深遠海域海上風電示范工程漂浮式基礎連接技術分析與思考

同濟大學機械與能源工程學院 ■ 陸亮* 吳海軍 烏建中 訚耀保

0 引言

伴隨世界經濟的快速發展，全球能源需求同步上升，風能因可再生、無污染、效率高而成為能源利用的新寵。21世紀以來，陸上風電如風刮過，近海風場更似景觀，但噪聲、視覺污染與利用率飽和等原因限制了陸上風電與近海風電的進一步發展，所以，大家將目光逐漸轉向深遠海域。深遠海域風電與陸上、近海風電最大的不同在于其基礎從固定式變為漂浮式，傳統基礎及其連接技術不具備繼承性。本文結合國內外海上風電的市場與政策，闡述了主流漂浮式基礎的技術特點及相應的水下連接技術。

1 風電技術發展概況

圖1對比了國內外風電技術發展脈絡。世界首臺自動運行風機于1888年成功設計并建造[1]。1973～1986年，商業風電由家庭農用模式發展至互聯風電場模式。1981～1990年間，因稅收等政策扶植，美國加州迎來風能產業爆發，俗稱“加州風暴”，這期間共建設了超1600臺單機容量為20～350 kW不等的共計1.7 GW的風電機組[2]。1991年，丹麥于波羅的海(Baltic Sea)成功建立溫訥比(Vindeby)近海風電場，拉開了海上風電場發展的序幕[3]。1995年，德國Nordex公司研發出世界首臺MW級風電機組，進一步提升了風電發展水平[4]。2009年，世界首臺MW級漂浮式風電機組全尺寸樣機Hywind由挪威Statoil ASA公司在挪威海域成功建立并示范應用，為漂浮式風電機組的發展打開了良好開端[5]。2017年，全球首個商業級海上漂浮式風電場Hywind蘇格蘭發電項目組建完工，并于當年第四季度全面投產。

我國風電研發始于20世紀50年代，先后經歷了初期探索和離網發電階段。1985年，《風力發電》雜志正式出版，成為當時國內風電行業認識交流和獲取信息的重要途徑[6]。1986年5月，山東榮城首個示范性風電場成功并網發電，標志著我國從離網發電進入到并網發電階段。2005年，蘭州電機有限公司、清華大學及沈陽工業大學聯合研制出國內首臺變速恒頻雙饋異步風電機組，填補了國內在該領域內的空白[7]。盡管我國風電技術起步較晚，但巨大的市場需求促進了國內此項技術領域的蓬勃發展，尤其是海上風電，更是有趕超國外之勢。2009年，國家發展和改革委員會與國家能源局正式啟動了我國沿海地區海上風電的規劃工作，加快了海上風電發展的進程[8]；2010年，我國第一個近海風電項目——上海東海大橋近海風電項目建成且實現并網發電[9]；2011年，我國大規模啟動海上風電規劃工作，采用大規模特許權招標方式探索發展，引領我國海上風電從示范項目進入快速發展時期；2016～2017年，國家能源局委托上海市發展和改革委員會轉發《國家能源局關于上海深遠海域海上風電有關事項通知》(滬發改委[2016]38號文、滬發改委[2017]138號文)，預示著將以上海深遠海域為中心打造我國的漂浮式風電示范工程，以引領國內漂浮式風電技術發展，打造國家名片。

圖1 國內外風電技術發展歷史

2 海上風電市場與需求

目前，海上風電市場主要為近海風電。據全球風能理事會(GWEC)發布的2017年全球風電裝機統計數據顯示，英國、德國領跑海上風電累計裝機容量，分別占全球總裝機容量的36.33%和28.46%，中國、丹麥、荷蘭等緊隨其后；就新增裝機容量而言，英國、德國及中國是2017年發展較快的國家，如表1所示[10]。

表1 2017年世界各國海上風電新增和累計裝機容量[10]

在國家需求與政策方面，2013年，英國頒布《海上風電產業戰略——產業和政府行動》(《Offshore Wind Industrial Strategy——Business and Government Action》)，預計歐盟及英國海上風電裝機容量至2020年和2030年將分別達到28 GW和55 GW[11]。其中，德國已明確計劃建造總容量為6.5 GW的海上風電，并于2030年達到15 GW，這一目標已被納入《可再生能源法》(EEG)中[12]。2011年2月，美國發布《國家海上風電戰略：創建美國海上風電產業》，提出美國海上風電裝機容量在2020年和2030年將分別達到10 GW和54 GW的目標[13]。日本官方提出2030年日本海上風電裝機容量將達到37 GW的目標[14]。我國在《風電發展“十三五”規劃》中提出，至2020年底，國內海上風電并網裝機容量將達到5 GW以上，風電年發電量確保達4200億kWh，占全國總發電量的6%[15]。

