近期，本平臺隆重推出"精益風電"系列技術專題，全方位解析如何通過精益思維挖掘海上風電技術潛力，降低平準化度電成本。

上期，小編給大家介紹了“精益風電LEANWIND”項目的概況，本期，我們就來詳細介紹下該項目在風機基礎領域的成果。

隨著海上風電場不斷向深遠海發(fā)展，不但對風機基礎本身，同時也對配套的施工建設船及運維服務船提出了更高的要求。因此，風機基礎設計除了優(yōu)化結(jié)構及材料本身，還需要同時考慮其運輸、安裝及拆除過程，以達到整體經(jīng)濟性最優(yōu)。

0）研究方向

“精益風電LEANWIND”項目將固定式風機基礎優(yōu)化分為兩個技術方向——重力式基礎和鋼結(jié)構基礎，并分別進行開發(fā)和試驗。其中，重力式基礎的研究創(chuàng)新方向是采用浮運后壓載的方式取代傳統(tǒng)起重船整體吊裝方式，研究包括了采用該新型基礎的概念設計、供應鏈、經(jīng)濟模型等；鋼結(jié)構基礎的研究創(chuàng)新方向則是如何更高效、更“精益”地設計、制造、安裝導管架基礎和超大直徑單樁基礎。另外，對漂浮式風機基礎研究方向主要在早期的概念設計比較，來定義哪一種型式（TLP、半潛式、單柱式等）更接近商業(yè)化。

1）超大直徑單樁

隨著海上風電場向深遠海發(fā)展，單樁基礎作為應用最廣泛的風機基礎，適用性受到了挑戰(zhàn)。但隨著超大直徑單樁的出現(xiàn)，單樁將可用在更深的海域。目前，已有大直徑單樁在36m水深的應用實例，研究認為單樁在歐洲海域的最大適用水深可達60m。

然而，超大直徑單樁從設計、制造到運輸、安裝都給目前的行業(yè)提出了更新更高的要求，如大厚度鋼板的卷制和焊接問題、開發(fā)新的工程船只及施工設備等。當單樁直徑超過7m時，需對現(xiàn)行傳統(tǒng)單樁的設計、計算、建模方法進行優(yōu)化改進，以降低冗余度及不確定性。

現(xiàn)行的海上風機單樁基礎設計導則主要基于海上油氣行業(yè)的設計原則，其主要針對的是細樁（直徑在1-2m）的設計。對于海上風電應用的超大直徑單樁（直徑在5-9m），隨著單樁直徑的增大，其水平承載力增大，結(jié)構則更接近于剛體。若考慮這一因素，對超大直徑單樁進行精益化設計，則可帶來成本下降或更大的應用水深。

“精益風電LEANWIND”項目通過Plaxis3DFEA軟件對超大直徑單樁進行有限元建模，通過數(shù)值方法計算結(jié)果，并與傳統(tǒng)p-y曲線計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法低估了超大直徑單樁的承載力。其結(jié)果顯示，傳統(tǒng)API解析方法相比Plaix數(shù)值方法會計算得到更大的撓度，且隨著單樁直徑增加兩者計算結(jié)果差距就更大。因此，可以確定，當單樁直徑逐步變大時，采用數(shù)值模型方法的設計將帶來更大的經(jīng)濟優(yōu)勢。

2）重力式基礎

傳統(tǒng)的重力式基礎一般需要大型起重船，限制了其應用范圍。因此，自浮式重力基礎的概念應運而生。利用其自浮特性，可采用普通拖船將其拖行至場址后，再進行壓載并沉底就位。

自浮式重力基礎設計需要著重考慮的是其漂浮、運輸、壓載的全過程流體動力穩(wěn)定性，因此基礎的幾何屬性將是設計的要點，包括基礎形狀、基礎各段相對高度、水線面面積、內(nèi)部壓載艙布置等。

“精益風電LEANWIND”項目通過參數(shù)化研究發(fā)現(xiàn)，基礎壓載過程會極大改變基礎穩(wěn)心高度，是整個基礎工程中最為關鍵的階段。另外，基礎的初始吃水深度對港口選擇提出了限制條件。因此，在可行性設計時需著重考慮：

①壓載艙間隔數(shù)量：增加壓載艙間隔數(shù)量可降低自由液面效應，但間隔構件也會增加基礎重量及初始吃水深度

②壓載艙間隔高度：增加壓載艙間隔高度可防止壓載高度超過間隔高度導致自由液面效應顯著提高，但也會同時增加基礎重量和初始吃水深度

③基礎整體高度：增高基礎整體高度可提高穩(wěn)心高度，但會顯著增加基礎重量及初始吃水深度

④基礎直徑：增大基礎直徑可有效減小初始吃水深度，但也會對壓載艙間隔件高度產(chǎn)生限制

綜上，自浮式重力基礎的可行性設計不僅僅是技術問題，目前更受限于港口及施工條件。因此，現(xiàn)階段推出相關技術標準并不成熟，建議根據(jù)實際項目綜合考慮各種因素進行決策。