浙江省首個海上風電項目建設實踐

文|徐勇

作者供職于國電電力浙江舟山海上風電公司

工程打造了可復制、客推廣、可借鑒的海上風電示范標桿，對海上風電、海洋戰略與海洋資源開發都有著重要意義。

國電舟山普陀6號海上風電場2區工程是國家能源集團深入貫徹落實習近平總書記海洋強國戰略思想，發展綠色能源、推動海洋經濟的重要建設項目，是我國首個在強臺風、厚淤泥海域建成的海上風電場，榮獲2020～2021年度第一批國家優質工程金獎。

該項目為浙江省首個海上風電項目，總裝機容量252MW，2017年3月開工，2019年5月全部投產。截至2020年8月31日，已累計發電12.04億千瓦時。項目每年可減少煤炭消耗24萬噸、二氧化碳排放量61萬噸、二氧化硫排放量4378噸、氮氧化物1751噸，每年可節約用水210萬m3。放流魚苗1.6億尾，風機基礎形成人工魚礁，集魚效果明顯，優化了海洋生態環境，促進了舟山海島旅游業，帶動了當地經濟發展，社會和經濟效益顯著。

工程條件

本工程所在海域的海況條件復雜，具有“厚淤泥、大涌浪、強臺風”的特點，對設計、施工和調試提出了嚴峻挑戰。

（1）厚淤泥

工程處于長江口南側淤泥厚積區域，海床地質條件差，海底表層分布15～40m流塑狀淤泥，初始結構強度差、易擾動觸變、高靈敏性、高孔隙比、高壓縮、低強度等特性，并具有一定的蠕變性、流動性及在波浪等荷載往復作用下的軟化特性。表層淤泥含水量一般為63%，平均液限41%左右，塑限22%左右，風電機組基礎和海上升壓站基礎的選型與優化設計及建造施工面臨極大的困難。

（2）大涌浪

工程場區波長分級頻率主要集中在5 0 m～9 0 m之間，9 5 m～15 0 m波長分級頻率統計為5.5%。潮流總體流速一般為1.7m/s，最大流速為2.14m/s，具有較強的旋轉性。風電場建設所需的打樁船、起重船、攪拌船、多功能駁等主要船舶的船長均在100m以內，船長小于波長，同時涌浪作用頻繁，常浪浪高為1～2m，長波強涌作用下施工船舶的橫搖大于7°，縱搖大于3°，搖晃幅度均較大，施工期內受到不利海況條件影響時間達60%以上，年可作業天數僅為120天左右。

（3）強臺風

工程場區處于強臺風海域，根據大數據顯示，1949-2018年，共有43個臺風登陸浙江。臺風在浙江的登陸地點非常集中，最常撲向臺州、溫州、寧波等中南部沿海城市。69年來，43個登陸浙江的臺風中，33個為“一手臺風”，10個為二次登陸。登陸浙江省的最強臺風為2006年第8號臺風“桑美”，登陸時風力為17級。在2011年觀測期間有兩次臺風（“米雷”和“梅花”）過境影響到本工程區域，實測最大波高Hmax分別達到8.76m和10.75m，對應有效波高Hs分別為5.24m和6.44m。工程建成后成功抵御了包括2019年“利奇馬”在內的數個超強臺風的正面沖擊。

高樁高承臺基礎結構

設計優化及技術路線

（1）風電機組選型與布置優化

結合風電機組性能特點，充分考慮建設規模、場區邊界、主導風向和主風能方向等因素，通過對風電機組的選型和布置優化、發電量計算，以及整個工程項目的經濟性評價，最終確定了63臺風機垂直主導風向方向兩排帶狀布置的方案，確保了每一臺風機發揮最大出力水平，實現了風機可利用小時的最大化。

