漂浮式海上风电施工关键技术应用研究进展

何佳龙，李 祥，喻葭临，常作维

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

风电作为一种技术较成熟、开发条件较优越、发展前景较广阔的电力开发方式，目前已成为世界各国能源开发的重要手段，其中海上风电更是具有节约土地资源、受地形条件影响小、能量效益高等显著优势[1]。我国海洋资源十分丰富，具有海岸线长、海域面积大等特点，因此发展海上风电具有得天独厚的优势。根据相关统计数据显示[2]，我国海上风能资源有预计超过30亿kW的开发潜力，对于我国有效落实“双碳”目标、构建新型能源体系具有重要战略意义。

在“十四五”期间，我国海上风电的开发建设将面临着从近海到深远海、从政府补贴到自主发展、从样机示范到商业应用等多方面的跨越式挑战[3]，深远海漂浮式海上风电技术已成为工程学界密切关注的热点问题。全球风能理事会(GWEC)数据显示[4]：从2026年开始，全球漂浮式海上风电的年新增装机容量将突破GW级别；预计到2030年，漂浮式海上风电的累计装机容量将达到16.5 GW，标志着漂浮式海上风电将正式进入商业化发展新阶段。

漂浮式海上风电的核心技术主要包括勘察设计、装备制造、施工建设、运行维护、设备退役等诸多方面[5]。其中，勘察设计主要包括场址规划、风资源评估、水文气象分析、地质勘探、风电场设计、专题论证、测试认证等；装备制造主要包括发电机组、基础浮体、系泊系统、锚固基础、动态海缆、集中送出、升压主变等；施工建设主要包括以上各类装备的海上运输及施工安装等；运行维护主要包括环境预报、运行调控、设备维护、监测预警、运维技术与装备等；设备退役主要包括经济效益评估、运行性能评估、风电场拆除、设备回收利用等。

相比于漂浮式海上风电其他方面的核心技术，施工建设方面所涉及的内容具有较大的不确定性，通常需要根据每个工程的具体特点而采取相应的施工手段。因此，对目前国内外漂浮式海上风电的施工关键技术进行对比分析研究，以指导我国未来深远海海域风能资源的开发利用是十分必要的。

本文基于国内外漂浮式海上风电的实际开发建设情况，系统地总结漂浮式海上风电施工建设技术的产业链组成及发展现状，提出漂浮式海上风电在运输、施工与安装等方面未来的发展趋势与重点突破方向。

1 施工关键技术研究进展

漂浮式海上风电的施工关键技术主要包括浮体基础下水、拖航方式选择、发电机组安装、系泊系统安装、锚固基础安装、动态海缆安装等核心内容，在工程建设总投资中占据着较大比重，可以通过对各类施工资源的统筹协调和规模化发展来实现降本增效。相比于近海固定式海上风电，漂浮式海上风电在陆海安装比例、船机设备需求、适用水深条件、天气海况限制以及海上施工效率等方面均存在着较大差异，因此需要对漂浮式海上风电的各类施工建设技术及相应的适用条件进行重点讨论。

1.1 浮体基础下水

根据静稳性工作原理的不同[6]，漂浮式海上风电的浮体基础主要分为立柱式、张力腿式、半潜式以及驳船式。其中，立柱式浮体基础的设计重心远低于平台浮心，适用水深通常要求超过100 m；张力腿式浮体基础的安装流程较复杂且工程造价较高，适用水深通常要求超过40 m；半潜式浮体基础具有部署方式灵活、施工技术成熟等特点，适用水深通常要求超过40 m；驳船式浮体基础的制造工艺最为简单，适用水深通常要求超过30 m。截至目前，我国已建设实施的“三峡引领号”和“海装扶摇号”漂浮式海上风电均采用半潜式浮体基础，积累了一定的工程建设经验。

按照下水原理进行分类，常见的船舶下水方法主要包括漂浮式下水、机械式下水以及重力式下水[7]。结合漂浮式海上风电浮体基础的自身结构特点，下水方法可以具体分为船坞式、半潜驳式、吊装式以及滑移式。其中，船坞式属于漂浮式下水方法，施工操作方便但船坞造价昂贵，方法适用性最好；半潜驳式属于漂浮式下水方法，施工成本较低，但半潜驳资源较为稀少，需配合滑移滚装进行陆海转运，方法适用性较好；吊装式属于机械式下水方法，通常采用大型龙门吊设备将浮体基础直接吊装入水，方法适用性较差；滑移式属于重力式下水方法，施工操作最为简单但浮体结构在滑移过程中容易发生弯扭变形，方法适用性最差。因此，综合分析以上各种浮体基础下水方法的特点及适用性，半潜驳式下水可作为近期重点研究方向，并进一步细化其工艺、装备和质量安全控制标准。

