近海海洋风电地基基础的现状介绍

1、 近海海洋风电地基基础的现状 1.海洋风电开发形势及前景 当今世界能源消耗量不断上升, 且以煤炭、石油、天然气等化石能源为主. 未来几十年内, 世界能源消耗还将持续增长. 然而, 由于化石能源可开发量日益减少, 能源需求的缺口越来越大. 并且, 化石能源的生产和消费对环境造成极大的破坏, 甚至影响到全球气候的变化. 因此, 当前全球经济发展与能源需求的矛盾日益突出, 能源危机已成为人们的共识.为应对全球气候变化, 我国提出了“到2020年非化石能源占一次能源需求15%左右和单位GDP二氧化碳排放比 2005 年降低 40%45%”的目标, 目前正加快推进包括水电、核电等非化石能源的发展, 并积

2、极有序做好风电、太阳能、生物质能等可再生能源的转化利用. 然而, 2011年3月日本福岛核电站事故给全球核能发展带来了极大的冲击, 各国对核能的发展采取了非常谨慎的态度, 中国甚至一度停止了核电的审批作业.事实上, 发展可再生的环境友好型能源是解决“能源危机”、缓解“气候变化”、保持社会可持续发展的关键举措. 风电是目前最具规模化发展前景的可再生能源, 世界各国发展风能开发技术呈现争先恐后之势. 1973 年石油危机后, 美国开始研发风能资源, 这是风能发展史上的重要里程碑. 与此同时,欧洲的风能业稳步发展, 经过 1990 年后的20 年, 欧洲已俨然成为全球风能业的引领者. 由于土地资源有

3、限, 大规模的陆地风电场越来越面临选址困难的问题. 而海上风能资源优于陆地,海上风的品质更加优越, 因为海面粗糙度小, 风速大, 离岸10 km的海上风速通常比沿岸陆地高约25%;海上风湍流强度小, 具有稳定的主导风向, 有利于减轻风机疲劳; 且海上风能开发不涉及土地征用、噪声扰民等问题; 另外, 海上风场往往离负荷中心近、电网容纳能力强. 因而大规模发展海上风电越来越受到高度重视, 近十年来发展迅猛, 欧洲尤其是丹麦和英国引领着全球风电的发展.2.海洋风电资源 海上风能资源储量相当丰富, 以我国海域的统计数据为例, 联合国环境计划署与美国可再生能源实验室的一份联合研究报告指出, 中国海上风能

4、资源为600 GW. 中国气象局21世纪初的统计数据表明, 我国水深小于20 m海域的风能储量达750 GW,是陆上风能资源的3 倍左右. 2009年底国家气象局发布消息称, 我国沿海水深 525 m海域的3类风能(平均风能密度大于300 W/m2)储量达200 GW。 根据中国国家海洋局最新调整的数据, 我国海上风电可开发容量为400500 GW.具有发展海洋风电的巨大风力资源。3. 海上风电开发现状 欧洲是全球海上风电发展的先驱, 1990 年在瑞典的 Nogersund 安装了世界第一台海上风力发电机组, 1991 年丹麦建成了世界上第一个海上风电场Vindeby, 但装机只有4.95

5、MW. 此后, 丹麦、瑞典、荷兰和英国相继建设了一批研发性的海上风电项目.2002年总装机160 MW的Horns Rev 海上风电场在北海建成, 这是全球首个真正意义上的大型海上风电场, 此前最大的海上风电项目规模仅为 40 MW6.从1991年至2009年, 欧洲建成并投入运营的海上风中, 装机容量排在前四位的均在英国, 均在 300 MW以上, 最大者为Greater Gabbard, 装机504 MW; 年发电量最大的海上风电场为丹麦的 Horns Rev 二期,2011 年发电9.11 亿度; 按运行以来的累积发电量计,排在前三位的均建在丹麦, Horns Rev 一期居首, 已累积

6、发电超过52亿度. 近几年, 我国加快了海上风能的发展步伐, 陆续建成了几个海上风电试验样机. 特别是, 2010年7月我国建成了第一个海上风电场上海东海大桥 100MW 海上风电示范项目, 这也是全球除欧洲以外的第一个海上风电场. 此外, 2010 年12月30日, 在江苏响水沿海滩涂建设的 201 MW 风电场 134 台 1.5MW机组全部实现并网发电, 2012年11月23日, 龙源江苏如东150 MW海上(潮间带)示范风电场全部投产发电. 目前, 一批海上风电场正在建设中。4. 海上风电发展趋势 从全球海上风电工程建设和科学研究的情况来看, 海上风电逐步在从近岸浅水海域向远岸深水海域

