近几年，全球海上风电的规模化开发速度明显加快。欧洲风能协会（WindEurope）公布的数据显示，2019年，欧洲海上风电新增装机容量达到创纪录的362.3万千瓦，较2018年增长19.6%，累计装机容量为2207.2万千瓦。欧洲之外，中国迅速成为新的增长引擎。根据国家能源局统计，2019年，我国新增海上风电装机198万千瓦，累计装机容量达到593 万千瓦。
当下，我国海上风电依然处于规模化开发的初期，不仅面临着产业链尚未完全成熟导致的种种风险，也承受着补贴退坡带来的降本压力。在这种情况下，为了保障项目安全、高效地开发与运营，业界必须将各个环节的工作做得更加精细。这其中就包括风电机组基础结构的选型。基础为风电机组提供至少25年的关键支撑，在遭受风载荷、风电机组运行载荷以及波浪、海流等载荷作用的同时，还经受着海上恶劣环境的严酷考验。同时，在海上风电场的总投资中，基础成本占20%-30%，远高于陆上风电场的同类比重。因此，在深入分析不同海上风电机组基础结构特点，风电场所处海域的地质、风能资源、海洋水文等环境条件的前提下，合理的基础选型，是推动海上风电成本下降、保障风电机组长期安全运行的主要途径之一。本期“封面故事”聚焦于目前几类主流的海上风电机组基础型式，图文并茂地全面展示各类技术的发展历程、应用现状、技术特点、施工工艺要求、适用条件等，希望能够为业界在开展海上风电机组基础结构选型时提供参考。目录
Part 1 单桩基础
Part 2 多桩承台基础
Part 3 重力式基础
Part 4 多脚架式基础
Part 5 导管架基础
Part 6 吸力筒基础
Part 7 漂浮式基础
Part 8 海上风电基础特点及中国海域的适用性分析
Part 9 鉴衡认证以匠心精神打磨海上风电基础分析能力
本篇为《风能》杂志2020年02期封面故事专题——海上风电开发基础选型先行的Part 8、Part 9，点击下方链接查看Part 1-Part 7
海上风电基础特点
及中国海域的适用性分析
| 概况
海上风电作为可再生能源发展的关键方向，我国将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国第一座海上风电场——上海东海大桥海上风电场从2010 年实现并网发电至今，已经安全运行10年。10年间，风电机组单机容量逐渐增加（从3MW到10MW），建设场址从滩涂到近海，已经开始走向深远海。中国海上风电的大规模开发建设带动了相关产业链发展，反之，产业链的发展又推动着风电技术的不断创新和升级。
虽然我国拥有的海上风能资源丰富，但是台风、海冰、地震、软土地质、基岩等，也给设计和建设带来巨大难度。可以说，中国海上风电的建设条件最复杂，最具有挑战性。
一、风能资源
我国沿海地区大部分近海海域90m高度的年平均风速在7-8.5m/s之间，适合大规模开发建设海上风电场。特别是台湾海峡，年平均风速基本在7.5-10m/s之间，局部区域的年平均风速可达10m/s以上。然而，我国的福建、广东、台湾地区每年都要经历多场台风，阵风风速可超70m/s，高风速必然对风电机组、基础提出高要求。我国北方海域冬天海面结冰，这除了对结构的材料性能提出更高要求外，海冰长期作用在结构上，还会引起冰激振动，从而降低结构的安全使用寿命。通常，安装于该海域的设施需要设置专用的抗冰措施（图1）。
我国南方海域受台风影响，常伴随着大风大浪，部分海域的最大波高超过20m，不仅极大影响海洋结构物的安全性，同时也影响海上运维工作。我国沿海地区地质主要以软土地基为主（以江苏和上海地区为代表）。虽然在该地质条件下建设海上风电项目时，海上施工难度低，但表层土承载能力较差，导致基础结构工程量增加。另外，随着近年福建和广东海上风电的大力开发，业界认识到，该区域除了风能资源好外，也存在台风和大区域的浅覆盖层地质（以福建兴化湾、福建莆田、广东南澳和阳江等海域为代表）。浅覆盖层地质意味着基础桩基需要嵌岩施工（图2），或是必须采用新型的浅基础型式。综上所述，中国海域的海上风电建设条件远比欧洲复杂。