海上風力發電基礎形式及技術要點探析

蒲捷

中國電建集團湖北工程有限公司 湖北 武漢 430040

引言

經濟迅速發展，改善人們生活條件的同時，也加快了各行業領域向前發展，同時對電力能源需求日益增長，環境污染是傳統電力生產存在的主要問題，近些年來，在可持續發展戰略推動作用下，我國愈加重視海上風力發電項目建設，其中海床地質條件、復雜海洋環境以及其他外部因素所引起的荷載變化限制著海上風力發電項目建設推進?；诤Ｉ巷L力發電基礎形式，如何精準把握關鍵技術要點，實現海上風力發電項目高質量建設，是目前各相關人員需要考慮的問題。

1 海上風力發電發展現狀分析

風力發電是一種綠色性、環保性的能源開發技術，風能作為可再生能源，新時期推進海上風力發電項目深入建設，充分利用豐富的海上風能資源，不僅能夠有效緩解目前我國能源緊張問題，在一定程度上也能積極推進我國風電事業高質量發展。根據國家能源局印發的《風電發展“十三五”規劃》文件，提出在新時期爭取全國海上風電建設達成1000萬kW規模目標；其中無過渡段單樁基礎結構在海上風力發電項目建設中基本實現了全面覆蓋，精準把控建設成本投入同時，也推動著海上風力發電關鍵技術創新發展[1]。

海上風力發電優勢具體表現在以下幾個方面：

第一，降低成本。相較于陸地風況，海上風況穩定性明顯高于前者，海上風速高，風切小，可調節塔架高度，進而降低海上風電項目建設成本。

第二，延長風機使用期限。因海上主導風向穩定，在一定程度上能夠有效緩解運行過程中風電機組疲勞程度，延長風機使用期限，減少后期維修與養護工作。

第三，增加發電量。各項數據表明，沿海岸10km處的海上風速遠高于陸地風速，基于同一標準發電機組運行條件，海上風力發電機組能夠進一步增加電力能源產出量，即使風電機組在運行過程中產生較大噪音，也不會對周圍環境帶來影響，在再加上選用新型材質大型葉片，發電量有效增加的同時，也極大地縮減了運營成本。由此說明，海上風力發電未來具有良好發展前景，掌握關鍵技術，加強新技術研發，充分利用海上風能，切實提高我國風能利用率。

2 海上風力發電基礎形式

2.1 重力式海上風力發電基礎

在實際海上風力發電基礎設計過程中，結合風電設備運行要求以及具體安裝特點，在此基礎上對原有船塢及碼頭工程技術加以改進，即為重力式海上風力發電基礎設計，所涉及的相關技術已經具備完善的應用體系，能夠更好地控制建設成本。對基礎自身材料及具備承載風電設備的重力進行合理利用，以此來保證海床上整個發電基礎設施運行穩定性與安全性，在實際基礎設計環節，需要精準計算風電設備運行及復雜海上環境所產生的荷載，確保技術參數準確性非常必要。海床工程地質條件、海水深度與成本預算是制約重力式海上風力發電基礎形式應用的幾項關鍵要素，鑒于重力式海上風力發電基礎對運行穩定性要求極高綜合考慮，必須要保證海床天然結構具有較高堅實度，并要提前做好對海床預處理工作，避免沉入海底的預制基礎無法發揮其功能作用[2]。另外，由于大部分海床結構有軟土層存在，某種程度上導致缺少一定堅實度，進而促使提前預處理工序需要投入更多資金，導致重力式海上風力發電基礎設計成本投入增加，再加上技術水平限制，該類型海上風力發電基礎形式只適用于小于10m海水深度的海域風力發電建設。

2.2 樁基式海上風力發電基礎

按照風力設備運行要求和安裝特點，樁基式海上風力發電基礎設計又被劃分為單樁、多樁及三角樁3種基礎形式。

單樁基礎形式：選用大直徑鋼管組成單樁基礎結構，是現階段風力發電機組設計中使用頻率最高的基礎形式，在海床夯入一根鋼管，或以鉆孔安裝的方式插入大直徑鋼管，形成海床結構基礎，海床地質條件決定著鋼管插入海床的深度，利用樁側土壓力完成風機荷載傳遞，此類型樁基式海上風力發電適用于20~25m海水深度范圍區間內的海域風電場項目建設，并對海床地質條件有著較高要求，無須進行海床預處理，且實際安裝便捷，極大地縮減了安裝時間。若鋼管直徑過大，則需要選擇專項打樁船進行輔助作業開展，增加了海上風電場項目建設成本。

多樁基礎形式：參照海上油氣開發技術，在海床上夯入多個樁基，可根據風電設備運行要求調整樁基夯入方向，該基礎結構能夠進一步提升對海上風浪、海水動力的抵抗性，此類型樁基式海上風力發電基礎適用于中等以上海水深度的海域風電場項目建設。一般情況下，針對多樁基礎上部結構確定，需要綜合考慮海水深度、海水流動等外部因素，外部因素與風電設備運行所產生的荷載直接影響結構穩定性。實際安裝過程中，同樣省去海床預處理環節，對不同地質條件的海床均具有良好適用性，任何海水深度的海域風電場項目建設需求可充分滿足，安裝操作便捷程度高，缺點是實際成本投入較多，且不方便移動[3]。

