手把手教你在海上建风电

浙江省杭州湾一处海上风电场，波浪和潮流冲刷着风机桩基础附近的泥沙，形成了长长的条形痕迹。长期冲刷有可能将桩基底下泥沙掏空，导致有效埋深减小，削弱单桩承载能力，风机就可能倾斜，风机的动力特性也会受影响。图片来源∣视觉中国

我至今记得第一次出海勘察的情形。那天凌晨四点，勘察船从码头出发，驶向十几公里外的风电场址。船在涌浪中起伏，我抱着垃圾桶吐了三轮，终于理解了同事们常说的“出海先过晕船关”。等到天亮，我扶着栏杆站上甲板，四顾茫茫，海面上什么都没有。带我的前辈指着远处深蓝的海平线说：“这一片，以后全是风车。”

彼时，是近海风电的年代，风机立在离岸不远的浅海中，水深不过几米到十几米。而如今行业里说的“深远海”，严格来说指的是水深50米以上或离岸70公里以外的海域。按国内外的规划经验，那里风更大、更稳，不占用近岸航道和岸线资源，是海上风电走向规模化之后必然要去的地方。但要够得着那片风，从看风、探海、画图，到立塔、送电、守护，每一步都要重新回答一遍“怎么干”。

如何看透海上的风

从近海走向深远海，很多人以为第一个挑战是水更深、施工更难。都没错，但我最先碰到的难题更朴素：怎么“看”深远海的风？

答案一是从天上看，二是从海面看。先看天上：装载合成孔径雷达（SAR）的卫星从几百公里高的轨道扫过海面，雷达波打到海面反射回来——海面越粗糙，也就是风越大，回波信号的特征就越明显，由此反推出海面的风速和风向。卫星九十多分钟绕地球一圈，积年累月的过境记录叠在一起，就能拼出一片海域的风况“底图”。

可卫星只能看到海面的风，而叶片在100多米的高空转动。海面的风和高空的风并不一样——通常高度越高，风速越大，同时还受大气稳定度、海温等因素影响。还得从海面再看仔细——漂浮式激光雷达：它漂在海面，把激光打进空气里的气溶胶微粒，靠多普勒效应测出风速，能从海面一路量到两三百米高空，正好覆盖叶片转动的范围。

借助卫星和空间站等装备，我们可以从太空俯瞰大海。卫星可以从几百公里高的轨道用雷达扫过海面，依据回波信号特征来推算出海面的风速和风向。经过积年累月的扫描，将数据叠加分析就能清楚了解相关海域的风能资源详情。图片来源∣视觉中国

这样，深远海“看风”靠的就是多源数据融合——卫星拼出大范围的底图，数值模型推算高空风，激光雷达实测校准，三路数据互相印证，风才算真正摸得准。

知道了风在哪、有多大，下一个问题是：几十台风机在海上怎么排？

早些年，布机方案全靠工程师的经验。，十天半月都不一定能调好。后来，我们决定自己开发一套智能布机软件，让计算机做它擅长的事：在满足所有工程约束的前提下，自动搜索成百上千种排列方案，找发电量最高、成本最低的那个。

算法上融合了遗传算法和粒子群算法——前者模仿自然界的“适者生存”，让好方案“繁殖”、差方案“淘汰”；后者模仿鸟群觅食，每只“鸟”既记住自己的最佳位置，也参考群体的最佳方向。计算机一夜之间就能完成过去需要一周才能完成的工作量。

“看风”这件事，从“看一座塔的数据”，变成了看卫星、看模型、看算法、看全局。而这，只是第一块拼图。

海底到底藏着什么

风在天上，可风机要立在海底。海底是什么样子，比风更难看见。

海底的隐患远比想象中多：浅层气、活动断层、埋藏古河道、孤石……无论撞上哪一样，轻则改设计，重则出安全事故。传统对策是多钻些孔。可海上打一个钻孔，成本动辄十几万到几十万元，深远海还要成倍上涨，“以量取胜”既不经济，也未必可靠。

海上风电场选址和施工前，都需要进行海底勘探。图片来源|视觉中国

后来，我们研发了一套组合拳：先做走航式地球物理探测——勘察船拖着探测设备在海面上跑，像给海底做“B超”，大面积扫描出地下结构的轮廓，把“可疑目标”圈出来；再到关键位安置钻孔，用偶极子远探测技术，让孔内仪器向四周“发声”，然后接收回波，探明钻孔周围几十米范围内的异常。一个是面上普查，一个是点上详查，“一孔之见”变成了“一孔远见”。这套技术后来被纳入行业技术规程，实现勘察成本降低三成以上。

