包彩虹 吳鵬冠

摘要：隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的逐步增大，淺海面積的進(jìn)一步受限，深水風(fēng)電的發(fā)展已然成為開發(fā)可再生能源的必然趨勢(shì)，而在深水風(fēng)電的研究中最重要的就是漂浮式基礎(chǔ)概念的提出。本文主要從風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)型式來(lái)對(duì)其技術(shù)發(fā)展進(jìn)行闡述分析，重點(diǎn)論述了TLP（張力腿式平臺(tái)）的發(fā)展現(xiàn)狀，并例舉闡述了國(guó)外典型TLP平臺(tái)的海上漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目，從而為我國(guó)大力發(fā)展漂浮式海上風(fēng)電提供良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：漂浮式風(fēng)機(jī);TLP平臺(tái);錨泊系統(tǒng)

Current status and trend of the offshore floating wind power——Take TLP For Example

Abstract： With the enlargement of unit capacity of the wind turbine and the limited of the shallow sea area， the development of deepwater wind power has become an inevitable trend in the exploitation of renewable energy. Furthermore， the most important study of deepwater wind power is the proposal of the floating conception. In this paper， we mainly discussed the foundations of the floating wind turbine， and the current status of tension leg platform（TLP） is a focal point of a full paper. Also we illuminate the foreign offshore floating wind power projects with many typical TLP examples. Consequently， its technology can provide a good reference for the development of floating wind turbine in china.

Keywords：Offshore floating wind power; TLP foundation; Mooring and anchoring systems

0? 引言

在石油資源形勢(shì)日益嚴(yán)峻、全球氣候逐漸變暖的情況下，海上風(fēng)能作為一種新的可再生能源，由于其資源豐富受到了大多數(shù)國(guó)家的青睞。國(guó)家能源局已于《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)千瓦以上。由此可見(jiàn)，海上風(fēng)電是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向，也是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐。

海上風(fēng)電根據(jù)海水深度可分為近海風(fēng)電（水深<50m）和深海風(fēng)電（水深>50m）兩種型式。隨著近海風(fēng)資源的開發(fā)利用趨于飽和，以及風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的逐漸增大，海上固定式基礎(chǔ)所面臨的設(shè)計(jì)和施工挑戰(zhàn)越來(lái)越大，而漂浮式風(fēng)機(jī)本身為順應(yīng)系統(tǒng)，在環(huán)境條件作用下依靠系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，且視覺(jué)污染和噪音污染與近海風(fēng)電相比較小，因此漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展將在海上風(fēng)電的跨越式發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家在海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展中一直處于領(lǐng)先地位，對(duì)于漂浮式基礎(chǔ)的研究也較為成熟，因此，研究國(guó)外漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)可為我國(guó)向深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展提供可能。

1? 漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式

歐洲研究報(bào)告指出，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的投入可占總投入的20%，并隨著海水深度的增加而增加，因此漂浮式風(fēng)電技術(shù)的改革創(chuàng)新必然需要大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)型式。

早期的海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要有單樁式、三腳架式和導(dǎo)管架式[1]，而近幾年為適應(yīng)不同海床條件、水深情況以及機(jī)組和環(huán)境因素，海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開始越發(fā)多樣化。隨著離岸距離和水深的拓展、以及系泊系統(tǒng)的研究，漂浮式基礎(chǔ)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由錨固系統(tǒng)、錨錠地點(diǎn)和壓載艙組成，現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的漂浮式基礎(chǔ)為半潛式、柱體式、張力腿式這三種型式（圖2），其中，根據(jù)錨鏈的受力狀態(tài)，又可將前兩類歸為懸鏈?zhǔn)交A(chǔ)，最后一類為張緊式基礎(chǔ)。歐盟對(duì)新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了成熟度等級(jí)劃分，其指標(biāo)由低到高可分為9級(jí)，以此表示新技術(shù)的研發(fā)程度，當(dāng)技術(shù)成熟度達(dá)到8級(jí)及以上時(shí)，便可認(rèn)為該技術(shù)基本具備投入商業(yè)運(yùn)行的條件，目前這三種漂浮式基礎(chǔ)的技術(shù)成熟度現(xiàn)狀如圖2所示。

1.1 TLP基礎(chǔ)

1.1.1? 概念

張力腿式概念主要是通過(guò)張緊的系泊纜繩固定于海底來(lái)提供穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)較輕，具有獨(dú)特的筋腱系統(tǒng)，同時(shí)張力腿式概念吃水深度較淺，當(dāng)存在起伏、傾斜以及翻滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有較高的穩(wěn)定性[2][3]。

