高巍等：张力腿浮式风电技术发展路径研究

摘要 

引言

浮式风电（或称漂浮式风电）作为开发深远海风能资源的关键技术，正从示范阶段向商业化初期加速迈进。根据全球风能理事会（GWEC）的数据，截至2025年底，全球浮式风电累计装机规模约为278 MW^［1］，呈现“欧洲引领、中国快速追赶”的格局。已并网的项目主要集中在北海和地中海，挪威和英国是目前全球浮式风电装机容量最大的两个国家，法国、葡萄牙等国规划了大型浮式风电场。中国整体起步稍晚，但发展迅速。截至2025年底，中国浮式风电累计装机容量达到约40 MW，跃居全球第三，已陆续建成“三峡引领号”^［2］、“海油观澜号”^［3］、“明阳天成号”^［4］等多个示范项目，正在推动万宁小规模浮式风电场建设，已初步具备抗台风型浮式风机的自主研发、制造、安装技术及运营能力^［5-6］。

目前已并网的浮式风机涵盖了半潜式（Semi-submersible）、单立柱式（Spar）、张力腿式（TLP）和驳船式（Barge）等多种基础平台技术路线，并开始探索混凝土制、铰接连接形式以及模块化等新型技术，但总体上仍基于4种浮式基础进行研制和集成创新开发。这4种浮式基础基本特点为^［7］：①大水线面驳船式，凭借较大水线面积提供拖航与在位稳性，但其在恶劣海况下运动性能较差；②半潜式（柱稳式），通常采用多个立柱及较大跨距以增大水线面面积矩，具备较长运动固有周期，在位运动性能优于驳船式，可在码头完成整体集成与拖航，系泊回接相对简便，是当前主流型式，国内外已开展多个示范项目；③单立柱式，依靠底部固定压载实现高稳性，运动周期长、动态性能好，但静倾角较大，且集成与扶正对水深和海域条件要求较高；④张力腿式，通过张力腿维持稳定，在位性能最优，但其总体设计与系泊安装仍面临技术挑战，目前仅在温和海域实现样机示范。张力腿浮式风机（TLP-FOWT）半刚性半顺应的运动特性、发电稳定性及对中等至深水海域的适应性，近年来已受到广泛关注。

对张力腿浮式风机的研究，目前主要围绕其设计优化与动力响应等进行多维度探索。Bachynski和Moan^［8］通过对多种参数的单柱式张力腿浮式风机进行非线性时域耦合分析，揭示了排水量、压载及系索预紧力等关键变量对平台运动与结构载荷的显著影响，并指出在中等水深条件下，该类平台的设计本质上是在排水量所代表的建造成本与恶劣海况下的性能表现之间寻求最优平衡。针对中国东南部50～100 m中等水深海域，韩彦青 等^［9］提出小水线面、浅吃水、可自浮拖航的10 MW TLP基础，明确纵荡自振周期需大于25 s以避开常见波浪频率，且基础质量过小或预张力过大会诱发显著动力响应；杨成林 等^［10］进一步验证小水线面面积与桁架式中心立柱可有效抑制二阶和频波浪载荷，降低筋腱张力波动；针对15 MW级大容量TLP，李达 等^［11］揭示极端停机工况下二阶波浪力可使筋腱张力最大值与标准差分别提升21.69%和40.05%，且低风速（7 m/s）下风轮3P激振频率与纵摇固有频率重合会诱发共振，需通过机组控制策略规避；朱嵘华 等^［12］研究双张力腿方案较单筋腱可显著降低纵荡、垂荡与纵摇运动幅值（最大降幅分别达2.70%、51.86%、57.53%），且随机风场会加剧低频与波频响应波动，增大迎风侧筋腱负荷。卫涛和李良碧^［13］通过模态分析研究了海上TLP浮式风机整体结构的动态特性，发现其低阶振型以六自由度刚体运动为主，自振频率可有效避开海浪谱与风轮旋转频率，不存在共振风险。张茴栋 等^［14］针对中国南海短周期小波高海况，通过物理水池试验验证了TLP浮式风机与分块垂荡点吸收式波浪能装置的集成效果，表明分块浮子可将短周期波浪能捕获效率最高提升22.24%，但特定浪向会增大平台纵摇，需进一步优化系泊系统。王禅 等^［15］通过AQWA集成软件模块二次开发实现了考虑平台运动的风载荷耦合计算，发现风、浪联合作用下平台运动会使风载荷在波频处出现峰值，且风载荷会显著提升TLP浮式风机低频段的运动响应，分析中需重视风-浪-平台的耦合效应。

