海上风电单桩基础集约化施工模式研究_林逸凡.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1262023 年 第 13 期文章编号：2095-6835（2023）13-0126-03海上风电单桩基础集约化施工模式研究林逸凡，刘玉飞，王小合，逯 鹏，茹洋洋，赵 辉（华电重工股份有限公司，北京 100070）摘要：为适应海上风电规模、集约化发展趋势及区域性海上风电母港建设潮流，基于混合整数线性规划算法，提出了一套算法用于规划海上风电施工在有母港配合下的组织形式，帮助更加科学合理地统筹制造、运输、堆存和海上施工各环节，缩短海上风电建设周期，降低建设成本。关键词：海上风电母港；施工组织；单桩基础；混合整数线性规划中图分类号：TM614文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.0372 0 2 1 年，中 国 海 上 风 电 新 增 并 网 容 量 为1 690 万 kW，累计装机容量超过英国越居全球第一。2022 年，福建、广东、浙江、山东、广西等沿海省份“十四五”海上风电发展规划相继出炉，总开发规模初步统计超过 5 000 万 kW。虽然发展势头强劲、市场空间巨大，但目前海上风电在没有政府补贴情况下实现平价上网仍面临较大的挑战1。起重船和自升式风电安装平台是海上风电施工最为核心的装备，单艘单月包括租赁、油水和人员费用，通常需 1 000 万3 000 万元不等，成本极高2。欧洲在海上风电行业起步早，开发经验丰富。依托区域性海上风电母港，项目开工前提前生产、储备一定数量组件，春夏季海况转好后集中多个作业面进行施工，由于运输不受生产限制，同时往返风场母港时间较短，海上供货有保障，可充分发挥主力施工船舶的利用效率，缩短建设周期、节约施工成本3。国内由于此前缺少专业的海上风电母港，普遍将基础、塔筒、机组和叶片生产好后由各自制造基地直接海运至风场机位交接，受产能和产地限制，基础、塔筒等大部件常需要异地生产、远距离运输，而供货不及时将造成海上作业面闲置，浪费宝贵的天气窗口。为保障现场供货，需要运输船成批次将大部件提前运至项目周边港口或锚地等待施工，周转率低造成运输资源浪费。另一方面，大直径单桩和导管架基础制作单位堆场通常存储能力有限，运输船周转率低还可能导致生产线被动停工，影响供货。德国不来梅哈芬海上风电母港如图 1 所示。2020 年以来，山东东营、烟台、海阳，江苏如东、射阳，福建漳州，广东揭阳、阳江，广西防城港等沿海城市积极布局海上风电产业集群建设4，引导海上风电规模化、集约化开发，带动海上风电降本增效。产业集群以区域性海上风电母港为中心，后方重装基地集聚产业供应链，服务周边百万千瓦级海上风电场的建设和运维。本文以国内某海上风电项目为研究对象，业主在竞争项目资源同时，考虑参建当地海上风电母港，为测算投资回报，需分析母港对于风场建设的带动作用，并对其规模进行合理评估。为此，本文的研究以码头堆场容量、制造基地逐月供货数量、海上作业面及其使用周期等关键参数为变量，基于混合整数线性规划，提出一种算法用于设计海上风电机组施工的组织模式，帮助科学规划施工所需资源。本文以单桩基础为例，对有关算法及应用进行介绍。图 1德国不来梅哈芬海上风电母港1规划算法介绍混 合 整 数 线 性 规 划（Mixed Integer LinearProgramming，MILP）通过求解线性约束下目标函数的极值问题来得到决策变量的最优解，在流程优化等方面应用广泛5。