探海还有一道坎：装备。大水深勘察的关键设备长期依赖进口，采购贵、周期长，出了故障还要等国外工程师飞过来，核心技术买不来也等不起。为此，我们下决心自主研发大水深自钻式旁压仪——这种设备能自己钻进海底土层，在原地就可以测出土的强度和变形参数，是深水基础设计的关键数据。从原理样机到海上试验，历时多年持续攻关，历经多轮试验迭代，最后成功实现该设备的国产化应用，其中的艰辛与磨砺，只有一线研发人员才能体会。

海底勘探除了用高科技设备进行海底各种水情的综合测量之外，还要进行必要的海底地质钻探，以摸清海底的各种情况是否具备修建大型风电场的条件。图片来源∣视觉中国

“探海”教会我的是：看不见的东西，不代表不存在，也永远糊弄不得。看不清，就要主动攻坚克难，想方设法探明真相。

既要画得出风场，还要立得起风机

摸清了风和海之后，工程师才能开始“画图”，也就是设计。

设计海上风电场，核心工具是仿真软件。风机立在海上，要同时承受风、浪和海流的反复作用，要把这些载荷算清楚，才能定结构的尺寸。早些年主流软件都是国外的，我们用得憋屈。

于是，我们决定自己研发一套。从风-浪-流耦合载荷的底层算法做起，把台风、湍流、土壤与结构的相互作用一点点编进去，前后迭代了很多年。这套名为“HyphoonSIM”的一体化仿真设计软件，入选了国家能源局首台（套）重大技术装备，与国际主流软件的计算结果偏差控制在7%以内，已在百万千瓦级海上风电场的勘测设计中应用。第一次用“自己的笔”画完一个风电场，那种感觉很难形容——像是憋了很多年的一口气，终于吐出来了。

图纸画完，真正的考验才开始：把设计变成海里实实在在的“钢铁森林”。

直升机牵引着用于输电线架设的钢丝绳，成功实现跨海作业，顺利地将输电线缆导入架线滑轮。图片来源∣视觉中国

海上施工讲究一个词：窗口期。风机吊装时，几百吨的机舱要吊到一百多米高空，叶片要在高空与轮毂对接，全程对风速、波高有严格限制。深远海海况恶劣，合适的窗口可能几周才等来一次，施工船在海上漂着，一天的费用就要几十万元，等不起，又急不得。所以，深远海的设计，从画图起就得替施工打算——能少一趟船、少一次海上作业，都是在替窗口期抢时间。

施工的第一步，是把风机的“根”扎进海底。以最常见的单桩基础为例：一根直径七八米、长近百米、重上千吨的钢桩，要笔直地钉进海底几十米深。打桩船把这根上千吨的钢桩吊起来，用液压锤一锤一锤往下打，一根桩常常要锤击上千次，边打边纠偏——桩顶法兰面的水平度偏差要控制在千分之三以内。桩立得直，风机才立得直。

山东一海上风电装备产业园内的智能化总装生产基地，风机制造车间的工作人员正在吊装风电设备。图片来源∣视觉中国

根扎稳了，往上就是塔筒、机舱，然后是最考验功夫的叶片对接：一百来米长的叶片是柔性的，吊到百米高空，风一吹就晃；叶根一圈的螺栓孔，要与轮毂上的孔一一对准——像隔着几十米穿针，针还在风里晃。对准、插销、紧固，三片叶片依次装完，这台机组才算真正“立”了起来。

与近海的风机机组相比，深远海设计里更“科幻”的，是漂浮式风电平台。水深一过五六十米，固定式基础的用钢量成倍飙升，再往海底扎桩就不划算了，还不如干脆让整个平台浮起来。我参与过全球单机容量最大16兆瓦的漂浮式风电平台——“三峡领航号”的设计，它底部的基础像一张四条腿的板凳半潜在水里，底下用系泊缆拴在海底。

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广东省阳江市海域，多艘船舶满载装备，正准备前往海上风电场施工。阳江海域是我国风电事业向着深远海挺进的重要区域。图片来源∣图虫创意

