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中国海装董晔弘:浮式风电研制关键技术探索
2020-11-16
 10月14日-16日,2020北京国际风能大会暨展览会(CWP 2020)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,本届大会以“引领绿色复苏,构筑更好未来”为主题,聚焦中国能源革命的未来。
 
在15日召开的CWP2020创新剧场上,中国船舶集团海装风电股份有限公司研究院副院长董晔弘发表《浮式风电研制关键技术探索》主题演讲。
 
 
以下为发言实录:
 
董晔弘:尊敬的各位领导,各位风电界同仁大家早上好,我是来自中国海装研究院董晔弘,今天非常有幸在这里跟大家分享我们在浮式装备研究过程当中所产生的一些心得和体会。这是我今天主要演讲的几个内容。先看看我们的背景和意义,我们从一开始为什么要做浮式风电,最右面的表看出来实际上我们在做海上风电的时候我们目前做的主要还是近海和一些浅水区海域条件,实际上从风资源分布情况来看,在深远海区域实际上我们的更好的一个风资源分布在这些地区的,当水深了之后我们自然而然的想到要不然我们把桩往下深一点,要不然就浮起来。也就是说水深的就让它浮起来,这个图也可以看出,实际上海底的地型是非常复杂多变的,所以我们说浮式风电当我们浮起来之后在一定程度上可以摆脱海底地质条件束缚,从而拓宽我们海上风电适用领域。实际上我们在执行项目过程当中,我们也慢慢的发现确实当我们把固定桩变成浮动结构后,我们实际上对海底的地质条件的需求确实降低了不少。这是浮式风电的全球案例,我们也可以看到这主要在2017年之前的,主要的在早期的一些探索阶段的话,主要的就是比较有成效的一个是挪威的,他主要是SPAR的结果形势,日本2013-2017年几年期间他们也陆续装了好几款机型,有一些比较成功,有一些效果也是不太好。
 
进入了这金年以来,我们可以看到最近这几年在欧洲,特别是在欧洲浮式风电发展是相当迅速的,其中在这里边比较值得一提的一个就是法国住阻尼持试的的结构性失,这个也是被列为了除了SPAR、半潜水之外的标准结构性失,是阻尼池这样的形势,又称为波船式。另外就是从去年到今年陆续在葡萄牙安装的半潜式的形势也是目前应用比较广泛的一个结构。这个是国际上目前准备要安装的一些案例,可以看到个未来3-5年时间范围内,浮式风电在国际上的发展会是一个非常迅速的进展。
 
这个是我们国内的一些项目探索,国内现在的进展情况到目前位置还没有一款真正意义上的示范样机,这个前期我们所开展的都是一些探索性的工作,最早2008年中科院建立了第一台浮式风力发电小型样机,功率300KW,跟我们现在产业化的浮式风电装备还是有一定的不同。2013年一个国家863计划的项目,主要是完成了两款设计。2018年工信部起动浮式风电装备研制项目也是花了比较高的成本来做这个事情,预计我们现在在十四五期间将会实现国内海上拂式风电工程示范,至少有1-3款在十四五期间,2025年之前完成示范。
 
我们在开展我们这个项目过程当中,我们面对的这样一个困难和挑战这也是我们自己的一些心的可以给大家分享一下。我们首先面临的是这样一个跨界的难题,我们说浮式风电浮式风电,从一个概念上理解其实可以理解成我们把风电技术放在一条船上,因为下面是浮动式结构,他和一条船一定程度上说有相同性质,所以我们提到一个概念浮动风电和船舶实际上有千丝万缕的联系,也就是说我们对这样的一个浮式结构,对一个船舶我们开展设计的时间我们更多利用的是海工装备领域的相关技术标准、技术规范和设计理念、指导思想,这都是海工装备这样一个领域里面我们要去做的一些事情。但是我们毕竟开发的是一款风电装备,我们也离不开里面的一些相关标准,一些技术、一些开发规范,这样就造成了两个截然不同的行业必须要有机融合在一起的跨界。
 