（2）基礎型式選型與優化設計

風電機組基礎以及海上升壓站基礎選型與優化設計過程中，充分考慮風、浪、流、工程地質等海洋環境因素以及風電機組等主要電氣設備的正常運行要求，經過技術經濟比選，鎖定了基礎型式。風機基礎全部采用八樁高樁高承臺基礎型式，有效降低波浪對承臺的沖擊與浮托力，通過數輪設計優化，基礎鋼管樁由2m優化至1.6m，合并鋼筋混凝土承臺相關優化，單臺基礎造價降低約300萬元。海上升壓站基礎采用斜樁導管架型式，與上部組塊之間通過“三短一長”樁柱連接，解決了升壓站吊裝定位的技術難題，3000噸海上升壓站一次性吊裝到位。

（3）安裝方案確定

風電機組吊裝通常有分體吊裝和整體吊裝兩種方式，對于分體吊裝，通常采用自升式支腿船，本工程場區海床表面淤泥層較厚，根據計算，自升式支腿船的樁腿入泥深度需要達到34m才能滿足本工程風電機組安裝施工時對起重平臺船的承載力要求。項目開工前，國內可滿足該要求的自升式起重平臺船較少，為滿足工程工期目標、海域施工工況、基礎結構特點等要求，風機安裝最終選用海上整體安裝方案，即塔筒、機艙、輪轂、葉片在陸上組裝完成，整體運輸至機位處吊裝安裝，有效減少了海上施工作業時間、降低了作業安全風險，更有利于組織標準化組裝作業、保障風電機組組裝質量。為保障整體吊裝，項目先行在舟山六橫小郭巨建設了后方基地，基地至普陀6號風電場航線約12海里，海上航程在3小時以內，后方基地場區開闊，建有碼頭泊位和后方堆場，各項功能齊全。

普陀6號風電場

建設亮點

（1）國內首創“大涌浪、厚淤泥”海域風機基礎設計成套技術

針對本工程海洋環境特點，開展了“大涌浪、厚淤泥”海域風機基礎優化課題研究，在結合試樁資料的基礎上，創新性地提出了“高樁高承臺改進型”風機基礎型式。其每座風機基礎由8根φ1600mm鋼管樁（鋼樁斜度5:1，平均樁長99米）、φ14.2m高性能混凝土承臺組成。承臺為現澆海工混凝土結構，底標高為+12.5m，頂標高為+16.3m，承臺厚度3.8m。該方案通過優化鋼樁結構，在保證結構安全的同時，將承臺底高程設置在最大波高以上，避免了風機基礎受到的波浪浮托力和沖擊力，大幅削減了風機基礎工程量，使單個風機基礎造價大幅降低。該課題相關研究成果已獲得中施企協科技進步一等獎、中國電力創新一等獎、專利3項。

（2）自創“長波靜對靜施工平臺”技術

從施工工藝和現場作業情況分析，動對動吊裝工效最低，靜對動和動對靜次之，靜對靜最高。在海況、風況等自然條件無法改變的情況下，從優化吊裝工藝入手，盡量向靜對靜吊裝靠攏，是提高承臺作業工效的一個有效途徑。在此基礎上，提出了“長波靜對靜作業平臺”施工方案。該方案在風機承臺附近增設了一個過渡平臺，一方面作為設備、材料及人員的中轉平臺，另一方面實現了靜對靜吊裝作業，將海上施工轉變為“陸上施工”，提高了施工效率。據統計，普陀6號共投入8座長波靜對靜作業平臺，累計節省工期約2個月，提升海上作業工效約20%，獲中施企協優秀質量管理成果獎。

