海上風(fēng)電安裝技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

王革棟

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 201999）

一、海上風(fēng)電的發(fā)展背景、發(fā)展優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀

在石油能源逐漸消耗的今天，人類為防范石油能源枯竭的隱患并解決石油能源消耗帶來(lái)的污染問(wèn)題，世界各國(guó)逐漸向視野投向可再生的清潔能源，海洋作為地球最大也是最為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其蘊(yùn)含著無(wú)比豐富的自然資源，在風(fēng)力發(fā)電這一領(lǐng)域，海洋也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，歐洲國(guó)家由于其得天獨(dú)厚的環(huán)地中海地理優(yōu)勢(shì)與政治經(jīng)濟(jì)原因，率先進(jìn)行了海上風(fēng)電技術(shù)的探索，歐洲主要的海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展國(guó)家包括英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和瑞典等，其中德國(guó)的發(fā)展體量最大，發(fā)展技術(shù)最為先進(jìn)，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電在國(guó)家整體電力構(gòu)架中占比最大，海上風(fēng)電發(fā)電量可達(dá)60 兆瓦，約占全國(guó)總發(fā)電量的6%～7%，建設(shè)在海上的離岸型風(fēng)電將在未來(lái)德國(guó)能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮決定性作用。新建成的海上風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)發(fā)電,標(biāo)志著德國(guó)利用可再生能源進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型與傳統(tǒng)領(lǐng)域中的資本逐漸飽和，我國(guó)于二十一世紀(jì)初開(kāi)始了清潔能源的布局，同時(shí)我國(guó)幅員遼闊，東南沿海地區(qū)漫長(zhǎng)的海岸線每年都有季節(jié)性的臺(tái)風(fēng)，此外非臺(tái)風(fēng)季也有著充分的風(fēng)力資源，但也由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響，我國(guó)海上風(fēng)力資源的利用條件比歐洲國(guó)家更為復(fù)雜，同時(shí)技術(shù)與裝備也需要我國(guó)自主研發(fā)。我國(guó)目前的海上發(fā)電戰(zhàn)略布局眾多，并由地方政府的有關(guān)部門(mén)與大型能源企業(yè)及投資企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)與管理，上海、廣州、滄州、大連等地的海上風(fēng)電廠在過(guò)去的二十年中逐步建成并投入使用，給我國(guó)清潔能源的戰(zhàn)略布局打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

海上風(fēng)電具有眾多優(yōu)勢(shì)，其中具有不可替代性又是包括海上平均空氣密度高、風(fēng)能資源的能量效益高，從而實(shí)現(xiàn)了比陸地風(fēng)電平均高出30%的發(fā)電量；海上空間資源遼闊，發(fā)電廠規(guī)模可以建設(shè)較大，同時(shí)沿海地區(qū)的用電需求更大；海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小、風(fēng)切變小，受到地形、氣候影響小；海上發(fā)電的電磁干擾因素與人為干擾因素較少。海上風(fēng)電市場(chǎng)還極具發(fā)展規(guī)模，可以優(yōu)化我國(guó)的投資結(jié)構(gòu)，主力我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

二、海上風(fēng)電安裝技術(shù)與裝備及發(fā)展現(xiàn)狀的分析

海上風(fēng)電安裝技術(shù)是指對(duì)于海上風(fēng)機(jī)的支撐技術(shù)與安裝技術(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電所需的設(shè)備都是大型設(shè)備，因此需要超大型的運(yùn)輸與起重設(shè)備進(jìn)行安裝，進(jìn)行海上安裝作業(yè)的安裝設(shè)備主要分為運(yùn)輸船、起重船、安裝船，此外還有耦合性很強(qiáng)的自升式平臺(tái)、自航自升風(fēng)電安裝穿以適應(yīng)惡劣天氣與惡劣海域的安裝工作。

