海上浮式風機基礎設計綜述

王 彪，畢 濤，肖志穎

(1.中國葛洲壩集團水務運營有限公司,湖北 武漢 430035；2.四川電力設計咨詢有限責任公司,四川 成都 610023；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

我國海上風能資源豐富,開發海上風能可優化能源結構、促進經濟可持續發展,對于轉變經濟發展方式具有重要意義。與陸地風能相比,海上風能具有諸多優點：(1)風資源豐富,質量高：離岸10 km的海風風速一般比沿岸陸上風速高20%,且海風的湍流強度小、主導風向穩定、切變小,可延長風機壽命,減小塔架高度；(2)海上風電場毗鄰用電中心：我國的電力負荷中心位于東部沿海,而優質的陸地風能資源卻位于西北,海上風電場毗鄰沿海用電中心,可大大縮減送電距離；(3)海上風電場遠離陸地,不占用土地資源,減少了對環境的影響。因此,發展海上風電可以優化能源結構,降低送電成本,減少環境污染,節約土地資源。

目前海上風機一般采用固定式基礎,該類基礎的打樁、建造、運輸和吊裝的費用昂貴(特別是在超過50 m水深的海域)；而浮式風機可整體安裝和拖航,從而降低建造安裝費用。在機組容量越做越大、近岸資源越用越少的情況下,浮式風機將會是海上風電未來發展的重點方向。

1 與海上風電相關的政策

2010年,我國首個大型海上風電項目—上海東海大橋海上風電項目一期全部并網發電,采用固定式樁柱基礎,總裝機容量102 MW,由此拉開我國大規模建設海上風電的序幕。為加快海上風電行業發展,國家近年來出臺了一系列與海上風電規劃和建設相關的政策,見表1?！?017年中國風電裝機容量簡報》顯示：至2017年底,我國海上風電累計裝機容量為2.79 GW。結合表1可知：(1)我國海上風電經過“十二五”期間的發展已初具規模,但目前的進展仍遠落后于規劃；(2)我國的海上風電有向深遠海發展的趨勢。因此,亟待研究適合我國海域的風機基礎。

表1 近年來我國與海上風機相關的政策

2 海上浮式風機的現狀

早在1972年,Heronemus就提出了海上浮式風機的概念。經過多年的研究,目前國際上已在概念設計、數值模擬、模型試驗和全尺寸樣機并網發電等方面取得了一定進展。2008年,Blue H集團安裝了世界上第一座試驗性浮式風機Blue H。2009年,挪威國家石油公司安裝了世界上第一座全尺寸浮式風機Hywind,發電機組的額定功率為2.3 MW。2011年,美國研發的WindFloat搭載2 MW的風機安裝成功。2015年,丸紅株式會社和東京大學等11家單位聯合開發的福島海上浮式風機試點項目并網發電,該項目是世界首個試點浮式風電場,采用了多種浮式基礎型式。2017年10月,挪威國家石油公司承建的全球首個浮動式風電場—Hywind Scotland風電場正式并網發電。

目前國際上已有大約40個浮式風機項目正在研發中,本次收集到其中的32個項目,見表2,分析可知：

(1)目前在研的浮式風機項目主要集中在歐洲、美國和日本,其中,歐洲約占60%。

(2)浮式風機基礎型式主要包括單立柱型(Spar)、半潛式型(Semi-sub)和張力腿型(TLP)和混合型。半潛型基礎約占40%；混合型基礎通常是結合兩種不同型式基礎的特點而形成,美國的Nautica AFT、挪威的Sway以及日本的NMRI都是結合了Spar和TLP的特點。

(3)浮式基礎的最小適用水深一般在50 m左右,其中：駁船型基礎適用水深最小,最小為25 m,如日本的Shimizu、瑞典的Hexicon系列；而Spar型基礎適用水深最大,最深可達700 m,如挪威的Hywind。

我國對海上浮式風機的研究才剛起步,目前還沒有海上浮式風機試點項目安裝。但國內高校和科研院所已經做了一些基礎研究,在概念設計、數值模擬和水池實驗的研究中取得了一定進展。

表2 國際上主要的浮式風機項目

3 海上浮式風機的基礎型式

相對于陸地風機基礎,海上風機基礎的設計和建造難度更大。風機的正常作業狀態對支撐結構的穩定性和結構振動要求嚴格,而處于海洋環境中的海上風機系統不僅要承受風荷載、波浪荷載、流荷載和冰荷載等環境荷載,而且會產生多種荷載的耦合作用。復雜的荷載和結構型式導致海上風機基礎的造價較高,一般占風電場總造價的20%～30%。因此,風機基礎的選型對于海上風電場的建設至關重要。

當前,海上風電場一般建在水深小于50 m的淺海區域或潮間帶,但當水深超過50 m,固定式基礎(包括重力式基礎、單樁基礎、三角架基礎、導管架基礎和群樁承臺基礎等)的成本過高,此時浮式基礎為開發深海海域的風能資源供了一種更經濟的選擇。因此,近年來國際上提出了多種浮式風機基礎的概念設計方案,主要有單立柱型基礎(Spar)、半潛式型基礎(Semi-sub)和張力腿型基礎(TLP)等,見圖1。