1.2 拖航方式选择

漂浮式海上风电的发电机组、浮体基础等大部件装备均需要通过大型驳船进行海上运输，其拖航方式主要分为湿拖和干拖[8]。其中，湿拖运输方式通常需要几艘驳船协同进行掩护和拖航作业，当遇险时应急锚泊和避风停靠的难度较大，拖航偏荡现象较为严重；干拖运输方式通常采用半潜驳船作为运输设备，具有吃水深度浅、拖航速度快、安全性高、防台避风能力强等特点。

考虑到布置在深远海海域的漂浮式海上风电场与港口码头之间的距离较远，湿拖运输方式的拖航速度较慢，而相比之下干拖运输方式的拖航周期更短且抵抗风险的能力更强。因此，在漂浮式海上风电各类装备的运输过程中，建议采用干拖运输方式进行拖航作业，但需要充分考虑到干拖运输成本较高的劣势，必要时应对规模化运输方案进行优化设计，以有效提高海上拖航运输的技术经济合理性。

1.3 发电机组安装

根据风机运输方式及组装位置的不同[9]，漂浮式海上风电的发电机组运输主要分为整体运输和分体运输，对应发电机组安装主要分为港口整体吊装和现场分体安装。其中，“分体运输+现场安装”方式需要使用超高吊高起重船和自升式安装平台，对于施工装备和天气海况的要求较高，方法适用性需要根据现场作业条件进行分析论证；而“整体运输+现场安装”方式需要使用大型起重船，现场整体吊装对施工设备和作业海况要求较高，但海上作业时间相对较短，施工风险总体可控，同样需要结合设备能力、现场作业条件进行综合分析论证。

1.4 系泊系统安装

漂浮式海上风电作为深远海海域的海上漂浮结构物，通常需要采用由导缆装置、绞车、系泊线、锚固基础以及各种力学配件等组成的系泊系统[10]，以实现对发电机组及浮体基础等运动状态与几何位置的约束。按照系泊安装方式进行分类，漂浮式海上风电的系泊系统主要分为悬链式、张紧式以及张力腿式；按照系泊缆材料进行分类，其主要分为钢丝缆、合成缆以及混合缆。其中，悬链式系泊系统通常采用钢丝缆，具有施工操作简单、结构强度高、制造成本低等特点，但对于海底施工场地的占用范围较大、经济性较差；张紧式系泊系统通常采用钢丝缆或合成缆，在实际使用过程中需要长时间承受较大的跳跃性冲击荷载，系泊缆容易出现强度失效、疲劳损伤等问题；张力腿式系泊系统仅适用于张力腿式浮体基础，通常采用合成缆或混合缆，对于安装技术难度和质量控制要求较高，否则张力腿在海啸、台风、波浪等动载作用下容易出现异常振动，严重降低系泊系统的实际服役寿命与可靠程度。

因此，在漂浮式海上风电系泊系统的安装过程中，应充分考虑到深远海海域的天气海况、海底条件、施工场地以及浮体基础形式、系泊缆材料等因素，并开展相应的耦合动力学一体化仿真分析，以确定适用于特定工程条件的系泊系统及安装方式。

交通标志标线的设置以规范性、适量性、可视性和通用性为原则，以不熟悉本地道路和周围路网结构的司机为设计对象，使参与者能正确、快速地捕获行车方向、所到目的地、行车距离等信息，并加强对司机的诱导作用。

1.5 锚固基础安装

根据力学作用机理的不同[11]，漂浮式海上风电的锚固基础主要分为桩锚、吸力锚、重力锚以及拖曳锚。其中，桩锚通常依靠打入海床内部的桩基础与海底土壤之间的摩擦力来实现锚固作用，施工技术成熟但作业流程复杂、施工成本较高，方法适用性最好；吸力锚通常依靠人工泵制造的内外压力差将钢筒打入海床内部，具有较均衡的各方向承载能力，施工成本较低但需要使用小型起重船进行安装，方法适用性较好；重力锚通常依靠预制压载的自身重力及与海底土壤之间的摩擦力，来分别提供竖直向和水平向的承载能力，施工操作最为简单，但锚固效果受海底土壤的摩擦系数、压实程度等因素影响较大，方法适用性较差；拖曳锚通常依靠锚体结构与海底土壤之间的摩擦力来实现锚固作用，施工操作方便但对锚固点的控制性较差，方法适用性最差。

根据以上各种锚固基础的特点及锚固效果分析可以发现，桩锚和吸力锚的适用性与可靠程度更加优异，对于保障漂浮式海上风电的安全稳定运行具有重要实践意义，下一步应在技术升级、流程简化、资源配置以及降本增效等方面开展系列技术攻关，以有效提高桩锚和吸力锚的技术经济合理性及工程应用价值。

