浮式风力机基础总体认识与半潜型式基础选型思考

高巍
高巍 lecturer讲师
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浮式风机基础总体认识与半潜型式基础选型思考

国内四个处于推进之中的浮式风机样机项目,我本人陆续不同程度地参加过其中三个项目的评审,另外一个虽然没参与,但也有所了解。

不约而同地,这四个项目均选择了半潜型式作为浮式风机基础方案,今天谈谈我个人最近一段时间对于半潜浮式风力机基础选型的认识和理解,内容比较浅薄,欢迎交流探讨。

本文观点仅代表我个人。

01总体认识

“哪种浮式风机基础型式更适合中国国情”,这个问题我自2017年开始陆续在一些论坛上简单谈过,经过多年的技术研究与工业实践发展,我认为这个问题基本上已经形成了共识,即:

半潜型式是目前相对适应中国客观环境条件与制造业水平的浮式风力基础型式。

浮式基础型式必须能够充分利用我国现有的海洋工程设计与建造能力

我国具有丰富的半潜平台建造总装经验,中国具备了深水半潜式浮式生产平台的综合设计能力与完整的技术体系,具有完成半潜浮式风力涵盖设计、建造、安装等方面的全流程技术能力。

发展浮式风电应充分发挥现有的工业基础优势与竞争优势,降低开发建造成本,为海洋工程制造业提供新的潜在增长点。

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“深海一号”能源站

浮式基础型式必须能够满足国内的建造安装客观条件

中国大陆坡坡度较缓,向外海延伸范围广,沿岸港口水深受限,没有深水岬湾,海上对接作业挑战大、成本高。浮式风力基础型式必须能够实现场地总装调试与整体拖航以降低海上作业成本,提高经济性。

半潜式浮式风力风力机组和基础可以在船厂/建造场地总装调试,能够实现整体拖航就位完成安装,有利于降低总体安装费用。

浮式风机基础型式必须综合性能好,具有较好的运动性能、稳性以及结构能力,保证风力机机组与外输电缆安全

中国沿海环境条件恶劣,综合承受台风、冬季季风、内波流、涌浪的共同影响,疲劳海况恶劣。浮式风机基础型式必须综合性能好,具有较好的运动性能、稳性以及结构能力,保证风力机组与外输电缆安全

半潜式浮式风机运动性能较好,属于风力机组与外输电缆友好型平台,恶劣环境条件生存性能好,通过合理的设计能够满足相关要求。

半潜式风力有在恶劣海域应用的案例,具备较好的发展前景。

02选择半潜型式作为发展目标仍存挑战

设计思想亟待改变

从国内海上浮式风机样机的工程实践经验来看,相关工作的开展仍然面临诸多挑战,主要包括:样机场址与浮式风力总体优势存在冲突;系泊系统设计难度大,常规解决方案代价高昂;外输电缆构型复杂,长期服役安全存在挑战;环境条件恶劣,船体设计难度大,总体排水量偏大。

这些因素交织在一起,造成项目建设总体投资偏高,目前样机项目难以形成示范效应。

造成这一系列问题的根源在于相关参与方仍然以传统的“工程项目”牵引的总体思路进行浮式样机设计开发与项目建设。

本质上,浮式风力是一种不同于传统海工产品的、具有相对广泛应用范围的工业产品

我们还缺乏以“产品研发”为目标,以“技术创新”为驱动力的研发思维和综合设计能力,导致难以提出面向产品应用的完整解决方案。

 综合技术体系存在缺陷

相关行业标准均为国外标准等同转化,国内尚缺乏符合国内应用场景要求以及能够体现中国工业界对浮式风机技术领域针对性思考的规范体系。

国内从事海上浮式风机技术研发的机构包括三大类:风电设计院、海上油气设计单位以及风力机组整机企业。

风电设计院存在的问题是:缺乏浮式结构物的全流程设计经验,对于标准建设、设计原则指定、核心设计技术掌握、工业软件开发以及细分专业技术把控等方面尚未形成完整体系。

一些海上油气行业的设计单位具备完整的浮式结构物开发技术和经验,在相关方面搭建了相对完整的技术体系,但存在的问题是:技术转型缺乏畅通渠道、设计观念不适应海上风电开发需求、相关技术体系尚未涵盖风机要求并存在短板。总体上油气行业的设计单位转型缓慢,相对的技术优势难以实现转化,技术不可替代性逐渐减弱,比较优势逐渐弱化。

