◤V東院項目經(jīng)理盧欽先向筆者介紹道，按結(jié)構(gòu)型式及其安裝方法分，風(fēng)機基礎(chǔ)有樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力桶式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等，目前廣東省的海上風(fēng)機基礎(chǔ)型式主要采用單樁和導(dǎo)管架兩種基礎(chǔ)型式，其余基礎(chǔ)型式也逐步增加應(yīng)用場景，通過打樁錘將風(fēng)機基礎(chǔ)的鋼管樁打入到海床設(shè)計標(biāo)高，再將風(fēng)機塔筒與風(fēng)機基礎(chǔ)相連接。

風(fēng)機基礎(chǔ)的施工打樁，和陸地上的可不一樣?！霸陉懙厣鲜┕ぃ覀兛赡軙f，打樁要打到見巖才是最好最穩(wěn)固，但海上不一樣，風(fēng)機基礎(chǔ)要穩(wěn)穩(wěn)扎根在海底，主要靠鋼管樁與海床之間的摩擦力。臺風(fēng)一吹，長長的風(fēng)機可能會產(chǎn)生晃動甚至傾倒，所以施工完的風(fēng)機基礎(chǔ)的抗壓、抗拔力要夠。而在淺海施工時，有些水深只有十幾米，基巖面比較淺，抗拔力還不夠，所以還得往下打?！睖珫|升解釋說。

施工船定位、運樁船靠泊、起吊翻樁、單樁豎立、錘擊沉樁……施工隊按部就班，完成風(fēng)機基礎(chǔ)施工，接下來風(fēng)機安裝便是重頭戲。海上風(fēng)電機組安裝方式主要包括整體安裝方式和分體安裝方式兩種。由于分體安裝時，海上作業(yè)施工受海況影響相對較小，所以，在風(fēng)浪較大的廣東沿海海域，較多采用分體式安裝的方式，使用可以固定在海面上的自升式安裝船或坐底船將風(fēng)機在海上拼裝，拼裝完的風(fēng)機就呈現(xiàn)出公眾熟悉的“大風(fēng)車”造型。

“廣東地區(qū)臺風(fēng)頻繁，為了抵御臺風(fēng)的侵襲，風(fēng)電機組還設(shè)置了防臺風(fēng)模式，當(dāng)有臺風(fēng)出現(xiàn)時，我們會通過遠(yuǎn)程操作啟動該模式，這時，其中一個風(fēng)機葉片會和風(fēng)機桿重疊，整個風(fēng)機呈現(xiàn)‘Y’形，可以降低臺風(fēng)對風(fēng)機的影響?！睖珫|升介紹道。

風(fēng)機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能后，要想將電能成功輸送至陸地，還得通過風(fēng)電場的“心臟”——海上變電站，這是海上風(fēng)電場的電能匯集中心，能將35千伏電能升壓至220千伏。

“目前，海上變電站主要為海上升壓站，如果海上風(fēng)電場建在遠(yuǎn)海并采用柔性直流輸電時，則需要建設(shè)海上換流站。”據(jù)介紹，海上升壓站包括上部結(jié)構(gòu)和下部支撐結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)主要布置有變壓器、配電裝置、應(yīng)急柴油機、消防設(shè)備、暖通設(shè)備、吊機、逃生設(shè)備等;下部支撐結(jié)構(gòu)主要由樁式基礎(chǔ)構(gòu)成。海上升壓站在陸上完成上部組塊的制造、設(shè)備安裝和調(diào)試，再利用大型起重船整體吊裝到下部結(jié)構(gòu)上。

作為海上風(fēng)電場的“大腦”，也是海上風(fēng)電最后一道要塞——陸上集控中心，則負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控著所有風(fēng)電機組并管理整個風(fēng)電場的運行。來自風(fēng)力發(fā)電機組、海上升壓站以及連接的海纜等設(shè)施的運行狀態(tài)信息，都要傳輸?shù)郊刂行倪M行分析處理。

