海上風電場

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人人都知道荷蘭是“風車”之國，小孩堤防的風車陣聞名遐邇，最高的風車建築有5層樓高，當然，全部都是建在陸地上。

在海上的“風車”雖然不算什麼新鮮玩意兒，但在“資源短缺”的大背景下，其存在的必要性是槓槓的，咱們今天來探討一下海上風力發電機（下文簡稱海上風電）。

2019年9月，全球最大的海上風力發電機組Haliade-X 12MW順利安裝在荷蘭鹿特丹港。這臺機組每年將可發電高達6700萬度，比目前任何海上風機多出45％以上，可為多達16000戶家庭供電。

Haliade-X 12MW（MW為兆瓦）是由通用電氣生產的直驅發電機組，總高260米，5個巴黎凱旋門疊起來都沒它高，風輪直徑達

荷蘭陸地上的大風車跟這個“巨無霸”比起來，簡直就是個寶寶。

風能作為最清潔的可再生能源之一，早已受到世界各國的高度重視，雖然這種新能源實際上才存在不到30年。

1991年，位於丹麥Lolland島附近Vindeby低水位海域的海上風力發電廠首次實現11颱風電機組併網運行，這也是世界上第一個海上風電項目。

世界上最大的海上風機，荷蘭Haliade-X 12MW

近年來，風電長期佔據著世界增長最快能源的首位，年均增長率達30%。

海上風電由於擁有更好的風能條件（下文詳述），已由最早商業化發展的歐洲逐步走向全球，在中國的發展也非常迅猛。我國有1.6萬公里海岸線，據中央氣象局統計，“近海水深5～25米範圍的風電潛能有5億千瓦”，換而言之，無盡的風能等著咱們來開發。

《中國海洋工程年報》統計，2018年中國海上風電新增裝機數量436臺，新增裝機容量達到165萬千瓦，累計裝機達到440萬千瓦。2018年新增併網裝機最大單機容量機組功率達到8兆瓦。

Haliade-X 12MW是全球海上風電的“大塊頭”，為方便測試安裝在陸上，實不實用現在還不好說。那麼常用的海上風電“塊頭”有多大呢？中國海裝研究院院長韓花麗介紹說：

“目前在我國海上風電機組中，發電量效果最好的是葉輪直徑171米的H171-5MW風電機組，葉片長度為83.6米，輪轂高度110～130米，單機一年可以發出近2000萬度電。”

中國的H171-5MW海上風機

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海上的自然環境絕對要比陸上惡劣，首先把動輒幾千噸的風機組在海中立起來就夠吃一壺了，海底電纜的敷設也要砸大錢，

先不說狂風大浪有可能會損害風機，年復一年面對潮溼空氣和鹽水的腐蝕，就算是多優質的精鋼也受不了，一旦生鏽，風機的軸承、偏航系統損壞，還要拉回岸邊工廠去維修，有夠折騰的。

那麼為啥歐洲發達國家，還有我國都要花大力氣開發海上風電呢？自然是有利可圖。

海上風電相對於陸上風電的優勢有四個，而且都是碾壓式。

（1）風更大更穩，發電量更高

在陸上一會有風一會沒風的，地形的高低起伏也對風速有很大的減緩作用，不同高度的風速相差很大，會導致風切變大(垂直方向的風速變化)，使得風輪上下受力不均衡，傳動系統容易損壞。

海上風速高、風切邊小、風向改變的頻率低，可以說是風機最喜歡“吃”的風了。

風機的發電功率與風速的三次方成正比，海上的風速比陸上高20%，同等發電容量下，海上風機的年發電量能比陸上高70%。

海上的風，風機最愛“吃”

（2）風機更大，利用率更高

風機的單機發電容量越大，同一塊地方的掃風面積越多，利用風的能量自然更多。但發電機越大，葉片就越長，

現在我國已有8MW的海上風機了，而在陸上一般3MW的風機就算很大了。

（3）不佔地、不擾民

歐洲各國要搞風電的首要原因。國土面積那麼小，還要立那麼一排排龐然大物，風機轉起來噪音也大，當地居民可不是吃素的，分分鐘能把風電開發商告到破產，所以乾脆建海里算了。

（4） 距離用電的人更近

以我國為例，遼闊的大西北建了大量風電場，但當地居民用不了多少電，大部分的電都要通過特高壓、超高壓線路輸送到東南沿海，距離超過兩三千米。相對而言，海上風機都在沿海一兩百公里處，“與客戶的心更靠近”

海上風電某種程度上”碾壓“陸上風電

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Haliade-X 12MW雖然個頭大，但既然是陸上安裝，無非就是採用重型起重機吊裝，操作相對簡單，那麼海上安裝風電機要怎麼操作呢？

咱們先了解一下海上風電機組基礎的常用類型。

水深、水位變動幅度、土層條件、海床坡率與穩定性、水流流速與沖刷、所在海域氣候、風電機組運行要求、靠泊與防撞要求、施工安裝設備能力、預加工場地與運輸條件、工程造價和項目建設週期等諸多因素決定了選擇哪一種類型。

以最直觀瞭解的水深為例，30米以下的中淺水區域常採用重力式（直接沉放），30米以上的深水區域多采用打樁式（單樁或多樁）。

混凝土重力式基礎陸上預製

重力式的原理很簡單，就是風機底下是預製混凝土或鋼結構沉箱，把它沉到海底就完事了。比如我國的6MW風機，帶塔筒的重量大概5000噸左右，在陸上完成組裝後，用起重船（浮吊）把沉箱和風機運到指定位置，完成沉放和連接即可。

