該成果已實(shí)現一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時(shí)間，加上整機運輸的時(shí)間，總體海上安裝建造效率比傳統裝機提升了5到7倍，解決了海上風(fēng)電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。
在江蘇海域，一排排整齊的“大風(fēng)車(chē)”——海上風(fēng)力發(fā)電機(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)機)，正有條不紊地為能源經(jīng)濟發(fā)展和百姓的生活提供源源不斷的動(dòng)力。這些“大風(fēng)車(chē)”均采用“種樹(shù)式”的一體化安裝建造技術(shù)，整機浮運，平穩地“植”在海上。
這項我國原創(chuàng )的新技術(shù)來(lái)自天津大學(xué)建筑工程學(xué)院教授練繼建帶隊研究的“海上風(fēng)電新型筒型基礎與高效安裝成套技術(shù)”研究項目(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)電項目)。為了實(shí)現海上資源的最大化利用，該項目突破多項技術(shù)瓶頸，實(shí)現了海上風(fēng)電高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、規?；ㄔ斓哪繕?，研究成果已成功應用于響水、大豐等風(fēng)電場(chǎng)。該成果獲發(fā)明專(zhuān)利授權101項，核心技術(shù)獲美日歐盟發(fā)明專(zhuān)利，團隊主編國家、行業(yè)標準2部，發(fā)表論文150余篇，并獲得2020年度天津市科學(xué)技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明特等獎。
“造樹(shù)根”：筒型基礎結構，結實(shí)
我國近海海域風(fēng)能資源豐富，50米水深內可開(kāi)發(fā)量超過(guò)5億千瓦(kW)。“但是在我國近海海域安裝海上風(fēng)機難度可不小。”風(fēng)電項目課題組的劉潤教授介紹，“我們不光要解決海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)施工窗口期短的問(wèn)題，還面臨海上強臺風(fēng)、軟地基等挑戰。”
要想讓海上風(fēng)機穩穩地“站”在海里，經(jīng)受得住風(fēng)浪的洗禮，首先整體的結構、建造方式等都要適合我國海域的情況。
而傳統移植自歐洲的單樁、多樁導管架海上風(fēng)電技術(shù)施工周期長(cháng)、建造安裝成本高。
練繼建團隊經(jīng)過(guò)多年的研究積累，開(kāi)創(chuàng )性地發(fā)明了巨型多分艙海上風(fēng)電筒型基礎結構體系，團隊還首創(chuàng )了工廠(chǎng)化批量預制基礎結構和“種樹(shù)式”安裝風(fēng)機的建造方式，以及提出新型筒型基礎頂蓋—筒壁—土體聯(lián)合承載模式。
“傳統的海上風(fēng)機都是先裝基礎，再把風(fēng)機塔筒、風(fēng)機機頭吊進(jìn)去進(jìn)行分部安裝。”風(fēng)電項目課題組的王海軍教授介紹，而我們發(fā)明的這種新型的結構不僅可以在岸邊預制，還可以帶著(zhù)風(fēng)機一起像種樹(shù)一樣直接在海上進(jìn)行安裝，節省了大量的施工費用，降低總造價(jià)15%—20%。
“其實(shí)說(shuō)起來(lái)原理很簡(jiǎn)單，海上風(fēng)機由風(fēng)機基礎、風(fēng)機塔筒、風(fēng)機機頭和風(fēng)機葉片四個(gè)部分組成。”劉潤解釋?zhuān)拖窦矣寐涞仫L(fēng)扇一樣，風(fēng)機基礎相當于落地扇的底托，托著(zhù)塔筒、機頭和葉片轉動(dòng)。寬淺型的基礎相當于增大了落地扇的底盤(pán)，有利于抵抗上部結構因強臺風(fēng)而產(chǎn)生的巨大力矩荷載。
