海上風電浮式基礎設計關鍵技術(shù)介紹（上）

海上風電浮式基礎設計關鍵技術(shù)介紹（上）

導讀

與固定式基礎相比，海上風機浮式基礎可以移動，并且便于拆除，可安裝在風能更豐富的較深海域，不一定局限在面積有限的淺水大陸架，適用海域范圍遠大于淺海地區(qū)。同時，海上風機浮式基礎遠離海岸線的水域安裝，便于消除視覺的影響，并可大大降低噪聲、電磁波對環(huán)境的不利影響。此外，在經(jīng)濟性方面，海上風機浮式基礎未來也有一定的提升潛力。例如可采用集成結(jié)構(gòu)，便于海上安裝程序簡化、降低費用。

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浮式基礎主要特點

近年來國際上提出了多種浮式風機基礎的概念設計方案，主要有單立柱型基礎(Spar)、半潛式型基礎(Semi-sub)和張力腿型基礎(TLP)等，見圖 1。

圖1 三種常見浮式風機基礎

對于主要浮式風機基礎的特點，分述如下：

(1)單立柱型基礎包含浮力艙、壓載艙和系泊系統(tǒng)。浮力艙提供浮力支撐上部結(jié)構(gòu)，壓載艙裝水、碎石或高密度混凝土進行壓載使系統(tǒng)重心位于浮心之下，由系泊固定其位置，使平臺在水中形成“不倒翁”式結(jié)構(gòu)以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。單立柱型基礎的吃水深，所受垂向波浪激勵力小，因此，其垂蕩性能好。但單立柱型基礎的水線面積小，其橫搖和縱搖運動較大。

(2)半潛型基礎一般由立柱、橫梁、垂蕩板和系泊系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。立柱之間通過橫梁和斜支撐連接形成整體平臺，平臺由系泊鏈固定。立柱內(nèi)通常分隔成眾多艙室，底部一般安裝有大直徑的垂蕩板以減緩基礎的垂蕩運動。當基礎處于漂浮狀態(tài)時，較大的水線面積為系統(tǒng)提供足夠大的復原力矩，使平臺有良好的穩(wěn)性。

(3)張力腿型基礎由浮式平臺、系泊和上部結(jié)構(gòu)組成。平臺由垂直張力腿連接至海底基座模板、吸力沉箱錨或樁基錨，平臺的設計浮力大于自身重力，多余的浮力由始終處于張緊狀態(tài)的張力腿抵消。張緊的系泊能夠有效地控制平臺的位移，因此，該基礎具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。但系泊系統(tǒng)的安裝費用高，且其張力受海流影響大，上部結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)的頻率耦合易發(fā)生共振運動。

(4)其他型式基礎主要有駁船型、混合型等。駁船型基礎具有結(jié)構(gòu)大、浮力分布均勻、穩(wěn)定性好的特點，但對所在海域環(huán)境非常敏感，如美國的NREL/MIT風機和日本的NMRI風機?；旌闲透∈交A一般由典型浮式風機組合而成，如Nautica Wind power公司研發(fā)的AFT和挪威的Sway都是結(jié)合了Spar和TLP浮式基礎的特點。

海上風電系統(tǒng)屬于高聳結(jié)構(gòu)物，水平載荷和垂向載荷數(shù)量級相當，水平傾覆力矩作用將會引起浮式基礎大幅搖擺運動甚至傾覆。因此風力發(fā)電浮式基礎運行中的主要風險有：

浮式基礎的運動，誘導作用在風輪機上的風速波動將引起風機較大的諧振響應；

海上風機浮式基礎結(jié)構(gòu)的縱搖和橫搖運動，需要控制浮式基礎的搖擺運動；

浮式基礎由系纜定位，極端海洋環(huán)境下系泊系統(tǒng)失效；

隨機波浪引起浮式風電系統(tǒng)基礎-塔柱的共振，導致基礎結(jié)構(gòu)或者塔柱疲勞；

沖刷與滲流引起的錨固基礎失效。

通過對風機浮式基礎結(jié)構(gòu)型式的分析和新型浮式基礎結(jié)構(gòu)的概念研究，風機浮式基礎設計步驟應包括：

主尺度設計；

穩(wěn)性設計；

總布置設計；

水動力分析：包括模型實驗、透平機和船體的水-空氣耦合分析；

系泊錨固系統(tǒng)設計；

結(jié)構(gòu)設計：構(gòu)件尺寸、桁架和塔柱的強度及疲勞分析等；

施工方案設計。

基于海上風電浮式基礎特點、存在的主要風險及設計步驟，浮式風機基礎有以下需要深入研究的關鍵技術(shù)問題。

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關于規(guī)范與標準

為了改善海上的安全性,包括海上人員的生命安全、海上結(jié)構(gòu)物的安全,以及平臺工作海域的環(huán)境保護。船級社對海洋構(gòu)造物的設計、建造和檢驗制訂了一系列的標準、準則和規(guī)范。不論是總體尺寸規(guī)劃、穩(wěn)性分析還是強度校核，都需要規(guī)范與標準的指導，可以說，規(guī)范與標準貫穿整個設計過程，甚至在設計之前就需要考慮參考哪種規(guī)范。

目前，對于深海風電開發(fā)目前還處于方案驗證和小規(guī)模開發(fā)階段，所以相關研究相對較少，國外在海上風電浮式基礎方面的研究相對多一些，但投入生產(chǎn)的也不多，所以對海上風電浮式基礎還需要更進一步的研究。目前國內(nèi)海上風機系統(tǒng)設計的相關規(guī)范與標準還不成熟，考慮到海上風電浮式基礎與半潛式海洋平臺所處海洋環(huán)境相近，而后者在實際工程中已有很多經(jīng)驗。同時，在風力發(fā)電技術(shù)和塔架設計方面，陸上風電技術(shù)成熟且經(jīng)驗豐富，因此在海上風電基礎結(jié)構(gòu)設計時大多參考海上固定平臺與陸上風電的相關規(guī)范。

但從集中式到分散式海洋浮式平臺不是簡單的相似或者縮尺，目前來說浮式基礎風機排水量約兩千噸，而海洋平臺至少2萬噸，所以從海洋平臺到浮式基礎不是一個從大到小簡單的縮尺，而且很多條件比如海洋環(huán)境條件沒有縮尺，如果沒有較好的把控會帶來災難性的設計后果。所以我們可以用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法加以驗證，以減少工程方面的損失。

由于海上浮式風電研究理論尚不成熟，模型試驗研究更是沒有公認的標準規(guī)則可循，已經(jīng)開展的試驗都是參考海洋工程試驗進行簡化模擬，主要研究風力機和浮體相互影響，測量風浪同向條件下系統(tǒng)的三自由度（縱蕩、垂蕩、縱搖）運動響應，某些試驗還測量了塔架和葉片受力。雖然試驗的數(shù)量比較有限，且有很多簡化和不足之處，但是每項試驗都在前人研究的基礎上進行了獨特的創(chuàng)新和探索，取得了許多有價值的結(jié)果，見下表。

表1 典型海上浮式風機創(chuàng)新點與不足點對比分析表

總之，海上風電浮式基礎的設計可以參照海上固定平臺與陸上風電規(guī)范與標準，但它們與浮式基礎還是有所差別。因此盡早制定浮式基礎相關方面的規(guī)則標準，不僅有利于浮式基礎的安全設計，也有利于其商業(yè)化的運用。而試驗能夠有效的減少工程上不必要的損失，并為規(guī)范的制定提供參考。