海上风力发电基础形式及技术要点探析

蒲捷

中国电建集团湖北工程有限公司 湖北 武汉 430040

引言

经济迅速发展，改善人们生活条件的同时，也加快了各行业领域向前发展，同时对电力能源需求日益增长，环境污染是传统电力生产存在的主要问题，近些年来，在可持续发展战略推动作用下，我国愈加重视海上风力发电项目建设，其中海床地质条件、复杂海洋环境以及其他外部因素所引起的荷载变化限制着海上风力发电项目建设推进。基于海上风力发电基础形式，如何精准把握关键技术要点，实现海上风力发电项目高质量建设，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1 海上风力发电发展现状分析

风力发电是一种绿色性、环保性的能源开发技术，风能作为可再生能源，新时期推进海上风力发电项目深入建设，充分利用丰富的海上风能资源，不仅能够有效缓解目前我国能源紧张问题，在一定程度上也能积极推进我国风电事业高质量发展。根据国家能源局印发的《风电发展“十三五”规划》文件，提出在新时期争取全国海上风电建设达成1000万kW规模目标；其中无过渡段单桩基础结构在海上风力发电项目建设中基本实现了全面覆盖，精准把控建设成本投入同时，也推动着海上风力发电关键技术创新发展[1]。

海上风力发电优势具体表现在以下几个方面：

第一，降低成本。相较于陆地风况，海上风况稳定性明显高于前者，海上风速高，风切小，可调节塔架高度，进而降低海上风电项目建设成本。

第二，延长风机使用期限。因海上主导风向稳定，在一定程度上能够有效缓解运行过程中风电机组疲劳程度，延长风机使用期限，减少后期维修与养护工作。

第三，增加发电量。各项数据表明，沿海岸10km处的海上风速远高于陆地风速，基于同一标准发电机组运行条件，海上风力发电机组能够进一步增加电力能源产出量，即使风电机组在运行过程中产生较大噪音，也不会对周围环境带来影响，在再加上选用新型材质大型叶片，发电量有效增加的同时，也极大地缩减了运营成本。由此说明，海上风力发电未来具有良好发展前景，掌握关键技术，加强新技术研发，充分利用海上风能，切实提高我国风能利用率。

2 海上风力发电基础形式

2.1 重力式海上风力发电基础

在实际海上风力发电基础设计过程中，结合风电设备运行要求以及具体安装特点，在此基础上对原有船坞及码头工程技术加以改进，即为重力式海上风力发电基础设计，所涉及的相关技术已经具备完善的应用体系，能够更好地控制建设成本。对基础自身材料及具备承载风电设备的重力进行合理利用，以此来保证海床上整个发电基础设施运行稳定性与安全性，在实际基础设计环节，需要精准计算风电设备运行及复杂海上环境所产生的荷载，确保技术参数准确性非常必要。海床工程地质条件、海水深度与成本预算是制约重力式海上风力发电基础形式应用的几项关键要素，鉴于重力式海上风力发电基础对运行稳定性要求极高综合考虑，必须要保证海床天然结构具有较高坚实度，并要提前做好对海床预处理工作，避免沉入海底的预制基础无法发挥其功能作用[2]。另外，由于大部分海床结构有软土层存在，某种程度上导致缺少一定坚实度，进而促使提前预处理工序需要投入更多资金，导致重力式海上风力发电基础设计成本投入增加，再加上技术水平限制，该类型海上风力发电基础形式只适用于小于10m海水深度的海域风力发电建设。

2.2 桩基式海上风力发电基础

按照风力设备运行要求和安装特点，桩基式海上风力发电基础设计又被划分为单桩、多桩及三角桩3种基础形式。

单桩基础形式：选用大直径钢管组成单桩基础结构，是现阶段风力发电机组设计中使用频率最高的基础形式，在海床夯入一根钢管，或以钻孔安装的方式插入大直径钢管，形成海床结构基础，海床地质条件决定着钢管插入海床的深度，利用桩侧土压力完成风机荷载传递，此类型桩基式海上风力发电适用于20~25m海水深度范围区间内的海域风电场项目建设，并对海床地质条件有着较高要求，无须进行海床预处理，且实际安装便捷，极大地缩减了安装时间。若钢管直径过大，则需要选择专项打桩船进行辅助作业开展，增加了海上风电场项目建设成本。

多桩基础形式：参照海上油气开发技术，在海床上夯入多个桩基，可根据风电设备运行要求调整桩基夯入方向，该基础结构能够进一步提升对海上风浪、海水动力的抵抗性，此类型桩基式海上风力发电基础适用于中等以上海水深度的海域风电场项目建设。一般情况下，针对多桩基础上部结构确定，需要综合考虑海水深度、海水流动等外部因素，外部因素与风电设备运行所产生的荷载直接影响结构稳定性。实际安装过程中，同样省去海床预处理环节，对不同地质条件的海床均具有良好适用性，任何海水深度的海域风电场项目建设需求可充分满足，安装操作便捷程度高，缺点是实际成本投入较多，且不方便移动[3]。

