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海上风电工程综合解决方案

来源：欧美大地仪器设备中国有限公司分类：应用方案 2021-07-03 16:27:14 127阅读次数

风电一直保持着世界能源领域增长Z快的地位。在海上风电方面，ZG东部沿海的海上可开发风能资源约达7.5亿千瓦，不仅资源潜力巨大且开发利用市场条件良好，只是由于ZG沿海经常受到台风影响，建设条件较国外更为复杂。海上风电目前定义为离岸10km，水深10m的外海，需在海上立起塔架结构，在上部安装运行风机。

海上风电施工复杂，影响因素多、施工难度大、调整成本高，因此根据实际自然条件不同，设计方案也会产生较大的差别。海上风电项目大致分为以下几个部分：

01 自然条件勘察
海上风电场都是离岸施工，工作场地远离陆地，受海洋环境影响较大，可施工作业时间偏短，因此施工承包商要根据工程区域海洋环境特点，选择施工设备、确定施工窗口期、制定施工工艺和对策，才能更好地完成本工程。

在海底工程施工前，除要对水域、气象等条件进行统计和实测外，还要详细了解工程区海底各土层的土质特征，求取各土层工程性质指标、确定桩基参数等。海床静力触探系统是海底土力学调查的重要手段，具有快速、准确的优点。

Geomil海床静力触探
海床静力触探(CPT)试验系统MANTA-200是一种重型的水下静力触探(CPT)系统，是目前ZX型的海床静力触探(CPT)试验系统，其独特的链式驱动设计，带来了海洋静力触探系统的革命性改变。可快速、精确地测试离岸海底土层力学性质，可以在500m以上水深地近岸环境中使用，ZD可以在4000m水深地离岸环境中使用。

Meridata MD DSS 多模式水下综合数据采集系统
该系统支持多种声学模式的操作方式，可以广泛用于沙滩、河口、海岸带及大陆架等处的沉积及浅层剖面测量。系统针对于来自各种声源发射的不同的声学信号，系统能够生成用户自定义的各种输出成果。此外，它还可以接收、处理、记录并形象地显示声学反射信号。同时，系统也可以将这些回声探测数据与对应的包括测量船实时位置在内的各种数据同步存储起来。

RG 可再生能源测井系统
RG可再生能源测井系统适用于风电设施的地质勘察工作，采用P-S数字悬挂探头，可在恶劣环境中的持续工作; 已成功部署在海洋地质勘探中，并收集数千个海岸钻孔的数据。

Geotomographie跨孔地震成像系统、波速测试系统
探测地下岩溶、古洞、空洞、埋设物、矿区采空区；查明地下构造、渗透带、水流通道和方位，圈定破碎带位置和范围；建筑物地基、铁路公路路基等不良地质体检测，水电站、核电站选址勘查；桩基质量检测、库坝灌浆帷幕和高喷防渗板墙质量检测，水库、坝基检漏等。

在获得施工海域详细自然条件信息后，要根据实际施工条件设计合理、可靠的风机施工方案。其中风电机基础设计是风电场设计中的重要组成部分,其造价与其安全性又关系着整个风电场的生存。资料显示，欧洲已建成海上风电场中，地基基础体系的资本比例占到百分之二十,风电机组由于基础结构因素而导致的破坏占到总破坏量值的百分之十八。因此，对风机基础结构的研究与离岸测试实验必不可少。

02 离岸测试与设计
海上风机基础结构兼具高耸结构基础、海洋结构工程、动力设备基础以及复杂软土地基四种特性。风机基础需要承受360°重复荷载，且具有大偏心受力特性,风机基础同时承受竖向荷载、水平荷载、倾覆弯矩以及扭矩的共同作用,水平荷载,竖向荷载和力矩共同作用的加载方式称为复合加载模式,在此种复合加载模式下建筑物及其地基的整体稳定极限承载力是工程设计中的关键问题。
可以复制应用于海上能源结构基础土壤的二维和三维静态和动态循环荷载系统是验证风机基础的有效手段。这些系统包括三轴和直接简单剪切系统，可以确定海上土壤的循环强度，以及固结特性，使用局部传感器的小应变刚度测量，以及静态不排水强度，以便在设计过程中进行评估。

