Ramboll公司刘励学：海上风电负压筒式导管架基础的机遇和风险
东方风力发电网 2020年10月15日 605
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 
在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，Ramboll公司中国区风电业务经理刘励学发表《 海上风电负压筒式导管架基础的机遇和风险》主题演讲。 以下为发言实录： 刘励学：各位同行上午好，我是丹麦Ramboll公司的刘励学，今天分享一下海伤风电负压筒式导管架基础机遇和风险。 Ramboll公司成立1945年，目前全球范围内有1650名专家，全球35个办公室，年营业额为19亿欧元。 简单介绍一下Ramboll风电业务，隶属于公司能源事业部，下属风电业务分布，共有300名员工，其中风电领域全产业链技术咨询服务。 今天重点介绍Ramboll公司海上风电的业绩，从装机容量上来说，Ramboll公司为全球17MW海上风电机组设计风机基础，从设计基础数量来说，Ramboll公司截至目前共完成3400个风机机组详细设计，其中单桩基础数量超过了2900个导管架数量超过400个，Ramboll公司全球范围内完成12个完整海上升压站详细设计和认证，完成了25个完整海上升压站招标设计和前端设计，这些招标设计和前端设计业绩中也包含了柔性直流海上升压站的设计。 简单看一下Ramboll公司在中国海上风电参考业绩，截止目前Ramboll公司共参与了中国8个海上风电项目风机基础的详细设计，其中已经完成了7个项目风机基础详细设计，目前山东一个海上风电项目风机基础详细设计正在进行中。 Ramboll公司在中国市场活动，Ramboll公司进入中国之后第一个海上风电设计项目为国家电投滨海北H1项目，Ramboll公司为该项目设计22个单桩基础，该项目获得国家优质工程金奖。 接下来介绍Ramboll在负压筒设计的方面经验，Ramboll在负压筒设计方面的业绩，如图所示为2015年德国东能源负压筒基础现场安装照片，该基础是全球第一个海上风电负压筒基础，该基础由Ramboll公司设计。该基础2015年完成安装进行了两年数据测量，在2018年的时候该项目二期安装了20由Ramboll公司设计负压筒基础，公司还为英国海上风电厂设计11个负压筒导管架基础，为Sergress设计了114个负压筒飘浮式。 风电场场址不同机位土壤条件存在很大差异性，差异性造成了设计难度，负压筒设计必须安全，不能过度保守，设计阶段应最大程度降低基础加工制造运输和安装的成本，众所周知海上风电行业国内2021年之后将会对电价进行调整，所以对海上风电设计精密化要求越来越高。负压筒要求薄的裙板结构，易发生结构屈曲破坏，屈曲稳定性驱动裙板设计，负压筒安装不同入土深度对应不同工况，对不同工况要进行详细计算分析，确定最佳负压筒裙板厚度，确保了安装过程抗屈曲能力，但需要更大安装压力。负压筒安装计算相对于单桩基础更复杂，所以对于计算CPV要求非常高，并且需要云计算，负压筒制造、运输、安装理念对负压筒产生重大影响。 接下来介绍Ramboll在欧洲负压筒设计实力，该风电厂是大型海上风电厂，风机机位为114个，每个机位采用三装导管架负压筒基础，水深40—60米，运用了先进的分组方法，该风电厂涂层分布非常不均匀，基岩的高程变化范围为泥面以下1—80面，为每个基础位置进行了CPT数据，并且基于土壤三维模型创建了整个风电厂三维地球物理模型，如右下图所视，物理学模型确定了海床的分布情况。 通体设计的分组，进行大型海上风电厂设计的时候，经常需要根据水深和土壤情况对风电厂进行分组，该风电厂共分为三个分组，每个分组中选取最软土壤机位作为典型的机位进行风机载荷计算，完成载荷计算进行相应的设计，设计完成之后得到了如右下图所视结构图。