海上風電浮式基礎設計關鍵技術介紹（上）
導讀
與固定式基礎相比，海上風機浮式基礎可以移動，并且便于拆除，可安裝在風能更豐富的較深海域，不一定局限在面積有限的淺水大陸架，適用海域范圍遠大于淺海地區。同時，海上風機浮式基礎遠離海岸線的水域安裝，便于消除視覺的影響，并可大大降低噪聲、電磁波對環境的不利影響。此外，在經濟性方面，海上風機浮式基礎未來也有一定的提升潛力。例如可采用集成結構，便于海上安裝程序簡化、降低費用。
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浮式基礎主要特點
近年來國際上提出了多種浮式風機基礎的概念設計方案，主要有單立柱型基礎(Spar)、半潛式型基礎(Semi-sub)和張力腿型基礎(TLP)等，見圖 1。
圖1 三種常見浮式風機基礎
對于主要浮式風機基礎的特點，分述如下：
(1)單立柱型基礎包含浮力艙、壓載艙和系泊系統。浮力艙提供浮力支撐上部結構，壓載艙裝水、碎石或高密度混凝土進行壓載使系統重心位于浮心之下，由系泊固定其位置，使平臺在水中形成“不倒翁”式結構以保證結構的穩定性。單立柱型基礎的吃水深，所受垂向波浪激勵力小，因此，其垂蕩性能好。但單立柱型基礎的水線面積小，其橫搖和縱搖運動較大。
(2)半潛型基礎一般由立柱、橫梁、垂蕩板和系泊系統等結構組成。立柱之間通過橫梁和斜支撐連接形成整體平臺，平臺由系泊鏈固定。立柱內通常分隔成眾多艙室，底部一般安裝有大直徑的垂蕩板以減緩基礎的垂蕩運動。當基礎處于漂浮狀態時，較大的水線面積為系統提供足夠大的復原力矩，使平臺有良好的穩性。
(3)張力腿型基礎由浮式平臺、系泊和上部結構組成。平臺由垂直張力腿連接至海底基座模板、吸力沉箱錨或樁基錨，平臺的設計浮力大于自身重力，多余的浮力由始終處于張緊狀態的張力腿抵消。張緊的系泊能夠有效地控制平臺的位移，因此，該基礎具有良好的垂蕩和搖擺運動特性。但系泊系統的安裝費用高，且其張力受海流影響大，上部結構和系泊系統的頻率耦合易發生共振運動。
(4)其他型式基礎主要有駁船型、混合型等。駁船型基礎具有結構大、浮力分布均勻、穩定性好的特點，但對所在海域環境非常敏感，如美國的NREL/MIT風機和日本的NMRI風機。混合型浮式基礎一般由典型浮式風機組合而成，如Nautica Wind power公司研發的AFT和挪威的Sway都是結合了Spar和TLP浮式基礎的特點。
海上風電系統屬于高聳結構物，水平載荷和垂向載荷數量級相當，水平傾覆力矩作用將會引起浮式基礎大幅搖擺運動甚至傾覆。因此風力發電浮式基礎運行中的主要風險有：
浮式基礎的運動，誘導作用在風輪機上的風速波動將引起風機較大的諧振響應；
海上風機浮式基礎結構的縱搖和橫搖運動，需要控制浮式基礎的搖擺運動；
浮式基礎由系纜定位，極端海洋環境下系泊系統失效；
隨機波浪引起浮式風電系統基礎-塔柱的共振，導致基礎結構或者塔柱疲勞；
沖刷與滲流引起的錨固基礎失效。
通過對風機浮式基礎結構型式的分析和新型浮式基礎結構的概念研究，風機浮式基礎設計步驟應包括：
主尺度設計；
穩性設計；
總布置設計；
水動力分析：包括模型實驗、透平機和船體的水-空氣耦合分析；
系泊錨固系統設計；
結構設計：構件尺寸、桁架和塔柱的強度及疲勞分析等；
施工方案設計。
基于海上風電浮式基礎特點、存在的主要風險及設計步驟，浮式風機基礎有以下需要深入研究的關鍵技術問題。
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關于規范與標準
為了改善海上的安全性,包括海上人員的生命安全、海上結構物的安全,以及平臺工作海域的環境保護。船級社對海洋構造物的設計、建造和檢驗制訂了一系列的標準、準則和規范。不論是總體尺寸規劃、穩性分析還是強度校核，都需要規范與標準的指導，可以說，規范與標準貫穿整個設計過程，甚至在設計之前就需要考慮參考哪種規范。
目前，對于深海風電開發目前還處于方案驗證和小規模開發階段，所以相關研究相對較少，國外在海上風電浮式基礎方面的研究相對多一些，但投入生產的也不多，所以對海上風電浮式基礎還需要更進一步的研究。目前國內海上風機系統設計的相關規范與標準還不成熟，考慮到海上風電浮式基礎與半潛式海洋平臺所處海洋環境相近，而后者在實際工程中已有很多經驗。同時，在風力發電技術和塔架設計方面，陸上風電技術成熟且經驗豐富，因此在海上風電基礎結構設計時大多參考海上固定平臺與陸上風電的相關規范。
但從集中式到分散式海洋浮式平臺不是簡單的相似或者縮尺，目前來說浮式基礎風機排水量約兩千噸，而海洋平臺至少2萬噸，所以從海洋平臺到浮式基礎不是一個從大到小簡單的縮尺，而且很多條件比如海洋環境條件沒有縮尺，如果沒有較好的把控會帶來災難性的設計后果。所以我們可以用模型試驗與數值模擬相結合的方法加以驗證，以減少工程方面的損失。
由于海上浮式風電研究理論尚不成熟，模型試驗研究更是沒有公認的標準規則可循，已經開展的試驗都是參考海洋工程試驗進行簡化模擬，主要研究風力機和浮體相互影響，測量風浪同向條件下系統的三自由度（縱蕩、垂蕩、縱搖）運動響應，某些試驗還測量了塔架和葉片受力。雖然試驗的數量比較有限，且有很多簡化和不足之處，但是每項試驗都在前人研究的基礎上進行了獨特的創新和探索，取得了許多有價值的結果，見下表。
表1 典型海上浮式風機創新點與不足點對比分析表
總之，海上風電浮式基礎的設計可以參照海上固定平臺與陸上風電規范與標準，但它們與浮式基礎還是有所差別。因此盡早制定浮式基礎相關方面的規則標準，不僅有利于浮式基礎的安全設計，也有利于其商業化的運用。而試驗能夠有效的減少工程上不必要的損失，并為規范的制定提供參考。
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