目前，TLP-FOWT整体上处于技术研究初步技术验证阶段，现有研究仍多针对其响应特性、浮式基础与风力发电机组的耦合特性、多能融合技术可能性等方面开展研究，对于TLP-FOWT的原理性研究与总结仍较为分散，对于技术发展方向仍缺乏研究与探讨，亟待攻关的共性技术仍不明确。本文在总结目前TLP-FOWT总体发展趋势的基础上，基于TLP-FOWT目前的主要技术路线，结合南海环境特点对比不同TLP-FOWT技术方案，并明确未来亟待攻关的共性技术，以期为TLP-FOWT在南海的规模商业化应用提供参考。

1　张力腿浮式风机基本原理与近年发展趋势

TLP-FOWT原理认知与发展规律是方案设计的重要基础，本章将对比其与海洋油气张力腿平台在设计目标、载荷特征、系统配置等方面的本质差异，系统阐释TLP-FOWT的核心工作原理与技术特性，梳理当前全球主流TLP-FOWT设计方案的结构形式、系泊配置与适用场景，提炼TLP技术向低成本、高适应性发展的整体趋势，为南海海域TLP-FOWT技术方案选型提供支撑。

1.1　张力腿浮式风机技术原理

与驳船式、半潜式等主要依靠浮体水线面提供稳性的浮式风机不同，TLP的核心技术原理在于其恢复力主要由始终处于张紧状态的系泊系统（张力腿）提供。在位状态下，系泊缆被预张紧，浮式基础的大部分浮力（排水量）用于平衡张力腿的巨大拉力，这使得平台仿佛被“拉紧”在海床上。这种机制使得TLP在升沉、纵摇和横摇3个关键自由度上的固有周期被显著降低（典型为2～5 s），远低于波浪能量的主要集中周期（5～25 s），从而有效避免了与波浪载荷的共振效应，运动性能优异。基于良好的在位运动性能，TLP-FOWT的机舱水平加速度较小，运行条件可控制在0.2 g（g为重力加速度，g=9.806 m/s²），极端条件可控制在0.4 g以内，对于风力发电机组较为友好。这种“风机友好”的特性，意味着更小的风机塔底载荷，对常规固定式风机进行较小改造即可应用，有助于机组设计以及浮式基础的结构设计。

TLP-FOWT的主要载荷来源为波浪载荷与风机运行载荷，总体载荷水平约为传统海洋油气张力腿平台（TLP）的30%左右，其设计目标与海洋油气张力腿平台存在显著差异（表1）。

表 1　海洋油气张力腿平台与张力腿浮式风机设计特性对比

TLP-FOWT技术挑战在于将海洋油气领域的成熟技术转化为适应于风电行业成本约束的解决方案，这一转化过程存在3个主要技术挑战。

1）低成本要求与系统整体安全性之间的矛盾。为控制总体造价，TLP-FOWT普遍采用系泊缆替代传统张力腿平台中的高强度钢管。然而，系泊缆仅能承受一定的拉力，破断载荷远小于专用张力腿；系泊缆无法抵抗压力，若发生松弛将引发整体失稳乃至倾覆风险。因此，TLP-FOWT的系泊系统需要控制最大张力并提升最小张力，需要浮式基础显著降载并开展系泊系统针对性设计，整体技术难度较高。

2）恶劣海洋环境与系统耐久性之间的矛盾。系泊系统不仅需具备足够的极限强度以抵御极端张力，还需在风机运行所引起的高频载荷与持续波浪载荷作用下，保持优良的抗疲劳性能，对系泊缆及其连接件的材料选择与结构设计构成重要挑战。

3）运动性能优化与工程可行性之间的矛盾。TLP-FOWT在服役期间需具备较小的运动响应和较低的波浪载荷，以实现风机稳定运行。该目标和结构拖航与安装阶段的稳性要求以及系泊系统安装、维护与更换的可操作性之间产生冲突，需在设计中予以综合权衡。

风力发电机组向大型化发展，其呈现更为显著的多自由度柔性特征，气动力学载荷与响应多变，TLP-FOWT浮式基础的耦合特性与动力学特性相较以往的海洋油气领域TLP更为复杂。

1.2　张力腿浮式风机复杂耦合特性

随着机组单机容量大型化，叶轮直径逐渐增加，为满足最佳叶尖速比要求，叶轮旋转频率呈现逐渐减小的趋势，1P和3P区间内的设计范围变得更为狭窄（图1），对浮式风力发电机组的基础设计提出了更高挑战。