分组一筒体一结构图，外经10.5米，长度10.5米，需要进行灌浆操作，灌浆目的是为了确保载荷能够正确传递到土壤，所有的设计都是基于特定的机位进行的设计。 简单介绍一下负压筒设计的驱动因素，负压筒基础来说施工过程中对设计影响非常大，所以说在设计阶段对负压筒施工关键环节都要进行详细的分析。首先对负压筒在海上风电现场被吊机起吊对海上过程进行详细分析，尤其对于海船上层土壤交转的机位更应该重视过程。对于安装设计后面两页PPT会做介绍。负压筒在位设计，包括机位工况和疲劳工况，安装前和安装后的评估，负压筒基础筒体的底面与海船接触进行自动称装，负压筒在压力作用下开始下沉，压力作用下负压筒如土深度逐渐增加，我们需要对关键过程中不同如土深度进行详细分析结算，还有负压筒压力作用下达到给定入土深度之后需要灌浆，我们需要对灌浆之前负压筒承载能力进行详细的分析计算，负压筒技术运行满25年需要拆除，我们设计阶段需要考虑拆除，还需要对拆除过程进行分析计算，此外还需要考虑负压筒基础施工过程中对于自称重平台响应作用和长期沉降。 计算结束会得到右下图的图X轴代表筒体的外径，Y轴代表负压筒筒体的长度，其中蓝色的虚线代表为负压筒筒体具有足够承载力的临界曲线，红色曲线代表负压筒筒体具有可施工性的曲线，因此最终设计的负压筒需要同时满足承载力和可施工性的要求，蓝色虚线右上方区域负压筒筒体能够满足承载力的要求，红色虚线右下方的区域能够满足负压筒基础可施工性的要求，因此最终设计的负压筒基础结构只能落到如图所视的绿色区域部分。 在这里简单介绍一下这三个负压筒基础，最上面基础是符合设计和施工要求施工难度最大负压筒基础，这是因为负压筒筒体长度最大、工程量最大，负压筒基础应用如果对导管架基础底部直径有限制会出现此种类型负压筒基础。最下面的点，外径较大，长度较短，施工量较大，难度较小，一般应用海船覆盖层比较浅的风机机位，进行负压筒设计最终寻找点是两条虚线的交差点，该点是负压筒最佳的设计，为该点负压筒工程量小、施工难度也小。 接下来简单介绍一下负压筒基础安装设计，负压筒基础安装设计内部土壤液化意味着内部土壤无支撑作用，需要考虑负压筒体外部土壤的作用，因此需要考虑外部土壤的压力。当然土壤由于本身的特点只能承受压力，此外还需要考虑测膜阻力、压力、端阻力等，我们要仔细考虑以上问题，然后得出右图。根据负压筒实际受载荷的情况以及土壤本身的性能得出土壤排水性和不排性。 前面已经提到屈曲稳定性是重要因素，所以要进行屈曲线性分析和屈曲非线性分析，这是线性屈曲分析的结果，左侧图考虑筒壁加工线性屈曲分析结果，除了线性屈曲还要进行非线性屈曲。下图为负压筒非线性屈曲有线源计算结果，根据计算源结果提出了两条载荷曲线，红色曲线为考虑筒体外侧压力，蓝色曲线未考虑外侧土壤。 前面简单介绍了以下负压筒基础的设计，接下来对前面进行一下总结分析负压筒技术的优势，负压筒整个主体钢结构、附属结、筒体在岸上加工完成，因此价格相对来说比较便宜，由于整个负压筒基础为一体化的结构，因此在海上安装吊装运输次数少，而且不需要辅助工装设备，海上安装时间较短，所以施工费用较低。负压筒基础装套筒不需要进行海上灌浆连接，需要海装和筒体井盖进行连接，该罐装价格相对来说比较便宜。 负压筒基础并不是适用于所有海上风电项目，负压筒基础适用于如下项目，负压筒基础对海船的土壤条件有很高的要求，负压筒基础适用于沙土、中软的黏土、粉土，负压筒如土深度范围内不能出现孤石、岩石等情况，对于负压筒基础来说项目水深需要达到一定的深度，这样负压筒在施工过程中能够产生足够的压差。负压筒基础不能够适用于如下情况，对于非常软的软土层，承载力和安装过程极易发生破坏，实际上国内许多风电厂是存在这种情况，第二种情况是波浪作用和地震载荷作用易发生液化土壤。 负压筒是海上风电基础形式，可以一定程度上降低海上风电造价，特定项目选择负压筒基础形式需要对海船形式进行研究，谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）