7、(水深大于50 m)发展, 与此相应, 单机装机容量逐渐增大, 风机的支撑结构由固定式向漂浮式发展.目前, 海上风机绝大部分都安装在30 m以下的浅海, 采用固定式支撑结构, 水深最大的固定式风机安装在英国Beatrice风场, 水深45 m. 一般而言, 离岸越远, 风速越大, 风况越稳定, 因而海上风电向远海发展是很自然的, 但固定式支撑结构的成本越来越高. 于是, 人们提出了漂浮式风机的概念, 认为当水深超过50 m时, 宜采用浮式支撑结构. 事实上, 早在20 世纪 70 年代, 麻省理工就提出了大功率漂浮式海上风机的概念, 90年代, 美国和斯堪的纳维亚半岛国家的研究机构开始关注漂浮

8、式海上风机概念. 2000年后, 欧洲开始了漂浮式海上风机原型机的设计. 2008年, 日本三菱重工表示, 将开发用于深海的浮式基座和相应的风机设备. 2008年, 荷兰Blue H公司在意大利海岸东南离岸17 km、水深108 m处安装了第一台漂浮式海上风机, 但装机仅80 kW. 2009年, 该公司又将另一台商业化运作的 2.4 MW 原型机投入运用. 2009年6月, 第一台大型漂浮式海上风机原型机Hywind(2.3 MW)由Statoil Hydro公司和西门子公司共同设计, 安装在挪威的峡湾, 离最近的陆地 90 km,风机由海面下一根100 m长的浮桶支撑, 浮筒由三根固定于海

9、底的缆绳约束. 近年来, 人们提出了很多浮式风机支撑结构的概念, 并开展研究. 但目前除少数样机外, 还没有大型浮式风电场的建设计划. 随着海上风电的发展, 单机容量逐渐增大. 1991年建成的首座海上风电场 Vindeby 的单机装机容量只有450 kW. 此后, 兆瓦级风机迅速投入运用, 目前已建和在建的海上风机以 3.6 MW 居多. 近年来, 5MW 以上大容量风机的研究和应用越来越受到重视,Jonkman & Matha和Robertson & Jonkman分别研究并比较了不同形式的深水 5 MW 风机系统的动力响应, 挪威科技大学甚至已经开始研究 10 MW 海上

10、风机叶片的结构设计和气动性能. 我国在东海大桥海上风电场已建成一台5 MW样机, 在建的上海临港海上风电示范项目采用6 MW风机.5.海上风电的结构特征 海上风电系统由风机、支撑结构、地基基础三部分组成. 风机由叶片、轮毂、机舱构成,支撑结构包括: 塔筒和下部结构, 下部结构分为固定式和漂浮式两种形式.固定式结构包括: 重力式、单桩、高桩承台、三脚架、导管架、吸力桶, 其中重力式、单桩和高桩承台结构一般适用于水深小于30 m的海域, 三脚架和导管架结构可用于 50 m 水深以下的海域. 除水深外, 地质条件也是选择支撑结构形式需要考虑的重要因素. 各种固定式支撑结构的适用条件、 2011年9月

11、GL Garrad Hassan咨询公司的统计表明, 当时已建和在建的海上风机支撑结构绝大部分采用单桩形式, 其他形式也有采用.高桩承台结构在中国东海大桥示范风电场首次使用,上海临港风电场也采用了这种结构.当水深大于50 m时, 宜采用浮式结构, 如: TLP或 TLB(Tension Leg Buoy)、Spar-buoy、半潜式、Pontoon或Barge等形式. 此外, 日本学者曾提出移动式海上风电场(Sailing-type Wind Farm)的概念,即在大型浮式结构上安装若干台风机,.目前为止, 除少数几台示范样机外, 浮式风机还未实现规模化建设, 浮式支撑结构还处在概念研究阶段.

