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Ramboll公司:地震分析和冰载对海上风机基础设计的影响

北极星风力发电网  来源:能见    2017/10/17 15:02:13  我要投稿  

北极星风力发电网讯:2017年10月16日-19日,2017北京国际风能大会(CWP2017)在北京隆重召开。在中国国际展览中心(新馆)E2馆创新剧场,Ramboll公司海上风电部主任SantiagoParedes-Pinzón先生就“地震分析和冰载对海上风机基础设计的影响”发表主题演讲。

SantiagoParedes-Pinzón:大家下午好,首先呢非常感谢组委会邀请我们Ramboll公司来介绍一下相关的内容,我的名字是SantiagoParedes-Pinzón,今天我来讲一下地震分析和冰载对海上风机基础设计的影响。

首先介绍一下我们公司Ramboll,Ramboll公司过去一直在海上风电领域,我们已经超过20年的经验了,其实我们不仅做海上风电,也做陆上风电,但是我们有75%的收入来自海上风电项目,25%来自陆上风电项目,我们有很多客户,会给他们做全程的管理和支持。

那么我们主要做的机座的设计,我们已经在全球超过50个详细的设计了,在我们全球排名是第二位,在风电做的咨询方面,我们在2004年的时候进入到中国市场,从2015年到现在我们已经不断地提供非常详细的设计,我们在上海和北京都有办公室,都是有中方的员工,我们非常希望能够在中国的市场中大展拳脚。

那我们讲一下什么是最优设计,首先我们定义一下什么是最优设计,刚才大家也知道海上风电发展了很多年了,我们可以回顾在15年之前最优设计,它其实已经发生了一个变化、演变,和现在的概念也是很不一样了,在15年前,海上风电行业呢所借鉴的经验都是油气行业,当时其实也有一点小小的差别,但其实是非常重大的差别,油气行业是一次性的设计,而我们必须要发展多个不同的方案,所以海上风电主要在英国做了最优设计,这就要求因地制宜进行设计,那么这个会在最终上去影响,包括像项目的资本支出的情况。

还有第二个,就是要去了解一下这个和最初基本结构相关的一些因素,这个行业很快就意识到了,虽然我们管它叫二级,但实际上它是非常重要的,尤其是对于一级的负载结构有非常重要的影响,我们要做最优的设计,设计师就必须有非常详细的计算,水、动力的计算,同时还要计算压力的集中因素,必须要把地质情况进行最精密的研究等等。

那么现在呢,我们这个海上气象的报告已经非常详细了,这样呢我们就可以考虑到,比如说像风啊,整个一些协调性的情况。

那么这个还有我们的其他的一些内容,包括像这个荷载工况,这些表格呢,里面包括五千到六千个工况,荷载工况就是我们很好的朋友,借助的手段。

当然还有其他内容,就像我们这些设计师也会用非常复杂的分析方式,比如说SEA,会事先做地质方面的一些研究,最后我们充分利用这些优势,很多的全球的开发公司呢,他们实际上都会使用这些非常先进的研究,会在早期就进行这个研究,之所以这样,是因为它会带来很好的回报。

还有就是之前一些项目当中汲取的经验这也是很重要的,对于中国来说也是尤其如此,在中国做的项目已经上线了,我们可以在当中学到很多内容,你可以把这些测算的结果,然后去预测在下一个项目做什么事情改善你的结果,所以这是很重要的,那么到底什么是最优设计呢?首先我们要用最先进的设计方法,和设计师都要合作,要汲取教训,利用现有这些测量数据,还有这些(英文)都是我们工具。

我们看一下未来这个行业要解决两个挑战,尤其在中国尤其如此,一个是地震的荷载,一个是冰载。

我们刚才已经回顾了优化最优设计的经验,但是欧洲并没有像中国地震的挑战,这个其实对中国来说是比较新的事情,对于中国项目也是需要我们解决的,但是欧洲有这个冰载的问题,但是和中国比起来没有那么严重。

那么中国市场给我们的机遇就是让我们把之前在全球积累的经验进行易用,并且因地制宜使用,并且在中国进行最优设计。

那么冰载对中国到底有多么重要呢?在这个亮色部分,就是会出现冰载问题的省份,如果你在这个区域有项目的话,冰载肯定会对你项目有影响。

冰载对于结果的影响其实并不是很新鲜的事情了,我们有一个标准去使用的,甚至可以用这些标准去估测这些情况,大家看其中也有中国的标准,还有国际的标准,这些标准已经使用了很多年,可以作为一个基础,让我们做未来的海上风电设计。