风力机组整机企业处于技术上游,为浮式风机基础提出设计要求以及设计载荷,相对而言,海洋工程尤其是浮式结构物开发相关专业在整机商内部处于技术流程的末端,对于设计方案的决定能力有限,相关专业难以在整机商技术体系中得到规模扩充与深入发展。浮式风机作为风机整机企业的细分产品方向,其总体前景尚存不确定性,对于企业的总体盈利贡献难以估计。

目前设计方与整机企业的工作界面仍然处于割裂状态。

浮式风机,尤其是半潜式浮式风力属于风力-基础-系泊系统高度耦合敏感系统,风力设计与基础设计仍然没有形成有效的系统,海洋工程的技术优势难以经济高效地应用在浮式风力技术中,导致难以通过技术层面的精细化设计来实现浮式风机的综合降本

粗放发展遭遇瓶颈

从去年年底至今,海上风电事故频发,特别是严重事故较多。

这一方面是受到政策影响,忙于抢装造成的事故风险增加所导致的必然结果,另一方面也暴露了海上风电仍然处于粗放发展状态的现实。

粗放发展带来严重安全隐患的同时也为产业升级设置了难以逾越的障碍

在抢装潮之后,如何实现国内海上风电的平价上网,如何让依托于浮式风电技术的中远海风能资源开发能够真正走上议事日程,显然,以目前的发展模式难以回答这两个摆在面前的现实问题。

03半潜浮式风机基础的基本设计要素

半潜式浮式风机基础的设计难度较大,对于总体方案设计能力与配套产品供应链要求较高,提高总体工程设计能力始终是应该最先考虑的问题,平台的稳性、性能乃至耦合分析从来不是第一出发点。

开展半潜式浮式风力机基础设计,需要将总体结构构造设计摆在首位

半潜式浮式结构物属于小水线面结构物,其总体结构构造型式造成其响应特征与常规船型结构物迥异。

不同于常规油气半潜浮式平台,风力的载荷特性决定了其施加在浮式基础上的载荷为集中载荷,特别是水平载荷与塔筒底部集中弯矩。同时,风机与塔筒的柔性特征对浮式基础的总体刚度、模态、局部结构设计提出了更好的设计要求。

半潜浮式风力的设计应首先从结构总体构造着手,重点解决:结构自然稳定性、总体刚度特性、载荷传递方式、塔筒与基础连接段局部结构可拓展性、建造安装便利性等设计难点。

1)  结构自然稳定性是指:半潜浮式风机基础具备相对稳定和简洁的结构特征,在波浪弯矩、剪力、扭矩作用状态下均具备较好的抵抗能力,能够避免使用过多加强结构造成的结构设计分析复杂性与检验维修不确定性。

2)  总体刚度特性是指:半潜浮式风机基础具备足够的结构刚度,能够避开机组1P、3P乃至更高阶固有频率,降低共振的可能性。

3)  载荷传递方式是指:半潜浮式风机基础应具备顺畅的载荷传递路径,能够通过自身较好的结构构造,实现风力机组集中载荷的传递,降低局部结构的应力集中与疲劳风险。

4)  塔筒与基础连接段局部结构可拓展性是指:半潜浮式风机塔筒与浮式基础连接位置应能顺利实现过渡,尽量避免通过添加复杂连接与加强构件来增强局部结构能力。同时,作为能够推广的产品,浮式风机基础与风机塔筒连接位置的结构形式应简洁、有效,焊接简便,检验检修便捷,具备稍加修改即能够适应不同单机容量机组载荷要求的能力。

