近海深水區海上風電工程技術研究與展望

陳杰湛

（中國能源建設集團廣東火電工程有限公司，廣東廣州 510730）

0.引言

目前隨著淺水區規劃風場陸續完成開發建設，我國海上風電建設正呈現從近岸到遠岸、從淺水區到深水區的發展趨勢，風電機組逐步向大容量機組方向發展，風機基礎也逐步趨向于遠樁距的導管架基礎形式轉變，以此適應深水區和單瓦造價的發展需求，同時國家退補政策上臺，平價上網時代的緊迫感逐步加強。為此，近海深水區的工程技術提升將成為降本增效的重要手段之一。

1.國內海上風電發展現狀

我國擁有廣闊1.8萬km的海岸線和1.4萬km的島嶼海岸線，據最新評估，我國可開發海上風能資源開發超過35億kW，且目前在國家及沿海各地的海上風電相關政策扶持下，總體裝機容量位居全球第一，以廣東為例，目前海上風電計劃開發建設6685萬kW容量風場，其中約85.3%開發場址為深水區海上風電。

在深水區海上風電項目中，大直徑單樁基礎的經濟性逐步降低。尤其是我國福建、浙江和廣東海域，由于海床淺表層多為淤泥，地層大多以粘性混砂層為主，設計工程樁整體較長，對施工船機設備性能要求高，市面上可符合的船機資源也相對較少。同時由于單樁基礎鋼在結構重量上相對導管架基礎已不再有優勢，未來市場上以導管架基礎形式的風機占據主流。

對于深水區導管架基礎，目前出現的有三、四樁導管架基礎及吸力筒導管架基礎，由于后者仍在起步階段，受市場主要關注是采用先樁法施工的四樁導管架基礎，其施工分為樁基施工和導管架安裝兩大部分[1]。

2.樁基施工

深水區樁基特征主要在于工程樁根開間距較大，在大容量機組的大環境下，對機組承載要求不斷增大，樁腿根開間距多在30m以上，同時樁長多在95m以上，單根樁重達300t。這增大了樁基施工過程中對浮吊作業跨距及吊高的要求，常規可用于深水區此類樁基施工的大型浮吊資源處于緊缺狀態，無法滿足現階段海上風電建設需求，需研究新的技術與工程裝備改進施工工藝來降低深水區樁基施工難度[2]。

先樁法樁基施工需保證工程樁垂直度（3‰以內）及樁頂高差在5cm以內，目前用于海上風電樁基施工定位導向的工程裝備有水上導向架和水下導向架兩種：

2.1 水上導向架沉樁技術

類似于以往近海淺水區項目，技術上也較為成熟，有過多項工程實踐的水上導向架，即導向架設計露出水面以上并配備大型工作平臺，如圖1所示，同時在導向筒上方水面處設置U形導向槽口導向喂樁，沉樁時以水上測量的方式完成標高控制。

圖1 水上導向架

其施工特點在于測量及導向架調整均在水面以上完成，設備方案成熟，可靠性高。但由于其多采用輔助樁坐底形式，在海床地質差異較大時會出現調平困難的現象，如圖2所示。此外，樁頂高程采用水面間接測量，僅能保證相對標高精度，對工程樁絕對高程控制相對較為困難。同時，由于在深水區施工，導向架需保證高于水面的要求，故導向架整體重量隨水深加深而增大，一般滿足40m水深作業的水上導向架（含輔助樁）約有近1400t的重量，同時由于頂部U型導向槽口及平臺的存在，對浮吊起重能力要求非常高，多需要4000t以上的浮吊方可滿足施工要求。

