一天時間 怎么把風力發(fā)電機“種”到海底

海上風機在岸邊進行吊裝與調(diào)試受訪單位供圖

5—7倍

該成果已實現(xiàn)一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時間，加上整機運輸?shù)臅r間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機提升了5到7倍，解決了海上風電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。

在江蘇海域，一排排整齊的“大風車”——海上風力發(fā)電機(以下簡稱風機)，正有條不紊地為能源經(jīng)濟發(fā)展和百姓的生活提供源源不斷的動力。這些“大風車”均采用“種樹式”的一體化安裝建造技術(shù)，整機浮運，平穩(wěn)地“植”在海上。

這項我國原創(chuàng)的新技術(shù)來自天津大學建筑工程學院教授練繼建帶隊研究的“海上風電新型筒型基礎(chǔ)與高效安裝成套技術(shù)”研究項目(以下簡稱風電項目)。為了實現(xiàn)海上資源的最大化利用，該項目突破多項技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了海上風電高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、規(guī)?；ㄔ斓哪繕?，研究成果已成功應(yīng)用于響水、大豐等風電場。該成果獲發(fā)明專利授權(quán)101項，核心技術(shù)獲美日歐盟發(fā)明專利，團隊主編國家、行業(yè)標準2部，發(fā)表論文150余篇，并獲得2020年度天津市科學技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明特等獎。

“造樹根”：筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)實

我國近海海域風能資源豐富，50米水深內(nèi)可開發(fā)量超過5億千瓦(kW)。“但是在我國近海海域安裝海上風機難度可不小。”風電項目課題組的劉潤教授介紹，“我們不光要解決海上風電開發(fā)施工窗口期短的問題，還面臨海上強臺風、軟地基等挑戰(zhàn)。”

要想讓海上風機穩(wěn)穩(wěn)地“站”在海里，經(jīng)受得住風浪的洗禮，首先整體的結(jié)構(gòu)、建造方式等都要適合我國海域的情況。

而傳統(tǒng)移植自歐洲的單樁、多樁導管架海上風電技術(shù)施工周期長、建造安裝成本高。

練繼建團隊經(jīng)過多年的研究積累，開創(chuàng)性地發(fā)明了巨型多分艙海上風電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系，團隊還首創(chuàng)了工廠化批量預(yù)制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和“種樹式”安裝風機的建造方式，以及提出新型筒型基礎(chǔ)頂蓋—筒壁—土體聯(lián)合承載模式。

“傳統(tǒng)的海上風機都是先裝基礎(chǔ)，再把風機塔筒、風機機頭吊進去進行分部安裝。”風電項目課題組的王海軍教授介紹，而我們發(fā)明的這種新型的結(jié)構(gòu)不僅可以在岸邊預(yù)制，還可以帶著風機一起像種樹一樣直接在海上進行安裝，節(jié)省了大量的施工費用，降低總造價15%—20%。

“其實說起來原理很簡單，海上風機由風機基礎(chǔ)、風機塔筒、風機機頭和風機葉片四個部分組成。”劉潤解釋，就像家用落地風扇一樣，風機基礎(chǔ)相當于落地扇的底托，托著塔筒、機頭和葉片轉(zhuǎn)動。寬淺型的基礎(chǔ)相當于增大了落地扇的底盤，有利于抵抗上部結(jié)構(gòu)因強臺風而產(chǎn)生的巨大力矩荷載。

“運大樹”：拖船整體浮運，高效

風機基礎(chǔ)、塔筒、機頭和葉片整體在岸上組裝好后，下一步就是要把樹運到需要栽種的海域了。

“傳統(tǒng)的海上風機安裝建造，一般是由運輸船舶將零部件運輸?shù)胶Ｉ辖ㄔ斓奈恢?，分部施工安裝，完成整機調(diào)試。而這樣一套安裝流程，至少需要5天才能完成，有時候遇到強臺風，甚至時間更長。”王海軍介紹，“海上施工窗口期十分寶貴，為了提高海上風機安裝效率，需要把組裝好的海上風機直接運送到位。”