针对中国海上风电场的建设特点，选择合理的基础型式十分重要。基础是海上风电最关键结构之一，合理的基础型式不仅能提升项目收益率，促进施工高效性，同时也能保证项目的安全性和可靠性。当然，基础选型除与建设场址的海域特点密切相关，还应考虑船机设备、单位建造能力。基础型式按照受力特点主要分为桩基础、浅基础和柔性基础，主要类型见表1。在明确风电场的水深和地质条件等基本情况后，便可对风电机组基础进行初步选型，见表2。该基础由基桩和混凝土承台组成，刚度较大，抗水平荷载性能较好，适用于中等水深且对海床地质条件要求不高的条件。其采用传统的港口工程施工设备和施工工艺、施工难度较小，大多数海上施工单位都有能力施工。我国第一座海上风电场⸺上海东海大桥海上风电场（图3）位于东海大桥东侧的东海海域，工程海域水深9.9-11.9m，以软土地基为主，该项目总装机容量为20.4万千瓦，安装3.0MW和5.0MW风电机组。基于当时的施工设备能力，该场址采用斜高桩承台基础。福建兴化湾样机试验风电场（图4）工程海域水深约5-16m，以浅覆盖层地质为主，基岩面埋深较浅。项目总装机容量7.74万千瓦，安装7种不同厂家的机型，单机容量在5.0-6.7MW。该场址采用大直径直高桩承台基础。
它为我国海上风电采用的最主要基础型式之一。单桩基础结构相对简单，主要采用大型沉桩设备将一根钢管桩打入海床。在钢管桩上设置靠船设施、钢爬梯及平台等，钢管桩顶部通过灌浆或直接通过法兰连接顶部塔筒。单桩基础一般采用单根直径4.5-9.0m钢管桩定位于海底，承受波流荷载及风电机组荷载。为防止桩周冲刷，沿单桩一定范围内进行防冲刷处理。三峡新能源大连市庄河III海上风电场（图5）是我国已建的最北海上风电场，平均水深约20m，以软土地基为主，局部机位有基岩和溶洞存在。该项目总装机容量为30万千瓦，安装3.3MW和6.45MW风电机组，该场址主要以单桩基础为主，由于受海冰影响，基础安装抗冰锥结构。
多脚架结构根据桩数不同可设计成三脚（图6）、四脚等基础，多根桩通过刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体，多脚架结构的刚度大于单桩结构，可以通过调整三脚架来保证中心立柱的垂直度。
龙源电力集团在如东潮间带建设的示范风电场，潮间带涨潮时平均水深只有1.5m，风电场共安装了9个国内风电机组生产厂家的16台海上试验机组，单机容量为1.5-3.0MW，总容量3.2万千瓦。该场址以软土地基为主。该基础借鉴了海洋石油平台的概念，其上部采用桁架式结构，当水深到一定深度后，其刚度较高的特点就能从经济性上反映出来。但导管架结构交叉节点较多，结构建造复杂，结构疲劳敏感性高。三峡新能源阳西沙扒一期30万千瓦海上风电场（图7），场区水深在27-32m之间，共安装55台单机容量5.5MW的风电机组，该场址表层土为软土地基，埋深一定深度后存在基岩。该场址采用了部分导管架基础。
该基础适用于海床为砂性土或软粘土的浅海域，靠负压进行安装，靠自重及筒侧阻力使基础稳定。基础底部为吸力筒结构，负压筒沉放于海床面后进行抽水和抽气，其对负压筒沉放就位、调平、密封、纠偏等技术要求较高。三峡新能源响水20万千瓦海上风电项目（图8），场区水深8-12m。共安装37台单机容量为4MW风电机组和18台单机容量为3MW风电机组。该场址以软土地基为主，并在风电场内运用了两台吸力筒试验基础。重力式基础主要依靠自重来抵抗风荷载和波浪荷载产生的作用力，维持稳定，重力式基础对表层土地基承载力要求较高。该结构可靠，在合适水深条件下，经济性较好。重力式风电机组基础施工所需的设备类似于重力式码头中的沉箱码头，国内有许多企业有着丰富的沉箱式码头施工经验，不存在相关的技术障碍。目前国内海上风电场还没有建设完成的重力式基础，但是相关的研究和试验都在开展。漂浮式基础属于柔性支撑结构（图9），主要包括锚索、锚定地点、浮箱或压载箱。漂浮式基础和锚泊系统的设计在满足性能稳定的同时，必须兼顾整个系统的设计成本。