我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析

周昊 侯承宇 李辉 董晔弘

深海风电场具有风速高、风切变低、湍流程度小等优势，对海上航道的影响也较小。近年来，欧、美、日等地区和国家逐步将漂浮式海上风电技术作为研发重点。在国外，漂浮式海上风电市场正从小规模单台样机（2009―2015年）向小型示范风电场转变。目前，在世界范围内已建成并具有一定知名度的漂浮式样机和小型漂浮式示范风电场如表1所示。此外，欧洲还有数十个漂浮式风电示范项目正在建造和核准中。可见，漂浮式风电技术正在成为领跑海上风电领域的前沿技术和研究热点。

我国漂浮式风电机组的研究起步相对较晚，目前国内还未见样机。从2013年开始，在经历了国家863计划支持的由湘电风能开展的“钢筯混凝土结构浮式基础研制”和由金风科技牵头开展的“漂浮式海上风电机组基础关键技术研究及应用示范”之后，国内积累了一些技术储备。随着国家加大政策的支持力度，“十三五”期间国内漂浮式风电机组的研究热度逐渐提升。据统计，目前，国内潜在的样机示范项目如表2所示。

漂浮式风电机组基础是漂浮式风电机组设计中的重要组成内容。漂浮式风电机组由于体型巨大，且长期承受风、浪、流等各种复杂载荷的作用，因而对漂浮式风电机组基础的各方面性能提出了更高的要求。本文结合我国海域漂浮式风电场适用区域和漂浮式風电机组基础选型需要考虑的因素，对我国海域漂浮式风电机组基础适用性进行分析，以期为漂浮式风电机组在方案设计阶段选出合适的基础型式。

我国海域漂浮式风电场适用区域分析

我国拥有丰富的海上风能资源，其中绝大部分都在深远海域。通过漂浮式风电机组技术带动深远海风电产业的发展是必然选择。

水深是决定漂浮式风电机组基础型式选择的最重要因素之一。目前，行业内的共识是35～50m水深是采用固定式基础和漂浮式基础的分水岭，具体可以通过经济性和技术可行性对比进行抉择。在水深50m以上，固定式基础经济性降低，此时采用漂浮式基础则显示出一定的经济性优势。我国大陆架绵延漫长，水深基本在100m以内，且坡度较缓，水深超过100m的水域离岸很远。我国海域主要包括渤海、黄海、东海、南海，其平均水深分别是18m、44m、370m、1212m左右。由此可见，黄海、东海和南海海域有很大的漂浮式风电机组适用范围。据统计，在水深35～50m和水深50m以上，我国沿海海域的离岸距离分省份统计结果如表3和表4所示。目前，国内固定式海上风电场离岸距离最远已达55km，最深已超40m，因此，从离岸距离来说，我国建设漂浮式风电场在可接受范围内，山东、江苏、浙江、福建、广东、海南等省份具有较好的漂浮式风电场市场前景。

漂浮式风电机组基础分类及基本特点

常见的漂浮式风电机组基础型式有Barge（驳船式）、Semi（半潜式）、Spar（单立柱式）、TLP（张力腿式）。目前，前3种都已经有示范样机，分别是Ideol的FloatGen、WindFloat的WindFloat Atlantic、Equinor的Hywind Scotland，而TLP型式还未见样机。

Barge（驳船式）：驳船式基础目前主要以Ideol公司的Damping-Pool为主流型式，是四边形中间镂空的结构。方形镂空结构类似于月池，在使得整体水线面面积较小的同时，还能起到阻尼作用，从而改善整体运动性能。基础材质为混凝土或钢材，采用系泊定位。相对于陆上风电和其他漂浮式基础型式，该基础装配可在码头完成，更加容易实现批量化，成本较低；同时，以混凝土为风电机组基础材料，使得基础建造场地临近目标风电场，可进一步减少运输成本。

