海上浮式風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計綜述

王 彪，畢 濤，肖志穎

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

我國海上風(fēng)能資源豐富,開發(fā)海上風(fēng)能可優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,對于轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義。與陸地風(fēng)能相比,海上風(fēng)能具有諸多優(yōu)點：(1)風(fēng)資源豐富,質(zhì)量高：離岸10 km的海風(fēng)風(fēng)速一般比沿岸陸上風(fēng)速高20%,且海風(fēng)的湍流強度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、切變小,可延長風(fēng)機壽命,減小塔架高度；(2)海上風(fēng)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(yōu)質(zhì)的陸地風(fēng)能資源卻位于西北,海上風(fēng)電場毗鄰沿海用電中心,可大大縮減送電距離；(3)海上風(fēng)電場遠離陸地,不占用土地資源,減少了對環(huán)境的影響。因此,發(fā)展海上風(fēng)電可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),降低送電成本,減少環(huán)境污染,節(jié)約土地資源。

目前海上風(fēng)機一般采用固定式基礎(chǔ),該類基礎(chǔ)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(fēng)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(fēng)機將會是海上風(fēng)電未來發(fā)展的重點方向。

1 與海上風(fēng)電相關(guān)的政策

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

表1 近年來我國與海上風(fēng)機相關(guān)的政策

2 海上浮式風(fēng)機的現(xiàn)狀

早在1972年,Heronemus就提出了海上浮式風(fēng)機的概念。經(jīng)過多年的研究,目前國際上已在概念設(shè)計、數(shù)值模擬、模型試驗和全尺寸樣機并網(wǎng)發(fā)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(fēng)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(fēng)機Hywind,發(fā)電機組的額定功率為2.3 MW。2011年,美國研發(fā)的WindFloat搭載2 MW的風(fēng)機安裝成功。2015年,丸紅株式會社和東京大學(xué)等11家單位聯(lián)合開發(fā)的福島海上浮式風(fēng)機試點項目并網(wǎng)發(fā)電,該項目是世界首個試點浮式風(fēng)電場,采用了多種浮式基礎(chǔ)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(fēng)電場—Hywind Scotland風(fēng)電場正式并網(wǎng)發(fā)電。

目前國際上已有大約40個浮式風(fēng)機項目正在研發(fā)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(fēng)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(fēng)機基礎(chǔ)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(chǔ)約占40%；混合型基礎(chǔ)通常是結(jié)合兩種不同型式基礎(chǔ)的特點而形成,美國的Nautica AFT、挪威的Sway以及日本的NMRI都是結(jié)合了Spar和TLP的特點。

(3)浮式基礎(chǔ)的最小適用水深一般在50 m左右,其中：駁船型基礎(chǔ)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(chǔ)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(fēng)機的研究才剛起步,目前還沒有海上浮式風(fēng)機試點項目安裝。但國內(nèi)高校和科研院所已經(jīng)做了一些基礎(chǔ)研究,在概念設(shè)計、數(shù)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(fēng)機項目

3 海上浮式風(fēng)機的基礎(chǔ)型式

相對于陸地風(fēng)機基礎(chǔ),海上風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計和建造難度更大。風(fēng)機的正常作業(yè)狀態(tài)對支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)振動要求嚴格,而處于海洋環(huán)境中的海上風(fēng)機系統(tǒng)不僅要承受風(fēng)荷載、波浪荷載、流荷載和冰荷載等環(huán)境荷載,而且會產(chǎn)生多種荷載的耦合作用。復(fù)雜的荷載和結(jié)構(gòu)型式導(dǎo)致海上風(fēng)機基礎(chǔ)的造價較高,一般占風(fēng)電場總造價的20%～30%。因此,風(fēng)機基礎(chǔ)的選型對于海上風(fēng)電場的建設(shè)至關(guān)重要。

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

圖1 海上浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式

對于主要浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的特點,分述如下：

(1)單立柱型基礎(chǔ)包含浮力艙、壓載艙和系泊系統(tǒng)。浮力艙提供浮力支撐上部結(jié)構(gòu),壓載艙裝水、碎石或高密度混凝土進行壓載使系統(tǒng)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(jié)構(gòu)以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。單立柱型基礎(chǔ)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(chǔ)的水線面對穩(wěn)性的貢獻小,其橫搖和縱搖運動較大。

(2)半潛型基礎(chǔ)一般由立柱、橫梁、壓水板和系泊系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǔ)的垂蕩運動。當基礎(chǔ)處于漂浮狀態(tài)時,較大的水線面積為系統(tǒng)提供足夠大的復(fù)原力矩,使平臺有良好的穩(wěn)性。

(3)張力腿型基礎(chǔ)由浮式平臺、系泊和上部結(jié)構(gòu)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(shè)計浮力大于自身重力,多余的浮力由始終處于張緊狀態(tài)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(chǔ)具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。但系泊系統(tǒng)的安裝費用高,且其張力受海流影響大,上部結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)的頻率耦合易發(fā)生共振運動。

(4)其他型式基礎(chǔ)主要有駁船型、混合型等。駁船型基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)大、浮力分布均勻、穩(wěn)定性好的特點,但對所在海域環(huán)境非常敏感。如美國的NREL/MIT風(fēng)機和日本的NMRI風(fēng)機?；旌闲透∈交A(chǔ)一般由典型浮式風(fēng)機組合而成,如Nautica Windpower公司研發(fā)的AFT和挪威的Sway都是結(jié)合了Spar和TLP浮式基礎(chǔ)的特點,見圖2。

圖2 其他浮式基礎(chǔ)概念設(shè)計圖

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

不同浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的特性對比見表3。

表3 不同浮式風(fēng)機基礎(chǔ)特性對比

4 海上浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的研發(fā)方向

中國的海上風(fēng)電已經(jīng)起步,且建設(shè)規(guī)模迅速增大,但是海上風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造依然有很多亟待研發(fā)解決的難點,比如：如何選擇浮式風(fēng)機的基礎(chǔ)型式,如何優(yōu)化浮式風(fēng)機平臺的設(shè)計方案,如何制定浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝方面的標準與規(guī)范等。為此,分析總結(jié)了以下幾個研發(fā)方向：

(1)創(chuàng)新概念設(shè)計方案,研究不同型式基礎(chǔ)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(shè)計。但海上風(fēng)機系統(tǒng)屬于高聳結(jié)構(gòu),所受氣動荷載與波浪的量級相當,其受力比石油平臺更復(fù)雜,因此,有必要專門研究浮式風(fēng)機平臺的概念設(shè)計方案。

(2)探索新型材料建造海上浮式風(fēng)機的技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性。高成本仍然是制約海上浮式風(fēng)機大規(guī)模應(yīng)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(yōu)化浮式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以浮式風(fēng)機系統(tǒng)的全壽命成本最小為目標,以穩(wěn)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(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。目前,海上浮式風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)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(xié)會,American Petroleum Institute)系列規(guī)范,但兩者的結(jié)構(gòu)形式、功能要求不同,因此,需要專門研究并編制海上浮式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

5 結(jié)論

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

(2)海上浮式風(fēng)機的設(shè)計、建造、安裝和運營維護在技術(shù)上已經(jīng)可行,但高昂的成本制約了其大規(guī)模應(yīng)用,尚需在技術(shù)和成本上進一步優(yōu)化。

(3)海上浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的重點研發(fā)方向包括創(chuàng)新浮式基礎(chǔ)的概念設(shè)計方案、探索新型材料建造浮式平臺的可行性和經(jīng)濟性以及基于全壽命成本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。