漂浮式海上風電施工關鍵技術應用研究進展

何佳龍，李 祥，喻葭臨，常作維

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

風電作為一種技術較成熟、開發條件較優越、發展前景較廣闊的電力開發方式，目前已成為世界各國能源開發的重要手段，其中海上風電更是具有節約土地資源、受地形條件影響小、能量效益高等顯著優勢[1]。我國海洋資源十分豐富，具有海岸線長、海域面積大等特點，因此發展海上風電具有得天獨厚的優勢。根據相關統計數據顯示[2]，我國海上風能資源有預計超過30億kW的開發潛力，對于我國有效落實“雙碳”目標、構建新型能源體系具有重要戰略意義。

在“十四五”期間，我國海上風電的開發建設將面臨著從近海到深遠海、從政府補貼到自主發展、從樣機示范到商業應用等多方面的跨越式挑戰[3]，深遠海漂浮式海上風電技術已成為工程學界密切關注的熱點問題。全球風能理事會(GWEC)數據顯示[4]：從2026年開始，全球漂浮式海上風電的年新增裝機容量將突破GW級別；預計到2030年，漂浮式海上風電的累計裝機容量將達到16.5 GW，標志著漂浮式海上風電將正式進入商業化發展新階段。

漂浮式海上風電的核心技術主要包括勘察設計、裝備制造、施工建設、運行維護、設備退役等諸多方面[5]。其中，勘察設計主要包括場址規劃、風資源評估、水文氣象分析、地質勘探、風電場設計、專題論證、測試認證等；裝備制造主要包括發電機組、基礎浮體、系泊系統、錨固基礎、動態海纜、集中送出、升壓主變等；施工建設主要包括以上各類裝備的海上運輸及施工安裝等；運行維護主要包括環境預報、運行調控、設備維護、監測預警、運維技術與裝備等；設備退役主要包括經濟效益評估、運行性能評估、風電場拆除、設備回收利用等。

相比于漂浮式海上風電其他方面的核心技術，施工建設方面所涉及的內容具有較大的不確定性，通常需要根據每個工程的具體特點而采取相應的施工手段。因此，對目前國內外漂浮式海上風電的施工關鍵技術進行對比分析研究，以指導我國未來深遠海海域風能資源的開發利用是十分必要的。

本文基于國內外漂浮式海上風電的實際開發建設情況，系統地總結漂浮式海上風電施工建設技術的產業鏈組成及發展現狀，提出漂浮式海上風電在運輸、施工與安裝等方面未來的發展趨勢與重點突破方向。

1 施工關鍵技術研究進展

漂浮式海上風電的施工關鍵技術主要包括浮體基礎下水、拖航方式選擇、發電機組安裝、系泊系統安裝、錨固基礎安裝、動態海纜安裝等核心內容，在工程建設總投資中占據著較大比重，可以通過對各類施工資源的統籌協調和規模化發展來實現降本增效。相比于近海固定式海上風電，漂浮式海上風電在陸海安裝比例、船機設備需求、適用水深條件、天氣海況限制以及海上施工效率等方面均存在著較大差異，因此需要對漂浮式海上風電的各類施工建設技術及相應的適用條件進行重點討論。

1.1 浮體基礎下水

根據靜穩性工作原理的不同[6]，漂浮式海上風電的浮體基礎主要分為立柱式、張力腿式、半潛式以及駁船式。其中，立柱式浮體基礎的設計重心遠低于平臺浮心，適用水深通常要求超過100 m；張力腿式浮體基礎的安裝流程較復雜且工程造價較高，適用水深通常要求超過40 m；半潛式浮體基礎具有部署方式靈活、施工技術成熟等特點，適用水深通常要求超過40 m；駁船式浮體基礎的制造工藝最為簡單，適用水深通常要求超過30 m。截至目前，我國已建設實施的“三峽引領號”和“海裝扶搖號”漂浮式海上風電均采用半潛式浮體基礎，積累了一定的工程建設經驗。

按照下水原理進行分類，常見的船舶下水方法主要包括漂浮式下水、機械式下水以及重力式下水[7]。結合漂浮式海上風電浮體基礎的自身結構特點，下水方法可以具體分為船塢式、半潛駁式、吊裝式以及滑移式。其中，船塢式屬于漂浮式下水方法，施工操作方便但船塢造價昂貴，方法適用性最好；半潛駁式屬于漂浮式下水方法，施工成本較低，但半潛駁資源較為稀少，需配合滑移滾裝進行陸海轉運，方法適用性較好；吊裝式屬于機械式下水方法，通常采用大型龍門吊設備將浮體基礎直接吊裝入水，方法適用性較差；滑移式屬于重力式下水方法，施工操作最為簡單但浮體結構在滑移過程中容易發生彎扭變形，方法適用性最差。因此，綜合分析以上各種浮體基礎下水方法的特點及適用性，半潛駁式下水可作為近期重點研究方向，并進一步細化其工藝、裝備和質量安全控制標準。

