筑牢海上風(fēng)電走向深藍(lán)的"基礎(chǔ)"

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

俗話(huà)說(shuō)，“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖。”單機(jī)容量邁入新的數(shù)量級(jí)，并非機(jī)組的簡(jiǎn)單放大，而是新材料、新工藝和新技術(shù)的全面研發(fā)與應(yīng)用，特別是對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)愈加突出。

據(jù)了解，海上風(fēng)電機(jī)組重量每增加1噸，基礎(chǔ)部分增加的重量就要超過(guò)10噸。“以全球首臺(tái)投入商業(yè)運(yùn)行的單機(jī)容量16兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組為例，它的機(jī)艙、發(fā)電機(jī)組合體重達(dá)385噸，每一只葉片重54噸，為了支撐它平穩(wěn)運(yùn)行，該機(jī)組的重量接近2000噸。在機(jī)組滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)下，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)要承受相當(dāng)于1000輛越野車(chē)同時(shí)把油門(mén)踩到底時(shí)所爆發(fā)出的扭矩。”三峽集團(tuán)上海院新能源土建施工設(shè)計(jì)院工程師陳立舉例說(shuō)。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要是塔筒及風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，是海上風(fēng)電三大系統(tǒng)之一。以我國(guó)第一座海上風(fēng)電場(chǎng)——上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目為例，當(dāng)時(shí)能借鑒的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就是歐洲海上風(fēng)電使用的單樁基礎(chǔ)式。但是，項(xiàng)目所在區(qū)域的海底以軟土地基為主，如果使用單樁基礎(chǔ)式，就像“一根筷子插到豆腐里”，穩(wěn)定性無(wú)法滿(mǎn)足要求。

負(fù)責(zé)上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)的三峽集團(tuán)上海院勇當(dāng)“吃蟹第一人”，首創(chuàng)使用“長(zhǎng)腿螃蟹”方案——高樁混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)型式，將8根80多米長(zhǎng)、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(gè)直徑14米的混凝土承臺(tái)，再將風(fēng)電機(jī)組整體起吊至承臺(tái)上，完成安裝。

“這種設(shè)計(jì)不僅解決了軟土地基承載力不足的問(wèn)題，更適應(yīng)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工與設(shè)備技術(shù)的行業(yè)發(fā)展。如今，這種高樁混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)型式已經(jīng)運(yùn)用在國(guó)內(nèi)已建和在建的各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)站。”“國(guó)家卓越工程師”稱(chēng)號(hào)獲得者、三峽集團(tuán)上海院總工程師林毅峰說(shuō)道。

自東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)十幾年的高質(zhì)量發(fā)展，我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量如今已超過(guò)3600萬(wàn)千瓦。“十四五”期間，我國(guó)規(guī)劃了山東半島、長(zhǎng)三角、閩南、粵東、北部灣五大千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地，各地出臺(tái)的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃規(guī)模已達(dá)8000萬(wàn)千瓦，極大推動(dòng)了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。與海上風(fēng)電一同“長(zhǎng)大”的還有海上風(fēng)電基礎(chǔ)。

中國(guó)海油研究總院院長(zhǎng)米立軍表示，在近淺海，常通過(guò)架設(shè)深入海底的鋼管或者導(dǎo)管架來(lái)固定風(fēng)電機(jī)組，但在深遠(yuǎn)海，這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)變得過(guò)于龐大，性?xún)r(jià)比將大打折扣。“漂浮式基礎(chǔ)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(yuǎn)海風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)。”

三峽陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)被譽(yù)為“海上風(fēng)電基礎(chǔ)博物館”，由于這里地質(zhì)條件復(fù)雜多變，風(fēng)電場(chǎng)采用了包括高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、導(dǎo)管架樁基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力筒基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)等8種風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式。全球首個(gè)抗臺(tái)風(fēng)型漂浮式風(fēng)電機(jī)組及基礎(chǔ)平臺(tái)——“三峽引領(lǐng)號(hào)”就在這里。

“三峽引領(lǐng)號(hào)”，位于離岸28公里，水深30米處，一臺(tái)高度超百米的風(fēng)電機(jī)組屹立在三角結(jié)構(gòu)的漂浮平臺(tái)上，基礎(chǔ)平臺(tái)用錨系與海底鏈接，讓浮體與風(fēng)電機(jī)組“漂”在海面上，保證風(fēng)電機(jī)組即使在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)也“不沉”“不倒”“不跑”。

“不沉，秘訣暗藏在整個(gè)浮體中，浮體被分了幾十個(gè)空倉(cāng)，有的倉(cāng)有水、有的倉(cāng)沒(méi)水，通過(guò)調(diào)壓載水，維持浮力與1000多噸的風(fēng)電機(jī)組重力平衡；不倒，需通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算分析，即便平臺(tái)傾角達(dá)到10度甚至15度，風(fēng)電機(jī)組整體也能通過(guò)一系列調(diào)整恢復(fù)如初；不跑，則通過(guò)系泊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它就是牢牢抓住‘風(fēng)箏’的那根線。”林毅峰介紹道。

作為我國(guó)東北嚴(yán)寒地區(qū)首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目，三峽集團(tuán)大連莊河Ⅲ海上風(fēng)電場(chǎng)所在海域，冬天時(shí)的海冰厚度達(dá)十幾厘米，在海面風(fēng)大浪急時(shí)，海冰撞擊海上風(fēng)電基礎(chǔ)，產(chǎn)生安全隱患。為了解決這樣的問(wèn)題，林毅峰團(tuán)隊(duì)在我國(guó)北方第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)——河北樂(lè)亭海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始學(xué)習(xí)、研究、解決海冰對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的撞擊問(wèn)題。

河北樂(lè)亭海上風(fēng)電場(chǎng)勘測(cè)設(shè)計(jì)前期工作恰逢多冰期，這給前期工作帶來(lái)極大困難。“我們也想到了能否借鑒歐洲經(jīng)驗(yàn)，但他們的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)多處于深海非結(jié)冰海域，對(duì)河北樂(lè)亭而言，并無(wú)太多幫助。”林毅峰說(shuō)。

林毅峰和團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外海冰相關(guān)的技術(shù)資料，梳理出其中的關(guān)鍵技術(shù)，掌握冰荷載的計(jì)算方法，創(chuàng)新性地將海上鉆井平臺(tái)抗冰結(jié)構(gòu)引入海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，結(jié)合海上風(fēng)電施工特點(diǎn)研發(fā)出后裝配式單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)。

此外，該海域各類(lèi)巖石混雜，巖層地下溶洞遍布，地質(zhì)情況十分復(fù)雜。林毅峰和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)安全問(wèn)題，一舉攻克天氣寒冷地區(qū)風(fēng)電抗冰難題。

向海圖強(qiáng)，行至深遠(yuǎn)海是中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展的必由之路，而且海上風(fēng)電技術(shù)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(fēng)電行業(yè)要走得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)，不僅需要風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展，還要有海上風(fēng)電基礎(chǔ)、海上施工裝備、技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。“海上森林”不斷發(fā)展壯大，更要夯實(shí)“基礎(chǔ)”。