海上风电基础结构选型和施工工艺

前言：本站为你精心整理了海上风电基础结构选型和施工工艺范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

摘要：目前我国对于海上风电场的建设研究仍然处于起步阶段，而面对电力资源日渐稀缺的与用电需求越加旺盛的矛盾，海上风电场的建设与发展趋势已成必然，而海上风电基础结构选型极其施工工艺则是海上风电场建设研究的重点所在。文章通过研究相关文献以及结合笔者自己多年工作经验情况下，首先对国际上常见海上风电基础结构极其施工工艺进行了深入分析，进而对比了其适用条件，希望能够为我国海上风电场建设提供有效参考。

关键词：海上风电；基础结构；选型；施工工艺

1引言

当前，发展速度最快的清洁能源当属风力发电，海上拥有丰富的风力能源，加上越来越先进的风力转换技术，必将使海洋迅速成为高效的发电场。国外发达国家的海上风电场建设有的已经进入可大规模开发阶段，而我国在此方面仍然处于探索阶段。就国外研究显示，风机基础成本大约是风电场建设成本的三分之一，且其选型与施工存在较大风险，这也是使得海上风电场建设成本较大的原因之一。可见对海上风电基础结构选与施工工艺进行合理探讨对于海上风电发展极为关键。

2国内外对于海上风电基础结构的研究现状

DNV-OS-J101把海上风电场基础结构划分为重力式基础结构、桩承基础结构、桶形基础结构以及浮式结构。海上的地质条件较为复杂且多变，导致海上风电场基础结构并非是固定的某种单一形式，为降低成本，便于施工，基于一些特定情况也可选择多种结构混合的方式。上，然而目前应用较为广泛的当是桩基础结构。我国目前对于海上风电场的建设仍处于探索阶段，东海大桥100MW海上风电示范项目(3MW/台)和中海油渤海风电示范项目(1.5MW/台)，只具备一定的现实意义，且针对性较强，不具备较好的普遍性与可推广性。可见，基于我国现有的施工技术，船舶设备条件、海域作业条件等，探讨出一两种适用于我国海上风机基础结构极具现实意义。

3海上风电基础结构类型及施工工艺

3.1重力式基础

这种结构主要是利用其重量使风机保持垂直状态，结构较为简单且采用的是钢筋混凝土的沉箱结构，因此成本不高，这使其目前在海上风电基础结构建设中已经有了较为成熟的应用，但具备体积大且笨重的缺点。重力式基础结构在施工之前必须清除掉淤泥层，完成孤立墩挖槽后应及时抛石，抛石石块为10kg~100kg为宜，并且要分层夯实，避免发生沉降现象。重力式基础的体积、重量都较大，3~5MW风机基础的重量通常在1500t~2000t之间，高度超过15m；所以在选择的预制厂应离出运码头较近为宜，避免长距离的陆地运输。重力式基础预制完成后，在进行海上运输时可选择采用驳船、半潜驳和浮吊的形式运输，也可利其自身浮游特性搭配气囊使用拖轮牵引至安装地点。基础安置到位后应立即进行碎石或抛砂压载回填，回填过程的各个方面都要保持均匀，防止基础倾斜和隔舱壁开裂。由此可见，重力式基础的结构及制造工艺都较为简单，承载力小，且国外有成功应用的经验，比较适用地基条件较好，水深在10m以内的区域；冲刷海床及软地基则不适宜采用这种结构

3.2桶式基础

从研究来看，桶式基础在近些年海上风电基础结构建设中得到了较好地应用，根据结构不同，又可分为单桶、三桶、四桶3种形式。桶式基础属于短粗的钢性桩，主要利用了负压沉贯的原理。呈现出开口形的圆桶形状，每个桶是通过剪切板使中心立柱与钢制圆桶连接，再通过剪切板使中心立柱产生的载荷分配到桶壁传入基础当中。桶式基础设计需要考虑诸多因素，难度也较大，其设计结果往往是随着设计条件变化而有所不同，导致如果海上风电基础结构采用它的话会造成较大的投资波动。加上桶型基础要保持负压状态，因此不适用于岩性海床、可压缩的淤泥质海床冲及刷海床。同时不能确保总是能淹没基础的滩涂地也不适用。适用水深为25m以下。桶式基础起步较晚，发展应用不还成熟，因此存在较多不确定风险。

