深远海漂浮式风电关键技术研究

近年来，随着全世界对能源需求量的不断增大，以及海洋浅水区石油和天然气储量消耗殆尽，人们对海洋的开发利用已经从近海大陆架发展到深海水域。风能作为一种清洁、可再生能源，在广阔的深海具有巨大开发潜能。深远海浮式风电是海上风电规模化发展的趋势和方向，也是目前国际上海上风电场开发建设的热点。

根据国际标准，风电项目的水深在0-30m属于浅水、30-60m属于过渡段（深浅水）、60m以上属于深水，离岸50km属于近岸，离岸50km以上属于离岸。在深远海域建造风电机组，既可以充分利用更为丰富的风能资源，也可以不占据岸线和航道资源，减少或避免对沿海工业生产和居民生活带来的不利影响，具有巨大的开发优势。

风电项目的区域/水深划分

根据不同的水深条件采用合适的基础结构型式，海上风电按支撑基础的类型可分为固定式和漂浮式，从左至右依次为单桩基础、导管架基础、TLP基础、半潜式基础、立柱式基础。海上风机按支撑基础的类型可分为固定式和漂浮式，目前国内已建成的海上风电场采用的都是固定式，在深远海域海上风电场中如果采用固定式海上风力机，其自重和工程造价随着水深而大幅度增加，因此固定式风电基础不适用于深远海环境。漂浮式结构成为在深远海域海上风电场基础结构型式的首选，按照基础的类型漂浮式风电可分为半潜式（Semi-Sub）、立柱式（Spar）、张力腿式（TLP）三种类型，三种形式在国外均有示范项目建成或在建。

不同水深所适宜的基础型式

从风机的制造技术、示范项目水深等方面综合考虑，张力腿式（TLP）是目前最适合我国漂浮式风电发展的一种漂浮式风电形式。TLP是一种垂直系泊的顺应式平台，由若干条张力腿与海底锚固基础相连接。它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分与张力腿产生的预张力相平衡。当它在环境载荷作用下偏离中心位置时，则依靠张力腿产生的侧向力使其固定在原本位置上，而侧向力取决于张力腿的拉力。TLP最重要的特点是平台的竖向运动很小，水平方向的运动是顺应式的，结构惯性力主要是水平方向的回弹力。TLP具有结构刚度高、耐波性好，是理想的漂浮式风机基础。

上海港湾院于2015年开始深远海漂浮式风电方面的研究，现已承担了上海市科委、中交集团、中交三航局等多个漂浮式风电相关的科研项目，目前也在积极策划争取参与漂浮式风电国家级科研项目。研究内容主要聚焦水下锚固基础、系泊系统等方面，研究目标是通过开展理论分析、试验研究、关键装备开发、施工技术研究等，解决水下锚固基础设计、施工、监测过程中关键技术难题，为深远海漂浮式风电的应用奠定基础。目前正在开展的研究及取得的成果主要包括：

一、水下基础制作与施工技术

（1）桩基

桩基适应多种条件地质，深海平台桩基设计方法与浅海相应结构的设计方法基本相同。通常情况下，打入桩的造价会随着水深的增加会大幅提高，这是桩基在在深远海漂浮式风电应用中所存在的主要问题之一。此外，不同于深海石油平台，海上风电机组结构柔度大，自振周期长，桩基的刚度计算必须考虑循环荷载作用下刚度折减效应。同时海上风电机组常采用大直径桩基，大尺寸桩基的侧向刚度问题也必须考虑进来。

技术成熟度来看，目前桩基设计技术已经比较成熟，国内外都有关于桩基设计的相应规范，在深水油气平台中应用也较广泛。桩基作为最常见的水工基础型式，在国内拥有丰富的施工经验，一般以钢管桩为主，钢管桩的突出优点是制作方便、重量轻、施工速度快、以及在循环荷载下具有较强的抗疲劳特性，并且对于钢结构的防腐蚀技术也已经较为成熟。但是海上打桩施工通常需设置临时施工平台和打设钢套筒，施工时间较长，施工受限因素较多。

水下沉桩示意图

（2）吸力锚

根据调研的国外TLP吸力锚基础应用情况，吸力锚基础在淤泥质软黏土中具有良好的工作性能。目前，吸力锚已经被成功地应用于多种海工结构，如海上石油平台、海底保护结构、军舰海上系泊和补给等。吸力锚特别适合于软黏土海底地基，在经济技术性能上具有几个显著特点：材料和制造成本低、海上安装工期短、不需要打桩设备、抗拔性能卓越、就位准确等。国内没有吸力锚基础的设计的规范可以遵循，挪威船级社（DNV）规范的规定较为粗略，相当一部分关键参数的选择上缺乏参照，因此吸力锚基础国内的技术成熟度不足，还应开展更加深入的研究。

吸力锚锚固基础

在吸力锚应用中，主要有两个关键问题需要解决：一是吸力锚的可沉入性研究，主要解决基础能否沉入预定的设计深度；二是吸力锚的承载性能，对于TLP锚泊系统，由于荷载角度与水平向夹角较大，吸力锚的承载力计算一般以竖向抗拔承载力作为控制标准。目前，上海港湾院正在开展吸力锚基础的沉贯机理和承载特性研究，解决吸力锚在风电荷载下的承载力以及沉锚过程中的阻力、锚内土体稳定性等关键技术问题，提出抗拔承载力计算方法，为吸力锚基础的工程应用奠定基础。

（3）重力式基础

重力式基础通常为浅基础，主要应用于混凝土平台。其最大特点是材料成本相对较低，尺寸和规模较大，能够依靠自身重量抵抗工作期间所遇到的环境荷载，适用于较硬的粘土或较密实的砂土，并且一般常应用于水深在100～200 m范围内的海域。在现阶段的深海石油平台中，重力式基础在不设桩基的条件下，可依靠自身重量承担上部平台的抗拔力，并维持体系稳定，体现了其较好的稳定性和高效性。在深厚软土层中，采用重力式基础很难解决滑移和倾斜问题。但在相关前期调查中发现规划中风电场邻近海域的某一地质钻孔表层土为粉细砂，在这种地质条件下，重力式基础具有较好的经济性和适用性。

重力式基础示意图

二、筋键专题研究

TLP漂浮式平台结构中筋腱就成了重中之重，难中之难。国内目前没有任何这方面的研究，关键技术全都掌握在国外少数几家公司手里。若要使用，掌握其关键技术，并形成自主知识产权，摆脱国外的技术封锁和专利壁垒，只有深入开展研究，寻求解决方案。基于筋腱的重点性，我院成立专题研究小组，针对筋腱和筋腱材料选型开展重点研究。

课题组深入研究了筋腱材料的选型原则，并根据我们海域工况、平台形式及受载荷性情，综合分析了复合纤维绳（包含超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维）、锚链、钢丝绳和钢管作为TLP漂浮式风电筋腱材料的适用性，确立了带护套单股钢丝绳和钢管作为TLP漂浮式风电筋腱材料作为后期重点研究方向。

筋腱连接器方案

同时上海港湾院还提出了一套基于物联网技术和云平台技术的漂浮式风电筋腱应力松弛远程自动监控系统方案，可建立专用的信息管理平台，对所有安全监测数据进行统一存储、管理、维护与分析，在无人值守的条件下全面、准确、实时地获取监测数据，客观地反映实际的漂浮式风电筋腱应力松弛的状况，为设计人员和管理者的科学决策提供依据。

漂浮式风电系统力筋应力松弛监测单元