在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，Ramboll公司中国区风电业务经理刘励学发表《 海上风电负压筒式导管架基础的机遇和风险》主题演讲。 以下为发言实录： 刘励学：各位同行上午好，我是丹麦Ramboll公司的刘励学，今天分享一下海伤风电负压筒式导管架基础机遇和风险。 Ramboll公司成立1945年，目前全球范围内有1650名专家，全球35个办公室，年营业额为19亿欧元。 简单介绍一下Ramboll风电业务，隶属于公司能源事业部，下属风电业务分布，共有300名员工，其中风电领域全产业链技术咨询服务。 今天重点介绍Ramboll公司海上风电的业绩，从装机容量上来说，Ramboll公司为全球17MW海上风电机组设计风机基础，从设计基础数量来说，Ramboll公司截至目前共完成3400个风机机组详细设计，其中单桩基础数量超过了2900个导管架数量超过400个，Ramboll公司全球范围内完成12个完整海上升压站详细设计和认证，完成了25个完整海上升压站招标设计和前端设计，这些招标设计和前端设计业绩中也包含了柔性直流海上升压站的设计。 简单看一下Ramboll公司在中国海上风电参考业绩，截止目前Ramboll公司共参与了中国8个海上风电项目风机基础的详细设计，其中已经完成了7个项目风机基础详细设计，目前山东一个海上风电项目风机基础详细设计正在进行中。 Ramboll公司在中国市场活动，Ramboll公司进入中国之后第一个海上风电设计项目为国家电投滨海北H1项目，Ramboll公司为该项目设计22个单桩基础，该项目获得国家优质工程金奖。 接下来介绍Ramboll在负压筒设计的方面经验，Ramboll在负压筒设计方面的业绩，如图所示为2015年德国东能源负压筒基础现场安装照片，该基础是全球第一个海上风电负压筒基础，该基础由Ramboll公司设计。该基础2015年完成安装进行了两年数据测量，在2018年的时候该项目二期安装了20由Ramboll公司设计负压筒基础，公司还为英国海上风电厂设计11个负压筒导管架基础，为Sergress设计了114个负压筒飘浮式。 风电场场址不同机位土壤条件存在很大差异性，差异性造成了设计难度，负压筒设计必须安全，不能过度保守，设计阶段应最大程度降低基础加工制造运输和安装的成本，众所周知海上风电行业国内2021年之后将会对电价进行调整，所以对海上风电设计精密化要求越来越高。负压筒要求薄的裙板结构，易发生结构屈曲破坏，屈曲稳定性驱动裙板设计，负压筒安装不同入土深度对应不同工况，对不同工况要进行详细计算分析，确定最佳负压筒裙板厚度，确保了安装过程抗屈曲能力，但需要更大安装压力。负压筒安装计算相对于单桩基础更复杂，所以对于计算CPV要求非常高，并且需要云计算，负压筒制造、运输、安装理念对负压筒产生重大影响。 接下来介绍Ramboll在欧洲负压筒设计实力，该风电厂是大型海上风电厂，风机机位为114个，每个机位采用三装导管架负压筒基础，水深40—60米，运用了先进的分组方法，该风电厂涂层分布非常不均匀，基岩的高程变化范围为泥面以下1—80面，为每个基础位置进行了CPT数据，并且基于土壤三维模型创建了整个风电厂三维地球物理模型，如右下图所视，物理学模型确定了海床的分布情况。 通体设计的分组，进行大型海上风电厂设计的时候，经常需要根据水深和土壤情况对风电厂进行分组，该风电厂共分为三个分组，每个分组中选取最软土壤机位作为典型的机位进行风机载荷计算，完成载荷计算进行相应的设计，设计完成之后得到了如右下图所视结构图。分组一筒体一结构图，外经10.5米，长度10.5米，需要进行灌浆操作，灌浆目的是为了确保载荷能够正确传递到土壤，所有的设计都是基于特定的机位进行的设计。 