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1.7 制造与施工安装
目前,浮式风机的平台基础制造还是以钢质材料为主。但近些年,已有部分设计提出以预应力混凝土作为浮式基础平台的主材料。整个平台的制造过程可在船厂等陆上基地进行,标准化的流水线作业和大规模生产可大幅度降低制造成本。浮式平台基础重量大多在2 000 t以上,混凝土材料可达10 000 t以上。相比于固定式风机,浮式风机在浅水区域并不具有经济优势,但是其平台重量对水深变化不敏感,因此在深远海域逐渐凸显其成本优势。
另外,半潜式和张力腿式浮式风机能够在港口码头完成基础平台、塔筒和风机的组装工作,而不必像固定式风机那样在海上通过大型浮吊设备进行复杂的海上安装作业。半潜式浮式风机对运输工具要求较低,通常简单的拖船即能将其运输到预定机位点进行海上锚定。运输的过程常采用湿拖的方式,并且为浅吃水状态,因此拖航过程需要预先进行稳性校核以防倾覆,并对拖航时的海况有窗口期要求。对于立柱式浮式风机,由于吃水较深,拖航过程需要特别考虑航道水深。对于张力腿式浮式风机,由于不具有自稳性,因此多用干拖方式,对运输的船只稳性要求较高,其海上施工安装也较为复杂。
浮式风机的日常维护工作与固定式风机类似。但浮式风机与系泊系统解脱后具有拖航移动特性,大多数的浮式风机主体都可以通过拖航回港可实现港口维修,也可以拖航到别的海域进行重新部署使用。因此相比于固定式海上风机,浮式风机的运维方式体现出更多的便捷性。
图11 浮式风机建造、安装及运输[54]
2 工程挑战与案例
2.1 工程挑战
当前,海上漂浮式风机依然存在相关政策、产业链和技术方面的问题,最终导致相对高昂的建设成本问题,阻碍其商业化的发展。
在政策层面上,目前大多数国家并没有将浮式风电与固定式海上风电从海上风电的统一概念中区别开,以进行不同的补贴政策,而更多以科研性质的基金给予单个或小批量样机测试的资助。导致相关的产业链发展的积极性不足,商业化的浮式风电场成本下降缓慢。目前,苏格兰是全世界唯一给予浮式风电场特别补贴的地区[55]。世界上首个浮式风电场Hywind Scotland Pilot Park也在苏格兰东北海岸成功建成并网。该浮式风电场由挪威石油公司投资,由5台6 MW立柱型浮式风机Hywind组成,工作水深为95~120 m,占海域约4 km2,投资约20亿挪威克朗。该漂浮式风电场从2017年运行以来表现稳定,发电量超预期[56]。
据统计,浮式风电场的费用成本组成如图12所示,费用结构中成分最大的为风机设备费用,其次为平台基础费用(含电气设备费用),接着,是相关的压载系统成本和安装施工费用。相比于固定式海上风机的费用结构,浮式风机具有更少的施工安装成本比例,但是多了相关的压载系统和系泊系统成本。通过未来的商业化发展,相关的工业链日趋成熟,浮式风电的费用将会进一步下降,降本增效的潜力将主要来源于主体平台、压载平衡系统的设计优化,以及创新的标准化制造流程。
图12 浮式风电场成本结构[55]
在技术层面上,浮式风机的基础平台主要参考浮式油气平台的设计,但是两者的安全级别和用途具有差异性,因此平台基础仍然具有较大的优化空间。浮式风机的控制系统由于平台运动与气动载荷耦合导致的“气动负阻尼”问题[38],也将挑战相关控制系统的开发。由于水平气动推力的作用,浮式风机将不可避免产生平均位移偏置和倾斜,使得系泊系统产生不均衡的张力状态,这也有别于传统油气工业的浮式系统;诸如等等。
面对这些工程技术挑战,浮式风机设计现阶段却面临规范缺失与不完善问题。目前针对浮式风机的零星的规范大多数以简略的介绍性内容为主,主要的规范有:美国船级社ABS Guideline #195[57]、法国船级设船级社NI572-FOWT-10-2015[58]、国际电工委员会IEC TS 61400-3-2:2019[59]、挪威船级社DNVGL-RP-0286[60]、DNVGL-SE-0422[61]等。在设计过程中,如环境荷载计算、稳性校核、平台基础设计、系泊设计、海缆设计、安装维护等主要参考船舶、海洋油气和固定式海上风机的相关规范为主。
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