就國際風電技術與市場總體而言，陸上風電數據飽和，政策轉移；近海風電充分發展成為現有海上風電市場的主體；深遠海域風電蓄勢待發，成為各國海上風電市場遠景規劃的重要組成部分。相比歐美風電技術與市場，我國經歷了陸上落后、近海追趕的歷史過程，面對更為廣闊的深遠海域風電技術與市場，能否能夠抓住歷史機遇，實現市場容量與裝備水平的彎道超車，是擺在國家及全體風電人面前的歷史課題。

為此，2016年，國家能源局發布了《風電發展“十三五”規劃》，出臺了一系列重大利好政策鼓勵海上風電發展，尤其是深遠海域漂浮式風電的發展。為加快搶占全球風電技術制高點，推動能源結構調整和新能源發展，謀劃布局重大工程支撐科創中心建設，國家能源局2017年發布了《關于上海深遠海域海上風電有關事項的復函》(國能函新能[2017]58號)，支持上海在全國率先開展深遠海域海上風電示范。根據國家和市政府工作要求，上海市將進一步推進深遠海域海上風電示范工程建設的前期各項工作，爭取2019年立項實施，2020年開工建設。

3 漂浮式海上風電基礎主流形式及商業樣機

面向深遠海域開拓風電市場，在國內技術空白的局面下，大量的技術攻關勢在必行。現有適用于深遠海域風電的基礎主要包括深吃水立柱(Spar)式漂浮式基礎、張力腿(Tension Leg Platform，TLP)式漂浮式基礎和半潛(Semi-Sub)式漂浮式基礎，如圖2所示[16]。這3種基礎中，Spar式基礎垂蕩性能好，結構簡單、便于制造；但其重心較低，不便拖運回港口維修，同時橫搖和縱搖運動幅度較大，位姿變化大。Semi-Sub式基礎錨泊系統簡單，可選用輕質小型連接材料，如合成纖維繩，對基礎進行錨泊定位，施工和維修方便；但合成纖維繩彈性模量低、位姿變化大、蠕變大。TLP式基礎連接近似剛性，位姿變化小，且在位姿發生變化后易實現調平。

圖2 主流漂浮式基礎形式[16]

截至目前，各式基礎風電機組由不同開發公司建造，多為1:1樣機且基本完成商用前試驗測試，開發公司所屬國家多集中于歐洲、美國與日本，具體統計如表2所示。其中，Statoil公司開發的Hywind項目已于2017年實現商業化應用。就目前我國深遠海域海上風電示范工程40～50 m的水深而言，理論上TLP式和Semi-Sub式都可作為本示范項目實施的基礎形式，但從風電機組基礎一體化設計及服役過程的運維調控角度考慮，以TLP式基礎為技術攻關的首要目標。

4 TLP式基礎結構、錨泊原理及水下連接

4.1 TLP式基礎結構組成與錨泊原理

圖3簡單示意了TLP式基礎的結構組成，主要包括：基礎主體、立柱、張力腿筋腱及錨固基礎。基礎主體用于安裝風電機組和塔架，其漂浮所需的浮力主要由立柱提供，同時為了防止風機傾覆，需采用張力腿筋腱與錨固基礎將基礎主體與海底連接。張力腿通過預張力與整體結構所受浮力及重力進行平衡，利用自身的幾何尺寸限制基礎主體的運動，實現對TLP式基礎的錨泊。

張力腿筋腱是維持TLP式基礎穩定的關鍵部件，其材料目前多為鋼管，需要使用大量的接頭技術維持張力腿系統的牢固和穩定。如圖4所示，張力腿連接之前，通常首先在海底指定位置安裝樁基，進而在樁基中安裝插筒，插筒內安裝筋腱頭部裝置，實現筋腱的底部連接；筋腱頂部連接與底部連接相似，筋腱通過頂部連接器件安裝于基礎主體；當水深較大時，單根筋腱長度通常不足，多根筋腱的拼接需要筋腱自連接。

