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CWPE2018:中国船舶重工集团海装风电股份有限公司研究院技术中心塔筒事业部副经理侯承宇——《海上浮式风电装备技术进展及挑战》

2018-11-15 来源:东方风力发电网 浏览数:2452

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。中国船舶重工集团海装风电股份有限公司研究院技术中心塔筒事业部副经理侯承宇在嘉宾演讲环节发表了题为《海上浮式风电装备技术进展及挑战》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  中国船舶重工集团海装风电股份有限公司研究院技术中心塔筒事业部副经理侯承宇在嘉宾演讲环节发表了题为《海上浮式风电装备技术进展及挑战》的演讲:
 
  大家好,整个介绍分为六个方面:
 
  首先是研制必要性,发展海上风电是未来的必然趋势,下面这个图大家都非常熟悉,红点区域是代表现在用电负荷比较高的区域,蓝色三角代表现在陆上风电开发比较集中的地区,看到并不匹配,右上角看到我国风能资源分布资源丰富,比邻用电需求大的区域。
 
  海上风电不断地发展,近海资源的开发肯定会逐渐饱和,海上风电势必将会走向深远海,深远海的资源开发潜力十分巨大。右边的表格可以看出,中国水深超过50米的海域蕴藏的风能储量超过了1268GW,占比在整个海上风能的占比超过60%,当然这个占比放到全球来看是更大,欧洲和日本是达到了80%,全球的深海风能储量是超过了8000GW。同时开展海上风电也是有利于近海环保。为什么这么说?首先深远海风电离岸距离远,对人类生活视觉和噪音污染比较小,同时深远海风电会采用漂浮式机组,漂浮式机组一般不需要采用大规模沉装施工,施工影响比较小。
 
  探索深远海风电是国家政策导向,工信部、发改委、国家能源局这几年每年都有相应的政策出台支持大家探索深远海风电。
 
  研制海上漂浮式风电装备是深海风电开发的技术路径,现在采用的技术都是固定式基础,他们适用的水深范围也有所不同。国外研究30米水深以内单桩类的基础经济性最好最有适用,30-60米的区域多桩导管架比较多,超过60米必须采用浮式基础,这个数据是国外的研究结果,国内并没有进行详细的分析,但是趋势是肯定的,随着水深增加地勘成本还有水下结构的成本,施工成本,增幅都会大于浮式机组。
 
  海上浮式风电装备系统构成从上到下主要有四部分:风力发电机组、浮动平台、系泊锚固系统、输配电系统。浮动平台就是利用浮力支撑上部的风电机组来平衡运行载荷,类似于船舶会存在一定的横荡、综荡、首摇、横摇、纵摇及垂荡。半潜式主体多为三浮筒和四浮筒结构,特点就是吃水较签,安装难度比较小。图上可以看出在整个码头就完成整个机组的组装,再整体拖拽就可以进行系泊锚固。张力腿式是通过浮力彰显张力筋腱,受海流影响相对较大。


 
  采用张力腿式浮式机组同也可以完成整个风电机组和浮动平台的组装。但张力腿平台本身不具备自稳性,需采用一定工程措施才能进行整体运输。通过临时增加压载水舱,调整平台中心,提高稳性,才可拖航运输。
 
  单立柱式比较简单,单圆柱形浮体,通过底部压载,使重心始终低于浮心,以此维持平衡,垂荡运动小,但横摇和纵摇值相对较大,吃水较大。一般是先将Spar托至合适海域进行直立,完成后机组安装,最后再整体托至机位点进行系泊锚固。
 
  这三种主流技术路线可以说并无最优,各有利弊臂,我这儿就不展开讲。
 
  除了上述的还有别的平台,一个是多风机平台,将半潜式平台结构大型化,一个平台配备多台风机,降低单位千瓦造价。还有多能互补式平台,将风能与波浪能、太阳能等其它新能源相结合。
 
  浮式机组的系泊锚固系统与海洋油气行业所采用的系统无本质区别,主要根据海床条件、所采用的平台类型、施工条件以及经济性选择合适的类型,但是设备的时候要考虑该系统对浮动平台动力学性能的影响。
 
  系泊声一般分为悬链式、张紧式和半张紧式。锚固系统常用也有好几种,包括拖拽嵌入锚、沉管灌注桩等等,适用类型也有区别。
 
  下面回顾一下国内外发展历程和现状。早在1972年美国麻省理工大学已经提出了这个概念,但是没有突破性的进展,直到1990年还是处于缩尺模型的水池试验阶段。直到2009年才正式进入了兆瓦级机组样机示范阶段。有挪威的Hywind2.3兆瓦Spar,美国WindFloat2兆瓦半潜式这是2011年,还有2012年日本五岛安装2兆瓦的Spar。下面是日本福岛系列工程。
 
