珠海桂山200MW海上示范风场风电机组导管架基础方案设计

朱荣华，李少清，张美阳

（广东明阳风电产业集团，中山 528437）

珠海桂山200MW海上示范风场风电机组导管架基础方案设计

朱荣华，李少清，张美阳

（广东明阳风电产业集团，中山 528437）

本文针对广东省第一个海上示范风场，也是中国目前最大的海上示范风场——珠海桂山200MW海上风场的海况和地质条件，并充分考虑了在中国制造的可行性和经济性以及海上安装施工和后续运营维护的便捷性，在中国首次提出了一种海上风电机组导管架基础方案。经过专家多次评审，该方案被确认为适合该项目的最优方案。

海上风场；基础；导管架

0 引言

在目前气候变化压力不断加大，陆上风资源利用饱和的情况下，发展以海上风电为代表的清洁能源，已成为各国应对未来能源和气候变化的长期策略。中国大陆海岸线长，沿海风能资源优秀。目前国内海上风电发展处于起步阶段，我国近海风电场可开发风能资源储量是陆上实际可开发风能资源储量的3倍，其风能储量远高于陆上，未来发展空间巨大。海上风力资源远远优于陆地风力资源。随着大型兆瓦级风电机组研制成功，风能的开发逐渐由陆地转向海上。

目前限制海上风场大规模发展的瓶颈除了海上风电机组本身外，海上风电工程装备价格高昂以及现有安装技术不够成熟亦对其造成影响。由于海上风电机组安装设备和安装方法以及海上风电机组支撑结构在全世界范围内刚刚起步，具有很大的技术提升空间和成本降价空间。因此，进行新型、可靠、低成本海上风电机组基础的研究与开发意义深远。

1 国内外发展现状

海上风电发展最早始于欧洲。欧洲海上风电场项目始于20世纪90年代初。1991年，世界上第一个海上风电场建于丹麦波罗的海Vindeby附近[1]。海上风电机组基础形式主要取决于水深和海底地质条件，同时与风电机组的安装方式有关。可选择的基础种类较多，目前世界上使用的海上风电机组基础主要为重力式基础[2]、单桩基础[3]、水下三桩基础[4]、水上三桩基础[5]、四桩导管架基础[6]几种，其中单桩基础和四桩导管架基础应用较广。重力式基础适用于浅水海域，造价低不受海床影响。单桩式基础自重轻、构造简单但是不适合海床有岩层的海域。水上三桩基础结构调平困难，不适合海床有岩层的海域。水下三桩基础、导管架基础可借鉴以往石油平台施工经验，但设计方面与石油平台不同。海上风电机组结构水平荷载和倾覆力矩远远大于海洋石油平台结构，而竖向荷载较之要小。因此，海上风电机组基础结构承载形式和特点不同于传统海洋石油平台设计[7]，要考虑侧向荷载的影响。

2 珠海桂山200MW海上示范风场地质和海况介绍

珠海桂山200MW海上风电场属于近海风电场，位于珠江河口的伶仃洋水域，风电场区内分布有6个岛屿，以低丘为主。场区内地形地貌形态简单，水下地形较平坦，海底泥面标高为－6m—－12m。风场区域软土分布范围广、厚度大，其稳定性极差，在Ⅶ度地震作用下海床浅部分布的淤泥存在震陷的可能；场区基岩风化差异显著，风化层厚度大，但厚薄不均，地基均匀性总体较差，场地属于抗震不利地段。场区20m深度范围内存在饱和、松散的砾沙层，存在轻微中等液化的可能。风场区上覆淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉细沙等土层地基承载力均较低，压缩性较高，不适宜作为风电机组基础持力层。

风电场所在的珠海市位于广东省南部，属于亚热带海洋性季风气候。冬季盛行东北季风，夏季多西南季风，春秋为过渡期。夏秋季4－9月份为热带风暴的活跃季节，尤以7－9月份最为活跃。极端高潮位为3.41m，设计高潮位为1.8m。工程海域表层最大流速为2.1m/s,桂山场址所在海域海浪以涌浪为主，长浪向为SE出现频率为40.4%，珠江口NE-SE方向的持续大风，易产生灾害性大浪。