12、5.1 重力式结构 重力式结构（Gravity-Based）为钢筋混凝土结构，靠自身重量和压载物的重量稳定座落在海床上。与其它形式的基础结构相比，重力式结构的体积庞大。如英国Array West风电场，按3.6MW风电机组设计，单桩结构重仅为400吨，而重力式结构重1500吨，但重力式结构的价格远低于单桩结构，重力式结构的成本为30万欧元，而单桩结构为60欧元，重力式结构的结构成本仅为单桩结构的二分之一。考虑安装成本等因素，重力式结构的成本比单装成本低20%左右。丹麦的Vindeby、Tun Konb 和 Middelgrunden 风电场即是采用这种型式，为混凝土沉箱型。这种基础结构简单，其

13、稳定性和可靠性已得到证实。另一种较新的结构是将圆柱钢管焊接在较薄的钢制基座上，填充重矿物以增加重量，此种结构便于运输和安装。基础的重量需随着水深的增加而增加，所以随着水深的增加基础建造的费用也会增加。重力式结构的适用水深为010m。重力式结构不适用于软基海底，且对冲刷比较敏感。5.2 单桩结构 单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，采用打桩、钻孔或喷孔方法将单桩基础安装在海底泥面以下一定的深度，单桩结构一般为钢质。欧洲已建成的大部分海上风电场都采用了单桩结构，制约，适用水深为030m。这种结构受到海底地质条件和水深的单桩结构的结构形式简单，塔架与桩体有两种连接方法：一是用法兰将塔架和桩直接

14、连接起来，这种连接方式对桩的施工要求甚高，因此，一般不采用这种连接。二是通过过渡段将塔架和桩连接起来。过渡段与桩采用灌浆连接，过渡段与塔架采用法兰连接。这种连接关键是灌浆连接的强度和疲劳性能，目前采用的灌浆材料为Ducorit S5。 单桩结构在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有利的，主要是缘于其对水深变化的灵活性。单桩结构对振动和不直度较为敏感，因此，对设计和施工的要求较高。单桩结构的桩径一般为46m，最大可达7m。因此，施工难度大，一般采用打桩或钻孔桩。5.3 三角架结构 三角架结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整

15、体。三角架结构的刚度大于单桩结构，且不采用灌浆连接，可以通过调整三角架来保证中心立柱的垂直度。其适用水深大于20m。三角架结构用三根桩取代了单桩结构的一根桩，因此，桩径远远小于单桩结构，一般为12m。因此，不需要重型施工设备，特别是深水条件下，三角架结构的施工难度远远小于单桩结构，比较适合我国目前的施工条件。当桩的承载能力不足时，还可以增加桩的数量，相应地将三脚架延伸为多角架。我国的东海大桥风电场拟采用四角架结构。5.4 导管架结构 导管架结构借鉴了海洋石油平台的概念，采用了比三角架结构刚度更大的结构形式。因此，其适用水深和可支撑的风机规格大于三角架结构。导管架的适用水深为2050m。导管架结

16、构的造价高于单桩结构和三角架结构，是固定式海上风电机组基础结构中适用水深最深的一种结构。导管架结构的关键部位是塔架与导管架的连接处，它控制着结构的刚度与疲劳性能。5.5 桶基单立柱结构 桶基单立柱由一个中心立柱与钢制圆桶通过带有加强筋的剪切板相连，剪切板将中心立柱载荷分配到桶壁并传入基础。塔架与桶型基础的立柱在水面上连接，钢质桶由竖直的钢裙组成。桶型基础通过负压安装，由于桶内土的重力作用，桶型基础的承载机制与重力式基础相似。在一个波浪周期内，由于没有足够的时间将桶基础从海底拔出，这就保证了桶型基础的稳定性。因为，当波浪的作用对桶产生拉力时，桶底和土之间的负压空间将趋于扩大。然而，负压空间的扩大

17、必须有足够的水充填，以保证这一过程的继续。但由于波浪周期一般很短，因而，桶基础不会被拔出。不过，拆除时可以利用这个过程。桶基单立柱结构的适用水深为025m。5.6 浮式结构 海上风电机组浮式基础结构用于水深 50200m 的海域，对于一些浅海风能资源贫乏的国家，如美国和日本，浮式结构是海上风电机组基础结构的主要发展方向。目前，浮式结构主要有三大类张力腿式、三（四）浮柱式和 Spar 式，分别以美国国家可再生能源实验室开发的张力腿结构（NREL TLP）（Tri-floater）和日本研发的Spar结构为代表，如图4所示。、荷兰开发的三浮柱结构）和日本研发的Spar结构为代表。6我国海上风电基础