三角桩基础形式：在一定海水深度的海床夯入中心柱和三根圆柱钢管，组成三腿支撑结构，并以特殊的灌浆方式将其与上部结构相互连接，中心柱在该结构中发挥着支撑风机塔架的功能作用，能够有效促进该结构整体强度提升。部分桩基式海上风力发电基础形式参考图1。

图1 部分桩基式海上风力发电基础形式

除此之外，导管架基础也是海上风力发电项目建设中较常应用的基础形式，风电设备运行与复杂海洋环境所产生的荷载对风力发电基础结构有着直接影响，出于对此方面因素的综合考虑，导管架采用重量较轻的钢材制作而成，具备较强的稳定性，对不同类型的海床地质条件均有着良好适用性，同时满足海水深度较大的海域风电场建设需要[4]。由两个部分组成导管架基础结构，一部分将主筒体、平台甲板以及支撑等器件作为该基础结构过渡段，另一部分则是根据实际情况，将先、后打桩导管架作为该基础结构主体，最终在此基础上确定是采用三腿圆柱钢管基础或四腿圆柱钢管基础。导管架基础在海上风力发电项目建设中有着十分可观的发展前景。

2.3 负压式海上风力发电基础

预制结构和运输条件制约着重力式基础在海上风力发电项目建设中的实践应用，出于对此方面情况综合考虑，设计人员在此基础上对其重新进行设计和改进，利用外力并采用桶式结构方式将风电设备固定在海床上，待桶式结构安装完成后，利用该结构制造负压并进行传递，在负压作用下帮助风电设备吸附在海床上。海床附近海浪冲刷与海水腐蚀影响该类型基础结构实践应用效果，若负压作用被破坏，将难以保证整个风电设施运行稳定性，因此，在具体实践应用过程中，需要高度重视这一问题，采取针对性防护措施或防护技术，解决此方面问题，从而提高负压式基础结构应用效果。

3 海上风力发电关键技术要点

相较于陆地风力发电项目建设，海上风力发电建设需要考虑多方面因素，如复杂的海洋环境所产生的荷载、海水冲刷与腐蚀作用等，这些外部因素均直接影响着整个海上风力发电设施运转稳定性与安全性，进而对海上风力发电技术应用提出严格要求，切实解决与克服海上风力发电项目建设难题[5]。下面将着重阐述海上风力发电关键技术要点：

3.1 电机结构合理化设计

从结构力学角度上分析，外部受力、变形等因素影响着电机结构稳定性，由于大部分大电机普遍具有尺寸大、质量大等特征，在实际电机结构设计环节，可考虑质量较轻且强度较高的材料，结合具有安装要求，科学规划基础结构运输，打破运输条件制约，确保各类型基础结构均具备良好的实践应用效果。

3.2 叶片材质选择

较高的叶尖速度比保持必然要选择具备大型叶片的海上风力发电机，其中叶片材质决定着叶片能量捕捉能力，在实际选择叶片材质过程中，需要综合考虑整体质量、强度等因素。例如，选择目前市场新型轻质材料，如碳纤维、聚醚胺、环氧树脂等，根据海上风力发电项目建设特点，确定叶片材质，既能完美契合风电叶片大型化、轻量化的发展方向，又能切实提高风力应用效率。

3.3 冷却系统

冷却系统在海上风力发电机组中承担着冷却发热构件的重要作用，如变流器、齿轮箱这一类发热构件在运转过程中，较常出现温度升高情况，一旦温度超出发热构件所承受最高温度限值，必然会导致电机结构变形，造成风电机组无法正常运行。在设计海上风电发电机组中的冷却系统时，需要综合考虑上述发热构件工作效率与使用期限，确保冷却系统能够及时对升高温度的发热构件进行降温处理，有效规避电机结构变形问题出现[6]。可根据海上风力发电机运转系统实际产生总热量确定冷却系统的降温方式，如液冷方式，既能发挥自身较强的导热能力，又能避免海水腐蚀，延长使用寿命，降低后期维修成本投入。

通过对目前我国风电规模情况的调研，风力发电逐渐成为供应我国社会经济发展所需电力能源的主要渠道，国内东部沿海地区具备极为丰富的风力能源，加强对海上风能资源综合利用，可有效缓解国内现阶段常规能源紧张问题，相较于陆地风力发电建设，海上风力发电不占用土地资源，对生态环境影响较小，再加上科学技术水平不断提高，极大地改善了海上风电建设条件。针对我国未来海上风力发电技术发展，仍要加强关键技术瓶颈突破，积极响应国家可持续发展战略号召，树立低碳环保理念，着力于推进海上风力发电向更高层次建设，为国家社会经济发展提供稳定电力输送。

4 结束语

综上所述，重力式基础、桩基式基础及负压式基础等是现阶段海上风力发电项目建设中较常应用的基础形式，在实际安装过程中，需要充分考虑海床地质条件、海洋环境以及风电设备运行等其他外部因素所引起的荷载变化，直接影响着整个海上风力发电基础结构稳定性与强度，应结合具体情况，选择相应技术手段，应用具有较高经济性、适用性的基础形式，从而保障海上风力发电建设水平。