广西关于复合筒基础浮拖工艺的可行性分析

2021年11月,广西海上风电规划正式获得国家能源局批复,标志广西海上风电由规划阶段进入建设实施阶段,其中,先期批复海上风电规划装机容量750万千瓦,其中自治区管辖海域内全部4个场址共180万千瓦,要求力争2025年前全部建成并网;
自治区管辖海域外择优选择570万千瓦开展前期工作,要求力争到2025年底建成并网120万千瓦以上。2022年9月,广西壮族自治区人民政府发布的《广西能源发展“十四五”规划》指出,指出将逐步建设千万千瓦级海上风电集群,打造风电装备核心产业基地,构建集风电装备研发设计、关键装备制造、装备配套、总装集成和海上安装施工及全寿命周期运维于一体的全产业链,积极稳妥推进广西海上风电的开发建设。

1.1 发展的基础

依托北部湾经济区,自治区政府提出打造北部湾海上风电基地及“立足广西、面向东盟”的海上风电装备制造产业基地,并已初步建设有现代工业体系[1],电网、港口等工基础设施支撑,如钦州港、防城港、北海港等,其中防城港最为我国西部第一大港,港口水域掩护条件好,航道水深稳定,可为项目工程建设施工资源供应提供良好条件;
此外,钢材拥有本土生产基地,综合具备年产钢2300万吨的生产能力。

1.2 工程建设的条件

广西北部湾海域风资源条件中等偏上,工程地质、海洋水文及气象条件良好,以实施建设的广西防城港海上风电示范项目A场址工程为例,见图1,位于广西防城港南部海域,离岸最近距离约15公里,海深15~18m之间,128m水面以上高度平均风速6.95m/s,平均风功率密度426W/m2,属近海浅水区海上风电建设,涉海面积约98.8km2,规划总装机容量为700MW。场区北西侧及南侧部分区域有礁石群分布,场址土层类型主要分布有软弱土、中软土、中硬土、坚硬土及岩石,对于海上风电基础沉桩大部分涉及大面积的嵌岩施工,因此,风机基础的选择决定了后续项目施工的成本及难度,从工程量的角度分析,广西前期规划海上风电项目水深中等,海况条件较好,大直径单桩基础和多桩导管架基础两种主流形式混合布置在市场较受欢迎,但项目场址岩面较浅且起伏不定,工程地质条件不均匀,选择浅入泥、重力式、不涉及嵌岩施工的风机基础形式更为合理,且复合筒型基础振动远小于单桩及其他基础,基本无不均匀沉降,防冲刷效果较好。

图1 A场址工程海域海图等深线(10m)对比图

复合筒型基础是一个带有分舱板的开口向下的筒型基础[2]。复合筒型基础形式最早是用于海上平台的吸力锚,经过优化后用于海上风电结构的基础形式之一。筒壁材质不同而适应地质条件不同,筒壁为混凝土结构,适用于砂性土质;
筒壁为混凝土-钢结构,适用于砂性土-粘性土分层土质;
筒壁为钢结构,适用于粘性土土质。复合筒型基础分为下部钢筒、混凝土顶板及预应力混凝土过渡段,见图2。

图2 复合筒基础结构系统示意图

复合筒型基础优势在于,作为海上风电基础适用于水深6~20m海域,制造上较其他风机基础节省钢用量;
施工安装对海况适应性高,只对海床浅部地质有要求。此外,结合重力式基础特点,以顶盖为主的承载形式在软土地基上具有更强的抗倾覆能力,同时结构刚度大也有利于降低塔筒重量;
在海上运输上,底部筒內分舱结构具备自浮能力,以此为降低海上风电风机基础的建设费用,提高海上施工整体效率,复合筒型基础浮托一体化工艺应运而生。

复合筒型基础在码头进行预制,并通过浮态拖运至风机位,再进行沉放作业,减少海上吊装作业时间,大幅降低海上施工成本。将原来需在海上进行的安装工作几乎都在陆上完成,作业船只少,传统基础形式需要4-6艘大型运输、安装船舶,而复合筒型基础采用一体化浮托安装,仅需1艏运输安装船;
采用分体式吊装时间约3~5天,而采用一体化安装仅需11小时,与传统技术相比,复合筒型基础材料建造成本降低10%以上,海上安装成本可降低30%以上,工程施工总成本可降低15%以上,通过工厂化建造与一体化浮托安装使得工程效率和经济效益得到巨大提升。综上所述,应对广西海上风电场址特性、建设条件及配套产业设施,以钦州港、防城港为产业基地建设配套的制造厂,采用复合筒基础浮拖一体化工艺,施工上避开嵌岩施工,可帮助实现高效率、低成本、规模化的海上风电建设的目标。

目前国内采用该工艺的在江苏大丰海上风电项目,该场址同广西海上风电场址特性较为相似,水深较浅,地质属滨海相沉积地貌单元,表层以砂土、粉土为主,层厚2.50~6.50m。以此为例,对复合筒基础浮拖一体化工艺进行介绍:

①通过陆上生产线及大型吊装设备完成复合筒基础制造,利用龙门吊将其吊装下放至港池内,以满足下一步浮态拖航作业要求。

②通过分舱来提高结构的浮稳性[3],利用筒型基础风电结构的自浮能力,与柔性系缆与专业一体化运输船相连,由运输船转运至码头,并配合陆上起重机完成风电机组设备安装,将海上风电机组安装调试全部转移至码头岸上完成,见图3。

图3 风机预安装图

③专业一体化运输船拖航至指定机位,复合筒基础一体化浮托前,利用水动力分析软件模拟风机气浮运动状态,对风机浮托运动进行模拟分析,实现可视化,保证一步式安装实施的可行性。实际运输过程中,还应进行实时监测振动、倾角以及加速度等数值。

