海上风机半潜式基础设计关键技术探讨

海上风机半潜式基础设计关键技术探讨

贾法勇1秦明1王建峰1吴永祥1唐友刚2

1.国电联合动力技术有限公司北京100039

2.天津大学天津300072

摘要：海上风电资源的开发，促进了世界各国深海风电浮式基础研究工作的深入开展。目前，风电浮式基础设计理论与技术已经成为海上风电领域研究的热点之一。本文针对典型海上风机浮式基础之一半潜式基础，探讨了海上风机半潜式基础的特点，分析了国内外在半潜式基础设计领域的研究现状，指出了海上风机半潜式基础设计中的关键技术问题，可供我国海上风机半潜式基础设计工作参考。

关键词：海上风机半潜式基础关键技术

The Key Technology Discussion to Design for Semisubmersible

Foundation of Offshore Wind Turbine

Jia fayong1, Qinming1, Wang Jianfeng1, Wu Yongxiang1, Tang Yougang2

1. Guodian United Power Technology Company LTD, Beijing 100039

2. Tianjin University, Tianjin 300072

Abstract: The exploitation of offshore wind power has promoted the further development of research on deeper water offshore wind turbine floating foundation in the world. Nowadays, the design theory and technology of floating foundation has been one of the research focus on offshore wind power. In this paper, the character of offshore wind turbine semisubmersible foundation, a type of floating foundation, is discussed, the research status of semisubmersible foundation design in and abroad is analyzed and the key technology of design for semisubmersible foundation is presented, which offers the reference to design on offshore wind turbine semisubmersible foundation in our country.

Key words: Offshore Wind Turbine, Semisubmersible Foundation, Key Technology

0 导语

海上风力资源丰富。通常离岸10 km 的海上风速要比沿岸陆上高出25 ％[1]，深海区域的风力资源比近海区域更为丰富。据统计，美国海域在水深60～900 m处的海上风力资源达到1 533 GW，而近海0～30 m的水域只有430 GW[2]。据国家发展和改革委员会能源研究所等机构的研究，中国近海10 m、20 m和30 m水深以内的海域风能资源分别约为1×108kW、3×108kW和4.9×108kW。按比例计算，深海60～900 m处的海上风能资源将约有l7.4×108 KW[3]。深海风力发电发展前景广阔。

目前，国内外对海上风电场的开发还限于浅海，基础结构均为固定式基础[4,5]。但随着海上风电开发的深入，深海风电开发将会是一个潜在的巨大市场，一种新型海上风机基础——浮动式基础将得到发展应用。

海上风电机组浮动式基础尚处于初步研究阶段。归纳起来主要有半潜式、Spar型、TLP 型等三大类型[4,5]，见图1。

图1 海上风电浮动式基础

我国目前对Spar型和TLP 型浮动式基础的研究，还有许多关键技术问题没有解决，而对半潜式基础研究较多，技术相对成熟；加之半潜式基础可以安装在相对较浅（50米水深以上）的海域，因此，我们应该首先针对海上风机半潜式基础设计技术开展研究，并在此基础上进行工程示范。

1 半潜式基础结构特点

半潜式基础具体的结构型式很多，目前较常见的半潜式基础结构型式如图2所示，主要由立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊线和锚固基础组成[6,7]，依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线系泊来保证整个风机系统的稳定。半潜式基础吃水少，水线面积大，在运输和安装时具有良好的稳性。

在立柱内设计压载舱，以降低基础重心和提高基础稳性；在立柱下缘设计大尺度的压水板，以增加风电系统的附加质量和阻尼，抑制基础的运动。

系泊线选用锚链悬链线或锚链-钢缆-锚链型式，三角型基础一般采用9根系泊线，采用辐射状形式，从各个方向为基础提供回复力，见图3。

图2 半潜式基础结构型式图3 系泊线布置

2 国内外半潜式基础研究现状

国外对浮式基础的研究起步较早，提出了许多半潜式基础概念模型，见图4。上世纪90年代，WS Atkins公司、伦敦大学与荷兰能源研究基金会共同设计了一种浮筒式风机基础(MUFO)[8]，用一个下部浮筒作为浮体支撑多个风电机组。2003年，荷兰多家公司研究开发了三角平台基础(Triple floater)、四边平台基础(Quadruple floater)、圆台浮体基础(Pill box) [9]。

2006年，挪威开发了三角平台基础（Windsea），在每个立柱上安装一台风机，美国Thomas Zambrano提出了一种三浮体基础Minifloat[10]。2008年，美国海洋创新和技术研究所，联合其他公司，提出了一种叫做Windfloat的海上风机基础型式[11]，进行了模型试验。在2009年欧洲海上风能大会上，Takeshi Ishihara 提出了支撑单个风机的三立柱基础型式，并在日本国家海洋研究所进行了模型试验[12]。

理论研究方面，主要是应用线性波浪理论，预报波流载荷和计算浮式基础运动，而综合考虑气动弹性力和非线性水动力耦合建模的研究还很缺乏。2003年，Henderson 等通过计算叶片的气动弹性荷载和惯性荷载，分析了浮式基础结构运动对风电机组的影响[13]。2006