吸力桶基礎安裝調平控制系統在長樂海上風電項目中的應用

張繼彪，夏月

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

近年來，我國海上風電項目發展迅猛，風場的水文與地質條件越來越惡劣和復雜，采用傳統單樁及高樁承臺結構的施工難度及成本越來越高。針對深遠海區域，目前推行的一種結構形式為桶式基礎結構[1]，其為一種非打入性淺基礎，直徑大，高度小，通常采用吸力下沉，在工程勘探造價和用鋼量方面，比較經濟；采用壓力差下沉技術，打破了傳統樁基礎使用打樁錘的概念，不用考慮水深較大時對樁基的穩性強度要求，也避免了在水深較大海域中打樁船安裝施工的費用較高的問題。隨著桶式基礎這一新型結構在海上風電行業的大力推廣，其需求會越來越大。

目前國內在吸力下沉技術及相關裝備領域空白較多，自主施工案例較少。文獻[2]針對復合筒形基礎設置分艙、沉放、調平控制等進行了研究，利用分艙板使基礎沉放臨界負壓降低約10%，有效減少調平臨界傾角，降低了單筒基礎結構施工難度；文獻[3-4]分別利用桶蓋圓周上布置的多個振動機構與真空泵控制排出桶內空氣及海水，以達到沉放目的，前者通過控制電磁閥的通斷頻率使氣動沖擊錘產生撞擊力來調節桶形基礎的平衡，后者通過控制比例閥的閥門開度來保證基礎的垂直姿態。但以上調平措施與方案多以手動操作為主，對于沉貫中多變的控制條件難以做到及時有效的響應。

桶式基礎安裝施工中，能否下沉至設計深度及下沉過程中的姿態控制是施工成敗的決定性因素。如果桶式基礎沉放失敗，出現傾斜或沉放深度不夠，則其穩性和承載力都將會受到很大影響，因此有必要針對桶式基礎的安裝施工調平控制技術開展深入研究，并研制相應的專用施工裝備，驗證基礎施工工藝的可行性、調平策略的可靠性及專用施工裝備的功能、能力及穩定性。本文以長樂外海海上風電C 區項目為依托，針對桶式基礎吸力下沉研發專用安裝設備，研究吸力下沉中的姿態調平控制流程、控制工藝及控制算法，在基礎下沉中對吸力桶頂面垂直度進行全過程的監視與實時自動調整控制，保證施工的安全和沉放過程的穩定和準確。

1 工程概況

1.1 三桶吸力桶式基礎安裝施工項目

本項目位于福州市長樂區東部海域、閩江口南岸，場址距離長樂海岸線31～50 km 海域，平均水深37～45 m，海底泥面高程-37～-45 m（1985 國家高程）。該海域作業水深，海床面覆蓋層主要為淤泥、淤泥質粉質黏土等軟土地質，具有涌浪大、波長長、平均風速大、可作業天數少等特點。

具體吸力桶施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 吸力桶施工工藝流程Fig.1 Construction process flow of suction bucket

1.2 三桶吸力桶基礎結構

圖2 為三桶吸力桶式基礎結構組成，桶式基礎是一種頂部封閉、底部開口的鋼制大直徑圓桶結構，它利用吸力泵組產生負壓把桶內水排空，桶內外產生壓力差，從而使桶形基礎貫入至設計深度。三桶吸力桶由吸力桶、導管架和上部箱梁過渡段3 部分組成。以長樂C49 號機位為例，吸力桶3 個，長度26 m，直徑10 m，桶間距離28.966 m（10 MW），導管架為3 腿導管架，長度64.61 m。吸力桶吸入海床錨固整個基礎，吸力桶頂部的沉貫自動化設備吸力泵組用于自動控制基礎吸力下沉，導管架為中間連接過渡段箱梁與吸力桶的桁架式結構體，過渡段主鋼管用于連接風機塔筒的底部基礎平臺，回收纜繩用于沉貫完成后回收水下吸力泵組。

圖2 三桶吸力桶式基礎結構組成Fig.2 Structural composition of three-bucket suction bucket foundation

2 控制系統硬件組成

2.1 位置姿態監測系統

位置姿態監測系統安裝于導管架頂部，主要由GPS 天線、GPS 控制器、24 V 光伏控制器、太陽能板、蓄電池、交換機、雙軸傾角傳感器、PLC（塔頂）、RS485 串口服務器、警示燈等組成。具體框架圖如圖3 所示。

圖3 導管架位置及姿態測量系統框架Fig.3 Framework of the jacket position and attitude measurement system