  到了2017年海上浮式风电装备进入了小批量应用阶段,10月,全球首个海上浮式风电小批量项目在苏格兰投产。2020年前,预计还将有数个海上浮式风电小批量项目将陆续投产,能看出来后续安装的机组都是大功率机组。
 
  国内相对而言发展的起步要晚一点,进展也相对来说慢一点,前期哈工程、重庆大学包括上海交大一些高校展开过一些相关的理论研究和概念设计,企业牵头的省部级科技部项目就比较少,比较有代表性的是两个,2013年国家科技部863项目,还有2016年的前期研究项目。
 
  近几年中国海装在浮式机组的研究方面也开展了相关工作。2016-2018年,中国海装与瑞典Hexicon、美国Atkins公司就苏格兰北部海域2×5兆瓦浮动市风电示范项目,开展了合作项目。在这个项目当中海装主要角色还是风机供应商和运维服务商,但是实际上我们在载荷、控制、电气等各个方面都与外方展开了全面合作,包括共同搭建仿真平台,对双风机单平台协同控制系统进行开发等等。
 
  今年我们中船重工集团和海装都与广东省湛江市签订了战略合作协议,明确在湛江市建设浮式风电装备示范项目,选址位于徐闻外罗附近海域,水深50米以上,同时与军客源签订示范应用协议,在南海建设基于浮式风电的综合能源保障系统,同时今年我们也申报了国家工信部的项目,希望也来承担国家项目。
 
  可以说现阶段发展浮式风电还面临着很多问题,因为从设计标准到分析工具再到积累的经验都是比较欠缺的,面临的挑战很多,我后面是列举了四个方面:
 
  一是总体设计的挑战,就是如何提高整个系统的性价比与可靠性。浮式机组下面的浮动平台与系泊锚固系统其实都属于海洋结构物,在设计上就与风电机组有很大的不同,理论上来说风电机组要利用风载,海洋结构物要减少风载,目标来说风电机组以提升发电量,优化度电成本为目标,海洋结构物为满足运动响应要求为目标。在进行总体设计的时候必须要遵循一体化设计理念,具体来说就是要以系统总体性价比为目标,以安全性为约束,分配风电机组与浮式基础的性能指标,进行可靠性匹配,经迭代寻优之后开展详细设计。这样做的难点就在于结构设计、载荷计算和控制策略设计需要同步进行迭代,机组、浮动平台、系泊锚固系统设计需要同步展开。
 
  二是载荷分析的挑战,准确性和可信度也是对整个设计至关重要。浮式机组工作在风浪流综合载荷系统的负责系统,运动维度状态更多,运动和载荷相互影响,载荷环境远比固定式基础要复杂,在一体化耦合动力学分析模型建立、工况定义、载荷频域、时域转换等需要大量的工作,同时还要进行一致性验证,验证分为两个阶段,首先在设计阶段要利用水池试验结果与仿真结果进行对比雁阵,样机载荷测试结果与浮式风机模型计算结果对比验证。
 
  三是水池试验的挑战,为了验证载荷的分析方法以及结果,必须要进行水池试验,而水池试验的难度主要在于如何确定模型的尺度等效性以及耦和加载。需要研究比例缩放模型与真实设备的尺度模拟关系,建立等效映射,风载和波浪载荷、洋流载荷存在耦合、工况复杂,需要研究耦合加载方法。
 
  四是工程华技术挑战,工程化问题可以更为具体也更多,我这里列举了三个方面,首先是环境适应技术,在设计的时候风资源情况、海洋水文情况、地质情况都需要进行考虑,尤其是针对极端环境条件像台风,腐蚀也是重点要关注的方面。然后是安装技术,安装技术刚才也介绍了,不同的浮动平台结构特点并不相同,针对具体项目码头的条件、运输条件、设备条件也有所不同,如何来提高或者确保具体项目安装方案的高效和安全,也有很多具体的工作需要做。最后是运维技术,浮式机组运维对象更多,除了风电机组包括下面的风电平台和系泊锚固系统都需要进行运维,浮式机组利用于深远海,可达性问题更为凸显,所以首先要考虑如何提高设备的可达性,后面实时监控、远程运维技术、故障预测技术也需要展开进一步的研究。
 
  最后再简单展望一下应用前景。其实浮式机组除了可以并网发电之外,业内其实大家也在探索一些新的应用,比如GNVGL的双赢项目,将浮动市海上风电与海上注水采油平台相结合,日本也在探索利用浮式机组打造海洋渔场和养殖场。我们集团也是在做一个相应的探索,下面的三个浮体都是我们集团设计的大型浮体,左边是极大型的海空港基地,中间是深海渔业资源保障平台,右边是海洋之心,是提供餐饮娱乐的浮体,我们现在也在考虑是否能用浮式机组给这些浮体直接供电,一起打造一个海上的智慧浮岛群。
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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