3 海上风电机组基础介绍

海上风电机组基础主要为单桩式基础、水下三桩基础、水上三桩基础、四桩导管架基础及重力式基础几种，如图1所示。下面对这几种基础形式的特点分别进行介绍。

3.1 重力式基础

重力式基础一般为混凝土预制件适合水深较浅的区域（小于10m），但在过浅的区域可能会受到波浪的影响。重力式基础可在陆上制作完成，安装时填充压载物无需打桩，成本低廉。混凝土重力式基础的制作工艺简单，完全靠自身重量放入海底，适合各种类型的海床。但是混凝土重力式基础重量过大（单个重量在1200t左右），给海上运输带来巨大挑战。

3.2 单桩基础

单桩基础又称为单根钢管桩基础，适用于水深小于30m的海域。其结构特点是自重轻、构造简单、受力明确。单桩基础由一个直径3m－4.5m之间的钢桩构成。钢桩打入海底18m－25m，打入深度由海床地面类型确定。这种基础的优点是不用整理海床，但是需要设置防冲刷保护，而且不适用于海床内有岩石的海域。由于大直径钢桩结构受波浪荷载影响较小，目前此种基础结构在欧洲风电场应用较广。

3.3 水下三桩基础

水下三桩基础，适用于水深小于30m的海域。采用对称三腿支撑结构，整个基础通过打入海底的三根钢桩连接。钢管桩通过灌浆与上部结构相连。此种基础结构由单塔架结构演化形成，目前该基础形式已在德国Alpha Ventus风场使用。与单桩基础相比，水下三桩基础降低了桩的直径，减少了施工难度，但在淤泥质海床中易发生倾斜，且纠偏难度大。此种基础形式对焊接工艺要求较高，生产制造困难。

3.4 水上三桩基础

水上三桩基础（Tripile）为德国BARD海上风场业主持有专利的三桩基础形式，插入海底桩长3m。此基础结构打桩施工难度小，重量轻，与其它基础相比造价更低。但是此种基础形式也存在很多问题，如上部装套调平困难，三根桩在风电机组侧向荷载作用下易发生扭动等。因此，水上三桩基础没有在全世界范围内大规模推广。

3.5 导管架基础

导管架式基础（Jacket）是深海海域风电场未来发展趋势，目前欧洲已有许多风场采用此种基础形式。该基础结构强度高、安装噪音小、重量轻、运输安装方便，可作为大型风电机组支撑结构。导管架基础受波浪荷载影响较小，适用水深范围为5m－50m的海域，而且安装速度快，现场施工简单，与其它基础形式相比较造价低廉，而且可借鉴以往石油平台的设计施工经验，是一种成熟的海上风电机组基础结构。

4 导管架基础经济性分析

导管架基础相对于其他基础形式，重量轻但焊接工作量大。欧洲很多项目推荐采用单桩或水下三桩基础，目的是为了尽可能降低加工过程中高昂的人工费用。但在中国不同基础的加工费相差不大，制造成本完全由用钢量的多少决定，即由基础结构的重量决定。应用于珠海桂山200MW海上示范风场的导管架基础，与目前欧洲所使用的传统单桩或多桩海上风电机组基础相比用钢量节约近40%，而且中国近几年蓬勃发展的船舶和海工结构制造业，无论在加工技术方面还是在制造成本方面均为导管架基础的建造创造了条件。

5 珠海桂山海上风电机组基础设计

本文提出一种适合中国海况的海上风电平台基础结构，如图2所示。

此基础形式为外挑平台式海上风电基础结构。该结构为导管架基础结构的改进型，由四条支腿支撑，支腿间有加强斜撑连接，支腿上部设置平台。平台下部设置钢梁外挑，以增大结构平台面积。风电机组塔筒通过法兰连接于基础上部的塔筒过渡段上，塔筒过渡段由四个斜撑支撑，并且设计有塔架门可供工作人员通过塔筒进入风电机组内部进行维修、养护。外挑平台上放置电器房间，内部可放置配套电器设备。平台及基础结构均为钢结构构件，支腿、斜撑、塔筒过渡段均由钢板卷制而成。

图1 海上风电机组基础图示

与世界上其他基础形式相比，此种形式的基础结构重量更轻、结构传力性能优越，可有效将风电机组引起的侧向弯矩和侧向力传递至支腿。对于传统的海上风电，电器设备如变压器、变频柜等电器件往往放置于塔筒内部。由于塔筒内部空间狭小而且散热困难，电器设备出现故障后拆卸维护困难，因此会增加运维成本。本文所介绍的基础形式，提供了足够大的空间供放置电器设备，解决了传统处理方式中的散热和维护问题，如图3所示。