图 1 不同单机容量风轮旋转特征频率

针对典型TLP-FOWT开展频率分析可发现^{［11，16］}：TLP-FOWT升沉固有频率达到0.45 Hz左右，与3P运行固有频率有25%～31%的差异；横摇、纵摇固有频率约为0.25 Hz，与机组切入运行频率有一定的共振可能（图2）。机组塔筒的设计存在难点，加之整体结构的柔性影响，传统分析方法可能存在模态分析与疲劳损伤分析的显著误差，需予以关注^［17］。由于大系泊刚度的强约束作用，平台在复杂环境条件作用下所产生的高频共振和拉伸刚度的非线性特征对平台动力学表现的影响需要予以高度关注^［18］。

图 2 16 MW风力发电机组与TLP-FOWT基础典型固有频率对比（据文献［11］修改）

采用一体化的协同设计分析，是识别和分析TLP-FOWT复杂动力学特性、解决运动响应、系泊系统设计以及结构设计优化的最佳手段，是发现潜在共振、确保机组安全运行的可靠保障^{［16， 19］}。除了系统模态特征分析外，现有技术条件下，一体化耦合分析技术还主要包括性能-系泊分析和结构响应分析，其技术成熟状态不尽相同。基于一体化耦合分析技术的浮式风机性能-系泊分析已在实际工程中应用，但对计算资源的依赖仍然较高，完成一轮分析工作需要1～2周（工作站CPU Intel Xeon Gold 6248R，内存128 G）。浮式风机基础结构一体化耦合分析目前尚处于算法摸索和初步实践中，主要的技术挑战包括：分析结果对机组及叶片的具体参数较为敏感；波浪载荷-机组载荷以及加速度场的载荷重构与简化方法尚不明确；需考虑的工况数量多，计算产生的数据规模庞大，后处理计算负荷高等。尽管目前相关理论已较为成熟，但其在实际工程中的适用性与可靠性仍有待验证。

1.3　张力腿浮式风机近年发展趋势

尽管TLP-FOWT面临上述技术挑战，但其卓越的运动性能所带来的发电效率优势和载荷控制潜力，依然吸引了全球众多研究机构与工程公司投入研发。为了在保持其性能优势的同时，攻克成本、安全性与工程可行性等难题，近10年来，业界提出了多种不同的TLP设计概念与技术方案。目前主要的TLP-FOWT方案如图3所示，典型技术方案特点对比如表2所示。

图 3 目前主要的TLP-FOWT设计方案

表 2　现阶段主要TLP-FOWT技术特点对比

综合对比表明，TLP-FOWT目前主要的技术发展特点可以概括为以下5方面：

1）更高的一体化协同设计要求。TLP-FOWT设计方案须完整涵盖基础设计、系泊系统设计、安装方案设计以及关键部件选型，对设计方、建造安装方与供应链企业提出了更高层次的协同合作要求。

2）结构形式趋于简化。为降低建造成本并适应恶劣海况，新的研究方案普遍采用更简洁的结构，以结构简洁的最小在位排水量方案（如SBM二代、Bluewater），及桁架结构带外浮筒方案（如SBM一代、MODEC二代、中国海油TLP-FOWT）为主。

3）聚焦经济高效的建造与安装方法。为减少海上作业时间和复杂工序，实现更经济的模块化建造已成为基本共识，降低安装费用的安装技术是目前攻关焦点。

4）系泊系统创新以提升经济性。系泊系统是TLP-FOWT的关键部件以及关键成本组成项。工业界正在探索更经济的系泊方案，包括探索使用合成纤维缆、优化浮式基础载荷以及系泊布局，减少系泊缆数量，在保证安全与性能的前提下降低材料与安装成本。

5）从海况温和海域走向海况恶劣海域。早期方案多针对海况温和海域，但新研发的方案（如SBM二代、MODEC二代、Bluewater、中国海油TLP-FOWT）均以海况恶劣海域服役为目标，显示出TLP-FOWT技术向更具挑战性的风能资源区拓展的趋势。

目前能够适应海况恶劣海域服役要求的TLP-FOWT，以最小在位排水量方案和桁架结构带外浮筒方案这两种技术路线为主。

最小在位排水量方案的浮式基础结构简洁，通常由一个立柱和多个向外延伸的浮箱组成，在位排水量仅用来平衡船体结构重量、风力发电机组重量以及系泊缆预张力，能够实现在位排水量的最优利用并显著改善波浪载荷作用，但其拖航就位需要通过临时浮筒或安装工装实现。桁架结构带外浮筒方案，通常由桁架结构和较大体积的永久外部浮筒组成，在位排水量主要集中在外部浮筒，浮筒主要用于实现整体拖航就位，在位条件下会承受更大的波浪载荷作用。为了降低波浪载荷作用，浮筒之间的连接以及立柱主要为小直径杆件，船体排水量更大，波浪载荷水平更高，相对而言系泊系统的设计难度更高。