5)  建造安装便利性包括建造便捷性与安装便捷性:建造适应能力是指:半潜浮式风机基础对于建造方的总体要求低,能够实现分块分段建造,总体焊接作业要求低,检验便捷,总体拼接步骤少。安装便捷性是指:半潜式浮式风机总体集成安装方案常规,对安装资源依赖性小,能够在大多数常规建造场地/码头实现风机机组与基础的总装集成与总装调试。

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三立柱半潜浮式风力码头总装

在总体结构构造设计基础上开展稳性总体性能设计分析

半潜浮式基础属于小水线面结构物,天然具备较好的运动性能,但也造成半潜平台的稳性通常需要给予关注。

常规条件下,半潜浮式风力的升沉、横摇、纵摇固有周期能够较容易的达到20s以上,远离波浪主要能量范围。由于风机这种高耸结构物的存在,半潜浮式风力的总体稳性往往需要通过重点设计来满足相关要求。

实际上,半潜浮式风力的稳性与总体性能是此消彼长的矛盾体,应从平衡稳性要求与运动性能要求着手,重点解决:稳性影响精细化评估、总体性能综合优化、电缆适应性等设计难点。

1)  稳性影响精细化评估:需要针对风力不同运行状态,对半潜浮式基础进行总体尺度规划,满足风力正常运行状态下不同风速风倾力矩、停机状态风倾力矩、极端瞬态载荷倾覆力矩、极端环境条件叠加影响等设计工况的要求,在此基础上划定稳性要求不可超越极限,为总体尺度规划确定可执行的设计空间。

2)  总体性能综合优化:在稳性要求范围内,针对风力机组的运动性能要求,对总体尺度进行综合优化,平衡运动性能指标与稳性要求的冲突。常规而言,平台的横纵摇性能优先级高于升沉运动,而由于稳性要求,半潜浮式风力的横纵摇固有周期难以做到更大,其与升沉运动的固有周期往往较为接近,这对设计方的设计能力与综合技术解决能力要求较高。

3)  电缆适应性:半潜浮式平台的总体运动性能应能较好的适应外输电缆的设计要求,能够较好的适应电缆的疲劳设计要求,降低外输电缆长期服役的安全风险。

04三立柱、四立柱半潜浮式风力机基础对比

目前主流的半潜浮式风力基础有三立柱型式与四立柱型式。

三立柱型式为:平台总体由三个垂直立柱组成,立柱之间通过外缘连接部件形成整体,最具有代表性的方案为PPI的Windfloat。

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Windfloat

四立柱型式为:平台总体由四个垂直立柱组成,其中一个立柱位于中间并支撑风机。外缘三个立柱与中间立柱通过浮箱以及撑杆连接,最具代表性的方案有VolturnUS、Naval Energies的Sea Reed以及福岛2MW样机。

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VolturnUS、Sea Reed与福岛2MW样机

 四立柱方案特点

四立柱方案的优势是:风机位于中间,平台的各方向恢复力分布均匀,稳性有优势。压载重量容易分配,总体静重量分布较为均匀。

从总体结构构造来看,四立柱方案风力立柱底部需要实现其与多方向浮箱和多根撑杆的连接,是异常复杂的节点,局部结构难以设计,建造焊接难度大,检验维修较难实现。同时,这里也是应力集中区域,其强度和长期服役安全有隐患,对于不同单机容量机组适应能力有限。

