海洋風電場風機基礎的設計分析

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(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

1 海上風機基礎種類介紹

目前,海上風場風機基礎的種類主要有重力固定式、樁基固定式、筒式、浮置式等結構形式[1-2]。

1.1 重力固定式基礎

重力固定式基礎結構(見圖1)為鋼筋混凝土結構，靠自身重量和壓載物的重量穩定坐落在海床上，靠重力使風機保持垂直。重力式基礎結構簡單，造價低，不受海床影響，抗風暴和風浪襲擊性能好，可以克服單樁式基礎的撓動問題，其穩定性和可靠性是所有基礎中最好的。但是缺點是安裝前需要對海底進行大量的準備工作，受沖刷影響大，只適用水深不超過10 m的水域，所需基礎重量隨著水深的增加費用將快速地增長，其經濟性會下降,造價反而比其他類型基礎要高。重力基礎成功的用在了位于丹麥Zeeland東南部的160 MW的Nysted風電場和丹麥Jutland東北部的Samsoe風電場。在基礎建設前需要對每一個重力基礎的具體位點進行廣泛的土壤分析以確保土壤性質均一，壓縮不平沉積物使之最小化。

1.2 樁基固定式基礎

樁基固定式基礎包括單立柱、單立柱三樁、四腿導管架結構等 ,一般適用于50 m 以內水深。

1.2.1 單立柱基礎

單立柱基礎(見圖2)在已建成的大部分海上風場中應用最為廣泛。它是一種非常簡單的鋼質結構，由一個直徑在5～6 m之間的鋼樁構成，可以與塔架直接相連 ,也可以根據需要加裝過渡段。鋼樁安裝在海床下10～20 m的地方，其深度由海床地面的類型決定。

圖1 重力固定式基礎

圖2 單立柱基礎

這種基礎一個重要的優點是不需整理海床。但是這種結構對振動和不直度較為敏感，對設計和施工要求較高，不適合用于地質軟的海床。它需要重型打樁設備，而且對于海床內有很多大漂石的位置不太適合采用這種基礎類型。如果在打樁過程中遇到大漂石，一般會在石頭上鉆孔，然后用爆破物將之炸開，繼而打成小碎石。 由于其固有的撓動性，單樁式基礎受到了水深的限制，可以使用的最大水深為當風電機組支撐結構的自然頻率降低到不可避免的與波浪和轉子的頻率發生諧振的范圍時。為了使單樁式基礎在比較深的水域中仍舊有足夠的剛度，必須增加其體積，因此相應的成本也就增加了。這意味著單樁式基礎的長度、直徑和厚度將隨水深的增加而增加，與此同時，安裝設備諸如打樁錘和起重船將更加專業化，費用也更加昂貴，最終直至打樁錘和起重船作業能力所不能達到的水深深度，這個極限范圍為20～30 m。

1.2.2 單立柱三樁基礎

單立柱三樁基礎(見圖3)類似于海上油田常用的簡易平臺，吸取了石油工業中的一些經驗，采用了重量輕價格合算的三腳鋼套管，三根樁通過一個三角形鋼架與中心立柱連接，風電機組塔架連接到立柱上形成一個結構整體。風塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些框架分掉了塔架對于三個鋼樁的壓力，增加了基礎的穩定性。實際上，這種基礎是由組成三角形模式的三根單樁構成的。由于土壤條件和冰凍負荷，這三個鋼樁被埋置于海床下10～20 m的地方。

圖3 單立柱三樁基礎

單立柱三樁基礎利用小直徑的基樁，打入地基土內，樁基可以打成傾斜，用以抵抗波浪、水流力，中間以填塞或者成型方式連接。特別適用于水深30 m以上的的水域。單立柱三樁基礎非常堅固，應用范圍廣泛，但費用昂貴，很難移動，并且像單樁基礎一樣，不太適合軟海床。該設計還沒有得到真正的商業應用，目前僅存在于部分試驗機組。

1.2.3 四角導管架

四角導管架(見圖4)其采用的是海上油田常用的固定式平臺結構 ,剛度更大，穩定性更好，但成本相對較高。渤海綏中油田風電項目中利用油田中閑置平臺的四腳導管架作為機組基礎 ,并設計了用于連接基礎和塔架的過渡平臺 ,節約了建造成本。