在这个过程当中,我们实际上有两大思路来做这样的结合,第一大思路我们把风电机组看成一个主体,然后把我们的浮动式平台我们看成是一种特殊的基础形势,我们就说以风电设计为主导,以扩展到这样的一个海工领域的思路。第二个思路就是以浮动的结构为主导,在海洋工程领域浮动式结构也有很多类型和案例,这也是一种思路,风电机组长成一个海洋结构物,我就在一个船或者浮动平台放一个机组,这是海工领域的思路,把风电机组当成一个结构物,这两个有截然不同的思想区别,我们从机组的角度我们思考的是当结合后机组运动性增加,载荷难度会上升,因为原来不用考虑的教速度比较小的自由度他现在有了一个更大的载荷在里面,其次浪和流等海洋环境对机组影响大浮体升,因为我们知道海上固定机组也要算浪和流对机组冲刷和振动影响,但是当一个固定基础变成浮动基础之后他的影响是从一个相对补显著便成了一个相对显著的载荷情况,机组控制难度也增加,所有的这些仿真、载荷、控制这些难度的增加都和自由度的提升是直接相关的。站在海洋装备的角度上来看,我们如果用海洋装备的思路去设计这样的一款浮式风电的话,首先风电机组不能在简单的视做一般结构物,原来一般的海洋装备浮动结构上面的这一块结构物一般是静态的并且尽量减少风载影响,通过设计各种流线形状之类减少风载影响,但是风电机组恰恰相反,我们需要安装风比较大的地方并且需要风载给它一个足够的推力才能让它运动起来。在这样的设计思路的指导下,风载对整个结构的影响将变的至关重要,所以这个随机性影响让海洋结构五的载荷也复杂多变,海工里面他们的设计当中也很少遇到的难题。
 
同时浮体运动和机组的气动载荷之间有一个强烈的非线性关系,风载会造成浮体运动,同时反作用我们的船动力和叶片,当他的方向和位置改变了之,它的气动特征、推力特征有一个很大的改变,这个改变也导致了我们整个结构物的一个非线性。
 
我们想把机组和浮动结构结合在一起的时候我们自然而然就会提出我们很多结合需要回答的问题,比如说性能指标如何去提炼,如何去设计来满足我们提炼出来的性能指标,极端功况如何保证安全以及最主要得如何设计性价比,这个地方我们可以看到大家如果做设计都是非常熟悉的一个叫不可能三角,这个不可能三角就是这三个因素我们很难让他们同时具备,当你具备成本和性能的时候,你可靠性多多少少会牺牲一点的,当你想要可靠性和性能都很好的时候成本又很难做下来,成本和可靠性做的很好的时候性能往往不太好,这是我们设计中的不可能三角,如何去打破他?我们答案是要通过技术进步做到不可能三角,三个因素全部往下压。
 
这是我们目前要开展的一个技术进展,我们首先把浮式风电的设计和开发阶段从历史时期来看,我们还是大体把他们分为这样的四个历史时期,首先探索期,探索期的特征是风电机组和浮动平台基本处于一个独立设计的阶段,因为这个主要还是在浮动式风电发展早期,因为早期我们缺少一体化仿真环境,也缺少相应的方法,所以往往是机组设计和浮动设计的团队独立展开设计和仿真的,在接口处我们的塔基接口位置对比各自分析得出的运动载荷结果。在目前我们开展的设计当中,这各类型的方法我们主要是应用于突破设计。刚才是比较早期的设计思路,这个是目前成长期应用得比较多的理念,以“一体化仿真”为基础设计,整个的我们一体化理念主要是应用在一个验证环节,什么意思呢?我们往往是设计机组和浮体独立设计、分别设计,当然中间也是有相应的一些技术指标的指导之下,独立设计完成之后把机组和浮体看做一个整体来进行我们的运动学和力学的结构仿真。通过仿真结果再来看我们的设计是否合理,这个时间往往是把一体化应用于验证的环节,而没有真正意义上应用到设计环节,这个是成长期一个主要特征,这个是发展期,也就是我们现在正在迈向的一个时期,发展期的这样一个特征,我们所提出的一个概念叫做基于一体化仿真的总体设计,也就是我们把机组和浮体从性能匹配、参数匹配到成本匹配上全方位的让他们具备一个匹配关系,以一体化的仿真作为我们一个核心支撑。设计流程上我们也增加了一个设计循环。
 