對(duì)于風(fēng)電支撐技術(shù)而言，根據(jù)海域情況與離岸距離的不同主要分為底部固定式支撐與懸浮式支撐，底部固定式支撐適用于水深小于10m 的淺海區(qū)域，利用混凝土材料或沙礫材料進(jìn)行重箱填埋，并引導(dǎo)其落入海底的指定地點(diǎn)，重箱頂部露出海面的部分采用圓錐形結(jié)構(gòu)以減少海上浮冰的碰撞，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，圓柱鋼管取代了鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)支撐底架的構(gòu)建；對(duì)于水深25m 以內(nèi)的海洋環(huán)境，可以采用大直徑的圓柱形鋼管作為單樁嵌入海床，但該技術(shù)對(duì)于海域內(nèi)土壤的松軟程度有較高的要求，同時(shí)不適用于巨石環(huán)境的海域安裝；針對(duì)擁有巨石但海水流速較為穩(wěn)定的海底環(huán)境，采用三腳架結(jié)構(gòu)的鋼管嵌入巨石縫隙的土壤中，并利用三角形結(jié)構(gòu)的鋼架支撐風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)的重量；對(duì)于深度超過(guò)50m 的海域，利用鋼柱進(jìn)行支撐的難度與成本都過(guò)大，因此采用懸浮式的支撐技術(shù)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與風(fēng)塔的支撐。懸浮式的支撐主要是通過(guò)深海的大浮力實(shí)現(xiàn)，但完全漂浮于海面上的結(jié)構(gòu)容易受到潮汐以及風(fēng)浪的影響，因此采用半浸入式的支撐，主體支撐結(jié)構(gòu)浸于水中，通過(guò)纜索與海底的錨錠連接。圖一為半浸入式的海上風(fēng)電支撐架構(gòu)的示意圖。

圖1 半浸入式的海上風(fēng)電支撐架構(gòu)

海上風(fēng)電安裝流程大致分為準(zhǔn)備階段、輔助設(shè)備鋪設(shè)階段、測(cè)試階段、安裝階段與接連階段，在準(zhǔn)備階段，工程師主要進(jìn)行對(duì)于場(chǎng)址的評(píng)估，主要的評(píng)估內(nèi)容包括對(duì)于附近海域的深度、海域流速、所受季節(jié)性洋流影響的程度、離岸距離以及陸上（港口）運(yùn)輸條件等。評(píng)估完上述一系列相關(guān)因素后即制定設(shè)備制造、運(yùn)輸計(jì)劃，對(duì)于整體組裝式的海上風(fēng)電站還需要進(jìn)行預(yù)組裝，由于風(fēng)電設(shè)備體積與重量巨大，詳細(xì)周密的運(yùn)輸計(jì)劃才能保證設(shè)備的可靠性與安裝的穩(wěn)定性。在輔助設(shè)備鋪設(shè)與測(cè)試階段，主要進(jìn)行輸變電設(shè)備的制造、運(yùn)輸以及安裝，在下海前，電力機(jī)組需要在岸上進(jìn)行預(yù)組與測(cè)試，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。完成上述階段后，即開(kāi)始海上風(fēng)電的安裝，首先根據(jù)探測(cè)環(huán)境與預(yù)先計(jì)劃進(jìn)行塔架的制作與安裝，之后將風(fēng)機(jī)放置于預(yù)定位置，再通過(guò)鋼纜進(jìn)行連接與固定，這一環(huán)節(jié)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于打樁作業(yè)。完成風(fēng)電機(jī)組的預(yù)置后，需要進(jìn)行上層風(fēng)電設(shè)備的吊裝與調(diào)試，完成了完整的風(fēng)力機(jī)組安裝后，進(jìn)行電力系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，將各系統(tǒng)并聯(lián)組裝實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)安裝的全過(guò)程。

對(duì)于安裝技術(shù)，主要有支撐升降技術(shù)、吊裝技術(shù)、定位技術(shù)以及運(yùn)輸技術(shù)，支撐升降技術(shù)主要應(yīng)用于塔架的安裝過(guò)程，由于塔架的縱深很高同時(shí)屬于海底環(huán)境下作業(yè)，因此需要進(jìn)行支撐升降系統(tǒng)輔助安裝并實(shí)現(xiàn)塔架對(duì)于風(fēng)力、波浪力、海流力等外力因素沖擊與負(fù)荷的適應(yīng)，目前應(yīng)用最為廣泛的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是三角型結(jié)構(gòu)，支撐升降由多個(gè)三腳架組成，每一個(gè)腳樁里都裝有多臺(tái)電機(jī)或馬達(dá)，連接齒輪達(dá)到平臺(tái)升降的目的。

圖一是中國(guó)華電公司在福州進(jìn)行5MW 風(fēng)機(jī)安裝項(xiàng)目的吊裝安裝過(guò)程，吊裝技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組上層安裝部分，風(fēng)電設(shè)備體積巨大，在海面上的部分高度可達(dá)數(shù)百米，因此需要采用吊裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)葉與風(fēng)機(jī)的安裝。在安裝過(guò)程中，風(fēng)葉的安裝是整個(gè)安裝環(huán)節(jié)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，由于風(fēng)葉物理結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)型，在空中由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)時(shí)，受力情況變化極大，同時(shí)不能有任何形式的物理碰撞，需要對(duì)吊裝過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)運(yùn)用輪轂組件構(gòu)成的專用吊機(jī)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的組裝。

