我國海域漂浮式風電機組基礎適用性分析

周昊 侯承宇 李輝 董曄弘

深海風電場具有風速高、風切變低、湍流程度小等優(yōu)勢，對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電技術作為研發(fā)重點。在國外，漂浮式海上風電市場正從小規(guī)模單臺樣機（2009―2015年）向小型示范風電場轉變。目前，在世界范圍內已建成并具有一定知名度的漂浮式樣機和小型漂浮式示范風電場如表1所示。此外，歐洲還有數十個漂浮式風電示范項目正在建造和核準中。可見，漂浮式風電技術正在成為領跑海上風電領域的前沿技術和研究熱點。

我國漂浮式風電機組的研究起步相對較晚，目前國內還未見樣機。從2013年開始，在經歷了國家863計劃支持的由湘電風能開展的“鋼筯混凝土結構浮式基礎研制”和由金風科技牽頭開展的“漂浮式海上風電機組基礎關鍵技術研究及應用示范”之后，國內積累了一些技術儲備。隨著國家加大政策的支持力度，“十三五”期間國內漂浮式風電機組的研究熱度逐漸提升。據統(tǒng)計，目前，國內潛在的樣機示范項目如表2所示。

漂浮式風電機組基礎是漂浮式風電機組設計中的重要組成內容。漂浮式風電機組由于體型巨大，且長期承受風、浪、流等各種復雜載荷的作用，因而對漂浮式風電機組基礎的各方面性能提出了更高的要求。本文結合我國海域漂浮式風電場適用區(qū)域和漂浮式風電機組基礎選型需要考慮的因素，對我國海域漂浮式風電機組基礎適用性進行分析，以期為漂浮式風電機組在方案設計階段選出合適的基礎型式。

我國海域漂浮式風電場適用區(qū)域分析

我國擁有豐富的海上風能資源，其中絕大部分都在深遠海域。通過漂浮式風電機組技術帶動深遠海風電產業(yè)的發(fā)展是必然選擇。

水深是決定漂浮式風電機組基礎型式選擇的最重要因素之一。目前，行業(yè)內的共識是35～50m水深是采用固定式基礎和漂浮式基礎的分水嶺，具體可以通過經濟性和技術可行性對比進行抉擇。在水深50m以上，固定式基礎經濟性降低，此時采用漂浮式基礎則顯示出一定的經濟性優(yōu)勢。我國大陸架綿延漫長，水深基本在100m以內，且坡度較緩，水深超過100m的水域離岸很遠。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電機組適用范圍。據統(tǒng)計，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)計結果如表3和表4所示。目前，國內固定式海上風電場離岸距離最遠已達55km，最深已超40m，因此，從離岸距離來說，我國建設漂浮式風電場在可接受范圍內，山東、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等省份具有較好的漂浮式風電場市場前景。

漂浮式風電機組基礎分類及基本特點

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

Barge（駁船式）：駁船式基礎目前主要以Ideol公司的Damping-Pool為主流型式，是四邊形中間鏤空的結構。方形鏤空結構類似于月池，在使得整體水線面面積較小的同時，還能起到阻尼作用，從而改善整體運動性能。基礎材質為混凝土或鋼材，采用系泊定位。相對于陸上風電和其他漂浮式基礎型式，該基礎裝配可在碼頭完成，更加容易實現批量化，成本較低；同時，以混凝土為風電機組基礎材料，使得基礎建造場地臨近目標風電場，可進一步減少運輸成本。

Semi（半潛式）：主體多為三浮筒或四浮筒結構，設垂蕩板、系泊錨固系統(tǒng)及壓艙系統(tǒng)。通過調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，機組運輸安裝難度小。可在船塢內完成整個風電機組和浮動平臺組裝，塢內放水起浮，出塢，拖航，整體拖拽到機位點進行系泊錨固。

Spar（單立柱式）：單立柱式基礎由過渡段、浮力艙、壓載艙以及系泊系統(tǒng)構成，通過壓載艙使平臺的重心低于浮心，以此保證結構穩(wěn)定。該結構基礎的主體是一個空腔鋼制圓筒，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力機和系泊纜的重量，通過底部壓載艙可使浮體重心低于浮心，使平臺及上部結構保持穩(wěn)定。Spar底部壓載艙分為固定壓載艙和臨時浮艙，平臺系統(tǒng)的大部分壓載是由固定壓載艙提供的。臨時浮艙可以在將浮體結構拖航至指定海域后，注入壓載水使浮體自行扶正豎立。

TLP（張力腿式）：張力腿式平臺由中間浮體和系泊系統(tǒng)構成，通過張力腱系統(tǒng)使結構保持穩(wěn)態(tài)，結構較Spar更緊湊，較Semi更簡單。平臺通過自身結構產生的浮力遠大于重力，剩余浮力與張力腿的預張力平衡。張力腿的預張力使平臺平面外的運動（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，會產生面內運動（橫蕩、縱蕩和首搖）。可以在碼頭完成整個風電機組和浮動平臺的組裝，但是在連接張力筋之前，張力腿平臺自穩(wěn)性較差，需采取一定工程措施才能進行整體運輸。

漂浮式風電機組基礎適用性分析

漂浮式風電機組基礎適用性分析即選型分析，需要考慮的因素主要有：水深適應性、運動性能適應性、技術成熟度、建造復雜度、運輸安裝難度、系泊錨固系統(tǒng)設計及安裝難度等。