採用浮吊連接沉箱和風機

重點說說打樁式，因為在深水區域應用更廣，也是當前世界各國的主流作業方式。

所謂打樁，就是安裝風電機組的樁柱：

將直徑3～8米，厚50～100毫米，重達500～2000噸甚至更大的樁柱，用樁錘強力打擊，插入海下泥中數十米，以支撐海上風電機組（重150～300噸），並承受風壓以及湧浪衝擊。

樁柱安裝不僅需滿足吊高（80～120米左右）、吊重和位置的要求，還要保證樁柱的垂直度，即垂直於海平面（不成文規定：控制在3‰）。

樁打得不好，直接影響風電項目的作業效率和工程質量。

當前，世界各國普遍採用插樁式打樁船（下文簡稱打樁船）作業。

打樁船是一種全新的海洋工程船舶，主要由起重機、船體、樁腿和樁靴、抱樁機以及升降系統等組成，主要用於海上風力發電的打樁作業、風機安裝和樁柱、樁錘等物料附屬設備的運輸。

插樁式打樁船，4條巨大的樁腿尤其明顯

打樁船將起重船、海上作業平臺、運輸船、抱樁機以及生活供給船所具有的各項功能完美地融為一體，便於出海獨立工作。

打樁船都安裝有抱樁機，就是可以根據樁柱大小調節的鋼製“圈圈”，讓樁柱立起來後通過圈圈來固定位置。既然要打樁，船體全過程不能動，過去曾採用拋錨絞車來穩定船體，但這風大浪大的，難以保證船體固定不動，效果極差，於是便發明了插樁式打樁船。

打樁船上的抱樁機

什麼叫插樁式？

簡單來說就是打樁船自帶4～8條几十米長的大直徑（3～4米）樁腿，在到達作業現場後，幾條樁腿直插海底，通過液壓升降裝置使整條打樁船完全或部分露出水面，形成不受波浪影響的穩定平臺，所以打樁船又被稱為自升式平臺。

海上湧浪對打樁船船體的衝擊力可達3000～4000噸，樁腿一般會將船體抬離水面約4～5米，令湧浪從其下方穿過。要將總重量可達2萬噸的大型打樁船（包括外載5000噸）抬起來，不是一件容易的事。

自升式平臺

每隻樁腿插到海底指定位置後，需要經過加載

一種方法是讓船體注水增加自重，但需要具備容積很大的壓載艙，對大型打樁船來說很難實現。常用第二種方法:：對角壓載（同時只壓對角線的兩隻樁腿），對主船體結構有很高要求。

為了滿足樁柱垂直度的要求，必須穩定打樁船，樁腿端部的巨大樁靴需插入泥中（軟質土壤條件下需20～30米）以承受自重，並穩定它在水中的位置。

作業平臺穩定後，船上的重型起重機把樁柱吊起，通過抱樁機固定好位置，便可以用打擊力強大（200～400噸）和頻率高（30～50次/分）的特殊樁錘，把樁柱打進海底。

打樁作業完成

樁柱完成，接下來的工作就是將風電機組和樁柱連接。

上文提及，打樁式分為單樁和多樁基礎，目前來說，單樁因為施工方便、造價較低，是世界各國海上風電基礎最多采用的類型，重點說說這個。

單樁雖然施工簡單，但垂直度控制最難。很好理解，就一根樁柱，稍微歪一點，“差之毫釐，謬之千里”，40層樓高的“大風車”裝上去，豈不是變成比薩斜塔了？為此，工程師們在結構設計中添加了過渡段：

在鋼管樁基礎上部添加了套筒，套筒與基礎以高強度灌漿料連接，上部連接塔筒。這樣的優點是，因打樁出現的垂直度偏差，可以通過調整過渡段來實現整體的垂直度控制。

風電機組和樁柱連接

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好了，安裝好“大風車”，是不是萬事大吉了呢？沒那麼簡單。

打樁船在完成了打樁和吊裝風機作業後，需要拔出被泥砂覆蓋的樁靴，才能返航，這是最重要的一步，也是打樁船最要命的缺點所在。

打樁船的樁腿直徑為4米左右，但為了穩定萬噸級的船體並達成自升，插入泥中的樁靴面積至少為100平米。按照最常見的4條樁腿來算，跟樁靴相比，兩者截面的面積相差超過6倍。

拔樁時，樁靴上覆蓋的十幾米砂土重量會帶來巨大的下壓力，同時還要克服這些土體與周圍土體相互間的摩擦和粘附載荷，以及樁靴底部上拔時產生的負孔隙水壓形成的吸附力和粘聚力，需要極為巨大的拔起力。

舉個例子，每隻樁腿插入土體20米

不順利的話，拔樁需數日、1～2周或以上。更有甚者，千方百計仍拔不出，只好整隻樁腿割掉。

巨大樁靴示意圖，“拔樁難上青天”

有什麼辦法能解決惱人的拔樁問題呢？

2017年，上海振華重工公司在請教了海上地質專家、海上風浪湧方面專家、曾設計海上座底建築物的專家等行業人士後，結合公司曾設計製造多艘插樁式打樁船的經驗，設計了一艘取消樁靴的“新型座底自升式打樁船”。

座底是指打樁船的下船體是一個具有巨大排水量的鋼製中空浮體，同樣和樁腿相連，作業時坐在水下泥面上，通過改變浮體內水量，還能調節對泥面的載荷，適用於多種土質。

更重要的是，無需壓樁和拔樁，工作效率將可提高一倍以上，大大提高了我國海上風電項目的市場競爭力和經濟效益。

“新型座底自升式打樁船”是世界首創，厲害了我的國，點贊！

新型無樁靴的座底自升式打樁船示意圖

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關鍵字: 歐洲 能源 新能源