海上風電六邊形筒型基礎及浮式運輸裝備運輸穩(wěn)性研究

喻 飛，甘 樂，段 斐*，陳俊生，朱春生，練繼建，劉 潤

（1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；2.南方海上風電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；3.天津大學，天津 300072）

風能作為清潔可再生能源，成為近年來發(fā)展最快的新能源之一。海風與陸風不同，海上風力遠遠大于陸地，海上風電遠離人群，又不占用耕地，發(fā)展空間巨大，完全有能力擔任綠色可再生電力主力軍角色。大力發(fā)展海上風電，戰(zhàn)略價值巨大。近年來海上風電正在世界各地飛速發(fā)展。海上風機建設中基礎結構最常見的是樁基礎、重力式基礎及近年來發(fā)展較快的筒形基礎。負壓吸力筒型基礎以其剛度大、抗傾覆能力強及總體造價低等優(yōu)勢被大量地運用于受臺風影響及巖層埋深較淺的海上風電場[1-2]。但筒型基礎體型較大、重量較大，底部筒裙分倉板等均為薄壁結構，無法直接承受筒型基礎的大重量，因此無法放置在平板駁上直接運輸，只能通過浮運方式進行運輸。筒型基礎底部筒裙為開口結構，浮運過程中的穩(wěn)定性和抗傾覆能力弱于船舶或海工等閉口結構型式[3-4]，因此需要大型輔助裝備對其進行運輸作業(yè)。由于筒型基礎為新型的海上風電基礎結構，目前并不存在一種成熟的浮運裝置[5-6]。因此需要研究一種針對海上風電負壓吸力筒型基礎，能夠為其提供足夠穩(wěn)性，實現(xiàn)安全運輸?shù)母∵\裝備及其運輸方法。

1 海上風電吸力筒型基礎與浮運裝備

海上風電六邊形筒型基礎如圖1所示?；A主體為上部全鋼結構+下部鋼包混凝土六邊形筒體的復合結構?；A筒裙為六邊形開口結構，筒裙高度14 m，筒裙邊對邊的距離為32 m，筒裙厚度0.3 m。筒裙內部設計有六邊形的內艙板，六邊形內艙板和外筒壁之間設計有6塊分艙板，為整個筒裙加強支撐、提高剛度。筒裙艙室因此分割為7個獨立艙室，為筒裙提供支撐、增強剛度。安裝時將首先利用基礎自重產(chǎn)生一定下沉量，同時筒裙內部氣體被海底泥面封閉在筒裙內部。自沉結束后將筒裙內部氣體抽走形成負壓，基礎在負壓作用下繼續(xù)下沉，直至整個筒裙嵌入到泥面內部。筒裙頂部設計由徑向梁與環(huán)向梁構成的筒頂梁系，以增強筒頂剛度。筒頂梁系上部設計有單柱和斜撐，單柱-斜撐-筒頂梁系形成聯(lián)合受力體系，以更好地傳遞頂部彎矩。

圖1 海上風電六邊形筒型基礎

筒型基礎的浮式運輸通過浮運平臺來實現(xiàn)。浮運平臺長88.2 m，寬65 m，型深6 m，設計吃水3.5 m，將圓形筒裙完全包裹夾持，如圖2所示。如此筒型基礎和浮運平臺在運輸過程中形成運動整體，基礎的運動，尤其是對傾覆起關鍵作用的縱搖、橫搖，將傳遞給浮運平臺，兩者共同運動。利用浮運平臺的大水線面為基礎在運輸過程中提供足夠穩(wěn)性。

圖2 浮運平臺對圓形筒型基礎完全包裹夾持

由圖3和圖4可知，浮運平臺由2個浮體模塊拼裝而成，1個為嵌入型模塊（淺色）、1個為被嵌入型模塊（深色）。浮運平臺是組裝式非自航浮運平臺，為鋼質結構，提前在船廠進行制造，制造完成后托運至筒型基礎制造現(xiàn)場。浮運平臺拼裝時，在2個模塊接觸面附近的甲板上，利用2臺卷揚機將嵌入型模塊導向限位條沿被嵌入型模塊導向限位槽向前拉動，使嵌入型模塊前端與基礎筒裙緊密接觸，拼裝到位后將筒裙完全包裹匹配，2個模塊被縱向拉緊固定，2個浮體模塊與風機基礎連接成能共同運動的穩(wěn)定結構形式。浮運平臺將筒型基礎夾持完成后，由拖船拖至場區(qū)安裝位置，如圖5所示。