我们必须要注意一点,在这些国际标准当中,所描述的方法都是取决于一些系数,这些系数都是给波罗的海,或者是给其他的海域设计的,可能有一些也适用于渤海。

这个图看起来很简单,但是可以给大家一个概念和例子,我们要做一个决定,到底要不要冰锥,要怎么样才能给这个项目是最好的决定,所以你要考虑到(英文)。

那么我们都知道,在这个表层上如果有这个冰的话,其实跟这个高度是有比例关系的,那么在一些项目当中,这个决定是很显而易见的。比如说你有混凝土重力的结构的话,可能上面可以有一些冰,这样的话可以用(英文)来分析,可能你还有其他的类型的,比如说夹套式的,单脚单装,在这种情况下,设计师必须去评估两种方案看哪个更适合。

设计师决定用冰锥的时候能做什么事情呢?首先你必须要确保这些方式方法,包括像这种计算的方法,都确保方法都能够满足国际通用的标准的,还有你可以用这样的方法去计算有冰锥没冰锥的冰载,你可以看到峰值的力量,去进行一个计算,你可以得出一个随机的时间,把这个风力计算下来,把随机的结冰时间放到模型当中计算,在这个过程当中必须考虑到时间间隔,这种非常随机的间隔,每个地方不同,比如在渤海,他们可能要花到三分之一的区间,在渤海这个地方峰值和最低值可能达到1比10,这是我们知道的常识,可以直接用到中国项目中去。

第三步把随机的结冰时间放到模型中去计算,我们有一个模型可以计算到空气动力,还有水、冰,我们可以看一下我们到底有哪些挑战才能实现最优设计。

首先第一个是最主要的参数,其实包括破碎的程度,还有冰的厚度,那么我们可以依照数据,比如你进行了好多年的观测,观测数据可以告诉你冰的分布情况,这就是非常好的出发点了。同时我们一定要关注这个项目地点的情况,了解冰的情况。

那么第二个参数呢,就是浮冰的速度,这个比较复杂了,我们必须要找到相关性,浮冰的速度和风速之间的关系,同时你也要考虑到它有可能还和这个海洋的情况,包括像洋流的情况,都有一些联系和影响。

如果说设计师决定要用最安全的方案,那么其实多数设计师都会保持比较保守的心态,我们还是希望他们能够做一些大胆的设计,实现更高的性能。刚才提到了设计师需要决定冰载是什么样的,决定要不要用冰罩,其实在决定的时候主要有三个因素,比方说有这种间歇性的冰的攻击,还有持续性的冰的袭击,间歇性的这个过程跟我们刚才描述的有冰罩的情况下是差不多的,这里面主要区别在于间歇的时长到底是多少,这样我们还需要去测量峰值,比方说是如果达到了一个数值,那么可能就决定需要用到冰罩,除此之外还需要测量几个时间区间的冰载都分别是多少,我们这些是必须分别要去做的,来决定设备在冰载大的时候是否能够正常工作,即便这样,我们也能够看到非常典型的海上风机遇到的冰载型的情况,所以冰罩还是比较保险的做法。

除此之外呢,我们还是要考虑到冰载带来的额外的压缩力,除此之外,还有就是冰的碎裂导致的问题,整个设备呢,可能会进入频率的锁定,这一点呢,在有一些油气钻探的设备当中是很常见的,但是风机上不太常见,即使出现了持续的时长也比较低。

除此之外,频率锁定确实还会带来很多问题的,比方说它的疲劳载荷就会受到影响。其实目前这种随机的冰击是冰载方面最需要考虑的一个问题,目前我们没有一个标准的做法来解决这个问题,但是我们有很多这方面的研究,中外的都有,在致力于解决这个问题,现在实际上找到了一个应用的方法,设定一个功率的谱系,这样基于此频率、谱系,我们可以在电脑模型当中去进行不同的模拟,然后得到所要应对的冰载。

