海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式與風(fēng)機(jī)安裝發(fā)展趨勢

引言

海上風(fēng)能具有湍流強(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、節(jié)約土地資源等優(yōu)勢。近年來，海上風(fēng)力發(fā)電在歐洲獲得較快的發(fā)展，已安裝的海上風(fēng)電機(jī)組容量已超過150萬千瓦。但相對(duì)而言，目前對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)研究很不夠，其中尤其缺乏對(duì)海上風(fēng)電場建設(shè)施工的有效技術(shù)支持。

通過對(duì)陸上和海上風(fēng)電場的投資成本結(jié)構(gòu)分析可知，海上風(fēng)電場的建設(shè)中風(fēng)電機(jī)組設(shè)備成本所占的比例減小，而基礎(chǔ)、設(shè)備安裝和電力傳輸安裝等海上作業(yè)的成本所占比例加大。因此，研究海上機(jī)組的基礎(chǔ)施工和設(shè)備安裝方法，對(duì)降低海上風(fēng)電場總成本具有重要意義。

海上風(fēng)電場的設(shè)備安裝是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括機(jī)組的基礎(chǔ)施工技術(shù)、機(jī)組的預(yù)裝配工藝、海上吊裝技術(shù)、安裝船舶的調(diào)度使用、電纜與海上變電站的布置等。

由于海上設(shè)備安裝的技術(shù)要求高，同時(shí)受到氣候、天氣、波浪、水流等隨機(jī)因素制約，是目前限制海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。相關(guān)的施工設(shè)計(jì)和作業(yè)中任何失誤，都有可能造成工期延誤。而對(duì)于大部分海上風(fēng)電場來說，安裝只能在一定的季節(jié)范圍進(jìn)行，工期延誤對(duì)整個(gè)工程會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。

因此，選擇合適的安裝方法對(duì)海上風(fēng)電場的建設(shè)至關(guān)重要。在上述技術(shù)環(huán)節(jié)中，有關(guān)機(jī)組基礎(chǔ)施工技術(shù)的研究尤為重要。本文將結(jié)合丹麥HornsRev海上風(fēng)電場和中國東海大橋海上風(fēng)電場工程，對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行初步討論。

1 風(fēng)電機(jī)組安裝基礎(chǔ)的類型

海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)形式主要取決于水深和海底地質(zhì)條件，同時(shí)與機(jī)組的安裝方法有關(guān)。可選擇的基礎(chǔ)形式較多，主要有重力式基礎(chǔ)、單樁或多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸入沉箱基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等。在目前已建成海上風(fēng)電場中，較多的應(yīng)用了圖1所示的重力式或單樁(多樁)式基礎(chǔ)。

1.1重力式基礎(chǔ)

一般而論，重力式基礎(chǔ)適合水深度較淺的區(qū)域，但在過淺的區(qū)域可能會(huì)受到波浪的影響。如圖1a所示，重力式基礎(chǔ)的沉箱大部分可在岸上制造完成，且不需要打樁，因而成本較低。

在置放重力式基礎(chǔ)前，通常需要對(duì)海底進(jìn)行預(yù)先的平整處理，鑿開海床表層換以層鋪的沙礫層。此后，使用駁船運(yùn)送或漂浮拖駁至場址，基礎(chǔ)就位之后再用混凝土將其周邊固定。

重力式基礎(chǔ)可分為混凝土重力式基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)重力式基礎(chǔ)。混凝土重力基礎(chǔ)的制造工藝簡單，完全依靠自身的重力置于海底，適合于各種類型的海床。早期的海上風(fēng)電場一般采用混凝土基礎(chǔ)，但是由于其巨大的質(zhì)量(如某工程的單個(gè)基礎(chǔ)達(dá)1800噸)，給運(yùn)輸和安裝施工帶來很大的困難。鋼結(jié)構(gòu)重力式基礎(chǔ)雖然同樣需要制作重力沉箱，但可根據(jù)海況設(shè)計(jì)和制造鋼結(jié)構(gòu)，在安裝就位后，再根據(jù)需要向鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中澆注高密度的橄欖石壓載，達(dá)到基礎(chǔ)重力的設(shè)計(jì)要求，使其整體重量得以大幅度降低，更便于安裝和運(yùn)輸。但鋼制基礎(chǔ)不適合腐蝕性強(qiáng)的海域。

1.2單樁和多樁基礎(chǔ)

如圖1b所示的樁式基礎(chǔ)是海上機(jī)組的另一種常用基礎(chǔ)形式。此類基礎(chǔ)通常有兩種施工安裝方法，一種是在指定地點(diǎn)，采用打樁錘將管狀樁基打人要求的海床深度；另一種是使用鉆孔機(jī)在海床鉆孔，裝入樁后再用水泥澆注。

與重力式基礎(chǔ)比較，樁式基礎(chǔ)通常適用于較深的海域，水深可達(dá)到30m以上。由于樁基與塔架都為管狀，因此在現(xiàn)場其間的連接更便捷些。但對(duì)于基巖層距離海床遠(yuǎn)或堅(jiān)硬巖石海床，打樁的過程可能需要增加較多成本，甚至難以實(shí)施。

