固定式基础海上风机的工业应用

毛宏宇， 何炎平， 赵永生

(上海交通大学， 上海 200240)

固定式基础海上风机的工业应用

毛宏宇， 何炎平， 赵永生

(上海交通大学， 上海 200240)

该文综合介绍了目前全球海上固定式风机的工业实践和规范制定的基本状况，同时选取了五个有代表性的海上固定式风机场，对它们的支撑结构进行了分析，总结了海上固定式基础风机支撑结构的发展趋势，为我国海上固定式风机的设计和开发提供了可靠的依据。

海上风机场；固定式基础；成本

0 引言

海上风电拥有更大的单机功率(相比陆上风机)，更靠近经济中心，同时还可以更好的利用未开发的海洋空间，是一种十分有开发前景的新能源。

海上风电对于我国十分重要：一方面，中国的经济中心在东部，而传统的能源中心在中西部，所以东部的海上风电建设有助于改善这种不平衡的现象；另一方面，由于化石燃料的过度使用而产生较大的环境污染，这也让人们意识到发展清洁能源迫在眉睫。

对于海上风电工业的发展，可以从工业实践和工业规范两个方面进行考察：

(1)工业实践方面

在海上风电的发展上欧洲处于领先地位，已进入大规模商业化阶段，中国紧随其后，而美国、日本、澳大利亚等国仍在规划中。

截止到2013年底，在欧洲的11个国家建造了共69个海上风场，2 080台海上风机，总功率达6 562 MW。中国累积装机容量达428.6 MW，位于全球第五位[1]。

目前海上固定式风机已进入大规模商业化阶段，单桩式基础及与其配套的3.0 MW、3.6 MW风机是主要形式，而更深海域的5 MW风机场的建设也已经开始。

(2)工业规范的制定方面

随着固定式风机工业的发展，行业内的规范也相继推出。这些规范为固定式风机基础的设计、建造和在役检验提供了原理指导和技术支持。规范的内容主要包括安全等级划分、极限状态、设计载荷工况、安全系数的选取等方面的内容。表1列举了截止到2014年已发布的固定式风机的相关规范。

表1 已发布固定式风机的相关规范

从表1中可以看出，处在欧洲地区的挪威船级社和德国劳氏船级社分别在2004年和2005年发布了关于航海固定式风机的规范，处于先发状态。而中国船级社和美国船级社的发布时间则晚了将近10年，这也与相应地区海上风电工业的发展状况相符。

由以上的介绍分析可知，目前海上风电的开发一般采用大型海上风电场的形式，而海上风场中的风机几乎全是固定式基础，其相关规范也基本成熟。该文将通过介绍有代表性的固定式基础形式和海上风场来说明固定式海上风电基础在目前工业中的应用情况。

2 固定式海上风机的基础结构

目前应用于海上的风场有多种形式，其中比较主要的有：重力式基础、单桩式基础、水上三桩基础、高桩承台基础以及导管架形式[2-4]。

(1) 重力式基础

重力式基础由混凝土(或钢板)的外壳及其中灌注的压载组成，风机直接安装在平台的顶端，平台利用自身的重力来抵抗所有外界的载荷，只要加入适当的压载，平台就可以很好的抵抗风暴和风浪的袭击。随着水深的增加，重力式基础的重量急剧增加，这不仅增加了建造及运输施工的成本，而且要求海床有更大的承载能力，重力式基础通常用于0 m～10 m的水深。

(2) 单桩式基础

单桩式基础是目前世界上使用量最高的基础。单桩式基础一般由打入海底的单桩和安装单桩上的过渡部分组成，单桩式基础最大的优点是设计和计算较为简单。随着水深的增加和风机功率的增大，单桩式基础的桩柱变长，承受的载荷变大，这样深水的单桩基础就需要更大的直径来提高结构强度。随着单桩直径的增加，不仅制造、运输和安装的成本会随之提高，而且所受的水动力载荷也会随之增大，所以单桩式基础一般应用于0 m～25 m的水深。

(3) 水上三桩基础

水上三桩基础可以看作是单桩式基础的一种改进形式，将起支撑作用的单桩换成三根较细的桩柱。这样在保持形式简单的同时，避免了由于水深增加而导致桩柱直径过大的问题，从而使水上三桩基础可以适用于水深25 m ～50 m的海域。和单桩式基础一样，三根桩柱也是通过打桩或钻孔的方式安装，但是由于需要分别安装，所以使三根桩柱的顶端保持在同一水平面上是安装中最困难的问题，为此bard开发了一套自适应的调平技术。除了安装复杂外，三桩式基础的过渡段由角钢焊接连接，结构形式比较复杂，需要更多的人工来进行焊接工作，这也在另一方面增加了额外建造的成本。

