海上風力發(fā)電可謂是時下最為熱門的詞匯了，然而你知道嗎？這個造福世界的新能源實際上才存在了27年。1991年，位于丹麥Lolland島附近的Vindeby的低水位海域的海上風力發(fā)電廠首次實現(xiàn)11臺風電機組并網(wǎng)運行，這也是世界上第一個海上風電項目。風雨無阻地運行了25年之后，目前世界上第一個海上風力發(fā)電場---丹麥東能源公司旗下的Vindeby海上風電場已退出世界舞臺。在整個運行期內(nèi)，Vindeby海上風電場共發(fā)出了2.43億度電。

　　2010年7月，我國建成了第一個海上風電場——上海東海大橋海上風電示范項目，這也是全球除歐洲以外的第一個海上風電場。

　　相比陸上風電，海上風電具有風力平穩(wěn)、風機利用率高、不占地、不擾民等優(yōu)點。但是海上風急浪高，風機安裝一直是難點。在2013年之前，我國海上風機的安裝通常由起重船來進行，安裝成本是陸上風機的兩倍。

　　起重船對作業(yè)環(huán)境非常敏感，極其依賴天氣和波浪條件，安裝作業(yè)效率低，穩(wěn)定性差，安裝一臺風機往往需要10天左右的時間。

　　今天港機圈就和大家一起聊一聊目前最新的風電安裝技術，詳解一下插樁式和坐底式海上風電安裝平臺的區(qū)別。海上風電安裝作業(yè)平臺和普通起重船的最大區(qū)別是，一個是有本之木，一個是無根浮萍。

　　在海上風電場施工中面臨最大的一個問題就是樁柱的安裝。將直徑3——8米、重達500——2000噸，甚至更大的樁柱用樁錘強力打擊插入水下泥中，也就是我們常說的“打樁”。樁打的不好，直接影響風電項目的作業(yè)效率和工程質(zhì)量。

　　當前，世界各國普遍采用插樁式海上風電作業(yè)平臺，但面臨著不能迅速插拔樁，作業(yè)程序復雜嚴格，樁靴必須座落在承載能力為80——100t/m2的硬質(zhì)土層或者密實的砂層上，碰上粘性土壤產(chǎn)生粘附力吸住樁靴，拔樁力遠大于壓樁力難以拔出等問題。

　　現(xiàn)用的海上風電安裝平臺是一種全新的海洋工程船舶，主要由起重機、船體、樁腿和樁靴、抱樁機以及升降系統(tǒng)等組成，主要用于海上風力發(fā)電的打樁作業(yè)、風機安裝和樁柱、樁錘等物料附屬設備的運輸。現(xiàn)代風電安裝平臺將起重船、海上作業(yè)平臺和運輸船、抱樁機以及生活供給船所具有的各項功能完美地融為一體，便于出海獨立工作和工作人員持續(xù)近月余的生活。另外還裝有先進的動力定位系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，操作靈活自如，可以獨立完成上述樁的安裝作業(yè)和運輸任務，全過程無需其它船舶協(xié)助。

　　海上風電場施工最大的難點就是樁柱的安裝。將直徑3——8米重達500——2000噸甚至更大的樁柱用樁錘強力打擊插入水下泥中，樁柱的安裝不僅需滿足樁柱的吊高（80——120米左右）、吊重和位置的要求，還要保證樁柱的垂直度，即垂直于海平面。同時由于抱樁機是安裝在船體上，因此要求船體在打樁的全過程不能移動，過去曾用拋錨絞車來穩(wěn)定船體，但它是柔性系統(tǒng)，無法保證船體固定不動，不適用風電打樁作業(yè)，早已被淘汰。

　　目前主要采用兩種方式，其一是將安裝平臺自身帶有樁靴的樁腿深深插入泥中使其在海上風浪涌襲擊下保持穩(wěn)定，其二令安裝平臺的船體“座底”，即下船體（中空浮體）坐在水下泥層面上，由泥層和下船體承載船的重量并依靠與泥層的摩擦力以及同時插入泥中的無樁靴的小樁保持水平方向的穩(wěn)定。目前，世界上的安裝平臺，都采用前一種方式即插樁來穩(wěn)定自身，即所謂插樁式海上風電安裝平臺。

　　插樁式海上風電安裝平臺的難題和缺點

　　海上風電裝置利用3——8米直徑、厚50——100毫米重達500——2000噸或更高的單樁柱插入海面泥中數(shù)十米，以支承海上風力發(fā)電裝置（重150——300噸）和承受風壓以及涌浪沖擊。打這種巨大的樁。插樁式海上風電安裝平臺的特點將自身也用樁腿插入泥中，并配有起重機和打擊力強大（200——400噸米）頻率高（30——50/分）的特殊樁錘，以及抱樁機等附屬裝備。