TLP-FOWT浮式基础的波浪载荷优化与安装方式密切相关。从应对未来规模化开发要求角度，最理想的安装方式为“在位安装”，即浮式基础单独拖航就位后，在海面上利用安装船完成塔筒与机组的吊装集成。目前工业界尚欠缺满足浮式风机海上安装的高效施工装备以及施工技术，该方式在深水以及开敞海域条件下面临大型浮吊作业安全、吊装精度控制以及高效安装工法等关键技术挑战，现阶段还缺乏实施条件。

2　南海恶劣海况服役的张力腿浮式风机技术方案对比

结合中国南海北部强风、巨浪、急流耦合的极端海况特征，以TLP-FOWT工程化适配为核心目标，量化分析TLP浮式基础的波浪载荷特性，对比垂直系泊与倾斜系泊的运动控制效果、不同系泊材质的疲劳性能，以及永久外浮筒与辅助工装两类安装方案的优劣，明确恶劣海域下TLP技术的适配性要求与优化方向，为工程应用提供技术参考。

2.1　浮式基础部件尺度与波浪载荷特性

中国南海北部海域的极端环境条件对TLP-FOWT的设计构成了严峻挑战。该海域50年一遇的极端条件下，海面以上10 m高度处10 min平均风速可达40 m/s以上，轮毂高度处风速可达60 m/s，远超常规海上风电设计标准。同时，极端海况有义波高大于12 m，并伴有高达1.8 m/s的表面流速。这种强风、巨浪与急流共同作用的复杂工况，其严酷、复杂程度接近甚至超过现有主要油气与风电开发海域，极大地增加了TLP-FOWT的整体设计挑战。

TLP-FOWT所承受的载荷主要包括上部风力发电机组（包括风轮载荷和塔筒载荷）风载荷、作用于浮式基础上的波浪载荷与流载荷3类。在极端工况下，机组停机且叶片顺桨，其气动载荷相对稳定，此时浮式基础承受的波浪载荷成为主导。通过对比南海极端环境条件下16 MW TLP-FOWT所受到的环境载荷特性（图4）可以发现：极端条件下TLP-FOWT受到的控制载荷为一阶波浪载荷和风机载荷，风机载荷是风机机组在环境条件作用下的固有特性，控制波浪载荷尤其是一阶波浪载荷对TLP-FOWT增益最大。TLP-FOWT所受到的一阶波浪载荷主要包括纵荡（横荡）波浪载荷、升沉波浪载荷以及纵摇（横摇）波浪弯矩，这3类载荷的作用特征具有显著差异。

图 4 南海典型极端环境下16 MW TLP-FOWT所受到的环境载荷量级对比

对于具有自由表面的单立柱和水下浮箱共同组成的浮式结构物，其垂向波浪载荷具有独特的抵消效应^［27］。以单立柱TLP-FOWT为例，研究其各个主要组成部件垂向波浪载荷特性。

吃水25 m条件下，不同立柱直径、浮箱长度、浮箱尺度、外浮筒尺度对于垂向波浪力的影响如图5所示。通过比较立柱、水平浮箱以及外浮筒对垂向载荷的组合关系，可以发现：立柱的垂向波浪载荷随波浪周期增加而逐渐增大，且相位基本无变化，其载荷量级与立柱直径相关（图5a）；浮箱的横截面越大其受到的波浪载荷越大，在大周期位置存在相位差，浮箱越长，垂向波浪力越大（图5b、c）；与立柱距离相同的条件下，外浮筒的尺度越大，其所受到的波浪载荷越大（图5d）。从尺度设计角度出发，应尽量避免大尺度的外浮筒，优化浮箱长度并控制其横截面尺度，可针对性实现垂向波浪载荷的控制。

图 5 不同结构部件尺度对垂向波浪力的影响

针对外浮筒与立柱、浮箱的不同组合方案进行垂向载荷分析并与50年一遇波浪谱比较（图6）。外浮筒方案风机立柱直径14 m，外浮筒直径12 m，高10 m，横撑、斜撑直径4 m，整体排水量1.2万吨；无外浮筒方案风机立柱直径15 m，浮箱宽、高均为6 m，横撑、斜撑直径3 m，整体排水量1.0万吨。通过对比发现，在极端波浪主要能量段（10～18 s），外浮筒的存在使得垂向载荷显著高于无外浮筒方案对外浮筒方案对外浮筒方案中心立柱进行适当优化能够实现一定的降载，但整体优化量级不明显^［9］；当不配备外浮筒时，合理设计立柱与浮箱的尺度以及比例，可以优选并令抵消周期位于极端波浪能量最大的谱峰周期附近，从而能够实现控制垂向波浪载荷的目的。

