導讀

隨著我國海上風電大規模的投入使用，近海資源逐漸趨于飽和，海上風電正逐漸走向“深藍”。與此同時，海上風電支撐結構形式也伴隨水深變化，從固定式支撐結構到漂浮式支撐結構進行演變。漂浮式海上風電作為一種能夠開發更深、更遠海上風資源的技術，有助于擴大對海上風資源的利用范圍，突破水深對立柱式海上風電施工帶來的限制，同時也能有效降低施工對海洋環境的負面影響。
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2021年7月，中國科協在第二十三屆中國科協年會閉幕式上發布了10個對科學發展具有導向作用的前沿科學問題、10個對工程技術創新具有關鍵作用的工程技術難題，并首次發布10個對產業發展具有引領作用的產業技術問題。其中在產業技術問題中，提到了“如何攻克漂浮式海上風電關鍵技術研發與工程示范難題？”。開展深海漂浮式海上風電技術研發與樣機示范項目探索，有利于我國掌握技術制高點，在深遠海海上風能資源競爭中占據優勢，有利于儲備研發力量，為將來大規模開發深遠海資源奠定基礎，同時，也為“一帶一路”和“走出去”戰略打下基礎的良好契機。

漂浮式海上風電的發展動力主要來自于發展需要、資源稟賦、政策激勵等多個方面。我國漂浮式基礎的研究已開展多年，目前行業內也已呈現出越來越多企業開展研究的局面。立足于國際市場，著眼于未來5年，當能源轉型、應對氣候變化，或者戰略需要“能源島”建設時，積極布局漂浮式風電的企業就會擁有良好的發展先機。因此本文綜合海上風電關鍵技術和國內外建成的漂浮式風機案例進行分析，以期為我國技術研發及工程示范帶來一些參考。

漂浮式風電基礎形式

我國現有的海上風電主要采用固定式基礎安裝在淺海區域(小于30m水深)，隨著水深增加導致固定式風力機建造安裝費用急劇增加，水深大于50-60米以后，漂浮式風機系統建造成本將大幅降低，因此，水深大于50米的海域一般采用漂浮式基礎作為風機的支撐平臺。

1972年，美國馬薩諸塞大學安默斯特分校的Heronemus教授首次提出了海上漂浮式風電的技術概念，但限于當時的技術水平和高昂的建設成本，相關技術并未引起廣泛關注。隨著技術發展至今，海上漂浮式風機極大地拓展了海上風電的應用范圍，并且具有諸多的優勢，例如：機位部署更加靈活、可在岸上完成整體組裝、海上施工安裝更加方便、可完全拆解與遷移、可搭載更大功率的風電機組等。近年來隨著海上風電單機功率大型化和海上風場走向深遠海，漂浮式風機技術正成為熱點研究方向之一，不斷地涌現出新形式，但大體可按照其靜穩性原理將之劃分為立柱式(Spar)、半潛式(Semi)、張力腿式(TLP)、駁船式(Barge)。

立柱式(Spar)：該類型平臺的重心設計遠低于浮心。當平臺發生傾斜時，重心和浮心之間形成回復力偶可抵抗平臺的傾斜運動；與此同時，較小的水線面設計，可減小平臺垂蕩運動，但較大的平臺吃水設計導致其對工作水深有特定的要求，通常要求大于100 m水深。

半潛式(Semi)：該類型平臺在風機傾斜時，可通過分布式的浮筒結構產生較大的水線面變化，進而產生抵抗平臺傾斜運動的回復力矩；適用水深通常大于40 m，適用水深范圍較廣；平臺的各方向運動適中，但對低頻波浪二階力較為敏感；可采用濕拖法運輸，部署靈活，技術較為成熟。

張力腿式(TLP)：該類型平臺通過垂向下的系泊張力平衡浮體向上的超額浮力，類似“上下繃緊”的結構；因此，具有較好的平臺垂向運動性能，但是其安裝過程較為復雜，且張力腱結構造價較高，目前國內缺乏相關的制造和施工安裝經驗；適用水深通常大于40 m，對高頻波浪二階力敏感。

駁船式(Barge)：該類型平臺類似于船型，利用平臺浮力抵消重力，適應水深通常大于30 m，垂向運動固有頻率在一階波浪頻率范圍內，故波頻響應較為敏感，設計時需要進行平臺運動頻率優化；結構形式簡單，容易制造，穩性較好，可采用濕拖法整體運輸，部署靈活且成本較低。