如果没有冰罩的话可能会有哪些挑战?首先是应对疲劳载荷,风速比较低的时候,为了使设计流程更加顺利,让整个设备更加可靠,我们可能会需要考虑到,比方说设备和冰载分离的情况,以及冰块累积的情况,像这个主题上很多人也做过一定的研究。那么最大载荷方面,目前最大的一个问题就是冰的碎裂,这也是目前我们面临的严重的问题,可能会设计一定的模型来充分地解决这个问题,去对于传统的模型的一个部分进行校准。

除此之外第二部分我们刚才已经提到的,就是这个地震区域,这些区域呢是我们已经找到的一些省份,它可能有比较高频的地震活动,这是中国的一些省份,总体来说这三个圈代表地震活动比较频繁的。除此之外其他省份也有这个问题。

地震活动呢,可能会导致这一地区的设备频率带来变化,工作环境带来变化,但是我们目前还不确定这些地区的地震发生频率到底是如何,所以可能针对不同的可能性去分析。

我们现在有两个方法,第一是底部加速,这个公式非常简单,把整个设备的X两点的底部加速算出来,之后呢,我们就要确保整个设备,包括风机,包括底座,都处于同样的一个公式当中,所以这个公式当中需要用到两个因素。

这个一般呢可能需要大家进行协作,就是底座设计者跟设计师之间进行协商,需要他们同时提供数据。

另外一种就是底部激活,这个方法呢,需要我们把时间序列应用到底座架构上,然后来计算,所以就是底部的XG,就是方程中的第一个元素,然后之后算出来X1点和X2点。

我们可以把所有这些得出不同的载荷,一般化成一个标准的载荷,这样呢,通过改变不同场景下的数值,那得出底部的加速,除此之外还可以算出风机的应力到底是多少,这样可以得出一个代表地震活动的情况下,能够出现的底部加速数据,它其实还有很多其他的好处,通过计算地震器之间的载荷,我们可以对风机之间进行不同的应用。

最后呢,正如大家所见,现在的海上风机已经处在快速发展的阶段,它的成本在不断地降低,刚才也提到了中国市场越来越重要,过去两三年当中,海上风电增长了50%,其中不光有很多大的厂商贡献,到2024年也有更多小厂商的贡献,这种最佳的设计在整个发展当中扮演着很重要的角色。

这个不光是刚才提到的,大家生活工作当中都影响有体会,对于中国市场来说,最大的挑战就是去针对不同的层次去实现一个学习曲线,这个必须要置身于中国才能完成,我们也很期待看到中国有跟欧洲不一样的项目,比如说针对强地震活动和强冰载情况下的风机。

我们已经看到中国有很多最佳的设计,包括针对冰载的,我们也相信只有通过大家的通力协作,通过设计师和生产商的协作才能达到最终的目标,开发者可以提供很多的数据给设计者,而设计者也可以帮助开发者去解决更多的问题,所以我们只能期望各方之间都能够心往一处想,劲往一处使,才能达到最终的目标,好的,谢谢大家。

好,我们有一个问题,提问者没有用话筒,翻译听不到。

这个问题问得很好,可能这个一般人都回答不了,我觉得这个其实取决于项目,因为我们需要很多的输入数据,输入一些反馈,尤其是现场工作人员的反馈,所以有一些人可能说当然我们设备有冰罩了,那就比较容易,因为在电脑当中模型是很容易的,但是在实际安装过程当中大家会遇到各种各样的问题,它可能单纯的电脑模型会给现场工作人员带来很多问题,当然冰罩是可以解决很多问题,但是具体还要问安装工人,你去问他们的话,他们肯定会说能不装就不装吧,但是从另外一个角度来讲大家都知道如果有冰载,但是没有防护措施的话,问题还是很严重的,所以如果说历史情况告诉我们,这个地方需要我们去解决这样的,比方说土壤是具有挑战性的特质,那么就需要去安装,这个就是我们今天要谈的,就是要确保设计师能够看到各种不同的解决方式的存在,能够从更加整体宏观去考虑这个问题,考虑到制造和安装等等等等。

还是这个问题,好的,还是取决于不同的项目,因为这个冰锥的角度会决定冰的碎裂的容易程度,所以这个问题首先要回答我们的项目哪一部分是最重要的,是确保冰不碎裂最重要的?还是减少冰载是最重要的?所以这个不是一个简单的决定,可能需要考虑很多问题。

当然,有很多研究,描述了很多不同的做法,但是呢,还是需要特殊的软件,去针对不同的项目有特殊的软件模型来解决,谢谢。

(发言为现场速记整理,未经本人审核)

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