Semi（半潜式）：主体多为三浮筒或四浮筒结构，设垂荡板、系泊锚固系统及压舱系统。通过调整各浮筒压舱程度形成合理的浮力、重力分布，以此维持平衡。吃水较浅，机组运输安装难度小。可在船坞内完成整个风电机组和浮动平台组装，坞内放水起浮，出坞，拖航，整体拖拽到机位点进行系泊锚固。

Spar（单立柱式）：单立柱式基础由过渡段、浮力舱、压载舱以及系泊系统构成，通过压载舱使平台的重心低于浮心，以此保证结构稳定。该结构基础的主体是一个空腔钢制圆筒，下部为压载舱，中上部为浮力舱。浮力舱的作用是提供足够的浮力以支撑上部风力机和系泊缆的重量，通过底部压载舱可使浮体重心低于浮心，使平台及上部结构保持稳定。Spar底部压载舱分为固定压载舱和临时浮舱，平台系统的大部分压载是由固定压载舱提供的。临时浮舱可以在将浮体结构拖航至指定海域后，注入压载水使浮体自行扶正竖立。

TLP（张力腿式）：张力腿式平台由中间浮体和系泊系统构成，通过张力腱系统使结构保持稳态，结构较Spar更紧凑，较Semi更简单。平台通过自身结构产生的浮力远大于重力，剩余浮力与张力腿的预张力平衡。张力腿的预张力使平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小，但由于水平方向受到波浪和水流作用力，会产生面内运动（横荡、纵荡和首摇）。可以在码头完成整个风电机组和浮动平台的组装，但是在连接张力筋之前，张力腿平台自稳性较差，需采取一定工程措施才能进行整体运输。

漂浮式风电机组基础适用性分析

漂浮式风电机组基础适用性分析即选型分析，需要考虑的因素主要有：水深适应性、运动性能适应性、技术成熟度、建造复杂度、运输安装难度、系泊锚固系统设计及安装难度等。

一、水深适应性

统计目前已有的样机设计方案，4种漂浮式风电机组基础型式的适用水深如表5所示。由表可知，Barge平台的水深适应能力最强，能满足30m以上的水深。这得益于以Ideol为代表的Damping-Pool混凝土漂浮式平台，该类型平台的吃水深度为7m左右，具有优越的吃水性能，是一种具有较大应用潜力的基础型式。其次为半潜式型式，具有50m以上水深适应能力。驳船式和半潜式平台由于浮体吃水较小，其工作水深可以比其他类型的平台更浅，这对开发30～50m水深的近海风电场具有巨大作用。因此，Barge和Semi是适用于中国海域最具潜力的两种漂浮式基础型式。对于TLP平台，由于系泊和锚固系统上的特殊要求，其需要的水深稍大。鉴于Spar平台对运动和稳定性的要求，其所需要的水深较大，一般来讲至少需要100m的水深。Spar型式较大的吃水对于大陆架延伸范围广、坡度缓的我国海域适应能力有限。

二、运动性能适应性

以上所述4种漂浮式基础类型，其運动响应特点完全不同。针对TLP 型式，其平面内刚度很小，故其横荡、纵荡和首摇运动幅值较大，但是其平面外运动幅值很小。漂浮式风电平台对平面外的要求较高，如果从运动角度考虑，TLP 平台无疑是最优的漂浮式基础型式。Spar式基础由于遭受较小的载荷，其运动固有周期也不在波浪能量周期范围内，故此，其运动幅值较小，但是较TLP 平台还有一定差距。针对Semi和Barge式基础，由于要保证稳定性，其结构尺寸都较大，遭受较大的波浪载荷，且其运动比较靠近波浪能量范围，因此，其运动幅度较大。