表2 目前已建造樣機的漂浮式基礎[17-18]

圖3 TLP 式基礎結構組成

圖4 張力腿水下連接構成[19]

4.2 TLP水下連接產品專利原理分析

在本示范項目實施之前，對現有TLP水下連接產品及專利情況進行簡要分析。

4.2.1 底部連接

筋腱底部連接需要堅實可靠的樁基礎，一般樁基固定后，在樁基內首先安裝插筒，插筒與樁基之間通過機械或灌漿固定的方式連接；此后，利用底部接頭技術實現筋腱與插筒的連接。

1)樁基與插筒的連接。

①機械連接(授權號：US 4320993，授權時間：1982-03-23)[20]。該專利為用于TLP式基礎筋腱的底部連接器，涉及插筒的安裝過程。首先在樁基孔洞內壁上兩個凹槽中各裝入1個卡環，之后將插筒裝入孔洞中，由于卡環內徑小于插筒外徑，卡環會發生彈性張大，當插筒到達指定位置后，卡環收縮至原形狀并順利進入與樁基凹槽對應的插筒凹槽中，進而對其位置進行固定，如圖5所示。

圖5 機械連接中樁基與插筒結構示意圖[20]

②灌漿連接(授權號：CN 203475461U，授權時間：2014-03-12)[21]。灌漿連接方式目前用于近海風電固定基礎，該專利提出的海上風機導管架與海底樁基礎之間灌漿連接的結構及過程如圖6所示。首先將4塊導向板以90°均布的方式焊接在導管架樁角，并在海底樁基中安裝環形封堵器；之后將樁角插入到海底樁基中的指定位置，此時環形封堵器、海底樁基及樁角形成灌漿腔；最后通過低位注漿管向灌漿腔內灌注灌漿材料，待灌漿材料接近高位注漿管管口時，換用高位注漿管向灌漿腔內灌注灌漿材料，待混凝土凝固時樁角安裝完畢。在灌注的過程中，由于連接片與樁基頂部并非密封，海水可從樁基頂部排出。借鑒該專利思路，可將該專利中的樁角改為插筒，實現筋腱插筒與海底樁基的灌漿連接，如圖7所示。

圖6 導管架樁角與海底樁基灌漿連接過程[21]

圖7 樁基插筒與海底樁基灌漿連接過程

2)底部連接器與插筒的連接。

筋腱鋼管通常無法直接和插筒連接，需在筋腱頭部安裝插頭(底部連接器)，插頭首先和插筒連接，目前可查的連接方式有彈性環連接、擋塊連接、“圓珠筆”連接和鎖環連接。

①彈性環連接(授權號：US 4320993，授權時間：1982-03-23)[20]。該專利設計的底部連接器結構如圖8所示。其安裝過程為：在插筒安裝完畢后，將支撐環、加載環、壓縮環分別裝入插筒內指定位置，并將O形環裝入底部連接器的外部凹槽中；之后，將底部連接器由上至下裝入插筒中，加載環會隨著底部連接器一起下降直至與壓縮環接觸，此時，加載環停止運動，底部連接器仍舊向下運動；由于加載環內徑小于底部連接器外徑，加載環發生彈性張大，當底部連接器外徑凹槽的下端剛剛越過加載環的位置，加載環彈性收縮進入凹槽中，此時底部連接器停止下降，安裝完畢。O形環是為了防止淤泥進入底部連接器與插筒之間的縫隙。

圖8 彈性環連接中底部連接器結構[20]

②擋塊連接(授權號：US 4611953，授權時間：1986-09-16)[22]。該專利提出的底部連接器結構如圖9所示，其安裝過程如圖10a～圖10c所示。當底部連接器主體向下運動時，上下部擋塊會沿著樁基“R”內壁弧線進行運動，并在上部擋塊運動至樁基內壁凹槽中時，鎖緊擋塊，完成安裝，通過上部擋塊與凹槽的相互作用對筋腱進行固定。解鎖擋塊，抽出底部連接器使其向上運動，上下擋塊仍舊沿樁基內壁軌跡進行運動，待底部連接器完全脫離樁基，則分離完畢，如圖10d～圖10f所示。

圖9 擋塊連接中底部連接器結構[22]