圖2 吊裝技術(shù)在海上風(fēng)電中的應(yīng)用

由于海上環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，安裝過(guò)程可能會(huì)受到各種環(huán)境的交叉影響，因此需要控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，海上部分的風(fēng)電機(jī)組具有體積大、重量大、重心高的特點(diǎn)，因此也需要精準(zhǔn)定位系統(tǒng)保證精準(zhǔn)安裝，精準(zhǔn)定位的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)風(fēng)電系統(tǒng)采用高強(qiáng)度螺栓的固定與終端定位系統(tǒng)聯(lián)合作用，中鐵大橋局五公司與橋梁科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)的“大橋云”終端定位系能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電項(xiàng)目導(dǎo)向架快速精準(zhǔn)定位，這一系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位加角度傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化定位，在節(jié)約施工成本的同時(shí)降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)輸技術(shù)貫穿海上風(fēng)電安裝的全過(guò)程，運(yùn)輸技術(shù)不僅包括前期的組件運(yùn)輸，還包含施工過(guò)程中的移動(dòng)組裝問(wèn)題，當(dāng)?shù)跹b船進(jìn)行吊裝工作時(shí)，由于重心的不斷增高，同時(shí)安裝吊臂外伸，船舶會(huì)受到很大的側(cè)傾力，這會(huì)使得船舶產(chǎn)生一個(gè)側(cè)傾角，不僅過(guò)大的側(cè)傾角很容易造成船舶的側(cè)翻，較小的側(cè)傾角也會(huì)導(dǎo)致船體進(jìn)水等問(wèn)題，采用配載儀能夠有效的解決這一問(wèn)題。

三、海上風(fēng)電安裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

回顧海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展歷程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展逐步向適應(yīng)性高、容量高以及突破更復(fù)雜海域的方向發(fā)展，隨著項(xiàng)目體量以及項(xiàng)目難度的不斷增大，對(duì)于海上風(fēng)電安裝技術(shù)及設(shè)備也有著更高的要求。

對(duì)于適應(yīng)性而言，主要是指施工團(tuán)隊(duì)對(duì)于一般工程的設(shè)計(jì)可靠性與設(shè)計(jì)效率，加強(qiáng)專業(yè)人才的培養(yǎng)與專業(yè)施工隊(duì)伍的建設(shè)能夠有效的解決這一點(diǎn)，適應(yīng)性還包含項(xiàng)目的可行性，這就要求施工團(tuán)隊(duì)考慮施工成本并盡可能地降低施工成本，同時(shí)利用豐富的經(jīng)驗(yàn)選擇合適的風(fēng)電安裝設(shè)備，由此可見(jiàn)，風(fēng)電施工隊(duì)伍的建設(shè)也需要滿足不同的標(biāo)準(zhǔn)，即要有能夠利用傳統(tǒng)方案與一般設(shè)備進(jìn)行施工的團(tuán)隊(duì)，也要有能夠造作先進(jìn)的自升式平臺(tái)與自航自升式安裝船的施工團(tuán)隊(duì)。對(duì)于大容量而言，大容量的風(fēng)電機(jī)組以為更大的發(fā)電量，同時(shí)據(jù)研究表明海上風(fēng)機(jī)安裝功率與成本呈現(xiàn)反比，20MW 的大容量風(fēng)電機(jī)組是目前發(fā)展的重點(diǎn)，但更大的功率意味著機(jī)組有著更大的重量、體積，安裝難度也隨之增大，進(jìn)行配套技術(shù)與設(shè)備的跟進(jìn)更新，才能夠?qū)崿F(xiàn)大容量風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。突破更為復(fù)雜海域是我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展的必經(jīng)之路，這是由于我國(guó)漫長(zhǎng)的海岸線以及復(fù)雜的海洋情況等因素的影響，我國(guó)離岸10KM，水深15m～20m 的大陸架結(jié)構(gòu)在遍布于東南沿海的幾個(gè)重要海域，同時(shí)深水海域有著更為豐富的風(fēng)能，能夠有效提高發(fā)電效率，同時(shí)對(duì)于大陸環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)影響較小，因此很適合于未來(lái)的發(fā)展。根據(jù)上述分析可知，深水海域的安裝技術(shù)主要以懸浮支撐技術(shù)為主，因此大力發(fā)展懸浮式支撐結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)半浸入式平臺(tái)于風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝作業(yè)，并考慮后續(xù)的維護(hù)工作，在多方面共同發(fā)展。