海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式及技術(shù)要點探析

蒲捷

中國電建集團湖北工程有限公司 湖北 武漢 430040

引言

經(jīng)濟迅速發(fā)展，改善人們生活條件的同時，也加快了各行業(yè)領(lǐng)域向前發(fā)展，同時對電力能源需求日益增長，環(huán)境污染是傳統(tǒng)電力生產(chǎn)存在的主要問題，近些年來，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略推動作用下，我國愈加重視海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)，其中海床地質(zhì)條件、復(fù)雜海洋環(huán)境以及其他外部因素所引起的荷載變化限制著海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)推進(jìn)?；诤Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式，如何精準(zhǔn)把握關(guān)鍵技術(shù)要點，實現(xiàn)海上風(fēng)力發(fā)電項目高質(zhì)量建設(shè)，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電是一種綠色性、環(huán)保性的能源開發(fā)技術(shù)，風(fēng)能作為可再生能源，新時期推進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電項目深入建設(shè)，充分利用豐富的海上風(fēng)能資源，不僅能夠有效緩解目前我國能源緊張問題，在一定程度上也能積極推進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。根據(jù)國家能源局印發(fā)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》文件，提出在新時期爭取全國海上風(fēng)電建設(shè)達(dá)成1000萬kW規(guī)模目標(biāo)；其中無過渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)中基本實現(xiàn)了全面覆蓋，精準(zhǔn)把控建設(shè)成本投入同時，也推動著海上風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展[1]。

海上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，降低成本。相較于陸地風(fēng)況，海上風(fēng)況穩(wěn)定性明顯高于前者，海上風(fēng)速高，風(fēng)切小，可調(diào)節(jié)塔架高度，進(jìn)而降低海上風(fēng)電項目建設(shè)成本。

第二，延長風(fēng)機使用期限。因海上主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定，在一定程度上能夠有效緩解運行過程中風(fēng)電機組疲勞程度，延長風(fēng)機使用期限，減少后期維修與養(yǎng)護(hù)工作。

第三，增加發(fā)電量。各項數(shù)據(jù)表明，沿海岸10km處的海上風(fēng)速遠(yuǎn)高于陸地風(fēng)速，基于同一標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機組運行條件，海上風(fēng)力發(fā)電機組能夠進(jìn)一步增加電力能源產(chǎn)出量，即使風(fēng)電機組在運行過程中產(chǎn)生較大噪音，也不會對周圍環(huán)境帶來影響，在再加上選用新型材質(zhì)大型葉片，發(fā)電量有效增加的同時，也極大地縮減了運營成本。由此說明，海上風(fēng)力發(fā)電未來具有良好發(fā)展前景，掌握關(guān)鍵技術(shù)，加強新技術(shù)研發(fā)，充分利用海上風(fēng)能，切實提高我國風(fēng)能利用率。

2 海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式

2.1 重力式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)

在實際海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計過程中，結(jié)合風(fēng)電設(shè)備運行要求以及具體安裝特點，在此基礎(chǔ)上對原有船塢及碼頭工程技術(shù)加以改進(jìn)，即為重力式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計，所涉及的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)具備完善的應(yīng)用體系，能夠更好地控制建設(shè)成本。對基礎(chǔ)自身材料及具備承載風(fēng)電設(shè)備的重力進(jìn)行合理利用，以此來保證海床上整個發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施運行穩(wěn)定性與安全性，在實際基礎(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)，需要精準(zhǔn)計算風(fēng)電設(shè)備運行及復(fù)雜海上環(huán)境所產(chǎn)生的荷載，確保技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確性非常必要。海床工程地質(zhì)條件、海水深度與成本預(yù)算是制約重力式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式應(yīng)用的幾項關(guān)鍵要素，鑒于重力式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)對運行穩(wěn)定性要求極高綜合考慮，必須要保證海床天然結(jié)構(gòu)具有較高堅實度，并要提前做好對海床預(yù)處理工作，避免沉入海底的預(yù)制基礎(chǔ)無法發(fā)揮其功能作用[2]。另外，由于大部分海床結(jié)構(gòu)有軟土層存在，某種程度上導(dǎo)致缺少一定堅實度，進(jìn)而促使提前預(yù)處理工序需要投入更多資金，導(dǎo)致重力式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計成本投入增加，再加上技術(shù)水平限制，該類型海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式只適用于小于10m海水深度的海域風(fēng)力發(fā)電建設(shè)。

