深遠海域漂浮式海上風電場基礎形式綜述

上海綠色環保能源有限公司 ■ 張開華 陳云巧

1 我國海上風電發展概況

根據《風電發展“十三五”規劃》(以下簡稱《規劃》)，我國要積極穩妥地推進海上風電建設，到2020年，全國海上風電開工建設規模達到1000萬kW，力爭累計并網容量達到500萬kW以上。《規劃》同時指出，要重點推動江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風電建設，到2020年，4省海上風電開工建設規模均達到百萬kW以上；積極推動天津、河北、上海、海南等省(市)的海上風電建設；探索性推進遼寧、山東、廣西等省(區)的海上風電項目。據統計，截至2017年8月底，我國海上風電開工項目累計容量已達到4799.5 MW。海上風電項目核準、開工的速度不斷加快，隨著海上風電的發展，各地也相應調整了海上風電的布局。

近期已實現并網的典型海上風電場項目包括：中廣核如東的150 MW海上風電場，離岸距離為25 km，最大水深為18 m；華能如東的300 MW海上風電場，離岸距離為12～25 km，水深為5～15 m；魯能東臺的200 MW海上風電項目，該項目是國內建成的離岸最遠的海上風電項目，場區中心離岸距離為36 km。

隨著技術的進步，為了追求更好的風能資源和擴大項目規模，我國海上風電必將由近海向遠海、深海進軍。

2 國內外海上風電場發展現狀

早在2005年，歐洲就已經開始對漂浮式風電機組進行模型試驗和樣機測試。挪威國家石油公司于2009年安裝了第一臺2.3 MW的樣機，并于2017年在蘇格蘭北部海域開工建設了第一個漂浮式海上風電場，采用5臺Siemens 6 MW風電機組和Spar式基礎，該漂浮式海上風電場已于當年10月成功實現并網發電。由美國Principle Power公司設計的WindFloat基礎形式也于2011年用于葡萄牙西南海域的1臺風電機組樣機上，據報道，2018年該基礎形式將用于法國在建的一個漂浮式海上風電場。

國內目前在建和已建的海上風電場的離岸距離大多在30 km以內，水深未超過30 m。

2015年，湘電風能開展了“基于鋼筯混凝土結構的海上風電機組局部浮力基礎研制”的課題研究；金風科技開展了“浮筒或半潛平臺式海上風電機組浮動基礎關鍵技術研究及應用示范”的課題研究。

3 發展深遠海域風電的意義

發展風能是我國能源實現可持續發展的需要，海上風力發電已成為當前研究和應用的熱點。目前我國已建及規劃的海上風電項目均集中在近海地區，但隨著近海資源的開發利用逐漸飽和，海上風電產業必將向著深遠海域發展。

我國擁有綿長的海岸線，且東海和南海海域面積遼闊，風能資源豐富，水域較深，具備建設漂浮式海上風電場的基本條件。但由于漂浮式風電機組對風電機組設備、風電機組基礎、建造與安裝、電力輸送、風場監測等關鍵技術的要求都很高，并且對經濟成本也很敏感，目前在國內開展相關研究的機構并不是很多。

深遠海域風電場的建設工程復雜，需完成深遠海域風電場的特性研究、技術設計、設備制造、工程實施和運行維護等多方面的技術科研課題，才能為項目實施提供良好的實踐條件，并將項目打造成具有國際一流水平的樣板工程。通過對漂浮式示范海上風電場的建設和試運行進行研究，可掌握相關關鍵技術，為進一步豐富海上風電場選址提供規劃與儲備，為后續大規模開發深遠海域漂浮式海上風電場提供可靠的數據和經驗等。

4 漂浮式海上風電場的幾種基礎形式的優缺點

應用于漂浮式海上風電場的基礎形式主要有3種，分別為：張力腿(TLP)式、半潛(Semi-Sub)式和立柱(Spar)式，如圖1所示。下面對3種基礎形式的優缺點分別進行介紹。

1)TLP式基礎控制平臺的浮力大于自重，通過錨固在海底的拉索保持穩定；目前TLP式基礎的水深能達到1500 m。由于TLP式基礎的穩定性良好且造價相對低廉，目前已經出現很多TLP式風電機組概念，國際上已有多臺樣機采用TLP式方案，比如BLUE H項目。

圖1 3種基礎形式

2)Semi-Sub式也被稱為浮力穩定式，其依靠自身的浮力保持平衡，位置保持依賴錨鏈系統；目前自升式平臺水深能達到3000 m以上。漂浮式海上風電場中出現很多采用Semi-Sub式基礎的設計概念，并有多臺樣機建成試驗，比如WindFloat項目、福島未來項目。

3)Spar式也被稱作壓載穩定式，其平臺總體線形呈圓柱形，控制壓載使重心低于浮心，繼而達到穩定，位置保持依賴錨鏈系統；該平臺主要適用于深水域，目前最大水深能達到3000 m以上。漂浮式海上風電場中出現很多采用Spar式基礎的設計概念(主要在深水區)，并有多臺樣機建成試驗，比如Hywind項目、川島項目。

5 項目開展中的困難

目前，TLP式基礎的3個水平自由度運動的固有頻率較其他漂浮式基礎更接近波浪能量集中的頻率范圍，因此，其在頻率設計方面存在較大難度。其次，由于服務水深的區別，TLP式基礎的張力筋腱及其連接裝置無法直接采用張力腿石油平臺的設計，因此需要進行創新研發，其研發難度和決策風險都較大。第三，TLP式基礎的拖航、安裝等施工難度也較大，尤其是張力筋腱的安裝，需要特殊工藝及精確調節。

Semi-Sub式基礎的穩定性較差，橫搖和縱搖兩個自由度的運動較TLP式風電機組更大，影響發電效率，還可能會影響風電機組的設備壽命。由于Semi-Sub式基礎需要使用懸鏈線錨鏈系泊，所占用的海域面積也遠大于TLP式占用的海域面積，穿梭于風電場中的海船會存在與錨鏈相碰的風險；且當水深較淺時，懸鏈線錨鏈的系泊設計也存在較大困難。Semi-Sub式基礎的運動幅度可能會更大，對于動態電纜的要求會更高，是否能夠研制出滿足要求的動態電纜也是不確定因素之一。

6 結語

由于國家政策的大力支持及近年來海上風電的自身發展，大力開發漂浮式海上風電場將是以后風電發展的重點。我國海上風電經過數年的學習及發展已經初具規模，并已建成投運第一座近海海上風電場——東海大橋海上風電場。相信在政府的支持及企業的推動下，完成漂浮式海上風電的開發，實現近海到深遠海域的突破指日可待。