圖1 海上浮式風機基礎的結構型式

對于主要浮式風機基礎的特點,分述如下：

(1)單立柱型基礎包含浮力艙、壓載艙和系泊系統。浮力艙提供浮力支撐上部結構,壓載艙裝水、碎石或高密度混凝土進行壓載使系統重心位于浮心之下,由系泊固定其位置,使平臺在水中形成“不倒翁”式結構以保證結構的穩定性。單立柱型基礎的吃水深,所受垂向波浪激勵力小,因此,其垂蕩性能好。但單立柱型基礎的水線面對穩性的貢獻小,其橫搖和縱搖運動較大。

(2)半潛型基礎一般由立柱、橫梁、壓水板和系泊系統等結構組成。立柱之間通過橫梁和斜支撐連接形成整體平臺,平臺由系泊鏈固定。立柱內通常分隔成眾多艙室,底部一般安裝有大直徑的壓水板以減緩基礎的垂蕩運動。當基礎處于漂浮狀態時,較大的水線面積為系統提供足夠大的復原力矩,使平臺有良好的穩性。

(3)張力腿型基礎由浮式平臺、系泊和上部結構組成。平臺由垂直張力腿連接至海底基座模板、吸力沉箱錨或樁基錨,平臺的設計浮力大于自身重力,多余的浮力由始終處于張緊狀態的張力腿抵消。張緊的系泊能夠有效地控制平臺的位移,因此,該基礎具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。但系泊系統的安裝費用高,且其張力受海流影響大,上部結構和系泊系統的頻率耦合易發生共振運動。

(4)其他型式基礎主要有駁船型、混合型等。駁船型基礎具有結構大、浮力分布均勻、穩定性好的特點,但對所在海域環境非常敏感。如美國的NREL/MIT風機和日本的NMRI風機?；旌闲透∈交A一般由典型浮式風機組合而成,如Nautica Windpower公司研發的AFT和挪威的Sway都是結合了Spar和TLP浮式基礎的特點,見圖2。

圖2 其他浮式基礎概念設計圖

不同浮式風機基礎的特性對比見表3。結合表3可見：(1)不同基礎的適用水深和運動響應特性不同,基礎選型時要結合具體的水深和海況條件選擇合適的基礎；(2)半潛型基礎的適用水深范圍廣、穩定性好、建造安裝方便,其設計和建造可借鑒石油平臺和船舶的經驗,可作為我國現階段的重點研發對象。

不同浮式風機基礎的特性對比見表3。

表3 不同浮式風機基礎特性對比

4 海上浮式風機基礎的研發方向

中國的海上風電已經起步,且建設規模迅速增大,但是海上風機基礎的結構設計和建造依然有很多亟待研發解決的難點,比如：如何選擇浮式風機的基礎型式,如何優化浮式風機平臺的設計方案,如何制定浮式風機基礎的結構設計和施工工藝方面的標準與規范等。為此,分析總結了以下幾個研發方向：

(1)創新概念設計方案,研究不同型式基礎的適用性。目前,提出了浮式平臺方案基本是參考石油平臺的設計。但海上風機系統屬于高聳結構,所受氣動荷載與波浪的量級相當,其受力比石油平臺更復雜,因此,有必要專門研究浮式風機平臺的概念設計方案。

(2)探索新型材料建造海上浮式風機的技術可行性和經濟合理性。高成本仍然是制約海上浮式風機大規模應用的根本原因,采用新材料建造浮式平臺和塔架可減少建造和安裝的成本。

(3)基于全壽命成本優化浮式基礎的結構設計。以浮式風機系統的全壽命成本最小為目標,以穩定性、水動力性能和強度等性能作為約束條件,綜合考慮建造、安裝和運營維護的全生命周期成本。

(4)編制海上浮式風機結構設計規范。目前,海上浮式風機結構設計相關規范基本是參考海洋石油平臺的DNV(挪威船級社,Det Norske Veritas)和API(美國石油協會,American Petroleum Institute)系列規范,但兩者的結構形式、功能要求不同,因此,需要專門研究并編制海上浮式風機的結構設計規范。

5 結論

(1)我國海上風電開發有向深遠海發展的趨勢,迫切需要研發適合我國不同海域的風機基礎,半潛型基礎適用水深范圍廣,可作為我國目前階段的重點研發對象。

(2)海上浮式風機的設計、建造、安裝和運營維護在技術上已經可行,但高昂的成本制約了其大規模應用,尚需在技術和成本上進一步優化。

(3)海上浮式風機基礎的重點研發方向包括創新浮式基礎的概念設計方案、探索新型材料建造浮式平臺的可行性和經濟性以及基于全壽命成本的結構優化設計等。