中國(guó)第一個(gè)規(guī)?；?、商業(yè)化的海上風(fēng)電項(xiàng)目——上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，不僅是中國(guó)海上風(fēng)電的正式起步，也奠定了中國(guó)海上風(fēng)電施工的基本模式，走出一條與歐洲不一樣的道路。
當(dāng)時(shí)，行業(yè)內(nèi)說(shuō)的最多的一個(gè)詞是“四無(wú)”：無(wú)標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)技術(shù)、無(wú)經(jīng)驗(yàn)、無(wú)設(shè)備。中國(guó)沒(méi)有風(fēng)電安裝船，沒(méi)有可以用來(lái)打單樁的高能量液壓錘。然而，我們通過(guò)兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)完成了34臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的安裝，分別是多樁承臺(tái)基礎(chǔ)和風(fēng)電機(jī)組整體安裝。多樁承臺(tái)基礎(chǔ)是中國(guó)人借鑒港口工程經(jīng)驗(yàn)提出的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它可以利用我國(guó)港口工程行業(yè)已有的打樁船和混凝土船進(jìn)行施工。打樁船的特點(diǎn)是，可以從各個(gè)方向打斜樁，從而形成群樁基礎(chǔ)?；炷链瑒t用來(lái)在船上進(jìn)行混凝土拌合，并向承臺(tái)的模板進(jìn)行泵送。
目前，國(guó)內(nèi)已建的打樁船均為無(wú)動(dòng)力的駁船型船舶，隨著風(fēng)電機(jī)組大型化迭代加速，以及海上風(fēng)電向著深遠(yuǎn)海發(fā)展，多樁承臺(tái)基礎(chǔ)漸漸不再適用，打樁船的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越少，未來(lái)可能會(huì)退出海上風(fēng)電建設(shè)舞臺(tái)。
風(fēng)電機(jī)組整體安裝技術(shù)并非中國(guó)首創(chuàng)，早在歐洲Beatrice風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中就運(yùn)用了該技術(shù)，但中國(guó)采用了不一樣的工藝路線，即運(yùn)裝分離，在陸上基地完成風(fēng)電機(jī)組的拼裝后，用經(jīng)改造的運(yùn)輸船將其運(yùn)到機(jī)位點(diǎn)，再由雙拔桿式起重船從運(yùn)輸船上吊起風(fēng)電機(jī)組，然后通過(guò)一套柔性緩沖和定位工裝將風(fēng)電機(jī)組整體移至多樁承臺(tái)上進(jìn)行對(duì)接。
在上海東海大橋示范項(xiàng)目上，中國(guó)工程師走出了一條主動(dòng)追求運(yùn)裝分離的工藝路線，主要特點(diǎn)是海上風(fēng)電組及其基礎(chǔ)的部件安裝和運(yùn)輸使用不同的船舶，通過(guò)多船協(xié)作的模式進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工和機(jī)組吊裝。在我國(guó)海上風(fēng)電起步階段，考慮到普遍缺乏施工專(zhuān)用的船機(jī)設(shè)備、近海環(huán)境條件好、人工成本低等，采用這類(lèi)工藝可以充分利用港口工程行業(yè)已有的船舶資源，能夠有效解決無(wú)專(zhuān)業(yè)風(fēng)電安裝船的問(wèn)題，從而形成一套具有中國(guó)特色的運(yùn)裝分離施工工藝。
此后，基于運(yùn)裝分離工藝的風(fēng)電機(jī)組整體安裝技術(shù)被沿用到9座風(fēng)電場(chǎng)，完成了257臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的整體安裝，最快只用47個(gè)小時(shí)即完成4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的整體安裝，無(wú)論是整體安裝數(shù)量，還是單機(jī)安裝速度，均達(dá)到世界第一。
