“精益思维”引领欧洲海上风电LCOE下降（2）——风机基础设计优化

近期，本平台隆重推出"精益风电"系列技术专题，全方位解析如何通过精益思维挖掘海上风电技术潜力，降低平准化度电成本。

上期，小编给大家介绍了“精益风电LEANWIND”项目的概况，本期，我们就来详细介绍下该项目在风机基础领域的成果。

随着海上风电场不断向深远海发展，不但对风机基础本身，同时也对配套的施工建设船及运维服务船提出了更高的要求。因此，风机基础设计除了优化结构及材料本身，还需要同时考虑其运输、安装及拆除过程，以达到整体经济性最优。

0）研究方向

“精益风电LEANWIND”项目将固定式风机基础优化分为两个技术方向——重力式基础和钢结构基础，并分别进行开发和试验。其中，重力式基础的研究创新方向是采用浮运后压载的方式取代传统起重船整体吊装方式，研究包括了采用该新型基础的概念设计、供应链、经济模型等；钢结构基础的研究创新方向则是如何更高效、更“精益”地设计、制造、安装导管架基础和超大直径单桩基础。另外，对漂浮式风机基础研究方向主要在早期的概念设计比较，来定义哪一种型式（TLP、半潜式、单柱式等）更接近商业化。

1）超大直径单桩

随着海上风电场向深远海发展，单桩基础作为应用最广泛的风机基础，适用性受到了挑战。但随着超大直径单桩的出现，单桩将可用在更深的海域。目前，已有大直径单桩在36m水深的应用实例，研究认为单桩在欧洲海域的最大适用水深可达60m。

然而，超大直径单桩从设计、制造到运输、安装都给目前的行业提出了更新更高的要求，如大厚度钢板的卷制和焊接问题、开发新的工程船只及施工设备等。当单桩直径超过7m时，需对现行传统单桩的设计、计算、建模方法进行优化改进，以降低冗余度及不确定性。

现行的海上风机单桩基础设计导则主要基于海上油气行业的设计原则，其主要针对的是细桩（直径在1-2m）的设计。对于海上风电应用的超大直径单桩（直径在5-9m），随着单桩直径的增大，其水平承载力增大，结构则更接近于刚体。若考虑这一因素，对超大直径单桩进行精益化设计，则可带来成本下降或更大的应用水深。

“精益风电LEANWIND”项目通过Plaxis3DFEA软件对超大直径单桩进行有限元建模，通过数值方法计算结果，并与传统p-y曲线计算结果进行对比，发现传统方法低估了超大直径单桩的承载力。其结果显示，传统API解析方法相比Plaix数值方法会计算得到更大的挠度，且随着单桩直径增加两者计算结果差距就更大。因此，可以确定，当单桩直径逐步变大时，采用数值模型方法的设计将带来更大的经济优势。

2）重力式基础

传统的重力式基础一般需要大型起重船，限制了其应用范围。因此，自浮式重力基础的概念应运而生。利用其自浮特性，可采用普通拖船将其拖行至场址后，再进行压载并沉底就位。

自浮式重力基础设计需要着重考虑的是其漂浮、运输、压载的全过程流体动力稳定性，因此基础的几何属性将是设计的要点，包括基础形状、基础各段相对高度、水线面面积、内部压载舱布置等。

“精益风电LEANWIND”项目通过参数化研究发现，基础压载过程会极大改变基础稳心高度，是整个基础工程中最为关键的阶段。另外，基础的初始吃水深度对港口选择提出了限制条件。因此，在可行性设计时需着重考虑：

①压载舱间隔数量：增加压载舱间隔数量可降低自由液面效应，但间隔构件也会增加基础重量及初始吃水深度

②压载舱间隔高度：增加压载舱间隔高度可防止压载高度超过间隔高度导致自由液面效应显著提高，但也会同时增加基础重量和初始吃水深度

③基础整体高度：增高基础整体高度可提高稳心高度，但会显著增加基础重量及初始吃水深度

④基础直径：增大基础直径可有效减小初始吃水深度，但也会对压载舱间隔件高度产生限制

综上，自浮式重力基础的可行性设计不仅仅是技术问题，目前更受限于港口及施工条件。因此，现阶段推出相关技术标准并不成熟，建议根据实际项目综合考虑各种因素进行决策。