就经济性而言，半潜式基础是利用载重水线面面积通过分布浮力来获得复原力矩，结构简单，而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，经济性较好；张力腿基础看似结构简单，成本较低，但是由于结构产生远大于结构自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力与预张力平衡，预张力作用在锚泊系统上，使锚索时刻处于张拉的绷紧状态，将会造成锚泊系统和锚固基础形式设计的复杂性。国内漂浮式基础大都处于研发阶段，目前中国三峡上海勘测设计研究院有限公司正在开展漂浮式基础的施工图设计，有望2021年实现我国第一台漂浮式样机下海。海上风电平价时代的即将到来，必将对基础优化设计提出越来越高的要求。基础优化除了基于合理的基础选型外，设计的方法和规范支撑也是关键因素。相信，随着多年来我国在海上风电建设中积累的大量现场资料和经验，必能有效地支撑基础设计，将我国的海上风电建设得更好。文：北京鉴衡认证中心有限公司张宇
自我国第一个大型海上风电场——上海东海大桥项目2010 年建成以来，海上风电在中国的发展已迈入第10 个年头。鉴衡认证作为国内最早开展风电认证检测的第三方机构，一直致力于引入国际经验与评价模式，为国内海上风电发展提供优质的支撑性服务。海上风电项目面临前所未有的挑战，尤其是当面临国内台风、海床地质等特殊环境条件时，很多风险在国内项目中还没有完全暴露，相关研究也十分有限。因此，即使在陆上风电领域开展了多年的第三方工作，鉴衡认证也一直对海上风电技术保持敬畏，尤其是在海上风电基础与风电机组本身属于不同专业领域，它与风电机组的一体化设计技术仍需要很多深入研究。在参与上海东海大桥项目的设计评估之后，鉴衡认证致力于提升自身能力，并广泛投身于国际合作，拓展视野，为未来提供更有价值的服务积蓄力量。下面，将总结近几年鉴衡认证在海上风电基础分析方面开展的部分工作。| 上海东海大桥海上风电场设计评估 (2007-2010年)
上海东海大桥是我国第一个大型海上风电场，鉴衡认证作为基础设计评估方参与了该项目，这也是国内首次开展此类工作，涉及场址条件评价、一体化载荷计算评估和基础结构评估三个方面内容，最终为该项目颁发了国内首张海上风电场基础设计评估符合证明。在该项目中，鉴衡认证不仅为海上风电机组和基础建模计算能力奠定了基础，也在一些具体问题上积累重要经验：包括研究了国外很少采用的高桩承台建模方法，创新完成了等刚度和等模态的建模计算；探讨了莫里森方程对于大直径高桩承台水动力计算的适用性分析，在评价中增加绕射效应的波浪力修正方式；完成了高桩承台、桩基与连接部分的全面独立第三方仿真。对于鉴衡认证而言，上海东海大桥项目是具有里程碑意义的项目，既让我们切身体会到海上风电基础一体化建模仿真和风浪耦合的重要性，是一次难得的实践机会，也让我们深刻认识到海上风电技术的复杂程度，以及需要努力的方向，为之后下定决心，加大投入，参与到国际项目合作中提供了强大动力。| 国际能源署OC4项目（2010-2014年）
在上海东海大桥项目中的尝试和探索，让我们深刻地认识到，风电机组和基础结构的动力学和水动力学仿真计算的可靠性，在海上风电基础设计中至关重要。国内要想在这一领域提供有价值的评价服务，拥有足够的自信，必须加强这方面的能力建设。因此，自2010年起，鉴衡认证参与了国际能源署（IEA）的OC4项目（IEA Task30，Offshore Code Comparison Collaboration Continuation）。该项目是OC3（Offshore Code Comparison Collaboration) 的延续，致力于比较全球参与海上风电结构仿真计算的各个机构的建模仿真一致性，通过背靠背的计算，明确各方差异，并寻找原因，积累经验。（1）背靠背完成风电机组和导管架型海上基础的系统耦合模拟，比对了所有参与者的计算结果，总结了差异产生的原因和经验。（3）明确了浮力计算和结构附加质量，尤其是水动力附加质量的计算方法。