圖4 四角導管架基礎

1.2.4 筒式(吸力式)基礎

筒式基礎結構(見圖5)分為單柱和多柱吸力式沉箱基礎。單柱為由一個中心立柱與鋼質圓筒組成，鋼質筒由豎直的鋼裙圍成。立柱與圓筒通過帶有加強筋的剪切板相連。吸力式基礎通過施工手段將鋼裙沉箱中的水抽出形成吸力，其承載原理與重力式基礎相似，中心立柱載荷通過剪切板分配到筒壁再傳入海床。

圖5 筒式(吸力式)基礎

這種結構的優點在于節約鋼材用量和海上施工時間，具有較良好的應用前景。一般適用于20 m以內水深。但目前僅丹麥有成功的安裝經驗，其可行性尚處于研究階段。

1.2.5 浮置式基礎

為了使海上風能利用克服海床底部安裝基礎受水深限制的缺點，向幾百米的深水域發展，國外出現了浮置式基礎結構(見圖6)的設計。主要有兩種方式：一種為漂浮式，由塔架、浮體和錨泊裝置組成，承載風電機組的浮置結構飄浮在水面上；另一種為半潛式，浮體結構位于海面以下，由錨泊系統固定，其上可安裝多臺風電機組。浮置式結構可安裝于風資源更為豐富的深海海域，水深為50～200 m，設計概念更為廣泛，建設及安裝方法靈活，可以移動，容易拆除。目前這種基礎結構還處于研究階段。

圖6 浮置式基礎

2 風機基礎設計

2.1 設計流程

海上風場基礎設計主要包括基礎結構設計、防腐蝕設計和防沖刷設計三個方面 。由于每一個基礎所處位置和環境不同，故每一個基礎都需要單獨考慮。基礎設計是一個非常復雜的系統工程，其相關內容和設計流程見圖7。

圖7 海上風場基礎設計流程

2.2 設計外部條件

在設計流程中，基礎所處的環境條件，即外部條件對基礎設計的影響較大，前期需要對風況、海況、地質情況等方面進行大量的數據采集和分析，作為基礎設計的依據。

基礎設計外部條件具體研究內容和分析參數見圖8。

圖8 海上風場基礎設計外部條件

2.3 選型分析

海上風場基礎選型通常要考慮以下幾個要素：水深、土壤和海床條件、環境載荷、建設方法和成本。實際選型中需要將幾個因素綜合考慮，選擇最佳的一個方案。

1)水深。挪威船級社(DNV)標準中定義了不同風機結構概念的設計要求。根據海水深度和經濟性考慮海上風場基礎的選擇見表1。

表1 基礎結構類型與海水深度的關系

目前已投入使用的基礎形式有重力式、吸力式和單樁式，還有近幾年國外開始投入使用的三角架式和導管架式等。導管架平臺在海洋油氣工業中是各種水深(600 m以下)的最佳選擇平臺之一，技術比較成熟，可以滿足未來大型風電場建設的需要，因此有很好的應用前景。就中國市場來說，未來一段時期內，將以近海50 m以下水深海域開發為主要對象，所以單樁基礎是中國風場未來建設的一個重點。隨著風機機組的大型化，基礎結構尺寸包括基礎高度、直徑、筒厚、打樁深度等也會相地應地加大，相應的建造、安裝難度都會大大增加，這也要求建造單位采用更加合理的基礎結構形式，比如三角架式和導管架式等。

2)土壤和海床條件。一般來說，目前海上風場的樁深度基本在20～30 m深，屬于海底淺層土。在這個厚度內，海底土壤一般會分成4～5層，每層土質不同，每種土層在波浪的作用下反應不同。不同海域的土層成分不同，就同一海域的不同位置，土層厚度、分布、土質也是不相同的。

根據美國材料試驗學會制訂的土的分類法(ASTM-D2487-90)。分類的基本原則是以土的粒徑為0.074 mm為分界，當大于0.074 mm粒徑的土占50%以上時，為粗粒土。相反，當小于0.074 mm粒徑的土占50%以上時，為細粒土。粗粒土中的砂，又根據含細粒土顆粒的大小和數量的不同，分為粉土質砂和粘土質砂以及凈砂。細粒土的定名是根據土樣的液限和塑性指數在塑性圖中的位置來確定。細粒土分為粉土和粘土，粘土又分為砂質粘土、粉質粘土和高塑性粘土等。