进入到发展期这样一个典型的特征就是我们的装备总体设计单位必须要同时熟悉机组设计和浮动平台的设计,这样才能基于我们的一个一体化仿真的结果判断得出优化路径,这个是发展期的特征。
 
最后我们预计浮式风电的设计技术应该是在2025年到2030年左右应该是进入到一个成熟期,这是我们对未来的一个判断。进入成熟期将有成熟的一体化仿真及设计体系,形成完整的浮式海上风电设计、制造、安装、运维标准体系。形成完备的浮式海上风电机组产业链形成专业化应用,这是我们的远期判断。
 
这是我们目前开展的多路径“一体化建模仿真”,我们说两个思路就是基于机组和海工装备的思路,我们现在相当于是在两个思路同时开展,我们叫两大阵营,各有侧重,以水流为核心的软件,以及以空气动力学为核心的软件,这几条路径我们都有相应团队对他们开展探索。
 
海装公司实际上组建了两支设计仿真的团队,其中一支团队是以风电机组为核心的思路,开展一体化仿真技术,另外一个是以海装的开展,我们是准备结合水测实验结果对两种路径的仿真模型进行修正和对比,最后结合起来,我们希望通过这样的一种方式开展探索之后能够形成一种标准化的仿真路径体系。
 
我们整个团队大家也知道海工背后靠的中国船舶,中国船舶是国内海工领域实力最强的集团企业,我们也是充分利用了我们集团所具有的资源,我们将集团内部的一些优势合作单位全部集中在一起组建了这样一个团队,目前是已经取得了一定的阶段性成果,并且我们计划在2021年完成样机示范应用,这是我们样机示范厂址,位于琼州海峡洞口,徐闻罗斗沙海域,这里面的典型特征是属于全国流速最高的领域,基本的环境来看,首先他有几个特点,水深是50-70米,最后判断的浮式风电范围是一致,其次夏季台风高发,第三流速特别大,流速达到了3.5米每秒极限流速。我们目前完成了整体的设计,浮动机组、浮动平台、系波系统等等的设计。其中风电机组我们目前准备采用H152-6.2MW的抗台型,主要是抗台风,适用湛江台风多发的海域,这是我们的平台设计方案,它的一个核心的结构特征是将吹当板和下浮体结合在一起使用,这个是我们的系泊方案,采用9根系泊缆形成对冲式的分布。
 
这是我们即将开展的水池实验,主要的验证将在702所耐波性水池中完成,这里面我们主要做对海洋结构物的仿真,对它运动性能的实验,除了这个实验以外我们还计划在上海交大做风电机组在摇摆环境下的仿真。这个上海交大的模型是可以实现变桨和偏航模拟,这有视频,这个实验在最近两个月就会开始做。
 
我们总结一下,刚才提到的首先说我们浮式风电当风电进入到深远海之后的一个必然选择,也从成本趋势图可以看到,水深30-60米过渡水域之外,浮动式基础它的成本是说具有一个非常大的竞争优势当一体化的浮式风电装备仿真突破之后,我们的建设成本和度电成本都会有一定降低,预计2030年全球装机容量达到30GW,海上这一凯度石、斜演面等都会有一定的影响,所以他会成为我们巨大的前景。
 
除了大规模装机之外,浮动式风电还有一个很重要的应用场景就是为海上的这样一些实际应用我们给它提供一个供电保障,包括深远海渔业养殖,深鸳海石油开采、海水淡化、制氢、炼油以及压缩空气储能等等。浮动式风电现在已经在国内正是方兴未艾的阶段,我们相信在未来的5-10年之内将成为我们海上风电的主流,我们也希望大家可以一起共同努力,把我们国内这样海上风电、浮动式风电的事业推向一个新的高度,谢谢大家。
 
(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)
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