海上风电场施工方法初探

张曙光

摘要：风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋逐渐成为一个迅速发展的风电市场，成为推动海上风电发展的催化剂。本文分析了海上风电场施工方法。

关键词：海上；风电场；施工方法

1海上风机的发展历程

第一阶段：500kW-600kW级样机研制。早在20世纪70年代初，一些欧洲国家就提出了利用海上风能发电的想法，1991-1997年，丹麦、荷兰和瑞典完成了样机的试制，通过对样机的试验，首次获得了海上风力发电机组的工作经验，但从经济观点来看500kW-600kW级的风力发电机组和项目规模都显得太小了，因此丹麦、荷兰等欧洲国家随之开展了新的研究和发展计划，有关部门也开始重新以严肃的态度对待海上风电场的建设工作。第二阶段：第一代兆瓦级海上商用风力发电机组的开发。5个新的海上风电场的建设，功率为1.5MW-2MW的风力发电机组向公共电网输送电力，开始了海上风力发电机组发展的新阶段，按照第一次大规模风电场建设计划，将有160MW总装机功率的海上风力发电机组投入使用，这些转子直径在80m以上的第一代商业用海上风力发电机组为适应在海上使用的要求，在陆地风力发电机组基础上进行多次改型，例如配备了可进行就地维修的船用工具，变电站间具备防腐蚀和耐气候变化功能等。第三阶段：第二代数兆瓦级陆地和海上风力发电机组的应用。MW级风力发电机组的应用，体现了风力发电机组向大型化发展的方向。这种趋势在德国市场上表现得尤为明显，新一代风机的功率为3MW-5MW。风轮直径为90m-115m。目前它们已成型并投入使用，这种风力发电机组可以进一步发展为分别在陆地和海上使用的3种型式的产品。由于在产品设计阶段就预先考虑到了在海上使用的特殊要求。这一代风力发电机组的质量达到了新的水平。近年来，在3MW-5MW的基础上，更大单机容量的风力发电机组样机也相继涌现，国内风电行业迅速崛起。

2海上风电场施工方法

2.1测量

一是控制测量。采用GPS网，布设成三角形网或导线网形式，构成有检核条件的图形。相邻点平均距离3km～5km。联测2个及2个以上已知控制点，控制点宜分布在控制网的两端和中部。高程控制网以附合路线或结点网形式布设，网点由GPS点、水准起算点等组成，采用四等电磁波测距三角高程测量。

二是地形测量。GPS-RTK技术是卫星导航定位技术与数据通讯技术相结合的载波相位实时动态定位技术，能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。单基准站GPS-RTK技术在测量工程实践中应用广泛，适宜于风电场测量的导航、定位要求。其测量系统的基本设备配置为两台以上的双频GPS接收机，数据传输设备（数据通讯链），实时动态测量的软件系统。其作业过程是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续的跟踪观测，同时将观测数据（载波相位观测值和基准站坐标等）利用无线电传输设备实时地传送给流动站。在流动站上利用GPS接收机在对GPS卫星信号进行接收观测的同时，也通过无线电接收设备接收基准站传输过来的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地计算并显示流动站的三维坐标及精度。

2.2海上风机基础设计

海上风电基础结构设计与陆地风机有很大的不同，除了海上运输安装装备以外，在设计程式和技术上考虑因素多、学科领域广、难度大。

（1）设计因素。海上风机基础设计研究是个相当复杂的过程，影响其基础结构选型的因素主要包括：海底土壤和海床，水深，环境载荷，建设方法，安装，成本及动力特性要求等.同时，海上风机载荷特性也不同于岸上风机和常规海上结构，作用的载荷十分复杂。主要表现在：1）海上风机载荷不同于陆上风机载荷，海上风机承受的载荷除了和陆地风机一样的惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷之外，还有额外的载荷来源，例如流体动力载荷、海冰载荷和可能的船舶冲击载荷等。2）海上风机载荷不同于其他海上建筑载荷，海上风机整体结构高，承受更大的风载荷，具有更多的动态响应和非线性响应.而且海上风机的设计受到疲劳载荷的限制，此外，海上风机无人管理，可接受较低的安全系数，载荷也不是一次性的。3）海上风机的冰载荷和破碎波载荷存在不确定性。4）需考虑风和波浪的耦合作用对于海上风机疲劳载荷的影响。

（2）载荷设计流程。海上风机的寿命可由一组涵盖风机可能经历的所有重要的设计工况来描述.特定设计工况包括：装配、安装、维修和运行方式和适当的外部条件组合确定的载荷工况。基础结构和风机之间的关系比较紧密，一旦确定了风机厂商，那么风机基础也是基本确定的，不会因为用在某个风场中而发生本质变化。

2.3海上风电机组的基础机构

风力发电机组的安装和维护成本是阻碍海上风电事业的一个潜在的主要因素。对于陆上风电场，安装和维护的成本仅占总成本的1/4，而海上风电场增至3/4。要解决这一难题，就必须在设计阶段通过提高机组的可靠性、易安装和易操作性来降低相应的成本。关键的部分是基础结构的成本。1）单桩固定式。单桩固定式现已逐渐成为风电机组安装的一种标准方案，并已经在许多大型海上风电场中采用。这种基础结构尤其适用于4m-25m的中浅水域。目前通常采用的直径为5m-6m，未来可能达到7m-8m，此方案的最大的优点在于它的简易性-利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度，通过千斤顶、调整护套等来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正。它的弊端在于海床较为坚硬时，钻孔的成本较高。2）三角架固定式。三角架固定结构适用于水深超过30m的条件，较单桩固定式更为坚固和多用，但其制作成本较高，移动性较差。3）重力基础固定式。重力基础固定结构是海上风电场采用的首选基础结构，主要是靠体积庞大的混凝土块的重量来固定风机的位置。这种方案使用方便，而且适用于各种海床土质，但是由于它重量大，搬运的费用较高。4）钢制管状固定式。钢制管状固定结构与混凝土重力固定式一样，是靠自身重力固定风机位置的，但钢制管状的重量仅有80吨-1l0吨，从而使安装和运输更为简单。当把钢制基座固定之后，向其内部填充重矿石以增加重量（约1 000吨）。虽然此方案也适用于所有海床土质，但其抗腐蚀性较差，需要长期保护。5）压桶式基础。负压桶式结构是将其放置在海床上之后，抽空内部的海水，靠周围海水所产生压力将其固定在海床上。此种基础大大节省了钢材用量和海上施工时间，降低了生产运输和安装成本，同时拆除基础也很方便。6）浮置式基础。浮置式基础结构适用于50m-100m的水深，成本较低，而且能够扩展现有海上风电场的范围。但是由于其不稳定，意味着仅能应用于海浪较低的情况，此外齿轮箱和发电机这些旋转机械长期工作在加速度较大的环境下。从而潜在地增大了风险并降低了使用。

结束语

海上风电的开发为我国开发近海能源提供了美好的远景规划，我国的施工能力不断提高也为开发海上能源提供了必要的保障，相信在国内广大施工单位和技术人员的配合下，我国的海上风电场能依靠国内力量顺利建成，也预示着我国海上风电产业也将逐步向规模化迈进。

参考文献：

[1]林毅峰，李健英，沈达，等．东海大桥海上风电场风机地基基础特性及设计[J]．上海电力，2017，3：153-157.

[2]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2015.