我國海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析

周昊 侯承宇 李輝 董曄弘

深海風(fēng)電場具有風(fēng)速高、風(fēng)切變低、湍流程度小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)海上航道的影響也較小。近年來，歐、美、日等地區(qū)和國家逐步將漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)作為研發(fā)重點(diǎn)。在國外，漂浮式海上風(fēng)電市場正從小規(guī)模單臺(tái)樣機(jī)（2009―2015年）向小型示范風(fēng)電場轉(zhuǎn)變。目前，在世界范圍內(nèi)已建成并具有一定知名度的漂浮式樣機(jī)和小型漂浮式示范風(fēng)電場如表1所示。此外，歐洲還有數(shù)十個(gè)漂浮式風(fēng)電示范項(xiàng)目正在建造和核準(zhǔn)中?？梢?，漂浮式風(fēng)電技術(shù)正在成為領(lǐng)跑海上風(fēng)電領(lǐng)域的前沿技術(shù)和研究熱點(diǎn)。

我國漂浮式風(fēng)電機(jī)組的研究起步相對(duì)較晚，目前國內(nèi)還未見樣機(jī)。從2013年開始，在經(jīng)歷了國家863計(jì)劃支持的由湘電風(fēng)能開展的“鋼筯混凝土結(jié)構(gòu)浮式基礎(chǔ)研制”和由金風(fēng)科技牽頭開展的“漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范”之后，國內(nèi)積累了一些技術(shù)儲(chǔ)備。隨著國家加大政策的支持力度，“十三五”期間國內(nèi)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的研究熱度逐漸提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，國內(nèi)潛在的樣機(jī)示范項(xiàng)目如表2所示。

漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是漂浮式風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的重要組成內(nèi)容。漂浮式風(fēng)電機(jī)組由于體型巨大，且長期承受風(fēng)、浪、流等各種復(fù)雜載荷的作用，因而對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的各方面性能提出了更高的要求。本文結(jié)合我國海域漂浮式風(fēng)電場適用區(qū)域和漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)選型需要考慮的因素，對(duì)我國海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性進(jìn)行分析，以期為漂浮式風(fēng)電機(jī)組在方案設(shè)計(jì)階段選出合適的基礎(chǔ)型式。

我國海域漂浮式風(fēng)電場適用區(qū)域分析

我國擁有豐富的海上風(fēng)能資源，其中絕大部分都在深遠(yuǎn)海域。通過漂浮式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)帶動(dòng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是必然選擇。

水深是決定漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式選擇的最重要因素之一。目前，行業(yè)內(nèi)的共識(shí)是35～50m水深是采用固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)的分水嶺，具體可以通過經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性對(duì)比進(jìn)行抉擇。在水深50m以上，固定式基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性降低，此時(shí)采用漂浮式基礎(chǔ)則顯示出一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。我國大陸架綿延漫長，水深基本在100m以內(nèi)，且坡度較緩，水深超過100m的水域離岸很遠(yuǎn)。我國海域主要包括渤海、黃海、東海、南海，其平均水深分別是18m、44m、370m、1212m左右。由此可見，黃海、東海和南海海域有很大的漂浮式風(fēng)電機(jī)組適用范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在水深35～50m和水深50m以上，我國沿海海域的離岸距離分省份統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。目前，國內(nèi)固定式海上風(fēng)電場離岸距離最遠(yuǎn)已達(dá)55km，最深已超40m，因此，從離岸距離來說，我國建設(shè)漂浮式風(fēng)電場在可接受范圍內(nèi)，山東、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等省份具有較好的漂浮式風(fēng)電場市場前景。

漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)分類及基本特點(diǎn)

常見的漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式有Barge（駁船式）、Semi（半潛式）、Spar（單立柱式）、TLP（張力腿式）。目前，前3種都已經(jīng)有示范樣機(jī)，分別是Ideol的FloatGen、WindFloat的WindFloat Atlantic、Equinor的Hywind Scotland，而TLP型式還未見樣機(jī)。

Barge（駁船式）：駁船式基礎(chǔ)目前主要以Ideol公司的Damping-Pool為主流型式，是四邊形中間鏤空的結(jié)構(gòu)。方形鏤空結(jié)構(gòu)類似于月池，在使得整體水線面面積較小的同時(shí)，還能起到阻尼作用，從而改善整體運(yùn)動(dòng)性能?；A(chǔ)材質(zhì)為混凝土或鋼材，采用系泊定位。相對(duì)于陸上風(fēng)電和其他漂浮式基礎(chǔ)型式，該基礎(chǔ)裝配可在碼頭完成，更加容易實(shí)現(xiàn)批量化，成本較低；同時(shí)，以混凝土為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)材料，使得基礎(chǔ)建造場地臨近目標(biāo)風(fēng)電場，可進(jìn)一步減少運(yùn)輸成本。

