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近幾年，全球海上風電的規模化開發速度明顯加快。歐洲風能協會（WindEurope）公佈的數據顯示，2019年，歐洲海上風電新增裝機容量達到創紀錄的362.3萬千瓦，較2018年增長19.6%，累計裝機容量為2207.2萬千瓦。歐洲之外，中國迅速成為新的增長引擎。根據國家能源局統計，2019年，我國新增海上風電裝機198萬千瓦，累計裝機容量達到593 萬千瓦。
中廣核廣東陽江南鵬島海上風電場
當下，我國海上風電依然處於規模化開發的初期，不僅面臨著產業鏈尚未完全成熟導致的種種風險，也承受著補貼退坡帶來的降本壓力。在這種情況下，為了保障項目安全、高效地開發與運營，業界必須將各個環節的工作做得更加精細。這其中就包括風電機組基礎結構的選型。
基礎為風電機組提供至少25年的關鍵支撐，在遭受風載荷、風電機組運行載荷以及波浪、海流等載荷作用的同時，還經受著海上惡劣環境的嚴酷考驗。同時，在海上風電場的總投資中，基礎成本佔20%-30%，遠高於陸上風電場的同類比重。因此，在深入分析不同海上風電機組基礎結構特點，風電場所處海域的地質、風能資源、海洋水文等環境條件的前提下，合理的基礎選型，是推動海上風電成本下降、保障風電機組長期安全運行的主要途徑之一。
本期“封面故事”聚焦於目前幾類主流的海上風電機組基礎型式，圖文並茂地全面展示各類技術的發展歷程、應用現狀、技術特點、施工工藝要求、適用條件等，希望能夠為業界在開展海上風電機組基礎結構選型時提供參考。
目錄
Part 1 單樁基礎
Part 2多樁承臺基礎
Part 3重力式基礎
Part 4多腳架式基礎
Part 5導管架基礎
Part 6吸力筒基礎
Part 7漂浮式基礎
Part 8 海上風電基礎特點及中國海域的適用性分析
Part 9 鑑衡認證以匠心精神打磨海上風電基礎分析能力
本篇為《風能》雜誌2020年02期封面故事專題——海上風電開發基礎選型先行的Part 8、Part 9，點擊下方鏈接查看Part 1-Part 7⏬🔗《風能》雜誌 | 海上風電開發基礎選型先行（一）
海上風電基礎特點
及中國海域的適用性分析
文：上海勘測設計研究院有限公司 黃俊
| 概況
海上風電作為可再生能源發展的關鍵方向，我國將其劃入戰略性新興產業的重要組成部分。我國第一座海上風電場——上海東海大橋海上風電場從2010 年實現併網發電至今，已經安全運行10年。10年間，風電機組單機容量逐漸增加（從3MW到10MW），建設場址從灘塗到近海，已經開始走向深遠海。中國海上風電的大規模開發建設帶動了相關產業鏈發展，反之，產業鏈的發展又推動著風電技術的不斷創新和升級。
| 中國海域特點
雖然我國擁有的海上風能資源豐富，但是颱風、海冰、地震、軟土地質、基岩等，也給設計和建設帶來巨大難度。可以說，中國海上風電的建設條件最複雜，最具有挑戰性。
一、風能資源
我國沿海地區大部分近海海域90m高度的年平均風速在7-8.5m/s之間，適合大規模開發建設海上風電場。特別是臺灣海峽，年平均風速基本在7.5-10m/s之間，局部區域的年平均風速可達10m/s以上。然而，我國的福建、廣東、臺灣地區每年都要經歷多場颱風，陣風風速可超70m/s，高風速必然對風電機組、基礎提出高要求。
二、海洋水文
我國北方海域冬天海面結冰，這除了對結構的材料性能提出更高要求外，海冰長期作用在結構上，還會引起冰激振動，從而降低結構的安全使用壽命。通常，安裝於該海域的設施需要設置專用的抗冰措施（圖1）。
我國南方海域受颱風影響，常伴隨著大風大浪，部分海域的最大波高超過20m，不僅極大影響海洋結構物的安全性，同時也影響海上運維工作。
三、工程地質
我國沿海地區地質主要以軟土地基為主（以江蘇和上海地區為代表）。雖然在該地質條件下建設海上風電項目時，海上施工難度低，但表層土承載能力較差，導致基礎結構工程量增加。另外，隨著近年福建和廣東海上風電的大力開發，業界認識到，該區域除了風能資源好外，也存在臺風和大區域的淺覆蓋層地質（以福建興化灣、福建莆田、廣東南澳和陽江等海域為代表）。淺覆蓋層地質意味著基礎樁基需要嵌巖施工（圖2），或是必須採用新型的淺基礎型式。
