漂浮式海上風(fēng)電施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究進展

何佳龍，李 祥，喻葭臨，常作維

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

0 引 言

風(fēng)電作為一種技術(shù)較成熟、開發(fā)條件較優(yōu)越、發(fā)展前景較廣闊的電力開發(fā)方式，目前已成為世界各國能源開發(fā)的重要手段，其中海上風(fēng)電更是具有節(jié)約土地資源、受地形條件影響小、能量效益高等顯著優(yōu)勢[1]。我國海洋資源十分豐富，具有海岸線長、海域面積大等特點，因此發(fā)展海上風(fēng)電具有得天獨厚的優(yōu)勢。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[2]，我國海上風(fēng)能資源有預(yù)計超過30億kW的開發(fā)潛力，對于我國有效落實“雙碳”目標(biāo)、構(gòu)建新型能源體系具有重要戰(zhàn)略意義。

在“十四五”期間，我國海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)將面臨著從近海到深遠海、從政府補貼到自主發(fā)展、從樣機示范到商業(yè)應(yīng)用等多方面的跨越式挑戰(zhàn)[3]，深遠海漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)已成為工程學(xué)界密切關(guān)注的熱點問題。全球風(fēng)能理事會(GWEC)數(shù)據(jù)顯示[4]：從2026年開始，全球漂浮式海上風(fēng)電的年新增裝機容量將突破GW級別；預(yù)計到2030年，漂浮式海上風(fēng)電的累計裝機容量將達到16.5 GW，標(biāo)志著漂浮式海上風(fēng)電將正式進入商業(yè)化發(fā)展新階段。

漂浮式海上風(fēng)電的核心技術(shù)主要包括勘察設(shè)計、裝備制造、施工建設(shè)、運行維護、設(shè)備退役等諸多方面[5]。其中，勘察設(shè)計主要包括場址規(guī)劃、風(fēng)資源評估、水文氣象分析、地質(zhì)勘探、風(fēng)電場設(shè)計、專題論證、測試認證等；裝備制造主要包括發(fā)電機組、基礎(chǔ)浮體、系泊系統(tǒng)、錨固基礎(chǔ)、動態(tài)海纜、集中送出、升壓主變等；施工建設(shè)主要包括以上各類裝備的海上運輸及施工安裝等；運行維護主要包括環(huán)境預(yù)報、運行調(diào)控、設(shè)備維護、監(jiān)測預(yù)警、運維技術(shù)與裝備等；設(shè)備退役主要包括經(jīng)濟效益評估、運行性能評估、風(fēng)電場拆除、設(shè)備回收利用等。

相比于漂浮式海上風(fēng)電其他方面的核心技術(shù)，施工建設(shè)方面所涉及的內(nèi)容具有較大的不確定性，通常需要根據(jù)每個工程的具體特點而采取相應(yīng)的施工手段。因此，對目前國內(nèi)外漂浮式海上風(fēng)電的施工關(guān)鍵技術(shù)進行對比分析研究，以指導(dǎo)我國未來深遠海海域風(fēng)能資源的開發(fā)利用是十分必要的。

本文基于國內(nèi)外漂浮式海上風(fēng)電的實際開發(fā)建設(shè)情況，系統(tǒng)地總結(jié)漂浮式海上風(fēng)電施工建設(shè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈組成及發(fā)展現(xiàn)狀，提出漂浮式海上風(fēng)電在運輸、施工與安裝等方面未來的發(fā)展趨勢與重點突破方向。

1 施工關(guān)鍵技術(shù)研究進展

漂浮式海上風(fēng)電的施工關(guān)鍵技術(shù)主要包括浮體基礎(chǔ)下水、拖航方式選擇、發(fā)電機組安裝、系泊系統(tǒng)安裝、錨固基礎(chǔ)安裝、動態(tài)海纜安裝等核心內(nèi)容，在工程建設(shè)總投資中占據(jù)著較大比重，可以通過對各類施工資源的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和規(guī)?；l(fā)展來實現(xiàn)降本增效。相比于近海固定式海上風(fēng)電，漂浮式海上風(fēng)電在陸海安裝比例、船機設(shè)備需求、適用水深條件、天氣海況限制以及海上施工效率等方面均存在著較大差異，因此需要對漂浮式海上風(fēng)電的各類施工建設(shè)技術(shù)及相應(yīng)的適用條件進行重點討論。