整體安裝通常采用雙拔桿式起重船，國(guó)內(nèi)主要有“三航風(fēng)范”號(hào)、“東海工7”等船舶具備整體安裝的施工能力。然而，受制于大兆瓦風(fēng)電機(jī)組整體安裝存在結(jié)構(gòu)干涉問(wèn)題、陸上拼裝場(chǎng)地資源、成本下降空間、開(kāi)場(chǎng)外海作業(yè)窗口有限等，傳統(tǒng)整體安裝工藝的未來(lái)前景并不樂(lè)觀。
雖然多樁承臺(tái)基礎(chǔ)和整體安裝技術(shù)未能成為我國(guó)海上風(fēng)電施工的主流模式，但對(duì)于推動(dòng)我國(guó)海上風(fēng)電的早期發(fā)展依然是極其重要的。
這樣的例子同樣發(fā)生在國(guó)外。全球第一座海上風(fēng)電場(chǎng)——丹麥的Vindeby海上風(fēng)電場(chǎng)采用的基礎(chǔ)型式是重力式，運(yùn)用了整體安裝技術(shù)，也沒(méi)有成為主流的海上風(fēng)電施工模式，但證明了國(guó)內(nèi)外的智慧是相通的，在無(wú)標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)技術(shù)、無(wú)經(jīng)驗(yàn)、無(wú)設(shè)備的條件下，愿意開(kāi)動(dòng)腦子尋找可靠的技術(shù)方案。
在海上風(fēng)電領(lǐng)域，具有劃時(shí)代意義的是單樁基礎(chǔ)，但需要等到7年后才在瑞典首座海上風(fēng)電場(chǎng)、全球第4座海上風(fēng)電場(chǎng)——Bockstigen海上風(fēng)電場(chǎng)得到應(yīng)用，所用的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量只有0.55兆瓦，單樁直徑僅為2.1米，總重量不超過(guò)43噸。
當(dāng)時(shí)，歐洲采用英國(guó)的自升式風(fēng)電平臺(tái)船完成了單樁基礎(chǔ)的安裝。此后，單樁基礎(chǔ)技術(shù)迅速發(fā)展，并成為首選的基礎(chǔ)型式。由于歐洲單樁基礎(chǔ)安裝的第一次嘗試采用的是自升式風(fēng)電平臺(tái)船，這種方式也印刻在了歐洲海上風(fēng)電施工領(lǐng)域的基因里，成為歐洲重要的施工模式。
在我國(guó)，單樁基礎(chǔ)施工模式比較有代表性的是中廣核江蘇如東150MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，盡管它并不是我國(guó)的第一個(gè)單樁基礎(chǔ)，但確立了單樁基礎(chǔ)施工的中國(guó)模式，采用起重船，在穩(wěn)樁平臺(tái)的輔助下，確保單樁的垂直度，“起重船+穩(wěn)樁平臺(tái)”的運(yùn)裝分離式工藝路線成為我國(guó)單樁基礎(chǔ)施工的主流模式。
這具有一定的必然性。與自升式風(fēng)電安裝船相比，采用起重船的施工效率更高。一方面，起重船無(wú)需頻繁地進(jìn)行插拔腿作業(yè);另一方面，采用穩(wěn)樁平臺(tái)進(jìn)行大直徑單樁施工，可使起重船運(yùn)動(dòng)與沉樁質(zhì)量充分解耦，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)渡段設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)很難接受有過(guò)渡段的大直徑單樁設(shè)計(jì)。此外，還可以在海上風(fēng)電發(fā)展初期有效利用一批造價(jià)并不高昂的拔桿式起重船，形成多個(gè)船組，極大提高施工效率。
三航局第一條自升式風(fēng)電安裝船“風(fēng)華號(hào)”建造時(shí)，就加裝了用于單樁基礎(chǔ)施工的抱樁器，但后來(lái)為了追求更高的施工效率，拆除了這個(gè)抱樁器，將“風(fēng)華號(hào)”專(zhuān)門(mén)用于風(fēng)電機(jī)組的安裝。