1.2 拖航方式選擇

漂浮式海上風電的發電機組、浮體基礎等大部件裝備均需要通過大型駁船進行海上運輸，其拖航方式主要分為濕拖和干拖[8]。其中，濕拖運輸方式通常需要幾艘駁船協同進行掩護和拖航作業，當遇險時應急錨泊和避風停靠的難度較大，拖航偏蕩現象較為嚴重；干拖運輸方式通常采用半潛駁船作為運輸設備，具有吃水深度淺、拖航速度快、安全性高、防臺避風能力強等特點。

考慮到布置在深遠海海域的漂浮式海上風電場與港口碼頭之間的距離較遠，濕拖運輸方式的拖航速度較慢，而相比之下干拖運輸方式的拖航周期更短且抵抗風險的能力更強。因此，在漂浮式海上風電各類裝備的運輸過程中，建議采用干拖運輸方式進行拖航作業，但需要充分考慮到干拖運輸成本較高的劣勢，必要時應對規模化運輸方案進行優化設計，以有效提高海上拖航運輸的技術經濟合理性。

1.3 發電機組安裝

根據風機運輸方式及組裝位置的不同[9]，漂浮式海上風電的發電機組運輸主要分為整體運輸和分體運輸，對應發電機組安裝主要分為港口整體吊裝和現場分體安裝。其中，“分體運輸+現場安裝”方式需要使用超高吊高起重船和自升式安裝平臺，對于施工裝備和天氣海況的要求較高，方法適用性需要根據現場作業條件進行分析論證；而“整體運輸+現場安裝”方式需要使用大型起重船，現場整體吊裝對施工設備和作業海況要求較高，但海上作業時間相對較短，施工風險總體可控，同樣需要結合設備能力、現場作業條件進行綜合分析論證。

1.4 系泊系統安裝

漂浮式海上風電作為深遠海海域的海上漂浮結構物，通常需要采用由導纜裝置、絞車、系泊線、錨固基礎以及各種力學配件等組成的系泊系統[10]，以實現對發電機組及浮體基礎等運動狀態與幾何位置的約束。按照系泊安裝方式進行分類，漂浮式海上風電的系泊系統主要分為懸鏈式、張緊式以及張力腿式；按照系泊纜材料進行分類，其主要分為鋼絲纜、合成纜以及混合纜。其中，懸鏈式系泊系統通常采用鋼絲纜，具有施工操作簡單、結構強度高、制造成本低等特點，但對于海底施工場地的占用范圍較大、經濟性較差；張緊式系泊系統通常采用鋼絲纜或合成纜，在實際使用過程中需要長時間承受較大的跳躍性沖擊荷載，系泊纜容易出現強度失效、疲勞損傷等問題；張力腿式系泊系統僅適用于張力腿式浮體基礎，通常采用合成纜或混合纜，對于安裝技術難度和質量控制要求較高，否則張力腿在海嘯、臺風、波浪等動載作用下容易出現異常振動，嚴重降低系泊系統的實際服役壽命與可靠程度。

因此，在漂浮式海上風電系泊系統的安裝過程中，應充分考慮到深遠海海域的天氣海況、海底條件、施工場地以及浮體基礎形式、系泊纜材料等因素，并開展相應的耦合動力學一體化仿真分析，以確定適用于特定工程條件的系泊系統及安裝方式。

交通標志標線的設置以規范性、適量性、可視性和通用性為原則，以不熟悉本地道路和周圍路網結構的司機為設計對象，使參與者能正確、快速地捕獲行車方向、所到目的地、行車距離等信息，并加強對司機的誘導作用。

1.5 錨固基礎安裝

根據力學作用機理的不同[11]，漂浮式海上風電的錨固基礎主要分為樁錨、吸力錨、重力錨以及拖曳錨。其中，樁錨通常依靠打入海床內部的樁基礎與海底土壤之間的摩擦力來實現錨固作用，施工技術成熟但作業流程復雜、施工成本較高，方法適用性最好；吸力錨通常依靠人工泵制造的內外壓力差將鋼筒打入海床內部，具有較均衡的各方向承載能力，施工成本較低但需要使用小型起重船進行安裝，方法適用性較好；重力錨通常依靠預制壓載的自身重力及與海底土壤之間的摩擦力，來分別提供豎直向和水平向的承載能力，施工操作最為簡單，但錨固效果受海底土壤的摩擦系數、壓實程度等因素影響較大，方法適用性較差；拖曳錨通常依靠錨體結構與海底土壤之間的摩擦力來實現錨固作用，施工操作方便但對錨固點的控制性較差，方法適用性最差。

根據以上各種錨固基礎的特點及錨固效果分析可以發現，樁錨和吸力錨的適用性與可靠程度更加優異，對于保障漂浮式海上風電的安全穩定運行具有重要實踐意義，下一步應在技術升級、流程簡化、資源配置以及降本增效等方面開展系列技術攻關，以有效提高樁錨和吸力錨的技術經濟合理性及工程應用價值。