1.1 浮體基礎(chǔ)下水

根據(jù)靜穩(wěn)性工作原理的不同[6]，漂浮式海上風(fēng)電的浮體基礎(chǔ)主要分為立柱式、張力腿式、半潛式以及駁船式。其中，立柱式浮體基礎(chǔ)的設(shè)計重心遠低于平臺浮心，適用水深通常要求超過100 m；張力腿式浮體基礎(chǔ)的安裝流程較復(fù)雜且工程造價較高，適用水深通常要求超過40 m；半潛式浮體基礎(chǔ)具有部署方式靈活、施工技術(shù)成熟等特點，適用水深通常要求超過40 m；駁船式浮體基礎(chǔ)的制造工藝最為簡單，適用水深通常要求超過30 m。截至目前，我國已建設(shè)實施的“三峽引領(lǐng)號”和“海裝扶搖號”漂浮式海上風(fēng)電均采用半潛式浮體基礎(chǔ)，積累了一定的工程建設(shè)經(jīng)驗。

按照下水原理進行分類，常見的船舶下水方法主要包括漂浮式下水、機械式下水以及重力式下水[7]。結(jié)合漂浮式海上風(fēng)電浮體基礎(chǔ)的自身結(jié)構(gòu)特點，下水方法可以具體分為船塢式、半潛駁式、吊裝式以及滑移式。其中，船塢式屬于漂浮式下水方法，施工操作方便但船塢造價昂貴，方法適用性最好；半潛駁式屬于漂浮式下水方法，施工成本較低，但半潛駁資源較為稀少，需配合滑移滾裝進行陸海轉(zhuǎn)運，方法適用性較好；吊裝式屬于機械式下水方法，通常采用大型龍門吊設(shè)備將浮體基礎(chǔ)直接吊裝入水，方法適用性較差；滑移式屬于重力式下水方法，施工操作最為簡單但浮體結(jié)構(gòu)在滑移過程中容易發(fā)生彎扭變形，方法適用性最差。因此，綜合分析以上各種浮體基礎(chǔ)下水方法的特點及適用性，半潛駁式下水可作為近期重點研究方向，并進一步細化其工藝、裝備和質(zhì)量安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 拖航方式選擇

漂浮式海上風(fēng)電的發(fā)電機組、浮體基礎(chǔ)等大部件裝備均需要通過大型駁船進行海上運輸，其拖航方式主要分為濕拖和干拖[8]。其中，濕拖運輸方式通常需要幾艘駁船協(xié)同進行掩護和拖航作業(yè)，當(dāng)遇險時應(yīng)急錨泊和避風(fēng)?？康碾y度較大，拖航偏蕩現(xiàn)象較為嚴(yán)重；干拖運輸方式通常采用半潛駁船作為運輸設(shè)備，具有吃水深度淺、拖航速度快、安全性高、防臺避風(fēng)能力強等特點。

考慮到布置在深遠海海域的漂浮式海上風(fēng)電場與港口碼頭之間的距離較遠，濕拖運輸方式的拖航速度較慢，而相比之下干拖運輸方式的拖航周期更短且抵抗風(fēng)險的能力更強。因此，在漂浮式海上風(fēng)電各類裝備的運輸過程中，建議采用干拖運輸方式進行拖航作業(yè)，但需要充分考慮到干拖運輸成本較高的劣勢，必要時應(yīng)對規(guī)?；\輸方案進行優(yōu)化設(shè)計，以有效提高海上拖航運輸?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟合理性。