圖2 水上導向架沉樁

2.2 水下導向架沉樁技術

相對于水上導向架沉樁技術，水下導向架的運用可實現沉樁導向插樁及標高控制的水下化，如圖3所示。水下導向架設計整體入水，出水結構少，一般用于40m～50m作業水深，重量可減少至700t～900t，整體重量較水上導向架更加輕便，浮吊作業時可借助導向架頂部一定的水深進行施工，如圖4所示。從而減小喂樁及沉樁的吊裝跨距，降低浮吊起重能力要求，具有在1200t至2400t浮吊資源上選用施工船舶的優勢。

圖3 水下導向架喂樁

圖4 水下導向架沉樁

但由于水下作業需配備水下三維姿態儀、USВL及ROV等設備，配套設施成本較高。同時，由于水下測量監測技術尚未成熟，監控設備故障率較高，在沉樁技術可靠性上不如水上導向架。

縱觀水上和水下導向架兩種技術，雖然設計出發點不一致，各具優點，但實際施工效率基本仍能在同一水平。在未來水下沉樁基礎成熟發展的前提下，可以大幅降低船機資源要求，水下導向架沉樁技術也將逐漸成為行業內主流沉樁工程裝備。

3.風機導管架安裝技術

風機導管架安裝分為定位及吊裝作業，海上采用高精度DGPS定位系統進行船施工船舶初定位至基礎機位坐標附近，吊裝作業分為立式吊裝和臥式翻身吊裝兩種，其工藝與以往淺水區施工技術基本一致。在完成導管架的起吊作業后，通過安排潛水員或ROV輔助引導插尖對接工程樁，最后進行工程樁與導管架插尖的灌漿工作[3]。

立式吊裝施工工藝簡單高效，是目前深水區導管架安裝技術的首選吊裝方案，如圖5所示，但由于水深超過40m，導管架高度一般在65m以上，重量在1300t以上，采用全回轉浮吊進行施工，至少配置3000t級以上，隨著導管架高度重量的不斷增加，選用更大的浮吊不具備有良好的工程經濟性，頂部掛鉤及人員上下等現場問題受海況制約影響較大，在技術上可通過降低吊耳高度、現場船舶調載等方式來降低施工難度，在沒有大型浮吊支持作業下，宜考慮采用臥式翻身吊裝方案，如圖6所示。

圖5 立式吊裝

圖6 臥式翻身吊裝

4.風電機組安裝技術

近海深水區風電機組安裝，由于水深增大，導管架樁腿根開增大，同時風電機組輪轂中心標高提升，風電安裝平臺就位精度要求更高，不同于淺水區，水深及淺層淤泥厚度的增加，對風電安裝平臺可用樁腿長度要求更高，在水深40m～50m作業，樁腿長度至少需85m以上，國內現有風電安裝平臺資源屈指可數，同時深水區風向海況復雜多變，對風機設備運輸船定點就位有更高的要求，綜合考慮施工作業及平臺安全，以往簡單的風電安裝平臺進點駐位方案已無法滿足實際施工要求，見圖7。

圖7 船舶駐位示意圖

在深水區風電機組安裝中，除前期的插樁入泥計算和穿刺分析外，還應綜合考慮海況對進點駐位方案進行詳細設計，平臺駐位應盡可能采用DGPS技術輔助，同時在平臺頂升階段還應測量確定好基礎平臺與風電機組安裝平臺甲板相對高程的監測，以確保風電機組吊裝的順利，見圖8。

圖8 風機安裝

5.結語

目前國內海上風電已進入從淺水區向深水區的過渡階段，一方面，發展深水區海上風電可更加充分利用遠岸豐富且穩定的風能資源，遠離航道及沿海岸線，是海上風電規模化、產業化發展的方向，經過近些年的各個工程項目的大量實踐經驗，我國在海上風電制造、建設、運維技術水平均不斷提高，技術是制約海上風電走向深水區的關鍵要素，實現海上風電平價建設，就必須改變現有技術路線，加強對深水區海上風電建設的技術研究，同時隨著國家及地方政策的引導推動，我國海上風電的競爭力將不斷增強，助力國家如期實現2030年前碳達峰目標[4]。