海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)介紹（上）

海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)介紹（上）

導(dǎo)讀

與固定式基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)可以移動(dòng)，并且便于拆除，可安裝在風(fēng)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(yuǎn)大于淺海地區(qū)。同時(shí)，海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)遠(yuǎn)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(duì)環(huán)境的不利影響。此外，在經(jīng)濟(jì)性方面，海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)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(jiǎn)化、降低費(fèi)用。

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浮式基礎(chǔ)主要特點(diǎn)

近年來國(guó)際上提出了多種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)方案，主要有單立柱型基礎(chǔ)(Spar)、半潛式型基礎(chǔ)(Semi-sub)和張力腿型基礎(chǔ)(TLP)等，見圖 1。

圖1 三種常見浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

對(duì)于主要浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，分述如下：

(1)單立柱型基礎(chǔ)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(jìn)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(tái)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(chǔ)的吃水深，所受垂向波浪激勵(lì)力小，因此，其垂蕩性能好。但單立柱型基礎(chǔ)的水線面積小，其橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)較大。

(2)半潛型基礎(chǔ)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(tái)，平臺(tái)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(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)基礎(chǔ)處于漂浮狀態(tài)時(shí)，較大的水線面積為系統(tǒng)提供足夠大的復(fù)原力矩，使平臺(tái)有良好的穩(wěn)性。

(3)張力腿型基礎(chǔ)由浮式平臺(tái)、系泊和上部結(jié)構(gòu)組成。平臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)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(tái)的位移，因此，該基礎(chǔ)具有良好的垂蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)特性。但系泊系統(tǒng)的安裝費(fèi)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(yùn)動(dòng)。

(4)其他型式基礎(chǔ)主要有駁船型、混合型等。駁船型基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)大、浮力分布均勻、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但對(duì)所在海域環(huán)境非常敏感，如美國(guó)的NREL/MIT風(fēng)機(jī)和日本的NMRI風(fēng)機(jī)。混合型浮式基礎(chǔ)一般由典型浮式風(fēng)機(jī)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(chǔ)的特點(diǎn)。

海上風(fēng)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(jí)相當(dāng)，水平傾覆力矩作用將會(huì)引起浮式基礎(chǔ)大幅搖擺運(yùn)動(dòng)甚至傾覆。因此風(fēng)力發(fā)電浮式基礎(chǔ)運(yùn)行中的主要風(fēng)險(xiǎn)有：

浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)，誘導(dǎo)作用在風(fēng)輪機(jī)上的風(fēng)速波動(dòng)將引起風(fēng)機(jī)較大的諧振響應(yīng)；

海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，需要控制浮式基礎(chǔ)的搖擺運(yùn)動(dòng)；

浮式基礎(chǔ)由系纜定位，極端海洋環(huán)境下系泊系統(tǒng)失效；

隨機(jī)波浪引起浮式風(fēng)電系統(tǒng)基礎(chǔ)-塔柱的共振，導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或者塔柱疲勞；

沖刷與滲流引起的錨固基礎(chǔ)失效。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的分析和新型浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的概念研究，風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟應(yīng)包括：

主尺度設(shè)計(jì)；

穩(wěn)性設(shè)計(jì)；

總布置設(shè)計(jì)；

水動(dòng)力分析：包括模型實(shí)驗(yàn)、透平機(jī)和船體的水-空氣耦合分析；

系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：構(gòu)件尺寸、桁架和塔柱的強(qiáng)度及疲勞分析等；

施工方案設(shè)計(jì)。

基于海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)特點(diǎn)、存在的主要風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)計(jì)步驟，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有以下需要深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

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關(guān)于規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

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(tái)工作海域的環(huán)境保護(hù)。船級(jí)社對(duì)海洋構(gòu)造物的設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)制訂了一系列的標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)則和規(guī)范。不論是總體尺寸規(guī)劃、穩(wěn)性分析還是強(qiáng)度校核，都需要規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，可以說，規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，甚至在設(shè)計(jì)之前就需要考慮參考哪種規(guī)范。

目前，對(duì)于深海風(fēng)電開發(fā)目前還處于方案驗(yàn)證和小規(guī)模開發(fā)階段，所以相關(guān)研究相對(duì)較少，國(guó)外在海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)方面的研究相對(duì)多一些，但投入生產(chǎn)的也不多，所以對(duì)海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)還需要更進(jìn)一步的研究。目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，考慮到海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)與半潛式海洋平臺(tái)所處海洋環(huán)境相近，而后者在實(shí)際工程中已有很多經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和塔架設(shè)計(jì)方面，陸上風(fēng)電技術(shù)成熟且經(jīng)驗(yàn)豐富，因此在海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)大多參考海上固定平臺(tái)與陸上風(fēng)電的相關(guān)規(guī)范。

但從集中式到分散式海洋浮式平臺(tái)不是簡(jiǎn)單的相似或者縮尺，目前來說浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)排水量約兩千噸，而海洋平臺(tái)至少2萬噸，所以從海洋平臺(tái)到浮式基礎(chǔ)不是一個(gè)從大到小簡(jiǎn)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(huì)帶來災(zāi)難性的設(shè)計(jì)后果。所以我們可以用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法加以驗(yàn)證，以減少工程方面的損失。

由于海上浮式風(fēng)電研究理論尚不成熟，模型試驗(yàn)研究更是沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則可循，已經(jīng)開展的試驗(yàn)都是參考海洋工程試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，主要研究風(fēng)力機(jī)和浮體相互影響，測(cè)量風(fēng)浪同向條件下系統(tǒng)的三自由度（縱蕩、垂蕩、縱搖）運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，某些試驗(yàn)還測(cè)量了塔架和葉片受力。雖然試驗(yàn)的數(shù)量比較有限，且有很多簡(jiǎn)化和不足之處，但是每項(xiàng)試驗(yàn)都在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了獨(dú)特的創(chuàng)新和探索，取得了許多有價(jià)值的結(jié)果，見下表。

表1 典型海上浮式風(fēng)機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)與不足點(diǎn)對(duì)比分析表

總之，海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可以參照海上固定平臺(tái)與陸上風(fēng)電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，但它們與浮式基礎(chǔ)還是有所差別。因此盡早制定浮式基礎(chǔ)相關(guān)方面的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，不僅有利于浮式基礎(chǔ)的安全設(shè)計(jì)，也有利于其商業(yè)化的運(yùn)用。而試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У臏p少工程上不必要的損失，并為規(guī)范的制定提供參考。