1.3 發(fā)電機組安裝

根據(jù)風(fēng)機運輸方式及組裝位置的不同[9]，漂浮式海上風(fēng)電的發(fā)電機組運輸主要分為整體運輸和分體運輸，對應(yīng)發(fā)電機組安裝主要分為港口整體吊裝和現(xiàn)場分體安裝。其中，“分體運輸+現(xiàn)場安裝”方式需要使用超高吊高起重船和自升式安裝平臺，對于施工裝備和天氣海況的要求較高，方法適用性需要根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件進行分析論證；而“整體運輸+現(xiàn)場安裝”方式需要使用大型起重船，現(xiàn)場整體吊裝對施工設(shè)備和作業(yè)海況要求較高，但海上作業(yè)時間相對較短，施工風(fēng)險總體可控，同樣需要結(jié)合設(shè)備能力、現(xiàn)場作業(yè)條件進行綜合分析論證。

1.4 系泊系統(tǒng)安裝

漂浮式海上風(fēng)電作為深遠海海域的海上漂浮結(jié)構(gòu)物，通常需要采用由導(dǎo)纜裝置、絞車、系泊線、錨固基礎(chǔ)以及各種力學(xué)配件等組成的系泊系統(tǒng)[10]，以實現(xiàn)對發(fā)電機組及浮體基礎(chǔ)等運動狀態(tài)與幾何位置的約束。按照系泊安裝方式進行分類，漂浮式海上風(fēng)電的系泊系統(tǒng)主要分為懸鏈?zhǔn)健埦o式以及張力腿式；按照系泊纜材料進行分類，其主要分為鋼絲纜、合成纜以及混合纜。其中，懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)通常采用鋼絲纜，具有施工操作簡單、結(jié)構(gòu)強度高、制造成本低等特點，但對于海底施工場地的占用范圍較大、經(jīng)濟性較差；張緊式系泊系統(tǒng)通常采用鋼絲纜或合成纜，在實際使用過程中需要長時間承受較大的跳躍性沖擊荷載，系泊纜容易出現(xiàn)強度失效、疲勞損傷等問題；張力腿式系泊系統(tǒng)僅適用于張力腿式浮體基礎(chǔ)，通常采用合成纜或混合纜，對于安裝技術(shù)難度和質(zhì)量控制要求較高，否則張力腿在海嘯、臺風(fēng)、波浪等動載作用下容易出現(xiàn)異常振動，嚴(yán)重降低系泊系統(tǒng)的實際服役壽命與可靠程度。

因此，在漂浮式海上風(fēng)電系泊系統(tǒng)的安裝過程中，應(yīng)充分考慮到深遠海海域的天氣海況、海底條件、施工場地以及浮體基礎(chǔ)形式、系泊纜材料等因素，并開展相應(yīng)的耦合動力學(xué)一體化仿真分析，以確定適用于特定工程條件的系泊系統(tǒng)及安裝方式。

交通標(biāo)志標(biāo)線的設(shè)置以規(guī)范性、適量性、可視性和通用性為原則，以不熟悉本地道路和周圍路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的司機為設(shè)計對象，使參與者能正確、快速地捕獲行車方向、所到目的地、行車距離等信息，并加強對司機的誘導(dǎo)作用。

1.5 錨固基礎(chǔ)安裝

根據(jù)力學(xué)作用機理的不同[11]，漂浮式海上風(fēng)電的錨固基礎(chǔ)主要分為樁錨、吸力錨、重力錨以及拖曳錨。其中，樁錨通常依靠打入海床內(nèi)部的樁基礎(chǔ)與海底土壤之間的摩擦力來實現(xiàn)錨固作用，施工技術(shù)成熟但作業(yè)流程復(fù)雜、施工成本較高，方法適用性最好；吸力錨通常依靠人工泵制造的內(nèi)外壓力差將鋼筒打入海床內(nèi)部，具有較均衡的各方向承載能力，施工成本較低但需要使用小型起重船進行安裝，方法適用性較好；重力錨通常依靠預(yù)制壓載的自身重力及與海底土壤之間的摩擦力，來分別提供豎直向和水平向的承載能力，施工操作最為簡單，但錨固效果受海底土壤的摩擦系數(shù)、壓實程度等因素影響較大，方法適用性較差；拖曳錨通常依靠錨體結(jié)構(gòu)與海底土壤之間的摩擦力來實現(xiàn)錨固作用，施工操作方便但對錨固點的控制性較差，方法適用性最差。

