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海工技术助力海上风电发展
(2013-04-03)
眼下，国内陆上风电发展如火如荼，海上风电也不甘势弱。根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，近岸海域可利用风能资源7亿千瓦，共计约10亿千瓦，海上风电发展潜力巨大。国家能源局的规划显示，中国希望在“十二五”末年海上风电装机达到5GW，到2020年达到30GW。预计将有几千台海上风电机组需要建设。虽然海上风机存在着比较明显的优势，但因为我国的海上风机设计、施工安装、运营维护的大部分单位传统领域在陆上，在海洋工程领域上的基础比较薄弱，同时，海洋相对陆上面临着更复杂、更恶劣的环境条件，使得相比陆上风机，这些单位在海上风机的建设中面临着许多技术难点。这需要从设计、施工安装和运行维护过程三个方面去考虑。从设计来说，陆上风机没有诸如海洋上各种环境变化的影响，像频繁的台风、闪电、盐雾等，这些自然环境就会产生对防腐蚀的要求，及考虑环境条件、地质条件、经济效益的风机基础的选择和设计问题。从施工阶段来说，海上风电场的施工主要可以分为基础施工和风机安装两部分。海上电场的建设面临着环境条件复杂、可选择安装设备少且操作要求高，且各项施工都受限于天气条件等问题，这些都会对海上风机的打桩、运输、吊装、经济性提出挑战。在运行阶段，因为海上风电的发展尚处于初步阶段，海上风电场在运行阶段可能会产生很多问题，主要是设备的故障率较高，以机组叶片损坏、电缆疲劳损坏、齿轮箱损坏和变压器故障等现象最为常见。因此，需要对机组进行维护，包括定期的检查清洁和故障的维修处理。故障的维修处理较陆上而言难度大、费用高，特别在海况恶劣时，维修人员难以接近，故障无法排除，从而增加停机时间，影响经济效益。以上这些风机在走向海上面临的技术问题，严重影响着风电这个拥有广阔前景的绿色能源的发展速度，而作为海洋工程的先行者，海洋石油工程的设计、建造、营运、检验技术已经有百年的历史，世界上第一座固定式平台始建于1887年，积累了丰富的经验。如何有效地利用这些技术资源将是海上风机发展面临的重要任务。海上风机基础当前的主要型式是固定平台型式，主要包括筒型人工岛基础、单桩基础、重力基础、简易导管架基础和一般导管架基础等，适用于滩浅海区域；未来面向深海的承载基础为浮式结构，主要包括张力腿平台、半潜平台、塔桶平台、船型平台等。
固定式基础
■筒型人工岛筒型人工岛也叫环壁式钢模－混凝土人工岛，就是把环型钢模在滩海就位后，在内外壁之间浇注混凝土成为整体环壁，座落或由桩基固定在海底，填芯后形成的滩海结构物。该基础型式的设计、建造港工单位比较有经验，在设计时要考虑环壁钢模的浮拖分析、岛体的静力分析和地震分析、地基承载力分析、打桩分析和冲刷影响等，施工时符合港工规范的相关规定就能满足要求，如《滩海环壁式钢模－混凝土人工岛结构设计与施工技术规范》。但相对来说，其仅适用于滩浅海，因为水深对基础的造价影响非常大。为了应用于较大水深，上海东大桥海上风电场采用了“高承台群桩式高桩承台基础”，也是海岸码头和桥墩基础的常见结构。同样，这种基础造价也较高，但可以有效地利用港工的设计、建造经验和设备。
■单桩基础单桩基础是海洋工程的一个基本型式，同时它也是海上风机在浅海的一种理想型式，结构简单，造价低。这种单桩结构一般有两种安装方法，一种为到达指定地点后，直接用打桩锤将单桩基础打桩至设计的海底深度，另一种是使用钻孔机在海床上钻孔，装入桩后再用水泥浇注。但相对海洋工程的单桩结构，海上风机因为塔桶较高，为了增加基础刚度，其单桩相对现有的海洋工程单桩直径要大的多，这样导致我国现有的打桩设备没有能力或者没有这方面的经验，为了推进这种基础结构在我国海上风场开发上早日应用，需要业界加强合作。
■重力式基础重力基础分为混凝土重力基础和钢制重力基础，前者制造工艺简单，完全依靠自身的重力置于海底，适合于各种类型的海床。世界最早的风电场采用的便是混凝土基础，但由于其巨大的质量（最大可达1800t）使得运输非常困难。后者同样依靠自身重力固定风机，但其钢结构质量依据不同海况只有80t～110t，便于安装和运输。安装就位之后需要向钢制基础中浇注具有高密度的石头压载，且钢质结构易腐蚀。通常来讲，重力式基础适合水深比较浅的位置，但在过浅的位置会受到波浪的影响。由于重力基础制造过程在岸上，且不需要打桩，因而成本较低。在置放重力基础前需要对海底进行预先的平整处理，凿开海床表层换一层沙砾层。之后使用驳船运送或漂浮拖驳至场址，基础就位之后再用混凝土将其周边固定。重力基础安装虽简单，但当前随着海上风机的大型化，对重力基础的稳性提出了更高的要求，这样促使需要进一步评价重力基础的经济性和当前吊装能力所能满足的最大重量和水深。
■简易导管架型式基础简易导管架平台是为了提高海上边际油田开发经济性的新型结构，常见的是三桩