珠海桂山200MW海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計

朱榮華，李少清，張美陽

（廣東明陽風電產業集團，中山 528437）

珠海桂山200MW海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計

朱榮華，李少清，張美陽

（廣東明陽風電產業集團，中山 528437）

本文針對廣東省第一個海上示范風場，也是中國目前最大的海上示范風場——珠海桂山200MW海上風場的海況和地質條件，并充分考慮了在中國制造的可行性和經濟性以及海上安裝施工和后續運營維護的便捷性，在中國首次提出了一種海上風電機組導管架基礎方案。經過專家多次評審，該方案被確認為適合該項目的最優方案。

海上風場；基礎；導管架

0 引言

在目前氣候變化壓力不斷加大，陸上風資源利用飽和的情況下，發展以海上風電為代表的清潔能源，已成為各國應對未來能源和氣候變化的長期策略。中國大陸海岸線長，沿海風能資源優秀。目前國內海上風電發展處于起步階段，我國近海風電場可開發風能資源儲量是陸上實際可開發風能資源儲量的3倍，其風能儲量遠高于陸上，未來發展空間巨大。海上風力資源遠遠優于陸地風力資源。隨著大型兆瓦級風電機組研制成功，風能的開發逐漸由陸地轉向海上。

目前限制海上風場大規模發展的瓶頸除了海上風電機組本身外，海上風電工程裝備價格高昂以及現有安裝技術不夠成熟亦對其造成影響。由于海上風電機組安裝設備和安裝方法以及海上風電機組支撐結構在全世界范圍內剛剛起步，具有很大的技術提升空間和成本降價空間。因此，進行新型、可靠、低成本海上風電機組基礎的研究與開發意義深遠。

1 國內外發展現狀

海上風電發展最早始于歐洲。歐洲海上風電場項目始于20世紀90年代初。1991年，世界上第一個海上風電場建于丹麥波羅的海Vindeby附近[1]。海上風電機組基礎形式主要取決于水深和海底地質條件，同時與風電機組的安裝方式有關。可選擇的基礎種類較多，目前世界上使用的海上風電機組基礎主要為重力式基礎[2]、單樁基礎[3]、水下三樁基礎[4]、水上三樁基礎[5]、四樁導管架基礎[6]幾種，其中單樁基礎和四樁導管架基礎應用較廣。重力式基礎適用于淺水海域，造價低不受海床影響。單樁式基礎自重輕、構造簡單但是不適合海床有巖層的海域。水上三樁基礎結構調平困難，不適合海床有巖層的海域。水下三樁基礎、導管架基礎可借鑒以往石油平臺施工經驗，但設計方面與石油平臺不同。海上風電機組結構水平荷載和傾覆力矩遠遠大于海洋石油平臺結構，而豎向荷載較之要小。因此，海上風電機組基礎結構承載形式和特點不同于傳統海洋石油平臺設計[7]，要考慮側向荷載的影響。

2 珠海桂山200MW海上示范風場地質和海況介紹

珠海桂山200MW海上風電場屬于近海風電場，位于珠江河口的伶仃洋水域，風電場區內分布有6個島嶼，以低丘為主。場區內地形地貌形態簡單，水下地形較平坦，海底泥面標高為－6m—－12m。風場區域軟土分布范圍廣、厚度大，其穩定性極差，在Ⅶ度地震作用下海床淺部分布的淤泥存在震陷的可能；場區基巖風化差異顯著，風化層厚度大，但厚薄不均，地基均勻性總體較差，場地屬于抗震不利地段。場區20m深度范圍內存在飽和、松散的礫沙層，存在輕微中等液化的可能。風場區上覆淤泥、淤泥質土、粉質粘土、粉細沙等土層地基承載力均較低，壓縮性較高，不適宜作為風電機組基礎持力層。

風電場所在的珠海市位于廣東省南部，屬于亞熱帶海洋性季風氣候。冬季盛行東北季風，夏季多西南季風，春秋為過渡期。夏秋季4－9月份為熱帶風暴的活躍季節，尤以7－9月份最為活躍。極端高潮位為3.41m，設計高潮位為1.8m。工程海域表層最大流速為2.1m/s,桂山場址所在海域海浪以涌浪為主，長浪向為SE出現頻率為40.4%，珠江口NE-SE方向的持續大風，易產生災害性大浪。

3 海上風電機組基礎介紹

海上風電機組基礎主要為單樁式基礎、水下三樁基礎、水上三樁基礎、四樁導管架基礎及重力式基礎幾種，如圖1所示。下面對這幾種基礎形式的特點分別進行介紹。

3.1 重力式基礎

重力式基礎一般為混凝土預制件適合水深較淺的區域（小于10m），但在過淺的區域可能會受到波浪的影響。重力式基礎可在陸上制作完成，安裝時填充壓載物無需打樁，成本低廉。混凝土重力式基礎的制作工藝簡單，完全靠自身重量放入海底，適合各種類型的海床。但是混凝土重力式基礎重量過大（單個重量在1200t左右），給海上運輸帶來巨大挑戰。