綜上所述，中國海域的海上風電建設條件遠比歐洲複雜。針對中國海上風電場的建設特點，選擇合理的基礎型式十分重要。
| 基礎特點與運用
基礎是海上風電最關鍵結構之一，合理的基礎型式不僅能提升項目收益率，促進施工高效性，同時也能保證項目的安全性和可靠性。當然，基礎選型除與建設場址的海域特點密切相關，還應考慮船機設備、單位建造能力。
一、基礎型式
基礎型式按照受力特點主要分為樁基礎、淺基礎和柔性基礎，主要類型見表1。
在明確風電場的水深和地質條件等基本情況後，便可對風電機組基礎進行初步選型，見表2。
二、基礎特點與運用1. 高樁承臺基礎
該基礎由基樁和混凝土承臺組成，剛度較大，抗水平荷載性能較好，適用於中等水深且對海床地質條件要求不高的條件。其採用傳統的港口工程施工設備和施工工藝、施工難度較小，大多數海上施工單位都有能力施工。
我國第一座海上風電場⸺上海東海大橋海上風電場（圖3）位於東海大橋東側的東海海域，工程海域水深9.9-11.9m，以軟土地基為主，該項目總裝機容量為20.4萬千瓦，安裝3.0MW和5.0MW風電機組。基於當時的施工設備能力，該場址採用斜高樁承臺基礎。
福建興化灣樣機試驗風電場（圖4）工程海域水深約5-16m，以淺覆蓋層地質為主，基岩面埋深較淺。項目總裝機容量7.74萬千瓦，安裝7種不同廠家的機型，單機容量在5.0-6.7MW。該場址採用大直徑直高樁承臺基礎。
2. 單樁基礎
它為我國海上風電採用的最主要基礎型式之一。單樁基礎結構相對簡單，主要採用大型沉樁設備將一根鋼管樁打入海床。在鋼管樁上設置靠船設施、鋼爬梯及平臺等，鋼管樁頂部通過灌漿或直接通過法蘭連接頂部塔筒。單樁基礎一般採用單根直徑4.5-9.0m鋼管樁定位於海底，承受波流荷載及風電機組荷載。為防止樁周沖刷，沿單樁一定範圍內進行防沖刷處理。
三峽新能源大連市莊河III海上風電場（圖5）是我國已建的最北海上風電場，平均水深約20m，以軟土地基為主，局部機位有基岩和溶洞存在。該項目總裝機容量為30萬千瓦，安裝3.3MW和6.45MW風電機組，該場址主要以單樁基礎為主，由於受海冰影響，基礎安裝抗冰錐結構。
3. 多腳架式基礎
多腳架結構根據樁數不同可設計成三腳（圖6）、四腳等基礎，多根樁通過剛架與中心立柱連接，風電機組塔架連接到立柱上形成一個結構整體，多腳架結構的剛度大於單樁結構，可以通過調整三腳架來保證中心立柱的垂直度。
龍源電力集團在如東潮間帶建設的示範風電場，潮間帶漲潮時平均水深只有1.5m，風電場共安裝了9個國內風電機組生產廠家的16臺海上試驗機組，單機容量為1.5-3.0MW，總容量3.2萬千瓦。該場址以軟土地基為主。
4. 導管架基礎
該基礎借鑑了海洋石油平臺的概念，其上部採用桁架式結構，當水深到一定深度後，其剛度較高的特點就能從經濟性上反映出來。但導管架結構交叉節點較多，結構建造複雜，結構疲勞敏感性高。
三峽新能源陽西沙扒一期30萬千瓦海上風電場（圖7），場區水深在27-32m之間，共安裝55臺單機容量5.5MW的風電機組，該場址表層土為軟土地基，埋深一定深度後存在基岩。該場址採用了部分導管架基礎。
5. 負壓（吸力）筒基礎
該基礎適用於海床為砂性土或軟粘土的淺海域，靠負壓進行安裝，靠自重及筒側阻力使基礎穩定。基礎底部為吸力筒結構，負壓筒沉放於海床面後進行抽水和抽氣，其對負壓筒沉放就位、調平、密封、糾偏等技術要求較高。
三峽新能源響水20萬千瓦海上風電項目（圖8），場區水深8-12m。共安裝37臺單機容量為4MW風電機組和18臺單機容量為3MW風電機組。該場址以軟土地基為主，並在風電場內運用了兩臺吸力筒試驗基礎。
6. 重力式基礎
重力式基礎主要依靠自重來抵抗風荷載和波浪荷載產生的作用力，維持穩定，重力式基礎對錶層土地基承載力要求較高。該結構可靠，在合適水深條件下，經濟性較好。重力式風電機組基礎施工所需的設備類似於重力式碼頭中的沉箱碼頭，國內有許多企業有著豐富的沉箱式碼頭施工經驗，不存在相關的技術障礙。目前國內海上風電場還沒有建設完成的重力式基礎，但是相關的研究和試驗都在開展。
7. 漂浮式基礎
