桩基拔地起 风车“种”出来

黄丹雯

天高云淡，海风浩荡，一排排“大风车”——海上风力发电机，正“不知疲倦”地转圈，为城市提供源源不断的动力。

茫茫大海上，这些“大风车”看起来不起眼，但实际上却是“大块头”——每根杆高约百米、宽约十米，叶片长度达到七八十米。

要想把这些庞然大物稳固地“种”到海底，绝非易事。要想把它们所产生的清洁电能漂洋过海输送到岸上千家万户，也不容易。

向海“揽”风，不仅仅是“有风即可”

“大风车”到底能建在什么地方，是不是海风大的位置就可以呢？

“海上风电在规划阶段就要进行选址工作，主要依据国家能源局和国家海洋局联合发布的《海上风电开发建设管理办法》、国家海洋局《关于进一步规范海上风电用海管理的意见》，以及能源行业标准《海上风电场工程规划报告编制规程》等文件。”中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司（以下简称“中国能建广东院”）设计总工程师徐龙博向笔者透露，总的来说，海上风电选址必须符合海洋主体功能区规划和海洋功能区划，优先选择在海洋功能区划中已明确兼容风电的功能区内进行布置，同时统筹考虑开发强度和资源环境承载能力，科学选定风电建设区域。

海上风电场选址，首要考虑的，是选择风能资源条件良好的海区，所以选址时会进行测风，主要观测要素包括风速、风向、温度及气压，且长期海洋气象测量观测持续时间不应少于1年。“就广东而言，粤西地区平均风速能达到5～8米/秒，粤东地区风资源还要更好些，平均风速能达到9.5～10米/秒，适宜规模化集中连片开发，因此‘十四五’期间新增投产装机容量规划，粤东地区达千万千瓦级。”

其次，海上风电场选址要满足“双十”要求，即海上风电场址原则上应建在离海岸不少于10千米、滩涂宽度超过10千米时水深不得少于10米的海域。此外，还需集约节约用海，提高海域资源利用效率，单个海上风电场规划装机容量根据风电场场址面积，按照每10万千瓦16平方千米以内确定。

在进行选址调研时，对海底进行物理探测也十分必要。工程师们利用侧扫声纳探测、浅地层剖面探测等方式，初步查明海底浅表层基岩、孤石或其它障碍物分布、埋深状况;利用中地层剖面探测等方式，查明海底地层的结构、分布、起伏情况，为后续钻探、设计与施工提供基础资料。

“海上风电场在建设前必须进行严格的海洋环境影响评估工作，在确保不会对海洋造成污染后才允許开工建设。”中国能建广东院高级技术顾问汤东升介绍，在选址时，要避开各类限制区域，场址布局应符合海洋主体功能区规划、海洋功能区划等，避开航路航道、锚地和禁航区，通信、电力、油气等海底管线的保护范围和军事设施涉及的范围。

为了减少风电场对环境的影响，选址时要严守海洋生态保护红线，严格满足环境和生态保护要求，避开自然保护区的核心区、缓冲区和实验区，海洋特别保护区的重点保护区、生态与资源恢复区，以及增殖放流区、滩涂湿地等鸟类集中栖息地及鱼类等的洄游通道及“三场”（产卵场、索饵场和越冬场）等。

“针对海上风电场可能会对鸟类等生物带来的影响，我们会通过合理布局风电机组位置，留下鸟类穿越通道，同时，将叶片尖端涂成警示色，可以减少鸟类碰撞风电机组的概率。在施工建设阶段，则采用气泡帷幕等屏蔽措施，降低施工噪声对海洋生物的影响。”汤东升表示。

逐风斗浪，见岩不见得就最好

“Duang、Duang……”在湛江外罗海上，金属敲打声持续了一整晚。

“又是台风！又是暴雨！”接踵而至的台风，让施工人员不断叹气。一年只有一百来天能在海上抢工建设，好不容易盼来窗口期，刚施工没多久，却又要歇了。2018年，台风山竹登陆湛江外罗海上风电场，海上作业得在台风到达前停工，数百名施工人员第一时间进行转移。想着不等人的工期，中国能建广东院项目团队只得继续安排专人紧盯气象预报，等待台风过后，迅速返场进行施工。

海上风电场的施工，主要包括我们熟悉的“大风车”——海上风电机组，以及海上变电站、高压送出海缆和陆上集控中心等几部分。

“大风车”需要靠风机基础才能稳稳立在海面上，“风机基础是深埋在海底的，根据水深由浅及深，我们会选用重力式、单桩、导管架式、吸力桶式和浮式等基础型式。”中国能建广东院项目经理卢钦先向笔者介绍道，按结构型式及其安装方法分，风机基础有桩式基础、重力式基础、吸力桶式基础和浮式基础等，目前广东省的海上风机基础型式主要采用单桩和导管架两种基础型式，其余基础型式也逐步增加应用场景，通过打桩锤将风机基础的钢管桩打入到海床设计标高，再将风机塔筒与风机基础相连接。

风机基础的施工打桩，和陆地上的可不一样。“在陆地上施工，我们可能会说，打桩要打到见岩才是最好最稳固，但海上不一样，风机基础要稳稳扎根在海底，主要靠钢管桩与海床之间的摩擦力。台风一吹，长长的风机可能会产生晃动甚至倾倒，所以施工完的风机基础的抗压、抗拔力要够。而在浅海施工时，有些水深只有十几米，基岩面比较浅，抗拔力还不够，所以还得往下打。”汤东升解释说。