Crozier等人對(duì)兩種不同類型的TLP風(fēng)機(jī)概念做了大量的數(shù)字化對(duì)比，她發(fā)現(xiàn)被拖曳至目的地的TLP風(fēng)機(jī)比搬運(yùn)至目的地的具備更為有利的動(dòng)態(tài)性能[4];Jagdale等人使用時(shí)間域來(lái)分析四浮筒TLP設(shè)計(jì)，他們主要通過(guò)改變塔長(zhǎng)、浮筒長(zhǎng)、橫截面以及系泊纜繩的數(shù)量來(lái)評(píng)估平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[5];Tracy等人使用頻率域法分析了TLP的最佳參數(shù)[6];Nihei等人則提出了一種由3鋼絲和6筋腱組成的輕結(jié)構(gòu)，他們通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筋腱會(huì)隨著漂流機(jī)制的改變而松弛隨之結(jié)構(gòu)遭到破壞[7][8]。

1.1.2? 錨泊系統(tǒng)研究

錨泊系統(tǒng)的研究包括系泊和錨錠兩部分，目前漂浮式基礎(chǔ)上所使用的錨泊系統(tǒng)指懸鏈?zhǔn)交驈埦o式的系泊系統(tǒng)或者像張力腿平臺(tái)中固定基礎(chǔ)使用的筋腱系統(tǒng)。

國(guó)外大多數(shù)TLP平臺(tái)錨泊系統(tǒng)主要包括張力腿筋腱和錨固基礎(chǔ)兩個(gè)部分，其張力腿所使用的材料均為鋼管，采用該材料安全性好，穩(wěn)定性高，加工工藝簡(jiǎn)單，并且制造成本低，本身重量也可以通過(guò)兩端密封的方法來(lái)解決，在防腐處理方面的技術(shù)也較為成熟。但采用鋼管作為TLP平臺(tái)張力腿時(shí)，需要在張力腿與海底基礎(chǔ)和平臺(tái)間連接處設(shè)置一個(gè)可任意方向擺動(dòng)的球角接頭，即張力腿連接器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造困難。目前這種連接器只有幾家公司有現(xiàn)成產(chǎn)品，其示意圖如圖3所示。

錨錠系統(tǒng)的選擇則與海床環(huán)境有關(guān)，現(xiàn)在主要的錨錠類型有拖動(dòng)式嵌入、打入樁、吸力樁、重力式（圖5）。其基本特征如表1所示。拖動(dòng)式嵌入主要運(yùn)用于粘性泥沙沉積環(huán)境，打入樁則適用于大范圍的海床環(huán)境，吸力樁和重力樁均不適用于滲透性困難的海床環(huán)境，但在解除裝置階段，吸力樁可被移動(dòng)，而重力樁則很難進(jìn)行移動(dòng)。

1.1.3? 模式分析

近幾年來(lái)，西班牙較為杰出的電力公司已經(jīng)著手研究漂浮式海上風(fēng)機(jī)項(xiàng)目，張力腿式平臺(tái)（TLP）風(fēng)機(jī)是伊比德羅拉電力公司目前正在進(jìn)行的一項(xiàng)研究[9]。

如圖4 所示，伊比德羅拉TLP平臺(tái)包括一個(gè)中心圓柱和四個(gè)直角截面浮筒，每個(gè)浮筒的底部都連接了兩個(gè)筋腱，筋腱由6x37股鋼線繞成，以此來(lái)支撐5MW風(fēng)機(jī)。每個(gè)浮筒的邊緣都有兩個(gè)小口，來(lái)連接張緊的系泊纜繩與浮標(biāo)，系泊纜繩可以由鋼或者綜合材質(zhì)構(gòu)成，在其下部則與吸力樁基礎(chǔ)相連接，也可根據(jù)當(dāng)時(shí)的地質(zhì)情況選用打入樁和鉆孔樁。

1.2 其他類型基礎(chǔ)型式

半潛式基礎(chǔ)（SEMI-SUB）：主要利用浮力作用，通過(guò)將平臺(tái)浮于海水表面同時(shí)以懸鏈線固定于海底來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種基礎(chǔ)通常需要一個(gè)大而重的結(jié)構(gòu)來(lái)保持穩(wěn)定，但吃水深度較低，需要通過(guò)主動(dòng)壓載設(shè)備來(lái)保持平臺(tái)水平。

