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龙源电力周全智:国内漂浮式风电项目建设情况和技术创新

北极星风力发电网  来源:北极星风力发电网    2020/11/10 8:58:01  我要投稿  

北极星风力发电网讯:“漂浮式风电是一项新兴的技术,给人们的想象空间非常大。首先我对将来的漂浮式风电的造价这方面做一个预测,这个也是根据国际的相关机构做出来的结果,大概2025年初步实现海上风电场的商业模式,到2030年有望实现45%-56%,预计2035年成本下降至接近固定式风机的水平,这个预测还是比较保守的,中国如果将来参与到漂浮式风电当中造价会下降的更多。”

——龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司高级工程师周全智

11月5-6日,2020年中国风电产业发展大会在上海正式召开,大会邀请了政府部门、行业协会、电网企业、风电开发商、整机厂家、大部件厂家、设计院、施工单位、原材料企业等300余家相关单位参会。北极星风力发电网、北极星电力APP对会议进行全程直播。龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司高级工程师周全智做了题为《国内漂浮式风电项目建设和技术创新》主题演讲,以下为演讲实录:

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龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司高级工程师周全智

周全智:大家上午好,我是周全智,来自龙源电力。我的演讲主要分为五个部分,第一是跟大家分享一下海上漂浮式风电产生的背景或者是意义,第二是全球漂浮式风电的项目情况,第三是介绍一下漂浮式风电有哪些关键的技术需要深入的研究,第四是简单的介绍一下龙源电力漂浮式项目的情况,最后对漂浮式风电做一个展望。

近年来海上风电发展迅猛,漂浮式风电开发逐渐成为人们的关注的焦点。那么为什么要搞漂浮式风电呢?我想有三个方面的原因:一是,经过十几年的发展,海上风电从潮间带起步,逐渐走向更深海域,基础形式从多脚架、高桩承台、单桩,逐渐演变为导管架基础,而相关研究表明,当水深超过60m后,导管架不再具备经济性,漂浮式基础成为必然选择;二是,在走向深远海过程中,海上风能密度逐渐增大,研究数据表明,我国海域水深在0-20m,风能密度在100左右,水深在20-50m,风能密度达到200左右,当水深在50-100m时,风能密度能到达400以上,此时的风资源超过了2200GW,开发潜力巨大;三是,漂浮式基础通过系泊索与海床相连,不与海床直接接触,从而摆脱了复杂海床地形以及复杂地质的约束,受水深影响小,因而同一海域的几十台甚至上百台风机基础可做成标准型式,从而具备更好的规模化、产业化效应,可以大幅提高建造效率,降低开发成本。

下面我再介绍一下漂浮式风电在全球范围内项目的情况,首先在国外,目前已经公布的漂浮式项目大概有49个,这49个里面建成的目前只有10个,分别位于欧洲和日本,建成的10个项目中有8个是样机的示范工程。目前规划容量排前三为的分别是美国、英国和日本,分别占漂浮式项目总容量的44%,30%和18%。

漂浮式风电关键的组成部分就是漂浮式基础,漂浮式基础大致可以分成四种类型,第一个是驳船式的,第二个是半潜式的,第三个是单柱式的,第四个是张力腿式的,目前统计下来半潜式的占50%,张力腿的目前统计下来是最少的,大概占5%左右,其他的两种形式大概在20%左右。

在造价方面,研究数据显示:2008年全球第一个漂浮式风电项目造价是30万元/千瓦;到2016年,英国某项目的造价达到5.3万元/千瓦。其原因在于英国的项目装机容量增加了;第二个原因它的风机的容量增加了,5台6MW的,所以整体的造价大幅度的下降。

举一个例子:WindFloat在2011时年每千瓦造价是13万元,2019年葡萄牙某漂浮式风电场安装三台8.4兆瓦的风机,总容量25MW,其造价就有大幅度的下降,达到原来的1/3左右,4.1万元/KW。这主要得益于浮式基础及风机技术进步,特别是风机大型化和小型规模化生产。

值得大家兴奋的是,我国现在也有三个正在实施的示范项目,这三个分别是龙源的福建南日岛项目、三峡阳江示范项目和中船集团海装风电的湛江示范项目,都是采用半潜式的。

漂浮式风电技术属于“卡脖子”技术,国内没有项目经验可循,国外成熟技术不多,且具有一定的垄断性。漂浮式风电示范工程涉及五个方面的关键技术:一是浮式平台,二是浮式风机,三是动态海缆,四是水池试验,由于龙源电力项目还要与海洋养殖功能,还有浮式养殖技术。首先,浮式风电平台漂浮在水面上,受到的荷载工况非常复杂,既有上部风机空气动力荷载,又有下部波浪、流水动力荷载,还有系泊索力及变化的浮力作用,这些荷载是同时发生,耦合在一起的,如何进行耦合分析是一个挑战,另外浮体平台的设计需要多专业如总体、结构、机管电仪讯、通风、安全消防等多专业通力配合才能完成。