Semi（半潛式）：主體多為三浮筒或四浮筒結(jié)構(gòu)，設(shè)垂蕩板、系泊錨固系統(tǒng)及壓艙系統(tǒng)。通過調(diào)整各浮筒壓艙程度形成合理的浮力、重力分布，以此維持平衡。吃水較淺，機(jī)組運(yùn)輸安裝難度小?？稍诖瑝]內(nèi)完成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組和浮動(dòng)平臺(tái)組裝，塢內(nèi)放水起浮，出塢，拖航，整體拖拽到機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行系泊錨固。

Spar（單立柱式）：單立柱式基礎(chǔ)由過渡段、浮力艙、壓載艙以及系泊系統(tǒng)構(gòu)成，通過壓載艙使平臺(tái)的重心低于浮心，以此保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的主體是一個(gè)空腔鋼制圓筒，下部為壓載艙，中上部為浮力艙。浮力艙的作用是提供足夠的浮力以支撐上部風(fēng)力機(jī)和系泊纜的重量，通過底部壓載艙可使浮體重心低于浮心，使平臺(tái)及上部結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。Spar底部壓載艙分為固定壓載艙和臨時(shí)浮艙，平臺(tái)系統(tǒng)的大部分壓載是由固定壓載艙提供的。臨時(shí)浮艙可以在將浮體結(jié)構(gòu)拖航至指定海域后，注入壓載水使浮體自行扶正豎立。

TLP（張力腿式）：張力腿式平臺(tái)由中間浮體和系泊系統(tǒng)構(gòu)成，通過張力腱系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)態(tài)，結(jié)構(gòu)較Spar更緊湊，較Semi更簡單。平臺(tái)通過自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的浮力遠(yuǎn)大于重力，剩余浮力與張力腿的預(yù)張力平衡。張力腿的預(yù)張力使平臺(tái)平面外的運(yùn)動(dòng)（橫搖、縱搖和垂蕩）較小，但由于水平方向受到波浪和水流作用力，會(huì)產(chǎn)生面內(nèi)運(yùn)動(dòng)（橫蕩、縱蕩和首搖）?？梢栽诖a頭完成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組和浮動(dòng)平臺(tái)的組裝，但是在連接張力筋之前，張力腿平臺(tái)自穩(wěn)性較差，需采取一定工程措施才能進(jìn)行整體運(yùn)輸。

漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析

漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析即選型分析，需要考慮的因素主要有：水深適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)性能適應(yīng)性、技術(shù)成熟度、建造復(fù)雜度、運(yùn)輸安裝難度、系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝難度等。

一、水深適應(yīng)性

統(tǒng)計(jì)目前已有的樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，4種漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式的適用水深如表5所示。由表可知，Barge平臺(tái)的水深適應(yīng)能力最強(qiáng)，能滿足30m以上的水深。這得益于以Ideol為代表的Damping-Pool混凝土漂浮式平臺(tái)，該類型平臺(tái)的吃水深度為7m左右，具有優(yōu)越的吃水性能，是一種具有較大應(yīng)用潛力的基礎(chǔ)型式。其次為半潛式型式，具有50m以上水深適應(yīng)能力。駁船式和半潛式平臺(tái)由于浮體吃水較小，其工作水深可以比其他類型的平臺(tái)更淺，這對(duì)開發(fā)30～50m水深的近海風(fēng)電場具有巨大作用。因此，Barge和Semi是適用于中國海域最具潛力的兩種漂浮式基礎(chǔ)型式。對(duì)于TLP平臺(tái)，由于系泊和錨固系統(tǒng)上的特殊要求，其需要的水深稍大。鑒于Spar平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性的要求，其所需要的水深較大，一般來講至少需要100m的水深。Spar型式較大的吃水對(duì)于大陸架延伸范圍廣、坡度緩的我國海域適應(yīng)能力有限。

二、運(yùn)動(dòng)性能適應(yīng)性

以上所述4種漂浮式基礎(chǔ)類型，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)完全不同。針對(duì)TLP 型式，其平面內(nèi)剛度很小，故其橫蕩、縱蕩和首搖運(yùn)動(dòng)幅值較大，但是其平面外運(yùn)動(dòng)幅值很小。漂浮式風(fēng)電平臺(tái)對(duì)平面外的要求較高，如果從運(yùn)動(dòng)角度考慮，TLP 平臺(tái)無疑是最優(yōu)的漂浮式基礎(chǔ)型式。Spar式基礎(chǔ)由于遭受較小的載荷，其運(yùn)動(dòng)固有周期也不在波浪能量周期范圍內(nèi)，故此，其運(yùn)動(dòng)幅值較小，但是較TLP 平臺(tái)還有一定差距。針對(duì)Semi和Barge式基礎(chǔ)，由于要保證穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)尺寸都較大，遭受較大的波浪載荷，且其運(yùn)動(dòng)比較靠近波浪能量范圍，因此，其運(yùn)動(dòng)幅度較大。