漂浮式基礎屬於柔性支撐結構（圖9），主要包括錨索、錨定地點、浮箱或壓載箱。漂浮式基礎和錨泊系統的設計在滿足性能穩定的同時，必須兼顧整個系統的設計成本。就經濟性而言，半潛式基礎是利用載重水線面面積通過分佈浮力來獲得復原力矩，結構簡單，而且生產工藝成熟，單位吃水成本較低，經濟性較好；張力腿基礎看似結構簡單，成本較低，但是由於結構產生遠大於結構自重的浮力，浮力抵消自重後的剩餘浮力與預張力平衡，預張力作用在錨泊系統上，使錨索時刻處於張拉的繃緊狀態，將會造成錨泊系統和錨固基礎形式設計的複雜性。
國內漂浮式基礎大都處於研發階段，目前中國三峽上海勘測設計研究院有限公司正在開展漂浮式基礎的施工圖設計，有望2021年實現我國第一臺漂浮式樣機下海。
| 小結
海上風電平價時代的即將到來，必將對基礎優化設計提出越來越高的要求。基礎優化除了基於合理的基礎選型外，設計的方法和規範支撐也是關鍵因素。相信，隨著多年來我國在海上風電建設中積累的大量現場資料和經驗，必能有效地支撐基礎設計，將我國的海上風電建設得更好。
鑑衡認證以匠心精神
打磨海上風電基礎分析能力文：北京鑑衡認證中心有限公司張宇
自我國第一個大型海上風電場——上海東海大橋項目2010 年建成以來，海上風電在中國的發展已邁入第10 個年頭。鑑衡認證作為國內最早開展風電認證檢測的第三方機構，一直致力於引入國際經驗與評價模式，為國內海上風電發展提供優質的支撐性服務。海上風電項目面臨前所未有的挑戰，尤其是當面臨國內颱風、海床地質等特殊環境條件時，很多風險在國內項目中還沒有完全暴露，相關研究也十分有限。因此，即使在陸上風電領域開展了多年的第三方工作，鑑衡認證也一直對海上風電技術保持敬畏，尤其是在海上風電基礎與風電機組本身屬於不同專業領域，它與風電機組的一體化設計技術仍需要很多深入研究。在參與上海東海大橋項目的設計評估之後，鑑衡認證致力於提升自身能力，並廣泛投身於國際合作，拓展視野，為未來提供更有價值的服務積蓄力量。下面，將總結近幾年鑑衡認證在海上風電基礎分析方面開展的部分工作。
| 上海東海大橋海上風電場設計評估 (2007-2010年)
上海東海大橋是我國第一個大型海上風電場，鑑衡認證作為基礎設計評估方參與了該項目，這也是國內首次開展此類工作，涉及場址條件評價、一體化載荷計算評估和基礎結構評估三個方面內容，最終為該項目頒發了國內首張海上風電場基礎設計評估符合證明。
在該項目中，鑑衡認證不僅為海上風電機組和基礎建模計算能力奠定了基礎，也在一些具體問題上積累重要經驗：包括研究了國外很少採用的高樁承臺建模方法，創新完成了等剛度和等模態的建模計算；探討了莫里森方程對於大直徑高樁承臺水動力計算的適用性分析，在評價中增加繞射效應的波浪力修正方式；完成了高樁承臺、樁基與連接部分的全面獨立第三方仿真。
對於鑑衡認證而言，上海東海大橋項目是具有里程碑意義的項目，既讓我們切身體會到海上風電基礎一體化建模仿真和風浪耦合的重要性，是一次難得的實踐機會，也讓我們深刻認識到海上風電技術的複雜程度，以及需要努力的方向，為之後下定決心，加大投入，參與到國際項目合作中提供了強大動力。
| 國際能源署OC4項目（2010-2014年）
在上海東海大橋項目中的嘗試和探索，讓我們深刻地認識到，風電機組和基礎結構的動力學和水動力學仿真計算的可靠性，在海上風電基礎設計中至關重要。國內要想在這一領域提供有價值的評價服務，擁有足夠的自信，必須加強這方面的能力建設。
因此，自2010年起，鑑衡認證參與了國際能源署（IEA）的OC4項目（IEA Task30，Offshore Code Comparison Collaboration Continuation）。該項目是OC3（Offshore Code Comparison Collaboration) 的延續，致力於比較全球參與海上風電結構仿真計算的各個機構的建模仿真一致性，通過背靠背的計算，明確各方差異，並尋找原因，積累經驗。
在OC4項目中，鑑衡認證主要完成以下任務：
1. 第一階段（2010-2012年）
（1）背靠背完成風電機組和導管架型海上基礎的系統耦合模擬，比對了所有參與者的計算結果，總結了差異產生的原因和經驗。
（2）通過分析總結了局部結構動力學的重要性。