③“圓珠筆”連接(授權號：US 4943188，授權時間：1990-07-24)[23]。該專利中連接器外部具有類似于圓珠筆筆頭的凸起結構(見圖11)，其安裝主要依靠凸起按照圖12所示的安裝軌跡運動至擋塊與導向鍵構成的狹槽中，其與插筒分離同樣依靠凸起按照圖12中的分離軌跡進行運動來實現。

圖10 擋塊連接中底部連接器安裝與分離過程[22]

圖11 “圓珠筆”連接中底部連接器結構[23]

圖12 “圓珠筆”連接中插頭安裝與分離軌跡[24]

④鎖環連接(授權號：US 7621698，授權時間：2009-11-24)[25]。該專利中的底部連接器具有獨特的鎖環結構，如圖13所示。在底部連接器的導向鍵沿著插筒導向鍵之間的狹槽插入插筒，并在鎖環到達預定下降位置時停止；之后鎖環按圖示方向旋入插筒導向鍵中的開槽，并到達鎖環鎖定位置，完成安裝。分離時，將鎖環按照圖示中分離時鎖環旋轉軌跡旋出開槽并到達預定上升位置，之后將底部連接器垂直與插筒分離。插筒導向鍵對底部連接器導向鍵的限位可防止底部連接器相對插筒發生旋轉，同時開槽對鎖環的限制實現了底部連接器與插筒的連接。

3)筋腱與底部連接器的連接。

在實現插筒與樁基連接、底部連接器(筋腱插頭)與插筒連接之后，還需實現筋腱與底部連接器的連接，如此才能實現底部連接。筋腱與底部連接器連接除保證鉛直方向不發生結構脫離外，還需滿足筋腱的傾斜運動，以及滿足漂浮式基礎受環境力作用位姿變化的需要。

因此，筋腱與底部連接器的連接一般通過圓弧形柔性元件與附加限位機構對筋腱頂端進行限位，同時滿足其小角度運動要求。各專利的連接內部結構圖如圖14所示；其結構上的主要區別在于筋腱底端形狀及附加限位機構不同，如表3所示。

圖13 鎖環連接中底部連接器結構與安裝分離軌跡[25]

圖14 各專利的筋腱與底部連接器連接內部結構圖

表3 各專利筋腱底端形狀及限位方式

4.2.2 頂部連接

筋腱頂部同樣需要滿足小角度轉動，其連接結構同筋腱與底部連接器的連接結構類似。

1)螺紋連接(授權號：US 5020942，授權時間：1991-06-04)[26]。該專利設計的頂部連接器由帶有階梯型軸肩的外殼、錐形螺紋塊、凸輪環及螺栓等部件構成。筋腱先穿過基礎上的孔，之后按圖15中圖示位置依次安裝外殼、錐形螺紋塊等各部件，最后鎖緊螺栓。由于凸輪環上具有多個凸輪槽(見圖15)，且凸輪環與螺紋錐形塊之間通過銷連接，因此安裝完成后，對凸輪槽施加外力使凸輪環旋轉，帶動錐形塊旋轉向下運動，進而鎖緊筋腱，完成頂部連接。

圖15 螺紋連接中頂部連接器結構圖[26]

2)卡瓦連接(授權號：US 7914234，授權時間：2011-03-29)[27]。該專利中的頂部連接器主要由卡瓦、碗狀結構、柔性單元、支承件、下法蘭、圓頂、夾具構成，如圖16所示。安裝時，筋腱依次穿過柔性單元、碗狀結構、卡瓦及圓頂，之后用螺栓將圓頂與下法蘭固定以完成連接。筋腱與卡瓦之間過盈配合，當筋腱受到向下拉力時，卡瓦會產生相反作用力并對其進行限位。筋腱可以在柔性單元上進行角度運動，而圓頂用于防止其運動角度過大。

圖16 卡瓦連接中頂部連接器結構圖[27]

4.2.3 自連接

當安裝深度較大時，單根筋腱長度無法滿足實際需求，需要進行筋腱的拼接，在這種情況下需要使用筋腱自連接。較為常見的筋腱自連接方式主要有：卡環連接、梅林連接、螺紋連接等。

1)卡環連接[28]。首先將筋腱加工成制定樣式并進行預連接，其次采用2個卡環對完成預連接的筋腱限位，最后將螺栓擰入卡環與筋腱上的螺紋孔中以固定整體結構，如圖17所示。