18、结构的适用性分析 我国海上风电产业正在迅速崛起,海上风电产业将是我国“十一五”乃至今后一个时期的发展方向。目前,上海、山东、浙江和江苏的沿海地区都在着手海上风电场的建设规划。由于基础结构在海上风电场的总投资中所占的比重较大,因此,积极地吸收国外海上风电场建设的经验,大力发展适合我国国情的海上风电机组基础结构,对我国海上风电产业的健康发展将是至关重要的。我国渤海水深较浅,辽东湾北部浅海区水深多小于10 m ,海底表层为淤泥、粉质粘土、淤泥质粉砂，粉土底部沉积物以细砂为主,承载力相对较大,可作持力层 。和粉砂层,承载力小,易液化,不适宜作持力层;而黄河口海域多为黄河泥沙冲淤海底,因此,渤海的大部分

19、海域为淤泥质软基海底,冲刷现象也较为严重,且冬季有冰荷载的作用,不宜采用重力式基础和负压桶基础,可采用单桩结构。单桩结构在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有利的,主要是缘于其对水深变化的灵活性。东海平均水深在5 15 m的海域多为淤泥质软基海底,不适宜采用重力式基础和浮压桶基础,只能采用桩基结构。因此,东海大桥风电场的备选基础结构为三角架基础、四角架基础、高桩承台群桩基础和单桩基础 。这四种基础结构中,单桩基础的经济性最优,但其施工机具和技术均要求较高,故东海大桥风电场最终选择了四角架结构。南海北部湾和琼州海峡的海底表层沉积物主要为陆源碎屑堆积,颗粒较细,主要为淤泥质粉质粘土和粉砂,其次为粉土

20、和中砂,以粘土、粉砂和细砂为主。在琼州海峡侵蚀洼地的边缘和潮流沙脊下部发育有大中型沙波。海底沙波的存在使海底坎坷不平,同时,沙波和大波痕都是迁移型海底微地貌,它们的存在表明海底泥沙运动较强,海底稳定性差,沙波活动伴随着海底强烈冲刷、淤积及泥沙群体运动 。因此,也不宜采用重力式基础和负压桶基础,桩基础是较好的选择。由于南海的水深较大,且海洋环境条件恶劣,应采用刚度较大的导管架结构。分析可知,我国发展海上风电产业将以桩基结构为主要基础结构形式,而桩基结构中,单桩结构对于渤海和东海的水深和地质条件是较为合理的基础结构形式,但我国目前的海上施工能力限制了该结构的应用。据悉,我国已着手引进大型液压打桩锤

21、,这将从设备能力上解决单桩结构的安装问题。 7. 海洋风电发展的瓶颈 海上风电工程不同于陆上风电, 在系统结构、环境条件、荷载特征等方面都具有特殊性. 首先, 海上风机与塔架要经受台风的严峻考验, 其下部结构还要受到波浪、海流的作用, 且风、浪、流是相互耦合的, 这是陆地风能工程无需考虑的复杂耦合环境条件; 另外, 海上地基可能出现冲刷、液化、软化等现象, 这是陆地风电工程无需考虑的可能引起基础破坏的现象. 其次, 与油气开发平台等传统海洋结构相比, 海上风机支撑结构具有“高耸”的特征, 塔架长径比大、刚度小, 风的横向作用占主导地位, 在横向风载作用下, 塔架易产生大的振动和变形, 风载对海

22、上风机结构的影响比海洋平台显著得多; 此外, 其下部结构的直径往往较海洋平台的桩柱大, 如单桩桩径一般为 47 m, 重力式基础尺度更大, 而海洋油气平台的桩径一般仅 12 m, 上海东海大桥海上风机基础承台直径 14 m. 并且, 随着水深和单机容量的增大, 桩柱尺寸还会向更大发展. 再次, 海上风机的高耸结构特征和所处的复杂环境条件决定了其下部结构要受到巨大倾覆力矩的作用,将对地基的强度和稳定性产生显著影响. 最后, 海上风机支撑结构正向漂浮式发展, 其上部高耸塔架的荷载对浮式支撑结构及其水下系泊系统的影响不可忽视, 且浮式基座的平移和旋转以及锚链的运动比海洋油气平台显著得多, 非线性效应强得多. 因此,切实针对海上风电工程所面临的复杂水动力环境条件和支撑结构几何与运动特征的研究工作亟待深入开展。8展望 尽管海洋工程已经历了百余年的发展, 但海上风电工程有其特殊性, 且发展历程也较