大型海上浮动式风机基础设计方法研究—风电机组技术

 2013年10月16日下午，北京国际风能暨展览会——风电机组技术。金风公司李荣富先生做大型海上浮动式风机基础设计方法研究。以下是全文：

李荣富：各位下午好，很高兴利用这个机会跟大家分享一下我们公司在海上浮动式基础设计方面的经验。我的报告分4方面的内容，第一就是浮动式风机的基础背景，第二浮动式基础设计的相应方法流程以及依据的规范，第三浮动式基础在设计过程当中涉及的一些关键技术，第四根据目前的设计方法，我们进行的实际设计。

首先看一下背景，海上浮动式风机，我总结了一下有四大优势，风电的发展是从陆上慢慢向海上过渡的过程，海上这块又可以细分成两个大的方面，第一个就是潜水式的这种，在国际标准是60米水深范围内，还有一个远海深水区域，超过60米水深范围的，在深远海的区域，风资源非常的丰富，根据目前的研究结果，陆上的风能储备是小于海上的，海上大概有百分之六七十集中在深海。当然可能深海这块，因为有一些离岸距离比较远，但是目前探明的，根据一些测试数据，深海风能资源是非常丰富的。

第二个在目前的话，人类越来越注重环境保护，离岸距离远，可以减少视觉冲击，以及风机运行的噪音对人类活动的影响，总体来说是就是环境的影响会降到比较小的程度。

第三个整个浮动式风机跟传统的固定式海上风机不一样，它是建立在浮动式可移动的基础上，那么它的机动性能比较好，这样在大部件需要更换的时候，可以回港，进行更换。如果风厂在预报的台风路径经过的区域，我们可以跟稀薄系统解脱脱回港口避风。

第四个相比较传统的装基础和固定式的基础安装成本是比较低，在海上风电分3个区域，0-30米是浅水，30-60米是过渡区域，超过60米水深范围内，传统的固定性机组成本上升非常快，浮动式成本优势就体现出来了。

根据目前从功能实现角度来说，目前我们在陆上风电和海上风电积累的经验，以及海洋工程积累的经验，实现浮动式海上风电技术上是没有问题的。市场潜力是比较大的。这个是意大利EC2009年做的调查，储量是非常丰富的，主要在美国东海岸，西海岸和日本海域，和英国的海域，以及北海海域，波罗的海，地中海，都有比较大的深海风能资源的储备。左边这个表是中山大学做的一个统计，从这个里面可以看出，传统上认为，我国海域大陆架是比较缓的，深水区也是比较小的，但是根据这个数据，我们可以看到，在中国的南海区域，福建储量还是非常可观的。

从这个表上大家可以看出，左上图是欧洲的海上风能的分布情况，右上图是美国情况。大家可以看到在东海岸，以及西海岸储量是非常丰富的近几年美国在浮动式风电方面发展政府扶持力度是非常大的。鉴衡参加了OC4，IEA主持的一系列项目，其中就包括浮动式的机组的研究，他们希望在2017实现度电成本达到商业利用价值。下面这两个是亚太地区和海南岛周围深海风能的情况。

下面再来看一下浮动式风机与传统的我们说的海上油气平台的区别。第一结构总重量不同，相比较于采油平台，浮动式风机，结构总重量比较小，在相应的载荷情况下，顶部加速度是比较大的，这是一个比较大的设计挑战。因为在水下的部分比较小，所以受流动影响比较小，我们为了获得比较好的风资源，往往导致比较高的高度，导致系统高度比较高，这样就带来一个问题，特别是风机在正常额定运行发电的时候，水力推力比较大，这样就产生一个比较大的力矩。还有一个最大的问题，跟传统的海上平台的设计不一样，在海上平台设计过程中，更多的利用频域的设计方法，可以进行现行分析，浪和流的耦合，并不是那么的明显。但是在浮动式风机这样一个以捕捉风能，转换成电能的装置，这样的话，它的风机整个集成和稀薄，线性耦合是非常明显的，在设计过程中是不能回避的问题。

浮动式风机目前的现状，根据咨询结构的统计，目前全球有29个浮动式风机项目，主要是欧洲16个，美国4个，日本9个，有两个实尺度浮动式风机样机。在2011年的年底，在葡萄牙那边用了windfloat的技术，基于海上平台的浮动式基础，主要有三方面，spar，tlp，semi，spar是主要的，tlp是小尺度的。这个是目前典型的浮动式风级项目的详细情况，包括里面采用的基础的设计方案，风机制造商和项目的状态。