GDS伺服电机控制的动态循环单剪试验系统EMDCSS
EMDCSS电机控制的动态循环单剪设备可以很好地研究土的动态特性，因为它简易而且可以模拟现场的许多加载条件，而这些特点是其它实验室设备所无法达到的。EMDCSS设备可以让主应力的方向平稳和连续地旋转90度。模拟主应力旋转的能力可以适合研究许多岩土问题，包括地震荷载。该单剪试验系统可以直接研究排水和不排水条件下的剪切应力和剪切应变的关系，也可以用于海底结构，滑坡和地震性能研究的常规试验。

GDS多向动态循环单剪系统VDDCSS
VDDCSS允许两个方向进行简单剪切，而不是标准单向。这通过具有作用于其上的次级剪切作动器来实现，此剪切作动器与主剪切作动器相差90度。

当用作变向系统时，次剪切轴可以独立于主剪切轴或与其一起使用，因此可以在任何水平方向上执行简单的剪切。近似于海上结构可能由于风和波浪载荷组合形成的复杂载荷模式。

GDS多维复合动态循环单剪实验系统MDDCSS
MDDCSS提供了一种用于测试土样的系统，土样可能随时间改变剪切荷载方向。这包括各种海上基础设施，附风力发电机和石油钻机。
MDDCSS还可以模拟在一个方向上偏移并在另一个方向上加荷的情况。

03 施工设备选择
风机基础钢管桩直径大、使用荷载大，对沉桩标准要求高。施工中采用的打桩船的桩锤、打桩架高度、起吊能力、抗风浪能力等技术参数必须满足设计和施工要求，尤其是桩锤的选型，力求一步到位，尽量减少选择桩锤过程中所做的“无用功”，以降低施工成本、保证工程质量。
目前大型的海上锤击沉桩机械主要有筒式柴油打桩锤、液压打桩锤、振动锤三种型式，根据工程施工要求，土质情况及承载力要求，在施工前，采用模拟打桩过程软件，选择合适的打桩锤及打桩系统，能够在一定程度上提高施工效率，降低施工成本，尤其是避免因错误选锤而造成的失误成本。

PDI 精确模拟打桩过程软件GRLWEAP 2010
GRLWEAP2010海工版特别适用于海上非均匀桩和斜桩的打桩分析。
*通过GRLWEAP打桩波动方程分析程序，分析并模拟打桩过程。GRLWEAP的波动方程被广泛用于沉桩分析。对于已知的桩身参数、土质情况及承载力要求,GRLWEAP可以帮助选择合适的打桩锤和打桩系统。
*GRLWEAP2010可在互联网访问自带锤数据库，数据库中拥有800多个型号的打桩锤数以及大量的打桩系统数据，数据库可定期更新。
*对于给定的桩锤系统,GRLWEAP可依据观测的锤击数预测打桩阻力、桩身动应力及预估承载力。
*GRLWEAP可打性分析可确定打桩过程中桩身应力和锤击数是否超限或拒锤。
GRLWEAP能估计总打入时间。

04 风机基础施工
海上风机塔架结构基础具有ZX高、承受水平力和弯矩较大等受力特点，且与海床地质结构情况、海上风和浪的荷载以及海流等诸多因素有关，同时海上施工条件复杂，受安装、施工设备能力的影响很大，设备的使用和调遣费用也非常昂贵。因此，海上风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的主要因素之一。合理选择基础结构型式对结构安全、施工难易程度及工程造价具有重要影响。
国外海上风机基础一般有单桩、重力式、导管架、吸力式、漂浮式等基础型式。国内多采用混凝土高桩承台基础、混凝土低桩承台、导管架及单桩等基础型式。这几种基础形式主要涉及钢管桩沉桩施工及承台施工两部分。

