干货 | 海上漂浮式风机关键技术研究进展

【摘要】[目的]海上漂浮式风机由于不受水深限制且便于运输安装等诸多优点，近年来在欧美日等发达国家得以快速发展。文章针对海上漂浮式风机关键技术和工程案例进行综述分析，以向国内相关研究和工程项目提供技术参考。[方法]首先介绍了海上漂浮式风机发展背景及基本类型，再进一步，分别介绍了其稳性校核技术、系泊与动态海缆技术、水动力特性、气动力特性、一体化计算、模型试验研究、建造与安装技术、工程挑战与案例，最后对浮式风电市场与拓展运用做了相关总结。[结果]通过对海上漂浮式风机各关键技术进行梳理分析，理清了其技术研究现状与未来发展方向。[结论]本文综述了海上漂浮式风机各关键技术现状及相关工程运用案例，现阶段海上漂浮式风机依然面临不少技术挑战和行业发展困境，解决之道需从相关政策激励，技术攻关以及产业链的培育等，以多途径降低浮式风电的工程造价成本，促进浮式风电产业进一步壮大发展。

【关键词】海上浮式风机；稳性校核；一体化技术；动态海缆

【基金】中国能建广东院科技项目“10 MW级半潜型漂浮式海上风机耦合动力特性与安全性评价研究”(EV05241W)；“深远海漂浮式海上风机系统关键技术研究：阶段一”(EV05031W)

【引用】陈嘉豪，裴爱国，马兆荣，庞程燕. 海上漂浮式风机关键技术研究进展[J]. 南方能源建设，2020，7(1)：8-20.

海上漂浮式风机关键技术研究进展

陈嘉豪，裴爱国，马兆荣，庞程燕

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司

引言

由于海上风电通常靠近能源消耗中心且风资源情况优于陆上风电，风电的利用开发正逐渐从陆地转向海洋，正呈现加速发展的态势[1]。但由于近海空间资源有限，海上风电的发展也必然像过去油气工业的发展轨迹，不断地从浅近海走向深远海。相应的，海上风机支撑结构形式也伴随水深变化，从固定式支撑结构到漂浮式支撑结构演变[2]，见图1。

图1 海上风机基础结构随水深演变[2]

1972年，美国马萨诸塞大学安默斯特分校的Heronemus教授[3]首次提出了海上漂浮式风机的技术概念，但限于当时的技术水平和高昂的建设成本，相关技术并未引起广泛关注。按现有的技术条件，当水深超过60 m之后，漂浮式海上风机将比固定式海上风机更具有工程经济性，并随着水深增加而愈加凸显其经济优势[4]。因此，海上漂浮式风机极大地拓展了海上风电的应用范围，并且具有诸多的优势[5]，例如：机位部署更加灵活、可在岸上完成整体组装、海上施工安装更加方便、可完全拆解与迁移、可搭载更大功率的风电机组等。

近年来随着海上风电单机功率大型化和海上风场走向深远海，漂浮式风机技术正成为热点研究方向之一，不断地涌现出新形式，但大体可按照其静稳性原理将之划分为以下四种类型及其综合形式[6]。

立柱式(Spar)：该类型平台的重心设计远低于浮心。当平台发生倾斜时，重心和浮心之间形成回复力偶可抵抗平台的倾斜运动。另外较小的水线面设计，可减小平台垂荡运动，但较大的平台吃水设计导致其工作水深有特定要求，通常大于100 m水深。

半潜式(Semi)：该类型平台在风机倾斜时，可通过分布式的浮筒结构产生较大的水线面变化，进而产生抵抗平台倾斜运动的回复力矩。适用水深通常大于40 m，平台的各方向运动适中，但对低频波浪二阶力较为敏感。其适用水深范围较广，可采用湿拖法运输，部署灵活，技术较为成熟。

张力腿式(TLP)：该类型平台通过垂向下的系泊张力平衡浮体向上的超额浮力，类似“上下绷紧”的结构。因此，具有较好的平台垂向运动性能，但是其安装过程较为复杂，且张力腱结构造价较高，目前国内缺乏相关的制造和施工安装经验。适用水深通常大于40 m，对高频波浪二阶力敏感。

驳船式(Barge)：该类型平台类似于船型，利用平台浮力抵消重力，适应水深通常大于30 m，垂向运动固有频率在一阶波浪频率范围内，故波频响应较为敏感，设计时需要进行平台运动频率优化。结构形式简单，容易制造，稳性较好，可采用湿拖法整体运输，部署灵活且成本较低。

图２ 四种基本的浮式风机类型[7]

这些概念设计大多数以欧洲、美国和日本等沿海发达国家为主。目前国内的海上漂浮式风电的实尺度样机测试和浮式风场建设仍然处于空白阶段。但近些年来，随着我国海上风电行业的快速发展，漂浮式风机技术工程化在我国得到了空前的重视。2016年6月，国家发改委、国家能源局、工信部联合印发《中国制造2025—能源装备实施方案》，提出“重点发展海上漂浮式风力发电机组及各种基础结构”。2016年12月，国家海洋局发布《海洋可再生能源发展“十三五”规划》，要求实施海洋能科技创新发展，明确提出研发深海浮式风电机组，掌握远距离水深的大型海上风电场设计、建设以及运维等关键技术，推进深海风电发展。2018年，广东省海洋渔业厅海洋专项资金支持了“浮式海上风电平台全耦合动态分析及其装置研发”项目。2018年，国家工业和信息化部的高技术船舶课题对“海上浮式风电装备研制”项目进行了科研立项。