太陽能板可對蓄電池進行充電，并通過光伏控制器對導管架頂部系統所用元器件進行供電，確保系統正常工作；RS485 串口服務器對傾角儀的數據進行采集；PLC 對警示燈進行控制；PLC、串口服務器、GPS 控制器通過TCP/IP 通訊協議接入交換機；無線AP 與交換機相連，將數據信號以無線的形式發送至主站部分控制中心進行位置姿態信息處理，為調平控制提供數據基礎。其中，傾角儀數據可測量導管架塔頂傾斜狀態，得到三桶頂面高差的實時數據；GPS 數據用于下沉施工前導管架定位和判斷施工完成后塔頂是否達到設計標高。

2.2 控制系統

控制系統位于集裝箱內主站部分，主要由PLC（1500）、上位機、操作面板、交換機、串口服務器和變頻器組成，PLC 為該系統的核心，主要功能有：1） 對監測系統傳來的姿態位置信息進行處理，呈現于上位機；2） 接收上位機和操作面板的控制信號，處理后發送給水下部分和變頻器，操控水泵和閥組的動作。具體框架如圖4 所示。

圖4 控制系統框架Fig.4 Control system framework

2.3 動作系統

動作系統位于水下，與調平系統相關的硬件主要有：水下交換機、PLC（水下）、1—6 號電磁閥、1 號、2 號水泵及液壓泵系統。

觀察組治療總有效率為86.7%，顯著高于對照組的63.3%，差異有統計學意義(Z=3.781，P=0.040)。見表1。

水下PLC 接收來自主站PLC 和變頻器的信號，對電磁閥和水泵的開關和啟停、轉速進行控制。通過特定的電磁閥開關組合及水泵轉速控制，將桶內海水抽出，使得桶內壓力小于桶外壓力，吸力桶下沉。

動作系統框架如圖5 所示。

圖5 動作系統框架Fig.5 Motion system framework

3 下沉調平方法

3.1 下沉調平原理

當吸力桶處于吸力下沉狀態時，每桶各有2臺變頻器通過改變輸出頻率控制水泵以不同速率抽出桶內水，桶內外產生壓力差使得吸力桶向下貫入，因此變頻器頻率與壓差大小成正向相關，頻率越大，則產生的壓力差越大。下沉過程中需遵循壓差/深度控制極限，即在當前深度下不能突破一定的壓差值，該值可通過前期計算得到。

3.2 手動下沉調平

根據三桶導管架具體尺寸及結構應力分析結果[5]，確定下沉過程中，導管架頂面垂直度不超過5 cm，并以此作為依據設計手動調平流程及方法，具體方法如下：

若三桶頂高差均≤2.5 cm，則3 臺水泵同時以相同頻率工作，該頻率滿足可下沉并小于極限；若某一桶與最低桶桶頂高差＞2.5 cm 且＜5 cm，則增大該桶水泵的頻率；若某一桶與最低桶桶頂高差≥5 cm，停止3 臺水泵：若其余兩桶高差≤1 cm，則單獨開啟該桶水泵增加頻率直到該桶與最低桶高差≤1 cm；若其余兩桶高差＞1 cm，先單獨開啟該桶水泵增加頻率直到該桶與中間桶高差≤1 cm，再開啟該桶與中間桶水泵增加頻率直到三桶桶頂高差均≤1 cm。吸力下沉調平策略流程圖見圖6。

圖6 吸力下沉調平策略流程圖Fig.6 Flow chart of suction sinking and leveling

3.3 自動下沉調平

圖7 為導管架塔頂俯視圖，O為導管架塔頂圓心，A'、B'、C'三點為A、B、C三吸力桶頂面圓心，傾角儀安裝于導管架塔頂，為雙軸傾角儀，其y軸正方向與OA'方向平行。由此可知，若傾角儀y軸讀數不為0，則A桶相對于其他兩桶發生了傾斜：若讀數為正值，則A桶相對于其他兩桶位置靠上，數值越大則偏移越大；若讀數為負值，則A桶相對于其他兩桶位置靠下。若傾角儀x軸讀數不為0，則B、C兩桶之間發生了傾斜：若讀數為正值，則C桶相對于B桶的位置靠上；若讀數為負值，則C桶相對于B桶的位置靠下。

圖7 導管架塔頂俯視圖Fig.7 Top view of jacket tower

在自動調平時，不應依靠加大位置靠上桶體的變頻器頻率來加快其下沉速度來達到調平目的，否則可能突破壓差控制極限，應減小位置靠下桶體的變頻器頻率來減緩其下沉速度，等待其他桶體與其達到同一深度后再繼續同速下沉。則有：傾角儀y軸為正時，減小B、C兩桶變頻器頻率；傾角儀y軸為負時，減小A桶變頻器頻率；傾角儀x軸為正時，減小B桶變頻器頻率；傾角儀y軸為負時，減小C桶變頻器頻率。

自動調平中變頻器的頻率控制采取PID 控制中比例控制的方法[6-8]。比例控制是線性的回授控制系統，在比例控制算法中，控制器輸出等于誤差信號的倍數，誤差信號也就是目標值和變數的差，即傾角儀的讀數與0°的差值，具體公式如下：u（t）=Kp×err（t）+u0（1）式中：u（t）為比例控制器輸出，即變頻器頻率輸出；Kp為比例增益；err（t）為時間t時的瞬時誤差，即傾角儀讀數；u0為沒有誤差時的控制器輸出，即發生傾斜前變頻器的頻率。

