海上风电吸力式筒型基础应用研究

  [目的]  筒型基础是一种极具潜力的环境友好型海上风电基础,如何有效的实现筒型基础顺利下沉到设计深度和下沉过程结构垂直度的精准控制,避免筒内土塞隆起或筒裙及分舱板变形甚至屈曲带来的安装风险是筒型基础应用层面的关键问题。  [方法]  通过总结吸力式筒型基础在国内外风电工程中的应用,分析了筒型基础施工过程中下沉和调平两个关键问题涉及的相关机理和方法。  [结果]  研究表明:准确预测复杂土质条件下筒型基础施工过程下沉阻力及施工临界吸力和施工过程可能发生的结构变形等不稳定性态分析将有效规避单筒型、多筒型和单筒多舱复合型筒型基础吸力下沉调平过程中的施工风险。  [结论]  海上风电吸力式筒型基础应用总结分析,可以为实际工程提供筒型基础下沉和调平施工方案的相关参考。     

海上风力发电复合筒型基础拖航稳性研究

  目的  海上风力发电复合筒型基础作为一步式运输安装技术的基础，已经广泛用于海上风电的发展。文章主要研究内容为保证复合筒型基础在施工过程中的稳定性。  方法  通过一步式运输安装船运输现场实验，对江苏响水25#风电整机施工过程中塔筒、叶片吊装以及拖航过程进行实时监测。  结果  结果显示，塔筒、叶片吊装过程中复合筒型基础倾角较小；拖航过程中船筒间相互作用力、横纵摇角以及筒内液封高度均满足要求。  结论  表明塔筒、叶片吊装过程中，复合筒型基础具有良好的稳定性；拖航过程中，运输船与复合筒型基础紧密贴合，能保证运输过程中整体结构的稳定；并且复合筒型基础在拖航过程中能够提供稳定的浮力。     

筒间距对四筒导管架基础在砂土中承载特性的影响

导管架吸力筒基础是近年来兴起的一种新型的海上风电基础,目前对其承载特性的研究相对较少。针对四筒导管架海上风力机基础,通过建立不同筒间距的四筒导管架基础有限元模型,研究了筒间距对导管架基础在砂土中极限承载力的影响。研究发现：导管架基础的竖向承载力受筒间距变化的影响不大,而极限水平、抗弯以及抗扭承载力随筒间距的增大而呈现明显的增加趋势。     

基于高斯混合聚类的海上风电出力特征曲线提取方法及其在电量平衡计算中的应用

  目的  为了减少化石能源消耗和改善环境污染问题,海上风力发电是解决问题的有效方式之一。然而,海上风电存在间歇性强、波动性大、双向调峰性等问题,研究其出力特性曲线对海上风电消纳具有重要意义。  方法  提出一种基于贝叶斯信息准则的高斯混合聚类模型,对海上风电原始出力曲线进行分类和特征曲线提取。  结果  得到能够反映不同海风区域特点的海上风力特性曲线,并应用于海上风电出力的电量平衡计算。  结论  最后,以沿海某省份海上风电15 GW装机规模下不同海风区域原始海上风电出力曲线为研究对象,验证所提方法的有效性。     

破碎波作用下单桩式海上风机水动力学数值分析

  目的  我国南汇、东海、大丰等海上风电场的设计波浪十分接近波浪破碎极限，需要探究浅水水域单桩式海上风机基础受破碎波载荷的动力响应。  方法  利用FAST耦合分析软件，考虑使用波浪拉伸的方式计算波浪力载荷，对单桩式风机在东海海况下的耦合动力响应特性进行分析。  结果  分析结果表明:使用波浪拉伸方式计算破碎波载荷更加接近实际海上风机所受到的载荷，且明显高于不使用拉伸方式计算的破碎波载荷。破碎波更容易激发塔筒的一阶固有频率，风浪联合作用下风机结构动力响应更加显著。  结论  研究成果为我国浅水非线性波浪区域单桩式海上风电的开发提供了一定的参考。     

新型海上风电基础结构空间三维数值模拟研究

  [目的]  为迎对海上风电快速发展的趋势,亟需开发新型海上风电基础结构形式以满足大水深和深厚软基的设计需求。  [方法]  结合某海上风电工程基础设计为算例,以PLAXIS 3D大型有限元软件为平台,对一种新型大直径钢圆筒组合导管架风机基础结构进行空间三维弹塑性数值模型分析研究,采用合理可行的本构类型以及简化形式模拟风机基础的整体稳定性,考虑钢圆筒与土体之间的共同作用,分析风机基础的内力与位移;再用ANSYS软件建实体模型计算极限荷载工况下各构件的应力。  [结果]  研究结果表明:新型组合式风机基础内力和位移均可控,在理论上可适用于软基和深水区海上风电场建设。  [结论]  分析结果对今后新型海上风电基础结构的开发与研究具有一定的参考意义。     

三脚架式海上风电支撑结构流固耦合动力分析

近海固定式风电机组水下支撑结构的体积较大,海水对结构体系的振动特性存在影响。文章以5 MW三脚架式海上风力机为研究对象,建立了考虑桩-土体系及流固耦合作用的整机动力学分析模型;借助有限元软件ANSYS对该结构体系的流固耦合模态进行数值求解;通过低阶固有频率和振型特征,分析了海水对振动模态的影响。在此基础上,运用动力时程法分析了整机在El-Centro波作用下的地震动响应。研究结果表明,在地震作用下,海水附加作用能够显著增大基础侧向位移和桩基弯矩,在进行海上风机设计时,须给予考虑。     

