海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)及施工管理的研究

程亮

摘 要：我國海上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)進(jìn)入“加速期”。文章介紹了不同類型的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式、海上風(fēng)機(jī)安裝方式。研究了兩種施工方案所需要的施工周期，并對我國的海上施工能力（如：打樁、起吊設(shè)備及船舶）做出了分析。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 施工能力

引言

中國海上可開發(fā)風(fēng)力資源儲(chǔ)量約為750GW，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)且常規(guī)能源缺乏的東南沿海地區(qū)分布較為密集。而海上風(fēng)電場的建立，不僅可以緩解其能源環(huán)境壓力，還能對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。但是海上風(fēng)電的技術(shù)非常復(fù)雜，面臨著很多挑戰(zhàn)。因此，積極主動(dòng)學(xué)習(xí)國內(nèi)外海上風(fēng)電場建設(shè)經(jīng)驗(yàn)對于發(fā)展我國海上風(fēng)力發(fā)電非常重要。

1 中國海上風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

近年來，陸地風(fēng)電場由于建設(shè)用地、電網(wǎng)條件以及環(huán)保等因素的制約增速開始放緩。而海上風(fēng)電場的建設(shè)開始進(jìn)入商業(yè)化階段：截止到2012年底，我國海上風(fēng)電建設(shè)有了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展，全國共建成海上風(fēng)電試驗(yàn)、示范項(xiàng)目5個(gè)[1]。2012年我國新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量127MW，其中潮間帶裝機(jī)容量113MW，累計(jì)裝機(jī)389.6MW，位居世界第三。其中上海東海大橋風(fēng)電場、江蘇如東潮間帶風(fēng)電場已投入商業(yè)運(yùn)行。

2 海上風(fēng)電施工方案

潮間帶和近海風(fēng)電場一般距離海岸線的距離為1～20 km，水深一般小于30 m。但近海往往存在漁場、通信、軍事禁區(qū)等用途，水域使用權(quán)復(fù)雜，風(fēng)電場建設(shè)將不可避免地逐步向深海區(qū)域發(fā)展。2006年英國建造的Beatice風(fēng)電場的水深達(dá)到了45m[2]。根據(jù)國外的研究結(jié)果，全球風(fēng)電場有向深海域發(fā)展的趨勢。

2.1 海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)型式

由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建造位置高、重量大，所以上部分結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大風(fēng)力負(fù)荷，這就對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)提出了不僅要能夠承受豎直向下的壓力，還要有巨大水平力和提拔力的成受力?，F(xiàn)已投入使用的風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)中有單樁基礎(chǔ)、重力基礎(chǔ)以及導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)。淺海區(qū)域多使用點(diǎn)樁基礎(chǔ)和重力基礎(chǔ)；導(dǎo)管架基礎(chǔ)僅在45m水深的Beatrice風(fēng)電場采用過；重力基礎(chǔ)在巖基海床以及承載力高的沙土地質(zhì)條件使用較多。

2.2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工

（1）單樁基礎(chǔ)施工

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，在水深30m以下的海床較堅(jiān)硬區(qū)域采用較多，樁徑在3.5 m以上。根據(jù)海床硬度的區(qū)別，施工方法上主要利用兩種途徑：第一是用樁錘直接打樁，第二是鉆孔安防鋼管樁，并進(jìn)行灌漿處理。第一種途徑中的打樁主要是采用液壓打樁錘。第二種途徑一般是用在海床面為巖基的地方，鉆孔用循環(huán)鉆機(jī)，孔口由鋼套管撐住，入孔這些鋼管樁的吊放主要用起重船或者是液壓自生平臺(tái)，最后灌漿鋼樁和孔壁之間的空隙。

（2）重力式基礎(chǔ)施工

導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)和海上石油平臺(tái)類似，在陸上的車間加工好后，運(yùn)到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝處，由大型起重船把導(dǎo)管架由水平向轉(zhuǎn)成豎直向，緩慢放到海床底部。在導(dǎo)管架4個(gè)角上各有一個(gè)套管，將樁沿著套管打入海床。

（3）導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)施工

導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)類似于海上石油平臺(tái)，將在陸地車間加工好的導(dǎo)管架運(yùn)送至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝處，利用大型起重船將其調(diào)整成豎直方向，緩慢放至海床底部。導(dǎo)管架的四角分別裝有套管，將樁通過套管夯進(jìn)海床。