漂浮式風電關鍵技術

1穩性校核研究

海洋工程結構物穩性指的是在其在拖航、安裝和使用過程中，結構物所具有的抗傾覆和抗滑移的能力。在海上漂浮式風機的設計工作中，首要的目標是能夠保證其漂浮式基礎的穩性，以保障其在服役的各階段不發生傾覆性后果。因此，海上漂浮式風機設計的首要步驟是進行相應的穩性計算與校核，可依據不同階段，劃分為拖航、安裝和使用過程的穩性校核。另外，根據浮體是否發生破艙（壓載艙）事故，又可以分為完整穩性校核和破艙穩性校核；其中，破艙穩性校核作為事故工況中較危險的情況，設計時需要格外注意。

當前海上漂浮式風機還沒有成熟完善的規范指導其穩性計算與校核工作，國內外研究者主要以海洋油氣平臺的相關規范作為漂浮式風機穩性校核參考；根據現有規范要求，浮體搖擺角度和力矩關系如圖3所示。

浮體擺角與力矩關系圖

當浮體受到外部傾覆力矩時，從正浮狀態逐漸傾斜至第二交點或進水角處的復原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應比至同一限定角處的風傾力矩曲線下的面積大30%，且復原力臂在上述的范圍內要保持正值和回復力消失角（回復力矩曲線與傾斜軸的第二個交點）大于36度。依據現有的船舶與油氣平臺設計經驗，提高漂浮式風機穩性的措施主要有降低浮體的重心、增加浮體的干舷、增加浮體的寬度、注意浮體水線以上的開口位置和風雨密性及水密性等。

2系泊系統的研究

漂浮式風機作為海上浮式結構物，需要通過系泊系統進行位置和運動的約束，其力學作用機理主要通過系泊材料的變形或懸空重量改變來提供約束張力。系泊系統通常包含絞車、導纜設備、系泊線、錨、重力和浮力套件等組成。

常見的系泊形式包括懸鏈線式系泊、傘型張緊式系泊、垂向張力腿系泊。對于立柱式、半潛式和駁船式海上漂浮式風機，常采用的是懸鏈線式系泊，系泊線通常為鋼鏈結構；鋼鏈由許多鏈環連接而成，鏈環分為有檔環和無檔鏈環兩種，鋼鏈因其制造成本低、工序簡單、強度高等優點，成為運用最廣泛的系泊材料。系泊線的預張力主要取決于錨鏈的懸空段，錨鏈的回復力主要通過錨鏈懸空段的變化來實現；但是這種系泊方式存在較長的海床平躺段，因此所占據的海床空間較大，重量隨著水深增加而急劇增大。為了克服上述問題，有時可采用傘型張緊式系泊，該系泊線采用鋼纜或者其他復合材料，鋼纜由鋼絲組成，其常見的形式有六股式、螺旋股式、多股式等；同等斷裂強度下，鋼纜的重量僅為錨鏈的20%，因此深水系泊系統為了降低系泊重量常采用鋼纜系泊；此時系泊線的約束張力主要依賴于纜索的拉伸變形而非懸空段自重，所搭配的海床錨固裝置需要承受水平張力之外，還需要承受較大的垂向張力。鋼纜成本較鋼鏈高，且材料呈現非線性的力學特征，系泊松弛后重新張緊時，會帶來跳躍性的沖擊載荷，對纜索強度和疲勞問題帶來了較大的威脅；因此，在設計時可結合鋼鏈和鋼纜特性進行分段設計，以獲得更優的系泊動力性能。

對于張力腿式海上漂浮式風機而言，常采用垂向張力腿系泊，該類型的系泊線常采用合成材料。合成材料在系泊系統上的使用日益頻繁，合成纖維材料通常有尼龍（聚酰胺）、聚酯、聚丙烯和聚乙烯等。在同等規格下，合成材料制成的纜繩比重小，耐磨性好，有較大的回復力；但以合成纖維為組成成分的纜繩也有其弊端，如纜繩的軸向剛度隨軸向張力作用時間發生變化，容易偏移，也容易打滑而產生蠕變，因此每隔幾年需要重新張緊調整。該類型系泊與海床的錨固裝置需要承受較大的垂向張力，頂部預張力可通到絞盤進行微調節；由于張緊狀態使得張力腿的固有頻率較高，當在外界激勵作用下，如流體引起的渦激振動和二階和頻波浪力等，都有可能引起張力腿發生高頻彈振和顫振問題，繼而發生疲勞損傷。