令nIIISBx，21=为变量，施工组织策略的优化已最小化作业面使用成本 F 和缩短工期 T 为目的，具体公式为：Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期127）（min01111BBJRITICFMjniijniMjiji-+|=|=-（1）式中：F 为最小化作业面使用成本的数值；n 为实际采用的海上基础作业面数量的数值；），（niCi1=为第i 个海上基础作业面包含租金、油水、劳务等在内的月使用成本的数值，单位万元；M 为最长建设周期的数值，单位月；T21iMijiiiIIIII，=，ijI为施工实际采用的第 i 个海上基础作业面逐月是（=1）否（=0）参与施工，Ii为列向量的数值；R0为堆场建设、使用最低投入的数值，单位万元；J 为堆场扩容投入的数值，单位万元/台套；B 为码头堆场可堆存基础数量的设计值；Bmin为码头堆场可堆存基础数量的最小设计值；T为工期的数值。1.1优化问题不等式约束方面为保证施工期间码头堆场内存储的基础数量始终不超过码头设计容量，则：|+-+-+-+-+-+-=-=nininiMiMiMiiiininiiiiiniiiBSIESIESIESBSIESIESBSIESBS111113222111113222111121111（2）式中：S 为列向量，S=S1，S2，Sj，SMT，Sj为制造基地在 j 月供货基础数量；，iiiEEE21=TiMijiEEE，=，ijE为施工实际采用的第 i 个海上基础作业面在 j 月的可施工基础数量，Ei为列向量。为保证施工期间头堆场内终保有足够的部件以供施工，则：|-+-+-+-=nininiiMiMMiiiininiiiiiniiiIESIESIESIESIESIES111222111112221111111000（3）为保证施工期间作业面投入施工后连续作业直至离场，则：|+nMnananaMaaaMaaaIIIIIIIIIIII21222212112111111111111（4）为保证各作业面累计投入时间大于最短租用时长，则：|=MjnjMjjMjjLILILI1min1min21min1（5）为保证施工期内采用的海上作业面可完成施工目标，则：NEniMjij=11（6）式中：N 为海上风电场计划建设风机台数。1.2优化问题等式约束方面为保证制造基地生产基础数量等于计划施工风机数量，则：NSMjj=1（7）为保证各海上作业面投入使用时间不与其他计划冲突，则：|=-000121212221111211121nAnnAAIIIIIIIII（8）变量设置方面，ijI如上述为 01 变量，B 边界条件为：BminBBmax式中：Bmax为码头堆场可堆存基础数量的最大设计值。考虑到开工前需要提前储备一定数量的基础，令：0S1Bmax其余月份制造基地供货数量为：0SjBmax（j=2，M）根据上述原理，对 Nwp（供比选海上基础作业面总数量）个海上作业面进行组合，共得到nNCwp套作业面组合方案，逐一针对每套作业面组合方案展开优化，考虑到其中第i个作业面实际可由第Ai、Ai+1、Ai+2、MLmin（海上基础作业面最短租用时长，以月计）+1个月投入使用，共计 MAiLmin+1 种可能。由此，对于 n 个作业面，依据实际投入时间，又可进一步细分出=+-niiLAM1min1）（种具体方案（为第 i 个海上基础作业面最早投入使用的起始月份），针对其中每种方案，采用混合整数线性规划求解器求解。其中，不等科技与创新Science and Technology&Innovation1282023 年 第 13 期式约束 Axb 中矩阵 A 和列向量 b 可由式（2）式（6）推导和整理得到，等式约束 Aeqx=beq由式（7）式（8）推导和整理，某一方案有解则计入备选方案。循环上述过程，最终由备选方案得到成本最低、施工周期最短的组织方案。考虑到实际开工前运送至码头堆场的基础组件均可被认为是提前储备的，假设最优方案中实际最早由第 m 个月开始施工，则提前储备基础总数为 S1+Sm，后续每月制造基地供货数为 Sj。2算例分析本项目中，风场规模约 1 000 MW，拟安装 100 台海上风电机组，工期 2 年，其中单桩基础计划于开工后首年内完工。根据前期调研，母港周边大直径钢管桩加工单位每月总产能约 10 台套，即制造基地月极限基础供货能力 Smax=10，母港堆场单桩的设计存储数量B 最小为 Bmin=10，基本投资 R0=1 000 万，最大可扩容至 Bmax=20，每台套扩容费用 J=50 万。