直流交流，看距離選輸電方式

將風(fēng)機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能輸送至陸地只有一個渠道——海底電纜（簡稱“海纜”）。通過海纜把風(fēng)機發(fā)出來的電順利送至距離風(fēng)機數(shù)十公里的陸地主要有兩種方式，高壓交流送出和柔性直流送出。根據(jù)輸送方式的不同，海纜分為交流海纜和直流海纜，通常采用專用的敷纜船，采用牽引式鋪埋海纜方法，施工船依靠水力埋設(shè)機進行沖埋敷設(shè)。

一般來說，當(dāng)海纜輸電距離小于等于70千米時，采用高壓交流送出;當(dāng)大于70千米時，為了提高輸送容量并降低損耗，通常采用柔性直流送出。

“通俗一點說，高壓交流送出，就是把海上所有風(fēng)機轉(zhuǎn)換成的電能，通過集電海纜匯集到海上升壓站升壓后，通過高壓海纜輸送至陸上集控站。而柔性直流送出，則是將風(fēng)機的電能通過集電海纜匯集到海上升壓站升壓后，通過高壓交流海纜接入海上換流站變換為直流電能，再通過高壓直流海纜送至陸上換流站?！毙忑埐┙忉屨f。

據(jù)介紹，目前廣東省已投產(chǎn)的海上風(fēng)電場全部采用高壓交流送出方式，除珠海桂山項目外，全部為220千伏電壓等級。隨著海上風(fēng)電場規(guī)模越來越大、離岸距離越來越遠(yuǎn)，廣東省在建項目已開始使用330千伏和500千伏電壓等級。相比而言，近海更為適宜采用高壓交流送出方式，但隨著海上風(fēng)電場走向深遠(yuǎn)海，柔性直流送出的經(jīng)濟性則逐漸顯現(xiàn)，未來將成為重要的海上輸電方式。

除了考慮海纜輸電距離，不同國家海上風(fēng)電所處的發(fā)展階段、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟承受能力不盡相同，對輸電方案也需求各異。從技術(shù)成熟度、方案經(jīng)濟性、工程實用性等方面進行比對分析，我國在“十四五”乃至更長時期內(nèi)，將主要采用高壓交流、柔性直流輸電技術(shù)來實現(xiàn)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出，因地制宜地選用相應(yīng)的并網(wǎng)送出技術(shù)方案，確保海上風(fēng)電安全可靠、經(jīng)濟高效地并網(wǎng)運行。

延伸閱讀

三峽新能源陽西沙扒海上風(fēng)電場

2021年12月25日，國內(nèi)首個百萬千瓦級海上風(fēng)電場——三峽陽江沙扒海上風(fēng)電項目宣布實現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)再添清潔能源動力，助力達成碳達峰、碳中和目標(biāo)。這座海上風(fēng)電場擁有國內(nèi)最大海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)、國內(nèi)最大海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)和國內(nèi)首個海上風(fēng)機吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

國內(nèi)最大海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)——為適應(yīng)場內(nèi)強風(fēng)化巖面深度在50到70米之間的區(qū)域，39個機位均采用大直徑單樁基礎(chǔ)，根據(jù)各機位地質(zhì)進行深度優(yōu)化設(shè)計。平均單個主體鋼料重1487噸，最大單個主體鋼料重1765噸，平均樁徑8.3米，最大樁徑9米。

國內(nèi)作業(yè)水深最大的四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)——10臺風(fēng)機采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)高度超過48米，作業(yè)海域水深30米左右，在國內(nèi)首先采用板殼式過渡段結(jié)構(gòu)，能更好地適應(yīng)大波高、大風(fēng)機盤面、高荷載水平對過渡段結(jié)構(gòu)布置和承載性能的要求。

國內(nèi)首個海上風(fēng)機吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)——為避免風(fēng)機基礎(chǔ)嵌巖，3個機位采用三桶吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)。基礎(chǔ)總高約63米，總重量約1550噸，由3個桶徑13米、桶高11.3米的吸力桶和上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)組成。2020年8月10日完成施工沉桶施工。