海上風電樁基陰極保護經濟技術分析
——犧牲陽極與外加電流對比分析

邱春雷 馮 磊 賈星杰 李洪剛 潘天國 王 霄 李 巖 林 斌 牛辰睿 付國慶

（1. 中廣核（北京）新能源科技有限公司，北京 100071；2. 深圳國能宸泰科技有限公司，廣東深圳 518124）

0 引言

在“碳達峰”“碳中和”雙重背景下，風能作為一種清潔能源在能源建設中的比重逐漸提升[1,2]，海上風電以其占地面積小、功率密度大、風速大、湍流小、風向穩(wěn)等優(yōu)點，成為風電開發(fā)的熱點領域[3]。海上風電建造及維修成本往往較高，服役環(huán)境極端，面臨著嚴重的腐蝕問題，這在很大程度上影響海上風電的最終收益。通常海上風電樁基采用陰極保護與防腐涂料聯(lián)合保護的措施，其中陰極保護技術又分為犧牲陽極和外加電流兩種方法。就保護效果而言，兩種陰極保護技術均能夠確保鋼管樁在其設計使用年限內的保護率達到95%以上。但兩種技術在施工、維護等方面又存在不同，因此需要針對陰極保護系統(tǒng)的設計壽命、初期投入、運維成本及備品備件等全壽命周期的角度評估陰極保護技術的選擇。本文以萊州市海上風電與海洋牧場融合發(fā)展研究試驗項目海上風電基礎樁為例，從技術和經濟兩方面，對比分析犧牲陽極和外加電流兩種陰極保護技術在海上風電樁基防腐保護中的適用性。

1 技術對比分析

1.1 電流輸出能力

由于犧牲陽極是依靠犧牲陽極與鋼結構之間的自然電位差發(fā)出保護電流，發(fā)出的保護電流有限。因而在每一根鋼管樁上都要安裝陽極塊，需安裝的陽極數(shù)量與保護面積成正比。而外加電流是依靠外部電源發(fā)出保護電流，輸出電流連續(xù)可調，可滿足較大的保護電流密度要求。因而一個輔助陽極發(fā)出的保護電流可以同時保護周圍幾根鋼管樁。

從保護系統(tǒng)的輸出電流能力考慮，犧牲陽極的輸出電流有一定的自調節(jié)作用，但調節(jié)能力有限；外加電流法保護電流連續(xù)可調，可對鋼管樁的保護狀態(tài)進行監(jiān)控與調節(jié)，確保保護電位滿足要求。

1.2 使用壽命

犧牲陽極法依靠犧牲陽極自身的溶解發(fā)出保護電流，在使用末期陽極質量和體積均會減小，需加大監(jiān)測頻率保證鋼管樁處于被保護狀態(tài)。外加電流法是外部電源發(fā)出電流，在使用壽命內能夠保證持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)出保護電流。

兩種方法都可以達到20年設計使用要求。在實際應用上，外加電流陰極保護系統(tǒng)的供電設備、測控設備等電子設備在海洋大氣的腐蝕環(huán)境下，可能出現(xiàn)故障，其設備運行效率略低于犧牲陽極保護法。

1.3 施工過程

犧牲陽極法需要安裝的犧牲陽極數(shù)量較大，在施工時須動用浮吊等船機設備；存在與主體工程交叉作業(yè)現(xiàn)象，陽極與鋼管樁之間的短路連接需采用水下焊接工藝。但犧牲陽極法的施工工序簡單，在國內海洋工程領域有成熟、有效的工程質量控制經驗。

外加電流法所需輔助陽極和參比電極數(shù)量少、重量輕，且陽極和參比電極安裝作業(yè)均可在陸地上完成。但外加電流法施工工序多，施工質量控制過程相對復雜，難度較高。

1.4 維護管理

犧牲陽極法安裝完成后無需專人進行維護管理，可通過無線傳輸技術對保護系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控。若想了解陽極消耗情況，需要組織現(xiàn)場調查檢測。

外加電流法安裝完成后需要專業(yè)人員進行系統(tǒng)運行維護管理。可通過無線傳輸技術，在遠端監(jiān)控系統(tǒng)工作，自動控制最佳輸出電流。

2 經濟成本對比分析

本章節(jié)所涉及的成本計算均以萊州市海上風電與海洋牧場融合發(fā)展研究試驗項目38臺海上風電樁基為例。

2.1 初期工程成本

每臺風電機組基礎外徑為7.8m，采用陰極保護及防腐涂料聯(lián)合保護進行防腐。按照陰極保護設計使用壽命20年，海水電阻率取25Ω/cm，平均設計高、低潮位分別為1.14m和-0.95m、泥面標高約為-10m，且水下區(qū)全部涂裝防腐涂料計算，犧牲陽極和外加電流兩種保護方法的初期工程成本對比如表1、表2表示。

表1 犧牲陽極陰極保護主要工程量

表2 外加電流陰極保護主要工程量

2.2 運維費用

犧牲陽極和外加電流兩種方法后期維護費用比較如表3表示。

表3 犧牲陽極法和外加電流發(fā)后期維護費用（萬元）

2.3 全壽期保護成本

2.3.1 20年壽期成本對比

犧牲陽極和外加電流兩種方法在20年全壽命周期內的成本比較如表4表示。

表4 全壽命周期內犧牲陽極和外加電流兩種方法的成本（萬元）

2.3.2 延壽10年成本對比

犧牲陽極和外加電流兩種方法考慮延壽10年全壽命周期內的成本比較如表5表示。

表5 考慮延壽10年犧牲陽極和外加電流兩種方法的成本對比（萬元）

注：本計算未考慮未來30年物價及人力成本的影響，同時未考慮海洋牧場鋼結構部分防腐。

3 結語

海上風電陰極保護技術具有顯著的效益，可以保護海上風電設備免受腐蝕，延長設備壽命，降低維護成本，提高能量產出，并減少對環(huán)境的影響。在設計施工時要從具體項目要求出發(fā)，選擇合適的陰極保護技術。