海上风力发电机组基础研究

方 涛

能源不仅是人类生存和发展的重要物质基础，而且是全球经济发展的重要资源。随着全球能源消费不断增长，传统化石能源资源不断减少，价格不断攀升，使得可再生能源在各国能源战略中逐渐占据重要地位。风能因使用成本相对较低，后续不需补给能源而成为最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一。

海上风力发电机组的基础由于需要同时具备海洋工程、高耸结构基础、动力设备基础三种工程特性，导致其在结构形式上既有重心高、承受水平力和弯矩较大等特点，又与海床的地质结构、海上风浪、海流及冰载荷等因素有关；并且由于海上施工条件复杂，受安装和施工设备的影响较大，设备的使用费用也非常高。因此，海上风力发电机组的基础是导致海上风力发电成本较高的主要因素之一。鉴于基础设计既要考虑所处地势及地质情况，又要兼顾经济性，所以大力发展经济适用的基础结构是海上风力发电研究的重要课题。

1 基础型式分类

用于海上风力发电基础的支撑结构一般根据其构造特性、安装方式、结构形式及制造材料进行分类。最基本的支撑结构为：桩基结构、重力基础结构、负压桶式结构和漂浮结构[1]。

此外还有根据结构的具体构造将海上风电机组的支撑结构分为重力基础结构、单桩结构、三脚架结构、导管结构、负压桶式结构和漂浮结构等6个类型。而在实际应用中也可能会采用复合结构。

2 工作原理

2.1 桩基式

桩基式基础结构包括单桩、三桩、四腿导管架和群桩等。

（1） 单桩基础

单桩基础由大直径钢管组成，是目前应用最多的风力发电机组基础（见图1、图2），例如在丹麦的Horns Rev项目和爱尔兰的Arklow Bank项目[2]。其安装也逐渐成为一种标准方式。该种基础形式通过侧面土壤的压力来传递风机载荷，桩和塔筒之间既可以是焊接连接，也可以是套管法兰连接，其插入海床的深度与实际环境和土壤的强度有关，土壤强度不同，插入海床的深度也不一样。桩的直径根据负荷的大小而定，壁厚约为桩直径的1%。标准的安装方法是将桩提升到安装位置，用气锤或液压锤将其打入海床进行固定。其中采用液压锤撞击方法时桩的直径较小。对于岩石地基需边钻孔边下沉钢桩，如瑞典的Bockstigen项目和英国的North hoyle项目[3]，该方法所需桩直径较大。

图1 单桩基础

图2 单桩基础工程实例

单桩基础一般适用于水深为0～25 m的水域，尤其是在浅水域，更能体现其经济价值。

优点：设计、制造和安装简单；海床不需做任何准备；

缺点：当海床较为坚硬甚至为岩石时所需钻孔的成本较高；对震动、倾斜及海水冲刷均较敏感，在海床与基础相接处需要做好防冲刷防护；在服役期满后，大直径单桩的拆除比较困难。

（2） 三桩

风力发电机组的三桩基础结构一般为单立柱三桩和三脚架两种类型。

单立柱三桩 由中心柱、三根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构构成。中心钢管与风机的塔筒形成一个整体结构，三脚架可以采用垂直或倾斜套管支撑在钢桩上，底部三个顶点各用一根钢桩打入海床10～20 m固定。三角桁架将上部塔筒荷载传递到3根钢桩上。与单桩结构相比，刚度和强度得到加强，基础更加稳定可靠（见图3、图4）。

图3 单立柱基础

图4 单立柱基础工程实例

三脚架 是组合式基础，由三根圆柱形钢管呈等边三角形均匀布设并固定于海底，桩顶通过钢管套支撑上部三角桁架结构（见图5、图6）。

图5 三脚架基础

图6 三脚架基础工程实例

三桩结构基础适用水深20～50 m，施工安装前海床整理简单，其基础宽度及插入深度可根据实际环境和土壤条件进行调整。

优点：较单桩式更坚固和稳定；加工制造简单；安装前不需要整体海床；可用于深海；不需要做冲刷防护；

缺点：制作和安装成本较高，可移动性较差；安装桩基需要打桩，在海床存在大面积岩石时不适用；在浅海域安装或维修时有可能会发生碰撞事故，冰荷载有增加。

（3） 四腿导管架

四腿导管架从外形上看是一个锥台形空间框架，通常先在陆上将钢管焊接好后运到安装地点，将钢桩从钢导管中打入海底固定好导管架以后，再安装风机塔筒。适用的水深范围较大，但是考虑到其经济性，一般用在水深大于40 m，波浪较大和海床条件较差的区域（见图7、图8）。

图7 四腿导管架基础

图8 四腿导管架基础工程实例

优点：建造和施工方便，对波浪和水流载荷不敏感，刚度高、稳定性好和对海床的依赖性小；

缺点：成本较高，造价随水深的增加增长很快。

（4） 群桩

利用小直径的桩基打入海床内，桩基可以做成倾斜形式以抵抗波浪和水流（见图9、图10）。根据桩基础采用的材料不同分为混凝土群桩和钢管群桩。

图9 群桩基础

图10 群桩基础工程实例

混凝土群桩基础适合水深0～10 m，物料运输方便，适合多种地质条件，锥形承台可减少水平撞击力，斜桩能有效减小结构水平位移，提高水平承载力；造价低于钢制基础。但用在台风影响严重的海域时需增加破浪措施，以降低海浪对基础的冲击力。