（4）高樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工（東海風(fēng)電采用此種方式）

這種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式采用高樁混凝土承臺(tái)，直徑為φ14m的承臺(tái)一次澆注成型，混凝土強(qiáng)度等級為C45 的高性能海工混凝土，總方量達(dá)616m3，樁基采用8根φ1.70m-81.72m 的鋼管樁。

高樁承臺(tái)方案樁基是采用8根長度為46m，直徑1.2m，厚度20mm的常規(guī)鋼管樁。沉樁采用GPS遠(yuǎn)海打樁定位系統(tǒng)進(jìn)行沉樁定位，由打樁船自帶的S280液壓打樁錘或D150柴油打樁錘施工，配備1艘4000匹馬力的拖輪牽引，2000t甲板駁運(yùn)輸20根樁，吊樁采用常規(guī)4點(diǎn)吊起吊，具體施工方法為常規(guī)海上打樁。

2.3 工作平臺(tái)施工

風(fēng)機(jī)平臺(tái)是安裝在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上部供施工人員及工作人員停留之處，也是調(diào)平基礎(chǔ)水平度偏差的手段之一，采用灌漿聯(lián)結(jié)或直接焊接的方式安裝。

2.4 海上風(fēng)機(jī)安裝

海上風(fēng)電場安裝方式主要有2種：海上分體安裝和海上整體安裝。不管采用哪種施工安裝方法，都力求在海上的作業(yè)時(shí)間短，要保證施工安全[3]。

（1）海上分體安裝

首先，在裝配碼頭將風(fēng)機(jī)的機(jī)艙、輪轂和2片葉片組裝成為一個(gè)吊裝體；然后，用專門的風(fēng)機(jī)安裝船把這個(gè)吊裝體連同其它的部件（塔筒和另一片葉片等）運(yùn)到海上安裝。當(dāng)安裝船到達(dá)安裝地點(diǎn)后，按照陸上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的吊裝的安裝順序完成吊裝：下部塔筒，上部塔筒，機(jī)艙及2個(gè)葉片和最后一個(gè)葉片。

（2）海上整體安裝

海上整體安裝方法在上海東海大橋示范風(fēng)場采用。整體安裝使用了最大起重能力為4000t的雙吊臂大型起重船，起重量4000t的桅桿長度68m，起重量3256t的桅桿長度為82m。選擇碼頭上200m×300m的空地作為拼裝場地，將臨時(shí)支架暫時(shí)固定在地面上，塔筒放入支架內(nèi)并用螺栓連接，然后依次吊裝上部塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片。將風(fēng)機(jī)整體吊到船上的是大型起重船，船上的吊機(jī)也要一起吊住風(fēng)機(jī)底部的臨時(shí)支架，同時(shí)由抱箍抱住塔筒。一切就緒以后，由拖機(jī)將起重船拖到風(fēng)機(jī)的安裝地點(diǎn)。由起重船將風(fēng)機(jī)整體和支架吊裝到有導(dǎo)管架基礎(chǔ)的平臺(tái)上，將螺栓與塔筒連接以后，再拆除臨時(shí)支架。

3 國內(nèi)海上風(fēng)電施工能力分析

3.1 打樁能力

國內(nèi)現(xiàn)有的打樁錘主要是柴油打樁錘[4]。D180筒式打樁錘每次最大打擊能量為580kNm，但根據(jù)有關(guān)資料顯示，柴油打樁錘在打樁過程中的能量損失為60%～70%。這樣，目前的柴油打樁錘的實(shí)際打樁能力，無法承擔(dān)樁徑2.5m以上，重量120t以上鋼管樁的施打工作。endprint

近年來，我國從國外進(jìn)口了部分液壓打樁錘，最大打樁能量800kNm。液壓打樁錘具有打樁過程中損失能量少（20%～23%），打樁效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且可以懸打，即可以省去打樁架，直接由吊機(jī)懸住打樁錘進(jìn)行打樁作業(yè)。由于直接進(jìn)口了部分打樁設(shè)備，我國的打樁能力已經(jīng)與歐洲相差不大。國外海上風(fēng)電場樁徑4～5m單樁基礎(chǔ)的打樁，使用的打樁錘的打樁能量一般為500～600 kNm，我國的現(xiàn)有液壓打樁錘能夠勝任這項(xiàng)工作。