外侧立柱之间或者浮箱之间可能需要通过添加横撑以提高总体抗扭能力,撑杆连接位置需要进行综合优化和特殊设计。

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四立柱方案典型布置,红圈范围为典型关注区域

稳性与运动性能方面,四立柱方案稳性更好,但运动性能受限,浮筒的尺度需要综合优化。

整个平台节点数量多,尤其是复杂节点较多,热点区域较多,结构设计和分析难度大,建造难度大,维护困难,对于不同单机容量机组适应能力有限。

该方案对于吊装资源、码头承载力要求较高。风机位于中间,码头吊装资源需要在满足吊高、吊重要求的前提下具有较大的吊距,以将风机部件吊装至平台中心位置实现其与风机立柱的连接。

 三立柱方案特点

三立柱方案由于减少了一个风力立柱,空船重略有优势。压载方案需要进行配平优化,静态重量分配不均匀。整体构造稳定,风力位于一个立柱上方,立柱可为圆形截面以便与塔筒实现良好过渡。立柱总体强度更高,对于不同单机容量机组适应能力较好。

三立柱方案运动性能有一定优势,但稳性需要详细评估。三立柱方案撑杆走向确定,节点数量少且为常规节点,检验检修方便。

该方案安装资源依赖性小,浮式基础可与码头靠泊,常规吊装资源可较为简便的实现风机部件与立柱的连接。

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三立柱方案典型布置

四立柱方案与三立柱方案优劣势对比

两种典型方案对比如下表所示。

四立柱方案与三立柱方案优势、劣势对比

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目前,四立柱方案除了在日本福岛的2MW样机以及VolturnUS1:8样机测试中应用过以外,尚未在其他商业项目中实际应用。

三立柱方案在若干样机项目中得到应用并在两个商业风场中得到应用,尤其以Windfloat方案实际应用广泛,目前已经在一个样机和两个商业化风场得到了应用。目前国内四个推进的样机项目中,三个选择了三立柱方案。

05结语

国内的近海风场用海区域已经瓜分殆尽,未来中国海上风电可持续发展需要走向中远海、深远海,发展浮式风电技术是重要的技术依托和途径。通过技术创新降低成本是必然趋势和必然要求。

促进风电行业与油气行业的相互融合,以海洋工程总体设计思想推进浮式风电技术发展

风电行业与海洋工程行业具备合作的基础,浮式风力属于风电行业与海洋工程行业的交叉领域,任何一方都有优势劣势。

海洋工程行业经过80年的发展,积累了相当多的经验与教训,汲取经验,尊重海洋工程长期发展的技术规律一定程度上有助于避免走弯路。

无序的竞争、人为设立行业壁垒不利于技术升级与产品的创新开发。技术的闭环不等于闭门造车,充分的技术合作与技术转化有助于确保总体方案与工程实施的技术先进性与经济性,有助于推进浮式风机行业健康发展。

建立以创新驱动的产品开发思想

国内浮式风电行业目前面临不确定性,本质上是因为总体技术发展不能满足海上风场开发的经济性要求。

需要尽快将“工程项目”牵引模式转变为“创新驱动产品开发”模式,形成面向广泛应用的、覆盖上下游各阶段的总体解决方案,包括:具备推广价值的船型方案、适应恶劣海况要求的相关国产化配套产品,以“一篮子”的技术创新支撑综合降本。

科学规划,理性开发

作为一项相对新的技术产物与应用产品,浮式风机的工程化与商业化应用仍然面临着较多的挑战。

国内整体起步较晚,相关技术积累不够,缺乏丰富的样机测试数据,加大总体科研投入,从样机测试做起,摸索验证设计方案,夯实技术基础是科学理性的发展思路。忽视基础技术研究与产品开发客观规律做出的方案可能难以形成示范效应,对总体行业发展不利。

发展浮式风电技术,推进未来中远海风能资源开发,还需要在标准体系建设、核心技术能力构建、设计思想转变以及深度合作等方面持续努力。

理论科普电力风能海洋
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首次发布时间:2021-10-16
最近编辑:1月前
高巍
硕士 | 资深浮体工程... 资深海洋工程浮体工程师
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