海上风电场 风机基础介绍 技术服务中心业务筹备部
前言
近年来，国家对清洁能源特别是风电的发展在政策上给予了很大支持，使得中国风电得到蓬勃发展。风力发电作为新能源领域中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，获得了迅猛发展。随着风电机组从陆地延伸到海上，海上风电正成为新能源领域发展的重点。
本文结合国内外海上风电场具体的风机基础，对现有的海上机组的基础类型逐一介绍，目的是对海上风机基础形成一个初步的了解，为公司日后的海上服务业务做铺垫。
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目 录
1 风机基础类型 --------------------------------------- 4
1.1 重力式基础 ----------------------------------------- 4
1.2 单桩基础 ------------------------------------------- 6
1.3 三脚架式基础 --------------------------------------- 8
1.4 导管架式基础 -------------------------------------- 10
1.5 多桩式基础 ---------------------------------------- 11
1.6 其他概念型基础 ------------------------------------ 12 2 海上风力发电机组基础维护 -------------------------- 14
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1 风机基础类型
1.1 重力式基础
重力式基础, 顾名思义是是靠重力来追求风机平衡稳定的基础, 重力式基础主要依靠自身质量使风机矗立在海面上, 其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。缺点是需要进行海底准备，受环境冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。优点是不需要打桩，直接减少了施工噪声。
如图1-1所示。
图1-1 重力式基础示意图
世界上早期的海上风电场都是采用的重力式，钢筋混凝土结构，其结构原理较简单，适合水比较浅的区域，适用水域0-10m ，重力式基础造价成本相对比较低，其成本随着水深的增加而增加，不需要打桩作业。重力式基础的制造过程是在陆地上，通过船舶运输到指定地点，基础放置之前要对放置水域地面进行平整处理，凿开海床表层。基础放置完成之后用混凝土将其周边固定。
Thornton Bank 海上风电场是比利时第一个海上风电场，也是世界上第一个使用重力底座的商业海上风电场。该风电场位于比利时海岸线以北27-30公里处，水深12-27.5米。该风电场使用重力底座，钢筋水泥结构，中空，建造和运输重为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
量在1200吨左右；安装后使用细沙或碎石填满，总重量超过6000吨。为了安装这种风电机底座，施工单位动用了总数超过100次各种船只和海上平台，其中包括当时（2007年）世界上做大的起重船Rambiz(最大起重重量3300吨) 。
图1-2就是在陆地上建设中的底座。
图1-2 Thornton Bank海上风电场使用的底座
Thornton Bank海上风电场施工过程：
1) 用挖掘船将安装风电机处的海底挖开大概4.5米深的坑，面积大约为
50x70米；
2) 使用碎石将挖出的坑找平，平面误差不能超过5厘米（目的是使坑底部
平整度达成一致）；
3) 用运输船将造好的底座运到安装点，并下沉；
4) 使用吸泵往底座中抽海砂，待水沙分离后将水抽出；
5) 使用细沙或者碎石将挖出的坑填满并夯实。
重力式基础缺点：
水下工作量大，结构整体性和抗震性差，需要各种填料，且需求量很大； 为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
● 重力性基础随着时间的长远，必然存在一个下沉的问题，这与其本身结
构、风电场地质结构、施工方式有关；
● 船舶运输、基础在海中施工成本大，费时费力，且需要运输基础底座沉
箱的船舶要求很高；
目前国内海上风电场没有使用重力式基础的案例，国外也基本不采用了此种基础建设方式。
1.2 单桩基础
即“单根钢管桩基础(monopile ) ”，其结构特点是自重轻、构造简单、受力明确。单桩基础由一个直径在3～4.5m 之间的钢桩构成。钢桩安装在海床下18～25m 的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。这种基础的一大优点是不需整理海床。但是，它需要防止海流对海床的冲刷，而且不适用于海床内有巨石的位置。该技术应用范围水深小于25m 。大直径钢管桩方案结构受波浪影响相对较小。目前此种基础结构在国内外风电场应用很广泛，金风科技2.5MW 机组潮间带响水项目风电场即使用此基础结构。
图1-3 单桩基础示意图
单桩达指定地点后，将打桩锤安装在管状桩上打桩直到桩基进入要求的海床深度；另一种则是使用钻孔机在海床钻孔，装入桩后再用水泥浇注。单基桩适用为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
的海域通常比重力基础要深，可以达到20m 以上。由于桩和塔架都是管状的，因此在现场它们之间的连接相比于其它基础更为便捷。
在使用合适设备的情况下，单基桩的打桩过程比较简单。对于水深较浅且基岩离海床表面很近的位置单基桩是最好的选择，因为相对较短的岩石槽就可以抵住整个结构的倾覆力。而对于基岩层距离海床很远的情况，就需要将桩打得很深。另外对于坚硬岩石尤其是花岗岩海床来说，打桩过程需要增加成本甚至难以成行。图1-4为国内某海上风电场单桩基础示意图。