一、水深適應性

統(tǒng)計目前已有的樣機設計方案，4種漂浮式風電機組基礎型式的適用水深如表5所示。由表可知，Barge平臺的水深適應能力最強，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，該類型平臺的吃水深度為7m左右，具有優(yōu)越的吃水性能，是一種具有較大應用潛力的基礎型式。其次為半潛式型式，具有50m以上水深適應能力。駁船式和半潛式平臺由于浮體吃水較小，其工作水深可以比其他類型的平臺更淺，這對開發(fā)30～50m水深的近海風電場具有巨大作用。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型式。對于TLP平臺，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平臺對運動和穩(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型式較大的吃水對于大陸架延伸范圍廣、坡度緩的我國海域適應能力有限。

二、運動性能適應性

以上所述4種漂浮式基礎類型，其運動響應特點完全不同。針對TLP 型式，其平面內剛度很小，故其橫蕩、縱蕩和首搖運動幅值較大，但是其平面外運動幅值很小。漂浮式風電平臺對平面外的要求較高，如果從運動角度考慮，TLP 平臺無疑是最優(yōu)的漂浮式基礎型式。Spar式基礎由于遭受較小的載荷，其運動固有周期也不在波浪能量周期范圍內，故此，其運動幅值較小，但是較TLP 平臺還有一定差距。針對Semi和Barge式基礎，由于要保證穩(wěn)定性，其結構尺寸都較大，遭受較大的波浪載荷，且其運動比較靠近波浪能量范圍，因此，其運動幅度較大。

三、技術成熟度

針對海上漂浮式風電機組，國際上對技術成熟度（TRL）的定義如表6所示。

目前階段，Spar和Semi型式是技術成熟度最高的2種型式，已經具有小批量的示范風電場，具備商業(yè)化條件和基礎。Barge型式次之，目前處于單樣機試驗驗證階段。TLP的方案目前處于水池試驗驗證階段，還未見示范樣機。不過據報道，全球首個TLP型式漂浮式風電項目正在實施，由SBM offshore 和IFP Energies Nouvelles設計，項目名為Provence Grand Large（PGL），預計在2022年下半年建成投運。

四、建造復雜度

從建造復雜性考慮，TLP和Spar型式的結構簡單，建造工藝容易滿足。Barge和Semi型式的結構尺寸大，結構相對復雜，建造難度要高于TLP和Spar型式。4種型式的建造復雜度如表7所示。

五、運輸安裝難度

TLP是4種平臺中安裝難度最大的型式，由于需要進行張力腱系統(tǒng)的張拉，對水下作業(yè)要求高。另外，聚酯材質的張力腱還沒有實現真正的工業(yè)應用。在所有漂浮式基礎類型中，Spar型式的運輸安裝難度僅次于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)地點并扶正。機組和平臺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種型式的運輸安裝難度如表8所示。

六、系泊錨固系統(tǒng)設計及安裝難度

系泊錨固系統(tǒng)是漂浮式風電機組中成本占比較大的部分。不同漂浮式基礎型式的系泊錨固系統(tǒng)有所差異。系泊型式與基礎型式直接相關，其主要有懸鏈線系泊、半張緊系泊、張力腿系泊。錨固基礎型式的選擇要結合具體海域的地質條件，我國海域海底地質的初步統(tǒng)計情況如表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，可結合不同的地質條件進行選擇使用。如表10所示，TLP是4種基礎型式中系泊錨固系統(tǒng)設計及安裝難度最大的型式。

應用實例分析

目前，沒有任何一種基礎型式會適用于所有環(huán)境，故需根據目標海域條件選定基礎方案。本文以廣東湛江某機位點的海域為應用實例，結合如上所述需考慮的因素，使用適用性分析量化表（見表11）進行適用性分析，給出分析結果建議。該海域平均水深65m左右，海底地質條件為砂土及粘性土，最大有義波高5.76m，流速較高，達3～4m/s左右。表11中的量化對應關系為，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性分析的評價結果。

由表11可知，Semi型式為首選基礎型式，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。

結論

本文對目前國內外漂浮式風電機組基礎的應用現狀進行了梳理；結合我國海域的風能資源和水深特點進行了漂浮式風電場適用區(qū)域分析；基于4種漂浮式風電機組基礎型式的特點，闡述了漂浮式風電機組基礎選型需要考慮的因素；以某機位點海域為應用實例，進行漂浮式風電機組基礎適用性分析，給出了基礎型式選擇建議。得出的主要結論如下：

（1）我國海域漂浮式風電機組基礎的適用區(qū)域將以山東、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等省份附近海域為主，具有較好的漂浮式風電場市場前景。35～50m是漂浮式風電機組基礎的價值洼地，未來在技術和產業(yè)鏈成熟的情況下，是具有極大開發(fā)價值的潛在區(qū)域。

（2）4種基礎型式各有其特點，漂浮式風電機組基礎適用性分析時需要考慮6個因素，分別為水深適應性、運動性能適應性、技術成熟度、建造復雜度、運輸安裝難度、系泊錨固系統(tǒng)設計及安裝難度。

（3）構建了我國海域漂浮式風電機組基礎適用性分析評價方法，并以廣東湛江某海域為應用實例進行了具體分析，給出了首選半潛式型式的評價建議。

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