(4) 高桩承台基础

高桩混凝土承台基础源自海上独立式墩台基础和跨海大桥桥墩基础结构，混凝土台面的基础由打入地基土内的数根小直径基桩组成。由于在我国有着丰富的工程实践，施工风险可控，成本相对较低，所以广泛应用于我国一些早期的海上试验风场。

(5) 导管架基础

与那些结构形式简单的平台不同，导管架平台由许多较为细小的杆件焊接而成。导管架基础的成本不会随水深增加而急剧增加，而且由于在水中的横截面积小，受到的水动力载荷也相对较小，从而导管架平台可以适用于超过50 m的水深。导管架在陆地上建造完成后，可以整体的在海上运输和安装，施工难度相对简单。导管架基础的主要缺点在于各节点都需要焊接，这样繁重的工作会大量得增加人工成本，这也是导管架基础在世界范围内至今没有广泛应用的原因。

图1 5种固定式风机基础示例

3 固定式基础海上风机实例分析

(1) Thornton Bank

图2 Thornton Bank中的重力式基础

图3 伦敦阵列的第一根单桩式基础

图4 工作中Bard Offshore I

图5 东海大桥项目中正在组装的高桩承台基础

Thornton Bank的1期工程安装了6台5 MW的风机，其采用了自重式的基础。Thornton Bank的水深达27 m，整个自重式基础变得十分巨大，其中每个自重式平台的高度达38.5 m～44 m，底部直径23.5 m，重量近2 800 t～3 000 t[5]，巨大的自重式基础不仅增加了建造的成本，而且使安装过程变得十分复杂。由于Thorn Bank 海底的软土无法承受平台及其压载的重力，所以需要将目标地点的软土层挖去，形成一个深7 m、底部长80 m、宽50 m的大坑，仅此项工作就需挖泥4 000 m3。然后将自重式基础安置在较硬的土层上，之后将软土回填，最后还要在其上进行浇灌保护以防止海流的冲刷。

Thornton Bank是世界上第一个安装了5 MW海上风机的风场，所以整个项目带有试验的性质，虽然得出了自重式基础是一个可行性方案的结论，但从后续的工程实践中可看出，在27 m深的海域使用自重式基础并不是一个很好的选择。图2为Thornton Bank中的重力式基础。

(2) 伦敦阵列(London Array)

位于英国伦敦泰晤士河口的伦敦阵列是目前世界上最大的海上风机场，总功率达630 MW，风场离岸20 km，水深0 m～25 m，采用单桩式基础。为了适应不同的水深，在伦敦阵列中使用不同型号的单桩和过渡系统，最大的单桩长68 m，直径5.7 m，重650 t；最大的过渡端长28 m，重345 t。

伦敦阵列相对于之前的单桩式风场有两处细节的改善。第一是在打桩时使用“软启动”的方法，即在正式开始打桩前，先产生较小危害的噪音将施工附近的海洋生物驱散，这种方法有效地将噪声对海洋生物的影响降低。第二是对过渡段形式的改进。之前的单桩顶部是标准的圆柱形，但是在实践中发现这样的设计使灌浆部分发生破坏，破坏发生的原因主要是灌浆部分由于施工导致结构不能充分的密实，从而无法完全传递由风载荷引起的弯曲应力。所以在伦敦阵列采用了改进的设计方案，单桩的顶部被设计成小圆锥角的台柱，这样在灌浆部分发生破坏时，过渡分布会发生微小的沉降，增加了灌浆和钢结构之间的接触应力和摩擦力，从而防止了灌浆部分的进一步破坏和过渡部分的进一步沉降。

伦敦阵列是世界上第一个工业化级别的海上风场，它的完工标志着海上风电开发技术已经基本成熟。图3为伦敦列阵的第一根单桩式基础。

(3) Bard Offshore I

Bard Offshore I 建在离岸100 km，水深40 m的海域。由80台5 MW风机组成，采用水上三桩基础。每个基础重1 100 t，其中下面的三根桩柱重610 t，过渡段重490 t。与伦敦阵列中单桩式基础比较可以发现，水上三桩基础的原材料的使用量较少。