海上風大浪急，而海上風機又高又細，如何減少運輸中的晃動，更穩(wěn)定地把這個龐然大物平安送達?通過反復(fù)嘗試，練繼建團隊首創(chuàng)了海上風電基礎(chǔ)—塔筒—風機整體浮運新技術(shù)，建立了筒型基礎(chǔ)浮穩(wěn)性與分艙優(yōu)化分析方法，發(fā)明了船下氣浮頂托風機整體浮運技術(shù)。同時提出船—筒姿態(tài)和水封安全控制指標，攻克了風浪流與船舶—氣浮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)—風機多體耦合動力安全與性態(tài)控制難題。

運用了這種技術(shù)的運輸安裝船，成功實現(xiàn)了海上風機的整機一步式運輸，讓風機整體穩(wěn)穩(wěn)地運輸?shù)轿?。而且由于海上風機從運輸?shù)绞褂枚伎梢员３滞瑯拥淖藨B(tài)，因此最大限度降低了風機各組成部分的損壞。

“種樹”：筒型基礎(chǔ)分艙，穩(wěn)定

一切準備就緒，準備開始“種樹”。

在平地上把樹筆直地栽到土里并不是件容易的事情，而把漂浮在海上的風機筆直地“栽到”海底更是難上加難。

練繼建團隊發(fā)明了筒型基礎(chǔ)整體沉放和精細調(diào)平控制技術(shù)，這項技術(shù)通過分艙來達到效果。“合理地分艙可以提高筒型基礎(chǔ)氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性，有利于施工下沉和精細調(diào)平。”王海軍介紹，通過精確計算，精準地給每個倉施加相應(yīng)的壓力，就可以使海上風機垂直地扎到海底了。

據(jù)介紹，目前海上風機結(jié)構(gòu)筒型基礎(chǔ)，大致分為三種形式：單筒型，多筒型(三筒或四筒)和的單筒多艙復(fù)合型，由項目組研制的巨型多分艙海上風電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系就屬于單筒多艙復(fù)合型。

為了保證這項技術(shù)安全地投入使用，團隊還提出風浪流作用下筒型基礎(chǔ)—塔筒—風機水中整體沉放姿態(tài)與安全性控制方法;揭示了筒型基礎(chǔ)入土沉放過程中筒—土—滲流耦合作用與減阻機理，提出沉放阻力計算方法與減阻措施;發(fā)明了基于分倉壓力差—傾角—滲流—屈曲聯(lián)合測控的筒型基礎(chǔ)沉放精細調(diào)平控制技術(shù)與裝備。

據(jù)了解，目前該成果已實現(xiàn)一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時間，加上整機運輸?shù)臅r間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機方式提升了5到7倍，解決了海上風電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。

“我們稱目前這套技術(shù)為1.0版，已逐步應(yīng)用在江蘇海域。不久的將來，我們還會出2.0版、3.0版……進一步節(jié)省海上作業(yè)時間，降低生產(chǎn)、運輸和安裝成本，使這項技術(shù)在更多的海域更廣泛地使用。”王海軍對未來充滿信心。

21世紀是海洋的世紀，誰擁有海洋，誰就擁有未來。與大陸經(jīng)濟相比，海洋經(jīng)濟有著巨大潛力，發(fā)展藍色經(jīng)濟是必然趨勢。海上風電作為一種潛力清潔能源，對于我國實現(xiàn)雙碳目標也具有十分重要的意義。王海軍表示：“由于海上工程存在軟地基，使海上風電面臨建造成本高等棘手的挑戰(zhàn)，而國內(nèi)新能源行業(yè)也從過去補貼政策主導走向市場競爭推動的局面。在此背景下，降成本也將是我們要研究的重要課題。”