圖3 浮運平臺嵌入型模塊（淺色）和被嵌入型模塊（深色）的拼接方式

圖4 浮運平臺兩模塊組合完成圖

圖5 浮運平臺和筒型基礎拖航示意圖

2 基礎浮運靜穩(wěn)性分析

浮運平臺和筒型基礎作為一個整體，其主要參數(shù)見表1。整體坐標系坐標原點建立在筒裙底部，X軸指向航行前進方向，Z軸豎直向上，整體坐標系如圖6所示，浮運平臺和基礎靜穩(wěn)性計算結果如圖7所示。

表1 浮運平臺和基礎整體主要參數(shù)

圖6 整體坐標系說明圖

從圖7所示的結果中可以看出，一方面可以得到浮運平臺和基礎的初穩(wěn)性高度為159.53 m，滿足交通運輸部海事局關于《海上移動平臺法定檢驗技術規(guī)則》及中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中“自由液面修正后初穩(wěn)性高不少于0.15 m”的要求；另一方面，從圖7所示中可以看出，回復力曲線和風傾曲線在第二交點處，復原力矩曲線下的面積與風傾力矩的面積比為17.6，滿足交通運輸部海事局關于《海上移動平臺法定檢驗技術規(guī)則》及中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中“復原力矩曲線至第二交點或進水角（取小者）以下的面積至少應比風壓傾側力矩至同一限定角下的面積大40%”的要求。綜上所述，穩(wěn)性校核結果表明，浮運平臺帶基礎滿足穩(wěn)性校核的規(guī)范要求。

圖7 穩(wěn)性校核曲線

3 基礎浮運時域計算及運動特性分析

以廣東珠海桂山海域為例，從表2中可以看出，桂山海域全年出現(xiàn)概率最大的波浪周期為2～4 s，小于2 s周期的波浪累計頻率僅為1%。最大波高為2.0～2.5 m，對應譜峰周期為10～11 s，但概率極小，該海域全年波高基本在2 m以下、2 m以上的概率僅0.01%。

表2 桂山海域有效波高與譜峰周期（Hs-Tp）聯(lián)合概率分布表（全年） %

建立浮運平臺與筒形基礎的動穩(wěn)性分析模型，選取拖航作業(yè)典型的海況進行數(shù)值模擬計算，計算條件為：風、浪同向。波浪譜為JONSWAP譜。計算有效波高分別取1、2和3 m，波浪譜峰周期取10 s，為浮式系統(tǒng)固有周期，此時為最不利工況。按照蒲式風級表波浪對應的風速分別取15、21和27節(jié)。根據(jù)相關文獻與實際拖航工程經(jīng)驗，航速取2 m/s。表3至表5給出了浮運過程中各自由度的計算值。從表中的計算結果可以看出，縱搖在順浪0°下的響應最大，在表3至表5中分別為1.003°、2.114°和3.411°；橫搖在橫浪90°下的響應最大，在表3至表5中分別為1.679°、2.524°和2.920°，可見浮運平臺具有良好的水動力學性能，各工況下最大的縱橫搖角均控制在規(guī)范要求的4°范圍以內，能夠保障安全拖航作業(yè)。

表3 有效波高1 m譜峰周期10 s風速15節(jié)下的計算統(tǒng)計結果

表4 有效波高2 m譜峰周期10 s風速21節(jié)下的計算統(tǒng)計結果

表5 有效波高3 m譜峰周期10 s風速27節(jié)下的計算統(tǒng)計結果

4 結論

針對筒型基礎不適合直接干拖運輸?shù)奶攸c，提出了一種能夠為筒型基礎提供足夠穩(wěn)性、實現(xiàn)安全運輸?shù)母∵\裝備及其運輸方法。建立了浮運平臺與筒形基礎的動穩(wěn)性分析模型，選取拖航作業(yè)典型的海況進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)相關文獻與實際拖航工程經(jīng)驗，航速取2 m/s。計算結果顯示，浮運平臺具有良好的水動力學性能，縱搖在順浪下的響應最大、橫搖在橫浪下的響應最大，浮運平臺具有良好的水動力學性能，各工況下最大的縱橫搖角均控制在規(guī)范要求的4°范圍以內、能夠保障安全拖航作業(yè)。