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风能 专题分析

负压式沉箱水下基础(下):背景与相关案例

April 27, 2022 Wind InfoLink

CN TW

前言

上篇文章比较了导管架式负压筒基础的优势及与其他基础的差异,本文章将介绍第一座采用此技术的风场 Borkum Riffgrund 1,当时试验的时空背景、地理情况及后续的发展状况。 

起源

导管架式负压筒基础(suction bucket jacket foundation, SBJ)概念由 Dong energy(奥斯特德能源前身)与英国 The Carbon Trust 所主导的海上风电加速器计画(offshore wind accelerate, OWA)共同合作发展,海上风电加速器计画旨在降低风场的建设成本,研究领域涵盖了电缆安装、电力系统、水下基础、维运与风资源利用与尾流效应。

 

当时多数的水下基础为单桩基础(Monopile),为了满足在有严格噪音限制区域安装水下基础的需求,SPT offshore 在 2011 年 OWA 水下基础创新竞赛中提出将负压式沉箱的技术应用于海上风电水下基础,并被试验于奥斯特德的风场。此项技术虽然早在 1990 年代就被应用于离岸的石油与天然气产业,但鮮少应用于离岸风机水下基础,SPT offshore 也因而成为当年度竞赛的四位赢家之一,。

首次应用

第一个使用此技术的风场,同时是德国的第一座风场-Borkum Riffgrund 1,坐落于德国的北部海域,此处海床表层由中等紧密到紧密的沙土组成,而海底 3-6 公尺深的土层则是由更加粉质的沙土组成,这样的地质条件提供 SBJ 一个良好的试验环境。此风场大约距离岸边 38 公里,整个风场大小约为 36 平方公里,共有 78 座 4 MW 的西门子风机,除了一座水下基础使用 SBJ 外,其余都采用单桩基础;该水下基础由丹麦的工程顾问 Ramboll 与挪威土壤研究所 NGI 共同设计,DNV认证,适用于 20-60 公尺水深,总重量达 850 吨,包含三个已经预先焊接在导管架式基础的沉箱,以便于运输、安装。
 

施工實景

 

而 SBJ 的安装大致步骤如下:当水下基础放置于海床后,三个沉箱各自的帮浦便会开始运作抽出沉箱内的海水,以减少沉箱内的压力,在水下基础本身的重量以及帮浦所制造的压力差下,沉箱便会贯穿海床,深度约达八公尺便可以将水下基础稳固在海床上,一旦沉箱抵达定位,帮浦便会被回收,最后会再灌入水泥以填满海床与沉箱之间的缝隙,原理细节可参考上篇。前半部分的运输与安装由比利时 DEME 子公司 GeoSea 负责,SPT Offshore 则是负责沉箱内海水抽取的作业,双方共同协力完成世界第一座 SBJ 的安装。


后续发展

做为全球第一座 SBJ ,搭载了多种的感应器,由挪威土壤研究所负责设计,包含应变片(strain gauge)、温度与压力感测器、侧斜仪(inclinometer)等等,从 2014 年安装后就持续搜数据,以记录水下基础结构与土质在安装与营运过程的变化,并协助了后续 SBJ 的改良。
 

受惠于 Borkum Riffgrund 1 的经验,2018 年有两座使用 SBJ 的离岸风场,分别是紧邻 Borkum Riffgrund 1 的 Borkum Riffgrund 2 与位于英国的 Aberdeen Bay。Borkum Riffgrund 2 距离岸边约 54 公里,其安装了 56 台 8 MW 的三菱维斯塔斯(MHI Vestas)风机,其中有 20 座风机的水下基础式采用 SBJ,同样也安装了许多感测器以监测沉箱的状况,是目前采用最多 SBJ 水下基础的风场。Aberdeen Bay 风场则是采用 SBJ 比例最高的风场,11 座 8.4 MW 的三菱维斯塔斯风机皆使用 SBJ 做为其水下基础。
 

使用風場

 

另外,在2019年 The Carbon Trust 发布了「吸力式沉箱设计指南(Suction installed caisson foundation design guidelines)」说明此类水下基础在设计的过程中需注意的关键因素,可望降低使用的进入门槛,加速审查流程。

结论

在奥斯特德与 The Carbon Trust 共同主导下,负压式沉箱技术从石油与天然气产业走入了海上风电产业,可望降低水下基础安装成本、加速流程、减少安装过程中产生的噪音与对环境的破坏。虽然目前 SBJ 的实际运作都十分良好,也持续搜集营运的数据,但相关的经验仍远少于单桩基础或导管架式水下基础。

 

当前尚不确定台湾各地的土质是否皆合适使用 SBJ 。以彰化外海风场为例,达德投标达天与又德风场,认为此处受限于地质条件加上 SBJ 技术尚未成熟而不适用,这个结论与邻近的奥斯特德旭风风场不一致,环评委员希望德达能更详尽的比较优劣,这将有助于近一步厘清 SBJ 在台湾的适用性。


参考资料
Carboun Trust | Foundation
奥斯特德导管架式负压筒基础技术文件

Shonberg, A., Harte, M., Aghakouchak, A., Brown, C. S. D., Andrade, M. P., & Liingaard, M. A. (2017, September). Suction bucket jackets for offshore wind turbines: applications from in situ observations. In Proc. TC209 Workshop, 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Seoul, South Korea ( p65-77).

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