近期，本平臺(tái)隆重推出"精益風(fēng)電"系列技術(shù)專題，全方位解析如何通過(guò)精益思維挖掘海上風(fēng)電技術(shù)潛力，降低平準(zhǔn)化度電成本。

上期，小編給大家介紹了“精益風(fēng)電LEANWIND”項(xiàng)目的概況，本期，我們就來(lái)詳細(xì)介紹下該項(xiàng)目在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)領(lǐng)域的成果。

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)不斷向深遠(yuǎn)海發(fā)展，不但對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)本身，同時(shí)也對(duì)配套的施工建設(shè)船及運(yùn)維服務(wù)船提出了更高的要求。因此，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)及材料本身，還需要同時(shí)考慮其運(yùn)輸、安裝及拆除過(guò)程，以達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

0）研究方向

“精益風(fēng)電LEANWIND”項(xiàng)目將固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化分為兩個(gè)技術(shù)方向——重力式基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并分別進(jìn)行開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)。其中，重力式基礎(chǔ)的研究創(chuàng)新方向是采用浮運(yùn)后壓載的方式取代傳統(tǒng)起重船整體吊裝方式，研究包括了采用該新型基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈、經(jīng)濟(jì)模型等；鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的研究創(chuàng)新方向則是如何更高效、更“精益”地設(shè)計(jì)、制造、安裝導(dǎo)管架基礎(chǔ)和超大直徑單樁基礎(chǔ)。另外，對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)研究方向主要在早期的概念設(shè)計(jì)比較，來(lái)定義哪一種型式（TLP、半潛式、單柱式等）更接近商業(yè)化。

1）超大直徑單樁

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)向深遠(yuǎn)海發(fā)展，單樁基礎(chǔ)作為應(yīng)用最廣泛的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，適用性受到了挑戰(zhàn)。但隨著超大直徑單樁的出現(xiàn)，單樁將可用在更深的海域。目前，已有大直徑單樁在36m水深的應(yīng)用實(shí)例，研究認(rèn)為單樁在歐洲海域的最大適用水深可達(dá)60m。

然而，超大直徑單樁從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)輸、安裝都給目前的行業(yè)提出了更新更高的要求，如大厚度鋼板的卷制和焊接問(wèn)題、開(kāi)發(fā)新的工程船只及施工設(shè)備等。當(dāng)單樁直徑超過(guò)7m時(shí)，需對(duì)現(xiàn)行傳統(tǒng)單樁的設(shè)計(jì)、計(jì)算、建模方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低冗余度及不確定性。

現(xiàn)行的海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)導(dǎo)則主要基于海上油氣行業(yè)的設(shè)計(jì)原則，其主要針對(duì)的是細(xì)樁（直徑在1-2m）的設(shè)計(jì)。對(duì)于海上風(fēng)電應(yīng)用的超大直徑單樁（直徑在5-9m），隨著單樁直徑的增大，其水平承載力增大，結(jié)構(gòu)則更接近于剛體。若考慮這一因素，對(duì)超大直徑單樁進(jìn)行精益化設(shè)計(jì)，則可帶來(lái)成本下降或更大的應(yīng)用水深。

“精益風(fēng)電LEANWIND”項(xiàng)目通過(guò)Plaxis3DFEA軟件對(duì)超大直徑單樁進(jìn)行有限元建模，通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果，并與傳統(tǒng)p-y曲線計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法低估了超大直徑單樁的承載力。其結(jié)果顯示，傳統(tǒng)API解析方法相比Plaix數(shù)值方法會(huì)計(jì)算得到更大的撓度，且隨著單樁直徑增加兩者計(jì)算結(jié)果差距就更大。因此，可以確定，當(dāng)單樁直徑逐步變大時(shí)，采用數(shù)值模型方法的設(shè)計(jì)將帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2）重力式基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)一般需要大型起重船，限制了其應(yīng)用范圍。因此，自浮式重力基礎(chǔ)的概念應(yīng)運(yùn)而生。利用其自浮特性，可采用普通拖船將其拖行至場(chǎng)址后，再進(jìn)行壓載并沉底就位。

自浮式重力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要著重考慮的是其漂浮、運(yùn)輸、壓載的全過(guò)程流體動(dòng)力穩(wěn)定性，因此基礎(chǔ)的幾何屬性將是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，包括基礎(chǔ)形狀、基礎(chǔ)各段相對(duì)高度、水線面面積、內(nèi)部壓載艙布置等。

“精益風(fēng)電LEANWIND”項(xiàng)目通過(guò)參數(shù)化研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)壓載過(guò)程會(huì)極大改變基礎(chǔ)穩(wěn)心高度，是整個(gè)基礎(chǔ)工程中最為關(guān)鍵的階段。另外，基礎(chǔ)的初始吃水深度對(duì)港口選擇提出了限制條件。因此，在可行性設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮：

①壓載艙間隔數(shù)量：增加壓載艙間隔數(shù)量可降低自由液面效應(yīng)，但間隔構(gòu)件也會(huì)增加基礎(chǔ)重量及初始吃水深度

②壓載艙間隔高度：增加壓載艙間隔高度可防止壓載高度超過(guò)間隔高度導(dǎo)致自由液面效應(yīng)顯著提高，但也會(huì)同時(shí)增加基礎(chǔ)重量和初始吃水深度

③基礎(chǔ)整體高度：增高基礎(chǔ)整體高度可提高穩(wěn)心高度，但會(huì)顯著增加基礎(chǔ)重量及初始吃水深度

④基礎(chǔ)直徑：增大基礎(chǔ)直徑可有效減小初始吃水深度，但也會(huì)對(duì)壓載艙間隔件高度產(chǎn)生限制

綜上，自浮式重力基礎(chǔ)的可行性設(shè)計(jì)不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，目前更受限于港口及施工條件。因此，現(xiàn)階段推出相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不成熟，建議根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目綜合考慮各種因素進(jìn)行決策。