海上施工与陆上施工不同，海上施工难度大而且船舶及海上工作人员的人力成本高昂。外挑平台式海上风电基础结构可使用较小的船舶进行运维施工，可有效降低维护运营成本。当电器房间内电器件设备出故障需要更换时，可将小型维护船舶停靠于外挑式平台下部，通过打开电器外挑平台部分甲板，利用预先悬挂于电器房间顶部的葫芦吊或其它小型起重装置，将故障设备吊至平台下方小型维护船上，运回码头进行维修更换。电器房间内设置空调系统，可有效过滤空气中的水分和盐分，防止盐雾腐蚀对电器设备造成影响。

图2 海上风电平台基础结构

图3 维护示意图

图4 外挑平台俯视图

图5 桩与导管架支腿链接细部

6 关键技术

由于受海上风浪影响，海上风电机组及基础安装将变得非常困难。外挑平台式基础结构安装所采用的方法是先在海底打四根桩（桩头在泥面以上），然后通过拖轮将在船厂制造完成的外挑平台式基础运输至指定位置，通过自升式平台等安装船舶对基础结构进行吊装，将外挑平台式基础支腿插入桩中。然后在平台甲板上通过灌浆导管向海底钢桩与基础支腿间灌浆，确保基础支腿与钢桩稳固连接。桩与基础支腿间链接方式见图5。风电机组对基础结构所造成的侧向荷载和侧向弯矩可通过支腿、钢桩传递至海底岩层。外挑平台基础部分处于泥面以上，且下部设置挡泥板。

此种基础连接方式及结构特点不但可以有效确保风电机组抵抗波浪荷载、风荷载等恶劣天气的影响，而且针对于中国部分海域淤泥层厚度大的问题使用钢桩与基础连接的方式，有效解决了淤泥层过厚对施工造成的影响。结构重量较传统导管架基础更轻造价更低，上部甲板平台空间更大，方便电器设备的排布。安装维护方便，有效降低了安装施工成本，而且可用于淤泥层较厚的海域，可抵抗台风等恶劣天气的影响。

7 结语

上述海上风电机组基础结构，适用于中国大多数海域的地质条件和海况。涉及海洋工程、船舶工程、结构工程、流体力学、结构动力学等多学科领域，在研发过程中大多数问题都可采用当前这几个领域内的研究手段得以解决[8]。此种基础方案在国内海上风场基础选型及方案评审中得到各方专家的一致好评，被指定为最适合中国当地海域的海上风电基础形式。20世纪以来，世界各国大力发展海上风电，在海上风电关键性技术及难点的研究，商业运营，资源的可持续发展，环境保护等方面取得了重大进展。目前中国海上风电正处于起步阶段，预测未来5－10年内会有极大的发展空间。研发适用于中国海域的海上风电机组基础结构任重道远。

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[4]Trunars J M V. The effect of wave modelling on offshore wind turbine fatigue loads[A]. Proceedings of the Offshore Energy Conference[C]. Copenhagen:COW,2005.

[5]Richter, T.,Kirsch, F.and Rucker, W.(2010): Pile Foundation for Offshore Wind Turbines-Does Cyclic Soil Behaviour Matter: in: Proceedings of DEWEK,Bremen.

[6]Seidel, M. v. Mutius, M.;Integrated analysis of wind and wave loading for complex support structures of Offshore Wind Turbines. Conference Proceedings Offshore Wind 2005,Copenhagen 2005.

[7]黄维平,刘建军,赵战华.海上风电基础结构研究现状及发展趋势. 海洋工程,2009.

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Jacket Foundation Design for 200MW offshore Demonstration Wind Farm Project of Zhuhai Guishan

Zhu Ronghua, Li Shaoqing, Zhang Meiyang
(Guangdong Ming Yang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China)

This paper has designed an offshore wind turbine jacket foundation, which has been confirmed to apply to Zhuhai Guishan demonstration project (200 MW). The application of this type of foundation has been studied comprehensively and systematically. Local sea bed conditions, feasibility of installation, convenience of operation and maintenance and reasonable price of manufacturing in China have been carefully considered and analyzed. This design has been assessed and approved by expert committee as the best option.

offshore wind farm; foundation; jacket

TM614

A

1674-9219(2013)09-0094-05

2013-07-02。

朱荣华（1977-），男，中国明阳风电产业集团副总裁，首席科学家，目前在明阳风电产业集团负责海上风电技术的研发和领导工作。

李少清（1986-），男，工程师，主要从事海上风电机组基础设计，力学分析工作。

张美阳（1981-），女，主任工程师，主要从事海上风电机组基础设计计算工作。