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風能 專題分析

負壓式沉箱水下基礎(下):背景與相關案例

April 27, 2022 Wind InfoLink

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前言

上篇文章比較了管架式負壓沉箱基礎的優勢及與其他基礎的差異,本文章將介紹第一座採用此技術的風場 Borkum Riffgrund 1,當時試驗的時空背景、地理情況及後續的發展狀況。 

起源

管架式負壓沉箱基礎(suction bucket jacket foundation, SBJ)概念由 Dong energy(沃旭能源前身)與離岸風電加速器計畫(offshore wind accelerate, OWA,此計畫由英國的 The Carbon Trust 所主導)共同合作發展,離岸風電加速器計畫旨在降低風場的建設成本,研究領域涵蓋了電纜安裝、電力系統、水下基礎、維運、風資源運用與尾流效應。

 

當時多數的水下基礎為單樁式(Monopile),為了在有嚴格噪音限制區域安裝水下基礎,SPT offshore 在 2011 年 OWA 水下基礎創新競賽中提出將負壓式沉箱的技術應用於離岸風電水下基礎,並被試驗於沃旭 Borkum Riffgrund 1 的風場。此項技術雖然早在 1990 年代就被應用於離岸的石油與天然氣產業,但鮮少應用於離岸風機水下基礎,SPT offshore 也憑藉這個構想成為當年度競賽的四位贏家之一,。

首次應用

第一個使用此技術的風場,同時是德國的第一座風場-Borkum Riffgrund 1,坐落於德國的北部海域,此處海床表層由介於中等緊密到緊密的沙土組成,而海底 3-6 公尺深的土層則是由更加粉質的沙土組成,這樣的地質條件提供 SBJ 一個良好的試驗環境。此風場大約距離岸邊 38 公里,整個風場大小約為 36 平方公里,共有 78 座 4 MW 的西門子風機,除了一座水下基礎使用 SBJ 外,其餘都採用單樁式;該水下基礎由丹麥的工程顧問 Ramboll 與挪威土壤研究所 NGI 共同設計,DNV 認證,適用於 20-60 公尺水深,總重量達 850 噸,包含三個已經預先焊接在管架式基礎的沉箱,以便於運輸、安裝。 
 

工程實景

 

而 SBJ 的安裝大致步驟如下:當水下基礎放置於海床後,三個沉箱各自的幫浦便會開始運作抽出沉箱內的海水,以減少沉箱內的壓力,在水下基礎本身的重量以及幫浦所製造的壓力差下,沉箱便會貫穿海床,深度約達八公尺便可以將水下基礎穩固在海床上,一旦沉箱抵達定位,幫浦便會被回收,最後會再灌入水泥以填滿海床與沉箱之間的縫隙,原理細節可參考上篇。前半部分的運輸與安裝由比利時 DEME 子公司 GeoSea 負責,SPT Offshore 則是負責沉箱內海水抽取的作業,雙方共同協力完成世界第一座 SBJ 的安裝。

後續發展

做為全球第一座SBJ,搭載了多種的感應器,由挪威土壤研究所負責設計,包含應變片(strain gauge)、溫度與壓力感測器、側斜儀(inclinometer)等等,從 2014 年安裝後就持續蒐數據,以記錄水下基礎結構與土質在安裝與營運過程的變化,並協助了後續 SBJ 的改良。
 

受惠於 Borkum Riffgrund 1 的經驗,2018 年有兩座使用 SBJ 的離岸風場,分別是緊鄰 Borkum Riffgrund 1 的 Borkum Riffgrund 2 與位於英國的 Aberdeen Bay。Borkum Riffgrund 2 距離岸邊約 54 公里,其安裝了 56 台 8MW 的三菱維斯塔斯(MHI Vestas)風機,其中有 20 座風機的水下基礎式採用 SBJ,同樣也安裝了許多感測器以監測沉箱的狀況,是目前採用最多SBJ水下基礎的風場。Aberdeen Bay 風場則是採用 SBJ 比例最高的風場, 11 座 8.4 MW 的三菱維斯塔斯風機皆使用 SBJ 做為其水下基礎。 

歐洲使用風場

 

另外,在 2019 年 The Carbon Trust發布了「吸力式沉箱設計指南(Suction installed caisson foundation design guidelines)」說明此類水下基礎在設計的過程中需注意的關鍵因素,可望降低使用的進入門檻,加速審查流程。

結論

在沃旭與 The Carbon Trust共同主導下,負壓式沉箱技術從石油與天然氣產業走入了離岸風電產業,可望降低水下基礎安裝成本、加速流程、減少安裝過程中產生的噪音與對環境的破壞。雖然目前 SBJ 的實際運作都十分良好,也持續蒐集營運的數據,但相關的經驗仍遠少於單樁式或管架式水下基礎。

 

當前尚不確定台灣各地的土質是否皆合適使用 SBJ 。以彰化外海風場為例,達德投標達天與又德風場,認為此處受限於地質條件而不適用,這個結論與鄰近的沃旭旭風風場不一致,環評委員希望德達能更詳盡的比較優劣,這將有助於近一步釐清 SBJ 在台灣的適用性。


參考資料
Carboun Trust | Foundation
沃旭管架式負壓沉箱基礎技術文件

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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