“運大樹(shù)”：拖船整體浮運，高效
風(fēng)機基礎、塔筒、機頭和葉片整體在岸上組裝好后，下一步就是要把樹(shù)運到需要栽種的海域了。
“傳統的海上風(fēng)機安裝建造，一般是由運輸船舶將零部件運輸到海上建造的位置，分部施工安裝，完成整機調試。而這樣一套安裝流程，至少需要5天才能完成，有時(shí)候遇到強臺風(fēng)，甚至時(shí)間更長(cháng)。”王海軍介紹，“海上施工窗口期十分寶貴，為了提高海上風(fēng)機安裝效率，需要把組裝好的海上風(fēng)機直接運送到位。”
海上風(fēng)大浪急，而海上風(fēng)機又高又細，如何減少運輸中的晃動(dòng)，更穩定地把這個(gè)龐然大物平安送達?通過(guò)反復嘗試，練繼建團隊首創(chuàng )了海上風(fēng)電基礎—塔筒—風(fēng)機整體浮運新技術(shù)，建立了筒型基礎浮穩性與分艙優(yōu)化分析方法，發(fā)明了船下氣浮頂托風(fēng)機整體浮運技術(shù)。同時(shí)提出船—筒姿態(tài)和水封安全控制指標，攻克了風(fēng)浪流與船舶—氣浮基礎結構—風(fēng)機多體耦合動(dòng)力安全與性態(tài)控制難題。
運用了這種技術(shù)的運輸安裝船，成功實(shí)現了海上風(fēng)機的整機一步式運輸，讓風(fēng)機整體穩穩地運輸到位。而且由于海上風(fēng)機從運輸到使用都可以保持同樣的姿態(tài)，因此最大限度降低了風(fēng)機各組成部分的損壞。
“種樹(shù)”：筒型基礎分艙，穩定
一切準備就緒，準備開(kāi)始“種樹(shù)”。
在平地上把樹(shù)筆直地栽到土里并不是件容易的事情，而把漂浮在海上的風(fēng)機筆直地“栽到”海底更是難上加難。
練繼建團隊發(fā)明了筒型基礎整體沉放和精細調平控制技術(shù)，這項技術(shù)通過(guò)分艙來(lái)達到效果。“合理地分艙可以提高筒型基礎氣浮結構的浮穩性，有利于施工下沉和精細調平。”王海軍介紹，通過(guò)精確計算，精準地給每個(gè)倉施加相應的壓力，就可以使海上風(fēng)機垂直地扎到海底了。
據介紹，目前海上風(fēng)機結構筒型基礎，大致分為三種形式：?jiǎn)瓮残?，多筒?三筒或四筒)和的單筒多艙復合型，由項目組研制的巨型多分艙海上風(fēng)電筒型基礎結構體系就屬于單筒多艙復合型。
為了保證這項技術(shù)安全地投入使用，團隊還提出風(fēng)浪流作用下筒型基礎—塔筒—風(fēng)機水中整體沉放姿態(tài)與安全性控制方法;揭示了筒型基礎入土沉放過(guò)程中筒—土—滲流耦合作用與減阻機理，提出沉放阻力計算方法與減阻措施;發(fā)明了基于分倉壓力差—傾角—滲流—屈曲聯(lián)合測控的筒型基礎沉放精細調平控制技術(shù)與裝備。
據了解，目前該成果已實(shí)現一天一臺的沉放安裝速度，大大縮短了海上施工的時(shí)間，加上整機運輸的時(shí)間，總體海上安裝建造效率比傳統裝機方式提升了5到7倍，解決了海上風(fēng)電能源發(fā)展受施工窗口期影響的一大難題。
“我們稱(chēng)目前這套技術(shù)為1.0版，已逐步應用在江蘇海域。不久的將來(lái)，我們還會(huì )出2.0版、3.0版……進(jìn)一步節省海上作業(yè)時(shí)間，降低生產(chǎn)、運輸和安裝成本，使這項技術(shù)在更多的海域更廣泛地使用。”王海軍對未來(lái)充滿(mǎn)信心。
21世紀是海洋的世紀，誰(shuí)擁有海洋，誰(shuí)就擁有未來(lái)。與大陸經(jīng)濟相比，海洋經(jīng)濟有著(zhù)巨大潛力，發(fā)展藍色經(jīng)濟是必然趨勢。海上風(fēng)電作為一種潛力清潔能源，對于我國實(shí)現雙碳目標也具有十分重要的意義。王海軍表示：“由于海上工程存在軟地基，使海上風(fēng)電面臨建造成本高等棘手的挑戰，而國內新能源行業(yè)也從過(guò)去補貼政策主導走向市場(chǎng)競爭推動(dòng)的局面。在此背景下，降成本也將是我們要研究的重要課題。”