1.6 动态海缆安装

相比于近海固定式海上风电，漂浮式海上风电的输电系统存在明显的区别，具体表现为由于浮体基础可以在一定范围内发生不规律的运动及位置偏移，因此发电机组与敷设于海床的静态海缆之间需要增设一段柔性连接装置，即动态海缆装置[12]。动态海缆装置通常由柔性海缆、浮体单元、锚固基础终端以及防弯固定器等部件组成，主要包括干式结构海缆和湿式结构海缆[13]，可以在一定范围内随着浮体基础自由运动，起到有效的外力缓冲作用。

漂浮式海上风电动态海缆的施工安装通常需要采用海缆水下定位测量装置及专用的海缆施工船，具体施工方法受动态海缆类型及其附件形式的影响较大。因此，在漂浮式海上风电动态海缆的安装过程中，应充分考虑到浮体基础与动态海缆之间的耦合约束作用，开展相应的一体化仿真分析，协调好施工窗口期规划、船机资源配置等内容，保障漂浮式海上风电的电能稳定输出。

2 发展趋势及展望

2.1 技术与产业链创新

技术与产业链创新是加速我国深远海海域风能资源开发建设的根本手段，也是实现漂浮式海上风电施工关键技术跨越式发展的有效途径。

(1)在浮体制造方面，应进一步研究采用预应力混凝土、钢筋混凝土等大体积浇筑材料来制造浮体基础的可行性[14]，并结合水下自护混凝土等新型施工方法[15]实现浮体基础的水下浇筑。在浮体组装方面，应加快对模块化浮体基础的研发速度，以进一步降低海上拖航的运输难度、提高施工安装效率。

(2)在拖航运输方面，考虑到国内大型驳船资源的分布情况，漂浮式海上风电施工企业应加强与烟台、上海、广州打捞局以及北海、东海、南海救助局等的合作，以实现有限驳船资源的充分利用。

(4)在锚泊系统方面，葡萄牙WindFloat漂浮式海上风电[16]通过优化系泊系统与锚固形式，可以在不使用起重船等大型设备的情况下完成锚泊作业，而相比之下国内“三峡引领号”和“海装扶摇号”的施工流程较复杂，导致施工难度及成本明显提高。因此，应进一步优化锚泊系统的冗余设计和安全裕度，以实现安全性与经济性的合理平衡。

2.2 集成化、规模化、智能化

随着我国深远海海域风能资源即将进入商业化开发阶段，集成化、规模化、智能化将成为漂浮式海上风电在运输、施工与安装等方面必然的发展趋势。

(1)积极推进漂浮式海上风电的集成化生产。结合港口码头、船机设备等各类资源的分布情况，就近规划建设海上风电一体化基地，为发电机组、浮体基础、锚泊系统、动态海缆等大部件装备的临时存放及简易安装提供便利条件，有效减小陆上运输距离、增加施工作业窗口期。

(2)积极推进漂浮式海上风电的规模化建设。截至目前，我国已建设实施的“三峡引领号”和“海装扶摇号”均为样机示范工程，距离规模化建设仍有较大差距。风电场的规模化布置可以有效降低漂浮式海上风电的度电成本，摊销施工安装及后期运维费用，并提高电能输送的稳定性。

(3)积极推进漂浮式海上风电的智能化施工。相比于陆地和近海海域，深远海海域具有施工环境复杂、窗口期短、难度大、成本高等特点，依托智能化施工手段、采用少人或无人施工技术[17]，将明显提高海上施工建设的安全性与可靠程度。

2.3 提高整合能力、优化资源配置

深远海海域不仅风能资源丰富，其他资源也具有较大的开发利用价值，基于我国水风光储多能互补的能源发展理念，目前已初步形成了集海上油气、海洋牧场、风能、太阳能、波浪能、制氢、储能等多种资源于一体的开发环境[18]。

加快推进深远海海域的“能源岛”建设[19]，积极构建以能量储存、电解制氢、氢能运输、波浪能发电等为代表的能源转换中心，逐步形成以能源供给为主体、牧渔养殖为辅助的可持续资源开发模式。此外，在漂浮式海上风电的施工建设过程中，如果能够与其他资源的开发过程相互协调，将有效地提高各类施工资源的整合能力及利用率，实现相应资源的优化配置。

3 结 语

“十四五”时期是我国深远海海域风能资源开发建设的关键机遇期，以漂浮式海上风电为代表的清洁能源开发正逐渐走向建设高潮，推动漂浮式海上风电的规模化、商业化发展已成为我国能源领域低碳转型的主要抓手，也是构建水风光储一体化能源格局的重要保障。

本文系统地梳理了漂浮式海上风电在运输、施工与安装等方面的发展现状，主要包括浮体基础下水、拖航方式选择、发电机组安装、系泊系统安装、锚固基础安装以及动态海缆安装等核心内容，并结合我国各类施工资源的配置情况逐一分析了方法适用性，对漂浮式海上风电施工关键技术的发展趋势进行了合理预测，以更好地服务于我国深远海海域风能资源的开发建设。