海上风电机组基础结构设计关键技术问题与讨论

王力群 胡海娟

摘要：海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。目前包括上海在内，国内沿海众多省市都在规划建设近海风电场。发电成本是海上风电发展的瓶颈，目前，海上风电场的总投资中，基础结构占15～25 %，而陆上风电场仅为5～10 %。因此，发展低成本的海上风电基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径，基于我国海洋工程技术和海上风电产业的发展水平，提出发展我国海上风电机组基础结构的设计建议。

关键词：海上风电；基础结构

海上风电机组基础结构设计的成败关系到我国海上风电产业能否持续稳定和健康的发展，不论是现有结构的设计，还是发展新的结构型式，都必须立足于降低成本，这是发展海上风电产业的唯一出路。因此，海上风电机组基础结构的设计应首先选用海上风电的设计规范，特别是关于安全理念和极限状态应考虑海上风电的特点，以避免行业特点的差异而使海上风电的成本难以控制或造成安全隐患。我们应该把设计理念调整到海上风电的设计理念，选择适合我国国情的海上风电基础结构设计标准，使我国的海上风电产业走上良性发展的轨道，并快速稳步地发展。

一、慨述

海上风电机组基础结构设计应始终遵循安全、经济的基本理念，目前，制约海上风电发展的根本因素是发电成本。海上风电的成本高出陆上风电一倍左右，其中基础结构造价高是主要原因之一。因此，降低基础的成本是海上风电机组基础结构设计的主要目标。与海洋石油平台不同的是，海洋石油是高风险高收益的行业，因此，海洋石油平台的设计理念是安全、快速，其次才是经济性。其安全性远远大于经济性，因为一旦发生事故，其经济损失远远大于海洋平台本身的投资成本。而海上风电则有所不同，其发生事故的经济损失远远小于海洋石油，因此，其安全性与经济性的综合平衡是降低成本的关键。如果采用与海洋平台相同的安全性，则海上风电产业将难以摆脱高发电成本的困扰。因此，海上风电机组基础结构的设计应在经济性和安全性方面有别于海洋石油平台。

二、海上风电基础结构

作用在海上风电机组基础结构上的荷载包括风轮机运转荷载和海洋环境荷载，风轮机运转荷载是由风和风机叶片[ 2] 采用气动弹性方法计算作用在叶片、风轮机及水面上结构的空气动力荷载，采用非线性弹簧和阻尼器模拟桩-土相互作用，研究了单桩结构在风浪作用下的动力耦合响应问题。研究表明，基础结构的性质对海上风电机组结构系统的动力特性有较大的影响，因此，基础结构模型作为系统气动弹性模型的一部分是非常重要的。它不仅影响基础结构的设计荷载，而且影响系统其它组成部分的设计荷载，采用现场测量数据对极端响应分布的统计不确定性进行了贝叶斯分析，结果表明，极端响应的概率分布符合韦伯分布。海上风电机组基础结构与海洋平台的结构形式有较大区别，且水深较浅。因此，波浪荷载的计算多采用非线性波模型，[3] 研究了非线性波与海上风电机组基础结构相互作用的数值模拟问题，提出了一个新的模拟非线性波与任意截面形状直立结构相互作用的数值方法。该方法的主要优点是不需要特殊的算法来模拟破碎波。采用线性和非线性波浪模型研究了波浪运动模型、波浪荷载模型和结构模型对确定海上风电机组基础结构流体动力荷载的影响。研究表明，采用线性波模型计算海上风电机组基础结构流体动力荷载是不安全的，应该采用非线性波模型。研究表明，结构的最大流体动力荷载出现在强非线性非破碎波条件下。随着海上风电技术的不断进步，风机规格越来越大，水深越来越深，使得传统固定式基础结构的一阶固有频率降至0 .25 ～0 .35Hz 之间。因此，多頻率成分波浪谱的模拟对于海上风电机组基础结构的设计显得格外重要。线性波模型不能模拟第二个谱峰，必须采用非线性波模型。

三、关于基础结构设计的思考

1、关于参考规范。我国从事海上风电机组基础结构设计的单位包括水电、火电、港工和海工等不同行业的设计部门，在国家政策的引导下，开发商和设计人员基于各自行业的特点、发挥各自行业的优势开发出了一些带有明显行业特征的基础结构，使我国的海上风电机组基础结构形式有了较大的发展。由于发展速度较快，目前，我国的海上风电机组基础结构设计、制造和安装尚没有正式纳入第三方认证和入级范围，因此，不同型式的基础结构设计参考的设计标准也来自于相应的行业规范。针对结构的特点参考相应的规范是合理的，但是，应根据海上风电的特点和基础结构的设计目标合理地选取相关规范的设计参数，避免直接套用相关行业的设计标准。与海洋石油相比，海上风电的风险性小、收益低、事故损失轻微，因此，参考海洋石油平台的设计规范时，要酌情考虑这些因素，适当降低结构的安全级别。而与港工和水工结构相比，海上风电机组基础结构的设计寿命较短，因此，参考港工和水工设计规范时，环境荷载应取较低的值。此外，海上风电机组基础结构中的混凝土结构或灌浆结构应考虑交变荷载效应，它不仅影响结构本身的承载能力，而且影响地基土的承载能力，这与一般的港工和水工结构有较大的区别。规范带有行业的特色，不同行业的规范自成体系，尽管不同行业的结构形式和所用材料可能是相同的，但由于行业的特点，它们的服役状况却是不同的，行业规范正是在这一点上有所区别，因此，应尽可能采用同一体系的规范指导一个基础结构的设计。

2、关于结构型式。目前，海上风电场的固定式基础结构主要有三种型式—桩基础、负压筒基础和重力基础，其中桩基础的适用性最强，对海床没有特殊要求且适用于任何水深。而重力式基础不适用于软基或冲刷海床，负压筒基础则对土的性质敏感。由于海上风电机组基础结构受到的弯曲作用远远大于海洋石油平台，因此，要求基础结构具有良好的抗弯曲承载能力。同时，风机转动和脉动风的影响将导致基础结构承受较大的交变荷载作用。因此，反复荷载作用引起的地基土弱化问题比较突出。承受交变荷载的结构设计考虑主要是通过疲劳分析来实现的，尽管疲劳计算的准确性仍有待深入的研究，但满足工程应用问题已基本解决。我国在建和投入运营的海上风电场主要集中在东海。东海的海上风电场基础较差，有两座位于潮间带。其基础结构型式主要为高桩承台、单桩，还有一座试验风电场采用了负压筒基础。[1] 由于这些风电场的淤泥质和冲淤海床特点，就适用性而言，桩基础是较好的选择，而水深较浅更适合单桩和三桩基础结构的应用。设计时应对海床土的往复荷载性能给予特别的考虑，对于单桩结构还应重点考虑灌浆结构承受往复荷载的能力。与这两种结构相比，高桩承台的成本较高，设计时除地基土的往复荷载性能外，还应重点考虑桩与混凝土结合处的往复荷载承受能力以及腐蚀后的桩顶强度和桩与承台的粘结强度。

我国正在大规模的开发海上风电产业，迫切需要开发出适合我国国情的海上风电机组基础结构。尽管国外现有的结构形式可借鉴适用，但由于国情不同，现有的结构形式在我国并不是最经济的结构形式。为了我国海上风电产业的健康持续发展，必须开发出符合我国国情，且经济指标优良的海上风电机组基础结构。

参考文献

[1] 龚旭东，魏宏伟，亓发庆.某海湾北部浅海区海洋工程地质特征[J] .海岸工程，2016，25（2）：47 -54 .

（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）