根據(jù)以上各種錨固基礎(chǔ)的特點及錨固效果分析可以發(fā)現(xiàn)，樁錨和吸力錨的適用性與可靠程度更加優(yōu)異，對于保障漂浮式海上風(fēng)電的安全穩(wěn)定運行具有重要實踐意義，下一步應(yīng)在技術(shù)升級、流程簡化、資源配置以及降本增效等方面開展系列技術(shù)攻關(guān)，以有效提高樁錨和吸力錨的技術(shù)經(jīng)濟合理性及工程應(yīng)用價值。

1.6 動態(tài)海纜安裝

相比于近海固定式海上風(fēng)電，漂浮式海上風(fēng)電的輸電系統(tǒng)存在明顯的區(qū)別，具體表現(xiàn)為由于浮體基礎(chǔ)可以在一定范圍內(nèi)發(fā)生不規(guī)律的運動及位置偏移，因此發(fā)電機組與敷設(shè)于海床的靜態(tài)海纜之間需要增設(shè)一段柔性連接裝置，即動態(tài)海纜裝置[12]。動態(tài)海纜裝置通常由柔性海纜、浮體單元、錨固基礎(chǔ)終端以及防彎固定器等部件組成，主要包括干式結(jié)構(gòu)海纜和濕式結(jié)構(gòu)海纜[13]，可以在一定范圍內(nèi)隨著浮體基礎(chǔ)自由運動，起到有效的外力緩沖作用。

漂浮式海上風(fēng)電動態(tài)海纜的施工安裝通常需要采用海纜水下定位測量裝置及專用的海纜施工船，具體施工方法受動態(tài)海纜類型及其附件形式的影響較大。因此，在漂浮式海上風(fēng)電動態(tài)海纜的安裝過程中，應(yīng)充分考慮到浮體基礎(chǔ)與動態(tài)海纜之間的耦合約束作用，開展相應(yīng)的一體化仿真分析，協(xié)調(diào)好施工窗口期規(guī)劃、船機資源配置等內(nèi)容，保障漂浮式海上風(fēng)電的電能穩(wěn)定輸出。

2 發(fā)展趨勢及展望

2.1 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新

技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新是加速我國深遠海海域風(fēng)能資源開發(fā)建設(shè)的根本手段，也是實現(xiàn)漂浮式海上風(fēng)電施工關(guān)鍵技術(shù)跨越式發(fā)展的有效途徑。

(1)在浮體制造方面，應(yīng)進一步研究采用預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土等大體積澆筑材料來制造浮體基礎(chǔ)的可行性[14]，并結(jié)合水下自護混凝土等新型施工方法[15]實現(xiàn)浮體基礎(chǔ)的水下澆筑。在浮體組裝方面，應(yīng)加快對模塊化浮體基礎(chǔ)的研發(fā)速度，以進一步降低海上拖航的運輸難度、提高施工安裝效率。

(2)在拖航運輸方面，考慮到國內(nèi)大型駁船資源的分布情況，漂浮式海上風(fēng)電施工企業(yè)應(yīng)加強與煙臺、上海、廣州打撈局以及北海、東海、南海救助局等的合作，以實現(xiàn)有限駁船資源的充分利用。

(4)在錨泊系統(tǒng)方面，葡萄牙WindFloat漂浮式海上風(fēng)電[16]通過優(yōu)化系泊系統(tǒng)與錨固形式，可以在不使用起重船等大型設(shè)備的情況下完成錨泊作業(yè)，而相比之下國內(nèi)“三峽引領(lǐng)號”和“海裝扶搖號”的施工流程較復(fù)雜，導(dǎo)致施工難度及成本明顯提高。因此，應(yīng)進一步優(yōu)化錨泊系統(tǒng)的冗余設(shè)計和安全裕度，以實現(xiàn)安全性與經(jīng)濟性的合理平衡。