钢管群桩基础适用水深10～20 m，物料运输方便，施工周期短，适合多种地质条件，可设计防撞承台。主要缺点是钢桩成本较高。

2.2 重力基础结构

是最早用于海上风电基础的型式，也是目前首选的基础，主要用于浅水区域。比利时Thornton Bank海上风电场是世界上第一个使用重力式基础的商业海上风电场。

重力基础一般采用预制圆形空腔结构，空腔内填充砂、碎石，以便有足够自重来抵消提升力、波浪、水流及使用荷载对基础的作用，克服海床土壤的不足，保证整个基础稳定，适于坚硬黏土、砂土以及岩石海床，最大适用深度10 m。由于构造的特殊性导致重力基础结构在所有类型中体积最大、重量最大，其尺寸应根据地基承载力以及抵抗滑动、倾覆所需要的抗力决定。鉴于圆形结构所受波浪、水流作用力较方形结构小，所以一般制作成圆形结构，此外，为了减小冰荷载作用，可以将其设计成锥形。

该种基础一般在岸边进行预制后运至安装地点，采用起重船或半潜驳安装。海床需预先平整并铺上一层碎石，以减小地基应力及不均匀沉降。对平均潮位时基础底部地基能露出海面的近岸区域，当安装船受吃水限制无法就位时，可采用全现浇结构（见图11、图12）。

图11 重力基础

图12 重力基础工程实例

优点：结构比较简单，造价低；抗风暴和风浪性能好，稳定性及可靠性较高，对海床土质要求不高且能适应海底岩石较多的海床；

缺点：

（1）需要预先进行海床准备；体积和重量都比较大，安装不够方便。

（2）超过100 m后，随着水深的增加，经济性下降，造价甚至高于其他类型基础。

（3）由于重量重，运输费用较高。

（4）冲刷对其稳定性影响较大，尤其不适合流沙形海底。

2.3 负压桶式结构

负压桶式结构是传统桩基和重力基础的结合，是一种新的基础结构，在海上油气工业也有采用，1995年报道了第一个采用负压桶式基础的风电工程[4]。

在2002年之前，海上风电项目均采用重力基础或单桩基础。其中受深度限制，原本采用重力基础较少，但是随着风机容量不断增加，使深海风电技术开发成为必然，并最终通过采用负压基础克服了单桩直径超过6 m没有设计准则的困难。其原理是将负压桶基础放置在海床上之后，抽空内部海水，靠压差将基础压入土壤并固定。目前，负压基础应用的水深极限为25 m，深水区应用处于调查阶段[5]（见图13、图14）。

优点：

（1）水平承载性好，负压效应可以部分地承担动态峰值负载。

（2） 适用于深水区域，制造简单，运输方便，容易安装和拆除，基础总体成本低。

缺点：需进行海床土壤详细调查。

图13 负压桶式基础

图14 负压桶式基础工程实例

2.4 漂浮结构

目前，海上风电机组水深极限只能达到50 m，为了使海上风电向更深水域发展，克服海床基础受水深限制的束缚。因此采用漂浮式基础结构取代固定式基础势在必行。

漂浮式基础是利用停泊链和锚将漂浮基础悬停在海中，依靠锚链约束漂浮基础的移动，在漂浮基础的底部安装稳定器以减少基础摇晃（见图15、图16）。

漂浮式基础主要有两种方式，一种为漂浮式，由塔架、浮体和锚泊装置组成，承载风电机组的浮置结构飘浮在水面上；另一种为半潜式，浮体结构位于海面以下，由锚泊系统固定，其上可安装多台风电机组。目前这种基础结构还处于研究阶段。

漂浮结构需提供足够支撑风机重量和抵抗变桨、偏航、波载荷和旋转力矩的浮力。浮动基础的结构需进行一阶稳定性分析，一旦平台结构确定，需进行经济可行性分析，以求得稳定性、功能性和成本的平衡[6]。

图15 漂浮式基础示意图

图16 漂浮式基础工程实例

优点：适于深海水域；能通过拖运抵达现场，再用锚链定位，安装比较简单；

缺点：不够稳定，仅适用于海浪较低的情况；旋转部件长期工作在不稳的环境下，增大潜在风险，降低使用寿命。

2.5 基础结构比较

海上风力发电基础在结构形式上各有特点，在应用上也有各自的适用范围及限制条件。因此并不存在脱离具体海况条件的最优结构（见表1）。

表1 主要基础比较

3 结语

海上风电项目的基础选择取决于风电场所处的具体位置情况，主要技术考核指标包括水深、风载荷、波浪载荷、洋流载荷、地质情况、冲刷、冰载荷等，而且需要通过技术和经济指标的综合比较而定。未来海上风电基础的研究尤其是应用于深海的基础研究还需要进行更彻底的技术分析及样机现场测试的检验。

[1]DNV－OS－J101:2010,Design of offshore wind turbine structure[S]．

[2]K．Lesny and J．wiemann．Aspects of Monopiles in German offshore wind farms．Frontiers in Offshore Geotechnics,ISFOG －2005,Perth,Vol．I,pp．12－24,2005．

[3]姚兴佳，隋红霞，刘明，等。海上风电技术的发展与现状

[J] ．上海电力，2007 （2）：9－16．

[4]A．Bye,C．Erbrich,B．Rognlien,T．Tjelta．Geotechnical design of bucket foundations．Offshore technology Conference,Houston,Texas,Paper 7793,1995．

[5]B．W．Byrne,G．T．Houlsby,C．Martin&F．Peter．Suction Caisson Foundations for Offshore Wind Turbines．Wind Engineering,Vol．26,No．3,pp．145－155,2002．

[6]S．Butterfield,W．Musial and J．jonkman．Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines:Copenhagen Offshore Wind Conference,Copenhagen,Denmark,2007．