我國近幾年進(jìn)口了一些液壓打樁錘，打樁能量最大能達(dá)800kNm。液壓打樁錘的優(yōu)點(diǎn)是打樁過程中能量損失?。?0%～23%），效率高，而且懸打的功能可以減少打樁架消耗的資源和時(shí)間，通過吊機(jī)將打樁錘懸在空中打樁。這些打樁設(shè)備的進(jìn)口，將我國的打樁能力和歐洲國家之間的差距大大減少。

3.2 吊裝能力

我國陸地吊裝的能力伴隨高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)而越來越強(qiáng)，目前為止國內(nèi)陸地吊裝設(shè)備的最大吊裝重量為1350t，海上起重船的最大起重重量是4000t，特大型號的路上吊裝設(shè)備是進(jìn)口自德國。但是我國的海上吊裝設(shè)備不同于陸上設(shè)備，大部分為國內(nèi)建造，而電氣以及液壓系統(tǒng)的部件或者設(shè)備有相當(dāng)一部分是進(jìn)口。我國目前仍然在研究大型的起重船只，海上起吊將會(huì)走向更重、更高的發(fā)展道路。

3.3 海上分體安裝

我國沒有大型的海上自升式平臺(tái)，現(xiàn)有的自升式平臺(tái)面積小，即使有國外那種大型自升式平臺(tái)，也難以適應(yīng)于我國東南沿海大部分區(qū)域的淤泥質(zhì)粉土海床。自升式平臺(tái)的支腿在這種超過深度15m以上的淤泥質(zhì)粉土中，難以支撐上部吊機(jī)和風(fēng)機(jī)設(shè)備的重量，同時(shí)，即使完成了吊裝作業(yè)施工后，也無法拔起支腿?？紤]到我國現(xiàn)有設(shè)備水平，海上分體安裝可行度較低。

3.4 海上整體吊裝

海上整體吊裝在國內(nèi)更容易實(shí)現(xiàn)。首先，我國目前大型船只較多，起吊重量和起吊高度毫不遜色國外船只。我們既有“華天龍”這樣的主臂為單吊臂的船只，也有“奮進(jìn)號”這種主臂為雙吊臂的船只。“奮進(jìn)號”每個(gè)主臂上分別有兩個(gè)吊鉤，使用更為靈活。其次，大型起重船用于海上風(fēng)電整體吊裝時(shí)不用加以改造，能省掉改造費(fèi)用，加快工程的進(jìn)度。海上整體吊裝須在陸上找一塊靠近碼頭，且有足夠承載力和作業(yè)面積的陸上拼裝場地，華東沿海有很多大型港口碼頭，完全可以滿足風(fēng)電場建設(shè)的需要。

4 小結(jié)

海上風(fēng)電的開發(fā)為我國開發(fā)近海能源提供了美好的遠(yuǎn)景規(guī)劃，在常規(guī)火電規(guī)模逐漸萎縮、陸上風(fēng)力資源發(fā)展受制約的情況下，理應(yīng)將開發(fā)海上風(fēng)電項(xiàng)目作為國家能源發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。我國吊裝等施工能力的不斷提高，也為開發(fā)海上風(fēng)能提供了必要的保障。在國內(nèi)施工單位和技術(shù)人員的配合下，海上風(fēng)電場完全可以依靠國內(nèi)力量順利建成。

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊峰等.2013中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[R]. CREIA，CWEA，GWEC.2013.9.

[2] 丁金鴻，譚家華.近海風(fēng)電專用安裝船概述[J].中國海洋平臺(tái).2009，24（5）：6-10.

[3] 何炎平，楊啟，杜鵬飛，等.海上風(fēng)電機(jī)組安裝運(yùn)輸、安裝和維護(hù)穿方案[J].航海工程.2009.38（4）：136-139.