（3）明確了浮力計算和結構附加質量，尤其是水動力附加質量的計算方法。
此外，還對導管架型海上風電基礎建模的關鍵技術點和建議進行了總結。
2. 第二階段（2012-2014年）
（1）背靠背完成一套200m水深的漂浮式海上風電機組的建模仿真，建立了一套用於比對仿真計算結果的設計工況。
（2）在這些工況下，通過尋找計算差異原因，總結了漂浮式基礎在建模仿真時的技術關鍵點和一些主要動力學變量的計算經驗。
共有來自於13個國家的23個機構或大學參與該項目，鑑衡認證是唯一一家來自中國的第三方認證機構。在比對過程中，鑑衡認證在兩個方面取得很大收穫：一是從技術上強化了海上風電基礎一體化建模仿真能力，獲得國際最前沿的經驗總結，並加深了對海上風電結構一體化設計和水動力仿真的理解；二是通過比對培養了隊伍，建立對自身建模能力和計算結果的自信，這對於為國內項目提供建議或評價服務是非常重要的。
在該項目中，鑑衡認證與其他機構共同完成了兩篇會議論文，並得到發表。
| IEA國際能源署OC5項目（2014-2019年）
OC5 作為OC4 項目的延續，不再採用仿真之間相互比較的方式，而是把仿真計算與實測結果的比對作為目標。這項工作對於掌握建模仿真與現實的相似關係，積累測試與建模經驗至關重要。從2014 年開始，鑑衡認證與來自全球15 個國家的24 家機構一道開展了以下三方面工作 :
（1）模型與波浪力試驗校準（2014-2015年）。
（2）水箱縮比試驗（2015-2016年）。
（3）全尺寸海上風電場實測比對（2016-2019年）。該項目也同時吸引瞭如金風科技、遠景能源、明陽智能多家國內企業參與。除獲得難得的仿真與測試的比對經驗外，鑑衡認證在全程參與該項目的過程中也總結了一些建模計算的關鍵點：
（1）波浪的高階模型在精確預測結構的水動力載荷過程中必不可少。
（2）海上風電機組和基礎在結構載荷分析中對葉片的氣動模型和控制系統的差異依然非常敏感。
（3）系統的結構阻尼不通過測試難以得到準確估計，結構阻尼對仿真載荷計算的影響顯著。
經過該項目的歷練，鑑衡認證進一步增強了對海上風電基礎建模仿真能力的信心，這不僅源自能與國際各方機構水平相當的信心，也基於仿真計算與實際結果接近的信心。同時，項目中總結的海上基礎結構測試方案，也為指導今後國內測試工作積累了寶貴財富。
| 積極參與IEC61400-3與IECRE OD502工作組（2014-2019年），發佈《海上風電項目認證實施規則》（2019年）
項目認證是IEC自2010年發佈的IEC61400-22（現已被IECRE OD501、OD502 替代）標準中已經定製好的認證模式，主要是在機組型式認證基礎上，針對具體海上項目所進行的包括勘查、設計和製造安裝過程的評價，用於擔保海上風電項目的合規投運和長期運營安全。海上風電項目認證最主要參考的是IEC61400-3“海上風力發電機組設計要求” 這個標準，儘管從標題上看，這個標準是面向海上風電機組的，但實際上也是進行基礎設計時的重要參考。
為借鑑歐洲海上風電開發經驗，鑑衡認證自2014年起，一直作為OD502和IEC61400-3的工作組成員，跟蹤參與規則的制定工作。目前，項目認證作為海上風電項目重要的風控工具，已經得到國內外多家金融機構的重視，分別與鑑衡認證簽訂了戰略合作協議，希望能為後續的海上風電項目提供支持。鑑衡認證基於多年參與國際合作和規則制定的工作經驗，結合對項目認證的理解，於2019年發佈了《海上風電項目認證實施規則》，希望藉此讓行業內更多參與者瞭解鑑衡認證開展這項工作的具體操作方式。
在過去十年國內海上風電迅猛發展的大潮中，鑑衡認證在海上風電基礎建模仿真方面苦修內功，不斷加深對海上風電基礎一體化風浪耦合設計方法的理解，積累力學測試和建模經驗。十年磨劍，鑑衡認證投入了大量精力與經費，以匠心精神打磨海上風電基礎分析能力，希望隨著行業對海上風電風險認識的提高，可以將這些經驗回饋到國內的海上風電項目中。
來源：《風能》雜誌
本篇為《風能》雜誌2020年02期封面故事專題——海上風電開發基礎選型先行的Part 8、Part 9，
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