通过与承建单位沟通，确定 Nwp=3 艘备选起重船舶，最短租用时长为 3 个月，其余设计参数如表 1 所示。其中，根据起重船可作业风浪条件，基于数值后报得到的历史逐小时风浪数据，分析得到每条起重船的月平均可作业天数，在此基础上，考虑单个机位施工工效约 2 d，四舍五入计算得到 Ei。由规划算法共得到8种满足设计要求的备选方案。以母港堆存单桩数量和每月施工机位数量为指标，图 2展示了最终得到的最优组织方案。由图可知，海上施工 2 月启动，11 月底结束，工期 10 个月。为配合海上施工，堆场单桩的堆存能力应达到 19 台套，由此产生建设成本 1 450 万元，开工前应提前储备 13 台套单桩，210 月每月初应到货 10 台套，11 月初到货最后 7 台套。主作业面方面，1 号起重船 9 月投入使用，累计投入 3 个月；2 号起重船 2 月投入使用，累计投入 4 个月；3 号起重船 3 月投入使用，累计投入 7 个月，船机总成本 22 600 万元。表 1基础施工起重船设计输入条件项目符号数值1 号起重船月使用成本/万元C12 000最早可投入使用的月份A11逐月可施工基础数量E104 06 08 10 10 1010 10 10 10 08 042 号起重船月使用成本/万元C21 700最早可投入使用的月份A22逐月可施工基础数量E203 04 06 08 08 0808 08 08 08 05 033 号起重船月使用成本/万元C31 400最早可投入使用的月份A33逐月可施工基础数量E302 04 05 06 06 0707 07 08 06 04 03图 2最优方案示意图3结束语为适应海上风电规模、集约化发展趋势，针对海上风电单桩基础施工在母港配合下的组织形式，项目基于混合整数线性规划提出了一种计算模型用于有关方案优化研究，更加科学合理地统筹制造、运输、堆存和海上施工各环节。后续将进一步对有关算法进行研究，将它拓展至可综合考虑基础和风机安装，更加全面地对海上风电施工的集约化组织模式进行分析。参考文献：1武魏楠，谢长军.建议海上风电“三步走”2025 年底实现平价J.能源，2021（1）：10-13.2余文博.“平价时代”的海上风电降本增效技术研究J.上海节能，2022（4）：468-475.（下转第 131 页）场地极限存储能力1 号起重船2 号起重船3 号起重船母港堆存单桩数量基础数量项目完工项目开始第 1 个月运入项目开始第 1 个月安装项目开始第 2 个月运入项目开始第 2 个月安装项目开始第 3 个月运入项目开始第 3 个月安装项目开始第 4 个月运入项目开始第 4 个月安装项目开始第 5 个月运入项目开始第 5 个月安装项目开始第 6 个月运入项目开始第 6 个月安装项目开始第 7 个月运入项目开始第 7 个月安装项目开始第 8 个月运入项目开始第 8 个月安装项目开始第 9 个月运入项目开始第 9 个月安装项目开始第 10 个月运入项目开始第 10 个月安装项目开始第 11 个月运入项目开始第 11 个月安装项目开始第 12 个月运入项目开始第 12 个月安装Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期131图 5臭氧投加量为 10 mg/L 时臭氧催化氧化对COD、色度的去除性能2.2.4臭氧投加量为20 mg/L 时臭氧催化氧化工艺性能臭氧投加量为 20 mg/L 时，臭氧催化氧化工艺对COD、色度的去除性能如图 6 所示。图 6臭氧投加量为 20 mg/L 时臭氧催化氧化对COD、色度的去除性能此试验阶段原水 COD 在 25.843.8 mg/L 之间，平均值为 34.8 mg/L。经臭氧催化氧化工艺处理后，最终出水 COD 平均为 19.0 mg/L。试验中当原水 COD 较高时，出水 COD 为 2