海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的另一個(gè)重要型式是導(dǎo)管架，其首次規(guī)模化施工始于珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)，結(jié)合了單樁基礎(chǔ)施工中的中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，采用運(yùn)裝分離的工藝，利用一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的水下定位平臺(tái)開(kāi)展導(dǎo)管架基礎(chǔ)的施工，確保4根樁的平面定位精度，并利用起重船進(jìn)行導(dǎo)管架安裝。值得一提的是，我國(guó)在高強(qiáng)度灌漿材料方面同樣由此獲得迅速突破，樁基導(dǎo)管架基礎(chǔ)對(duì)起重船的要求并不高，但隨著水深的增加，在一些海域開(kāi)始使用吸力桶-導(dǎo)管架基礎(chǔ)，由于自重大大增加，采用導(dǎo)管架整體吊裝要求起重船具有更大的起重能力。
在水深接近50米的海上風(fēng)電項(xiàng)目中，大規(guī)模地采用了吸力桶-導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，使用的是全回轉(zhuǎn)起重船，“振華30”號(hào)的起重能力達(dá)到12000噸。目前，我國(guó)可以用于海上風(fēng)電建設(shè)的起重船數(shù)量很多，近100余艘，但整體性能水平一般。首先，起重能力較大的主機(jī)施工船數(shù)量很少，多作為輔助船使用。其次，大部分為駁船型起重船，沒(méi)有動(dòng)力，吃水較淺，耐波性較差，在特殊天氣條件下，需要頻繁地撤場(chǎng)和避臺(tái)。此外，全回轉(zhuǎn)的少，固定吊的多，對(duì)于特殊工藝來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)不是很方便。
從風(fēng)電機(jī)組的安裝來(lái)說(shuō)，目前采用最多的是分體安裝法。早期，在我國(guó)分體安裝中使用的是坐底式平臺(tái)船。一方面，是由于前期階段項(xiàng)目施工海域水深較淺;另一方面，當(dāng)時(shí)缺乏專(zhuān)用的自升式風(fēng)電安裝船，在海上風(fēng)電施工中使用坐底式平臺(tái)船是我國(guó)獨(dú)有的。這存在一定的必然性，特別是很多淺水海域非常適合使用坐底式平臺(tái)船施工，且采用“坐底船+履帶吊”方式可以降低施工成本。因此，直到“搶裝”期間，坐底式平臺(tái)船施工依然是一種常見(jiàn)的方式。
目前，進(jìn)行分體安裝的絕對(duì)主力是自升式風(fēng)電安裝船。作為一種起源于歐洲的風(fēng)電機(jī)組安裝的主力船型，自升式風(fēng)電安裝船在中國(guó)走出了一條獨(dú)特的道路，形成了中國(guó)特色。主要原因是，中國(guó)海域普遍存在深厚的淤泥底質(zhì)，自升式風(fēng)電安裝船作業(yè)時(shí)必須將樁靴插入較深的土層，以獲得支撐力。作業(yè)結(jié)束后，樁靴上方的土體會(huì)回流，需要克服巨大的土體阻力才能將樁靴拔出。為此，中國(guó)企業(yè)針對(duì)施工過(guò)程中的巖土力學(xué)開(kāi)展了大量研究，并發(fā)展出各種拔樁減阻技術(shù)。
由于淤泥層的存在，中國(guó)最早的自升式風(fēng)電安裝船所用的吊機(jī)均設(shè)在兩個(gè)樁腿之間，三航局通過(guò)對(duì)站樁作業(yè)過(guò)程中的巖土力學(xué)開(kāi)展深入研究后，從中國(guó)的第三條自升式風(fēng)電安裝船，即三航“風(fēng)華號(hào)”開(kāi)始，采用了“繞樁吊”的設(shè)計(jì)，這對(duì)海上風(fēng)電施工工藝來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)極大的利好，可以獲得更多的甲板面積，增加船舶的工作范圍，吊機(jī)自重減輕。
目前，我國(guó)的自升式風(fēng)電安裝船正處于快速發(fā)展階段。為應(yīng)對(duì)大容量風(fēng)電機(jī)組的吊裝，在建自升式風(fēng)電安裝船的起重能力普遍超過(guò)1000噸，最高的達(dá)2000噸，并通常配有先進(jìn)的動(dòng)力定位(DP)系統(tǒng)。
當(dāng)下，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)出一些顯著的特征：深遠(yuǎn)?；C(jī)組大型化、上網(wǎng)電價(jià)平價(jià)化、建設(shè)高周轉(zhuǎn)化。由于深遠(yuǎn)海海域的自然環(huán)境對(duì)施工極其不友好，因此，海上施工的安全性面臨著很大挑戰(zhàn)。我們必須對(duì)現(xiàn)有的海上施工工藝路線有清醒認(rèn)識(shí)，思考如何保障海上施工安全。
