該成果已實現(xiàn)一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時間，加上整機運輸?shù)臅r間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機提升了5到7倍，解決了海上風電能源發(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“大風車”——海上風力發(fā)電機(以下簡稱風機)，正有條不紊地為能源經(jīng)濟發(fā)展和百姓的生活提供源源不斷的動力。這些“大風車”均采用“種樹式”的一體化安裝建造技術，整機浮運，平穩(wěn)地“植”在海上。
這項我國原創(chuàng)的新技術來自天津大學建筑工程學院教授練繼建帶隊研究的“海上風電新型筒型基礎與高效安裝成套技術”研究項目(以下簡稱風電項目)。為了實現(xiàn)海上資源的最大化利用，該項目突破多項技術瓶頸，實現(xiàn)了海上風電高效、優(yōu)質、低成本、規(guī)?；ㄔ斓哪繕耍芯砍晒殉晒糜陧懰?、大豐等風電場。該成果獲發(fā)明專利授權101項，核心技術獲美日歐盟發(fā)明專利，團隊主編國家、行業(yè)標準2部，發(fā)表論文150余篇，并獲得2020年度天津市科學技術獎技術發(fā)明特等獎。
“造樹根”：筒型基礎結構，結實
我國近海海域風能資源豐富，50米水深內可開發(fā)量超過5億千瓦(kW)。“但是在我國近海海域安裝海上風機難度可不小。”風電項目課題組的劉潤教授介紹，“我們不光要解決海上風電開發(fā)施工窗口期短的問題，還面臨海上強臺風、軟地基等挑戰(zhàn)。”
要想讓海上風機穩(wěn)穩(wěn)地“站”在海里，經(jīng)受得住風浪的洗禮，首先整體的結構、建造方式等都要適合我國海域的情況。
而傳統(tǒng)移植自歐洲的單樁、多樁導管架海上風電技術施工周期長、建造安裝成本高。
練繼建團隊經(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電筒型基礎結構體系，團隊還首創(chuàng)了工廠化批量預制基礎結構和“種樹式”安裝風機的建造方式，以及提出新型筒型基礎頂蓋—筒壁—土體聯(lián)合承載模式。
“傳統(tǒng)的海上風機都是先裝基礎，再把風機塔筒、風機機頭吊進去進行分部安裝。”風電項目課題組的王海軍教授介紹，而我們發(fā)明的這種新型的結構不僅可以在岸邊預制，還可以帶著風機一起像種樹一樣直接在海上進行安裝，節(jié)省了大量的施工費用，降低總造價15%—20%。
“其實說起來原理很簡單，海上風機由風機基礎、風機塔筒、風機機頭和風機葉片四個部分組成。”劉潤解釋，就像家用落地風扇一樣，風機基礎相當于落地扇的底托，托著塔筒、機頭和葉片轉動。寬淺型的基礎相當于增大了落地扇的底盤，有利于抵抗上部結構因強臺風而產(chǎn)生的巨大力矩荷載。
“運大樹”：拖船整體浮運，高效
風機基礎、塔筒、機頭和葉片整體在岸上組裝好后，下一步就是要把樹運到需要栽種的海域了。
“傳統(tǒng)的海上風機安裝建造，一般是由運輸船舶將零部件運輸?shù)胶Ｉ辖ㄔ斓奈恢茫植渴┕ぐ惭b，完成整機調試。而這樣一套安裝流程，至少需要5天才能完成，有時候遇到強臺風，甚至時間更長。”王海軍介紹，“海上施工窗口期十分寶貴，為了提高海上風機安裝效率，需要把組裝好的海上風機直接運送到位。”
海上風大浪急，而海上風機又高又細，如何減少運輸中的晃動，更穩(wěn)定地把這個龐然大物平安送達?通過反復嘗試，練繼建團隊首創(chuàng)了海上風電基礎—塔筒—風機整體浮運新技術，建立了筒型基礎浮穩(wěn)性與分艙優(yōu)化分析方法，發(fā)明了船下氣浮頂托風機整體浮運技術。同時提出船—筒姿態(tài)和水封安全控制指標，攻克了風浪流與船舶—氣浮基礎結構—風機多體耦合動力安全與性態(tài)控制難題。
運用了這種技術的運輸安裝船，成功實現(xiàn)了海上風機的整機一步式運輸，讓風機整體穩(wěn)穩(wěn)地運輸?shù)轿?。而且由于海上風機從運輸?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機各組成部分的損壞。
“種樹”：筒型基礎分艙，穩(wěn)定
一切準備就緒，準備開始“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機筆直地“栽到”海底更是難上加難。
練繼建團隊發(fā)明了筒型基礎整體沉放和精細調平控制技術，這項技術通過分艙來達到效果。“合理地分艙可以提高筒型基礎氣浮結構的浮穩(wěn)性，有利于施工下沉和精細調平。”王海軍介紹，通過精確計算，精準地給每個倉施加相應的壓力，就可以使海上風機垂直地扎到海底了。
據(jù)介紹，目前海上風機結構筒型基礎，大致分為三種形式：單筒型，多筒型(三筒或四筒)和的單筒多艙復合型，由項目組研制的巨型多分艙海上風電筒型基礎結構體系就屬于單筒多艙復合型。
為了保證這項技術安全地投入使用，團隊還提出風浪流作用下筒型基礎—塔筒—風機水中整體沉放姿態(tài)與安全性控制方法;揭示了筒型基礎入土沉放過程中筒—土—滲流耦合作用與減阻機理，提出沉放阻力計算方法與減阻措施;發(fā)明了基于分倉壓力差—傾角—滲流—屈曲聯(lián)合測控的筒型基礎沉放精細調平控制技術與裝備。
據(jù)了解，目前該成果已實現(xiàn)一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時間，加上整機運輸?shù)臅r間，總體海上安裝建造效率比傳統(tǒng)裝機方式提升了5到7倍，解決了海上風電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。
“我們稱目前這套技術為1.0版，已逐步應用在江蘇海域。不久的將來，我們還會出2.0版、3.0版……進一步節(jié)省海上作業(yè)時間，降低生產(chǎn)、運輸和安裝成本，使這項技術在更多的海域更廣泛地使用。”王海軍對未來充滿信心。
21世紀是海洋的世紀，誰擁有海洋，誰就擁有未來。與大陸經(jīng)濟相比，海洋經(jīng)濟有著巨大潛力，發(fā)展藍色經(jīng)濟是必然趨勢。海上風電作為一種潛力清潔能源，對于我國實現(xiàn)雙碳目標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，使海上風電面臨建造成本高等棘手的挑戰(zhàn)，而國內新能源行業(yè)也從過去補貼政策主導走向市場競爭推動的局面。在此背景下，降成本也將是我們要研究的重要課題。”
