海上風(fēng)機(jī)在岸邊進(jìn)行吊裝與調(diào)試受訪單位供圖
5—7倍
該成果已實(shí)現(xiàn)一天一臺(tái)的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時(shí)間，加上整機(jī)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機(jī)提升了5到7倍，解決了海上風(fēng)電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。
在江蘇海域，一排排整齊的“大風(fēng)車”——海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)），正有條不紊地為能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展和百姓的生活提供源源不斷的動(dòng)力。這些“大風(fēng)車”均采用“種樹式”的一體化安裝建造技術(shù)，整機(jī)浮運(yùn)，平穩(wěn)地“植”在海上。
這項(xiàng)我國(guó)原創(chuàng)的新技術(shù)來自天津大學(xué)建筑工程學(xué)院教授練繼建帶隊(duì)研究的“海上風(fēng)電新型筒型基礎(chǔ)與高效安裝成套技術(shù)”研究項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)電項(xiàng)目）。為了實(shí)現(xiàn)海上資源的最大化利用，該項(xiàng)目突破多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、規(guī)模化建造的目標(biāo)，研究成果已成功應(yīng)用于響水、大豐等風(fēng)電場(chǎng)。該成果獲發(fā)明專利授權(quán)101項(xiàng)，核心技術(shù)獲美日歐盟發(fā)明專利，團(tuán)隊(duì)主編國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2部，發(fā)表論文150余篇，并獲得2020年度天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。
“造樹根”：筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)實(shí)
我國(guó)近海海域風(fēng)能資源豐富，50米水深內(nèi)可開發(fā)量超過5億千瓦（kW）。“但是在我國(guó)近海海域安裝海上風(fēng)機(jī)難度可不小。”風(fēng)電項(xiàng)目課題組的劉潤(rùn)教授介紹，“我們不光要解決海上風(fēng)電開發(fā)施工窗口期短的問題，還面臨海上強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、軟地基等挑戰(zhàn)。”
要想讓海上風(fēng)機(jī)穩(wěn)穩(wěn)地“站”在海里，經(jīng)受得住風(fēng)浪的洗禮，首先整體的結(jié)構(gòu)、建造方式等都要適合我國(guó)海域的情況。
而傳統(tǒng)移植自歐洲的單樁、多樁導(dǎo)管架海上風(fēng)電技術(shù)施工周期長(zhǎng)、建造安裝成本高。
練繼建團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的研究積累，開創(chuàng)性地發(fā)明了巨型多分艙海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系，團(tuán)隊(duì)還首創(chuàng)了工廠化批量預(yù)制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和“種樹式”安裝風(fēng)機(jī)的建造方式，以及提出新型筒型基礎(chǔ)頂蓋—筒壁—土體聯(lián)合承載模式。
“傳統(tǒng)的海上風(fēng)機(jī)都是先裝基礎(chǔ)，再把風(fēng)機(jī)塔筒、風(fēng)機(jī)機(jī)頭吊進(jìn)去進(jìn)行分部安裝。”風(fēng)電項(xiàng)目課題組的王海軍教授介紹，而我們發(fā)明的這種新型的結(jié)構(gòu)不僅可以在岸邊預(yù)制，還可以帶著風(fēng)機(jī)一起像種樹一樣直接在海上進(jìn)行安裝，節(jié)省了大量的施工費(fèi)用，降低總造價(jià)15%—20%。
“其實(shí)說起來原理很簡(jiǎn)單，海上風(fēng)機(jī)由風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)塔筒、風(fēng)機(jī)機(jī)頭和風(fēng)機(jī)葉片四個(gè)部分組成。”劉潤(rùn)解釋，就像家用落地風(fēng)扇一樣，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相當(dāng)于落地扇的底托，托著塔筒、機(jī)頭和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。寬淺型的基礎(chǔ)相當(dāng)于增大了落地扇的底盤，有利于抵抗上部結(jié)構(gòu)因強(qiáng)臺(tái)風(fēng)而產(chǎn)生的巨大力矩荷載。
“運(yùn)大樹”：拖船整體浮運(yùn)，高效
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)頭和葉片整體在岸上組裝好后，下一步就是要把樹運(yùn)到需要栽種的海域了。