2.2 集成化、規(guī)?；?、智能化

隨著我國深遠海海域風(fēng)能資源即將進入商業(yè)化開發(fā)階段，集成化、規(guī)?；⒅悄芑瘜⒊蔀槠∈胶Ｉ巷L(fēng)電在運輸、施工與安裝等方面必然的發(fā)展趨勢。

(1)積極推進漂浮式海上風(fēng)電的集成化生產(chǎn)。結(jié)合港口碼頭、船機設(shè)備等各類資源的分布情況，就近規(guī)劃建設(shè)海上風(fēng)電一體化基地，為發(fā)電機組、浮體基礎(chǔ)、錨泊系統(tǒng)、動態(tài)海纜等大部件裝備的臨時存放及簡易安裝提供便利條件，有效減小陸上運輸距離、增加施工作業(yè)窗口期。

(2)積極推進漂浮式海上風(fēng)電的規(guī)?；ㄔO(shè)。截至目前，我國已建設(shè)實施的“三峽引領(lǐng)號”和“海裝扶搖號”均為樣機示范工程，距離規(guī)模化建設(shè)仍有較大差距。風(fēng)電場的規(guī)?；贾每梢杂行Ы档推∈胶Ｉ巷L(fēng)電的度電成本，攤銷施工安裝及后期運維費用，并提高電能輸送的穩(wěn)定性。

(3)積極推進漂浮式海上風(fēng)電的智能化施工。相比于陸地和近海海域，深遠海海域具有施工環(huán)境復(fù)雜、窗口期短、難度大、成本高等特點，依托智能化施工手段、采用少人或無人施工技術(shù)[17]，將明顯提高海上施工建設(shè)的安全性與可靠程度。

2.3 提高整合能力、優(yōu)化資源配置

深遠海海域不僅風(fēng)能資源豐富，其他資源也具有較大的開發(fā)利用價值，基于我國水風(fēng)光儲多能互補的能源發(fā)展理念，目前已初步形成了集海上油氣、海洋牧場、風(fēng)能、太陽能、波浪能、制氫、儲能等多種資源于一體的開發(fā)環(huán)境[18]。

加快推進深遠海海域的“能源島”建設(shè)[19]，積極構(gòu)建以能量儲存、電解制氫、氫能運輸、波浪能發(fā)電等為代表的能源轉(zhuǎn)換中心，逐步形成以能源供給為主體、牧漁養(yǎng)殖為輔助的可持續(xù)資源開發(fā)模式。此外，在漂浮式海上風(fēng)電的施工建設(shè)過程中，如果能夠與其他資源的開發(fā)過程相互協(xié)調(diào)，將有效地提高各類施工資源的整合能力及利用率，實現(xiàn)相應(yīng)資源的優(yōu)化配置。

3 結(jié) 語

“十四五”時期是我國深遠海海域風(fēng)能資源開發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵機遇期，以漂浮式海上風(fēng)電為代表的清潔能源開發(fā)正逐漸走向建設(shè)高潮，推動漂浮式海上風(fēng)電的規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展已成為我國能源領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型的主要抓手，也是構(gòu)建水風(fēng)光儲一體化能源格局的重要保障。

本文系統(tǒng)地梳理了漂浮式海上風(fēng)電在運輸、施工與安裝等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，主要包括浮體基礎(chǔ)下水、拖航方式選擇、發(fā)電機組安裝、系泊系統(tǒng)安裝、錨固基礎(chǔ)安裝以及動態(tài)海纜安裝等核心內(nèi)容，并結(jié)合我國各類施工資源的配置情況逐一分析了方法適用性，對漂浮式海上風(fēng)電施工關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了合理預(yù)測，以更好地服務(wù)于我國深遠海海域風(fēng)能資源的開發(fā)建設(shè)。