海上風(fēng)電樁基陰極保護(hù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
——犧牲陽極與外加電流對比分析

邱春雷 馮 磊 賈星杰 李洪剛 潘天國 王 霄 李 巖 林 斌 牛辰睿 付國慶

（1. 中廣核（北京）新能源科技有限公司，北京 100071；2. 深圳國能宸泰科技有限公司，廣東深圳 518124）

0 引言

在“碳達(dá)峰”“碳中和”雙重背景下，風(fēng)能作為一種清潔能源在能源建設(shè)中的比重逐漸提升[1,2]，海上風(fēng)電以其占地面積小、功率密度大、風(fēng)速大、湍流小、風(fēng)向穩(wěn)等優(yōu)點，成為風(fēng)電開發(fā)的熱點領(lǐng)域[3]。海上風(fēng)電建造及維修成本往往較高，服役環(huán)境極端，面臨著嚴(yán)重的腐蝕問題，這在很大程度上影響海上風(fēng)電的最終收益。通常海上風(fēng)電樁基采用陰極保護(hù)與防腐涂料聯(lián)合保護(hù)的措施，其中陰極保護(hù)技術(shù)又分為犧牲陽極和外加電流兩種方法。就保護(hù)效果而言，兩種陰極保護(hù)技術(shù)均能夠確保鋼管樁在其設(shè)計使用年限內(nèi)的保護(hù)率達(dá)到95%以上。但兩種技術(shù)在施工、維護(hù)等方面又存在不同，因此需要針對陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計壽命、初期投入、運維成本及備品備件等全壽命周期的角度評估陰極保護(hù)技術(shù)的選擇。本文以萊州市海上風(fēng)電與海洋牧場融合發(fā)展研究試驗項目海上風(fēng)電基礎(chǔ)樁為例，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，對比分析犧牲陽極和外加電流兩種陰極保護(hù)技術(shù)在海上風(fēng)電樁基防腐保護(hù)中的適用性。

1 技術(shù)對比分析

1.1 電流輸出能力

由于犧牲陽極是依靠犧牲陽極與鋼結(jié)構(gòu)之間的自然電位差發(fā)出保護(hù)電流，發(fā)出的保護(hù)電流有限。因而在每一根鋼管樁上都要安裝陽極塊，需安裝的陽極數(shù)量與保護(hù)面積成正比。而外加電流是依靠外部電源發(fā)出保護(hù)電流，輸出電流連續(xù)可調(diào)，可滿足較大的保護(hù)電流密度要求。因而一個輔助陽極發(fā)出的保護(hù)電流可以同時保護(hù)周圍幾根鋼管樁。

從保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流能力考慮，犧牲陽極的輸出電流有一定的自調(diào)節(jié)作用，但調(diào)節(jié)能力有限；外加電流法保護(hù)電流連續(xù)可調(diào)，可對鋼管樁的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，確保保護(hù)電位滿足要求。

1.2 使用壽命

犧牲陽極法依靠犧牲陽極自身的溶解發(fā)出保護(hù)電流，在使用末期陽極質(zhì)量和體積均會減小，需加大監(jiān)測頻率保證鋼管樁處于被保護(hù)狀態(tài)。外加電流法是外部電源發(fā)出電流，在使用壽命內(nèi)能夠保證持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)出保護(hù)電流。

兩種方法都可以達(dá)到20年設(shè)計使用要求。在實際應(yīng)用上，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的供電設(shè)備、測控設(shè)備等電子設(shè)備在海洋大氣的腐蝕環(huán)境下，可能出現(xiàn)故障，其設(shè)備運行效率略低于犧牲陽極保護(hù)法。

1.3 施工過程

犧牲陽極法需要安裝的犧牲陽極數(shù)量較大，在施工時須動用浮吊等船機(jī)設(shè)備；存在與主體工程交叉作業(yè)現(xiàn)象，陽極與鋼管樁之間的短路連接需采用水下焊接工藝。但犧牲陽極法的施工工序簡單，在國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域有成熟、有效的工程質(zhì)量控制經(jīng)驗。

外加電流法所需輔助陽極和參比電極數(shù)量少、重量輕，且陽極和參比電極安裝作業(yè)均可在陸地上完成。但外加電流法施工工序多，施工質(zhì)量控制過程相對復(fù)雜，難度較高。

1.4 維護(hù)管理

犧牲陽極法安裝完成后無需專人進(jìn)行維護(hù)管理，可通過無線傳輸技術(shù)對保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。若想了解陽極消耗情況，需要組織現(xiàn)場調(diào)查檢測。

外加電流法安裝完成后需要專業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)運行維護(hù)管理?？赏ㄟ^無線傳輸技術(shù)，在遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)工作，自動控制最佳輸出電流。

2 經(jīng)濟(jì)成本對比分析

本章節(jié)所涉及的成本計算均以萊州市海上風(fēng)電與海洋牧場融合發(fā)展研究試驗項目38臺海上風(fēng)電樁基為例。

2.1 初期工程成本

每臺風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)外徑為7.8m，采用陰極保護(hù)及防腐涂料聯(lián)合保護(hù)進(jìn)行防腐。按照陰極保護(hù)設(shè)計使用壽命20年，海水電阻率取25Ω/cm，平均設(shè)計高、低潮位分別為1.14m和-0.95m、泥面標(biāo)高約為-10m，且水下區(qū)全部涂裝防腐涂料計算，犧牲陽極和外加電流兩種保護(hù)方法的初期工程成本對比如表1、表2表示。

表1 犧牲陽極陰極保護(hù)主要工程量

表2 外加電流陰極保護(hù)主要工程量

2.2 運維費用

犧牲陽極和外加電流兩種方法后期維護(hù)費用比較如表3表示。

表3 犧牲陽極法和外加電流發(fā)后期維護(hù)費用（萬元）

2.3 全壽期保護(hù)成本

2.3.1 20年壽期成本對比

犧牲陽極和外加電流兩種方法在20年全壽命周期內(nèi)的成本比較如表4表示。

表4 全壽命周期內(nèi)犧牲陽極和外加電流兩種方法的成本（萬元）

2.3.2 延壽10年成本對比

犧牲陽極和外加電流兩種方法考慮延壽10年全壽命周期內(nèi)的成本比較如表5表示。

表5 考慮延壽10年犧牲陽極和外加電流兩種方法的成本對比（萬元）

注：本計算未考慮未來30年物價及人力成本的影響，同時未考慮海洋牧場鋼結(jié)構(gòu)部分防腐。

3 結(jié)語

海上風(fēng)電陰極保護(hù)技術(shù)具有顯著的效益，可以保護(hù)海上風(fēng)電設(shè)備免受腐蝕，延長設(shè)備壽命，降低維護(hù)成本，提高能量產(chǎn)出，并減少對環(huán)境的影響。在設(shè)計施工時要從具體項目要求出發(fā)，選擇合適的陰極保護(hù)技術(shù)。