3.2 單樁基礎

單樁基礎又稱為單根鋼管樁基礎，適用于水深小于30m的海域。其結構特點是自重輕、構造簡單、受力明確。單樁基礎由一個直徑3m－4.5m之間的鋼樁構成。鋼樁打入海底18m－25m，打入深度由海床地面類型確定。這種基礎的優點是不用整理海床，但是需要設置防沖刷保護，而且不適用于海床內有巖石的海域。由于大直徑鋼樁結構受波浪荷載影響較小，目前此種基礎結構在歐洲風電場應用較廣。

3.3 水下三樁基礎

水下三樁基礎，適用于水深小于30m的海域。采用對稱三腿支撐結構，整個基礎通過打入海底的三根鋼樁連接。鋼管樁通過灌漿與上部結構相連。此種基礎結構由單塔架結構演化形成，目前該基礎形式已在德國Alpha Ventus風場使用。與單樁基礎相比，水下三樁基礎降低了樁的直徑，減少了施工難度，但在淤泥質海床中易發生傾斜，且糾偏難度大。此種基礎形式對焊接工藝要求較高，生產制造困難。

3.4 水上三樁基礎

水上三樁基礎（Tripile）為德國BARD海上風場業主持有專利的三樁基礎形式，插入海底樁長3m。此基礎結構打樁施工難度小，重量輕，與其它基礎相比造價更低。但是此種基礎形式也存在很多問題，如上部裝套調平困難，三根樁在風電機組側向荷載作用下易發生扭動等。因此，水上三樁基礎沒有在全世界范圍內大規模推廣。

3.5 導管架基礎

導管架式基礎（Jacket）是深海海域風電場未來發展趨勢，目前歐洲已有許多風場采用此種基礎形式。該基礎結構強度高、安裝噪音小、重量輕、運輸安裝方便，可作為大型風電機組支撐結構。導管架基礎受波浪荷載影響較小，適用水深范圍為5m－50m的海域，而且安裝速度快，現場施工簡單，與其它基礎形式相比較造價低廉，而且可借鑒以往石油平臺的設計施工經驗，是一種成熟的海上風電機組基礎結構。

4 導管架基礎經濟性分析

導管架基礎相對于其他基礎形式，重量輕但焊接工作量大。歐洲很多項目推薦采用單樁或水下三樁基礎，目的是為了盡可能降低加工過程中高昂的人工費用。但在中國不同基礎的加工費相差不大，制造成本完全由用鋼量的多少決定，即由基礎結構的重量決定。應用于珠海桂山200MW海上示范風場的導管架基礎，與目前歐洲所使用的傳統單樁或多樁海上風電機組基礎相比用鋼量節約近40%，而且中國近幾年蓬勃發展的船舶和海工結構制造業，無論在加工技術方面還是在制造成本方面均為導管架基礎的建造創造了條件。

5 珠海桂山海上風電機組基礎設計

本文提出一種適合中國海況的海上風電平臺基礎結構，如圖2所示。

此基礎形式為外挑平臺式海上風電基礎結構。該結構為導管架基礎結構的改進型，由四條支腿支撐，支腿間有加強斜撐連接，支腿上部設置平臺。平臺下部設置鋼梁外挑，以增大結構平臺面積。風電機組塔筒通過法蘭連接于基礎上部的塔筒過渡段上，塔筒過渡段由四個斜撐支撐，并且設計有塔架門可供工作人員通過塔筒進入風電機組內部進行維修、養護。外挑平臺上放置電器房間，內部可放置配套電器設備。平臺及基礎結構均為鋼結構構件，支腿、斜撐、塔筒過渡段均由鋼板卷制而成。

圖1 海上風電機組基礎圖示

與世界上其他基礎形式相比，此種形式的基礎結構重量更輕、結構傳力性能優越，可有效將風電機組引起的側向彎矩和側向力傳遞至支腿。對于傳統的海上風電，電器設備如變壓器、變頻柜等電器件往往放置于塔筒內部。由于塔筒內部空間狹小而且散熱困難，電器設備出現故障后拆卸維護困難，因此會增加運維成本。本文所介紹的基礎形式，提供了足夠大的空間供放置電器設備，解決了傳統處理方式中的散熱和維護問題，如圖3所示。