图 6 不同TLP-FOWT方案垂向波浪载荷与极端波浪谱比较

纵荡载荷以及纵摇波浪力矩比较如图7所示，可以发现这两种波浪载荷并不存在抵消效应，其量级主要受到浮式结构物水下特征以及平面波浪力作用中心与重心的力臂影响。

图 7 纵荡波浪力与纵摇波浪力矩的比较

通过分析可以发现，TLP-FOWT不同自由度的一阶波浪载荷特性差异较大，通过优化立柱、浮箱和外浮筒可以显著控制垂向波浪载荷，但纵荡、纵摇这2个自由度波浪载荷由于不存在抵消特征，难以通过优化浮式基础的部件以及尺度来实现降载，这2个自由度的载荷只能通过系泊系统来抵抗，这对张力腿系泊系统设计构成挑战。

2.2　系泊方案对比与机舱运动控制

TLP-FOWT由于材料特性、运动控制策略及控制目标的不同，目前主要有垂直系泊与倾斜系泊2种基本设计理念。垂直系泊方式除采用系泊缆作为张力腿外，其设计理念与油气张力腿平台较为接近，主要通过系泊缆的轴向刚度来抵抗外界载荷作用，平台的升沉和纵摇自由度受到较大系泊刚度的抑制，升沉与纵摇运动幅度均较小。倾斜系泊设计理念由SBM公司首次提出并应用于示范项目。倾斜状态下系泊系统一定程度上释放了转动自由度，系泊缆与垂直立面成一定夹角，系泊缆向上的延长线交汇于机舱或更高位置，浮式基础在载荷作用下绕着机舱近似转动中心转动，实现对机舱平面运动的有效控制，降低机舱的加速度。相关研究表明，增加系泊缆的倾斜角度减小了系泊缆和塔基的动力载荷波动，稳定了发电功率输出^［28］，但较大的倾斜角度降低了系泊缆张力在垂向的回复作用，对于系泊安全不利，为了保证运动性能，需要更大的预张力，使得系泊系统的设计难度提高，研究表明倾斜系泊的倾斜角度应存在一个相对优化的范围（图8）。

图 8 不同系泊缆倾斜角度系泊缆最大张力和机舱加速度变化趋势

通过筛选分析，选择2种典型倾斜系泊状态：a）系泊缆交会点位于机舱上方；b）系泊缆交会点位于机舱附近，并将两者与系泊缆垂直于海底的垂直系泊进行比较（图9）。张力腿系泊系统为3组，每组2根系泊缆。垂直系泊下浮式基础与塔筒、风轮在环境载荷作用下呈现整体运动，系泊系统对升沉和纵摇自由度具有较强的约束能力。倾斜系泊状态下，TLP-FOWT浮式基础在系泊约束下绕系泊缆交会中心转动，实际上释放了浮式基础的纵荡与纵摇运动，从而能够一定程度上吸收纵荡和纵摇波浪载荷作用。

图 9 倾斜系泊与垂直系泊的系泊缆张力作用特性与整体运动姿态特性

对比波浪载荷作用下3种系泊方式的张力腿动态张力及机舱运动加速度结果（表3），发现：垂直系泊下，由于TLP-FOWT完全通过张力腿实现约束，外界载荷均由张力腿系统承担，在载荷作用下，机舱、塔筒以及基础呈现同步运动特性，其动态张力较大，机舱加速度相对较大；倾斜系泊下，由于释放了纵荡、纵摇2个自由度，系泊张力可明显减小；由于整体转动中心位于机舱附近，浮式基础的平面运动通过转动消化，基本不会传递到塔筒顶部，机舱平面加速度较小。比较不同系泊交会点条件下，张力腿张力变化以及机舱加速度变化趋势，当系泊延长线交会点高于机舱时，机舱加速度可进一步减小，而交会点位于机舱时系泊张力较小，因而应存在一个可同时兼顾系泊张力和机舱加速度的倾斜系泊角度，该角度可结合目标海域条件进行分析筛选论证并作为倾斜系泊缆倾斜角度设计值。