浮體的系泊線需要通過錨固裝置與海床進行連接，根據錨固裝置的形式和力學特性，可大致將其劃分抓力錨、重力錨、樁錨、吸力錨四種。

抓力錨(拖曳嵌入式錨)是目前使用最廣泛的一種錨固結構，其部分或全部嵌入海底，主要靠錨的前部結構與土壤的摩擦力來抵抗外力，能承受較大的水平力，但垂向力承受能力不強，常與懸鏈線系泊的錨鏈搭配使用。

重力錨主要通過壓載與海床表面的摩擦力來抵抗錨鏈的水平張力，通過壓載重量來抵抗錨鏈的垂向張力；隨著錨鏈的垂向張力水平要求的提高，設計的重力錨需要更大的壓載體積，而且水平張力通常難以單純通過壓載和海床之間的摩擦力進行平衡，其性能與海床息息相關，限制了其使用范圍。

樁錨通過向海床打入樁基，通過樁基與土壤之間的作用力來提供錨鏈的水平張力和垂向張力；但是在深水區域作業時，施工費用較高。

吸力錨類似于樁錨，通過安裝于鋼筒頂部的人工泵使鋼筒內外出現壓力差，當鋼筒內壓力小于鋼筒外時，鋼筒隨即被吸入海底，然后將泵撤走，能夠承受系泊線的水平張力和垂向張力。

為了改善系泊線的動力性能，有時需要增設塊重和浮力器件進行調節；塊重的形式有集中式和分布式。通常而言，安裝集中式塊重的錨泊的靜態響應較佳，而安裝分布式的塊重的錨泊的動力響應較佳。錨泊線上的浮力器件主要有浮筒、浮球和浮箱等；在懸鏈線錨泊上設置浮力器件可以有效地降低錨泊線的動張力，但通常會降低錨泊的水平剛度。在張力腿上設置浮力器件可抵消錨泊自重，使其成為完全的張力部件。

3動態海纜的研究

海上風電需要通過海底電纜送出電能，相比固定式風機而言，漂浮式風機由于支撐平臺運動具有一定范圍，因此電纜近端需要采用動態海纜技術，并且需要利用浮力單元將海纜懸掛，呈現“S”形態，以使得海纜在一定的擺動范圍內可隨平臺運動，起到緩沖的作用。動態海纜跟隨浮體運動的過程中，會受到相對運動的海流作用，因此承受較大的彎矩、剪切和扭矩的綜合作用，受力特性復雜。

目前，學術界和工業界對于漂浮式風機的動態海纜研究缺乏系統性和深入性。在漂浮式風機一體化計算過程中，絕大多數采用分離的做法，即浮體運動不考慮海纜的存在，忽略海纜與浮體之間的耦合約束。海纜的設計存在極限長度和極限彎曲角度限制，這對浮體的運動，尤其是極端工況下的運動提出了限制性需求。

4水動力特性的研究

與固定式的海上風機相似，漂浮式風機服役的海洋環境中同時受到風、浪、流等環境載荷的作用；但漂浮式風機支撐平臺的結構尺寸相比于固定式風機更大，因此其水動力荷載不能完全采用Morison經驗公式進行簡化計算，而需要采用勢流理論甚至計算流體力學的方法。

對于立柱型漂浮式風機，其重心設計低于浮心，浮體具有自穩特性，水線面較小，因此所受到的波浪荷載也較小；但由于頂部風輪高程較高，在額定風速下，風傾力矩容易導致較大的平臺縱搖。通過合理的設計，其平臺運動固有周期可以避開一階波浪力周期范圍，也對二階波浪力不敏感。立柱型漂浮式平臺不同方向的運動之間會有耦合響應，相關的數值和試驗研究發現當立柱型漂浮式平臺的垂蕩周期大約為縱搖周期2倍關系時，會出現明顯的垂蕩-縱搖耦合效應，繼而誘發較大的垂向運動，影響立柱型漂浮式平臺的性能，這種現象稱為“Mathieu instability (馬修不穩定)”，設計時需要格外注意。另外，由于立柱型漂浮式風機通常由單立柱構成，因此在海流載荷的作用下容易在立柱主體兩側產生交替性漩渦，使得結構物出現周期性的脈動壓力，繼而引發渦激運動。由于渦激運動共振時存在“鎖頻”（Lock-in）現象，其共振的流速范圍可能較大，對立柱型漂浮式風機設計而言，也是需要格外注意。