2.2 樁基式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)

按照風(fēng)力設(shè)備運行要求和安裝特點，樁基式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計又被劃分為單樁、多樁及三角樁3種基礎(chǔ)形式。

單樁基礎(chǔ)形式：選用大直徑鋼管組成單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計中使用頻率最高的基礎(chǔ)形式，在海床夯入一根鋼管，或以鉆孔安裝的方式插入大直徑鋼管，形成海床結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，海床地質(zhì)條件決定著鋼管插入海床的深度，利用樁側(cè)土壓力完成風(fēng)機荷載傳遞，此類型樁基式海上風(fēng)力發(fā)電適用于20~25m海水深度范圍區(qū)間內(nèi)的海域風(fēng)電場項目建設(shè)，并對海床地質(zhì)條件有著較高要求，無須進(jìn)行海床預(yù)處理，且實際安裝便捷，極大地縮減了安裝時間。若鋼管直徑過大，則需要選擇專項打樁船進(jìn)行輔助作業(yè)開展，增加了海上風(fēng)電場項目建設(shè)成本。

多樁基礎(chǔ)形式：參照海上油氣開發(fā)技術(shù)，在海床上夯入多個樁基，可根據(jù)風(fēng)電設(shè)備運行要求調(diào)整樁基夯入方向，該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提升對海上風(fēng)浪、海水動力的抵抗性，此類型樁基式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)適用于中等以上海水深度的海域風(fēng)電場項目建設(shè)。一般情況下，針對多樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)確定，需要綜合考慮海水深度、海水流動等外部因素，外部因素與風(fēng)電設(shè)備運行所產(chǎn)生的荷載直接影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實際安裝過程中，同樣省去海床預(yù)處理環(huán)節(jié)，對不同地質(zhì)條件的海床均具有良好適用性，任何海水深度的海域風(fēng)電場項目建設(shè)需求可充分滿足，安裝操作便捷程度高，缺點是實際成本投入較多，且不方便移動[3]。

三角樁基礎(chǔ)形式：在一定海水深度的海床夯入中心柱和三根圓柱鋼管，組成三腿支撐結(jié)構(gòu)，并以特殊的灌漿方式將其與上部結(jié)構(gòu)相互連接，中心柱在該結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著支撐風(fēng)機塔架的功能作用，能夠有效促進(jìn)該結(jié)構(gòu)整體強度提升。部分樁基式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式參考圖1。

圖1 部分樁基式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式

除此之外，導(dǎo)管架基礎(chǔ)也是海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)中較常應(yīng)用的基礎(chǔ)形式，風(fēng)電設(shè)備運行與復(fù)雜海洋環(huán)境所產(chǎn)生的荷載對風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有著直接影響，出于對此方面因素的綜合考慮，導(dǎo)管架采用重量較輕的鋼材制作而成，具備較強的穩(wěn)定性，對不同類型的海床地質(zhì)條件均有著良好適用性，同時滿足海水深度較大的海域風(fēng)電場建設(shè)需要[4]。由兩個部分組成導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一部分將主筒體、平臺甲板以及支撐等器件作為該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)過渡段，另一部分則是根據(jù)實際情況，將先、后打樁導(dǎo)管架作為該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主體，最終在此基礎(chǔ)上確定是采用三腿圓柱鋼管基礎(chǔ)或四腿圓柱鋼管基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)中有著十分可觀的發(fā)展前景。

2.3 負(fù)壓式海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)

預(yù)制結(jié)構(gòu)和運輸條件制約著重力式基礎(chǔ)在海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)中的實踐應(yīng)用，出于對此方面情況綜合考慮，設(shè)計人員在此基礎(chǔ)上對其重新進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，利用外力并采用桶式結(jié)構(gòu)方式將風(fēng)電設(shè)備固定在海床上，待桶式結(jié)構(gòu)安裝完成后，利用該結(jié)構(gòu)制造負(fù)壓并進(jìn)行傳遞，在負(fù)壓作用下幫助風(fēng)電設(shè)備吸附在海床上。海床附近海浪沖刷與海水腐蝕影響該類型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實踐應(yīng)用效果，若負(fù)壓作用被破壞，將難以保證整個風(fēng)電設(shè)施運行穩(wěn)定性，因此，在具體實踐應(yīng)用過程中，需要高度重視這一問題，采取針對性防護(hù)措施或防護(hù)技術(shù)，解決此方面問題，從而提高負(fù)壓式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果。