最常被问的问题是：“台风来了，它会不会漂走？”答案只有精确计算：上百页的设计报告，保证它在50米以上水深、17级台风水平极端风速下，既飘不走，也翻不了。今年五月，它在广东阳江海域完成安装，成为国内首个入级中国船级社的漂浮式风电设施。拖轮把它缓缓带到海上风电场址，系泊缆一根根张紧的那一刻，参与设计的人手心都是汗，其中原因，既有紧张，也有兴奋。

工程设计并非总是宏大命题，更多时候，是与复杂多变的海底地质反复“较劲”。即便同属几十米水深的海域，地质条件也千差万别：有的区域覆盖层厚，打桩就行；有的是裸岩，桩打不进去，得设计嵌岩基础；有的软土深厚，必须另行优化设计思路。我们研发的“海上风电导管架-桩基、筒基、嵌岩”系统解决方案，已在两百多台风机上成功应用。

从设计到施工，没有标准答案，只有因地制宜、对症下药。

在台风、雷电、巨浪中守护风场

风机立起来了，电送出去了，但挑战并未停止：一台风机的寿命二十多年，运维这笔账要算四分之一个世纪。海上风电的运维要花掉全生命周期成本的两三成，而深远海最贵的一件事，是“到达”，所以，深远海运维的所有努力，都指向同一个目标：少出海，甚至是尽可能不出海。

海上风电场全生命周期产生的数据是海量的，靠纸质图纸和人脑根本管不过来。我们研发了数字化交付平台，把竣工的风电场连同全部“数字资产”一起移交——从“交一堆图纸”变成“交一套数据”。运维人员打开电脑，每根海缆的埋深、每台设备的参数都查得到。

广东一海上风电装备生产车间，工人正在用火烧的方式对海上风电导管架配套部件进行表面除锈，为后续的防腐涂层施工做准备。图|邱新生

不出海，靠什么掌握风机的状况？靠数据。每台风机都装着“体检仪”：振动、温度、油液的数据实时传回岸上集控中心，算法盯着成千上万条曲线，赶在故障发生前发出预警——把“坏了再修”变成“提前预防”，把宝贵的出海窗口，留给真正要干的活。

必须出去看的，就派机器去。查叶片，无人机绕着风机飞一圈，涂层脱落、雷击烧蚀、前缘裂纹，拍得清清楚楚，不用人爬上百米高空；查水下，无人船带着水下机器人潜下去——海底下也有“看不见的风险”，比如设备腐蚀，比如基础底部冲刷：海水流过基础时形成旋涡，把泥沙一点点带走，基础底下被掏空，风机就可能倾斜。这些全发生在浑浊的海水底下，人眼看不见；机器定期下去扫一遍，冲刷坑是深了还是浅了，和设计值一比对，就能知道。

守护风场，最大的对手是台风。台风是把双刃剑：极端风速威胁结构安全，但台风外围又是发电的“好风”。风场要提前几天根据路径预报调整策略——哪些风机停机锁桨，哪些偏航迎风，把损失和收益一起算清楚。台风过境的夜晚，值班室里的工作人员盯着满屏数据不敢眨眼的紧张，只有经历过的人才懂。

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守护海上风电场，最大的对手是台风和雷电。极端风速的台风会威胁机组的结构安全。而雷电则是“隐形杀手”，直击雷损伤叶片、感应雷损坏电气设备的事故时有发生。图片来源∣图虫创意

雷电是另一个“隐形杀手”，直击雷损伤叶片、感应雷损坏电气设备的事故时有发生。防雷是一套系统工程：外部防雷把雷电流安全引入大地，内部防雷保护电气设备，再配上雷电定位系统，预估雷击位置与强度。一旦有一次雷击导致风机叶片受损，我们就可以顺着定位系统的记录倒查，改进了那一带的防雷设计。故障最好的价值，在于提炼可复用的经验，让下一个风场规避同类隐患，不再重蹈覆辙。

回望这些年，从看风、探海，到画图、立塔，再到送电、守护，深远海风电走过的每一步，都是把“不可能”掰开揉碎，变成一张张图纸、一个个算法、一次次出海。而每一次“重新校核”的背后，都承载着团队的付出与一个个鲜活的攻坚故事。

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责编：左凌仁 王旭辉

美编：张玲月

校对：段海英

审核：柳向阳

来源：《中国三峡》杂志2026年09-10期，有删改