3)環境載荷。風機基礎在海洋中所受的載荷非常復雜。單從環境載荷上來看主要是作用在塔架、風葉上的風荷載和作用在基礎上的波浪和水流載荷。由于此類載荷與氣候息息相關，所以風場開發區域需要進行長期的勘查工作，一般需要經歷2～3年，主要工作是建立監測點，記錄數據，總結氣象規律，作為基礎選型和設計的參考依據。另外，風機本身產生的載荷通過風機支撐的傳遞也會影響到基礎結構，例如慣性和重力載荷、空氣動力載荷、運行載荷、流體動力載荷等。除此以外，還有海冰載荷、船舶沖擊載荷、海泥載荷(固定基礎)、錨鏈載荷(浮式基礎)、地震載荷等。

目前，在風機基礎設計中，對載荷的分析方法主要是利用設計軟件進行實景模擬分析，利用分析軟件建立風機結構、海風、波浪模型，進行強度和疲勞分析。通常將風和浪載綜合考慮，往往單純的風或浪載比兩者同時作用更加危險，因為兩者可能相互抵消。破碎波和冰載是兩個比較復雜的載荷，因為它們具備不確定性，可能會導致極限載荷，尤其卷越式破碎波會導致產生波高很大的波浪，從而產生很大的載荷。所以在基礎校核和選型過程中要加以考慮。

4)建設方法。在海上風場建設過程中，其安裝方法也得到迅速發展，從傳統吊裝方法到風機整體安裝，再到基礎與風機一體安裝。安裝方法和安裝設備的選取需要參照基礎的形式，所以建設方法是基礎選型需要參考的一個方面，最終目的是確定一個經濟快捷的安裝方式來降低安裝成本。

5)成本。在整個風場建設中，海上風電基礎成本占整個工程的15%～20%。基礎的形式對基礎的成本影響很大，包括設計、建造、運輸、安裝等方面。一般來說，重力式、單樁、多樁、導管架式、浮式等基礎形式的成本依次增加。所以，在基礎結構選型中，基礎成本是必須考慮的一個因素。

2.4 結構設計

基礎結構設計是基礎設計的核心，由于基礎結構是風機機組重要的組成部分，因此基礎結構設計關系到整個系統的穩定性和可靠性。在基礎結構設計校核中必須把基礎結構參數放到整個機組系統中進行分析和檢驗。基礎結構設計包括載荷工況的確定、全系統的載荷計算、尾流的影響和處理、極限狀態分析和疲勞分析。

其內容和流程見圖9。

圖9 海上風場基礎結構設計流程

1)載荷工況的確定。海上風力發電機組載荷工況包括正常載荷工況、極端載荷工況、特殊載荷工況、運輸載荷工況和海波載荷工況。

海上風力發電機的載荷工況受具體的外部條件和自身運行條件的共同影響，當進行機組結構設計計算時，載荷工況通常包括正常的外部條件和自身運行條件的共同影響，正常的外部條件和故障條件的共同影響，極端外部條件和自身運行條件的共同影響。外部條件和自身運行條件可以假設為能夠獨立的統計給出，由于極端的外部條件和故障條件的共同影響很少出現，故在設計時可忽略不計。設計時除重點考慮極端載荷工況作設計計算輸入外，還特別需要分析計算突減海波載荷對機組整體性能的影響。

2)全系統載荷計算。在海上風場基礎形式確定的基礎上，利用專業的風機機組分析軟件，建立動態氣動模型、全系統動力學耦合模型和結構動力學分析模型，對由基礎、塔架、風輪、低速軸、液壓制動器、增速齒輪箱、高速軸、發電機、并網系統及控制系統組成的風力機全系統進行系統研究。反復校核基礎結構強度、極限載荷估計和疲勞壽命計算等，以滿足設計要求。

3)尾流影響。對于總占地面積給定的風電場，如不考慮各風機尾流的相互影響，則其風機數量布置越多，單位容量的平均投資成本越低，經濟性越好。但實際上，當風經過風機后，由于風輪吸收了部分風能，且轉動的風輪會導致湍動能增大，因此風機后風速會有一定程度的突變減小，這就是所謂的風機尾流效應。

尾流對周圍風機產生影響，因此在結構計算時要考慮其對基礎結構的影響。目前，在進行風電場風機優化布置模擬計算時，均忽略了風輪的湍流影響，而采用簡化風機尾流線性擴張模型，即尾流影響邊界隨距離線性增大模型。