第二,漂浮式风电机组与固定式不同,在风机环境适用性方面,首先风机安全性及功能性部件要满足深水环境条件,其次风机性能、部件要满足平台运动要求;在风机与平台一体化设计方面,首先是要使风电机组在风浪流等荷载作用下进行全耦合一体化的仿真,其次要对风电机组结构强度及疲劳寿命进行评估,最后是解决浮式风电机组全耦合控制策略问题。

第三,与固定式海上风电不同,由于漂浮式风机基础在海面上一直处于运动状态,与之相连的海缆也是动态的。因此需要对该段海缆进行特殊设计和特殊的一系列试验测试。同时,在30m-60m的过渡水深条件下,相关研究表明,波浪和流对海缆影响明显,浮体平台受浪流影响也很大,位置偏移较大,从而导致动态海缆线型设计困难,还有就是海生物的影响,海生物生长导致电缆自重增加,线型变化,而浅水海生物生长速度缺乏基础数据支撑。

第四,为了验证浮式基础设计、预报实尺度浮式风机运动和受力并优化浮式风机设计,同时研究浮式风机运动机理,验证仿真设计平台,特别对于漂浮式风电这种相关技术并不成熟的项目,需要进行水池试验。由于水池试验需要满足相似原理,而在风机叶轮气动模拟方面需要满足雷诺相似,在风机基础平台水动力模拟方面需要满足付汝德相似,水池试验中两个相似条件是不能同时满足的,如何对其进行科学模拟是需要解决的一个难题。

第五,龙源电力漂浮式风电项目增加了海洋养殖的功能,“上发电,下养鱼”海上风电与养殖业融合发展是该项目的一大特色。这需要在浮式平台上增设一系列养鱼设备如网衣机相关附件、自动投喂系统、水质监测系统、收鱼系统等。同时还要解决两个产业融合带来的技术及管理问题如研究风机噪音对鱼类品种选择及生长的影响、网衣对平台性能的影响(含网衣海生物影响)、两者在运维管理方面的如何有机结合等。

下面再介绍一下龙源电力漂浮式项目现在的情况,目前我们项目进展比较顺利,计划到下个月完成初步设计,目前第一轮的风机荷载在上个月已经完成。龙源电力漂浮式示范项目依托于福建莆田南日岛这个400MW风电场的项目,项目采用上海电气4.0MW风电机组,作业水深大概35米。由于增加了海上养殖的功能,所以相当于是一个跨行的融合,目前做这方面工作的在全球范围内也不多,是一个新的概念,所以在这个过程当中我们需要做更多的研究,选择合适的鱼类品种。

接下来,介绍一下我们这个平台,该平台采用半潜式,平面为三角形布置,每个角上设置一个圆柱浮筒,风机坐落在其中一个浮筒上,三个浮筒通过三榀桁架连接,每榀桁架设置上下水平撑及斜撑,形成稳定结构。每个浮筒下面设置圆盘形浮舱,这有三个好处,一是为了提供充足的拖航浮力,二是可以满足水深较浅的安装码头要求,三是可以提供升沉阻力,减小平台运动响应。另外值得一提的是,立柱浮筒设计成变截面型式,自设计吃水以上,逐渐变大,呈倒置圆台形状,这样可以提高平台的稳性和运动性能。该平台结构由龙源电力和来福士联合设计,双方共享知识产权。

该项目采用智能化的养殖设施以及数字化系统,可以实时的监测鱼类的活动情况和实时监测水质。

在动力计算方面、仿真模拟方面均进行深入研究,经过初步的计算,风机的各个部件通过了安全性评估的。

下面对漂浮式风电做一下展望,因为漂浮式风电是一项新兴的技术,给人们的想象空间非常大。首先我对将来的漂浮式风电的造价这方面做一个预测,这个也是根据国际的相关机构做出来的结果,大概2025年初步实现海上风电场的商业模式,到2030年有望实现45%-56%,预计2035年成本下降至接近固定式风机的水平,这个预测还是比较保守的,中国如果将来参与到漂浮式风电当中造价会下降的更多。

漂浮式风电的未来应用场景也很多,第一个我们的漂浮式风电可以给海上油气平台供电。

再有是刚才提到的可以和海上牧场结合,开创“水下产出绿色产品,水上产出清洁能源”的新局面,可以实现空间、结构、功能上的三个融合;

第三,可以为岛屿供电,中国的岛屿非常多,这些住人的岛屿都是靠柴油机供电为主,成本比较高;

最后一个是海上制氢,如果采用漂浮式制氢,就可以把氢气储能,然后储到一定能量之后用船进行运输,漂浮式制氢是一个全过程的绿色环保,能源和材料是取之不尽。

总的来说,我认为海上漂浮式风电“前景是光明的,道路是曲折的”,但是在我们国家政策的支持下,在同行们的共同努力下,我们漂浮式风电一定能够茁壮成长,做强做大,在国际上占有一席之地!谢谢大家!


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