海上升压站裙桩型导管架基础设计分析

  [目的]  随着国内市场能源供给逐渐往新能源方向发展,海上风电在国家的大力支持下,逐步发展。作为海上风电的核心构筑物,海上升压站有着举足轻重的作用。由于导管架对水深的适应范围较广,目前国内及国际上主流的海上升压站平台,大部分采用导管架结构。根据导管架与桩的连接方式的不同,分为水下裙桩导管架以及常规的桩腿打入式导管架,根据以往经验,裙桩基础一般应用在深水区域(超过40 m)。  [方法]  针对导管架海上升压站裙桩基础,从施工及设计两个方面进行介绍,在某工程的区域性地质条件下,与常规打入式导管架腿进行了设计计算对比。  [结果]  分析表明:海上升压站带裙桩的导管架相比目前浅水区常规导管架,减小了桩长以及导管架杆件截面,降低了用钢量,节约了海上升压站的成本。  [结论]  研究成果对海上升压站的模块化开发具有重要的应用意义。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

  目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。  方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。  结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。  结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

大规模海上风电集中送出建设模式研究

  目的  当前海上风电已成为全球风电发展的研究热点。我国海上风电尚处于起步阶段,而当前的运营模式存在不利于海上风电大规模集中送出等缺点,无法适应新形势下的长远发展。另一方面,欧洲各国对海上风电的补贴政策与我国当前的发展思路有所冲突,可借鉴性不强,且欧洲模式本身仍存在弊端。因此亟需探索适合我国近海深水区海上风电发展的新模式。  方法  首先分析了欧洲各国海上风电发展现状,并对海上风电输电模式进行总结;其次给出了四种海上风电输电技术应用场景;最后对海上风电商业模式进行了可行性分析。  结果  结果表明:在拆分海上发、输电侧环节后,广东省预计“十四五”期间能够实现平价上网;相比于分散式开发,深水区海上风电统筹集约式开发从经济性及环境集约利用层面更具有优势。  结论  形成的研究结论可以为后续大规模海上风电集中送出项目的方案设计和建设模式提供技术支持,具有很好的示范应用前景。     

导向架平台吸力桶基础施工过程控制关键技术

  目的  针对目前吸力桶基础设计与施工技术还未成熟，缺乏规范性指导文件的现状，对吸力桶施工过程控制关键技术展开专题研究。  方法  以某海上风电场导向架平台基础工程为背景，以实测数据为基础，采用统计分析、数据挖掘、过程回溯反演的方法与技术手段。  结果  详细介绍了吸力桶基础成套安装设备与智能化、数字化控制系统的构成与功能；探讨了导向架吸力桶基础施工过程中的控制参数与控制标准；归纳总结吸力桶贯入/顶升可行性分析计算工况与参数取值方法；提出吸力桶从入泥沉贯到顶升回收全过程每一环节的控制要点与控制方法。  结论  最后以7个四桩导向架吸力桶基础的施工实测数据，说明吸力桶基础施工过程中控制参数的变化特征与控制效果，以供类似吸力桶平台基础设计施工时参考。     

桶型基础气浮拖航特性综述

  目的  桶型基础是一种新兴的环境友好型海上风电基础结构，具有建造简单、施工高效、综合成本低等特点，逐渐受到了国内外海上风电工程界的关注和认可。桶型基础底部开口，可通过内部气垫的压缩产生的气压力排开水体，形成桶内外水压差来提供上浮力，这种自浮特性是桶型基础能够进行气浮拖航的前提。  方法  总结了国内外气垫结构的浮运特性，对比论述了应用于不同领域的气浮结构的相关理论、试验方法和研究结果。  结果  综述分析了气垫、分舱形式、谐振晃荡等对结构动力响应的影响规律。  结论  气浮拖航特性分析对桶型基础的推广应用具有重要的现实和理论意义。     

海上风机支撑结构整体优化设计

  [目的]  当前国内海上风电项目在投标阶段通常采用分步迭代设计(Sequentially Iterated Approach，缩写为SIA)方法和流程，风机厂家给出塔架设计并担保工程量，但最终得到的设计往往是塔架最轻的局部最优设计而不是整体支撑结构最轻的设计。为了降低海上风电平准化度电成本(Levelized Cost of Energy，缩写为LCoE)，提出了整体优化设计(Integrated Design Optimization，缩写为IDO)的流程和优化列式，建议在海上风电项目招标阶段业主可要求风机厂家联合设计院编制并提交整体设计投标方案，把设计域扩大到整体支撑结构进行优化设计，寻找全局最优的设计。  [方法]  为了说明IDO方法和流程的优势，以某海上单桩基础项目为例，分别计算不同塔架直径和单桩基础直径的共18种设计方案，比较了采用SIA方法与IDO方法获得的结果。  [结果]  结果表明:IDO相比SIA可在塔架质量增加较小时大幅减少整体支撑结构的质量。  [结论]  在今后的海上风电工程项目应用中，可通过IDO优化设计方法和流程给出整体支撑结构最轻的设计方案，为降低海上风电LCoE提供可行的解决方案。     

海上风电场智慧运维管理系统

  目的  针对海上风电场运维安全管理,提出了海上风电场智慧运维管理系统。  方法  通过海上风电智慧调度系统、海上风电雷达多源跟踪及边界警示系统、海上风电场风机平台作业监管系统,搭建出海上风电场智慧运维管理系统。  结果  通过陆上集控中心的海上风电智慧调度系统,实现人员的安全管理以及船舶调度。通过海上风电雷达多源跟踪及边界警示系统,实现海域船只全范围跟踪,并确保海上风电场的风机及海缆安全。通过风机平台的海上风电场风机平台作业监管系统,实现风机作业人员在风机平台的全面管理。  结论  研究的系统实现了海上风电场人、船、风机的全面管理,有力保障了人员的安全管理以及船舶调度,提高了海上风电场的风机及海缆安全性,实现海上风电场智慧运维效率,有望在工程中应用推广。