简单介绍一下负压筒设计的驱动因素，负压筒基础来说施工过程中对设计影响非常大，所以说在设计阶段对负压筒施工关键环节都要进行详细的分析。首先对负压筒在海上风电现场被吊机起吊对海上过程进行详细分析，尤其对于海船上层土壤交转的机位更应该重视过程。对于安装设计后面两页PPT会做介绍。负压筒在位设计，包括机位工况和疲劳工况，安装前和安装后的评估，负压筒基础筒体的底面与海船接触进行自动称装，负压筒在压力作用下开始下沉，压力作用下负压筒如土深度逐渐增加，我们需要对关键过程中不同如土深度进行详细分析结算，还有负压筒压力作用下达到给定入土深度之后需要灌浆，我们需要对灌浆之前负压筒承载能力进行详细的分析计算，负压筒技术运行满25年需要拆除，我们设计阶段需要考虑拆除，还需要对拆除过程进行分析计算，此外还需要考虑负压筒基础施工过程中对于自称重平台响应作用和长期沉降。 计算结束会得到右下图的图X轴代表筒体的外径，Y轴代表负压筒筒体的长度，其中蓝色的虚线代表为负压筒筒体具有足够承载力的临界曲线，红色曲线代表负压筒筒体具有可施工性的曲线，因此最终设计的负压筒需要同时满足承载力和可施工性的要求，蓝色虚线右上方区域负压筒筒体能够满足承载力的要求，红色虚线右下方的区域能够满足负压筒基础可施工性的要求，因此最终设计的负压筒基础结构只能落到如图所视的绿色区域部分。 在这里简单介绍一下这三个负压筒基础，最上面基础是符合设计和施工要求施工难度最大负压筒基础，这是因为负压筒筒体长度最大、工程量最大，负压筒基础应用如果对导管架基础底部直径有限制会出现此种类型负压筒基础。最下面的点，外径较大，长度较短，施工量较大，难度较小，一般应用海船覆盖层比较浅的风机机位，进行负压筒设计最终寻找点是两条虚线的交差点，该点是负压筒最佳的设计，为该点负压筒工程量小、施工难度也小。 接下来简单介绍一下负压筒基础安装设计，负压筒基础安装设计内部土壤液化意味着内部土壤无支撑作用，需要考虑负压筒体外部土壤的作用，因此需要考虑外部土壤的压力。当然土壤由于本身的特点只能承受压力，此外还需要考虑测膜阻力、压力、端阻力等，我们要仔细考虑以上问题，然后得出右图。根据负压筒实际受载荷的情况以及土壤本身的性能得出土壤排水性和不排性。 前面已经提到屈曲稳定性是重要因素，所以要进行屈曲线性分析和屈曲非线性分析，这是线性屈曲分析的结果，左侧图考虑筒壁加工线性屈曲分析结果，除了线性屈曲还要进行非线性屈曲。下图为负压筒非线性屈曲有线源计算结果，根据计算源结果提出了两条载荷曲线，红色曲线为考虑筒体外侧压力，蓝色曲线未考虑外侧土壤。 前面简单介绍了以下负压筒基础的设计，接下来对前面进行一下总结分析负压筒技术的优势，负压筒整个主体钢结构、附属结、筒体在岸上加工完成，因此价格相对来说比较便宜，由于整个负压筒基础为一体化的结构，因此在海上安装吊装运输次数少，而且不需要辅助工装设备，海上安装时间较短，所以施工费用较低。负压筒基础装套筒不需要进行海上灌浆连接，需要海装和筒体井盖进行连接，该罐装价格相对来说比较便宜。 负压筒基础并不是适用于所有海上风电项目，负压筒基础适用于如下项目，负压筒基础对海船的土壤条件有很高的要求，负压筒基础适用于沙土、中软的黏土、粉土，负压筒如土深度范围内不能出现孤石、岩石等情况，对于负压筒基础来说项目水深需要达到一定的深度，这样负压筒在施工过程中能够产生足够的压差。负压筒基础不能够适用于如下情况，对于非常软的软土层，承载力和安装过程极易发生破坏，实际上国内许多风电厂是存在这种情况，第二种情况是波浪作用和地震载荷作用易发生液化土壤。 负压筒是海上风电基础形式，可以一定程度上降低海上风电造价，特定项目选择负压筒基础形式需要对海船形式进行研究，谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）