廣東海上風電風機基礎型式分析與探討

劉偉 三峽珠江發電有限公司

海上風電作為新能源新起之秀，被列為電力企業“碳達峰”和“碳中和”行動方案中，不再受電價政策、技術等影響，繼續呈規模增長。海上風電風機基礎技術作為海上風電場建設中的關鍵技術，影響著海上風電開發速度，特別是深遠海的開發，受到眾多投資者和研究者重視。海上風電風機基礎投資比重大（約20～30%）、技術不成熟、所處海洋環境復雜、安全等不可控因素較多，采用有效的基礎型式也是眾多投資者、設計者關注的重點。在這種情況下，探討基礎型式、總結經驗，以滿足海上風電快速發展下的基礎選型要求非常重要。

1.基礎型式

海上風電基礎按照是否嵌巖分為嵌巖和非嵌巖基礎，按照結構形式劃分有重力式基礎、單樁基礎、高樁承臺基礎、導管架基礎、漂浮式基礎（尚處于研究和應用示范階段）、筒（桶）型基礎等。廣東海上風電現階段主要采用單樁基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎和筒（桶）型基礎。

1.1 單樁基礎

單樁基礎是采用單樁嵌入海床形成的海上風力發電機組的一種基礎，即將一根鋼管樁（一般直徑4～9m）采用大型沉樁設備打入海床，承受各種荷載的基礎。按照是否嵌巖分為非嵌巖單樁和嵌巖單樁；按照樁徑大小劃分為普通單樁和大直徑單樁。目前國外已建成的Horns Rev、Utgrunden、Scroby Sands等海上風電場和國內廣東、江蘇等風電場均廣泛采用該基礎型式，隨著施工工藝的進步，單樁基礎出現了無過渡段型式，并逐步向大直徑、大水深發展。

1.2 導管架基礎

導管架基礎是鋼管樁通過導管架固定于海底的結構物，即鋼管樁（一般三根及以上）打入海底，導管架與鋼管樁之間連接形成整體后承受荷載的基礎型式。按照是否嵌巖分為非嵌巖導管架和嵌巖導管架（嵌巖按照工藝不同分為芯柱、植入等）；按照管樁多少分為三樁導管架、四樁導管架等；按照管樁直徑大小分為普通導管架和大直徑導管架。導管架基礎是目前歐洲海上風電場用得較多的一種基礎型式，也是廣東區域在單樁不適用的情況下應用最廣的一種基礎型式。

1.3 筒（桶）型基礎

筒（桶）型基礎通過在筒腔內產生一個比周圍小的壓強而自主插入海底，靠自重及筒側阻力使基礎穩定或者在筒腔內形成負壓來增強抵抗外載荷的能力的基礎，常見有單柱復合筒基礎、吸力桶導管架基礎等。已有應用案列（丹麥Frederikshavn、國內測風塔等），并在海上風電逐步推廣，未來將成為海上風電基礎研究關鍵技術之一。

1.4 高樁承臺基礎

高樁承臺基礎是指由若干根樁和位于地面以上(或沖刷線以上)的承臺所組成的樁基礎結構，該基礎剛度較大，抗水平荷載性能較好。高樁混凝土承臺基礎施工方法比較成熟，國內東海大橋100MW海上風電示范工程、東海大橋二期海上風電場工程、臨港海上風電項目等多個項目均有成熟的設計、施工與運行經驗。

2.基礎型式對比分析

廣東海域目前已建和在建項目基礎型式有單樁基礎（基本為非嵌巖單樁）、導管架基礎（含嵌巖和非嵌，非嵌巖為主）、筒（桶）型基礎、高樁承臺基礎，各種基礎型式特點詳見表1。

表1 基礎型式對比分析表

3.基礎型式應用分析

基于2021年搶裝潮，截止2021年4月底，已統計22個已建和在建廣東海域海上風電項目，統計基礎總數215臺（不含漂浮式風機），其中單樁784臺（基本為非嵌巖單樁）、導管架371臺（含嵌巖和非嵌，非嵌巖為主）、筒型37臺（含單柱筒、吸力桶）、高樁承臺23臺。

根據調研和研究結果，廣東海上風電非嵌單樁應用最多，主要由于非嵌巖單樁結構簡單、施工工期和海上時間短，成本較低，超大直徑技術使其應用進一步加大；非巖導管架應用其次，主要是非嵌巖導管架對地質要求不高、應用范圍廣，大直徑導管架使其應用范圍進一步擴大；筒型和高樁承臺應用較少，主要是筒型和高樁承臺施工周期較長，價格優勢未體現，導致不適合進度要求較高的海上風電，另外筒型相對高樁承臺使用較多，主要是筒型海上施工周期短。

從價格比例看，非嵌巖單樁價格與筒型價格差距不大，相對非嵌巖導管架和高樁承臺價格低，非嵌巖導管架和高樁承臺價格差距不大。上述價格為基于“搶裝潮”分析，非“搶裝潮”期，非嵌巖單樁相對非嵌巖導管架和筒型更具有價格優勢，另各基礎型式價格還與其特點、海洋環境、技術發展等密切相關。

4.結束語

伴隨著“碳達峰”和“碳中和”，海上風電將繼續迎來建設高峰期，但電價下調必然導致企業在降本增效上進行突破，作為投資比重較大的海上風電風機基礎將作為研究重心，不斷研發、熟練掌握各種基礎型式的設計方法與技術是降低海上風電成本重要途徑之一。本文重點對比分析了各基礎型式特點和應用，非嵌巖單樁目前應用最多、也是最主流的基礎形式，未來將向超大直徑發展；非嵌巖導管架應用范圍最廣、隨著水深的增大更具優勢，大直徑導管架使其應用更廣，在其他基礎型式技術未突破前，未來可能會成為深水優先選擇基礎型式；筒型基礎在國內逐步開始應用，尤在嵌巖和海上窗口期較短的海域更具優勢，隨著技術成熟和價格優勢將成為研究重點；高樁承臺基礎施工和海上周期長，價格優勢未體現，未來需在深水區有突破。希望上述基礎型式分析與探討能為海上風電基礎型式技術研究和業主基礎型式選擇提供一些思路或參考。