钢管沉桩施工

钢管桩在施工过程中，也存在着许多的不确定因素，有可能对施工安全及承载力控制等造成影响。因此，建议在钢管桩施工过程中，使用高应变设备，对打桩过程进行监控，这样就可以对施工过程中，桩身的应力，锤击能量，实时承载力等信息进行监测；另外，如果对同一根桩做过GRLWEAP打桩模拟分析，还可将高应变实测数据与之进行对比，对GRLWEAP模拟分析进行优化，并可指导后续桩基础的模拟分析。
相比陆地上的高应变测试，海上高应变测试的操作难度更高，不过，由于打桩锤的锤击能量大，锤击对中好，所以其实海上高应变测试总体效果是非常理想的，来自各地的用户已经充分证明了这一点。另外，海上高应变测试经常会涉及到桩头位于水面以下的情况，这就会给测试带来一定的困难，因为在这种情况下，传感器要位于水下，深度可能会达到几十米，甚至上百米，这对传感器的防水性，以及对海水的抗腐蚀性能提出了很高的要求；再者，这种情况下，主电缆的长度往往都超过100米，有时甚至需要两三百米，这又对由于电缆过长造成的电压损失补偿提出了要求，以保证测试信号的稳定性及可靠性。PDI委托Seacon公司生产的水下传感器能够WM胜任这样的工况，并已经过大量实践证明其可靠性。只不过，由于水深较深，传感器无法回收，检测成本相对会比较大，但考虑高应变测试带来的巨大作用，还是值得的。

PDI高应变打桩分析仪PDA-8G&水下应变和加速度传感器
PDA-8G可用于评估桩身承载力及其完整性。对于现场实测的数据还需使用CAPWAP拟合软件进一步分析，分析得出的结果与静载荷试验有着良好的相关性。
PDI浅水（100米以下）和深水（300米以下，Seacon生产）防水型力传感器和加速度传感器与PDA-8G打桩分析仪相配合，能够实现海上打桩高应变动测。

混凝土承台基础施工

承台起着承上启下的作用，上接风机塔筒过渡段，下接桩基，风机承受的巨大荷载通过塔筒传递给承台，还需承受台风期巨大的波浪力，承台受力复杂且荷载大，承台施工质量直接关系到上部风机的安全。
此外承台属于大体积混凝土，容易因水化热出现温度裂缝，模板的支立，仓面砼浇筑管理、施工冷缝和温控裂缝等较难控制，并且砼搅拌船海上施工作业容易受风浪影响。

05 机组结构检测

风机安装

风机设备海上安装是风机安装工作中Z为重要的内容，经过对国内外风电场建设的调查了解，根据风机零散设备的预拼装程度与起吊模式，可将风机吊装方案分为整体组装与吊装模式、分体组装与吊装模式。
风机塔筒及风机叶片是风电机组的重要组成部分，其安装质量的好坏直接关系着工程的整体质量。
风机塔筒属于金属构件，采用的钢管桩直径较大，钢材材质为低合金高强度钢，钢材的卷制和焊接施工难度较大，纵向焊缝与环向焊缝又是塔筒的关键部位，焊接质量不易控制，因此无论是在生产过程中还是安装后都需要进行无损探伤检测。
风机叶片产生缺陷的原因是多方面的，在生产制造过程中，会出现孔隙、分层和夹杂等典型缺陷。此外，叶片在运输和安装过程中，由于叶片本身尺寸和自重较大而且具有一定的弹性。因此，一定要做好保护叶片的工作，以防产生内部损伤。

06 运行安全监测
海上风电工程的安全监测主要包括风机基础与导管架的受力状态、变形特征与在环境荷载（台风、海浪、地震）作用下的动态响应。