對(duì)于水深度較淺且基巖離海床表面很近的位置，單樁式基礎(chǔ)是最好的選擇，相對(duì)較短的巖石槽即可以承受整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)的傾覆力距。丹麥的HornsRev海上風(fēng)電場即采用了單樁基礎(chǔ)。單樁式基礎(chǔ)還可以衍生出拉索塔單樁作為改良。

多樁基礎(chǔ)近年也得到一些工程的采用，我國東海大橋海上風(fēng)電場即采用了此種基礎(chǔ)形式。多樁基礎(chǔ)的施工，需要將多根制作好鋼管樁用船舶運(yùn)到現(xiàn)場，然后由現(xiàn)場打樁船打樁到要求的海床深度。利用樁樁基礎(chǔ)，通過鋼套箱模板澆注混凝土制作基礎(chǔ)，再將多根樁連成整體。在基礎(chǔ)滿足強(qiáng)度要求后，將鋼套箱進(jìn)行拆除處理。

通常多樁比單樁基礎(chǔ)適用的海域要深些，且更適合于淤泥層較厚的海域。多樁基礎(chǔ)采用的樁也相對(duì)較長，如東海大橋海上風(fēng)電場所用樁長度超過了80米。

2 海上風(fēng)電機(jī)組安裝船

海上風(fēng)電場的施工安裝，無論是機(jī)組本體還是基礎(chǔ)，都需要有相應(yīng)能力的運(yùn)輸工具運(yùn)送到風(fēng)電場址，并配備適合安裝方法的起重設(shè)備和定位設(shè)備。

近年來歐洲一些海洋工程公司相繼建造和改造了多艘專門用于海上風(fēng)電機(jī)組安裝的工程船舶。在丹麥的HornsRev海上風(fēng)電場施工中，即采用了世界上首艘風(fēng)電機(jī)組專用安裝船舶“五月花”號(hào)。該安裝船于2004年開始服役，具備自升和自航能力，且具有較高的安裝效率。

“五月花”號(hào)安裝船，屬于采用單獨(dú)安裝方式的船舶。不僅具備安裝能力，同時(shí)也擁有較大的載貨能力。該船舶淺吃水、能適應(yīng)惡劣天氣，一次能夠運(yùn)載10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，具備一年安裝200臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的能力。

“五月花”船的設(shè)計(jì)還考慮了風(fēng)電機(jī)組的高度要求，具有6根調(diào)整樁腿，能夠在安裝時(shí)根據(jù)需要升至距海面3～46m的距離。

我國的海上風(fēng)電場的建設(shè)剛剛起步，尚缺乏專業(yè)安裝施工船舶，目前只能采用以往安裝橋梁的船舶替代。圖3是用于東海大橋海上風(fēng)電機(jī)組吊裝的“奮進(jìn)”號(hào)安裝船。

工程實(shí)踐表明，此類安裝船在風(fēng)電機(jī)組安裝適應(yīng)性方面存在著較多問題，亟待開展相關(guān)的研究，盡快研制出專業(yè)的安裝船舶。

3 風(fēng)電機(jī)組安裝方法及發(fā)展趨勢

海上風(fēng)電機(jī)組安裝的目標(biāo)都是以適當(dāng)?shù)耐度氡M量減少海上作業(yè)時(shí)間，減少海上安裝的不確定性，從而節(jié)約總成本并避免工期延誤。目前海上風(fēng)電機(jī)組安裝的方法主要有兩種：第一種為風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)吊裝法，第二種是風(fēng)電機(jī)組整體吊裝法。

3.1傳統(tǒng)吊裝方法

傳統(tǒng)吊裝法經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，在海上風(fēng)電機(jī)組安裝中的應(yīng)用廣泛。此類安裝方法主要分為3個(gè)步驟：

(1)機(jī)組的基礎(chǔ)樁安裝；

(2)風(fēng)電機(jī)組塔架部件的安裝；

(3)機(jī)組的機(jī)艙及葉片部件安裝。

丹麥的HornsRev和歐洲的一些海上風(fēng)電場采用了這種吊裝辦法。

在采用傳統(tǒng)吊裝法的施工過程中，基礎(chǔ)、塔筒和機(jī)艙及葉片安裝需要在海上，分不同階段來完成。用合適的運(yùn)輸船船將基礎(chǔ)樁運(yùn)輸?shù)轿唬么驑洞褬洞虻胶５祝蝗缓笮枰诨A(chǔ)樁上安裝船舶登靠設(shè)施、J形管、懸梯、平臺(tái)等輔助設(shè)施，布好海纜后，再使用起重船進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組塔架的分段吊裝；此后分別吊裝機(jī)艙、輪轂和葉片部件。