3.3桩式基础

桩基础根据结构形式，可以分类为单立柱单桩、单立柱三桩、导管架结构、多桩承台等形式。

3.3.1单立柱单桩

这是桩式结构中最简单的结构形式，主要是由法兰过渡连结段与一根直径为3m~6m的钢管桩组成。单桩结构是国外近海风电场采用最多的基础形式，如丹麦Samso近海风电场就采用了桩径为4.5m的单立柱单桩结构。对于单立柱单桩基的施工工艺，首先是对过渡段、钢管桩的预制；接着是对钢管桩的运输与沉设；最后则是对过渡段安装、灌浆。虽然施工工艺简单，但是单立柱单桩桩径一般都较大，必须使用超大型的打桩设备。这一条件在近期内限制了单立柱单桩结构在我国的应用发展。近几年，我国通过进口大型液压打装锤，大大提高了打桩能力，弥补了单立柱单桩结构的应用缺陷，单立柱单桩在我国有着较好的发展前景。另外，为缓解单立柱单桩直径较大带来的施工难问题况，还可采取适当增加桩的长度来替代直径大的桩。

3.3.2单立柱三桩

单立柱三桩的出现很好地解决了单立柱单桩直径过大的不足，其结构形式如下图。水下连接是单立柱三桩基础的主要施工特点。其应用原理是，将三根直径中等的钢管桩以等边三角形均匀地定位在海底，而在桩顶结构上，通过利用钢套管对上部三脚的桁架结构，进行支撑进而形成较为稳定组合式基础。施工顺序为：先是对三角架进行沉放，然后利用导管对三根桩进行施打。导管与基桩可通过水下焊接或灌注高强度化学浆进行水下连接。三脚桁架应预先制作，其承担着上部塔架的荷载。在水平和斜向方向设置数根三脚桁架预制钢构件，分别连接三根钢套管的中心，对于在上部竖向钢管的顶端应设置法兰与风机塔架进行相接。这种基础结构能够很好地弥补单桩桩径过大的缺陷，作业成本介于单桩与三腿导管架之间，适用的地质条件比较广泛，适用水深为30m以下。

3.3.3导管架基础

导管架结构可根据实际情况需要设计成三腿、四腿结构，又可分为直式、单倾、双倾等形式。该基础施工时需要使用两套桩锤，因此，导管架基础不宜用于浅水区域。导管架结构能够较好地解决水下连接问题并且具备较好的承载能力，适用水深在30m以上。导管架基础与单立柱三桩的施工工艺基本一致，然而其缺点在于该结构地建设需要使用到大量的钢材，因而在桩式基础中往往较少采用到它。

3.3.4多桩承台

多桩承台基础，又可划分为高、低桩承台，比如，我国的东海大桥海上风电场项目，由于正处于桥下航道区域，因此，为了有效地避免发生意外碰撞而选择高桩承台结构。同时，在特定的海域内，多桩承台也具备一定的基础优势：其要求的施工设备配置不高，国内满足要求的船舶资源较多，加上施工工艺较为成熟，适用与离岸15km以内的海域施工。

3.4浮式基础

水深在50m以上的近海区域的风力机安装作业过程中，浮式基础具备明显的优势。相比于固定桩基础、导管架式这两种结构选型的高建设成本，浮式基础作为风力机的安装平台，利用锚泊系统进行海床的锚定作业。浮式风力机平台具备施工成本较低以及海上运输简单的优势，因此在深水海域风电场施工中，浮式基础有着较为广泛的应用前景。通过对相关文献研究以及结合笔者多年工作实践，浮式基础主要有TLP、柱行浮筒以及三浮箱这三种类型。必须拥有足够的浮力支撑风电机组的重量，这是浮式基础的硬性要求，同时还要求能够有效地防止和抑制倾斜、摇晃以及方向移动。对于风力发电机而言，避免强风引起翻转，是风机设计过程中首先需要考虑的问题。比如英国BlueH公司在2008年建成首座海上浮式风力机样机，其先是在陆地上把风力机与浮式基础进行组合，然后利用船运输到具体的安装位置。从公开文献资料来看，风力机位于平台中央主立柱上，这座样机浮式平台基础，跟半潜式平台的结构有所类似，同时为了保证风力机稳定使用可以调长度的强力锚链线把它固定到海底重块中，这样一来让该风力机能够在水深50-300m的海域中建设应用。

4结束语

综上所述，从研究来看海上风电场建设中所能选择到的基础结构类型众多，并且它们各有优点。在这种情况下我们需要充分结合具体海域情况、气候环境以及建设成本等多方面因素综合考量来做好海上风电基础结构选型工作，并在此基础上结合具体选型采取适宜的施工技术与工艺，从而在有效地保证海上风电建设质量情况下提升其社会和经济效益。

参考文献：

[1]张美阳,朱荣华,徐清富,李凤.导管架风机基础的过度段分析及优化[D].现代海洋平台.2015(1).

[2]尚景宏,罗锐,张亮.海上风电基础结构选型与施工工艺探讨[J].应用科技,2009(9).

[3]辛硕.海上风电基础型式与设计选型[J].科学与财富,2016(5).

作者:王革栋 单位:中交三航(上海)新能源工程有限公司