图1-4 单桩基础结构示意图
金风科技首批批量化潮间带海上项目风机基础也是使用此类型的基础, 单桩基础结构较简单, 施工也简单。目前地质单位已经完成地质勘探工作，打桩施工单位进入规划风电场后即可进行打桩工作。后续，业务筹备部将进行跟踪了解工作。
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单桩基础结构适用范围广泛，现目前为市场主流基础结构。基础生产工艺简单，施工成本低，施工过程简单易控制，施工单位经验丰富等优点，但是这不意味着单桩基础是海上风机基础的成熟产品，在国外海上风电场已经出现了单桩倾斜的案例。倾斜角度的产生是受潮汐、浪涌冲击的必然结果。如何解决此问题，是风电场后期维护、运营的难题之一。
1.3 三脚架式基础
图1-5 三角架式基础示意图
又称“三脚架式基础（Tripod ）”，还有称“三桩基础”。基础自重较轻，整个结构稳定性较好。在海上风机基础应用之前，海上石油行业大量采用石油导管架基础，有一定的使用经验。适用水深15-30米，基础的水平度控制需配有浮坞等海上固定平台完成。国内在海上石油导管架基础的施工中有一定的施工经验以及相应的施工设备。
三脚架式基础原理：
用三根中等直径的钢管桩定位于海底，埋置于海床下10-20m 的地方, 三根桩成等边三角形均匀布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚行架结构，构成组合式基础。三脚行架为预制构件，承受上部塔架荷载，并将应力与力矩传递于三根钢桩。
三脚架式基础是由石油工业中轻型、经济的三支腿导管架发展而来的，由圆柱钢管构成。三脚架的中心钢管提供风机塔架的基本支撑，类似单桩结构，三角为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
架可采用垂直或倾斜套管，支撑在钢桩上。这种基础设计由单塔架机构简化演变而来，同时增强了周围结构的刚度和强度。钢桩嵌入深度与海床地质条件有关。由于需要打桩的缘故，三脚架结构通常不适于在海床存在大面积岩石的情况。在施工之前海床整理简单，同时这种结构基础的防腐也不是问题。
金风科技潮间带2.5MW 试验机组如东项目即采用的此种基础方式。
如图1-6所示。
图1-6 如东项目机组基础
德国首个海上风能发电站阿尔法文图斯首批海上机组其中6台（Multibrid 公司）也是采用三脚架式基础。
如图1-7所示。
图1-7 阿尔法文图斯Multibrid 机组基础
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1.4 导管架式基础
导管架式基础(Jacket ) 是深海海域的风电场未来发展的趋势之一。德国的阿尔法文图斯海上风电场6台Repower 机组全部都是采用的是导管架式基础，具有示范效应。导管架式基础也是三角架式基础，“网格的三角架式基础”。导管架的负荷由打入地基的桩承担。
如图1-8所示, 阿尔法文图斯Repower 机组基础。
图1-8 阿尔法文图斯风电场Repower 机组导管架式基础
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导管架式基础强度高，安装噪音较小，重量轻，适用于大型风机，深海领域，但是造价昂贵，需要大量的钢材，受海浪影响，容易失效，安装的时候受天气影响较严重。该基础适用于5-50米范围内的水域, 可避免海上浇筑混凝土, 具有海上施工量小, 安装速度快, 造价低, 质量易保证的特点。
1.5 多桩式基础
又称“群桩式高桩承台基础”，应用于风电基础之前，是海岸码头和桥墩基础的常见结构，由基桩和上部承台组成。斜桩基桩呈圆周形布置，对结构受力和抵抗水平位移较为有利，但桩基相对较长，总体结构偏于厚重。适用水深5－20米。因波浪对承台产生较大的顶推力作用，需对基桩与承台的连接采取加固措施。桩基直径小，对钢管桩的制作、运输、吊运要求较低。
上海东大桥风电场项目使用的基础即为多桩式基础。采用八根中等直径的钢管桩作为基桩，八根基桩在承台底面沿一定半径的圆周均匀布设。如图1-9所示。
图1-9 上海东大桥风电场基础分解示意图
东大桥风电场风机基础结构如上多桩式基础结构类型，由基桩（左上）和承台（右上）组成。基桩采用钢管桩，即采用8根直径1.2米（壁厚2cm ）的钢管为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
桩做基桩, 桩长44米。8根基桩在承台底面均匀布设，承台底面高程为0.5米，采用钢筋混凝土结构。沉桩结束后，基础海底表面抛铺厚度2米左右的高强土工网装碎石，以防水流冲刷。
见图1-10所示。
图1-10 上海东大桥风电场多桩基础示意图
1.6 其他概念型基础
1) 吸力式基础
即“the suction foundation ”, 该基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础等。吸力式基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比前面介绍的单桩基础，该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶段。
吸力式基础其优点是其安装尤其是拆卸具有明显的便利性，在拆卸时只需平衡沉箱内的外压力即可将沉箱轻松吊起。对于吸力式基础来说，要达到“下得去、站得稳、起得来”，即能够平稳地、保持一定垂直度地沉下去；沉下去之后，能够在工作期间不失平稳而导致整个平台倾覆、滑移或拔除等破坏。
2) 飘浮式基础
漂浮式基础是未来深海海域风电场的趋势之一，目前在挪威西南部海岸10公里处有一台实验式机组（Hywind ）飘浮基础投入运行。据开发Hywind 项目的为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