与Thornton Bank类似，Bard Offshore I也属于深水5 MW风机的试验项目，从其中可以看出水上三桩基础还是很好的适应了40 m的水深，但是由于其自身的限制及其他相关风电技术的限制，目前还没有得到大规模的应用。图4为工作中的Bard Offshore I。

(4) 东海大桥项目

东海大桥项目是中国第一座海上风电场，位于上海东海大桥东侧，最近端离大桥1 km，水深10 m，中间有通行1 000 t级船舶的航道穿越,采用高桩承台基础。

在东海大桥项目中，承台为直径14 m、高度3 m～4.50 m的圆柱体，基桩为8根直径170 mm(壁厚25 mm)的钢管桩，钢桩总长80 m，泥面上长度15 m。为了减小水动力载荷，桩基的斜度为6:1，在承台下沿半径5 m圆周均匀分布[6]。

图6 桂山海上风电场导管架基础的设计方案

选择高桩承台，除了丰富的工程经验外，更主要原因是由于通航孔的存在，风机基础需要防撞保护，而高桩承台基础的混凝土台面本身就具有防撞的特征。在东海大桥项目中，混凝土承台的底面高程为2 m，而多年平均高潮位为1.86 m，这样的设计即可保护风机不受通航船舶撞击的影响，而且相比其他形式的基础可以节约出防撞设施的花费。图5为东海大桥项目中正在组装的高桩承台基础。

(5)珠海桂山海上风电场

在建中的珠海桂山200 MW海上风电场位于珠江河口的伶仃洋水域，水深6 m～12 m，风机基础的最终方案为导管架形式基础[7]。

由于导管架基础在制造时需要消耗大量的人工成本，所以在欧洲浅水区域基本没有使用导管架的情况。但是在我国人工成本远远低于欧洲，导致风机基础的制造成本主要由原材料价格构成，在桂山项目的设计方案中，导管架基础相比于单桩式基础可以节约钢材40%，较轻的重量也降低了运输与安装的难度。

相比于目前已经建成的风机场，桂山200 MW海上风电场更具有商业性，它的建成将使我国海上风电的商业化向前进一大步。图6为桂山海上风电场导管架基础的设计方案。

4 结论

(1) 欧洲在浅水(0 m～25 m)区域固定式海上风电基础的技术已经十分成熟，其中以单桩式基础的应用最为普遍。在深水(25 m～50 m)区域的技术处在探索之中，目前主要的技术有重力式基础、水上三桩基础及导管架式基础。

(2) 由于欧洲人工成本高昂，所以为了减少成本，风机的基础结构形式都较为简单。

(3) 中国的海上风电正在准备商业化的路上，由于与欧洲的经济环境不同，所以在固定式基础的选择上也会有独特的道路。

[1] 全球风能理事会. Global Wind Report Annual Market Update[R]. 全球风能理事会,2014.

[2] 郑师亮. 海上风力发电机组基础形式研究[J]. 城市建筑, 2013,10(14): 289-290.

[3] 刘俊. 3 MW 海上风力发电机组的基础设计[J]. 南昌工程学院学报, 2013, 31(6): 25-29.

[4] 王建峰, 蔡安民, 刘晶. 我国海上风机基础形式分析[C]. 经济发展方式转变与自主创新—第十二届中国科学技术协会年会, 2010.

[5] Peire K, Nonneman H, Bosschem E. Gravity Base Foundations for the Thornton Bank Offshore Wind Farm[M]. Terra et Aqua, 2009.

[6] 上海勘测设计研究院.上海东海大桥近海风电场工程可行性研究报告[R].上海勘测设计研究院,2007．

[7] 朱荣华, 李少清, 张美阳. 珠海桂山 200 MW 海上示范风场风电机组导管架基础方案设计[J]. 风能, 2013,14(9):94-98.

The Industrial Application of Fixed-based Offshore Wind Turbines

MAO Hong-yu, HE Yan-ping, ZHAO Yong-sheng

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The industrial application and specification modification of global fixed-based offshore wind turbines are introduced in this article. By choosing five typical offshore wind farms at the same time, their support structures are analyzed and the developing trends are summarized. The results provide a reliable gist for future design and development of national offshore fixed-based wind turbines.

offshore wind farm； fixed-based； cost

2014-09-22

毛宏宇(1989-)，男，硕士研究生。

1001-4500(2015)02-0096-05

TM 614；TU 473.1

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