（3）國內首創“負重拖航式海上風機整體吊裝”技術

風機整體吊裝方案，一般是在風機組拼碼頭完成風機各部件組裝，并通過風機專用運輸駁運至指定機位，最后利用大型起重船完成整體安裝。由于現場涌浪較大，風機運輸駁會產生左右搖擺及上下起伏，且起重船吊鉤晃動幅度較大，造成掛鉤困難，嚴重制約了海上整體吊裝。在深入研究現場海況、海域特點的基礎上，提出了“負重拖航式風機海上整體吊裝”施工方案。與原方案相比，該方案將風機掛鉤起吊地點從對應機位調整至大蚊蟲島附近海域（該海域靠近陸地，且周圍有島嶼遮擋，涌浪較小），起吊掛鉤完成后整體拖航至指定機位，完成吊裝作業。“負重拖航式風機海上整體吊裝”方案的順利實施，大幅提高了風機安裝效率，創下了單月單船吊裝風機8臺的記錄，獲水利工程協會優秀質量管理成果一等獎、專利3項。

（4）國內首創“海上升壓站抗臺百分百大孤島”技術

普陀6號所處海域為臺風多發地區，在臺風過境時有可能出現電網故障失電的情況。在該情況下，如風電場沒有后備電源，風機將無法自動偏航，風機載荷可能超過容許的極限載荷，從而造成風機損壞。針對該情況，在配置抗臺型風機的基礎上，實施了“海上升壓站抗臺百分百大孤島”技術。該方案在海上升壓站配置了兩臺1200kW的柴油發電機組，作為風電場應急電源。當臺風過境期間出現電網失電情況時，兩臺柴發將會為整個風電場的63臺風機提供偏航電源，確保風機安全進入臺風模式；同時，柴發還能為風機提供必要的除濕加熱電源，確保風電場失電期間的設備防腐安全。“海上升壓站抗臺百分百大孤島”方案的順利實施，大幅提高了普陀6號風電場的抗臺能力，成功抵御了“利奇馬”等數個超強臺風的正面沖擊，推廣示范應用效果顯著，獲國家專利。

（5）國際首創“基于風機變流器無功補償運行方式的帶負荷試驗”技術

帶負荷試驗作為風機受電的一個重要環節，一般在線路帶電以后，投入一定量的用戶產生相應負荷及電流來進行測試；或者在一些特殊情況下采用“假負荷”接入，即利用外接電容器組來充當母線系統的用戶。實際施工過程中，當海上升壓站及風機承臺具備登臨操作帶負荷試驗條件時，往往天氣、海況條件優越，風速相對較低，此時若通過風機實際運行產生的負荷來進行測試，需要等待窗口，人員需長時間在海上等待負荷提升，安全風險較大；另由于海上升壓站的地理位置特殊，通常離岸距離在10公里以上，且其內部空間緊湊，無法像常規陸上變電站一樣采用臨時電容器組接入的方法來進行測試。因此，如何在海上升壓站受電啟動期間做帶負荷試驗，已成為該領域技術人員亟需解決的技術問題。針對該問題，研發并使用了“基于風機變流器無功補償運行方式的海上風電工程受電啟動帶負荷試驗”方法。該方法無需額外的設備，僅利用風機本身變流器實現試驗負荷的調節，可控性強、成本低、操作簡單、可靠性高，降低了后期機組并網試驗的風險，使單臺風機并網時間縮短約50%，獲國家發明專利。

該工程目前已榮獲國家優質工程金獎、中國電力優質工程、國家級工程建設項目綠色建造設計水平評價一等成果、優秀設計一等獎、科技進步獎4項、發明專利6項、實用新型專利10項、質量管理成果獎8項、優秀專利獎1項、工法1項、軟件著作權4項、其他獎項5項，參編行業標準4項，出版著作1部，發表論文30余篇。

工程建成標志著我國掌握了強臺風、厚淤泥海域海上風電建設的領先技術，促進了新裝備、新工藝、新技術的研發升級，打造了可復制、可推廣、可借鑒的海上風電示范標桿工程，對提高海洋資源開發能力，培育壯大海洋戰略性新興產業，推進我國海上風電建設邁入世界領先水平、大幅提升中國企業國際競爭力、實現碧水藍天中國夢貢獻巨大。