施工船定位、运桩船靠泊、起吊翻桩、单桩竖立、锤击沉桩……施工队按部就班，完成风机基础施工，接下来风机安装便是重头戏。海上风电机组安装方式主要包括整体安装方式和分体安装方式两种。由于分体安装时，海上作业施工受海况影响相对较小，所以，在风浪较大的广东沿海海域，较多采用分体式安装的方式，使用可以固定在海面上的自升式安装船或坐底船将风机在海上拼装，拼装完的风机就呈现出公众熟悉的“大风车”造型。

“广东地区台风频繁，为了抵御台风的侵袭，风电机组还设置了防台风模式，当有台风出现时，我们会通过远程操作启动该模式，这时，其中一个风机叶片会和风机杆重叠，整个风机呈现‘Y’形，可以降低台风对风机的影响。”汤东升介绍道。

风机将风能转换为电能后，要想将电能成功输送至陆地，还得通过风电场的“心脏”——海上变电站，这是海上风电场的电能汇集中心，能将35千伏电能升压至220千伏。

“目前，海上变电站主要为海上升压站，如果海上风电场建在远海并采用柔性直流输电时，则需要建设海上换流站。”据介绍，海上升压站包括上部结构和下部支撑结构。上部结构主要布置有变压器、配电装置、应急柴油机、消防设备、暖通设备、吊机、逃生设备等;下部支撑结构主要由桩式基础构成。海上升压站在陆上完成上部组块的制造、设备安装和调试，再利用大型起重船整体吊装到下部结构上。

作为海上风电场的“大脑”，也是海上风电最后一道要塞——陆上集控中心，则负责远程监控着所有风电机组并管理整个风电场的运行。来自风力发电机组、海上升压站以及连接的海缆等设施的运行状态信息，都要传输到集控中心进行分析处理。

直流交流，看距离选输电方式

将风机转动产生的电能输送至陆地只有一个渠道——海底电缆（简称“海缆”）。通过海缆把风机发出来的电顺利送至距离风机数十公里的陆地主要有两种方式，高压交流送出和柔性直流送出。根据输送方式的不同，海缆分为交流海缆和直流海缆，通常采用专用的敷缆船，采用牵引式铺埋海缆方法，施工船依靠水力埋设机进行冲埋敷设。

一般来说，当海缆输电距离小于等于70千米时，采用高压交流送出;当大于70千米时，为了提高输送容量并降低损耗，通常采用柔性直流送出。

“通俗一点说，高压交流送出，就是把海上所有风机转换成的电能，通过集电海缆汇集到海上升压站升压后，通过高压海缆输送至陆上集控站。而柔性直流送出，则是将风机的电能通过集电海缆汇集到海上升压站升压后，通过高压交流海缆接入海上换流站变换为直流电能，再通过高压直流海缆送至陆上换流站。”徐龙博解释说。

据介绍，目前广东省已投产的海上风电场全部采用高压交流送出方式，除珠海桂山项目外，全部为220千伏电压等级。随着海上风电场规模越来越大、离岸距离越来越远，广东省在建项目已开始使用330千伏和500千伏电压等级。相比而言，近海更为适宜采用高压交流送出方式，但随着海上风电场走向深远海，柔性直流送出的经济性则逐渐显现，未来将成为重要的海上输电方式。

除了考虑海缆输电距离，不同国家海上风电所处的发展阶段、电网结构、经济承受能力不尽相同，对输电方案也需求各异。从技术成熟度、方案经济性、工程实用性等方面进行比对分析，我国在“十四五”乃至更长时期内，将主要采用高压交流、柔性直流输电技术来实现海上风电并网送出，因地制宜地选用相应的并网送出技术方案，确保海上风电安全可靠、经济高效地并网运行。

延伸阅读

三峡新能源阳西沙扒海上风电场

2021年12月25日，国内首个百万千瓦级海上风电场——三峡阳江沙扒海上风电项目宣布实现全容量并网发电，为粤港澳大湾区建设再添清洁能源动力，助力达成碳达峰、碳中和目标。这座海上风电场拥有国内最大海上风机单桩基础、国内最大海上风机单桩基础和国内首个海上风机吸力桶导管架基础。

国内最大海上风机单桩基础——为适应场内强风化岩面深度在50到70米之间的区域，39个机位均采用大直径单桩基础，根据各机位地质进行深度优化设计。平均单个主体钢料重1487吨，最大单个主体钢料重1765吨，平均桩径8.3米，最大桩径9米。

国内作业水深最大的四桩导管架基础——10台风机采用导管架基础，导管架基础高度超过48米，作业海域水深30米左右，在国内首先采用板壳式过渡段结构，能更好地适应大波高、大风机盘面、高荷载水平对过渡段结构布置和承载性能的要求。

国内首个海上风机吸力桶导管架基础——为避免风机基础嵌岩，3个机位采用三桶吸力桶导管架基础。基礎总高约63米，总重量约1550吨，由3个桶径13米、桶高11.3米的吸力桶和上部导管架结构组成。2020年8月10日完成施工沉桶施工。