此外，还对导管架型海上风电基础建模的关键技术点和建议进行了总结。（1）背靠背完成一套200m水深的漂浮式海上风电机组的建模仿真，建立了一套用于比对仿真计算结果的设计工况。（2）在这些工况下，通过寻找计算差异原因，总结了漂浮式基础在建模仿真时的技术关键点和一些主要动力学变量的计算经验。共有来自于13个国家的23个机构或大学参与该项目，鉴衡认证是唯一一家来自中国的第三方认证机构。在比对过程中，鉴衡认证在两个方面取得很大收获：一是从技术上强化了海上风电基础一体化建模仿真能力，获得国际最前沿的经验总结，并加深了对海上风电结构一体化设计和水动力仿真的理解；二是通过比对培养了队伍，建立对自身建模能力和计算结果的自信，这对于为国内项目提供建议或评价服务是非常重要的。在该项目中，鉴衡认证与其他机构共同完成了两篇会议论文，并得到发表。| IEA国际能源署OC5项目（2014-2019年）OC5 作为OC4 项目的延续，不再采用仿真之间相互比较的方式，而是把仿真计算与实测结果的比对作为目标。这项工作对于掌握建模仿真与现实的相似关系，积累测试与建模经验至关重要。从2014 年开始，鉴衡认证与来自全球15 个国家的24 家机构一道开展了以下三方面工作 :（1）模型与波浪力试验校准（2014-2015年）。（3）全尺寸海上风电场实测比对（2016-2019年）。该项目也同时吸引了如金风科技、远景能源、明阳智能多家国内企业参与。除获得难得的仿真与测试的比对经验外，鉴衡认证在全程参与该项目的过程中也总结了一些建模计算的关键点：（1）波浪的高阶模型在精确预测结构的水动力载荷过程中必不可少。（2）海上风电机组和基础在结构载荷分析中对叶片的气动模型和控制系统的差异依然非常敏感。（3）系统的结构阻尼不通过测试难以得到准确估计，结构阻尼对仿真载荷计算的影响显著。经过该项目的历练，鉴衡认证进一步增强了对海上风电基础建模仿真能力的信心，这不仅源自能与国际各方机构水平相当的信心，也基于仿真计算与实际结果接近的信心。同时，项目中总结的海上基础结构测试方案，也为指导今后国内测试工作积累了宝贵财富。| 积极参与IEC61400-3与IECRE OD502工作组（2014-2019年），发布《海上风电项目认证实施规则》（2019年）项目认证是IEC自2010年发布的IEC61400-22（现已被IECRE OD501、OD502 替代）标准中已经定制好的认证模式，主要是在机组型式认证基础上，针对具体海上项目所进行的包括勘查、设计和制造安装过程的评价，用于担保海上风电项目的合规投运和长期运营安全。海上风电项目认证最主要参考的是IEC61400-3“海上风力发电机组设计要求” 这个标准，尽管从标题上看，这个标准是面向海上风电机组的，但实际上也是进行基础设计时的重要参考。为借鉴欧洲海上风电开发经验，鉴衡认证自2014年起，一直作为OD502和IEC61400-3的工作组成员，跟踪参与规则的制定工作。目前，项目认证作为海上风电项目重要的风控工具，已经得到国内外多家金融机构的重视，分别与鉴衡认证签订了战略合作协议，希望能为后续的海上风电项目提供支持。鉴衡认证基于多年参与国际合作和规则制定的工作经验，结合对项目认证的理解，于2019年发布了《海上风电项目认证实施规则》，希望借此让行业内更多参与者了解鉴衡认证开展这项工作的具体操作方式。在过去十年国内海上风电迅猛发展的大潮中，鉴衡认证在海上风电基础建模仿真方面苦修内功，不断加深对海上风电基础一体化风浪耦合设计方法的理解，积累力学测试和建模经验。十年磨剑，鉴衡认证投入了大量精力与经费，以匠心精神打磨海上风电基础分析能力，希望随着行业对海上风电风险认识的提高，可以将这些经验回馈到国内的海上风电项目中。来源：《风能》杂志
本篇为《风能》杂志2020年02期封面故事专题——海上风电开发基础选型先行的Part 8、Part 9，点击下方链接查看Part 1-Part 7
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