　　此外，為了減小海上涌浪對打樁船船體的沖擊，為躲避此力，用樁腿將平臺的船體稍抬離水面約4——5米，令涌浪從其下方穿過，為了滿足樁柱垂直度的要求，必須穩(wěn)定安裝平臺，其自身多采用長幾十米的大直徑（3——4米）樁腿和端部的巨大樁靴插入泥中（軟質(zhì)土壤條件下可能需20——30米）以承受其自重，并穩(wěn)定它在水中的位置。

　　這種插樁方式，雖能較好的實現(xiàn)打樁作業(yè)，但作業(yè)程序復雜嚴格，例如：總重達2萬噸大型風電工程船（包括外載5000噸），它每只樁腿插到位后，仍需經(jīng)過加載“預壓”工序以保證它有可靠的地基承載能力。每只單樁預壓載荷常需正常承壓的一倍（8000——10000噸），為此需先將船體注水，以增加自重，這種設計主船體需具備很大容積的壓載艙，對大型船舶往往難以實現(xiàn)，此時只能采用對角壓載的方法完成預壓（同時只壓兩只樁），對主船體結構提出很高要求，導致結構很厚重。而且樁靴必須座落在承載能力為80——100t/m2的硬質(zhì)土層或者密實的砂層上，才能為船體提供有效支撐，這種優(yōu)質(zhì)的地基條件往往需要在海底以下數(shù)十米才存在，打樁作業(yè)完成后，再拔出被泥砂覆蓋的樁靴。這些工序必須一絲不茍認真進行，否則打樁過程船體將會出現(xiàn)地基穿刺，導致歪斜甚至傾翻大禍。

　　現(xiàn)代插樁式海上風電安裝平臺插入泥中的樁靴面積至少為100平米，而樁腿直徑為4米左右，兩者截面的面積相差六倍，拔樁時， 樁靴上覆蓋的十幾米砂土重量會帶來巨大的下壓力，拔樁時還要克服這些土體與周圍土體相互間的摩擦和粘附載荷，以及樁靴底部上拔時產(chǎn)生的負孔隙水壓形成的吸附力和粘聚力，需巨大拔起力。視不同土質(zhì)，為消除負孔隙水吸附力和底部粘聚力，常常先要用高壓水沖樁，以連通樁靴底部孔隙和外界海水，而在泥中插深較深時，外界水不容易補充進來，這種連通更為困難。在特殊情況下，甚至可能沖不動樁。例如：每只樁腿視土質(zhì)和需插入深度（20米左右），通常其插入力需2000——3000噸，然后需加1倍于插入力進行“壓樁”作業(yè)（視土質(zhì)需保持12——24小時），如果碰上粘性土壤產(chǎn)生粘附力吸住樁靴，常使拔樁力遠大于壓樁力。有時，千方百計仍拔不出，不得已只好割掉，這是令操作者最為痛心，也是這種插樁式打樁船的致命缺點。

　　新型坐底自升式海上風電安裝平臺繼承了傳統(tǒng)插樁式全部功能并實現(xiàn)了其技術參數(shù)，從外觀上看它們的差異是：取消了樁靴和增加了下浮體。在漂浮狀態(tài)時，下浮體收入船體之內(nèi)，可以短程調(diào)遣也可以拖帶遠航，在工作時，仍由安在下浮體上的四只腿，將它抬離水面4——5米，以減小風、浪、涌對它的沖擊。

　　坐底自升式海上風電安裝平臺有別于插樁式的最大特征是沒有樁靴。插樁式海上風電安裝平臺每根支承樁的底部均安裝有樁靴，它能擴大支承面積，以支持打樁船高達1.5——2萬噸的自重和外加載荷，若沒有樁靴，無論插多么深，僅靠樁與土的摩擦力，是無法支承龐大且重的船體。

　　若取消樁靴改為坐底式，因為坐底是個具有巨大排水量的中空浮體，實際上是這個浮體承受著打樁船的大部分自重，船的自重減去浮力剩余的重量，才是壓在泥面上的力。調(diào)節(jié)浮體內(nèi)水量，就可調(diào)節(jié)對泥面的載荷。泥面上并沒有承受船的全部自重，而是部分載荷，視不同土質(zhì)的承壓能力可予以調(diào)節(jié)。

　　坐底海上風電安裝平臺取消了插拔困難的樁靴有幾個好處：首先是“打樁”作業(yè)全過程，無插拔壓樁靴之“苦”，大大提高了工效。其次是對海底土的單位面積壓力可調(diào)節(jié)，能適宜各種土質(zhì)，特別是軟粘土甚至淤泥土質(zhì)條件的打樁作業(yè)，對海上風場作業(yè)不同土壤的適應性強。其三是樁腿上無樁靴，也不需對樁腿端的樁靴預壓，不只減小了作業(yè)時間，也取消了為預壓而加強的船體結構，簡化了船體結構。綜合各項優(yōu)點，其生產(chǎn)效率能提高一倍甚至更高，從而大大提高其市場競爭力和經(jīng)濟效益。