“傳統(tǒng)的海上風(fēng)機(jī)安裝建造，一般是由運(yùn)輸船舶將零部件運(yùn)輸?shù)胶Ｉ辖ㄔ斓奈恢茫植渴┕ぐ惭b，完成整機(jī)調(diào)試。而這樣一套安裝流程，至少需要5天才能完成，有時(shí)候遇到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，甚至?xí)r間更長(zhǎng)。”王海軍介紹，“海上施工窗口期十分寶貴，為了提高海上風(fēng)機(jī)安裝效率，需要把組裝好的海上風(fēng)機(jī)直接運(yùn)送到位。”
海上風(fēng)大浪急，而海上風(fēng)機(jī)又高又細(xì)，如何減少運(yùn)輸中的晃動(dòng)，更穩(wěn)定地把這個(gè)龐然大物平安送達(dá)？通過反復(fù)嘗試，練繼建團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了海上風(fēng)電基礎(chǔ)—塔筒—風(fēng)機(jī)整體浮運(yùn)新技術(shù)，建立了筒型基礎(chǔ)浮穩(wěn)性與分艙優(yōu)化分析方法，發(fā)明了船下氣浮頂托風(fēng)機(jī)整體浮運(yùn)技術(shù)。同時(shí)提出船—筒姿態(tài)和水封安全控制指標(biāo)，攻克了風(fēng)浪流與船舶—氣浮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)—風(fēng)機(jī)多體耦合動(dòng)力安全與性態(tài)控制難題。
運(yùn)用了這種技術(shù)的運(yùn)輸安裝船，成功實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)機(jī)的整機(jī)一步式運(yùn)輸，讓風(fēng)機(jī)整體穩(wěn)穩(wěn)地運(yùn)輸?shù)轿弧６矣捎诤Ｉ巷L(fēng)機(jī)從運(yùn)輸?shù)绞褂枚伎梢员３滞瑯拥淖藨B(tài)，因此最大限度降低了風(fēng)機(jī)各組成部分的損壞。
“種樹”：筒型基礎(chǔ)分艙，穩(wěn)定
一切準(zhǔn)備就緒，準(zhǔn)備開始“種樹”。
在平地上把樹筆直地栽到土里并不是件容易的事情，而把漂浮在海上的風(fēng)機(jī)筆直地“栽到”海底更是難上加難。
練繼建團(tuán)隊(duì)發(fā)明了筒型基礎(chǔ)整體沉放和精細(xì)調(diào)平控制技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)通過分艙來達(dá)到效果。“合理地分艙可以提高筒型基礎(chǔ)氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性，有利于施工下沉和精細(xì)調(diào)平。”王海軍介紹，通過精確計(jì)算，精準(zhǔn)地給每個(gè)倉施加相應(yīng)的壓力，就可以使海上風(fēng)機(jī)垂直地扎到海底了。
據(jù)介紹，目前海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)筒型基礎(chǔ)，大致分為三種形式：?jiǎn)瓮残停嗤残停ㄈ不蛩耐玻┖偷膯瓮捕嗯搹?fù)合型，由項(xiàng)目組研制的巨型多分艙海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系就屬于單筒多艙復(fù)合型。
為了保證這項(xiàng)技術(shù)安全地投入使用，團(tuán)隊(duì)還提出風(fēng)浪流作用下筒型基礎(chǔ)—塔筒—風(fēng)機(jī)水中整體沉放姿態(tài)與安全性控制方法；揭示了筒型基礎(chǔ)入土沉放過程中筒—土—滲流耦合作用與減阻機(jī)理，提出沉放阻力計(jì)算方法與減阻措施；發(fā)明了基于分倉壓力差—傾角—滲流—屈曲聯(lián)合測(cè)控的筒型基礎(chǔ)沉放精細(xì)調(diào)平控制技術(shù)與裝備。
據(jù)了解，目前該成果已實(shí)現(xiàn)一天一臺(tái)的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時(shí)間，加上整機(jī)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機(jī)方式提升了5到7倍，解決了海上風(fēng)電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。
“我們稱目前這套技術(shù)為1.0版，已逐步應(yīng)用在江蘇海域。不久的將來，我們還會(huì)出2.0版、3.0版……進(jìn)一步節(jié)省海上作業(yè)時(shí)間，降低生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝成本，使這項(xiàng)技術(shù)在更多的海域更廣泛地使用。”王海軍對(duì)未來充滿信心。
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，誰擁有海洋，誰就擁有未來。與大陸經(jīng)濟(jì)相比，海洋經(jīng)濟(jì)有著巨大潛力，發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)是必然趨勢(shì)。海上風(fēng)電作為一種潛力清潔能源，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)也具有十分重要的意義。王海軍表示：“由于海上工程存在軟地基，使海上風(fēng)電面臨建造成本高等棘手的挑戰(zhàn)，而國(guó)內(nèi)新能源行業(yè)也從過去補(bǔ)貼政策主導(dǎo)走向市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)的局面。在此背景下，降成本也將是我們要研究的重要課題。”
