筑牢海上風電走向深藍的"基礎"

回顧我國海上風電機組的發(fā)展歷程，從單機容量1.5兆瓦到8兆瓦并網(wǎng)發(fā)電，用了13年時間；而從8兆瓦機組到16兆瓦機組，僅用了3年左右。如今，單機容量18兆瓦海上風電機組已經(jīng)在廣東完成吊裝，海上風電機組大型化速度正在加快。

俗話說，“基礎不牢，地動山搖。”單機容量邁入新的數(shù)量級，并非機組的簡單放大，而是新材料、新工藝和新技術的全面研發(fā)與應用，特別是對海上風電基礎的挑戰(zhàn)愈加突出。

據(jù)了解，海上風電機組重量每增加1噸，基礎部分增加的重量就要超過10噸。“以全球首臺投入商業(yè)運行的單機容量16兆瓦海上風電機組為例，它的機艙、發(fā)電機組合體重達385噸，每一只葉片重54噸，為了支撐它平穩(wěn)運行，該機組的重量接近2000噸。在機組滿發(fā)狀態(tài)下，風電機組基礎要承受相當于1000輛越野車同時把油門踩到底時所爆發(fā)出的扭矩。”三峽集團上海院新能源土建施工設計院工程師陳立舉例說。

海上風電基礎主要是塔筒及風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，是海上風電三大系統(tǒng)之一。以我國第一座海上風電場——上海東海大橋海上風電示范項目為例，當時能借鑒的基礎結(jié)構(gòu)就是歐洲海上風電使用的單樁基礎式。但是，項目所在區(qū)域的海底以軟土地基為主，如果使用單樁基礎式，就像“一根筷子插到豆腐里”，穩(wěn)定性無法滿足要求。

負責上海東海大橋海上風電示范項目設計的三峽集團上海院勇當“吃蟹第一人”，首創(chuàng)使用“長腿螃蟹”方案——高樁混凝土承臺基礎型式，將8根80多米長、直徑1.7米粗的鋼管斜著打入海底，隨后在8根鋼管上澆筑一個直徑14米的混凝土承臺，再將風電機組整體起吊至承臺上，完成安裝。

“這種設計不僅解決了軟土地基承載力不足的問題，更適應了當時國內(nèi)海上風電基礎施工與設備技術的行業(yè)發(fā)展。如今，這種高樁混凝土承臺基礎型式已經(jīng)運用在國內(nèi)已建和在建的各個風電場站。”“國家卓越工程師”稱號獲得者、三峽集團上海院總工程師林毅峰說道。

自東海大橋海上風電示范項目開始起步，經(jīng)過十幾年的高質(zhì)量發(fā)展，我國海上風電裝機容量如今已超過3600萬千瓦。“十四五”期間，我國規(guī)劃了山東半島、長三角、閩南、粵東、北部灣五大千萬千瓦級海上風電基地，各地出臺的海上風電發(fā)展規(guī)劃規(guī)模已達8000萬千瓦，極大推動了海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。與海上風電一同“長大”的還有海上風電基礎。

中國海油研究總院院長米立軍表示，在近淺海，常通過架設深入海底的鋼管或者導管架來固定風電機組，但在深遠海，這種結(jié)構(gòu)的基礎變得過于龐大，性價比將大打折扣。“漂浮式基礎可以打破作業(yè)水深和海底固定安裝條件的限制，有效拓展深遠海風能資源開發(fā)。”

三峽陽江沙扒海上風電場被譽為“海上風電基礎博物館”，由于這里地質(zhì)條件復雜多變，風電場采用了包括高樁承臺基礎、導管架樁基礎、單樁基礎、吸力筒基礎和漂浮式基礎等8種風電機組基礎型式。全球首個抗臺風型漂浮式風電機組及基礎平臺——“三峽引領號”就在這里。

“三峽引領號”，位于離岸28公里，水深30米處，一臺高度超百米的風電機組屹立在三角結(jié)構(gòu)的漂浮平臺上，基礎平臺用錨系與海底鏈接，讓浮體與風電機組“漂”在海面上，保證風電機組即使在臺風來臨時也“不沉”“不倒”“不跑”。

“不沉，秘訣暗藏在整個浮體中，浮體被分了幾十個空倉，有的倉有水、有的倉沒水，通過調(diào)壓載水，維持浮力與1000多噸的風電機組重力平衡；不倒，需通過一個復雜的數(shù)學模型來計算分析，即便平臺傾角達到10度甚至15度，風電機組整體也能通過一系列調(diào)整恢復如初；不跑，則通過系泊系統(tǒng)來實現(xiàn)，它就是牢牢抓住‘風箏’的那根線。”林毅峰介紹道。

作為我國東北嚴寒地區(qū)首個海上風電項目，三峽集團大連莊河Ⅲ海上風電場所在海域，冬天時的海冰厚度達十幾厘米，在海面風大浪急時，海冰撞擊海上風電基礎，產(chǎn)生安全隱患。為了解決這樣的問題，林毅峰團隊在我國北方第一個海上風電場——河北樂亭海上風電場開始學習、研究、解決海冰對海上風電基礎的撞擊問題。

河北樂亭海上風電場勘測設計前期工作恰逢多冰期，這給前期工作帶來極大困難。“我們也想到了能否借鑒歐洲經(jīng)驗，但他們的項目開發(fā)多處于深海非結(jié)冰海域，對河北樂亭而言，并無太多幫助。”林毅峰說。

林毅峰和團隊從零開始學習國內(nèi)外海冰相關的技術資料，梳理出其中的關鍵技術，掌握冰荷載的計算方法，創(chuàng)新性地將海上鉆井平臺抗冰結(jié)構(gòu)引入海上風電場建設中，結(jié)合海上風電施工特點研發(fā)出后裝配式單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)。

此外，該海域各類巖石混雜，巖層地下溶洞遍布，地質(zhì)情況十分復雜。林毅峰和團隊創(chuàng)新設計出嵌巖組合大直徑單樁，上面是鋼管樁，下面用一段混凝土灌注樁，解決了特殊地質(zhì)條件下風電機組基礎安全問題，一舉攻克天氣寒冷地區(qū)風電抗冰難題。

向海圖強，行至深遠海是中國海上風電發(fā)展的必由之路，而且海上風電技術正處在快速迭代中，也將與海水養(yǎng)殖、海上制氫等新業(yè)態(tài)融合創(chuàng)新發(fā)展。海上風電行業(yè)要走得更遠、更穩(wěn)，不僅需要風電機組技術的發(fā)展，還要有海上風電基礎、海上施工裝備、技術的協(xié)同發(fā)展。“海上森林”不斷發(fā)展壯大，更要夯實“基礎”。