本文首先介绍了浮式风机的基本类型，接着分别介绍其稳性校核技术、系泊与动态海缆技术、水动力特性研究现状、气动力特性研究现状、一体化计算研究现状、模型试验研究现状、建造与安装技术、工程挑战与案例，最后对浮式风电市场与拓展运用做了相关展望，以期梳理漂浮式风电关键技术现状，为相关技术研发和工程项目提供参考。

1 关键技术研究进展

1.1 稳性校核研究

海洋工程结构物稳性指的是在其在拖航、安装和使用过程中，结构物所具有的抗倾覆和抗滑移的能力[8]。在海上浮式风机的设计工作中，首要的目标是能够保证其浮式基础的稳性，以保障其在服役的各阶段不发生倾覆性后果。因此，海上浮式风机设计的首要步骤是进行相应的稳性计算与校核。可依据不同阶段，划分为拖航、安装和使用过程的稳性校核。另外，根据浮体是否发生破舱（压载舱）事故，又可以分为完整稳性校核和破舱稳性校核。其中，破舱稳性校核作为事故工况中较危险的情况，设计时需要格外注意。

当前海上漂浮式风机还没有成熟完善的规范指导其稳性计算与校核工作，国内外研究者主要以海洋油气平台的相关规范[9-10]作为浮式风机稳性校核参考。根据现有规范要求，浮体摇摆角度和力矩关系如图3所示。当浮体受到外部倾覆力矩时，从正浮状态逐渐倾斜至第二交点或进水角处的复原力矩曲线下的面积中的较小者，至少应比至同一限定角处的风倾力矩曲线下的面积大30%，且复原力臂在上述的范围内要保持正值和回复力消失角（回复力矩曲线与倾斜轴的第二个交点）大于36度。Henderson等人[5]指出风轮的气动推力乘以塔架高度所得到的风倾力矩是浮式风机进行稳性校核的外力矩。Collu[11]借鉴浮式油气平台的相关规范建立了海上漂浮式风机平台的稳性评价标准和规范体系，研究了浮式风机平台在非运行阶段，如组装、海上拖运和安装等过程的稳性评价标准。Musial等人[5]却指出油气平台和浮式风机的安全等级不同，盲目参考可能会导致设计偏保守。因为油气平台上常驻运维人员，且一旦发生倾覆就极有可能引发石油泄漏和人员伤亡等严重后果，而浮式风机不需要运维人员长期驻扎，其安全等级可以适当降低，稳性校核标准也应该相应地降低。

依据现有的船舶与油气平台设计经验，提高浮式风机的稳性措施，有：降低浮体的重心、增加浮体的干舷、增加浮体的宽度、注意浮体水线以上的开口位置和风雨密性及水密性等。

图3 浮式风机稳性校核曲线

1.2 系泊与动态海缆研究

漂浮式风机作为海上浮式结构物，需要通过系泊系统进行位置和运动的约束。其力学作用机理主要通过系泊材料的变形或悬空重量改变来提供约束张力。系泊系统通常包含绞车、导缆设备、系泊线、锚、重力和浮力套件等组成[12]。

系泊系统

常见的系泊形式如图4所示。对于立柱式、半潜式和驳船式海上漂浮式风机，常采用的是图4左边所示的悬链线式系泊[13]，系泊线通常为钢链结构。钢链由许多链环连接而成，链环分为有档环和无档链环两种，钢链因其制造成本低、工序简单、强度高等优点，成为运用最广泛的系泊材料。系泊线的预张力主要取决于锚链的悬空段，锚链的回复力主要通过锚链悬空段的变化来实现。但是这种系泊方式存在较长的海床平躺段，因此所占据的海床空间较大，重量随着水深增加而急剧增大；为了克服上述问题，有时可采用图4中间所示的伞型张紧式系泊[14]，该系泊线采用钢缆或者其他复合材料。钢缆由钢丝组成，其常见的形式有六股式、螺旋股式、多股式等。同等断裂强度下，钢缆的重量仅为锚链的20%，因此深水系泊系统为了降低系泊重量常采用钢缆系泊。此时系泊线的约束张力主要依赖于缆索的拉伸变形而非悬空段自重，所搭配的海床锚固装置需要承受水平张力之外，还需要承受较大的垂向张力。钢缆成本较钢链高，且材料呈现非线性的力学特征，系泊松弛后重新张紧时，会带来跳跃性的冲击载荷，对缆索强度和疲劳问题带来了较大的威胁。因此，在设计时可结合钢链和钢缆特性进行分段设计，以获得更优的系泊动力性能；对于张力腿式海上漂浮式风机而言，常采用图4右边所示的垂向张力腿系泊[15]，该类型的系泊线常采用合成材料。合成材料在系泊系统上的使用日益频繁，合成纤维材料通常有尼龙（聚酰胺）、聚酯、聚丙烯和聚乙烯等。在同等规格下，合成材料制成的缆绳比重小，耐磨性好，有较大的回复力。但以合成纤维为组成成分的缆绳也有其弊端，如缆绳的轴向刚度随轴向张力作用时间发生变化，容易偏移，也容易打滑而产生蠕变，因此每隔几年需要重新张紧调整。该类型系泊与海床的锚固装置需要承受较大的垂向张力。顶部预张力可通到绞盘进行微调节。由于张紧状态使得张力腿的固有频率较高，当在外界激励作用下，如流体引起的涡激振动和二阶和频波浪力等，都有可能引起张力腿发生高频弹振和颤振问题[16]，继而发生疲劳损伤。

图4 常见系泊形式[18]