[4] 江波、肖晶晶、閆峻明.我國海上風(fēng)電施工能力分析[J].可再生能源.2007，25（4）：104-106.endprint

近年來，我國從國外進(jìn)口了部分液壓打樁錘，最大打樁能量800kNm。液壓打樁錘具有打樁過程中損失能量少（20%～23%），打樁效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且可以懸打，即可以省去打樁架，直接由吊機(jī)懸住打樁錘進(jìn)行打樁作業(yè)。由于直接進(jìn)口了部分打樁設(shè)備，我國的打樁能力已經(jīng)與歐洲相差不大。國外海上風(fēng)電場樁徑4～5m單樁基礎(chǔ)的打樁，使用的打樁錘的打樁能量一般為500～600 kNm，我國的現(xiàn)有液壓打樁錘能夠勝任這項(xiàng)工作。

我國近幾年進(jìn)口了一些液壓打樁錘，打樁能量最大能達(dá)800kNm。液壓打樁錘的優(yōu)點(diǎn)是打樁過程中能量損失?。?0%～23%），效率高，而且懸打的功能可以減少打樁架消耗的資源和時(shí)間，通過吊機(jī)將打樁錘懸在空中打樁。這些打樁設(shè)備的進(jìn)口，將我國的打樁能力和歐洲國家之間的差距大大減少。

3.2 吊裝能力

我國陸地吊裝的能力伴隨高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)而越來越強(qiáng)，目前為止國內(nèi)陸地吊裝設(shè)備的最大吊裝重量為1350t，海上起重船的最大起重重量是4000t，特大型號的路上吊裝設(shè)備是進(jìn)口自德國。但是我國的海上吊裝設(shè)備不同于陸上設(shè)備，大部分為國內(nèi)建造，而電氣以及液壓系統(tǒng)的部件或者設(shè)備有相當(dāng)一部分是進(jìn)口。我國目前仍然在研究大型的起重船只，海上起吊將會(huì)走向更重、更高的發(fā)展道路。

3.3 海上分體安裝

我國沒有大型的海上自升式平臺(tái)，現(xiàn)有的自升式平臺(tái)面積小，即使有國外那種大型自升式平臺(tái)，也難以適應(yīng)于我國東南沿海大部分區(qū)域的淤泥質(zhì)粉土海床。自升式平臺(tái)的支腿在這種超過深度15m以上的淤泥質(zhì)粉土中，難以支撐上部吊機(jī)和風(fēng)機(jī)設(shè)備的重量，同時(shí)，即使完成了吊裝作業(yè)施工后，也無法拔起支腿?？紤]到我國現(xiàn)有設(shè)備水平，海上分體安裝可行度較低。

3.4 海上整體吊裝

海上整體吊裝在國內(nèi)更容易實(shí)現(xiàn)。首先，我國目前大型船只較多，起吊重量和起吊高度毫不遜色國外船只。我們既有“華天龍”這樣的主臂為單吊臂的船只，也有“奮進(jìn)號”這種主臂為雙吊臂的船只?！皧^進(jìn)號”每個(gè)主臂上分別有兩個(gè)吊鉤，使用更為靈活。其次，大型起重船用于海上風(fēng)電整體吊裝時(shí)不用加以改造，能省掉改造費(fèi)用，加快工程的進(jìn)度。海上整體吊裝須在陸上找一塊靠近碼頭，且有足夠承載力和作業(yè)面積的陸上拼裝場地，華東沿海有很多大型港口碼頭，完全可以滿足風(fēng)電場建設(shè)的需要。

4 小結(jié)

海上風(fēng)電的開發(fā)為我國開發(fā)近海能源提供了美好的遠(yuǎn)景規(guī)劃，在常規(guī)火電規(guī)模逐漸萎縮、陸上風(fēng)力資源發(fā)展受制約的情況下，理應(yīng)將開發(fā)海上風(fēng)電項(xiàng)目作為國家能源發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。我國吊裝等施工能力的不斷提高，也為開發(fā)海上風(fēng)能提供了必要的保障。在國內(nèi)施工單位和技術(shù)人員的配合下，海上風(fēng)電場完全可以依靠國內(nèi)力量順利建成。

參考文獻(xiàn)

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[3] 何炎平，楊啟，杜鵬飛，等.海上風(fēng)電機(jī)組安裝運(yùn)輸、安裝和維護(hù)穿方案[J].航海工程.2009.38（4）：136-139.