表 3　不同系泊系统极端工况最大张力及机舱运动加速度对比

结合TLP-FOWT载荷特性分析，TLP-FOWT的总体设计需基于波浪载荷作用特性并结合系泊系统选型来开展。浮式基础可基于升沉波浪载荷作用特性进行升沉波浪载荷的优化；相比于垂直系泊系统，倾斜系泊系统能够释放纵荡、纵摇自由度从而降低波浪载荷作用，进而具备实现系泊张力以及机舱加速度同步优化的可能性。这种设计思路还需解决系泊缆疲劳、系泊连接件以及浮式基础安装等方面的问题。

2.3　系泊疲劳挑战与系泊连接件

TLP-FOWT张力腿系泊系统面临的疲劳挑战更为突出。对比分析TLP-FOWT和半潜式浮式风机系泊疲劳特点，发现相较半潜式浮式风机，张力腿浮式风机的低张力循环次数较少，但高张力幅值贡献更为明显（图10a）；TLP-FOWT系泊缆张力循环主要贡献来自于机组运行的风速载荷，该载荷显著大于波浪作用，但高幅值张力循环由波浪控制（图10b）。尽量降低波浪载荷的激励，有助于减轻波浪贡献的疲劳损伤，从而在一定程度上缓解系泊系统及相关部件的疲劳设计难度。

图 10 16 MW风力发电机组额定风速条件下系泊疲劳循环次数对比

进行锚链和钢缆2种系泊材质张力腿系泊系统疲劳寿命比较（表4），发现：①采用锚链，在长期高循环次数张力载荷作用下，锚链链径增加到220 mm，在浮式基础波浪载荷得到优化的前提下，采用3×3系泊系统能够满足设计要求，但安全系数仍较为临界，长期服役安全挑战较大；②钢缆疲劳性能好于锚链，能够满足疲劳寿命的要求且安全系数余量充足，在浮式基础波浪载荷优化的前提下，可以将系泊缆数量由3×3降低为3×2，进一步实现系泊投资优化。

表 4　不同系泊材质疲劳寿命及安全系数对比

采用钢缆的问题主要在于连接与安装，钢缆的张紧操作不如锚链方便且难以实现现场切割。用于张力腿的钢缆，在长度一致性方面需要较高精度，但由于制造误差、环境等因素影响，钢缆长度差异难以消除。另一方面，由于土壤以及安装差异，系泊锚在安装后的具体 位置难免产生一定的变化。当张力腿连接系泊锚并完成安装回接后，在张力作用下系泊锚在位状态会进一步发生变化，进而影响张力腿的预张力的分布。这要求钢缆安装服役过程中，TLP-FOWT应具备在位调整的能力，同时系泊连接件也要具备一定的长度调整能力，以便于调整和平衡同组张力腿的张力差异。

目前张力腿连接件有单根系泊缆连接件和同组合并连接件2类（图11）。单根系泊缆连接件连接钢缆顶部并安装调整机构，通常为螺纹调节。螺纹调节一般具有一定的长度调节功能（1 m左右），机械精度以及材料要求较高，优势在于能够相对精确地实现单根缆的针对性调节。

图 11 单根连接件与同组合并连接件对比

同组合并连接件采用“扁担”式结构，将一组两根系泊缆与浮体挂接锁定，能够自动平衡同组两根系泊缆的张力差异。同组内的两根系泊缆通过同组合并连接件实现张力自平衡，自动协调安装误差与张力差异。同-组内系泊缆可同步制造与安装、整体回接，缩短海上作业时间，降低工程成本。同组合并连接件为结构件，整体刚度好，无螺杆、液压缸等可动部件，避免了海洋环境中常见的腐蚀、卡滞问题，从而提高了长期服役的安全性与可靠性。制造上，结构件可采用常规钢结构工艺，精度要求低，易于标准化生产，有效控制成本。这种设计不仅解决了系泊系统核心难题，也体现了从依赖高精度机械向稳健结构思维的转变，更契合深远海风电规模化开发趋势。但同组合并连接件只能平衡两根系泊缆的张力差异，需要TLP-FOWT具有浮态调节能力和更小的波浪载荷特性，能够支撑采用单组两根系泊缆。

2.4　目前技术条件下张力腿浮式风机安装方案对比

TLP-FOWT的单立柱具有高干舷、高重心、小水线面特征，在拖航与就位阶段的稳性方面面临较大挑战，集成拖航与就位下放的回接作业方案需作为关键问题予以重点关注。目前主流的解决方案主要包括永久外浮筒整体拖航安装就位，及通过临时辅助工装安装就位2种技术路线。

1）永久外浮筒整体拖航。在浮式基础底部设置永久外浮筒，为码头集成后的整体湿拖提供浮力与稳性。拖航就位后，需先回接系泊缆，再通过张紧装置将基础下拉至设计吃水。该方案已有示范项目应用，但永久浮筒在位时会增大 波浪载荷，需采用多根系泊缆（如同组3根）以保证安全，导致系泊系统设计复杂、投资较高。此外，在张紧过程中外浮筒浸没后将暂时失去静水恢复力，操作风险较高，对设备可靠性要求严格，施工周期也较长。

