海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)綜述

王 彪，畢 濤，肖志穎

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)水務(wù)運(yùn)營(yíng)有限公司,湖北 武漢 430035；2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610023；3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

我國(guó)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(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,對(duì)于轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)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(diǎn)：(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(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、切變小,可延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命,減小塔架高度；(2)海上風(fēng)電場(chǎng)毗鄰用電中心：我國(guó)的電力負(fù)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(chǎng)毗鄰沿海用電中心,可大大縮減送電距離；(3)海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離陸地,不占用土地資源,減少了對(duì)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(jī)一般采用固定式基礎(chǔ),該類基礎(chǔ)的打樁、建造、運(yùn)輸和吊裝的費(fèi)用昂貴(特別是在超過50 m水深的海域)；而浮式風(fēng)機(jī)可整體安裝和拖航,從而降低建造安裝費(fèi)用。在機(jī)組容量越做越大、近岸資源越用越少的情況下,浮式風(fēng)機(jī)將會(huì)是海上風(fēng)電未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

1 與海上風(fēng)電相關(guān)的政策

2010年,我國(guó)首個(gè)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目—上海東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目一期全部并網(wǎng)發(fā)電,采用固定式樁柱基礎(chǔ),總裝機(jī)容量102 MW,由此拉開我國(guó)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(guó)家近年來出臺(tái)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。《2017年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量簡(jiǎn)報(bào)》顯示：至2017年底,我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為2.79 GW。結(jié)合表1可知：(1)我國(guó)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(jìn)展仍遠(yuǎn)落后于規(guī)劃；(2)我國(guó)的海上風(fēng)電有向深遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)。因此,亟待研究適合我國(guó)海域的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。

表1 近年來我國(guó)與海上風(fēng)機(jī)相關(guān)的政策

2 海上浮式風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀

早在1972年,Heronemus就提出了海上浮式風(fēng)機(jī)的概念。經(jīng)過多年的研究,目前國(guó)際上已在概念設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和全尺寸樣機(jī)并網(wǎng)發(fā)電等方面取得了一定進(jìn)展。2008年,Blue H集團(tuán)安裝了世界上第一座試驗(yàn)性浮式風(fēng)機(jī)Blue H。2009年,挪威國(guó)家石油公司安裝了世界上第一座全尺寸浮式風(fēng)機(jī)Hywind,發(fā)電機(jī)組的額定功率為2.3 MW。2011年,美國(guó)研發(fā)的WindFloat搭載2 MW的風(fēng)機(jī)安裝成功。2015年,丸紅株式會(huì)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(jī)試點(diǎn)項(xiàng)目并網(wǎng)發(fā)電,該項(xiàng)目是世界首個(gè)試點(diǎn)浮式風(fēng)電場(chǎng),采用了多種浮式基礎(chǔ)型式。2017年10月,挪威國(guó)家石油公司承建的全球首個(gè)浮動(dòng)式風(fēng)電場(chǎng)—Hywind Scotland風(fēng)電場(chǎng)正式并網(wǎng)發(fā)電。

目前國(guó)際上已有大約40個(gè)浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目正在研發(fā)中,本次收集到其中的32個(gè)項(xiàng)目,見表2,分析可知：

(1)目前在研的浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目主要集中在歐洲、美國(guó)和日本,其中,歐洲約占60%。

(2)浮式風(fēng)機(jī)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(diǎn)而形成,美國(guó)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(diǎn)。

(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(dá)700 m,如挪威的Hywind。

我國(guó)對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的研究才剛起步,目前還沒有海上浮式風(fēng)機(jī)試點(diǎn)項(xiàng)目安裝。但國(guó)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(jì)、數(shù)值模擬和水池實(shí)驗(yàn)的研究中取得了一定進(jìn)展。

表2 國(guó)際上主要的浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目

3 海上浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)型式

相對(duì)于陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ),海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和建造難度更大。風(fēng)機(jī)的正常作業(yè)狀態(tài)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)振動(dòng)要求嚴(yán)格,而處于海洋環(huán)境中的海上風(fēng)機(jī)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(huì)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(jī)基礎(chǔ)的造價(jià)較高,一般占風(fēng)電場(chǎng)總造價(jià)的20%～30%。因此,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選型對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)至關(guān)重要。

當(dāng)前,海上風(fēng)電場(chǎng)一般建在水深小于50 m的淺海區(qū)域或潮間帶,但當(dāng)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(tái)基礎(chǔ)等)的成本過高,此時(shí)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(jì)的選擇。因此,近年來國(guó)際上提出了多種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)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(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式

對(duì)于主要浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特點(diǎn),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(jìn)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(tái)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(lì)力小,因此,其垂蕩性能好。但單立柱型基礎(chǔ)的水線面對(duì)穩(wěn)性的貢獻(xiàn)小,其橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)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(tái),平臺(tái)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)基礎(chǔ)處于漂浮狀態(tài)時(shí),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(tái)有良好的穩(wěn)性。

(3)張力腿型基礎(chǔ)由浮式平臺(tái)、系泊和上部結(jié)構(gòu)組成。平臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)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(tái)的位移,因此,該基礎(chǔ)具有良好的垂蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)特性。但系泊系統(tǒng)的安裝費(fèi)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(yùn)動(dòng)。

(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(diǎn),但對(duì)所在海域環(huán)境非常敏感。如美國(guó)的NREL/MIT風(fēng)機(jī)和日本的NMRI風(fēng)機(jī)。混合型浮式基礎(chǔ)一般由典型浮式風(fēng)機(jī)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(diǎn),見圖2。

圖2 其他浮式基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)圖

不同浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特性對(duì)比見表3。結(jié)合表3可見：(1)不同基礎(chǔ)的適用水深和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性不同,基礎(chǔ)選型時(shí)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(jì)和建造可借鑒石油平臺(tái)和船舶的經(jīng)驗(yàn),可作為我國(guó)現(xiàn)階段的重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。

不同浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特性對(duì)比見表3。

表3 不同浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)特性對(duì)比

4 海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的研發(fā)方向

中國(guó)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(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造依然有很多亟待研發(fā)解決的難點(diǎn),比如：如何選擇浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)型式,如何優(yōu)化浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,如何制定浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝方面的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等。為此,分析總結(jié)了以下幾個(gè)研發(fā)方向：

(1)創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方案,研究不同型式基礎(chǔ)的適用性。目前,提出了浮式平臺(tái)方案基本是參考石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)。但海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)屬于高聳結(jié)構(gòu),所受氣動(dòng)荷載與波浪的量級(jí)相當(dāng),其受力比石油平臺(tái)更復(fù)雜,因此,有必要專門研究浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)方案。

(2)探索新型材料建造海上浮式風(fēng)機(jī)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。高成本仍然是制約海上浮式風(fēng)機(jī)大規(guī)模應(yīng)用的根本原因,采用新材料建造浮式平臺(tái)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(jì)。以浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的全壽命成本最小為目標(biāo),以穩(wěn)定性、水動(dòng)力性能和強(qiáng)度等性能作為約束條件,綜合考慮建造、安裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期成本。

(4)編制海上浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。目前,海上浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范基本是參考海洋石油平臺(tái)的DNV(挪威船級(jí)社,Det Norske Veritas)和API(美國(guó)石油協(xié)會(huì),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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

5 結(jié)論

(1)我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)有向深遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì),迫切需要研發(fā)適合我國(guó)不同海域的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ),半潛型基礎(chǔ)適用水深范圍廣,可作為我國(guó)目前階段的重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。

(2)海上浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、建造、安裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(jìn)一步優(yōu)化。

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