[4] 江波、肖晶晶、閆峻明.我國海上風(fēng)電施工能力分析[J].可再生能源.2007，25（4）：104-106.endprint

近年來，我國從國外進(jìn)口了部分液壓打樁錘，最大打樁能量800kNm。液壓打樁錘具有打樁過程中損失能量少（20%～23%），打樁效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且可以懸打，即可以省去打樁架，直接由吊機(jī)懸住打樁錘進(jìn)行打樁作業(yè)。由于直接進(jìn)口了部分打樁設(shè)備，我國的打樁能力已經(jīng)與歐洲相差不大。國外海上風(fēng)電場樁徑4～5m單樁基礎(chǔ)的打樁，使用的打樁錘的打樁能量一般為500～600 kNm，我國的現(xiàn)有液壓打樁錘能夠勝任這項(xiàng)工作。

我國近幾年進(jìn)口了一些液壓打樁錘，打樁能量最大能達(dá)800kNm。液壓打樁錘的優(yōu)點(diǎn)是打樁過程中能量損失?。?0%～23%），效率高，而且懸打的功能可以減少打樁架消耗的資源和時(shí)間，通過吊機(jī)將打樁錘懸在空中打樁。這些打樁設(shè)備的進(jìn)口，將我國的打樁能力和歐洲國家之間的差距大大減少。

3.2 吊裝能力

我國陸地吊裝的能力伴隨高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)而越來越強(qiáng)，目前為止國內(nèi)陸地吊裝設(shè)備的最大吊裝重量為1350t，海上起重船的最大起重重量是4000t，特大型號的路上吊裝設(shè)備是進(jìn)口自德國。但是我國的海上吊裝設(shè)備不同于陸上設(shè)備，大部分為國內(nèi)建造，而電氣以及液壓系統(tǒng)的部件或者設(shè)備有相當(dāng)一部分是進(jìn)口。我國目前仍然在研究大型的起重船只，海上起吊將會(huì)走向更重、更高的發(fā)展道路。

3.3 海上分體安裝

我國沒有大型的海上自升式平臺(tái)，現(xiàn)有的自升式平臺(tái)面積小，即使有國外那種大型自升式平臺(tái)，也難以適應(yīng)于我國東南沿海大部分區(qū)域的淤泥質(zhì)粉土海床。自升式平臺(tái)的支腿在這種超過深度15m以上的淤泥質(zhì)粉土中，難以支撐上部吊機(jī)和風(fēng)機(jī)設(shè)備的重量，同時(shí)，即使完成了吊裝作業(yè)施工后，也無法拔起支腿。考慮到我國現(xiàn)有設(shè)備水平，海上分體安裝可行度較低。

3.4 海上整體吊裝

海上整體吊裝在國內(nèi)更容易實(shí)現(xiàn)。首先，我國目前大型船只較多，起吊重量和起吊高度毫不遜色國外船只。我們既有“華天龍”這樣的主臂為單吊臂的船只，也有“奮進(jìn)號”這種主臂為雙吊臂的船只?！皧^進(jìn)號”每個(gè)主臂上分別有兩個(gè)吊鉤，使用更為靈活。其次，大型起重船用于海上風(fēng)電整體吊裝時(shí)不用加以改造，能省掉改造費(fèi)用，加快工程的進(jìn)度。海上整體吊裝須在陸上找一塊靠近碼頭，且有足夠承載力和作業(yè)面積的陸上拼裝場地，華東沿海有很多大型港口碼頭，完全可以滿足風(fēng)電場建設(shè)的需要。

4 小結(jié)

海上風(fēng)電的開發(fā)為我國開發(fā)近海能源提供了美好的遠(yuǎn)景規(guī)劃，在常規(guī)火電規(guī)模逐漸萎縮、陸上風(fēng)力資源發(fā)展受制約的情況下，理應(yīng)將開發(fā)海上風(fēng)電項(xiàng)目作為國家能源發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。我國吊裝等施工能力的不斷提高，也為開發(fā)海上風(fēng)能提供了必要的保障。在國內(nèi)施工單位和技術(shù)人員的配合下，海上風(fēng)電場完全可以依靠國內(nèi)力量順利建成。

參考文獻(xiàn)

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[4] 江波、肖晶晶、閆峻明.我國海上風(fēng)電施工能力分析[J].可再生能源.2007，25（4）：104-106.endprint