海上機(jī)組的傳統(tǒng)吊裝法的實(shí)施過程，可以完全分開的各個(gè)部件，也可以是在一定程度上在岸上進(jìn)行一些部件的預(yù)組裝。例如，比較常用的所謂“兔耳朵”式的運(yùn)輸方式，即先在岸上將機(jī)艙內(nèi)的部件安裝好，并將2片葉片預(yù)裝在輪轂上；通過駁船運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，進(jìn)行塔架、機(jī)艙和“兔耳朵”式風(fēng)輪部分吊裝后，最后將1片葉片安裝到位。

上述吊裝通常需要10～15小時(shí)的時(shí)間，完成后需要通過直升機(jī)或小艇將工作人員運(yùn)送到風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組上的調(diào)試。

上述的風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)吊裝法，由于安裝過程主要在海上完成，安裝時(shí)間長短與天氣的關(guān)系極大。若遇不好天氣，會(huì)嚴(yán)重影響安裝的進(jìn)度計(jì)劃。同時(shí)，安裝后的風(fēng)電機(jī)組調(diào)試過程也需在海上完成，可能出現(xiàn)的機(jī)組故障，也會(huì)導(dǎo)致初期成本大幅度增加。

3.2風(fēng)電機(jī)組的整體安裝方法

風(fēng)電機(jī)組整體安裝是一種施工新技術(shù)，其設(shè)計(jì)原則遵從了“能在陸上安裝就不在海上安裝，能在地面安裝就不在高空安裝”的理念：將包括風(fēng)電機(jī)組的塔架、機(jī)艙及葉片預(yù)先在岸邊的船上整體安裝并調(diào)試，然后再整體運(yùn)送到場址進(jìn)行安裝。由于機(jī)組的整體均在岸邊裝配甚至預(yù)試車，可以降低海上天氣對(duì)安裝的影響和海上試車的故障率。

英國Beatrice海上風(fēng)電場和我國東海大橋海上風(fēng)電場的機(jī)組安裝中，試用了這種整體安裝方法。其基本安裝工藝步驟為：

(1)將機(jī)組的機(jī)艙吊上位于陸上的替代塔架

(2)將三葉片與機(jī)艙的輪轂進(jìn)行對(duì)接

(3)將三段塔筒在岸邊的運(yùn)輸船上垂直組裝為塔架，

(4)將已安裝好的機(jī)艙與葉輪整體吊裝到塔架的頂端。

(5)風(fēng)電機(jī)組豎直安裝在運(yùn)輸船上，并固定在預(yù)先準(zhǔn)備好的安裝支架上，

在運(yùn)輸過程中，需要使風(fēng)電機(jī)組始終保持豎直狀態(tài)，到達(dá)海域場址后，再用大型船舶吊機(jī)將風(fēng)電機(jī)組吊裝到基礎(chǔ)的基座。

整體安裝的難點(diǎn)，主要在于運(yùn)輸過程中如何保證體積和重量巨大的風(fēng)電機(jī)組的安全。同時(shí)，在海域吊裝過程進(jìn)行機(jī)組本體與基礎(chǔ)的基座對(duì)按時(shí)，需要解決機(jī)組構(gòu)件對(duì)基礎(chǔ)的沖擊等問題。

3.3兩種安裝方法的比較

上述的這兩種風(fēng)電機(jī)組吊裝的方法各有優(yōu)劣，目前在歐洲運(yùn)用最廣泛的仍然是傳統(tǒng)的吊裝方法。而在我國的后續(xù)海上風(fēng)電工程中，可能會(huì)更多的考慮使用第二種方法。由于減少海上作業(yè)時(shí)間是降低安裝成本的最有效途徑之一，各國都在不斷研究和改良安裝海上風(fēng)電機(jī)組的方法。但隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，滿足大型風(fēng)電機(jī)組吊裝要求的起重機(jī)面臨數(shù)量不足、成本過高的問題，因而各種吊裝方法也在研究和實(shí)踐之中。

3.4海上機(jī)組安裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

海上存在了許多不可以預(yù)測的因素，為了降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始著手研究海上機(jī)組的基礎(chǔ)制造與風(fēng)電機(jī)組整體安裝總成方法。此種安裝技術(shù)，是在上述風(fēng)電機(jī)組整體安裝的方法基礎(chǔ)上，將機(jī)組的基礎(chǔ)與風(fēng)電機(jī)組本體(包括塔筒、機(jī)艙及風(fēng)輪)作為一個(gè)整體，再利用基礎(chǔ)的浮力，由駁船直接牽引到風(fēng)電場址，最后通過加載或壓載直接將基礎(chǔ)連同風(fēng)電機(jī)組安裝在海底。

4 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式?jīng)Q定風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝方式，至今制約著我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，是缺乏離岸型風(fēng)電機(jī)組的專業(yè)安裝船舶。目前，包括三一重工、振華重工在內(nèi)的國內(nèi)設(shè)備制造廠家開始進(jìn)入專業(yè)海上風(fēng)電機(jī)組吊裝船的制造領(lǐng)域。但是，為使專業(yè)安裝船舶適應(yīng)海上風(fēng)電機(jī)組的吊裝要求，還必須要對(duì)大型海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展進(jìn)行有前瞻性的預(yù)測，以滿足未來海上風(fēng)電場不斷變化的安裝要求。