公司介绍，Hywind 风力发电机组可适用于水深120米至700米的海域，而目前海上机组基本都是在水深60米以下。
图1-11 飘浮式基础类型
图1-11展示了漂浮式海上风电机组平台的一系列平台建筑结构。图中平台类型用数字标识（从左到右）1）荷兰式半潜三角漂浮物式；2）驳船式；3）带有两排张索的柱形浮标式；4）三臂单体张力腿式；5）带有重力锚的混凝土三臂单体张力腿式；6）深水圆柱式。
漂浮式的基础相比较其他基础而言是不稳定的，必须有浮力支撑整个风力发电机组的重量，并在风机可接受的摇晃的角度进行控制，除了风力发电机有效载荷方面，设计漂浮式基础还必须考虑当地海域波浪冲击、洋流等海域变化情况。
目前已形成的海上风力发电机机组漂浮式基础只有挪威一个实验项目，没有足够的数据和形成成熟的技术和经验，而且先拥有此项技术的国家、公司对其技术严加保密，再加上不同海域地质情况和机组、环境载荷有不同特点，对于漂浮式基础的开发和研究需要进行大量的人力和物力投资。预计漂浮式基础相关技术将在2020年左右时间趋向成熟。
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2 海上风力发电机组基础维护
目前，海上风力发电机基础可能采用的结构型式有单桩钢管桩结构、群桩盖台式结构、三角架式基础结构以及导管架结构。无论采取哪种结构型式，结构材料都为钢材或钢筋混凝土，在自然环境下，特别是海水对基础结构有腐蚀作用。海水环境同样对海上其他类型工程结构存在腐蚀，因而可以参考海上其它工程结构防腐，特别是近年来港口工程对海港混凝土及钢结构防腐已经形成技术规范或技术规定，适用于海上风机基础防腐。
基础防腐蚀时根据设计水位、设计波高，可以分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥下区，各区要区别对待。
以阿尔法文图斯Multibrid 机组基础为例，图示风机基础的各个区域。 见图2-1所示。
图2-1 Multibrid三角架式基础防腐分区示意图
实践证明，海工结构钢筋混凝土若不采取防腐措施，氯离子深入引起钢筋腐为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
蚀往往导致混凝土结构10-20年内就发生破坏，而钢结构在海水环境中，碳素钢的年单面平均腐蚀速度在浪溅区可达0.2-0.5mm ，不采取防腐措施，过不了几年，结构强度就达不到使用要求。
所以，风机基础浪溅区的风机防腐工作的重中之重。
对于基础中的钢结构，单桩、多桩的钢管桩基础、三脚架、导管架式基础，大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷金属层加封闭涂层保护；浪溅区和水位变动区的平均潮位以上的防腐措施一般采用重防腐蚀涂层或喷涂金属层加密闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；水位变动区平均潮位以下部位，一般采用阴极保护联合防腐蚀措施；水下区的防腐措施应阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采取阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工期的防腐蚀措施；泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。阴极保护对于采用牺牲阳极阴极保护还是外加电流保护阴极保护，需要综合比较后确定，对于海上风电场，外加电流阴极保护有一定的难度，需要有一个稳定的供电源，并且用海底电缆将所有的风机基础连成一个网络，同时需要采用遥控遥测技术和远程监控系统。牺牲阳极保护系统投入正常运行后每隔半年或一年测量一次钢管桩的保护电位，并记录测量方法和测量数据。当阳极即将达到设计使用年限时，应适当增加电位测量次数，如发现保护电位值偏离设计保护电位要求时，应及时查明原因，必要时采取更换、增补牺牲阳极等措施。对于钢结构防腐蚀，不仅需按钢结构设计使用年限，预留单面腐蚀余量。
涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因会导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。
阴极保护，通过降低金属电位而达到保护目的的，称为阴极保护。根据保护电流的来源，阴极保护有外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法是由外部直流电源提供保护电流，电源的负极连接保护对象，正极连接辅助阳极，通过电解质环境构成电流回路。牺牲阳极法是依靠电位负于保护对象的金属（牺牲阳极）自身消耗来提供保护电流，保护对象直接与牺牲阳极连接，在电解质环境中构成保护为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
电流回路。
阴极保护主要用于防止海水等中性介质中的金属腐蚀。
牺牲阳极法牺牲阳极(sacrificial anode) 由电位较负的金祸材料制成, 当它与被保护的管道连接时, 自身发生优先离解, 从而抑制了管道的腐蚀, 故称为牺牲阳极，牺牲阳极应有足够负的稳定电位, 以保持足够大的驱动电压:同时有较大的理论发生电量, 还要有高而稳定的电流效率。
对于混凝土盖台结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。对于混凝土桩，可以采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。
以上防腐措施即为海工单位目前采取的防腐措施，国内风电场后期运维基础防护国内还没有进行此项业务，随着海上风电场大力建设，预计3-5年内，风机基础防腐维护将成为海上风电场运营管理的重要内容。
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