3 海上風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)要點

相較于陸地風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)，海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)需要考慮多方面因素，如復(fù)雜的海洋環(huán)境所產(chǎn)生的荷載、海水沖刷與腐蝕作用等，這些外部因素均直接影響著整個海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與安全性，進(jìn)而對海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用提出嚴(yán)格要求，切實解決與克服海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)難題[5]。下面將著重闡述海上風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)要點：

3.1 電機結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計

從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度上分析，外部受力、變形等因素影響著電機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，由于大部分大電機普遍具有尺寸大、質(zhì)量大等特征，在實際電機結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，可考慮質(zhì)量較輕且強度較高的材料，結(jié)合具有安裝要求，科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運輸，打破運輸條件制約，確保各類型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均具備良好的實踐應(yīng)用效果。

3.2 葉片材質(zhì)選擇

較高的葉尖速度比保持必然要選擇具備大型葉片的海上風(fēng)力發(fā)電機，其中葉片材質(zhì)決定著葉片能量捕捉能力，在實際選擇葉片材質(zhì)過程中，需要綜合考慮整體質(zhì)量、強度等因素。例如，選擇目前市場新型輕質(zhì)材料，如碳纖維、聚醚胺、環(huán)氧樹脂等，根據(jù)海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)特點，確定葉片材質(zhì)，既能完美契合風(fēng)電葉片大型化、輕量化的發(fā)展方向，又能切實提高風(fēng)力應(yīng)用效率。

3.3 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)在海上風(fēng)力發(fā)電機組中承擔(dān)著冷卻發(fā)熱構(gòu)件的重要作用，如變流器、齒輪箱這一類發(fā)熱構(gòu)件在運轉(zhuǎn)過程中，較常出現(xiàn)溫度升高情況，一旦溫度超出發(fā)熱構(gòu)件所承受最高溫度限值，必然會導(dǎo)致電機結(jié)構(gòu)變形，造成風(fēng)電機組無法正常運行。在設(shè)計海上風(fēng)電發(fā)電機組中的冷卻系統(tǒng)時，需要綜合考慮上述發(fā)熱構(gòu)件工作效率與使用期限，確保冷卻系統(tǒng)能夠及時對升高溫度的發(fā)熱構(gòu)件進(jìn)行降溫處理，有效規(guī)避電機結(jié)構(gòu)變形問題出現(xiàn)[6]?？筛鶕?jù)海上風(fēng)力發(fā)電機運轉(zhuǎn)系統(tǒng)實際產(chǎn)生總熱量確定冷卻系統(tǒng)的降溫方式，如液冷方式，既能發(fā)揮自身較強的導(dǎo)熱能力，又能避免海水腐蝕，延長使用壽命，降低后期維修成本投入。

通過對目前我國風(fēng)電規(guī)模情況的調(diào)研，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為供應(yīng)我國社會經(jīng)濟發(fā)展所需電力能源的主要渠道，國內(nèi)東部沿海地區(qū)具備極為豐富的風(fēng)力能源，加強對海上風(fēng)能資源綜合利用，可有效緩解國內(nèi)現(xiàn)階段常規(guī)能源緊張問題，相較于陸地風(fēng)力發(fā)電建設(shè)，海上風(fēng)力發(fā)電不占用土地資源，對生態(tài)環(huán)境影響較小，再加上科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，極大地改善了海上風(fēng)電建設(shè)條件。針對我國未來海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展，仍要加強關(guān)鍵技術(shù)瓶頸突破，積極響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略號召，樹立低碳環(huán)保理念，著力于推進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電向更高層次建設(shè)，為國家社會經(jīng)濟發(fā)展提供穩(wěn)定電力輸送。

4 結(jié)束語

綜上所述，重力式基礎(chǔ)、樁基式基礎(chǔ)及負(fù)壓式基礎(chǔ)等是現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)中較常應(yīng)用的基礎(chǔ)形式，在實際安裝過程中，需要充分考慮海床地質(zhì)條件、海洋環(huán)境以及風(fēng)電設(shè)備運行等其他外部因素所引起的荷載變化，直接影響著整個海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強度，應(yīng)結(jié)合具體情況，選擇相應(yīng)技術(shù)手段，應(yīng)用具有較高經(jīng)濟性、適用性的基礎(chǔ)形式，從而保障海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)水平。