一個(gè)重要問(wèn)題是，支撐中國(guó)海上風(fēng)電此前十幾年發(fā)展的運(yùn)裝分離路線還能走多遠(yuǎn)，要不要走歐洲的運(yùn)裝一體路線。因?yàn)檫\(yùn)裝分離工藝需要兩船協(xié)作，在深遠(yuǎn)海的風(fēng)浪環(huán)境下存在著安全挑戰(zhàn)。深遠(yuǎn)海施工的安全風(fēng)險(xiǎn)更多在于船舶本身，主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于深遠(yuǎn)海強(qiáng)涌浪的環(huán)境。對(duì)于平臺(tái)船來(lái)說(shuō)，風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于巖土，青州等風(fēng)電場(chǎng)的地質(zhì)資料表明，深遠(yuǎn)海依然面臨著深厚的淤泥黏土層覆蓋。
綜合考慮工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)有與正在建造的船舶資源，今后一段時(shí)期中國(guó)海上風(fēng)電將呈現(xiàn)出運(yùn)裝分離與運(yùn)裝一體并行發(fā)展的局面，并最終可能走向運(yùn)裝一體。在特定的工程項(xiàng)目中具體采用哪些船舶，取決于經(jīng)濟(jì)性和安全性的綜合考量。
基礎(chǔ)方面，隨著水深的增加，未來(lái)主要是單樁和導(dǎo)管架兩種型式。目前來(lái)看，單樁基礎(chǔ)的數(shù)量正在減少，更多的項(xiàng)目采用了導(dǎo)管架基礎(chǔ)。
風(fēng)電機(jī)組安裝方面，主要聚焦于利用自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行分體安裝，因此，未來(lái)船舶的發(fā)展將集中在起重船和自升式風(fēng)電安裝船兩大類(lèi)。
對(duì)于保障海上施工安全，一方面，需要更先進(jìn)的船舶;另一方面，需要更完備的技術(shù)和管理。對(duì)于浮式船舶，需要對(duì)海上作業(yè)窗口有更精準(zhǔn)的預(yù)判能力;對(duì)平臺(tái)式船舶，需要對(duì)船體與巖土介質(zhì)力學(xué)過(guò)程的精確把握，以確保在深水厚泥的條件下，施工平臺(tái)能站得住，拔得出。
對(duì)于海上施工安全的管理，在開(kāi)工前的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判中，我們長(zhǎng)期以來(lái)堅(jiān)持通過(guò)“一機(jī)一算”“一船一算”進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)每一個(gè)機(jī)位的平臺(tái)船都進(jìn)行插樁深度及拔樁力的計(jì)算，對(duì)每一個(gè)浮式施工船、打樁船、起重船都進(jìn)行可作業(yè)性的評(píng)估。同時(shí)，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)高的平臺(tái)船。此外，將安全保障做法及時(shí)形成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范施工過(guò)程中的安全紀(jì)律和行為。
隨著海上風(fēng)電工程建設(shè)不斷向深遠(yuǎn)海拓展，施工企業(yè)必然需要準(zhǔn)備面對(duì)毫無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循的陌生海域。我們要探索引入大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)，借助大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)快速獲得未知海域的施工經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，利用云技術(shù)加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)支持和安全管理，這是施工企業(yè)需要做的長(zhǎng)期工作。
