海上风电安装技术及装备发展现状分析

王革栋

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 201999）

一、海上风电的发展背景、发展优势与发展现状

在石油能源逐渐消耗的今天，人类为防范石油能源枯竭的隐患并解决石油能源消耗带来的污染问题，世界各国逐渐向视野投向可再生的清洁能源，海洋作为地球最大也是最为复杂的生态系统，其蕴含着无比丰富的自然资源，在风力发电这一领域，海洋也有其独特的优势，欧洲国家由于其得天独厚的环地中海地理优势与政治经济原因，率先进行了海上风电技术的探索，欧洲主要的海上风电技术发展国家包括英国、德国、法国和瑞典等，其中德国的发展体量最大，发展技术最为先进，同时风力发电在国家整体电力构架中占比最大，海上风电发电量可达60 兆瓦，约占全国总发电量的6%～7%，建设在海上的离岸型风电将在未来德国能源结构中发挥决定性作用。新建成的海上风力发电厂并网发电,标志着德国利用可再生能源进入了一个新纪元。

随着我国的经济战略转型与传统领域中的资本逐渐饱和，我国于二十一世纪初开始了清洁能源的布局，同时我国幅员辽阔，东南沿海地区漫长的海岸线每年都有季节性的台风，此外非台风季也有着充分的风力资源，但也由于强台风的影响，我国海上风力资源的利用条件比欧洲国家更为复杂，同时技术与装备也需要我国自主研发。我国目前的海上发电战略布局众多，并由地方政府的有关部门与大型能源企业及投资企业联合开发与管理，上海、广州、沧州、大连等地的海上风电厂在过去的二十年中逐步建成并投入使用，给我国清洁能源的战略布局打下了坚实的基础。

海上风电具有众多优势，其中具有不可替代性又是包括海上平均空气密度高、风能资源的能量效益高，从而实现了比陆地风电平均高出30%的发电量；海上空间资源辽阔，发电厂规模可以建设较大，同时沿海地区的用电需求更大；海上风湍流强度小、风切变小，受到地形、气候影响小；海上发电的电磁干扰因素与人为干扰因素较少。海上风电市场还极具发展规模，可以优化我国的投资结构，主力我国经济的高质量发展。

二、海上风电安装技术与装备及发展现状的分析

海上风电安装技术是指对于海上风机的支撑技术与安装技术，由于风力发电所需的设备都是大型设备，因此需要超大型的运输与起重设备进行安装，进行海上安装作业的安装设备主要分为运输船、起重船、安装船，此外还有耦合性很强的自升式平台、自航自升风电安装穿以适应恶劣天气与恶劣海域的安装工作。

对于风电支撑技术而言，根据海域情况与离岸距离的不同主要分为底部固定式支撑与悬浮式支撑，底部固定式支撑适用于水深小于10m 的浅海区域，利用混凝土材料或沙砾材料进行重箱填埋，并引导其落入海底的指定地点，重箱顶部露出海面的部分采用圆锥形结构以减少海上浮冰的碰撞，随着技术的进一步发展，圆柱钢管取代了钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里，实现风机支撑底架的构建；对于水深25m 以内的海洋环境，可以采用大直径的圆柱形钢管作为单桩嵌入海床，但该技术对于海域内土壤的松软程度有较高的要求，同时不适用于巨石环境的海域安装；针对拥有巨石但海水流速较为稳定的海底环境，采用三脚架结构的钢管嵌入巨石缝隙的土壤中，并利用三角形结构的钢架支撑风塔与风机的重量；对于深度超过50m 的海域，利用钢柱进行支撑的难度与成本都过大，因此采用悬浮式的支撑技术以实现风机与风塔的支撑。悬浮式的支撑主要是通过深海的大浮力实现，但完全漂浮于海面上的结构容易受到潮汐以及风浪的影响，因此采用半浸入式的支撑，主体支撑结构浸于水中，通过缆索与海底的锚锭连接。图一为半浸入式的海上风电支撑架构的示意图。

图1 半浸入式的海上风电支撑架构

海上风电安装流程大致分为准备阶段、辅助设备铺设阶段、测试阶段、安装阶段与接连阶段，在准备阶段，工程师主要进行对于场址的评估，主要的评估内容包括对于附近海域的深度、海域流速、所受季节性洋流影响的程度、离岸距离以及陆上（港口）运输条件等。评估完上述一系列相关因素后即制定设备制造、运输计划，对于整体组装式的海上风电站还需要进行预组装，由于风电设备体积与重量巨大，详细周密的运输计划才能保证设备的可靠性与安装的稳定性。在辅助设备铺设与测试阶段，主要进行输变电设备的制造、运输以及安装，在下海前，电力机组需要在岸上进行预组与测试，以保证电力系统的稳定与可靠。完成上述阶段后，即开始海上风电的安装，首先根据探测环境与预先计划进行塔架的制作与安装，之后将风机放置于预定位置，再通过钢缆进行连接与固定，这一环节的重点与难点在于打桩作业。完成风电机组的预置后，需要进行上层风电设备的吊装与调试，完成了完整的风力机组安装后，进行电力系统的安装与调试，将各系统并联组装实现风电场安装的全过程。