海上施工與陸上施工不同，海上施工難度大而且船舶及海上工作人員的人力成本高昂。外挑平臺式海上風電基礎結構可使用較小的船舶進行運維施工，可有效降低維護運營成本。當電器房間內電器件設備出故障需要更換時，可將小型維護船舶停靠于外挑式平臺下部，通過打開電器外挑平臺部分甲板，利用預先懸掛于電器房間頂部的葫蘆吊或其它小型起重裝置，將故障設備吊至平臺下方小型維護船上，運回碼頭進行維修更換。電器房間內設置空調系統，可有效過濾空氣中的水分和鹽分，防止鹽霧腐蝕對電器設備造成影響。

圖2 海上風電平臺基礎結構

圖3 維護示意圖

圖4 外挑平臺俯視圖

圖5 樁與導管架支腿鏈接細部

6 關鍵技術

由于受海上風浪影響，海上風電機組及基礎安裝將變得非常困難。外挑平臺式基礎結構安裝所采用的方法是先在海底打四根樁（樁頭在泥面以上），然后通過拖輪將在船廠制造完成的外挑平臺式基礎運輸至指定位置，通過自升式平臺等安裝船舶對基礎結構進行吊裝，將外挑平臺式基礎支腿插入樁中。然后在平臺甲板上通過灌漿導管向海底鋼樁與基礎支腿間灌漿，確保基礎支腿與鋼樁穩固連接。樁與基礎支腿間鏈接方式見圖5。風電機組對基礎結構所造成的側向荷載和側向彎矩可通過支腿、鋼樁傳遞至海底巖層。外挑平臺基礎部分處于泥面以上，且下部設置擋泥板。

此種基礎連接方式及結構特點不但可以有效確保風電機組抵抗波浪荷載、風荷載等惡劣天氣的影響，而且針對于中國部分海域淤泥層厚度大的問題使用鋼樁與基礎連接的方式，有效解決了淤泥層過厚對施工造成的影響。結構重量較傳統導管架基礎更輕造價更低，上部甲板平臺空間更大，方便電器設備的排布。安裝維護方便，有效降低了安裝施工成本，而且可用于淤泥層較厚的海域，可抵抗臺風等惡劣天氣的影響。

7 結語

上述海上風電機組基礎結構，適用于中國大多數海域的地質條件和海況。涉及海洋工程、船舶工程、結構工程、流體力學、結構動力學等多學科領域，在研發過程中大多數問題都可采用當前這幾個領域內的研究手段得以解決[8]。此種基礎方案在國內海上風場基礎選型及方案評審中得到各方專家的一致好評，被指定為最適合中國當地海域的海上風電基礎形式。20世紀以來，世界各國大力發展海上風電，在海上風電關鍵性技術及難點的研究，商業運營，資源的可持續發展，環境保護等方面取得了重大進展。目前中國海上風電正處于起步階段，預測未來5－10年內會有極大的發展空間。研發適用于中國海域的海上風電機組基礎結構任重道遠。

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[4]Trunars J M V. The effect of wave modelling on offshore wind turbine fatigue loads[A]. Proceedings of the Offshore Energy Conference[C]. Copenhagen:COW,2005.

[5]Richter, T.,Kirsch, F.and Rucker, W.(2010): Pile Foundation for Offshore Wind Turbines-Does Cyclic Soil Behaviour Matter: in: Proceedings of DEWEK,Bremen.

[6]Seidel, M. v. Mutius, M.;Integrated analysis of wind and wave loading for complex support structures of Offshore Wind Turbines. Conference Proceedings Offshore Wind 2005,Copenhagen 2005.

[7]黃維平,劉建軍,趙戰華.海上風電基礎結構研究現狀及發展趨勢. 海洋工程,2009.

[8] 張超, 王金亮.有限單元法在風電機組基礎設計中的應用分析[J].風能, 2012(6):96-99.

Jacket Foundation Design for 200MW offshore Demonstration Wind Farm Project of Zhuhai Guishan

Zhu Ronghua, Li Shaoqing, Zhang Meiyang
(Guangdong Ming Yang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China)

This paper has designed an offshore wind turbine jacket foundation, which has been confirmed to apply to Zhuhai Guishan demonstration project (200 MW). The application of this type of foundation has been studied comprehensively and systematically. Local sea bed conditions, feasibility of installation, convenience of operation and maintenance and reasonable price of manufacturing in China have been carefully considered and analyzed. This design has been assessed and approved by expert committee as the best option.

offshore wind farm; foundation; jacket

TM614

A

1674-9219(2013)09-0094-05

2013-07-02。

朱榮華（1977-），男，中國明陽風電產業集團副總裁，首席科學家，目前在明陽風電產業集團負責海上風電技術的研發和領導工作。

李少清（1986-），男，工程師，主要從事海上風電機組基礎設計，力學分析工作。

張美陽（1981-），女，主任工程師，主要從事海上風電機組基礎設計計算工作。