④到达指定机位,一体化专业运输船采用锚泊或者DP定位方式进点就位,通过绞缆或DP系统控制船位缓慢靠近风机设计机位,精准定位至设计机位位置。

⑤通过排气排水调节控制各舱内外压力差,使筒型基础平稳沉入海床。基础部分始设置气垫和水垫保护,避免冲击荷载损伤风机和塔筒[4]。整机下沉过程监测各分舱压力及倾斜度,出现倾斜时,采取在边舱施加负压的方式加以风电安装船辅助控制进行自动化调平。

⑥沉放完成后需进行防冲刷处理,冲刷主要受水流环境、底床土质、基础结构等方面因素影响,其中基础结构形式的因素包括基础形状、尺寸、水流向与基础之间的夹角[5]。通过运输船将石料运至施工现场进行抛填,在石料层增加砂被反滤层,增加基础周围抵抗波浪、水流的冲刷能力。

以某项目6MW风电机组配套的复合筒基础为例,单个基础桶径约45m,桶高13m,总重约5600t,总高度达40m。由于广西港机码头配套的港池及起重机械能力未能达到吊装下水的要求,故复合筒的建造及下水需重新考虑其他方案。

通过调研分析,考虑复合筒基础建造及装船选择在船坞进行,即可考虑复合筒基础选择在大型船厂进行建造,复合筒考虑在船坞配套的导轨上进行建造,建造完成后,船坞先通过排水使坞内处于无水状态,通过导轨将复合筒基础平移至坞内。待复合筒基础平移就位后,船坞注水调整坞内水深,使复合筒处于浮态,见图4,再将其拖带至运输船固定装置上。通过船坞内建造的方式,可大大降低对码头起重机的依赖,且在船厂内起重机起重能力未能满足要求的情况下,可引入大型履带吊以满足复合筒上部结构吊装要求。

图4 船坞建造法流程图

5.1 船坞技术要求

船坞的主尺度是指船坞的有效长度、坞室的宽度和深度、坞口的宽度和门槛深度。

5.1.1 船坞的有效长度

船坞的有效长度系指坞门内壁外缘至坞尾墙底表面在坞底纵轴线上的投影距离。应按下式确定:

Lw=Lpp+L

L—工作间距:

除锈、油漆设施;

活动脚手架;

拆修船体部分空间;

拆卸、复装螺旋桨、舵及外抽尾轴。

一般取15~20m(对球鼻首船取大值)。

考虑到单个基础桶径约45m,远比普通船舶要短,故一般船厂的船坞均可满足有效长度的要求。

5.1.2 坞室宽度

坞室宽度系指船坞中剖面处的坞底宽度。按下式确定:

BW=B+b

式中:BW——坞室宽度(m);

B——船舶型宽(m);

b——船舷两侧与坞壁间的总工作间距(m);
一般取3~8m,应根据船舶大小、脚手架形式及除锈喷漆设备的尺度确定。对有防摇鳍的船舶及海损事故船舶的坞修工作,间距应据具体情况另行考虑。

坞口的宽度,一般与坞室宽度相同,但若考虑某些因素而适当缩窄,也是可能的,因为坞口处于船尾部,船舶的尾部宽度较小。

考虑到单个基础桶径约45m,即需要坞室宽度需在48~53m之间较为合适,即20000t级驳船的建造/维修船坞较为合适。

5.1.3 船坞深度

由于复合筒基础进出坞的密度远比港口码头低,故进出坞水位不应采用港口码头的设计水位,一般每次进出坞的操作时间为2~3小时,故对沿海及近海河口地区的修船坞取持续时间不小于2~3小时、年保证率为50%~80%的潮位作为进出坞的设计水位,同时考虑在低潮位季节,满足进出坞的要求。

在进出坞设计水位确定以后,按以下公式确定坞室底标高:

HD=HW-TK-h-a

式中:HD——坞室底标高(m);

HW——进出坞设计水位(m);

TK——设计船舶进出坞时的最大吃水(m);

h——船坞中龙骨墩高度(m);
一般取1.2~1.8m;

a——富裕水深(m);
一般取0.5~1.0m,大船取大值,小船取小值。

坞口门槛顶标高可高于坞底,一般高0.5m以上,但应低于中龙骨墩顶面至少0.5m。

考虑本次调研的复合筒基础吃水约10m,故船坞设计坞室底标高HD应大于15m。

由上述分析可知,综合复合筒对船坞主体尺寸的要求,船厂配备的船坞若能满足20000t船舶维修/建造的要求,则可满足复合筒基础的建造及发货要求。

5.2 船坞选址

考虑到复合筒建造完成后高度较高,若考虑风电机组一同安装在其上再进行整体运输,则浮拖运输的通航高度要求则非常高,故船坞选址应尽量选择在沿海地区,河内航道尽量避免通过桥梁,广西北部湾区域具备有优良的港口条件。经调研,中船广西船舶及海洋工程有限公司具备年修理改装10万吨级各类船舶及海洋工程装备,建造2万吨级以下各类船舶,生产风电塔、导管架等大型钢结构件的能力,符合复合筒基础制造及运输要求。

广西海上风电发展建设从近海浅水区起步,在存在水深较浅及大面积嵌岩的问题下,结合政府规划下的北部湾区域海上风电产业规模化基地建设,引用复合筒基础一浮拖一体化安装工艺进行海上风电建设,与传统技术相比,大幅度降低工程量及船机投入,可实现基础批量化建造、整机运输及一体化安装,对广西海上风电产业规模化有较好的帮助。

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