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练继建:海上风电新型基础结构与高效建造技术探讨

2019-12-12 来源:能见APP 浏览数:1316

教育部长江学者特聘教授,河北工程大学党委副书记、副校长练继建出席大会并发表了题为《海上风电新型基础结构与高效建造技术》的主旨演讲。

     
      教育部长江学者特聘教授,河北工程大学党委副书记、副校长练继建出席大会并发表了题为《海上风电新型基础结构与高效建造技术》的主旨演讲。
      以下为发言内容:
      连继建:各位领导,各位专家、女士们、先生们,我发言的题目是“海上风电新型基础结构与高效建造技术”,我们的基础结构跟建造技术占了海上风电的成本接近接近50%,我把我们团队近些年来对这两个方面的探索跟各位报告一下。
      今天跟各位汇报的有四个方面:
      一、国内外海上风电高效建造技术发展。
      二、筒型基础与整体浮运安装技术。
      三、超大直径单桩风电基础施工技术。
      四、全潜式浮式风电的高效建造技术。
      我们国家海上风电开发存在以下三个方面不利因素:一是强太放,二是软地基,三是施工窗口期短,这些主要是相对于欧洲的水平来说的。这样三个情况造成了极限风速据统计比欧洲高2倍,地基平均承载率水平仅为欧洲1/2到1/3,施工窗口期短,像波罗地海平均施工周期200多天,中国南海平均施工周期只有100多天,别的国家同样的建造技术在我们中国是不能盈利的,我们要开发新型的海上风电基础结构研发独特高效的建造技术是我们降低建造成本的关键。
      我们基础结构可以有很多种,包括筒型基础、单桩、重力式基础、导管架基础、多脚架基础,每种基础施工的效率是不一样的,固定技术筒型基础是最高的可以实现整体式的安装,单桩基础结构施工效率也是比较高的,浮式的现在做的还比较少,我们也在探索全潜式一步式安装方式。基础结构在传统基础上中国有一些创造发明,一个是以华东院搞的无过渡段基础结构大大节省了工程投资提高了工程效率,还有就是针对海上风电单桩基础抗水平度控制不好,考虑桩筒结合,当时主要是针对美国五大湖是跟美国合作研究的,为水平控制不住考虑的基础结构形式。中国基础结构上有两个创新,一个是上勘院做的多桩平台式基础,还有就是天津大学跟华东院、三峡新能源合研究的复合筒型基础,还有全潜式飘浮基础。按照占比的角度还是单桩做主流,现在筒型基础这个数字有点错,真正建成现在有16台,现在设计采用明天还有30多台,在欧洲主要是单桩基础是主流的,从施工方法来看主要是有两大类,一个是分布式安装或者是分体式安装,一个是整机安装,整机安装就是把基础、塔筒跟风机整个一体化安装,我们团队跟三峡、道达、华东院率先研究了复合筒型基础与一步式安装技术,这个技术实现了一体化安装,安装已经有16台。
      这是一体化安装的视频,是把基础、结构一体化安装,真正运输到现场以后从风机的结构跟船体脱离以后一般都是一天内完成安装,真正路途是6到8个小时就完成安装,一天可以1台机。现在美国有一个公司开发重力式基础,这个也做了一台试验样机的安装,所有这些基础结构实现一步式安装都是用基础柱深的浮稳性安装,还做了伸缩式的混凝土筒。还有就是SPT与美国特拉华的概念设计是三筒式的安装,这个我们也研究过但是最后放弃了,因为它的浮稳性不行,在试验和模拟的时候很差,还有就是很难调频,主要是因为这两个原因没有做。荷兰也有一步式混合式重力基础的设计,现在来看整体式安装成了趋势。