柱體式基礎(chǔ)（Spar）：主要通過(guò)采用圓柱固定壓載來(lái)降低重心直到比浮心還低來(lái)獲得靜穩(wěn)性。其結(jié)構(gòu)底部重而上部較輕，以此提高浮力的重心。Spar式結(jié)構(gòu)吃水深度大，可適用于大水深條件，但受到風(fēng)浪影響較大。

半潛式、立柱式和張力腿式每種類型都各有特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，其適用范圍也各不相同。我國(guó)陸架平緩，尤其是東海海我國(guó)陸架平緩，尤其是東海海域遠(yuǎn)海水深條件相對(duì)于歐洲較淺，一般在40-60m之間。立柱式由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適用于較大水深海域（100m水深）。此外，半潛式和立柱式采用懸鏈線式系泊結(jié)構(gòu)，系泊纜長(zhǎng)度在5-10倍（3-8倍）的水深，意味著40m水深，纜繩長(zhǎng)度可能在200-400之間。遠(yuǎn)大于我國(guó)《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》中規(guī)定“單個(gè)風(fēng)電機(jī)組塔架用海面積一般按塔架中心點(diǎn)至基礎(chǔ)外緣線點(diǎn)再向外50m為半徑的圓形區(qū)域”。同時(shí)張力腿基礎(chǔ)在外力（風(fēng)浪流）作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更好，對(duì)風(fēng)機(jī)的要求和發(fā)電量損失更小。

因此本文認(rèn)為，張力腿（TLP）漂浮式海上風(fēng)電是垂直系泊的順應(yīng)式浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，能夠在陸上安裝和調(diào)試，從而避免了海上安裝的各種難題，其最顯著的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)性能好，抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，且造價(jià)低，是我國(guó)未來(lái)漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展的重要方向之一。

2? 國(guó)外漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展

2.1? 發(fā)展歷程

漂浮式海上風(fēng)機(jī)主要是由風(fēng)渦輪機(jī)、塔筒、浮式平臺(tái)和錨泊系統(tǒng)組成，這一概念最早是由美國(guó)麻省理工大學(xué)的Heronemus 教授在 1972 年提出[9]，但直到二十年前歐美國(guó)家才開始開發(fā)用于承載海上風(fēng)機(jī)的浮動(dòng)式平臺(tái)。與傳統(tǒng)的海上風(fēng)力發(fā)電裝置不同，浮動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不需要在海底打樁再架起來(lái)，而是將其建在浮動(dòng)式平臺(tái)上，并通過(guò)系泊裝置相連接，由錨固系統(tǒng)固定在海床上，最終通過(guò)一條輸出電纜將產(chǎn)生的電力輸送到陸上電網(wǎng)。如今，歐洲漂浮式海上風(fēng)電市場(chǎng)百家爭(zhēng)鳴，隨著第一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)在挪威海域成功運(yùn)行，葡萄牙、德國(guó)、法國(guó)等海上風(fēng)資源豐富國(guó)家也相繼研發(fā)了一系列新概念，并取得了可喜的成績(jī)。

2.2? 國(guó)外典型TLP平臺(tái)的海上漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目

“PelaStar”項(xiàng)目由美國(guó)Glosten公司歷經(jīng)多年開發(fā)，借鑒了mini-tlp的概念，浮式平臺(tái)由五個(gè)支臂和一個(gè)中心圓柱體組成，每個(gè)臂上都有一個(gè)纜索固定于海底（圖5），結(jié)構(gòu)重量較輕?！癙elaStar”于2011年被緬因大學(xué)選中進(jìn)行浮式風(fēng)電的示范工程，這是TLP浮式平臺(tái)的首次提出。2012年，“PelaStar”被ETI選中進(jìn)行風(fēng)浪測(cè)試，示范場(chǎng)址位于遠(yuǎn)離康沃爾的凱爾特海，計(jì)劃采用6MW Haliade海上風(fēng)電機(jī)組，但該工程由于場(chǎng)地許可的推延被擱置。最近，Glosten機(jī)構(gòu)正在尋求新的測(cè)試場(chǎng)址已完成這個(gè)試驗(yàn)。

德國(guó)2.3WM“GICON-SOF”風(fēng)機(jī)為典型張力腿式結(jié)構(gòu)，主要由四個(gè)圓柱體組成，其下則通過(guò)四個(gè)垂直的拉張式纜繩固定于海底，并且通過(guò)四個(gè)額外的拉張式纜繩來(lái)保持平臺(tái)的穩(wěn)定性（圖6）。這個(gè)項(xiàng)目從2012年開始就經(jīng)歷了大量的水槽試驗(yàn)，并于2017年10月11日通過(guò)1：50模型的水池試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程主要模擬了11.4米和12.9米的浪高，整座風(fēng)機(jī)表現(xiàn)非常穩(wěn)定。研究人員將進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而改善張力腿漂浮式平臺(tái)的整體性能。2018年，他們將繼續(xù)開展第三代張力腿漂浮式平臺(tái)技術(shù)的試驗(yàn)。該項(xiàng)目如果能成功，將會(huì)建成世界上第一座張力腿式漂浮式風(fēng)場(chǎng)。