对于安装技术，主要有支撑升降技术、吊装技术、定位技术以及运输技术，支撑升降技术主要应用于塔架的安装过程，由于塔架的纵深很高同时属于海底环境下作业，因此需要进行支撑升降系统辅助安装并实现塔架对于风力、波浪力、海流力等外力因素冲击与负荷的适应，目前应用最为广泛的升降系统结构是三角型结构，支撑升降由多个三脚架组成，每一个脚桩里都装有多台电机或马达，连接齿轮达到平台升降的目的。

图一是中国华电公司在福州进行5MW 风机安装项目的吊装安装过程，吊装技术应用于风电机组上层安装部分，风电设备体积巨大，在海面上的部分高度可达数百米，因此需要采用吊装技术实现风叶与风机的安装。在安装过程中，风叶的安装是整个安装环节的重点与难点，由于风叶物理结构呈现细长型，在空中由水平状态变为垂直状态时，受力情况变化极大，同时不能有任何形式的物理碰撞，需要对吊装过程进行严格控制，同时运用轮毂组件构成的专用吊机进行风电机组的组装。

图2 吊装技术在海上风电中的应用

由于海上环境的动态变化，安装过程可能会受到各种环境的交叉影响，因此需要控制系统进行精准定位，海上部分的风电机组具有体积大、重量大、重心高的特点，因此也需要精准定位系统保证精准安装，精准定位的实现是通过风电系统采用高强度螺栓的固定与终端定位系统联合作用，中铁大桥局五公司与桥梁科学研究院联合研发的“大桥云”终端定位系能够实现海上风电项目导向架快速精准定位，这一系统采用卫星定位加角度传感器的结构进行智能化定位，在节约施工成本的同时降低施工风险。

运输技术贯穿海上风电安装的全过程，运输技术不仅包括前期的组件运输，还包含施工过程中的移动组装问题，当吊装船进行吊装工作时，由于重心的不断增高，同时安装吊臂外伸，船舶会受到很大的侧倾力，这会使得船舶产生一个侧倾角，不仅过大的侧倾角很容易造成船舶的侧翻，较小的侧倾角也会导致船体进水等问题，采用配载仪能够有效的解决这一问题。

三、海上风电安装技术的发展趋势

回顾海上风电技术的发展历程，我们会发现海上风电技术的发展逐步向适应性高、容量高以及突破更复杂海域的方向发展，随着项目体量以及项目难度的不断增大，对于海上风电安装技术及设备也有着更高的要求。

对于适应性而言，主要是指施工团队对于一般工程的设计可靠性与设计效率，加强专业人才的培养与专业施工队伍的建设能够有效的解决这一点，适应性还包含项目的可行性，这就要求施工团队考虑施工成本并尽可能地降低施工成本，同时利用丰富的经验选择合适的风电安装设备，由此可见，风电施工队伍的建设也需要满足不同的标准，即要有能够利用传统方案与一般设备进行施工的团队，也要有能够造作先进的自升式平台与自航自升式安装船的施工团队。对于大容量而言，大容量的风电机组以为更大的发电量，同时据研究表明海上风机安装功率与成本呈现反比，20MW 的大容量风电机组是目前发展的重点，但更大的功率意味着机组有着更大的重量、体积，安装难度也随之增大，进行配套技术与设备的跟进更新，才能够实现大容量风电机组在海上风电领域的应用。突破更为复杂海域是我国海上风电发展的必经之路，这是由于我国漫长的海岸线以及复杂的海洋情况等因素的影响，我国离岸10KM，水深15m～20m 的大陆架结构在遍布于东南沿海的几个重要海域，同时深水海域有着更为丰富的风能，能够有效提高发电效率，同时对于大陆环境的生态系统影响较小，因此很适合于未来的发展。根据上述分析可知，深水海域的安装技术主要以悬浮支撑技术为主，因此大力发展悬浮式支撑结构，开发半浸入式平台于风机进行安装作业，并考虑后续的维护工作，在多方面共同发展。