      筒型基础与整体浮运安装技术,第一台筒型基础是在启东2.5MW的风机,当时没有实现一步式安装,主要考虑承载力行不行,到现在为止十几级台风都非常安全,入土只有5米是全混凝土结构的。在响水做了两台试验样急,是三峡毕总的支持下安装了两台试验风机,这是钢混组合的风机,安装精度最高可达0.3‰,从江苏南部一直拖航到响水,这个距离有几百海里。还有在大丰做了13台,11台是3.3MW,有2台是6.45MW,2台6.45MW是一次脱航运过去的,控制精度都小于0.8‰,这个还是很成功的。我们将来面对福建海坛浅水,有32台要实施。针对广东海域不同水深的,包括桂山有深厚淤泥层、阳江深水基础的我们也设计了多种结构,淤泥的就特别软,我们也考虑结合简易的地基处理方式看看这个基础结构能不能推出去。
      已功课的几个关键技术,一个是结构组合结构技术,钢混组合结构怎么优化它的受力这种结构体系的突破,从响水到大丰用钢量包括到广东的用钢量都是在700吨以下,刚才张总说了我们单桩用钢量一般6兆瓦以上是在1700、1800吨算是比较好的。
      批量预制的技术,这个预制技术也突破了。还有一个很重要的是整体式浮运的技术,就是如何控制船舶跟浮运的稳性,如果在波浪条件下它也是有很大的风险,我们在十几台运输的过程中唯一有一次遇到了东海长浪,阵风加速度在短时段是超标的。
      整体下沉和精细调频的技术,这个技术我们现在有专门的设备,一般下沉的时间是6到8个小时,可以控制在遣返之一的安装精度,这个技术我们在其他更复杂的海域用,比如说2.0版还需要突破以下的一些技术,这个是抗震的技术。
      结构形式的优化,包括从一筒到多筒到适用于深水结构的,包括桩筒结合,以筒为基础加上短桩的技术。现在预制灵活性不够,将来在哪有海域我们在海上预制技术也需要突破。几十米水深一步式沉放的技术也是我们下一步需要突破的,现在在实验室内已经突破了。还有一个是厚壁下沉技术,这是全混凝土,这个更省钢了,这个技术突破造价会进一步降低,2.0版有这几项技术需要突破。
      下面讲一下超大直径单桩风电基础施工技术,这个是跟华电重工合作一起研制的技术,单桩优势主要跟导管架比在很大程度上有优势,现在我们主要做了三项技术,第一个是风浪流荷载作用下垂直度精准控制技术,第二个是防止溜桩的技术,第三个是施工高效专用的技术。垂直度的控制很重要要解决的是在打桩过程中动态控制的问题,我们也做了机理性的研究,研究桩、土、风浪流、抱桩扶正结构动态耦合的作用机制,解决打洞下非线性土压力的算法,这个算法算清楚了我们就可以得出来在不同垂直度条件下桩上部的顶推力和入土深度的定量关系,为桩的顶推力的动态控制提供理论依据。
      我们编成了一套软件控制系统,自动推力的控制系统正好可以实时调控垂直度的水平,现在打单桩也能够控制在1‰以内,这个还是比国际标准3‰高。另外一个是溜桩提前预判和防控技术,溜桩是在层层地基上软硬相间的地基上,如果控制不 好很容易产生溜桩,我们研究连续打桩周土体强度衰减机理,把衰减的指数体系和分段模型提出来,现在我们有一项发明专利是把桩、土、锤耦合溜桩预判与沉桩参数精准控制技术做出预判,可以判断出溜桩区间和真正控制沉桩的时间包括锤能量的输出这样防止溜桩,经过调控以后没有发生过溜桩。这是船舶性能的调配问题,包括防桩触的评估,包括船舶的优化调控。我们做了很多工程,包括中电投的重要的工程。
      下面讲一下全潜式风电的高校建造技术,超过50米以上的水深要考虑用浮式基础,目前也是也是造价很高,另外就是横摇纵摇,这也是遵循复合筒型基础的理念,在岸边预制完一体化浮到现场,一步式安装。桩一般是先打下去锚锁先挂上,到现场一结合就成功了,拉到水面以下。
      这是做的一些实验,为什么叫全潜式的,它相当于半潜式,半潜式主要的问题是表面风浪荷载很大,横摇纵摇控制很难,拉到波浪影响区域外我们做了全潜式,基础风机也是拖航一系列的试验。拉下去以后耦合动力性能我们也做了一些试验,做了系统的一些理论分析,垂荡、横摇、纵摇都比全潜式更好。这个是抛砖引玉的东西,总体还是性能良好。以上是我的汇报,谢谢各位。(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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