海上风力发电吊装「最大的海上风电场」

今天带来海上风力发电吊装「最大的海上风电场」，关于海上风力发电吊装「最大的海上风电场」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

海上风电场

人人都知道荷兰是“风车”之国，小孩堤防的风车阵闻名遐迩，最高的风车建筑有5层楼高，当然，全部都是建在陆地上。

在海上的“风车”虽然不算什么新鲜玩意儿，但在“资源短缺”的大背景下，其存在的必要性是杠杠的，咱们今天来探讨一下海上风力发电机（下文简称海上风电）。

2019年9月，全球最大的海上风力发电机组Haliade-X 12MW顺利安装在荷兰鹿特丹港。这台机组每年将可发电高达6700万度，比目前任何海上风机多出45％以上，可为多达16000户家庭供电。

Haliade-X 12MW（MW为兆瓦）是由通用电气生产的直驱发电机组，总高260米，5个巴黎凯旋门叠起来都没它高，风轮直径达220米。107米叶片是目前世上最长的海上风电叶片，比足球场还长。

荷兰陆地上的大风车跟这个“巨无霸”比起来，简直就是个宝宝。

风能作为最清洁的可再生能源之一，早已受到世界各国的高度重视，虽然这种新能源实际上才存在不到30年。

1991年，位于丹麦Lolland岛附近Vindeby低水位海域的海上风力发电厂首次实现11台风电机组并网运行，这也是世界上第一个海上风电项目。

世界上最大的海上风机，荷兰Haliade-X 12MW

近年来，风电长期占据着世界增长最快能源的首位，年均增长率达30%。

海上风电由于拥有更好的风能条件（下文详述），已由最早商业化发展的欧洲逐步走向全球，在中国的发展也非常迅猛。我国有1.6万公里海岸线，据中央气象局统计，“近海水深5～25米范围的风电潜能有5亿千瓦”，换而言之，无尽的风能等着咱们来开发。

《中国海洋工程年报》统计，2018年中国海上风电新增装机数量436台，新增装机容量达到165万千瓦，累计装机达到440万千瓦。2018年新增并网装机最大单机容量机组功率达到8兆瓦。

Haliade-X 12MW是全球海上风电的“大块头”，为方便测试安装在陆上，实不实用现在还不好说。那么常用的海上风电“块头”有多大呢？中国海装研究院院长韩花丽介绍说：

“目前在我国海上风电机组中，发电量效果最好的是叶轮直径171米的H171-5MW风电机组，叶片长度为83.6米，轮毂高度110～130米，单机一年可以发出近2000万度电。”

中国的H171-5MW海上风机

海上的自然环境绝对要比陆上恶劣，首先把动辄几千吨的风机组在海中立起来就够吃一壶了，海底电缆的敷设也要砸大钱，海上风机的总成本要比陆上高20%～50%。

先不说狂风大浪有可能会损害风机，年复一年面对潮湿空气和盐水的腐蚀，就算是多优质的精钢也受不了，一旦生锈，风机的轴承、偏航系统损坏，还要拉回岸边工厂去维修，有够折腾的。

那么为啥欧洲发达国家，还有我国都要花大力气开发海上风电呢？自然是有利可图。

海上风电相对于陆上风电的优势有四个，而且都是碾压式。

（1）风更大更稳，发电量更高

在陆上一会有风一会没风的，地形的高低起伏也对风速有很大的减缓作用，不同高度的风速相差很大，会导致风切变大(垂直方向的风速变化)，使得风轮上下受力不均衡，传动系统容易损坏。

海上风速高、风切边小、风向改变的频率低，可以说是风机最喜欢“吃”的风了。

风机的发电功率与风速的三次方成正比，海上的风速比陆上高20%，同等发电容量下，海上风机的年发电量能比陆上高70%。

海上的风，风机最爱“吃”