圖17 卡環連接 [28]

2)梅林連接[28]。首先對上下筋腱預連接；之后從注射口向內注入高壓油液，在高壓油液作用下藍色管直徑增大，紅色管直徑減小，兩管之間間隙增大，此時施加軸向壓力，使兩部分筋腱過盈連接；連接完畢后，打開卸油口使高壓油排出，如圖18所示。

圖18 梅林連接 [28]

3)螺紋連接。螺紋連接需要用到圖19中所示的連接器[28]，兩段筋腱分別與連接器上下部分焊接為一體，之后進行內外螺紋配合，完成連接。

圖19 螺紋連接 [29]

5 水下連接備用技術思考

TLP式基礎目前主要采用筋腱鋼管的連接方式，該方式強度大、穩定性好，但限于筋腱鋼管的加工工藝，需要配備大量的接頭技術，制造與安裝成本不菲。參考現行的包括海洋平臺在內的連接方式，下文對是否可采用錨鏈連接和纜索連接進行簡要闡述。

5.1 錨鏈連接

錨鏈連接是通過浮力與自身重力進行平衡，再利用輻射性的多根錨鏈將基礎固定于海底以限制其運動范圍的錨泊方式，一般用于Spar式或Semi-Sub式風電基礎，具有制作簡單、安裝方便的優點。但采用錨鏈連接會受到環境力荷載作用，基礎位姿變化較大，導致錨鏈在長期服役過程中易腐蝕、鏈檔焊接處易疲勞破壞。錨鏈等級通常分為一級、二級、三級、R3、RQ3、R4、R4+、R5等。若基礎選用錨鏈連接，平臺用錨鏈等級需接近船用三級；同時為提升錨鏈耐腐蝕性能，錨鏈含碳量應在0.03%以下，同時添加Cr、Ni等元素以提高錨鏈的沖擊韌性及疲勞強度；除此之外，錨鏈在安裝之前還需進行防腐處理[30]。

5.2 纜索連接

纜索連接一般用于Spar式或Semi-Sub式風電基礎的錨泊，若用于TLP式基礎，會導致基礎位姿變化增大；但此方式水下連接簡單，施工與安裝方便。纜索連接通過纜索材料將基礎固定于海底，基礎回復力完全由纜索提供，對纜索材料的要求較高。常用材料有合成纖維繩[29,31-32]、鋼絞線[33]、碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)[34]等。

纜索于海水中長期服役，處于繃緊狀態且頻繁受到外部荷載作用，故通常將材料抗拉強度、彈性模量、耐腐蝕性、蠕變性能、接頭復雜程度作為選擇指標。表4對比了超高分子量聚乙烯Spectra 2000、鋼絞線及CFRP的基本力學性能[35-37]。

表4 纜索連接材料基本力學性能[35-37]

合成纖維繩質量輕，可降低基礎負載；同時其強度高、耐磨性好、比重小、耐腐蝕，其中以超高分子量聚乙烯(HMPE)力學性能最為突出。但合成纖維繩存在蠕變問題[38]，30年服役時間可能導致蠕變伸長量超10%(50 m水深)，目前尚無直接解決方案。

CFRP強度高、耐疲勞、耐腐蝕、耐摩擦、密度低；但其抗剪強度低，其橫向抗剪強度僅為縱向抗拉強度的10%[39]，需配備專用接頭。

鋼絞線力學性能滿足要求，盡管抗拉強度不是最高，但可通過多根并聯的方式保證張拉強度；然而其與錨鏈一樣，存在腐蝕問題。

綜合而言，3種纜索連接材料存在各自優缺點，在滿足基本要求的情況下，相比合成纖維繩的長期蠕變和CFRP的專用接頭問題，鋼絞線抗腐蝕問題解決的可行性較高，可作為備選方案的首選。

6 結論

深遠海域風電與陸上、近海風電最大的不同在于其基礎從固定式變為漂浮式。本文結合國內外海上風電市場與政策，詳細闡述了TLP式基礎的技術特點及其水下連接技術，為本項目實施過程中關鍵技術的二次開發提供了詳細的技術儲備。同時，本文對錨鏈連接及纜索連接中的3種材料進行了簡要的力學性能與接頭技術對比，提出在解決鋼絞線連接的防腐問題的基礎上，其可作為水下連接備選方案的優先選擇。