三角樁基礎形式：在一定海水深度的海床夯入中心柱和三根圓柱鋼管，組成三腿支撐結構，并以特殊的灌漿方式將其與上部結構相互連接，中心柱在該結構中發揮著支撐風機塔架的功能作用，能夠有效促進該結構整體強度提升。部分樁基式海上風力發電基礎形式參考圖1。

圖1 部分樁基式海上風力發電基礎形式

除此之外，導管架基礎也是海上風力發電項目建設中較常應用的基礎形式，風電設備運行與復雜海洋環境所產生的荷載對風力發電基礎結構有著直接影響，出于對此方面因素的綜合考慮，導管架采用重量較輕的鋼材制作而成，具備較強的穩定性，對不同類型的海床地質條件均有著良好適用性，同時滿足海水深度較大的海域風電場建設需要[4]。由兩個部分組成導管架基礎結構，一部分將主筒體、平臺甲板以及支撐等器件作為該基礎結構過渡段，另一部分則是根據實際情況，將先、后打樁導管架作為該基礎結構主體，最終在此基礎上確定是采用三腿圓柱鋼管基礎或四腿圓柱鋼管基礎。導管架基礎在海上風力發電項目建設中有著十分可觀的發展前景。

2.3 負壓式海上風力發電基礎

預制結構和運輸條件制約著重力式基礎在海上風力發電項目建設中的實踐應用，出于對此方面情況綜合考慮，設計人員在此基礎上對其重新進行設計和改進，利用外力并采用桶式結構方式將風電設備固定在海床上，待桶式結構安裝完成后，利用該結構制造負壓并進行傳遞，在負壓作用下幫助風電設備吸附在海床上。海床附近海浪沖刷與海水腐蝕影響該類型基礎結構實踐應用效果，若負壓作用被破壞，將難以保證整個風電設施運行穩定性，因此，在具體實踐應用過程中，需要高度重視這一問題，采取針對性防護措施或防護技術，解決此方面問題，從而提高負壓式基礎結構應用效果。

3 海上風力發電關鍵技術要點

相較于陸地風力發電項目建設，海上風力發電建設需要考慮多方面因素，如復雜的海洋環境所產生的荷載、海水沖刷與腐蝕作用等，這些外部因素均直接影響著整個海上風力發電設施運轉穩定性與安全性，進而對海上風力發電技術應用提出嚴格要求，切實解決與克服海上風力發電項目建設難題[5]。下面將著重闡述海上風力發電關鍵技術要點：

3.1 電機結構合理化設計

從結構力學角度上分析，外部受力、變形等因素影響著電機結構穩定性，由于大部分大電機普遍具有尺寸大、質量大等特征，在實際電機結構設計環節，可考慮質量較輕且強度較高的材料，結合具有安裝要求，科學規劃基礎結構運輸，打破運輸條件制約，確保各類型基礎結構均具備良好的實踐應用效果。

3.2 葉片材質選擇

較高的葉尖速度比保持必然要選擇具備大型葉片的海上風力發電機，其中葉片材質決定著葉片能量捕捉能力，在實際選擇葉片材質過程中，需要綜合考慮整體質量、強度等因素。例如，選擇目前市場新型輕質材料，如碳纖維、聚醚胺、環氧樹脂等，根據海上風力發電項目建設特點，確定葉片材質，既能完美契合風電葉片大型化、輕量化的發展方向，又能切實提高風力應用效率。

3.3 冷卻系統

冷卻系統在海上風力發電機組中承擔著冷卻發熱構件的重要作用，如變流器、齒輪箱這一類發熱構件在運轉過程中，較常出現溫度升高情況，一旦溫度超出發熱構件所承受最高溫度限值，必然會導致電機結構變形，造成風電機組無法正常運行。在設計海上風電發電機組中的冷卻系統時，需要綜合考慮上述發熱構件工作效率與使用期限，確保冷卻系統能夠及時對升高溫度的發熱構件進行降溫處理，有效規避電機結構變形問題出現[6]?？筛鶕Ｉ巷L力發電機運轉系統實際產生總熱量確定冷卻系統的降溫方式，如液冷方式，既能發揮自身較強的導熱能力，又能避免海水腐蝕，延長使用壽命，降低后期維修成本投入。

通過對目前我國風電規模情況的調研，風力發電逐漸成為供應我國社會經濟發展所需電力能源的主要渠道，國內東部沿海地區具備極為豐富的風力能源，加強對海上風能資源綜合利用，可有效緩解國內現階段常規能源緊張問題，相較于陸地風力發電建設，海上風力發電不占用土地資源，對生態環境影響較小，再加上科學技術水平不斷提高，極大地改善了海上風電建設條件。針對我國未來海上風力發電技術發展，仍要加強關鍵技術瓶頸突破，積極響應國家可持續發展戰略號召，樹立低碳環保理念，著力于推進海上風力發電向更高層次建設，為國家社會經濟發展提供穩定電力輸送。

4 結束語

綜上所述，重力式基礎、樁基式基礎及負壓式基礎等是現階段海上風力發電項目建設中較常應用的基礎形式，在實際安裝過程中，需要充分考慮海床地質條件、海洋環境以及風電設備運行等其他外部因素所引起的荷載變化，直接影響著整個海上風力發電基礎結構穩定性與強度，應結合具體情況，選擇相應技術手段，應用具有較高經濟性、適用性的基礎形式，從而保障海上風力發電建設水平。