4)極限狀態分析。隨著海上風場的發展，對風機的安全性和可靠性越來越重視，并且隨著風機容量和結構尺寸的持續增長的趨勢，風機極限負載的分析就更加重要。到目前為止，大部分風機主要是因為各種極限狀況的出現而失效，嚴重的甚至無法修復。對基礎結構分析而言，極限狀態主要包括極限風速和極限波浪。一般通過概率統計結合風場的實際情況的方法確定風機的極限參數，然后利用軟件建立模擬風場和波浪模型進行分析。

5)疲勞分析。基礎疲勞分析是以結構總重量為目標函數,以強度、剛度、穩定性及幾何約束為約束條件,利用ANSYS參數化設計語言(APDL),建立近海風機基礎結構的三維有限元分析模型和多設計準則、多約束條件的優化設計模型,采用ANSYS軟件中的優化設計模塊,按照用料最少原則進行優化設計。在優化設計的基礎上,應用簡化疲勞分析方法及譜分析方法對風機基礎結構進行疲勞分析并估算其壽命。

2.5 防腐設計

海上風機支撐結構中的鋼結構長期暴露于海洋環境中，根據鋼結構在海洋環境中不同位置的腐蝕程度的不同，可以分成5個部分：海洋大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區。各區具體特點如下。

1)海洋大氣區。鋼鐵結構在海洋大氣與內陸大氣中有著明顯的不同。海洋大氣濕度大，易在鋼鐵表面形成水膜；海洋大氣中鹽分多，它們積存鋼鐵表面與水膜一起形成導電良好的液膜電解質，是電化學腐蝕的有利條件，因此海洋大氣比內陸大氣對鋼鐵的腐蝕程度要高4～5倍。

2)飛濺區。在該區內的腐蝕，除了海鹽含量、濕度、溫度等大氣環境中的腐蝕影響因素外，還要受到海浪的飛濺，飛濺區的下部還要受到海水短時間的浸泡。飛濺區的海鹽粒子量要遠遠高于海洋大氣區，浸潤時間長，干濕交替頻繁。碳鋼在飛濺區的腐蝕速度要遠大于其它區域，在飛濺區，碳鋼會出一個腐蝕峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距離有所不同。腐蝕最嚴重的部位是在平均高潮以上的飛濺區。這是因為氧在這一區域供應最充分，氧的去極化作用促進了鋼樁的腐蝕，與此同時，浪花的沖擊有力地破壞保護膜，使腐蝕加速。

3)潮差區。潮差區是海洋中從高潮位到低潮位的區域。在該區的鋼鐵表面經常與飽和了空氣的海水相接觸。由于潮流的原因鋼鐵的腐蝕會加劇。在冬季有流冰的海域，在該區內的鋼鐵設施還會受浮冰的撞擊，也會加劇鋼鐵的破壞。

4)全浸區。該區的結構全部浸于海水中，比如基礎結構的中下部位，長期浸泡在海水中。鋼鐵的腐蝕會受到溶解氧、流速、鹽度、污染和海生物等因素的影響，由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應受氧的還原反應所控制，所以溶解氧對鋼鐵腐蝕起著主導作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸區鋼樁的腐蝕峰值。然而，鋼樁在潮差帶出現腐蝕最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蝕率。這是因為鋼樁在海洋環境中，隨著潮位的漲落，水線上方濕潤的鋼表面供氧總要比浸在海水中的水線下方鋼表面充分得多，而且彼此構成一個回路，由此成為一個氧濃差宏觀腐蝕電池。腐蝕電池中，富氧區為陰極，相對缺氧區為陽極，總的效果是整個潮差帶中的每一點分別得到了不同程度的保護，而在平均潮位以下則經常作為陽極而出現一個明顯的腐蝕峰值。

5)海泥區。該區位于全浸區以下，主要由海底沉積物構成。海底沉積物的物理性質、化學性質和生物性質隨海域和海水深度的不同而不同。海泥實際是上是飽和了海水的土壤，它是一種比較復雜的腐蝕環境，既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為。海泥區含鹽度，電阻率低，但是供氧不足，所以一般的鈍性金屬的鈍化膜是不穩定的。海泥中含有的硫酸鹽還原菌，會在缺氧環境下生長繁殖，會對鋼材造成比較嚴重的腐蝕。