三、技术成熟度

针对海上漂浮式风电机组，国际上对技术成熟度（TRL）的定义如表6所示。

目前阶段，Spar和Semi型式是技术成熟度最高的2种型式，已经具有小批量的示范风电场，具备商业化条件和基础。Barge型式次之，目前处于单样机试验验证阶段。TLP的方案目前处于水池试验验证阶段，还未见示范样机。不过据报道，全球首个TLP型式漂浮式风电项目正在实施，由SBM offshore 和IFP Energies Nouvelles设计，项目名为Provence Grand Large（PGL），预计在2022年下半年建成投运。

四、建造复杂度

从建造复杂性考虑，TLP和Spar型式的结构简单，建造工艺容易满足。Barge和Semi型式的结构尺寸大，结构相对复杂，建造难度要高于TLP和Spar型式。4种型式的建造复杂度如表7所示。

五、运输安装难度

TLP是4种平台中安装难度最大的型式，由于需要进行张力腱系统的张拉，对水下作业要求高。另外，聚酯材质的张力腱还没有实现真正的工业应用。在所有漂浮式基础类型中，Spar型式的运输安装难度仅次于TLP型式，由于Spar型式需要从建造场地干拖至总装场地，总装完成后需湿拖至作业地点并扶正。机组和平台的安装均在外海完成，受环境条件影响明显。Barge和Semi型式的运输安装难度较低，基本都是在建造场地建造和总装完成后，整体拖航至指定海域。4种型式的运输安装难度如表8所示。

六、系泊锚固系统设计及安装难度

系泊锚固系统是漂浮式风电机组中成本占比较大的部分。不同漂浮式基础型式的系泊锚固系统有所差异。系泊型式与基础型式直接相关，其主要有悬链线系泊、半张紧系泊、张力腿系泊。锚固基础型式的选择要结合具体海域的地质条件，我国海域海底地质的初步统计情况如表9所示。锚固型式主要有大抓力锚、桩锚、吸力锚以及垂直载荷锚，可结合不同的地质条件进行选择使用。如表10所示，TLP是4种基础型式中系泊锚固系统设计及安装难度最大的型式。

应用实例分析

目前，没有任何一种基础型式会适用于所有环境，故需根据目标海域条件选定基础方案。本文以广东湛江某机位点的海域为应用实例，结合如上所述需考虑的因素，使用适用性分析量化表（见表11）进行适用性分析，给出分析结果建议。该海域平均水深65m左右，海底地质条件为砂土及粘性土，最大有义波高5.76m，流速较高，达3～4m/s左右。表11中的量化对应关系为，10分？ 适用性高，7分？ 适用性较高，4分？ 适用性一般，1分？ 适用性差，综合得分排序即为适应性分析的评价结果。

由表11可知，Semi型式为首选基础型式，其次为Barge型式，而Spar和TLP型式的适用性较差，不作为推荐型式。

结论

本文对目前国内外漂浮式风电机组基础的应用现状进行了梳理；结合我国海域的风能资源和水深特点进行了漂浮式风电场适用区域分析；基于4种漂浮式风电机组基础型式的特点，阐述了漂浮式风电机组基础选型需要考虑的因素；以某机位点海域为应用实例，进行漂浮式风电机组基础适用性分析，给出了基础型式选择建议。得出的主要结论如下：

（1）我国海域漂浮式风电机组基础的适用区域将以山东、江苏、浙江、福建、广东、海南等省份附近海域为主，具有较好的漂浮式风电场市场前景。35～50m是漂浮式风电机组基础的价值洼地，未来在技术和产业链成熟的情况下，是具有极大开发价值的潜在区域。

（2）4种基础型式各有其特点，漂浮式风电机组基础适用性分析时需要考虑6个因素，分别为水深适应性、运动性能适应性、技术成熟度、建造复杂度、运输安装难度、系泊锚固系统设计及安装难度。

（3）构建了我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析评价方法，并以广东湛江某海域为应用实例进行了具体分析，给出了首选半潜式型式的评价建议。

（作者单位：周昊：中国船舶集团海装风电股份有限公司，重庆大学土木工程学院；侯承宇，李辉，董晔弘：中国船舶集团海装风电股份有限公司）