通过这些可以给我们传递一个信息，海上风电的时代来了，浮动式海上风电正在酝酿，并且在未来几年，很可能在2015年，到2020年期间会出现小批量的浮动式的项目。

下面来看一下浮动式基础设计方面的设计方法，设计流程。根据我们传统的经验，我们可以把固定式海上风机跟海上的浮动式平台1加1，但是1加1带来的问题，有很多需要细化解决的问题，不是简单的叠加。我们需要把浮动式风机分成三个部分，一个是机头，浮动基础，系泊系统，浮动风机，在整个设计过程当中，可以借助目前的规范进行，在风机这块有成熟的设计规范。根据我们常用的IEA的规范，他们陆续增加了针对海上浮动式的海上计算工况。在机组和系泊可以沿用之前海上平台的设计经用，ABS和DNV针对浮动式风机进行了研究，对浮动式风机进行了细化。

右面是一系列的在设计过程当中需要考虑的问题，包括设计工况，怎么对风浪流的设计，包括控制系统，安全系数，优化等等。针对浮动式风机的设计力量跟采油平台是不一样的，采油平台把人员的安全和对环境的影响是放在第一位的，因为海埂平台往往是海油装置，上面会有一些人员常驻，另外出现破损的话，对环境污染是非常严重的，对成本会有一些要求，但是不会像我们开发风机这样，对成本要求这么高，在安全系数方面会有不同。我们浮动式风机在试运行和调试过程需要有人执手，其他运行过程当中不需要人执手。这样对我们浮动式风机的设计优化过程当中成本提供了一些可能性。

这是目前针对浮动式基础的设计标准和规范，目前有的是GL在2012年年底的时候，出的一个目前海上风机设计规范的版本当中增加了浮动式风机的载荷计算工况的要求，ABS和DNV两家公司，在今年年初和年中的时候，分别出了针对浮动式基础和相应系泊过程中的规范，为浮动式风机后续项目的开展，提供了一些设计的标准，以及认证参考的规范。目前我们最权威的IEC61400-3-2是一个最规范的成本，也许明年年初的时候会出一个初稿。浮动式机组设计流程，基于目前通用的循环设计方法，首先会根据风机载荷的工况，给这个机组做一个输入，完成初步设计，然后再进行整机运行的分析软件进行载荷计算，通过反复迭代之后进行分析。分了三个工况，极限工况，疲劳工况，意外工况。

这是比较重要的，也是区别于传统的海上石油平台的一个设计标准。首先我们在浮动式平台上，要保证风机设备正常运行，需要满足机舱和发电机的振动加速度的要求，另外对入流角，和机械部件结构强度的要求，对整机模态要求。通过这个图，我们可以看到跟陆上风机相比的区别。根据浮动式机组的形式不同，比如说像GLP这种，防止一些问题的出现。

总体性能这边，主要是稳性，以及运用幅度和加速度的要求，这个可以沿用目前海上平台的设计要求。基础结构这块，其实在总体结构强度这块，跟传统的设计没有太大的差别，但是在结构疲劳强度这块，需要通过整机耦合的方法得到考虑风载引起的疲劳。

后面这个是系泊系统，目前ABS在指定规范的时候有一些考虑，就是系泊系统设计的到底是有冗余，还是优化，尽量的减少成本呢?如果在风厂当中，系泊系统设计没有冗余，过一段时间可能会产生漂移，这样影响其他风机的运营，这样的话设计系泊系统的时候要有冗余，但是也有其他的考虑，这是根据目前的运行情况发现问题，对规范进行逐步修正的过程。

对整机设计分析，这个地方提的是一个集成设计，所谓的集成设计就是说把整个的风机以及基础和系泊系统全部考虑在内，而不是说通过陆上风机载荷，和其他载荷作为基础的设计出入，在设计中考虑非常大的安全问题，这样的话设计的基础非常的被动，对降低成本非常的不利，这是集成设计的方面，在设计过程当中，充分考虑到气动，水力，控制，结构耦合，要考虑波浪，以及气动力学的因素，在这里面重点是控制系统。如果风机特有的现象是一个负阻尼的问题。

其实目前为止并没有一个大家公认的，实际的风机的动力学的计算工具。在这方面和美国可再生能源做了很多的工作，目前流行的软件主要是集中在金属和系泊系统建模方法上。通过模型实验的方法去验证你的设计，以及校核你的载荷计算工具。

根据目前我们所掌握的方法对MW机型进行了设计，包括基础系泊系统和一些结构的设计。这个是设计的情况，这里面采用方形的半潜式浮动基础，系泊系统是有冗余的。通过规范校核，稳性，系泊系统满足完整性的要求和破损情况的要求，谢谢大家。