另外，在所有海洋環境中都存在著海生物對基礎結構的影響。所有海生物的污損，如苔蘚蟲、石灰蟲、藤壺和海藻等，對碳鋼的腐蝕影響較大。污損海生物能阻礙氧氣向腐蝕表面擴散，從而對鋼的腐蝕有一定的保護作用。但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使鋼表面形成缺氧環境，有利于硫酸鹽還原菌的生長，硫酸鹽還原菌代謝產生的硫化氫是強還原劑，對金屬三具有很強腐蝕性。

對于海洋環境下的鋼結構腐蝕，無論是海洋環境下長鋼尺的掛片試驗，還是實際的生產實踐中，具有很強的規律性。圖10是鋼樁在美國Kure Beach(基爾海濱)中暴露5 年后的腐蝕示意圖。

圖10 鋼樁腐蝕示意

根據國內外多年的海洋工程鋼結構防腐蝕實踐經驗以及我國目前的技術能力，對海上風場風機基礎鋼結構宜采取以下防腐蝕措施，防腐蝕措施的使用年限宜在 20年以上。

1)海洋大氣區的防腐蝕一般采用涂層保護或噴涂金屬層加封閉涂層保護。

2)飛濺區和潮差區的平均潮位以上部位的防腐蝕一般采用重防蝕涂層或噴涂金屬層加封閉涂層保護，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進行保護。

3)潮差區平均潮位以下部位，一般采用涂層與陰極保護聯合防腐蝕措施。

4)全浸區的防腐蝕應采用陰極保護與涂層聯合防腐蝕措施或單獨采用陰極保護，當單獨采用陰極保護時，應考慮施工期的防腐蝕措施。

5)海泥區的防腐蝕應采用陰極保護。

涂料保護、熱噴涂金屬保護和陰極保護都是海洋工程鋼結構經常采用的防腐蝕措施。涂料涂層和金屬熱噴涂層涂層系統應根據構件所處的環境條件，參照有關海上鋼結構防腐蝕規范進行設計。陰極保護是防止金屬腐蝕的一種電化學防腐蝕保護技術，發明至今已大于 100年的歷史。陰極保護在海洋工程鋼結構防腐蝕領域已得到廣泛應用。目前，國外有多個海上風場已經使用了陰極保護技術。

2.6 防沖涮設計

水流受到基礎阻擋時會形成渦旋，進而在基礎與海泥交接處形成沖刷坑。海上風機樁基周圍的沖刷將極大地威脅了風機的安全工作，所以海上風機樁基周圍的局部沖刷防護具有很大的必要性。通常海上風機基礎沖刷防護主要有以下幾種方法。

1)樁基周圍采用粗顆粒料的沖刷防護方法，采用大塊石頭等粗顆粒作沖刷防護。

2)樁基周圍采用護圈或沉箱的沖刷防護方法，在樁基周圍設置護圈(薄板)或沉箱可以減小沖刷深度。

3)樁基周圍采用護坦減沖防護，采用適當的埋置深度、寬度的護坦以達到既安全又經濟的目的。

4)樁基周圍采用裙板的防沖刷方法，樁基周圍采用裙板起到擴大沉墊底部面積作用，將沖刷坑向外推延。

2.7 規范化設計

隨著海上風電的發展，國際電工委員會和國際標準組織發布了多項針對風機設計和制造的規范。各個國家如德國、挪威、丹麥等為了規范統一設計，根據國際電工委員會和國際標準組織頒布的規范進行整理，建立了針對性更強的規范體系。在規范中，對基礎結構設計的方法、載荷種類、設計狀態、載荷計算、極限載荷分析和外部條件等都有明確的規定和說明。

3 結束語

海洋風電行業的發展對船廠來說是一全新的領域，除了風機基礎外，船廠可同時投入到海上風機安裝平臺的設計與制造中，這些都是高附加值的海洋工程產品。相對于傳統的海洋油氣工程，國內的海洋風電工程與發達國家的差距稍小，但行業經驗包括一些設計指導規范缺少，需要業內人士和國家有關部門去填補空白。

[1] ED 003-2007.風電場工程技術標準-風電機組地基基礎設計規定[S].北京：水電水利規劃設計總院，2005.

[2] 邢作霞，陳 雷，姚興佳.海上風力發電機組基礎的選擇[J].能源工程，2005(6)：34-37.