三、技術(shù)成熟度

針對(duì)海上漂浮式風(fēng)電機(jī)組，國際上對(duì)技術(shù)成熟度（TRL）的定義如表6所示。

目前階段，Spar和Semi型式是技術(shù)成熟度最高的2種型式，已經(jīng)具有小批量的示范風(fēng)電場，具備商業(yè)化條件和基礎(chǔ)。Barge型式次之，目前處于單樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證階段。TLP的方案目前處于水池試驗(yàn)驗(yàn)證階段，還未見示范樣機(jī)。不過據(jù)報(bào)道，全球首個(gè)TLP型式漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目正在實(shí)施，由SBM offshore 和IFP Energies Nouvelles設(shè)計(jì)，項(xiàng)目名為Provence Grand Large（PGL），預(yù)計(jì)在2022年下半年建成投運(yùn)。

四、建造復(fù)雜度

從建造復(fù)雜性考慮，TLP和Spar型式的結(jié)構(gòu)簡單，建造工藝容易滿足。Barge和Semi型式的結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，建造難度要高于TLP和Spar型式。4種型式的建造復(fù)雜度如表7所示。

五、運(yùn)輸安裝難度

TLP是4種平臺(tái)中安裝難度最大的型式，由于需要進(jìn)行張力腱系統(tǒng)的張拉，對(duì)水下作業(yè)要求高。另外，聚酯材質(zhì)的張力腱還沒有實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)應(yīng)用。在所有漂浮式基礎(chǔ)類型中，Spar型式的運(yùn)輸安裝難度僅次于TLP型式，由于Spar型式需要從建造場地干拖至總裝場地，總裝完成后需濕拖至作業(yè)地點(diǎn)并扶正。機(jī)組和平臺(tái)的安裝均在外海完成，受環(huán)境條件影響明顯。Barge和Semi型式的運(yùn)輸安裝難度較低，基本都是在建造場地建造和總裝完成后，整體拖航至指定海域。4種型式的運(yùn)輸安裝難度如表8所示。

六、系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝難度

系泊錨固系統(tǒng)是漂浮式風(fēng)電機(jī)組中成本占比較大的部分。不同漂浮式基礎(chǔ)型式的系泊錨固系統(tǒng)有所差異。系泊型式與基礎(chǔ)型式直接相關(guān)，其主要有懸鏈線系泊、半張緊系泊、張力腿系泊。錨固基礎(chǔ)型式的選擇要結(jié)合具體海域的地質(zhì)條件，我國海域海底地質(zhì)的初步統(tǒng)計(jì)情況如表9所示。錨固型式主要有大抓力錨、樁錨、吸力錨以及垂直載荷錨，可結(jié)合不同的地質(zhì)條件進(jìn)行選擇使用。如表10所示，TLP是4種基礎(chǔ)型式中系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝難度最大的型式。

應(yīng)用實(shí)例分析

目前，沒有任何一種基礎(chǔ)型式會(huì)適用于所有環(huán)境，故需根據(jù)目標(biāo)海域條件選定基礎(chǔ)方案。本文以廣東湛江某機(jī)位點(diǎn)的海域?yàn)閼?yīng)用實(shí)例，結(jié)合如上所述需考慮的因素，使用適用性分析量化表（見表11）進(jìn)行適用性分析，給出分析結(jié)果建議。該海域平均水深65m左右，海底地質(zhì)條件為砂土及粘性土，最大有義波高5.76m，流速較高，達(dá)3～4m/s左右。表11中的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系為，10分？ 適用性高，7分？ 適用性較高，4分？ 適用性一般，1分？ 適用性差，綜合得分排序即為適應(yīng)性分析的評(píng)價(jià)結(jié)果。

由表11可知，Semi型式為首選基礎(chǔ)型式，其次為Barge型式，而Spar和TLP型式的適用性較差，不作為推薦型式。

結(jié)論

本文對(duì)目前國內(nèi)外漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理；結(jié)合我國海域的風(fēng)能資源和水深特點(diǎn)進(jìn)行了漂浮式風(fēng)電場適用區(qū)域分析；基于4種漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式的特點(diǎn)，闡述了漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)選型需要考慮的因素；以某機(jī)位點(diǎn)海域?yàn)閼?yīng)用實(shí)例，進(jìn)行漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析，給出了基礎(chǔ)型式選擇建議。得出的主要結(jié)論如下：

（1）我國海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的適用區(qū)域?qū)⒁陨綎|、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等省份附近海域?yàn)橹?，具有較好的漂浮式風(fēng)電場市場前景。35～50m是漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的價(jià)值洼地，未來在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的情況下，是具有極大開發(fā)價(jià)值的潛在區(qū)域。

（2）4種基礎(chǔ)型式各有其特點(diǎn)，漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析時(shí)需要考慮6個(gè)因素，分別為水深適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)性能適應(yīng)性、技術(shù)成熟度、建造復(fù)雜度、運(yùn)輸安裝難度、系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝難度。

（3）構(gòu)建了我國海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)適用性分析評(píng)價(jià)方法，并以廣東湛江某海域?yàn)閼?yīng)用實(shí)例進(jìn)行了具體分析，給出了首選半潛式型式的評(píng)價(jià)建議。

（作者單位：周昊：中國船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院；侯承宇，李輝，董曄弘：中國船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司）