2）辅助工装拖航。采用临时浮筒等工装提供拖航稳性。在码头连接工装并集成风机后整体拖航，就位后通过压载达到安装吃水，再进行系泊缆回接与张紧，最后由工装排载并移除。该方案无需永久外浮筒，在位水动力性能更优，可采用更简洁的系泊布置（如每组2根系泊缆），有利于降低系统复杂性与造价。

2种方案中，辅助工装方案在安全性、经济性与在位性能方面具有一定优势，是支撑实现小批量示范的重要技术手段，类似方法在海上油气平台中已有应用，技术可行性已获验证，但具体流程工艺仍需进一步细化和优化。

3　张力腿浮式风机技术攻关方向、路径与展望

针对TLP-FOWT产业化进程中的核心挑战，梳理亟需突破的关键技术方向，结合不同建设规模的工程量与经济性测算，提出分阶段技术攻关路径与产业发展可行性展望，为产业链协同推进提供决策依据。

3.1　亟待突破的共性技术

1）一体化耦合分析与结构健康监测。

TLP-FOWT系统具有复杂的耦合动力学特性，其安全稳定运行必须依赖一体化耦合动力学方法，以全面识别系统共振特征，明确机组各部件的振动规律，并掌握浮体基础的运动响应与结构共振频率。在此基础上优化机组控制策略，深入开展基础与机组的协同设计是确保系统整体性能的必由之路。从现有设计经验来看，常规固定式风机的设计思路难以直接适用于TLP-FOWT。必须打破传统设计中基础与机组相对独立的工作界面，开展深度融合的协同设计与技术攻关，从而为TLP-FOWT未来的规模化应用奠定基础。这需要浮式基础设计方与机组开发机构密切协作，针对各系统组成部分开展详细的动力学耦合分析，识别潜在的共振区域，并采取针对性控制策略，使机组转速快速、平稳地通过共振区，避免在危险转速区间长时间运行，从而保障系统安全。鉴于TLP-FOWT的复杂结构响应特性，需研究具备针对性的结构健康监测系统，实现预防性维护并防止灾难性破坏^［29］。

2）水池模型试验技术。

水池模型试验作为现有技术条件下的核心验证手段，对TLP-FOWT的设计验证至关重要。目前模型试验技术主要受限于风电机组的载荷模拟与控制复现，常规的风轮简化方法与载荷复现装置虽可部分模拟机组载荷，但难以再现更深层次的耦合动力学特征，限制了试验验证的有效性。基于耦合反馈机制的数值-物理混合试验技术是解决这一问题的潜在方向，但仍面临反馈延迟、多系统协调控制、以及结果真实性验证等多重挑战^［30］。由于TLP-FOWT具有高频运动与振动特征，试验中需特别关注测量传感器的测量精度及其自身振动特性，以提高数据有效性并确保结果可靠。

3）面向工程应用的时域结构评估技术。

相较于其他浮式基础形式，TLP-FOWT塔底载荷量级更小，有利于主体结构强度设计，但在高频循环载荷作用下，浮体结构疲劳问题依然突出。因此，有必要发展基于时域的结构评估技术。该技术目前仍处于开发与初步验证阶段，在动力学模拟精度、载荷重构方法及计算效率等方面仍面临挑战，短期内尚难以广泛应用于实际工程设计，亟需加快相关算法与应用研究，以提升TLP-FOWT结构设计的效能与可靠性。

4）系泊系统材料与安装技术。

TLP-FOWT承受较高频率的动态作用，传统易安装、易张紧的材料（如锚链）难以满足其疲劳性能要求。虽然锚链、合成纤维缆等材料在疲劳性能方面更为适宜，但其安装张紧调节与长期在位安全仍存在技术挑战。这需要从设计、制造、安装到关键产品供应商的整个产业链协同攻关，逐步解决将常规系泊缆用作TLP-FOWT张力腿所面临的技术与工程难题，从而保障系统长期服役的安全性。另一个问题是系泊缆的在位更换可行性。带护套镀锌钢缆和合成纤维缆的理论服役寿命一般为20～25年，与浮式风机25年的设计寿命基本匹配。然而在实际工程中，因护套破损、内部损伤等原因，系泊缆可能需进行在位更换。TLP-FOWT的系泊系统设计需考虑更换作业的可操作性，涉及浮体施工工艺以及连接件拆卸与重装的便利性。此外，系泊缆与浮体连接区域承受长期高张力循环载荷，结构强度与疲劳设计条件较为严苛，区域结构设计面临挑战。