（2）风机更大，利用率更高

风机的单机发电容量越大，同一块地方的扫风面积越多，利用风的能量自然更多。但发电机越大，叶片就越长，上百米长的叶片(拆成两段也有几十米)在陆上是很难运输的，海上就简单多了，直接用船拉过去就好。

现在我国已有8MW的海上风机了，而在陆上一般3MW的风机就算很大了。

（3）不占地、不扰民

欧洲各国要搞风电的首要原因。国土面积那么小，还要立那么一排排庞然大物，风机转起来噪音也大，当地居民可不是吃素的，分分钟能把风电开发商告到破产，所以干脆建海里算了。

（4） 距离用电的人更近

以我国为例，辽阔的大西北建了大量风电场，但当地居民用不了多少电，大部分的电都要通过特高压、超高压线路输送到东南沿海，距离超过两三千米。相对而言，海上风机都在沿海一两百公里处，“与客户的心更靠近”，成本节省不少。

海上风电某种程度上”碾压“陆上风电

Haliade-X 12MW虽然个头大，但既然是陆上安装，无非就是采用重型起重机吊装，操作相对简单，那么海上安装风电机要怎么操作呢？

咱们先了解一下海上风电机组基础的常用类型。

水深、水位变动幅度、土层条件、海床坡率与稳定性、水流流速与冲刷、所在海域气候、风电机组运行要求、靠泊与防撞要求、施工安装设备能力、预加工场地与运输条件、工程造价和项目建设周期等诸多因素决定了选择哪一种类型。

以最直观了解的水深为例，30米以下的中浅水区域常采用重力式（直接沉放），30米以上的深水区域多采用打桩式（单桩或多桩）。

混凝土重力式基础陆上预制

重力式的原理很简单，就是风机底下是预制混凝土或钢结构沉箱，把它沉到海底就完事了。比如我国的6MW风机，带塔筒的重量大概5000吨左右，在陆上完成组装后，用起重船（浮吊）把沉箱和风机运到指定位置，完成沉放和连接即可。

采用浮吊连接沉箱和风机

重点说说打桩式，因为在深水区域应用更广，也是当前世界各国的主流作业方式。

所谓打桩，就是安装风电机组的桩柱：

将直径3～8米，厚50～100毫米，重达500～2000吨甚至更大的桩柱，用桩锤强力打击，插入海下泥中数十米，以支撑海上风电机组（重150～300吨），并承受风压以及涌浪冲击。

桩柱安装不仅需满足吊高（80～120米左右）、吊重和位置的要求，还要保证桩柱的垂直度，即垂直于海平面（不成文规定：控制在3‰）。

桩打得不好，直接影响风电项目的作业效率和工程质量。

当前，世界各国普遍采用插桩式打桩船（下文简称打桩船）作业。

打桩船是一种全新的海洋工程船舶，主要由起重机、船体、桩腿和桩靴、抱桩机以及升降系统等组成，主要用于海上风力发电的打桩作业、风机安装和桩柱、桩锤等物料附属设备的运输。

插桩式打桩船，4条巨大的桩腿尤其明显

打桩船将起重船、海上作业平台、运输船、抱桩机以及生活供给船所具有的各项功能完美地融为一体，便于出海独立工作。

打桩船都安装有抱桩机，就是可以根据桩柱大小调节的钢制“圈圈”，让桩柱立起来后通过圈圈来固定位置。既然要打桩，船体全过程不能动，过去曾采用抛锚绞车来稳定船体，但这风大浪大的，难以保证船体固定不动，效果极差，于是便发明了插桩式打桩船。

打桩船上的抱桩机

什么叫插桩式？

简单来说就是打桩船自带4～8条几十米长的大直径（3～4米）桩腿，在到达作业现场后，几条桩腿直插海底，通过液压升降装置使整条打桩船完全或部分露出水面，形成不受波浪影响的稳定平台，所以打桩船又被称为自升式平台。

