福建永福电力建设世界级海上风电设施

PLAXIS 和 SACS 提供了一个可同时创建模型和检测土体效应的统一环境

安装世界上最深的海上风电设施之一

随着中国大幅增加可再生能源的产量并减少对碳排放燃料的使用，电力公司正在中国沿海安装大量风力发电设施。福建永福电力设计股份有限公司建造了他们最新的设施之一，中国长乐海上风电场 C 区，它位于福建长乐东部 31 公里处。这片面积 58.6 平方公里的海域平均水深在 31 至 45 米之间，是世界上最深的风力发电场之一。经过初步可行性研究，该公司决定安装 62 台风机，单机容量为 8 兆瓦，总装机容量 496 兆瓦。 

可行性研究还揭示了一系列的挑战。首先，该地经常受到台风的侵袭，产生强风、湍流和频繁的风向变化，这就要求福建永福为每台风机设计特别坚固和稳定的基础。而且，他们设计的基础必须可以适应复杂的地质条件，包括不稳定的软土，以及可能发生里氏 7 级地震的强烈可能性。该项目的极端深度还要求设计团队调整永久和临时施工工装结构，以适应不断变化的状况，并确保施工船只的安全。然而，由于福建永福面临预算限制，他们需要找到一种既能保证设计设施安全又能控制成本的方法。 

采用传统方法的设计面临困难

福建永福确定，保持设施牢固和稳定的最佳方式是采用吸力式导管架基础型式。吸力桩是长圆柱体，顶部有桩帽，并使用阀门来协助将其沉贯入土体中。这种基础的优点是，根据土体条件，仅靠自身的重量，就能将其多达 60% 的长度贯入到海底。尽管自 20 世纪 90 年代以来，吸力桩已经广泛应用于各种海上结构，但尚未被用作海上风机的基础。因此，福建永福不能依靠以往的经验，必须自己设计一个解决方案。

设计团队很快发现，他们也不能依靠传统的海上风电设计方法。他们最初尝试使用了这些方法，但发现并不能准确地模拟土体和如此大直径的桩之间的相互作用，这会导致产生了过于保守的设计，大幅增加项目成本。福建永福随后尝试使用单独的数值模拟来模拟桩和土体之间的相互作用以及基础本身的设计，但他们意识到，两组独立的结果很难统一起来。他们需要能够将土体分析和数字化基础设计统一起来的数字化设计软件，以确定如何有效地使用吸力桩方法来支撑风机。 

使用统一的软件来确定最佳设计

福建永福之前曾使用 Bentley 的 OpenWindPower Fixed Foundation (固定式海上风电机组分析软件)进行海上建模，不过他们发现，通过将其与 PLAXIS 配合使用，就可以组建一个统一的设计环境，让他们可以同时进行土体分析和基础设计。此外，应用程序最新开发了一个集成海上结构和岩土工程设计过程，用于设计大直径单桩和吸力桩，这使设计团队能够完全实现和优化其设计意图。

他们首先使用 PLAXIS 对施工区域中的土体进行了全面的分析，并在分析过程中衡量各个设计方案的潜在影响。在该统一设计环境中，他们同时在 OpenWindPower Fixed Foundation(固定式海上风电机组分析软件)中形成并优化了基础的设计，同时研究了当前设计状态与土体之间的相互作用。设计团队使用了 SACS 中的吸力式导管架模块来自动导入 PLAXIS 分析，并创建了一个复合模型，同时显示了模型的当前状态及其对周围土体的影响。凭借这些信息，他们调整了模型以增加其强度和稳定性。 

保证风机在台风期间的安全

借助同步土体分析和数字建模，福建永福确定，项目的最佳基础类型是三桩吸力式导管架。这种类型的基础型式只在中国的实验环境中使用过，但福建永福使用 Bentley 软件将其用于大规模应用，并展示了其实用性。由于这种类型的桩的直径较大，但长度比通常用于海上风力发电设施的其他桩短，因而减少了每个基础所需的钢材重量。此外，该设计使施工更快、更容易，因为它解决了打桩过程中的疲劳损伤问题，并不再需要某些稳桩平台和打桩船等大型施工设备。

通过确定三桩吸力式导管架基础的可行性，福建永福确保了风机能够抵御台风、土体移位和地震。与更传统的海上风机设计相比，该解决方案可将成本减少 30% 即超过4亿元人民币。在福建建造 496 兆瓦的清洁能源发电厂后，每年将减少燃烧 53.5 万吨煤炭，并减少各种发电来源的二氧化碳排放量 146.26 万吨。该设计还通过维持水质，最大限度减少水土流失，以及保护海洋和鸟类生命，帮助福建永福将环境影响降到最低。 

“OpenWindPower Fixed Foundation(固定式海上风电机组分析软件) 和 PLAXIS 使工程师能够利用两者的无缝接口的优势来优化单桩和吸力桩等风机基础结构的设计。”——福建永福电力工程有限公司高级工程师范夏玲（音）。