5）面向规模化的安装技术。

目前，张力腿浮式风机（TLP-FOWT）整体上仍处于工程验证的初期阶段。现有示范项目多采用“永久外浮筒拖航结合张紧回接”方案，虽能满足样机测试的基本要求，但其作业周期长、张紧操作复杂、初期投资高，难以适应未来规模化开发的需求。

从技术经济性角度看，采用“最小在位排水量设计辅以临时安装工装”的方案，通过结合倾斜系泊系统，可有效优化基础的在位波浪载荷，显著降低浮式基础的钢材用量及系泊系统的复杂度与投资。尽管需增加临时工装的投入，但该工装可重复使用，整体具备经济性，尤其适合小规模风场的示范建设。

面向未来规模化、高效率的建设需求，发展“基础整体拖航与机组海上吊装”相结合的安装模式是重要方向。该模式若能配以优化的基础设计，可大幅缩短工期，但其应用目前面临现实挑战：适用于深远海作业、具备大吊高与优良运动补偿性能的大型起重船资源紧缺且费用高昂，同时，配套的海上风机吊装专用工装仍有待进一步研发。

3.2　发展路径建议

为推进TLP-FOWT技术落地与规模化应用，对未来技术攻关路径提出3点建议。

1）加快关键共性技术攻关：一是突破一体化耦合动力学分析瓶颈，建立浮体-系泊-机组全链路协同设计方法，明确共振风险点并配套控制策略，同步研发适配TLP-FOWT特征的结构健康监测方案；二是完善试验验证体系，攻关风-浪耦合的模型试验、数值-物理混合试验技术，提升设计验证可靠性；三是发展时域结构疲劳评估、系泊材料与长效安全监测技术，明确系泊在位更换工艺路径；四是研发适配深远海作业的低成本、高效率安装工法，重点突破临时工装复用、浮式基础在位吊装等核心技术。

2）分阶段推进工程验证：优先依托小规模示范项目（5台级、80 MW级）验证辅助工装拖航、倾斜系泊、合并式连接件等关键技术的工程可行性，迭代优化设计参数与施工流程；逐步向百兆瓦级、吉瓦级规模化项目过渡，通过标准化设计、模块化建造、产业链协同摊薄成本。

3）构建跨产业协同生态：TLP-FOWT属于海洋工程、风电、材料、控制多学科交叉系统工程，需推动风机厂商、浮体设计单位、系泊供应商、海上施工企业、科研机构深度协作，打通“基础研究-产品设计-装备制造-安装运维”全链条，加快关键部件国产化替代，形成适配中国海域特征的自主技术体系，最终实现平价上网与商业化推广。

3.3　规模化建设整体投资展望

根据对TLP-FOWT不同规模场景及安装方式的工期分析（表5），在经济效益方面，当前单台TLP-FOWT的成本优势尚不突出，但随着关键技术的持续突破与项目规模的扩大，其经济性将逐步显现。以单机容量16 MW的机型进行初步测算，当项目总规模达到800 MW时，TLP-FOWT的整体单位建造成本有望降至约16 000 元/kW。此造价水平与当前国内近海固定式风机项目大致相当，相较于主流的半潜式浮式风机方案已具备一定竞争优势。若进一步考虑浮式风机通常所部署的深远海区域拥有更优质的风能资源，其全生命周期内的发电收益与经济效益将更具显著优势。

表 5　单机容量16 MW不同建设规模场景与安装方案工程量对比

4　结束语

当前张力腿浮式风电（TLP-FOWT）技术仍处于工程验证与迭代优化阶段，是深远海浮式风电具有潜力的技术发展方向但其同时面临成本约束、系泊疲劳安全、安装工艺复杂等核心瓶颈，尤其在南海北部极端强风、巨浪、急流耦合的恶劣海况下，设计挑战显著高于全球已示范的温和海域项目。面对南海北部特殊的极端恶劣环境条件，TLP-FOWT的设计需采取针对性方法，有效优化和适应波浪载荷，降低系泊缆根数与安装投资，针对性开展安装技术与关键连接部件攻关研制，在此基础上建立TLP-FOWT总体设计技术，支撑实现TLP-FOWT规模化应用。针对TLP-FOWT产业化进程中面临的核心挑战，提出了加快关键共性技术攻关、分阶段推进工程验证和构建跨产业协同生态的发展路径建议，为推进技术落地与规模化应用提供参考。

（编辑：吕欢欢）