設3 桶以相同頻率開始下沉，根據吸力桶下沉要求及3 桶位置情況，修改后3 桶的比例控制器輸出如下：

當errx（t）＞0，erry（t）＞0 時

當errx（t）＜0，erry（t）＞0 時

當errx（t）＞0，erry（t）＜0 時

當errx（t）＜0，erry（t）＜0 時

式中：uA（t）、uB（t）、uC（t）分別為A、B、C桶的變頻器輸出頻率；errx（t）、erry（t）分別為傾角儀X軸和Y軸的讀數。

將修正后控制器輸出頻率分別輸入至3 桶變頻器，通過變頻器控制水下動作系統中水泵的轉速，以此分別控制3 桶內外壓差，使3 桶分別以不同速度下沉，以達到調平目的。

4 現場施工操作流程及驗證

吸力桶下沉主要分為以下階段：入水階段、著泥階段、自重下沉、吸力下沉、裝置回收。

4.1 入水階段

導管架定位完成后，吊機與絞車協調開始下沉施工，確保線纜始終處于松弛狀態。當吸力桶底部接近海平面時，確保1—6 號閥門關閉，在操作臺上打開排水/排氣閥。導管架繼續下沉，當水完全沒過設備后，可在操作臺上伸出測深機構，壓力傳感器和測深傳感器出現數值。

4.2 著泥階段

當導管架下沉直至某一桶距離泥面1 m 時，進入著泥階段。先暫停下放使導管架穩定，穩定后導管架緩慢下沉，吸力桶緩慢入泥，入泥過程中保證塔頂基本垂直。

4.3 自重下沉

當所有桶貫入深度大于1 m 時，結束著泥階段，進入自重下沉階段。下沉過程中保持塔頂垂直度沒有增大的趨勢，與此同時，檢查內外壓差需接近于0，土體隆起數值沒有異常增大，否則，減緩下沉速度。

4.4 吸力下沉

當吊機載荷減小至200 t 時，自重下沉階段結束，進入負壓下沉階段。在操作臺上依次關閉3桶的排水/排氣閥，打開2 號閥、4 號閥、5 號閥。若選擇手動操作，按4.2 節中手動下沉調平方法進行下沉調平，期間保證塔頂垂直度小于0.2%，即導管架頂面垂直度不超過5 cm，且內外壓差小于“沉貫壓差極限”；待下沉速率相對穩定后，可選擇自動下沉，則系統按4.3 節中自動下沉調平策略下沉。注意，因在自動調平時，依靠減小位置靠下桶體的變頻器頻率來減緩其下沉速度達到調平目的，若遇到較為堅硬的土層時，可能導致下沉過于緩慢甚至停止，此時需切換回手動模式，在得到上級許可后，同時增大變頻器頻率將內外壓差控制在“最大沉貫所需壓差”和“沉貫壓差極限”之間，使吸力桶再次下沉，直到突破該土層。

4.5 施工驗證

本文中的三桶吸力桶基礎專用施工設備及控制系統已運用于長樂外海海上風電項目中。表1為導管架基礎施工過程、控制數據和驗收測量的數據，由數據分析后可得：基礎下沉平均施工時間為8.5 h，下沉效率較高；施工過程中上部導管架結構水平度均控制于1%以內，最終下沉結束后最大水平度偏差為0.28%，平均水平度為0.114%，均滿足設計要求；施工過程桶內外壓差未突破過壓差/深度控制極限，施工安全性好；桶內土體隆起最大高度為278 mm，平均高度為146 mm，下沉結束后上部導管架的標高均滿足設計要求。因此，三桶吸力桶基礎專用施工設備及控制系統的性能和穩定性在長樂外海海上風電項目中得到了有效驗證。

表1 施工數據Table 1 Construction data

5 結語

海上風電吸力桶式基礎安裝中，對下沉過程中桶體姿態和深度的控制是施工重點與難點。本文針對三桶吸力桶式基礎安裝施工，對硬件和軟件分別進行研發，通過在下沉設備上加裝壓力傳感器、雙軸傾角傳感器等，快速準確地獲得下沉姿態實時反饋；利用PID 控制原理中的比例控制，控制變頻器水泵等執行機構動作來完成下沉中的調平控制，在任意時刻保持桶式基礎導管架平臺的水平狀態。

該調平控制系統流程清晰，操作簡潔，并引入了自動下沉調平控制，相較手動控制能夠對傾角和壓差信息的變化做出更快速合理的頻率調整，提高了系統的穩定性與可靠性，保證海上風電三桶吸力桶式基礎安裝的安全性與完成度。