對于半潛型漂浮式風機，其六自由度運動的耐波性適中，通過合理的漂浮式支撐平臺設計，能使得平臺運動固有頻率避開一階波浪力峰值頻率范圍，因此半潛型漂浮式風機適用的海域和水深范圍較廣。由于通常的半潛型漂浮式風電設計中，重心位于浮心之上，且間距并不大，穩性校核時具有極限傾斜角限制。其縱蕩/橫蕩運動固有頻率取決于系泊剛度，通常較小，因此可能對二階差頻波浪力敏感。同時，差頻波浪力會產生定常的平均波浪拖曳力，使得浮體受到非周期的拖曳載荷作用，繼而發生平均位置的偏移，這些都需要格外注意。

對于張力腿型漂浮式風機，該類型平臺通過系泊垂向張力平衡浮體的超額浮力；因此，具有較好的垂向運動性能；但是在水平方向，如縱蕩、橫蕩和首搖運動較為柔軟，在受到風輪氣動推力荷載時，水平運動幅度可能較大，繼而會導致各個張力腿受力不均勻而產生耦合垂向運動。另外，由于張力腿型漂浮式風機的垂向運動固有頻率高于一階波浪力頻率區域，但容易發生波浪二階和頻的高頻共振。

海上漂浮式風機的水動力計算主要借鑒于海洋工程結構物水動力計算方法，主要有半經驗方法，如莫里森法(Morison) ；勢流計算方法，如弗汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov）力計算方法、邊界元法和三維面元法；計算流體動力學方法等。

5氣動力特性的研究

與傳統的固定式海上風機相比，漂浮式風機的平臺基礎約束較弱，導致風輪的氣動載荷存在明顯的非線性特征。單個海上漂浮式風機的氣動特性研究可大致劃分為三方面，一是浮式平臺基礎對頂部風輪的氣動性能的影響；二是風輪氣動載荷對平臺基礎運動的影響；三是氣動載荷與結構振動等動力響應的耦合，即氣彈性問題。

氣動載荷對漂浮式風機運動的影響主要可以分為氣動激勵載荷和氣動阻尼載荷；氣動激勵載荷，如氣動推力會使得漂浮式風機的支撐平臺發生較大的縱蕩和縱搖運動。

氣彈性問題一直都是風力設備研究的重點考慮因素，相比于固定式風機，漂浮式風機的平臺運動更明顯，導致氣動載荷波動更大，結構慣性載荷更大，導致更加明顯的槳葉和塔筒結構振動，甚至引發平臺基礎的高頻運動。

6結構安全性的研究

結構安全性研究主要分為結構極限載荷，結構共振，疲勞分析等方面。

結構極限載荷:漂浮式風機與固定式風機的最主要區別是浮式平臺的波頻運動(位移、速度和加速度)將引起額外的結構載荷、振動、疲勞。

結構共振:需要分析結構的振動自然周期與波浪周期的關系，避免發生結構共振。

疲勞分析:需要依據波浪長期散布圖進行結構疲勞分析。

7經濟性的研究

經濟性主要考慮建設風機時的風機功率及平臺用鋼量、建造難度，系泊形式、系泊纜材質和數量，錨固基礎形式及數量，運輸安裝費用，可靠性及運維費用等方面，綜合多方考慮，以經濟的方式建設風場。

結語

近年來，海上漂浮式風電技術伴隨全球海上風電商業化開發熱潮而日趨成熟，并處于商業化起始階段。對于中國海上風電行業而言，開展漂浮式風電技術研究和工程化實踐，有助于拓展海上風電空間范圍，是海上風電行業可持續發展的重要方向，也是我國未來保持海上風電產業競爭優勢的重要抓手。

本文綜述了海上漂浮式風機基本形式，關鍵技術研究現狀，相關工程挑戰，對我國現階段的漂浮式技術研究和相關工程項目開展提供了較為全面的技術參考。