海上涌浪对打桩船船体的冲击力可达3000～4000吨，桩腿一般会将船体抬离水面约4～5米，令涌浪从其下方穿过。要将总重量可达2万吨的大型打桩船（包括外载5000吨）抬起来，不是一件容易的事。

自升式平台

每只桩腿插到海底指定位置后，需要经过加载“预压”工序以保证它有可靠的地基承载能力。每只桩腿预压载荷常需正常承压的一倍（8000～10000吨），怎么实现？

一种方法是让船体注水增加自重，但需要具备容积很大的压载舱，对大型打桩船来说很难实现。常用第二种方法:：对角压载（同时只压对角线的两只桩腿），对主船体结构有很高要求。

为了满足桩柱垂直度的要求，必须稳定打桩船，桩腿端部的巨大桩靴需插入泥中（软质土壤条件下需20～30米）以承受自重，并稳定它在水中的位置。

作业平台稳定后，船上的重型起重机把桩柱吊起，通过抱桩机固定好位置，便可以用打击力强大（200～400吨）和频率高（30～50次/分）的特殊桩锤，把桩柱打进海底。

打桩作业完成

桩柱完成，接下来的工作就是将风电机组和桩柱连接。

上文提及，打桩式分为单桩和多桩基础，目前来说，单桩因为施工方便、造价较低，是世界各国海上风电基础最多采用的类型，重点说说这个。

单桩虽然施工简单，但垂直度控制最难。很好理解，就一根桩柱，稍微歪一点，“差之毫厘，谬之千里”，40层楼高的“大风车”装上去，岂不是变成比萨斜塔了？为此，工程师们在结构设计中添加了过渡段：

在钢管桩基础上部添加了套筒，套筒与基础以高强度灌浆料连接，上部连接塔筒。这样的优点是，因打桩出现的垂直度偏差，可以通过调整过渡段来实现整体的垂直度控制。

风电机组和桩柱连接

好了，安装好“大风车”，是不是万事大吉了呢？没那么简单。

打桩船在完成了打桩和吊装风机作业后，需要拔出被泥砂覆盖的桩靴，才能返航，这是最重要的一步，也是打桩船最要命的缺点所在。

打桩船的桩腿直径为4米左右，但为了稳定万吨级的船体并达成自升，插入泥中的桩靴面积至少为100平米。按照最常见的4条桩腿来算，跟桩靴相比，两者截面的面积相差超过6倍。

拔桩时，桩靴上覆盖的十几米砂土重量会带来巨大的下压力，同时还要克服这些土体与周围土体相互间的摩擦和粘附载荷，以及桩靴底部上拔时产生的负孔隙水压形成的吸附力和粘聚力，需要极为巨大的拔起力。

举个例子，每只桩腿插入土体20米，通常其插入力需2000～3000吨，然后还需再加一倍的插入力进行“压桩”（视土质需保持12～24小时），如果碰上粘性土壤吸注桩靴，需要的拔桩力远大于压桩力，且只能一只一只的拔，耗时久又费力。

不顺利的话，拔桩需数日、1～2周或以上。更有甚者，千方百计仍拔不出，只好整只桩腿割掉。

巨大桩靴示意图，“拔桩难上青天”

有什么办法能解决恼人的拔桩问题呢？

2017年，上海振华重工公司在请教了海上地质专家、海上风浪涌方面专家、曾设计海上座底建筑物的专家等行业人士后，结合公司曾设计制造多艘插桩式打桩船的经验，设计了一艘取消桩靴的“新型座底自升式打桩船”。

座底是指打桩船的下船体是一个具有巨大排水量的钢制中空浮体，同样和桩腿相连，作业时坐在水下泥面上，通过改变浮体内水量，还能调节对泥面的载荷，适用于多种土质。

更重要的是，无需压桩和拔桩，工作效率将可提高一倍以上，大大提高了我国海上风电项目的市场竞争力和经济效益。

“新型座底自升式打桩船”是世界首创，厉害了我的国，点赞！

新型无桩靴的座底自升式打桩船示意图

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