“Blue H”為世界上首座采用TLP基礎(chǔ)的漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，TLP平臺(tái)至少需要3個(gè)張力腿式系泊纜繩，每個(gè)纜繩上都有一個(gè)適應(yīng)于海底環(huán)境的重力錨系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)則被安裝于TLP浮式平臺(tái)的中間。在安裝過(guò)程中風(fēng)機(jī)剛開始半潛于水中，然后通過(guò)抬升力和系泊鏈張力來(lái)使風(fēng)機(jī)上升至指定位置（圖7）。2008年，80kw初始模型機(jī)被安裝在意大利海岸，之后這一概念經(jīng)歷了大量的優(yōu)化并且進(jìn)一步減少了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，目前“Blue H”項(xiàng)目正在尋求新的資金來(lái)源以構(gòu)建5-7MW風(fēng)機(jī)概念。

諾帝卡“AFT”風(fēng)電以張力腿式與半潛式混合型為特征（圖8），風(fēng)機(jī)塔筒和基礎(chǔ)懸臂梁被水平運(yùn)輸至安裝地點(diǎn)，然后通過(guò)水壓載使風(fēng)機(jī)直立。其主要原理為通過(guò)將水壓載抽取至平臺(tái)內(nèi)部，來(lái)改變浮式基礎(chǔ)的重量和質(zhì)心，從而使得“AFT”風(fēng)機(jī)由水平位置旋轉(zhuǎn)至接近垂直的位置。另外，絞纜機(jī)對(duì)系統(tǒng)安裝提供了額外的張力，風(fēng)機(jī)則通過(guò)錨錠系統(tǒng)固定于海底來(lái)保持穩(wěn)定性。

3? 國(guó)內(nèi)漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，預(yù)估可達(dá)到750GM的可開發(fā)容量，目前相關(guān)設(shè)計(jì)、施工和科研單位已經(jīng)掌握了在近海和潮間帶開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電技術(shù)，但是對(duì)于深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電的開發(fā)研究還處于空白地帶，因此研究深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電技術(shù)，可以將我國(guó)風(fēng)電建設(shè)推向風(fēng)能資源更加豐富的深遠(yuǎn)海域，為后續(xù)深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)場(chǎng)大規(guī)模開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)借鑒國(guó)外實(shí)例，國(guó)內(nèi)首個(gè)海上漂浮式風(fēng)電示范項(xiàng)目計(jì)劃在2019年開工，于2015年就開始籌建，建設(shè)地點(diǎn)為東海，采用TLP式基礎(chǔ)，錨固基礎(chǔ)為水下樁基礎(chǔ)、吸力錨基礎(chǔ)。目前該項(xiàng)目正處于模型試驗(yàn)階段，現(xiàn)已初步掌握了漂浮式風(fēng)機(jī)基地預(yù)拼裝施工工藝，水下基礎(chǔ)施工工藝與裝備，筋腱材料特性及施工工藝，及漂浮式風(fēng)機(jī)整體水上拖航技術(shù)。

4? 展望

隨著海上風(fēng)電進(jìn)一步向深遠(yuǎn)海域發(fā)展，其安裝和運(yùn)維成本居高不下是阻礙其發(fā)展的一個(gè)主要因素。因此，為了減少這些深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電項(xiàng)目的生產(chǎn)，安裝和運(yùn)維成本，在固定式基礎(chǔ)持續(xù)進(jìn)步的同時(shí)，漂浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也逐漸發(fā)展起來(lái)，并走出試驗(yàn)階段，走向商業(yè)化應(yīng)用。

歐洲海上漂浮式風(fēng)電一直是這個(gè)行業(yè)的領(lǐng)頭軍，在歐洲委員會(huì)及各國(guó)政府的資金支持下，其國(guó)內(nèi)的企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，并進(jìn)行了各型漂浮風(fēng)機(jī)的物模試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算分析，建設(shè)了樣機(jī)，同時(shí)相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范（ABS、DNV）也已陸續(xù)出版，未來(lái)漂浮式風(fēng)機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的條件，雖然漂浮式風(fēng)電研究起步較晚，但可充分借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電的“彎道超車”。

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