1.6 動態海纜安裝

相比于近海固定式海上風電，漂浮式海上風電的輸電系統存在明顯的區別，具體表現為由于浮體基礎可以在一定范圍內發生不規律的運動及位置偏移，因此發電機組與敷設于海床的靜態海纜之間需要增設一段柔性連接裝置，即動態海纜裝置[12]。動態海纜裝置通常由柔性海纜、浮體單元、錨固基礎終端以及防彎固定器等部件組成，主要包括干式結構海纜和濕式結構海纜[13]，可以在一定范圍內隨著浮體基礎自由運動，起到有效的外力緩沖作用。

漂浮式海上風電動態海纜的施工安裝通常需要采用海纜水下定位測量裝置及專用的海纜施工船，具體施工方法受動態海纜類型及其附件形式的影響較大。因此，在漂浮式海上風電動態海纜的安裝過程中，應充分考慮到浮體基礎與動態海纜之間的耦合約束作用，開展相應的一體化仿真分析，協調好施工窗口期規劃、船機資源配置等內容，保障漂浮式海上風電的電能穩定輸出。

2 發展趨勢及展望

2.1 技術與產業鏈創新

技術與產業鏈創新是加速我國深遠海海域風能資源開發建設的根本手段，也是實現漂浮式海上風電施工關鍵技術跨越式發展的有效途徑。

(1)在浮體制造方面，應進一步研究采用預應力混凝土、鋼筋混凝土等大體積澆筑材料來制造浮體基礎的可行性[14]，并結合水下自護混凝土等新型施工方法[15]實現浮體基礎的水下澆筑。在浮體組裝方面，應加快對模塊化浮體基礎的研發速度，以進一步降低海上拖航的運輸難度、提高施工安裝效率。

(2)在拖航運輸方面，考慮到國內大型駁船資源的分布情況，漂浮式海上風電施工企業應加強與煙臺、上海、廣州打撈局以及北海、東海、南海救助局等的合作，以實現有限駁船資源的充分利用。

(4)在錨泊系統方面，葡萄牙WindFloat漂浮式海上風電[16]通過優化系泊系統與錨固形式，可以在不使用起重船等大型設備的情況下完成錨泊作業，而相比之下國內“三峽引領號”和“海裝扶搖號”的施工流程較復雜，導致施工難度及成本明顯提高。因此，應進一步優化錨泊系統的冗余設計和安全裕度，以實現安全性與經濟性的合理平衡。

2.2 集成化、規模化、智能化

隨著我國深遠海海域風能資源即將進入商業化開發階段，集成化、規模化、智能化將成為漂浮式海上風電在運輸、施工與安裝等方面必然的發展趨勢。

(1)積極推進漂浮式海上風電的集成化生產。結合港口碼頭、船機設備等各類資源的分布情況，就近規劃建設海上風電一體化基地，為發電機組、浮體基礎、錨泊系統、動態海纜等大部件裝備的臨時存放及簡易安裝提供便利條件，有效減小陸上運輸距離、增加施工作業窗口期。

(2)積極推進漂浮式海上風電的規模化建設。截至目前，我國已建設實施的“三峽引領號”和“海裝扶搖號”均為樣機示范工程，距離規模化建設仍有較大差距。風電場的規模化布置可以有效降低漂浮式海上風電的度電成本，攤銷施工安裝及后期運維費用，并提高電能輸送的穩定性。

(3)積極推進漂浮式海上風電的智能化施工。相比于陸地和近海海域，深遠海海域具有施工環境復雜、窗口期短、難度大、成本高等特點，依托智能化施工手段、采用少人或無人施工技術[17]，將明顯提高海上施工建設的安全性與可靠程度。

2.3 提高整合能力、優化資源配置

深遠海海域不僅風能資源豐富，其他資源也具有較大的開發利用價值，基于我國水風光儲多能互補的能源發展理念，目前已初步形成了集海上油氣、海洋牧場、風能、太陽能、波浪能、制氫、儲能等多種資源于一體的開發環境[18]。

加快推進深遠海海域的“能源島”建設[19]，積極構建以能量儲存、電解制氫、氫能運輸、波浪能發電等為代表的能源轉換中心，逐步形成以能源供給為主體、牧漁養殖為輔助的可持續資源開發模式。此外，在漂浮式海上風電的施工建設過程中，如果能夠與其他資源的開發過程相互協調，將有效地提高各類施工資源的整合能力及利用率，實現相應資源的優化配置。

3 結 語

“十四五”時期是我國深遠海海域風能資源開發建設的關鍵機遇期，以漂浮式海上風電為代表的清潔能源開發正逐漸走向建設高潮，推動漂浮式海上風電的規模化、商業化發展已成為我國能源領域低碳轉型的主要抓手，也是構建水風光儲一體化能源格局的重要保障。

本文系統地梳理了漂浮式海上風電在運輸、施工與安裝等方面的發展現狀，主要包括浮體基礎下水、拖航方式選擇、發電機組安裝、系泊系統安裝、錨固基礎安裝以及動態海纜安裝等核心內容，并結合我國各類施工資源的配置情況逐一分析了方法適用性，對漂浮式海上風電施工關鍵技術的發展趨勢進行了合理預測，以更好地服務于我國深遠海海域風能資源的開發建設。